Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Радиоэкология. Учебное пособие-1
.pdf
3. Закон радиоактивного распада
Количество любого радиоактивного изотопа со временем умень-
шается вследствие радиоактивного распада (превращения ядер). Ра-
диоактивный распад идет непрерывно, скорость этого процесса и
его характер определяются строением ядра. Поэтому на этот процесс
нельзя повлиять никакими обычными физическими или химичес-
кими способами, не изменив состояния атомного ядра. Кроме того,
распад носит вероятностных характер, то есть нельзя точно опреде-
лить, когда и какой именно атом распадется, но в каждый проме-
жуток времени распадается в среднем какая-то определенная часть
атомов.
Для каждого радиоактивного изотопа средняя скорость распада его
атомов постоянна, неизменна и характерна только для данного изото-
па. Постоянная радиоактивного распада λ для определенного изотопа
показывает, какая доля ядер распадется в единицу времени. Постоян-
ную распада выражают в обратных единицах времени с1, мин1, ч1 и
т. д., чтобы показать, что количество радиоактивных ядер со временем
убывает, а не растет.
Самопроизвольное превращение ядер любого радиоактивного изо-
топа подчиняется закону радиоактивного распада, который устанавли-
вает, что за единицу времени распадается одна и та же доля имеющих-
ся в наличии ядер.
Математическое выражение этого закона, описывающее процесс
убывания количества радиоактивных ядер со временем, отображается
следующей формулой:
Nt = N0e
λt
, (Nt = N0e
0,693t/Ò
),
ãäå Nt число радиоактивных ядер, оставшихся по прошествии вре-
ìåíè;
N0 исходное число радиоактивных ядер в момент времени t= 0;
е основание натуральных логарифмов (е = 2,72);
λ постоянная радиоактивного распада (= 0,693/Т);
t время, в течение которого распадался радиоизотоп;
Т период полураспада данного радиоизотопа.
По этой формуле можно рассчитать число нераспавшихся радиоак-
тивных атомов в данный момент времени.
Для характеристики скорости распада радиоактивных элементов на
практике пользуются периодом полураспада.
21
Период полураспада это время, в течение которого распадается
половина исходного количества радиоактивных ядер. Он обозначается
буквой Т и выражается в единицах времени.
Для различных радиоактивных изотопов период полураспада имеет
значения от долей секунды до миллионов лет. Причем у одного и того же
элемента могут быть изотопы с различным периодом полураспада. Соот-
ветственно и радиоактивные элементы разделяются на короткоживущие
(÷àñû, äíè)
(ãîäû)
238
U (T=4,47 ìëðä ëåò), 13755Cs (30 ëåò),
92
131
I (8,05 суток),
531
214
Po (1,64.10
84
4
сек) и долгоживущие
90
Sr (29 ëåò).
38
Между периодом полураспада и постоянной распада существует об-
ратная зависимость, т. е. чем больше λ, тем меньше Т, и наоборот.
Графически закон радиоактивного распада выражается экспонен-
циальной кривой (рис. 2.1). Как видно из рисунка, с увеличением
числа периодов полураспада число нераспавшихся атомов убывает, по-
степенно приближаюсь к нулю [Белов А.Д. и др., 1999].
Рис. 2.1. Графическое изображение закона радиоактивного распада
Активность радиоактивного элемента равна числу распадов в едини-
цу времени. Чем больше радиоактивных превращений испытывают атомы
22
данного вещества, тем выше его активность. Как следует из закона
радиоактивного распада, активность радионуклида пропорциональна
числу радиоактивных атомов, т. е. возрастает с увеличением количества
данного вещества. Поскольку скорость распада радиоактивных изото-
пов различна, то одинаковые по массе количества различных радио-
нуклидов имеют разную активность.
В системе СИ единицей активности является беккерель (Бк) рас-
пад в секунду (расп/с). Наряду с Бк используется внесистемная едини-
ца кюри (Ки). 1Ки это активность любого радиоактивного веще-
ства (изотопа), в котором происходит 3,7.1010 актов распада в секунду.
Единица кюри соответствует радиоактивности 1 г радия.
