Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Радиоэкология и радиационная безопасность. Пособие для студентов вузов
.pdf
тон, соединившись с этим электроном, превращается в нейтрон,
испуская при этом нейтрины. На освободившееся в К-слое место
перескакивает электрон из L-слоя, на место последнего — с М-
слоя и т. д., причем каждый перескок связан с высвобождением
некоторой энергии, которая и высвечивается с квантами рентгеновского излучения. Как и при позитронном β
+
-распаде, заряд
дочернего элемента становится меньше на одну единицу и отстоит от материнского радионуклида на одну клетку влево.
например,
29C
Be7+ –1е0 → 3Li7 + ν,
4
XA + –1е0 →
Z
64
Cu
+ –1е0 → 28Ni
YA + ν (нейтрино),
Z–1
64
+ ν.
Электронный захват представляет собой процесс, прямо про-
+
тивоположный и конкурентный позитронному β
-распаду. Уравновешивание энергетического состояния радиоактивного атома
одного и того же химического элемента возможно как посредс-
+
твом β
служить ядро
ев за счет β
-распада, так и с помощью K-захвата. Примером может
Mn52, которое переходит в ядро 24Сr52 в 35% случа-
25
+
-распада и в 65% случаев за счет K-захвата.
Подводя итог о β-распаде, в целом следует указать, что последний может быть и многоступенчатым процессом. Энергетический
спектр испускаемых при этом β-частиц (электронов или позитронов) сложный и непрерывный, так как высвобождаемая при этом
процессе энергия распределяется статически между движущейся
β-частицей и античастицей.
По энергии частиц β-излучатели делят на мягкие (с энергией
3
до 0,5 МэВ; Е(Н
жесткие (с энергией выше 0,5 МэВ; Е(Sr
32
) = 1,7, Е(Y90) = 2,26 МэВ). Скорость распространения β-час-
Е(Р
) = 0,018, Е(С14) = 0,165, Е(Со60) = 0,312 МэВ) и
90
) = 0,545, Е(Sr89) = 1,46,
тиц в среде составляет 0,29–0,99 скорости света.
Радиоактивный распад (α- и β-распады) может сопровождаться не только выбросом α- и β-частиц, но и испусканием гаммаквантов (γ-излучения) или фотонов (фотонное излучение). Последние отмечаются в случае, если дочернее ядро получает избыток
энергии (находится в возбужденном состоянии):
24
Na
→ 12Mg
11
24
+ –1е0 + 2γ-кванта.
При распаде, сопровождающемся испусканием γ-квантов или
фотонов, превращения самих химических элементов не проис-
121
Рис. 7. Схемы однократного (А) и каскадного (Б) радиационных переходов при
радиоактивных распадах ядер, сопровождающихся испусканием γ-квантов.
Е, Е
, Е2 — возбужденные состояния ядер; 0 — основное уравновешенное
1
энергетическое состояние ядра
ходит, так как ядро получает сравнительно небольшую энергию
возбуждения, недостаточную для испускания нуклона. Излучая
избыточную энергию в виде γ-квантов, ядро переходит из возбужденного состояния в состояние с меньшей энергией (радиаци-
онный переход). Радиационный переход может быть однократным,
когда ядро, испустив один квант, сразу переходит в основное
уравновешенное энергетическое состояние, или каскадным, когда снятие возбуждения происходит в результате последовательного испускания нескольких γ-квантов (рис. 7). В случае α-распада
обычно испускаются γ-кванты невысокой энергии (Eγ < 0,5 МэВ).
Энергия γ-квантов испускаемых дочерним ядром после β-распада
может быть больше и достигать 5 МэВ. Как самостоятельный вид
радиоактивного распада гамма-распад не существует.
10.3. Общая характеристика ядерных реакций
Радиоактивному распаду подвержены только неустойчивые
ядра, причем акт распада возникает спонтанно, без внешнего воздействия, и при этом в ядро извне ничего не поступает. Принципиальное отличие другой категории ядерных превращений — ядер-
ных реакций — заключается в том, что при известных условиях они
могут произойти с любыми ядрами, но при условии обязательного
вторжения в них свободной частицы (например, нейтрона) или
легких ядер, γ-кванта высокой энергии (от 8 МэВ и выше), или же
при столкновении и взаимодействии легких ядер между собой.
