Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы радиационной безопасности. Пособие для студентов инженерно-технических специальностей
.pdf
В. Г. Родненков
ОСНОВЫ
РАДИАЦИОННОЙ
БЕЗОПАСНОСТИ
Пособие для студентов
инженерно-технических специальностей
Минск
«ТетраСистемс»
УДК 614.876.084(075.8)
ББК 51.26я73
Р60
Автор
кандидат технических наук, доцент кафедры физики Белорусского
государственного университета транспорта В. Г. Родненков
Рецензент
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Неразрушающий контроль и техническая диагностика» Белорусского госу-
дарственного университета транспорта О. В. Холодилов
Родненков, В. Г.
Р60
Основы радиационной безопасности : пособие для студентов инженерно-технических специальностей / В. Г. Родненков. – Минск : ТетраСистемс, 2011. – 208 с.
ISBN 978-985-536-231-0.
Пособие подготовлено на основе учебной программы для высших
учебных заведений «Защита населения и хозяйственных объектов от чрезвычайных ситуаций. Радиационная безопасность» и посвящено второму
разделу «Основы радиационной безопасности». В доступной форме изложены основы ядерной физики; рассмотрены процессы взаимодействия
радиоактивных излучений с веществом, естественные и искусственные источники загрязнения; даны понятия доз. Приводятся сведения об аварии
на ЧАЭС и ее последствиях. Содержится информация об основных законодательных и нормативных документах по радиационной безопасности
Республики Беларусь и правилах перевозки радиоактивных грузов.
Адресовано студентам инженерно-технических специальностей, будет
полезно магистрантам, аспирантам, преподавателям.
УДК 614.876.084(075.8)
ISBN 978-985-536-231-0 © Родненков В. Г., 2011
© Оформление. НТООО «ТетраСистемс», 2011
ББК 51.26я73
ВВЕДЕНИЕ
С момента аварии на Чернобыльской АЭС прошло уже более двадцати
лет, но до сих пор она остается в центре внимания международной общественности. Последствия этой аварии затронули миллионы граждан, оказавшихся на радиоактивно загрязненных территориях и принимавших участие
в ликвидации ее последствий. Чернобыльская авария по своим физическим
масштабам и затронутым сферам деятельности людей беспрецедентна и не
имеет аналогов в мире.
Преодоление последствий аварии на ЧАЭС потребовало значительных
усилий со стороны научных и практических организаций ряда стран. За прошедшие годы выполнен огромный объем работ по минимизации последствий
аварии. Они проводились в рамках государственных целевых программ и
включали такие важные направления, как охрана здоровья, контроль радиационной обстановки, снижение доз облучения населения и реабилитация
территорий, социальная и социально-психологическая реабилитация населения. К сожалению, несмотря на многолетние усилия, полностью преодолеть негативные последствия аварии не удалось.
Радиоэкологическая обстановка, сложившаяся во многих районах Беларуси, требует от каждого жителя хотя бы элементарных знаний о радиации и
приемах защиты от нее. Значительный вклад в решение этой задачи вносят
средства массовой информации.
С целью систематического и всеобщего формирования в сознании обучающейся молодежи представлений о радиационной безопасности с 1990 года
в средних и высших учебных заведениях введен курс «Основы радиационной
безопасности». В дальнейшем вследствие демократизации общества, изменения социально-политической обстановки в обществе нам стала доступна информация и о других техногенных авариях и катастрофах. Анализ их развития
и ликвидации последствий показал, что в большинстве случаев население в
экстремальных ситуациях из-за отсутствия специальных знаний предпринимает действия, усугубляющие воздействие поражающих факторов.
В связи с этим упомянутый выше курс был пересмотрен и переработан. В
1999 году была утверждена учебная программа по курсу «Защита населения
и хозяйственных объектов в чрезвычайных ситуациях. Радиационная безопасность».
К настоящему времени по второй части курса появился ряд учебных и
учебно-методических пособий, облегчающих его изучение. Однако в последние годы некоторые положения радиационной безопасности на основании
новых результатов исследований были уточнены, разработаны новые нормативные и законодательные акты.