1Êè = 3,7.10
10
Áê; 1ìÊè = 37ÌÁê 1ìêÊè = 37 êÁê.
Активность любого радиоактивного препарата по истечении време-
ни t определяют по формуле, соответствующей основному закону ра-
диоактивного распада:
At = A0å
0,693t/Ò
,
ãäå At активность препарата через время t;
А0 исходная активность препарата;
е основание натуральных логарифмов (е = 2,72);
t время, в течение которого распадался радиоизотоп;
Т период полураспада; значения Т и t должны иметь одинако-
вую размерность (мин, сек, часы, дни и т. д.).
(Пример: Активность А0 радиоактивного элемента 32Р на определен-
ный день равна 5 мКи. Определить активность этого элемента через
неделю. Период полураспада Т элемента 32Р составляет 14,3 дня. Актив-
ность 32Р через 7 суток. At = 5.2,72
0,693.7/14,3
= 5.2,72
0,34
= 3,55 ìÊè).
Единицы кюри (Ки) для характеристики гамма-активности источ-
ников непригодны. Для этих целей введена другая единица эквива-
лент 1 мг радия (мг-экв. радия). Миллиграмм-эквивалент радия ýòî
активность любого радиоактивного препарата, гамма-излучение кото-
рого при идентичных условиях измерения создает такую же мощность
экспозиционной дозы, как гамма-излучение 1 мг радия Государствен-
ного эталона радия РФ при использовании платинового фильтра тол-
щиной 0,5 мм. Единица миллиграмм-эквивалент радия не установлена
существующими стандартами, но широко используется на практике.
Точечный источник в 1мг (1мКи) радия, находящийся в равнове-
сии с продуктами распада, после начальной фильтрации через плати-
новую пластину толщиной 0,5 мм создает в воздухе на расстоянии 1 см
23
мощность дозы 8,4 Р/ч. Эту величину называют ионизационной гамма-
постоянной радия и обозначают буквой Кγ. Гамма-постоянная радия
принята за эталон мощности дозы излучания. С ней сравнивают Кγ всех
других гамма-излучателей. Существуют таблицы гамма-постоянных для
большинства радиоактивных изотопов.
Так, гамма-постоянная 60Со составляет 13,5 Р/ч. Сравнение гамма-по-
стоянных радия и 60Со показывает, что 1 мКи радионуклида 60Со создает
дозу излучения, в 1,6 раза большую, чем 1 мКи радия (13,5/8,4 = 1,6).
Иначе говоря, по создаваемой дозе излучения в воздухе 1 мКи радио-
нуклида 60Со эквивалентен 1,6 мКи радия, т. е. гамма-излучение, ис-
пускаемое препаратом 60Со активностью 0,625 мКи, создает такую же
дозу излучения, что и 1 мКи радия.
Гамма-эквивалент М изотопа связан с его активностью А (мКи)
через ионизационную гамма-постоянную Кγ соотношениями:
Ì = ÀÊγ/8,4 èëè À = 8,4Ì/Êγ,
которые позволяют перейти от активности радиоактивного веще-
ства, выраженной в мг-экв. радия, к активности, выраженной в мКи
и наоборот [Белов А.Д., 1999].
Контрольные вопросы:
1. Из каких элементарных частиц состоят атомы и какими свой-
ствами они характеризуются?
2. В каких состояниях может находиться атомная система?
3. Что такое радиоактивность и какие существуют виды радиоак-
тивного распада?
4. В чем суть закона радиоактивного распада?
5. Что такое активность радиоактивного элемента и в каких едини-
цах она измеряется?
24
Лекция 3.
Виды ионизирующих излучений
и их взаимодействие с веществом
1. Виды ионизирующего излучения
2. Проникающая способность и плотность ионизации ионизирую-
щих излучений
3. Взаимодействие ионизирующих излучений с веществом
1. Виды ионизирующего излучения.
Ионизирующее излучение это излучение, взаимодействие кото-
рого с веществом приводит к ионизации его атомов и молекул, то есть
превращению их из электрически нейтральных частиц в положительно
и отрицательно заряженные ионы.