Нейтроны лишены заряда, вследствие чего кулоновское поле
как орбитальных электронов, так и ядер на них не действует. Поэтому они оказываются удобными бомбардирующими частицами,
122
вызывающими различные виды взаимодействия с ядрами обстреливаемой мишени. При ядерных реакциях взрывного типа нейтроны приобретают ускорение (высокую энергию) за счет высвобождающейся внутриядерной энергии. Вид реакции определяется
энергией нейтрона. В зависимости от своей энергии нейтроны делят на быстрые (Е от 100 кэВ и выше), промежуточные (Е от 100 до
1 кэВ) и медленные (Е < 1кэВ). Последние разделяют на ультра-
холодные (Е = 1 · 10
ловые (Е = 5 · 10
–3
–7
эВ), холодные (Е = 1 · 10–7–5 · 10
–5 · 10
–1
эВ), резонансные (Е = 0,5 эВ до 1 кэВ).
–3
эВ), теп-
Наибольшее практическое значение имеют быстрые нейтроны.
К непосредственно ядерным реакциям относят: реакцию ак-
тивации (или радиационный захват), спонтанное деление (или нейтронный распад) и реакцию термоядерного синтеза (или протонный
распад). Первые две активируются нейтронами.
Реакция активации (или радиационный захват) возникает при
столкновении потока медленных нейтронов со стабильными ядрами, которые захватывают их и превращаются в собственный
изотоп, массовое число которого увеличивается на единицу, а
избыток энергии тут же высвечивается с γ-квантом. Образованное новое ядро неустойчиво и подвергается в дальнейшем радиоактивному превращению: например, Na
или же Na
23
(n, γ) Na24. В скобках первый индекс обозначает бом-
23
+ n1 → Na
24
+ γ → …
бардирующую частицу (нейтрон), а второй — испускаемую частицу
(γ-квант), символ продукта реакции выносится за скобки.
Радиационный захват возможен преимущественно на тепловых нейтронах. Быстрые нейтроны для этой цели непригодны,
так как, быстро пролетая вблизи ядра, они не успевают вступить с
ним во взаимодействие. Но и быстрые нейтроны могут быть продуктивно использованы для реакции радиационного захвата, если
их предварительно замедлить. Замедлителями быстрых нейтронов
служат легкие ядра, и в первую очередь водородсодержащие вещества — вода (обыкновенная и тяжелая), парафин и др. В них
преобладают протоны, по массе почти равные нейтронам. Последнее обстоятельство весьма существенно. При столкновении с
протоном быстрый нейтрон передает протону до 50% своей кинетической энергии. Поэтому после некоторого числа таких соударений энергия нейтрона быстро падает до энергии тепловых
нейтронов, которые и испытывают радиационный захват. Протон
же, получив «толчок», вылетает за пределы атома с определенной
скоростью (это так называемый протон отдачи) и, будучи заряженной частицей, взаимодействует с атомами вещества, ионизи-
123
руя их. Подобная непрямая ионизация служит одним из косвенных способов обнаружения нейтронов и измерения их энергии.
Вещества с большим атомным весом (с тяжелыми ядрами)
даже в очень толстых слоях свободно пропускают потоки быстрых
нейтронов без заметного ослабления. Так, например, для полного
замедления быстрого нейтрона с энергией 1 МэВ требуется около
20 упругих столкновений с ядрами водорода и 2200 соударений с
ядрами урана. Дело в том, что быстрый нейтрон при соударении с
массивным ядром теряет лишь незначительную часть своей энергии и поэтому свободно летит дальше. Вот почему нейтроны легко
проходят через толстый слой материалов, обладающих высоким
атомным номером, например, даже через свинец, превосходно
поглощающий заряженные частицы и кванты.
Спонтанное деление (или нейтронный распад) ядер тяжелых элементов является одним из видов взаимодействия нейтронов с облучаемыми веществами. Тяжелые ядра (Z ≥ 90) делятся как после
слабого предварительного возбуждения атомного ядра, например,
в результате облучения его нейтронами с энергией 1 МэВ, а для некоторых ядер даже тепловыми нейтронами (нейтронный распад),
так и без предварительного возбуждения (спонтанное деление).
Веществами, легко делящимися любыми нейтронами, являются
238, U235
U
, Рu
239
, Рu
241
и некоторые другие изотопы радиоактив-
ных элементов.
Процесс спонтанного деления начинается с того, что при определенных условиях ядра тяжелых элементов могут захватывать
из окружающей среды свободные нейтроны (например, образующиеся в результате космического излучения, теплового излучения). Нейтрон, влетев в ядро, увеличивает массовое число обстреливаемого элемента на единицу, т. е. переводит его в возбужденное состояние с последующим расщеплением ядра на два (иногда
на три) осколка деления. Деление ядра, как правило, происходит
асимметрично, вследствие чего оба осколка резко отличаются по
массе. Около 90% данных осколков сильно перегружены нейтронами, в силу чего они дают начало α- и β-радиоактивным цепочкам распада с испусканием мгновенных (2–3 на один акт деления)
и запаздывающих нейтронов:
235
U
+ 0n1→ 36Kr90 + 56Ba
92
235
U
+ 0n1→ 39Y97+ 53I
92
143
137
+ 30n1,
+ 20n1.