Предлагаемое пособие составлено с учетом указанных изменений и отражает последние разработки и концепции в области радиационной безопасности. Вместе с тем пособие не претендует на исключительную полноту
освящения всех рассматриваемых вопросов в связи с ограниченным объемом
курса.
3
1. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА АТОМНЫХ ЯДЕР
И ЯДЕРНЫХ СИЛ
1.1. Состав и характеристики атомного ядра.
Изотопы
7 марта 1911 года Резерфорд сделал в философском обществе в
Манчестере доклад «Рассеяние α- и β-лучей и строение атома». В докладе он, в частности, говорил: «Рассеяние заряженных частиц может быть объяснено, если предположить такой атом, который состоит
из центрального электрического заряда, сосредоточенного в точке и
окруженного однородным сферическим распределением противоположного электричества равной величины. При таком устройстве α-
и β-частицы, когда они проходят на близком расстоянии от центра
атома, испытывают большие отклонения, хотя вероятность такого
отклонения мала». Идея о планетарном строении атома получила в
дальнейшем экспериментальное подтверждение.
Ядром стали называть центральную часть атома, в которой сосредоточена практически вся его масса и весь положительный электрический заряд. Ядра всех атомов состоят из элементарных частиц.
Ядро простейшего атома – атома водорода – состоит их одной элементарной частицы, которую называют п ротоном. Ядра остальных атомов содержат два вида частиц – протоны и н ейтроны. Эти
частицы имеют общее название – н уклоны.
Протон (р) – положительно заряженная частица. Ее заряд равен
по величине заряду электрона и составляет е = 1,6 · 10
Масса покоя протона mp = 1,872 · 10
–27
кг.
В ядерной физике широко используется выражение Е = mc2, в соответствии с которым масса является мерой энергии. В приведенном
выражении с – скорость света в вакууме, равная 2,9979250 108 м/с.
Тогда масса протона mp = 938,28 мегаэлектрон-вольт (МэВ) (1 эВ =
= 1,6 · 10
–19
Дж).
Для сравнения укажем, что масса электрона me = 0,511 МэВ. Следовательно, протон «тяжелее» электрона примерно в 1836 раз.
Протон имеет спин (s = l/2) и собственный магнитный момент
–19
кулон (Кл).
μp = + 2,29μN, (1.1)
где μN = 5,05 · 10
–27
Ам2 – ядерный магнетон (единица магнитного
момента). Спин в переводе с английского – вращаться, вертеться. Он
характеризует собственный момент импульса частицы или системы
частиц.
Нейтрон (n) не обладает электрическим зарядом, а его масса по-
коя mn = 1,6748 ⋅ 10
–27
кг = 939,57 МэВ.
4
Разность масс нейтрона и протона m
– mp =1,3 МэВ, что составля-
n
ет примерно 2,5 массы электрона.
Нейтрон обладает спином (s = l/2) и собственным магнитным мо-
ментом
μ
= + 1,91μN. (1.2)
n
В свободном состоянии нейтрон нестабилен: он самопроизвольно
распадается и превращается в протон, испуская при этом электрон
–
и еще одну частицу, которую назвали антинейтрино (
е
). Схему
ν
распада нейтрона можно представить следующим образом:
n → p + е– +
ν . (1.3)
Такие основные характеристики частиц, входящих в состав атом-
ного ядра. Остановимся на характеристиках самих ядер.
Число протонов Z, входящих в состав ядра, определяет его заряд,
который будет равен Ze. Число Z принято называть зарядовым чис-
лом, которое равно порядковому номеру элемента в периодической
таблице элементов Менделеева.
Массовое число А показывает количество нуклонов (протонов и
нейтронов), входящих в состав ядра. Очевидно, что
А = N + Z, (1.4)
где N – число нейтронов в ядре.
Ядра химических элементов обозначаются
ХA, где Х символ хи-
Z
мического элемента. В настоящее время известно 112 химических
элементов.
