книги / Физика для бакалавра. Ч. 2-1

Физический смысл понятия эффективной дозы следую-

щий: значение эффективной дозы (Е) соответствует такому уровню равномерного облучения всего организма, при котором суммарный выход стохастических последствий облучения у него будет таким же, как и в случае локального облучения органа (Т) эквивалентной дозой величины (Н):

Е = Н Wт.

За единицу эффективной дозы в системе СИ тоже был принят зиверт (Зв). При равномерном облучении эффективная доза равна эквивалентной дозе. При неравномерном облучении эффективная доза равна произведению эквивалентной дозы на тканевый взвешивающий фактор, или равна такой эквивалентной дозе (при равномерном облучении), которая создает такой же риск неблагоприятных последствий.

Измерить эффективную дозу облучения организма невозможно. Ее рассчитывают как сумму произведений эквивалентных доз (Н) в отдельных органах и тканях на соответствующие значения взвешивающих факторов (Wт), приведенных выше.

33.8. Меры защиты от действия ионизирующего излучения

Тяжесть заболеваний от воздействия ионизирующих излучений и возможность более тяжелых отдаленных последствий требуют особого внимания к проведению профилактических мероприятий. Они несложны, но эффективность их зависит от тщательности выполнения и соблюдения всех, даже самых малейших требований. Весь комплекс мероприятий по защите от действия ионизирующих излучений делится на два направления: меры защиты от внешнего облучения и меры профилактики внутреннего облучения.

Защита от действия внешнего облучения сводится в основном к экранированию, препятствующему попаданию тех или иных излучений на работающих или других лиц, находящихся

381

в радиусе их действия. Применяются различные поглощающие экраны; при этом соблюдается основное правило – защищать не только рабочего или рабочее место, а максимально экранировать весь источник излучения, чтобы свести до минимума всякую возможность проникания излучения в зону пребывания людей. Материалы, используемые для экранирования, и толщина слоя этих экранов определяются характером ионизирующего излучения и его энергией: чем больше жесткость излучения или его энергия, тем более плотный и толстый должен быть слой экрана.

Как было сказано выше, альфа-излучения практически не опасны в отношении внешнего облучения, поэтому при работе

сэтими источниками не требуется оборудования каких-либо специальных экранов; достаточно находиться на расстоянии более 11–15 см от источника, чтобы быть в безопасности. Однако необходимо предупредить возможность приближения к источнику или экранировать его любым материалом.

Подобным образом решаются вопросы защиты при работе

систочниками мягкого бетта-излучения, которые также задерживаются небольшим слоем воздуха или простейшими экранами. Источники жесткого бетта-излучения требуют специального экранирования. Такими экранами могут служить стекло, прозрачные пластмассы толщиной от 2–3 до 8–10 мм (особо жесткие излучения), алюминий, вода и др.

Особые требования предъявляются к экранированию источников гамма-излучений, так как этот вид излучений обладает большой проникающей способностью. Экранирование этих источников производится специальными материалами, обладающими хорошими поглощающими свойствами. К ним относятся: свинец, специальные бетоны, толстый слой воды и др. Учеными разработаны специальные формулы и таблицы расчета толщины защитного слоя с учетом величины энергии источника излучения, поглощающей способности материала и других показателей.

382

Конструктивно экранирование источников гамма-излуче- ний осуществляется в виде контейнеров для хранения и транспортировки источников (запаянных в герметичные ампулы), боксов, стен и межэтажных перекрытий производственных помещений, отдельно стоящих экранов, щитов и т.п. Разработаны разнообразные конструкции аппаратов, облучателей и других устройств для работы с источниками гамма-излучений, в которых также предусмотрено максимальное экранирование источника и минимальная для определенных работ открытая часть, через которую происходит рабочее излучение.

Все операции по перемещению источников гамма-излуче- ний (изъятие их из контейнеров, установка в аппараты, открывание и закрывание последних и т.п.), а также по их расфасовке, ампулированию и т.д. должны производиться механическим путем при дистанционном управлении или при помощи специальных манипуляторов и других вспомогательных устройств, позволяющих работающему на этих операциях находиться на определенном расстоянии от источника и за соответствующим защитным экраном. При разработке конструкций манипуляторов, дистанционного управления, организации работ с источниками излучения необходимо предусматривать максимальное удаление работающих от источников.