Вылетающие свободные нейтроны способны вступать во взаимодействие с оставшимися неразделившимися тяжелыми ядрами,
124
увеличивая их неустойчивость и приводя к быстрому делению с
выделением нового количества нейтронов. Таким образом, распад
тяжелых ядер оказывается самоускоряющимся процессом: количество делящихся ядер и выделяющихся при этом нейтронов быстро растет, вместе с этим быстро растет и количество выделяемой
при распаде ядер энергии. Такая самоускоряющаяся реакция деления ядер называется цепной (ядерной) реакцией. Для ее реализации
достаточно при каждом делении только двум нейтронам быстро
попасть в два новых ядра. В третьем акте деления уже будут участвовать 4 ядра, в четвертом — 8, в двадцатом — свыше миллиона, а в
шестидесятом акте — 10
процесс при делении U
12
ядер. Еще быстрее развертывается цепной
235
и U
238
нейтронами с энергией 14 МэВ,
когда число вторичных свободных нейтронов достигает 4–5. При
спонтанном делении ядра U
235
возникает около 250 нуклидов (в том
числе около 225 радиоактивных и 25 стабильных), принадлежащих
35 элементам от Zn
72
до Тb
161
. Если делящийся материал для появления такого лавинного процесса имеется в достаточном количестве, то возникает мгновенная неуправляемая цепная реакция взрывного характера, как это и происходит при взрыве атомной бомбы.
Число свободных нейтронов можно регулировать, что достигается
посредством частичного поглощения нейтронов особыми поглотителями (например, кадмием и др.). При этом число свободных
нейтронов не нарастает, но и не убывает. Процесс деления в этих
условиях не будет взрывным, но и не затухнет. Он будет самоподдерживающимся. Основываясь на данном принципе, в атомных
реакторах особыми стержнями-поглотителями избытка нейтронов
регулируется скорость протекания цепных реакций. При управляемом процессе реакций ядерного деления в энергетических реакторах АЭС кинетическая энергия последовательно превращается в
тепловую, механическую и электрическую энергии.
Реакция термоядерного синтеза возможна при столкновении
двух легких ядер и слиянии их в одно более тяжелое ядро. Для
инициации данной реакции легким ядрам необходимо преодолеть кулоновский барьер: смесь ядер-реагентов (например, дейтерия и трития) обязательно должна быть нагрета до десятков
миллионов градусов. Именно поэтому реакция синтеза называется также термоядерной реакцией. При термоядерной реакции
кинетическая энергия теплового движения ядер в этом случае достигает нескольких килоэлектронвольт, и вещество оказывается в
состоянии плазмы, ядра его преодолевают силы взаимного отталкивания и попарно сливаются друг с другом по реакциям:
125
D2 + 1T3 → 2He4 + 0n1 + 17,57 МэВ,
1
T3 + 1T3 → 2Не4 + 20n1 + 11,3 МэВ.
1
Реакции термоядерного синтеза (или протонная радиоактивность) были открыты в 1960 г. В настоящее время термоядерный
синтез является одним из перспективных направлений в качестве
неисчерпаемого источника энергии. По некоторым подсчетам, в
гидросфере Земли содержится до 4,3 · 1013 т дейтерия. Но, несмотря на такие преимущества, термоядерные реакции синтеза пока
лишены массового энергетического применения. Прежде, чем
ТЭС станут одной из ведущих составляющих частей энергетической корзины, науке придется еще ответить на ряд вопросов. В
поисках новых путей практического использования ядерных процессов проблема регулируемого термоядерного синтеза остается
наиболее актуальной для ядерной физики. В 2015 году вступит в
строй первая демонстрационная ТЭС, а к середине XXI столетия
(при условии успешности) планируется ввод первого поколения
коммерческих ТЭС. В будущем ТЭСы могут стать базисом в обеспечении потребностей в электроэнергии, так как они являются
экологическими, безопасными и представляют собой почти неистощимые запасы топлива.
11. ТИПЫ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ.
ФИЗИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ
ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ С ВЕЩЕСТВОМ
11.1. Характеристика типов
ионизирующих излучений
Ионизирующие излучения (ИИ) — излучения, способные вызывать
ионизацию атомов и молекул в облучаемом веществе и образование в
облучаемой среде ионов разных знаков и свободных радикалов.
