4.4. Общие сведения, свойства и разновидности материалов для защиты от радиации

4.4.1. Общие сведения

В связи с ускоренным развитием атомной энергетики резко увеличилось число предприятий промышленности, которые в технологических процессах используют радиоактивные вещества и разнообразные источники ионизирующих излучений. Поэтому для защиты от радиации необходимы специальные материалы, которые ослабляют потоки ионизирующих излучений до уровней, регламентируемых санитарными нормами.

Как известно, атомное ядро состоит из элементарных частиц – протонов и нейтронов. Протонно-нейтронная модель ядра была впервые предложена российским ученым Д.Д. Иваненко, а впоследствии развита В. Гейзенбергом.

Протон р имеет положительный заряд, равный заряду электрона и массу

m_p = 1,6726·10^-27 кг ≈ 1836·m_e,

где m_e – масса электрона.

Нейтрон n – нейтральная частица с массой

m_n = 1,6749·10^-27 кг ≈ 1839·m_e.

Протоны и нейтроны называются нуклонами (от лат. nucleus – ядро). Между нуклонами, составляющими ядро, действуют особые, специфические для ядра силы, называемые ядерными силами.

С помощью экспериментальных данных по рассеиванию нуклонов на ядрах, по ядерным превращениям и т.д. было доказано, что ядерные силы намного превышают кулоновские силы отталкивания, гравитационные, электрические и магнитные взаимодействия.

Открыл радиоактивное излучение в 1896 г. французский физик А. Беккерель при изучении люминесценции солей урана. Он случайно обнаружил, что эти соли самопроизвольно испускают излучение неизвестной природы, которое действовало на фотопластинку, ионизировало воздух, проникало сквозь тонкие металлические пластинки, вызывало люминесценцию ряда веществ.

Продолжая исследования этого явления, супруги Мария и Пьер Кюри обнаружили, что беккерелевское излучение свойственно не только урану, но и многим другим тяжелым элементам, таким как торий Th, актиний Ac, полоний Ро и радий Ra.

Обнаруженное излучение было названо радиоактивным излучением, а само явление – испускания радиоактивного излучения – радиоактивностью. В настоящее время под радиоактивностью понимают самопроизвольный распад атомных ядер химических элементов, сопровождающийся испусканием ионизирующих излучений [22, 23].

Радиоактивность подразделяется на естественную (наблюдается у неустойчивых изотопов, существующих в природе) и искусственную (наблюдается у изотопов, полученных посредством ядерных реакций). Принципиально различия между этими двумя типами радиоактивности нет, так как законы радиоактивного превращения в обоих случаях одинаковы.

Радиоактивные изотопы – неустойчивые, распадающиеся изотопы химических элементов. Известно более 50 природных и более 1000 радиоактивных изотопов, полученных с помощью ядерных реакций, происходящих под воздействием излучения, а также распада ядер делящихся изотопов.

Радиоактивные вещества – вещества, в состав которых входят природные или искусственные радиоактивные изотопы.

Заряженные частицы, обладающие достаточной кинетической энергией, чтобы при столкновении-взаимодействии ионизировать атомы среды, называют непосредственно ионизирующими частицами. К косвенно ионизирующим частицам относят незаряженные частица (нейтроны, фотоны и др.), которые в результате столкновений-взаимодействий с атомами среды могут образовывать непосредственно ионизирующие частицы или вызывать ядерные превращения. Излучения, состоящие из непосредственно или косвенно ионизирующих частиц или их смеси, называют ионизирующими излучениями.

Ультрафиолетовое излучение и видимый свет не относятся к ионизирующим излучениям.

Помимо ионизирующего излучения выделяют и другие виды излучений.

Рентгеновское излучение – совокупность тормозного и характеристического излучений, диапазон энергии фотонов которых составляет 1 кэВ…1 МэВ (мега электрон-вольт^). Тормозное излучение – фотонное излучение с непрерывным спектром, испускаемое при изменении кинетической энергии заряженных частиц. Характеристическое излучение – фотонное излучение с дискретным спектром, испускаемое при изменении энергетического состояния атома.

Корпускулярное излучение – ионизирующее излучение, состоящее из частиц с массой покоя, отличной от нуля (альфа- и бета-частицы, протоны, нейтроны и др.).

Способность материалов противостоять воздействию интенсивных потоков радиационного излучения, изменяющего его структуру и свойства, называется радиационной стойкостью. Под воздействием радиоактивного излучения у металлов заметно возрастает предел текучести, у углеродистой стали и алюминиевых сплавов уменьшается пластичность, у керамических материалов уменьшается плотность, проявляются признаки аморфизации структуры, стекло окрашивается.

Изменение структуры и свойств материалов под воздействием ионизирующих излучений зависит от двух главных факторов: характеристики исходного вещества (химического и фазового составов, структуры, строения и свойств материла) и вида радиационных нагрузок (компонентный и энергетический составы ионизирующих излучений, плотность их потоков, интенсивность, условий облучений).