Это изменение становится возможным потому, что частицы и кван-
ты, вылетающие из ядра при радиоактивном распаде, имеют опреде-
ленный запас кинетической энергии, при пробеге в веществе эта
энергия расходуется на ионизацию и возбуждение встречающихся
атомов.
К ионизирующим излучениям относятся потоки заряженных и
нейтральных частиц и электромагнитные излучения высоких энер-
ãèé.
Электромагнитные ионизирующие излучения
Электромагнитные ионизирующие излучения по своей природе от-
носятся к электромагнитным волнам и им присущи все волновые ха-
рактеристики (длина волны, энергия и др.). Электромагнитные волны
включают в себя излучения, охватывающие большой диапазон длин
волн и частот.
Электромагнитные ионизирующие излучения отличаются от других
электромагнитных излучений более короткой длиной волны (λ) è áî-
лее высокой энергией, которые находятся в обратной зависимости друг
с другом:
hν = E/λ,
ãäå h постоянная Планка = 6,63.10
ν частота излучения.
Соответственно с уменьшением длины волны (увеличением часто-
ты) энергия излучения возрастает: Е = hc/l.
34
Äæ/Ãö;
25
К электромагнитным ионизирующим излучениям относятся: рент-
геновское излучение, тормозное излучение, гамма-излучение.
Рентгеновское излучение представляет собой электромагнитное излу-
чение с длиной волны 100,001 нм (10710
11
м), и занимает спект-
ральную область между ультрафиолетовыми и гамма-излучением. Рен-
тгеновское излучение образуется при торможении быстрых элект-
ронов, получаемых в вакууме, в веществе. Условно рентгеновское
излучение делится на жесткое (длина волны < 0,2 нм) и мягкое (дли-
на волны > 0,2 нм).
Тормозное рентгеновское излучение это электромагнитное излуче-
ние, возникает при торможении электронов в электрическом поле ядер
атомов вещества.
Характеристическое рентгеновское излучение возникает при пере-
стройке электронных оболочек атомов при ионизации и возбуждении
атомов и молекул.
Гамма-излучение это электромагнитное излучение, испускаемое
ядрами атомов в ходе их радиоактивного распада. Испусканием γ-квантов сопровождаются α-распад, β-распад и К-захват. Кроме этого они
генерируются при аннигиляции электрон-позитронной пары и при рас-
паде некоторых элементарных частиц, например π-мезонов. Во всех этих
случаях избыток энергии высвобождается в виде гамма-излучения.
Гамма-излучение представляет собой поперечные электромагнитные
10
волны, лежащие в диапазоне длин волн 10
14
10
м. Они распространя-
ются прямолинейно и равномерно во все стороны от источника γ-кванты
не имеют массы покоя и заряда.
В отличие от рентгеновских лучей, имеющих непрерывный спектр
энергии, в большинстве случаев γ-источники испускают γ-кванты раз-
личной энергии. Величина энергии для каждого источника постоянна
и образуется линейчатый спектр излучения. В среднем энергия γ-квантов различных γ-излучателей колеблется в пределах 0,01 МэВ (мягкие
γ-лучи) 3МэВ (жесткие) иногда до 10 МэВ.
Корпускулярные излучения
Корпускулярные ионизирующие излучения представляют собой поток
частиц (корпускул). В зависимости от массы, заряда и скорости они
подразделяются на легкие и тяжелые, заряженные и незаряженные,
быстрые и медленные.
Электроны относятся к легким заряженным частицам. Источником
электронов может стать вещество, получившее определенное количе-
ство энергии. Ускоренные электроны, возникающие при β-распаде ато-
26
мов радиоактивных веществ, называются β-частицами. Позитрон, образовавшийся при позитронном распаде, называется β
+
частицей. Фи-
зические характеристики электронов ядерного происхождения такие
же, как и у электронов атомной оболочки.