По своей природе все ионизирующие излучения подразделяются на корпускулярные и электромагнитные.
Корпускулярные излучения представляют собой поток элемен-
тарных частиц (электронов, позитронов, протонов, гелионов,
нейтронов), обладающих массой покоя, электрическим зарядом и
различной скоростью распространения, убывающей по мере пробега. К ним относят следующие виды ионизирующих излучений.
Альфа-излучение (α-излучение) — поток α-частиц (ядер гелия),
испускаемых при радиоактивном α-распаде, а также при ядерных
126
реакциях. Имея высокую энергию, α-частицы (Е = 4–10 МэВ)
обладают сильной ионизирующей способностью (плотность ионизации, образованной на единицу пробега, достигает в среднем
30 тыс. на 1 см). Такая высокая плотность ионизации обусловливает ряд особенностей влияния α-излучения на биохимические
процессы организма: образование сильных окислителей, свободных радикалов, ионов и др. Вместе с тем из за большой массы и
заряда α-излучения обладают незначительной проникающей способностью (в воздухе они проникают на глубину 2–10 см, в биологической ткани — сотые доли 0,02–0,06 мм). В силу того, что длина пути пробега зависит от скорости частицы и плотности среды,
для поглощения крупных и несущих двойной положительный заряд α-частиц достаточно листа писчей бумаги или обычной одежды. Поэтому, данный вид ионизирующего излучения наибольший
вред оказывает при попадании его источника во внутрь организма.
Бета-излучение (β-излучение) — поток β-частиц (электронов,
позитронов), испускаемых ядрами радиоактивных элементов
при β-распаде. Энергия β-частиц колеблется в больших пределах
(Е = 0,018–13,5 МэВ), но их ионизирующая способность значительно меньше, чем у β-частиц и изменяется в зависимости от
энергии ионизирующей частицы: при Е = 0,045 МэВ плотность
ионизации в воздухе составляет 23 пары, при энергии 1 МэВ —
5 пар на 1 мм пути. Вместе с тем β-лучи обладают большей проникающей способностью, поражают биологические объекты как
при наружном, так и при внутреннем облучении. Путь пробега
β-частиц в воздухе составляет от нескольких сантиметров до 15 м
в зависимости от качества среды, в биологической ткани они проникают на глубину до 2 см и частично задерживаются одеждой.
Протонное излучение — поток протонов (ядер водорода), дейтронов (ядер тяжелого водорода — дейтерия), составляющих основу космического излучения, а также образующихся при ядерных
взрывах. Пробег протонов в воздухе и их проникающая способность в биологических тканях занимают промежуточное положение между α- и β-излучениями.
Нейтронное излучение — поток нейтронов, образующихся при
спонтанном делении тяжелых ядер, ядерных взрывах, работе ядерного реактора. Является косвенно ионизирующим излучением:
образование ионов в облученной среде происходит под действием
не самих нейтронов, а вторичных тяжелых заряженных частиц и
γ-квантов, которым нейтроны передают свою энергию. При этом
γ-кванты вызывают образование сравнительно редко распреде-
127
ленных в облучаемой ткани ионов, а тяжелые частицы, напротив,
вызывают ионизацию очень высокой плотности. Нейтронное излучение выступает одним из наиболее опаснейших видов ионизирующих излучений. Так как нейтроны не имеют заряда, они не
оказывают непосредственного влияния на электронную оболочку
атомов, взаимодействуя только с ядрами. Сталкиваясь с ядрами,
нейтроны либо отталкиваются от них (рассеиваются), либо поглощаются ими и принимают тогда участие в ядерных перестройках. Последствия воздействия нейтронного облучения на окружающую среду зависят от начальной энергии нейтронов, диапазон
которой составляет Е = 0,025–300 МэВ.
Электромагнитные излучения представляют собой особый вид
электромагнитных излучений, способных вызывать ионизацию. Не
всякое электромагнитное излучение является ионизирующим.
Радиоволны, микроволны, инфракрасное излучение, видимый
свет не вызывают ионизацию из-за недостаточной энергии, не
способной преодолеть энергию связи электрона с ядром. В лучшем случае они вызывают возбуждение атомов. К электромагнитным ионизирующим излучениям относят нижеследующие виды.