В случаях технической невозможности полной защиты работающих от внешнего облучения следует строго регламентировать время работы в условиях облучения, не допуская превышения установленных предельных величин суммарных суточных доз. Это положение относится ко всем видам работ и в первую очередь к работам по монтажу, ремонту, очистке оборудования, устранению аварий и т.п., при которых не всегда удается полностью оградить рабочего от внешнего облучения.

Для контроля над суммарной дозой облучения все работающие с источниками излучения снабжаются индивидуальными дозиметрами. Кроме того, при работах с источниками больших энергий необходимо четко наладить работу дозиметрической

383

службы, контролирующей величины излучений и сигнализирующей о превышении установленных предельных величин и о других опасных ситуациях.

Помещения, где хранятся источники гамма-излучений или производится работа с ними, должны проветриваться посредством механической вентиляции.

Работы с открытыми источниками ионизирующих излучений, представляющих определенную опасность непосредственного попадания в организм и, следовательно, внутреннего облучения, требуют проведения всех изложенных выше мероприятий, чтобы исключить опасность также и внешнего излучения. Наряду с ними предусматривается целый комплекс специфических мероприятий, направленных на предупреждение всякой возможности внутреннего облучения. Сводятся они в основном к предупреждению попадания радиоактивных веществ внутрь организма и загрязнения ими кожного покрова и слизистых.

В заключение главы приведем основные величины и формулы основ физики атомного ядра:

Вопросы для самоконтроля

1.Какие частицы называются нуклонами? Из чего состоит ядро атома?

2.Какие частицы образуют ядро атома цинка? Сколько их?

3.Что такое дефект массы, энергия связи, удельная энергия

связи?

4.Напишите математические выражения этих величин.

5.Атомное ядро «составили» из N свободных нуклонов (масса каждого нуклона равна m). Чему равны масса и удельная энергия связи этого ядра?

6.Чем отличаются изобары и изотопы?

7.Почему прочность ядер уменьшается при переходе к тяжелым элементам?

8.Что называется периодом полураспада ядер?

385

9.Как и во сколько раз изменится число ядер радиоактивного вещества за время, равное трем периодам полураспада?

10.Как (по какому закону) изменяется со временем количество радиоактивных ядер?

11.Как изменится положение химического элемента в таблице Менделеева после двух α-распадов ядер его атомов? после последовательно одного α-распада и двух β-распадов?

12.Как объясняется α-распад на основе представлений квантовой теории?

13.Изменится ли химическая природа элемента при испускании его ядром γ-кванта?

14.Запишите схему е-захвата. Что сопровождает е-захват?

Вчем его отличие от β-распадов?

15.Чем объяснить выброс нейтрино (антинейтрино) при β±-распадах?

16.По каким признакам можно классифицировать ядерные реакции?

17.Под действием каких частиц (α-частиц, нейтронов) ядерные реакции более эффективны? Почему?

18.Для чего служат детекторы ядерных излучений?

19.На чем основано действие всех детекторов ядерных излучений?

20.Дайте определение поглощенной дозы излучения.

21.Что принято за единицу дозы в системе СИ?

22.Что является внесистемной единицей излучения?

23.Что такое поглощенная доза, эквивалентная доза излу-

чения?

24.ЧтопринятозаединицуэквивалентнойдозывсистемеСИ?

25.Перечислитезначениятканевыхвзвешивающихфакторов.

26.Перечислите значения доз, ниже которых исключено возникновениенестохастических(детерминированных)эффектов.

27.Перечислите меры защиты от действия ионизирующего излучения.

386

Проверочные тесты

1. По какой из формул вычисляется количество атомов (N'), распавшихся за время t? N0 – начальное число нераспавшихся атомов.

4)N eN0t ; 5) N 1 Ne0 t .

2.Что представляют собой γ-лучи (испускаемые при радиоактивном распаде)?

1) поток ядер гелия; 2) поток протонов; 3) поток электронов; 4) поток нейтронов; 5) электромагнитные волны.

3.Как может быть записано радиоактивное превращение при α-распаде?

1) zХA → z-4YA+2 + 2α4; 2) zХA → z-1YA–2 + 2α4; 3) zХA → → z+2YA+2 + 2α4; 4) zХA → z–2YA–4 + 2α4; 5) правильного вариан-

та нет.

4.В какой из элементов превращается радиоактивный 13Al29 при β-распаде ?

1) Na; 2) Mg; 3) Si; 4) P; 5) S.