Бета-частицы представляют собой поток частиц (электронов или
позитронов) ядерного происхождения. Бета-частицы одного и того же
радиоактивного элемента обладают различным запасом энергии (от 0
до некоторого максимального значения). Это объясняется тем, что при
β-распаде из атомного ядра вылетают одновременно с β-частицей ней-
трино. Поэтому энергетический спектр β-излучения сплошной или непрерывный. Средняя энергия β-частиц в спектре равна примерно 1/3
их максимальной энергии. Различные радиоактивные изотопы значи-
тельно отличаются друг от друга по уровню энергии β-частиц. Максимальная энергия β-частиц различных элементов имеет широкие пределы от 0,0150,05 МэВ (мягкое β-излучение) до 312 МэВ (жесткое
β-излучение). Вследствие этого у β-частиц одного и того же радиоак-
тивного элемента величина пробега в одном и том же веществе неоди-
накова.
К тяжелым заряженным частицам относятся протоны и дейтроны
(ядра легкого и тяжелого водорода с единичным плюсовым зарядом
1p+; 2d+
), α-частицы и ядра химических элементов.
Альфа-частицы представляют собой ядра атомов гелия и состоят из
двух протонов и двух нейтронов; они имеют двойной положительный
заряд и относительно большую массу (4,003 а. е. м.). Энергия их колеблется
в пределах 211 МэВ. Для каждого данного изотопа энергия α-частицы
постоянна. Альфа-излучение считают монохроматическим. Альфа-час-
тицы возникают при α-распаде радиоактивных изотопов (например
239
226
Pu,
210
Ra,
Po и др.). При делении ядер тяжелых радиоактивных
изотопов образуются ядра-осколки (ядра более легких химических эле-
ментов).
Кроме этого заряженные частицы могут быть получены на ускори-
телях разных типов бетатронах, циклотронах, синхротронах, синх-
рофазатронах и линейных ускорителях, в этом случае энергии частиц
могут достигать десятков миллиардов электронвольт (ГэВ).
К незаряженным ионизирующим частицам относятся нейтроны. По
величине энергии принята следующая условная классификация нейт-
ронов:
тепловые нейтроны, обладающие энергией теплового движения,
которая составляет при комнатной температуре около 0,25 эВ;
медленные нейтроны, энергия <1 КэВ;
27
промежуточные нейтроны, энергия 1 100 КэВ;
быстрые нейтроны, энергия >100 КэВ;
сверхбыстрые нейтроны, энергия 1050 МэВ.
Энергия любой корпускулярной частицы рассчитывается по фор-
ìóëå:
Å = mv2/2.
Ионизация атомов и молекул может вызываться различными видами
корпускулярных ионизирующих излучений. Их взаимодействие с веще-
ством будет зависеть от энергии, массы, заряда и скорости частицы.
2. Проникающая способность и плотность ионизации
ионизирующих излучений
Проникающая способность излучения путь, который волна или
частица способны проходить в веществе. Его длина находится в обрат-
ной зависимости от массы частицы. Наибольшей проникающей способ-
ностью обладают электромагнитные ионизирующие излучения. Так, в
воздухе γ-кванты пробегают сотни метров, более того, каким бы плот-
ным ни было вещество, каким бы ни была его толщина, поглотить
полностью фотоны теоретически нельзя, их можно лишь ослабить.
В радиобиологии применяется понятие линейного коэффициента ос-
лабления электромагнитного излучения, который представляет собой
величину относительного его уменьшения после прохождения слоя ве-
щества в 1 см, величина коэффициента прямо пропорциональна плот-
ности вещества и обратно пропорциональна энергии излучения. Чем мень-
ше энергия квантов и больше масса (объем, плотность и порядковый
номер) поглотителя, тем сильнее ослабление γ-излучения (табл. 3.1). Для
квантов с энергией 2,5 МэВ слой полуослабления составляет в воздухе
около 200 м, в дереве 25 см в бетоне 10 см, в свинце 1,8 мм.