Гамма-излучение (γ-излучение) — коротковолновое электромаг-
нитное излучение большой частоты и энергии больше 100 кэВ,
возникающее в некоторых случаях при α- и β-распаде, аннигиляции элементарных частиц, при возбуждении атомов и их ядер,
торможении частиц в электрическом поле. Гамма-кванты лишены массы покоя, не имеют заряда и поэтому в электрическом и
магнитном поле не отклоняются. В веществе и в вакууме они распространяются прямолинейно и равномерно во все стороны от
источника. Гамма-излучение представляет собой один из наиболее опасных типов ионизирующих излучений, несмотря на малую
ионизирующую способность, оно обладает очень высокой проникающей способностью. Глубина распространения γ-квантов в
воздухе в ряде случаев может достигать сотен и тысяч метров.
Энергия γ-квантов различных γ-излучателей колеблется от
0,01 (мягкие γ-лучи) до 3 МэВ (жесткие γ-лучи) и редко достигает 5–6 МэВ. Гамма-источники редко имеют только однозначную
энергию квантов, т. е. они не бывают моноэнергетическими. Однако «набор» различных величин энергии для каждого источника
постоянен и образует линейчатый спектр излучения.
Тормозное излучение возникает за счет торможения в электрическом поле, окружающем атомные ядра, ускоренных заряженных элементарных частиц. Представляет собой разновидность
128
электромагнитного излучения с непрерывным энергетическим
спектром. По своему воздействию на биологические объекты
сходно с гамма-излучением.
Характеристическое излучение представляет собой электромагнитное излучение с дискретным энергетическим спектром, возникающее при изменении энергетического состояния электронов
атома. Другими словами, оно обусловлено энергетическими перестройками внутренних электронных оболочек возбужденных атомов. В возбужденном атоме орбитальный электрон, который получил дополнительную энергию извне и перешел не более удаленную орбиту, стремясь к равновесию через некоторое время (примерно через 10
–8
сек), вновь вернется на свою орбиту, при этом
будет выделена энергия в виде фотона, который и представляет
собой характеристическое излучение. По своему воздействию на
биологические объекты сходно с гамма-излучением.
Совокупность тормозного и характеристического излучений
называют рентгеновским излучением (в англоязычных источниках
чаще употребляют термин «Х-излучение»). В процессе искусственного ускорения–торможения лишь около 1% кинетической
энергии электрона идет на рентгеновское излучение, 99% энергии
превращается в тепло. В отличие от γ-излучения рентгеновское
излучение обладает такими свойствами, как отражение и преломление, его энергия невелика и не превышает 0,2 МэВ. Поэтому
оно и получило массовое распространение в качестве диагностического средства при медицинских обследованиях.
Аннигиляционное излучение представляет собой разновидность
электромагнитного излучения, возникающее в результате аннигиляции (уничтожения) частицы и античастицы, при котором обе
частицы превращаются в кванты поля. Например, при аннигиляции позитрона и электрона возникают кванты электромагнитного поля — фотоны, при аннигиляции нуклона и антинуклона —
-мезоны и др. Воздействие на биологическую ткань аналогично
с гамма-излучением.
Таким образом, корпускулярные и электромагнитные ионизи-
рующие излучения различаются:
природой ионизирующих частиц;
степенью ионизации и проникающей способностью;
пространственным распределением вызываемых ими актов ио-
низации.
129
11.2. Общая характеристика взаимодействия
ионизирующих излучений с веществом
При взаимодействии ионизирующих излучений с веществом
основными процессами, в которых расходуется энергия излучений, поглощенная облучаемым объектом, выступают ионизация и
возбуждение. Данные процессы представляют собой важнейшее
отличительное качество ионизирующих излучений. Акт ионизации происходит в том случае, когда кинетическая энергия облучающейся частицы больше энергии связи орбитального электрона с ядром (> 10–12 эВ — так называемый потенциал ионизации).
При этом электрон может быть сорван с оболочки облучаемого
атома (рис. 8, А) и электрически нейтральный атом (или молекула) временно превращается в заряженное образование — ион,
несущий положительный заряд. Сорванный электрон, порциями теряя свою кинетическую энергию на ионизацию встречных
атомов, в конце концов затормаживается и захватывается какимлибо атомом, превращающимся при этом в отрицательный ион.
Таким образом, на каждый положительный ион образуется один
отрицательный ион, т. е. возникает пара ионов. В том случае, если
передаваемая атому или молекуле энергия излучения меньше потенциала ионизации, происходит лишь их возбуждение.
При изучении ионизирующей способности излучений используется понятие линейная плотность ионизации (ЛПИ).
Линейная плотность ионизации — количество пар ионов, образованных в среде квантом (фотоном) или частицей на единице пути
(dN/dt).
Рис. 8. Схема процессов ионизации (А) и возбуждения (Б), сопровождающих
130
прохождение заряженных частиц через вещество
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]