5.Постоянная радиоактивного распада изотопа 82Pb210 равна 10–9 с. Определите время, в течение которого распадется 2/5 начального количества ядер этого изотопа.

1) 16,2 года; 2) 34 года; 3) 8,1 года; 4) 5,3 года.

6.В ядре содержится Z протонов и N нейтронов. Как выра-

зится энергия связи такого ядра, если mя – масса ядра?

1) (Zmр + Nmn – mя)·с2 2) (Zmn + Nmp – mя)·с2 3) Zmя·с2;

4)(mя – mn + Zmр)·с2; 5) (mр – mn)·с2.

387

7. Подсчитайте энергию связи ядра изотопа кислорода 8О16 , если его масса равна 15,99491 а.е.м.

1) 0,1327 МэВ; 2) 21,2·10–18 МэВ; 3) 123,5 МэВ;

4)190,6·10–9 МэВ.

8.Определите величину энергии, освобождающейся при ядерной реакции: 3Li7 + 1H1 → 2He4. Масса атома лития mLi = = 7,01601 а.е.м., атома водорода mH = 1,00783 а.е.м, атома гелия

mHe = 4,00260 а.е.м.

1) 1,74 МэВ; 2) 28,3 МэВ; 3) 17,4 МэВ; 4) 9,32 МэВ.

9.Период полураспада радиоактивного изотопа актиния 89Ac225 составляет 10 сут. Определите время, за которое распадется 1/3 начального количества атомов.

1) 6,67 сут; 2) 1,5 сут; 3) 0,58 сут; 4) 5,84 сут.

10.Необходимым условием протекания самоподдерживающейся цепной реакции деления является:

1) K > 1; 2) K < 1; 3) K = 1; 4) K ≥ 1.

12. Что называется дефектом массы?

расстоянии от ядра;

388

2)каждый нуклон в ядре взаимодействует только с ограниченным числом ближайших к нему нуклонов;

3)максимальное значение ядерных сил зависит от заряда ядра, т.е. числа протонов;

4)существует определенное значение напряженности внешнего электрического поля, при котором происходит распад ядра.

14. Найдите энергию, выделяющуюся при реакции

4Be9 + 1H2 → 5B10 + 0n1.

1) 11 МэВ; 2) 6,58 МэВ; 3) 4,42 МэВ; 4) 4,8 МэВ.

15.Определите удельную энергию связи δЕсв для ядра атома углерода 6С12. Масса ядра mя = 19,9272·10–27 кг.

1) 1,66 МэВ/нуклон; 2) 3,32 МэВ/нуклон; 3) 12,3 МэВ/нуклон;

4)7,70 МэВ/нуклон.

16.Определите период полураспада изотопа, если 5/8 начального количества ядер этого изотопа распалось за время t = 849 с.

1) 20,8 мин; 2) 26,6 сут; 3) 1225 с; 4) 420 с; 5) 10 мин.

389

34. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ

Рассматриваемые вопросы. Основные классы элементарных частиц. Элементарные частицы и античастицы. Фундаментальные взаимодействия. Свойства элементарных частиц. Кварки и лептоны. Великое объединение.

Понятие «элементарная частица» сформировалось в связи с установлением строения вещества на микроскопическом уровне. Обнаружение в начале ХХ века мельчайших носителей свойств вещества – атомов – позволило описать все известные вещества как комбинации конечного, хотя и достаточно большого, количества составляющих – атомов.

Под элементарными частицами понимают такие микрочастицы, внутреннюю структуру которых на современном уровне развития физики нельзя представить как объединение других частиц. Во всех наблюдавшихся до сих пор явлениях каждая такая частица ведет себя как единое целое.

Открытие сложного строения атомов, оказавшихся построенными всего из трех типов частиц (электронов и протонов и нейтронов в ядре), существенно уменьшило количество дискретных элементов, формирующих свойства вещества, и дало основание предполагать, что цепочка составных частей материи заканчивается дискретными бесструктурными образованиями – элементарными частицами. Нельзя с уверенностью сказать, что частицы, элементарные в смысле приведенного определения, существуют. Протоны и нейтроны, долгое время считавшиеся элементарными, как выяснилось, имеют сложное строение. Не исключена возможность того, что последовательность структурных составляющих материи принципиально бесконечна. Есть гипотеза о том, что существуют так называемые «геометрические кванты». Ее смысл заключается в том, что на расстоянии 10–³³ см силы взаимодействия настолько велики, что само

390