Таблица 3.1
Линейные коэффициенты ослабления
в зависимости от его энергии (Козлов В.Ф., 1987)
Вещество (материал)
1 2 3 4 5
Воздух 0,0013 0,00008 0,00006 0,00004
Древесина (дуб) 0,77 0,0521 0,0293 0,0203
Парафин 0,89 0,0646 0,0360 0,0246
Каучук 0,915 0,0662 0,0370 0,0254
28
Плотность
â-âà, ã/ñì
3
γ-излучения
Энергия, МэВ
1 2 3
Окончание таблицы 3.1
1 2 3 4 5
Ткани человека 1 0,0699 0,0393 0,0274
Âîäà 1 0,07 0,05 0,04
Кирпич 1,78 0,113 0,0646 0,0473
Углерод
2,25 0,143 0,0801 0,059
Бетон 2,40 0,154 0,0878 0,0646
Алюминий 2,70 0,16 0,12 0,09
Сталь 7,83 0,460 0,276 0,234
Свинец 11,34 0,77 0,51 0,47
Снижение интенсивности электромагнитного излучения при про-
хождении через вещество описывается зависимостью:
I(l) = I0e kl,
ãäå I(l) интенсивность излучения, прошедшего толщину l;
I0 исходная интенсивность падающего излучения;
k линейный коэффициент ослабления (поглощения), характе-
ризующий поглощающую способность вещества.
Большой проникающей способностью обладают незаряженные час-
тицы (нейтроны).
Значительно меньше проникающая способность заряженных частиц. Она
зависит, как и проникающая способность электромагнитных излучений от
энергии, но, кроме этого, в значительной степени определяется массой и
скоростью движения частицы. Так β-частицы, обладают малой массой и
большой скоростью, достаточно медленно теряют свою энергию на иониза-
цию и поэтому их пробег в ткани больше чем у других заряженных частиц
(òàáë. 3.2). Ïóòü β-частиц в веществе извилист, т. к. имея малую массу, они
легко меняют направление движения под действием электрических полей
встречных атомов. Пробег бета-частиц в воздухе может составлять в зависи-
мости от энергии до 25 м, в биологических тканях до 12 см.
Источник
45
42
Таблица 3.2
Пробег b-частиц в различных средах
Энергия частицы,
ÌýÂ
3
H 0,0179 0,2 0,001 0,0025
14
C 0,155 15,5 0,122 0,206
35
S 0,167 16,3 0,138 0,223
Ca 0,255 46,5 0,301 0,638
32
P 1,704 600 3,703 8,0
Воздух, см Алюминий, мм
Длина пробега частицы
Биологическая
ткань, мм
K 3,58 1400 7,967 18,02
29
Тяжелые частицы, проходя через вещество, очень быстро теряют
свою кинетическую энергию и соответственно имеют небольшую про-
никающую способность (табл. 3.3, 3.4).
Таблица 3.3
Пробег протонов в различных средах
2,3
4,3
Длина пробега
23
73
147
355
642
1211
2380
Энергия частицы, МэВ
1
2
3
5
7
10
15
в воздухе, см в биологич. ткани, мкм
14,7
35,5
64,2
121,1
128,0
Пробег α-частицы в воздухе в зависимости от энергии составляет
210 см, в биологических тканях несколько десятков микрометров.
Òàê êàê α-частицы массивны и обладают сравнительно большой энер-
гией, путь их в веществе прямолинеен.
Таблица 3.4
Пробег α-частиц в различных средах
Энергия частицы, МэВ
4,0
5,0
6,0
7,0
7,5
8,0
8,5
9,0
9,5
10,0
воздух, см алюминий, мкм биолог. ткань, мкм
2,5
3,5
4,6
5,9
6,6
7,4
8,1
8,9
9,8
10,6
Длина пробега частицы
16
23
30
38
43
48
53
58
64
69
31
43
56
72
81
91
100
110
120
130
Наиболее опасными при внешнем облучении являются электромаг-
нитные излучения, а при внутреннем корпускулярные излучения.
Плотность ионизации (ПИ) число пар ионов, образующихся на 1 мкм
пути пробега частицы или электромагнитного излучения. Разные виды
излучения в одинаковых дозах вызывают ионизацию различной плот-
ности. Плотность ионизации пропорциональна квадрату заряда (q) и
обратно пропорциональна скорости частицы (U
30
.
): ÏÈ ≈ q
..
2
/U.. Òàê êàê
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]