В природе встречаются элементы, ядра которых имеют одинаковое зарядовое число и разное массовое число. Такие ядра называют
изотопами. Большинство химических элементов имеют по несколько
стабильных изотопов. Например, у кислорода их три: 8О16, 8О17, 8О18,
у стронция – 4, у олова – 10 и т.д. Водород имеет три изотопа – два
стабильных и один радиоактивный:
Н1 – протий, 1Н2 – дейтерий – стабильные;
1
Н3 – тритий – радиоактивный.
1
У изотопов Z = const, а массовое число А изменяется.
Изотопы – это ядра химического элемента, которые содержат одно
и то же число протонов (постоянное зарядовое число) и разное число
нейтронов (неодинаковые массовые числа).
Известно около 1500 ядер, различающихся либо А, либо Z, либо
тем и другим (приложение А). Примерно 1/5 часть этих ядер устойчивы, остальные – радиоактивны.
В природе встречаются элементы с Z от 1 до 92. Остальные трансурановые элементы с Z от 93 до 116 были получены искусственным
путем в результате различных ядерных реакций.
5
Все изотопы одного химического элемента имеют одинаковое
строение электронных оболочек, что определяет их основные физико-химические свойства. Однако свойства, обусловленные структурой ядра (массовое число, плотность, радиоактивность) заметно отличаются.
Большинство химических элементов, встречающихся в природе, – это смесь изотопов. Поэтому атомные массы элементов отличаются от целых чисел.
Если ядро можно представить в виде шара, то его размер характеризуется радиусом, и он имеет условный смысл из-за размытости
границ ядра. Предполагают, что из-за постоянного движения частиц,
входящих в состав ядра, последнее как бы пульсирует, что приводит
к неопределенности границ атомного ядра. Опытным путем установлено, что радиус ядра в метрах связан с его массовым числом следующим соотношением:
R = r0A
1/3
= 1 … 2 · 10
–15A1/3
. (1.5)
Из приведенной формулы следует, что размер ядер даже с большим числом нуклонов чрезвычайно мал. Он примерно в 105 раз меньше размера атома.
Кроме того, из соотношения (1.5) видно, что масса ядра (определяемая величиной А) пропорциональна его объему
VrA= 433π
и,
следовательно, во всех ядрах число нуклонов в единице объема одинаково:
A
n
== ≈
V
A
345
43
π
rA
0
1
910
⋅
−
≈
10
44
нуклонов
3
м
.
Примерно одинаковой должна быть и плотность всех ядер:
ρ ≈ nmn = 1044 · 1,674 · 10
–27
≈ 1017 кг/м3, что гораздо больше плотности
обычных веществ. При такой плотности ядерного вещества шар из
него радиусом 200 м имел бы массу, равную массе земного шара.
1.2. Масса и энергия связи ядра.
Ядерные силы и их свойства
В настоящее время имеется возможность измерять с большой точностью отношения атомных масс различных химических элементов
в газообразном состоянии. Таким образом, если известна масса атома
одного из элементов, то легко можно вычислить массы атомов других элементов. По определению масса одного моля изотопа углерода
12
, ядро которого содержит 12 нуклонов, равна 0,012 кг. Масса ато-
C
6
12
ма
Авогадро.
6
будет равна 0,012/NА, где NA = 6,022045 · 1023 моль–1 – число
C
6
В атомной и ядерной физике имеют дело не с мольными массами,
а с массами атомов, ядер, нуклонов и частиц. Поэтому из соображений удобства вводится новая единица массы – международная атом-
ная единица массы (а.е.м.), равная 1/12 части массы
–27
1 а.е.м. = 1,6605656(86) · 10
кг, ε = ±5,1 · 10–4 %.
12
:
C
6
Масса любого атома, выраженная в а.е.м., оказывается близкой к
некоторому целому числу (массовому числу А). Массы покоя электрона, протона и нейтрона таковы:
mе = 0,00055 а.е.м., mp = 1,000759 а.е.м., mn = 1,00898 а.е.м.
В ядерной физике особое внимание уделяют точному измерению
масс атомных ядер и составляющих их нуклонов. Такие измерения
показали, что масса любого ядра, содержащего Z протонов и A–Z = N
нейтронов, меньше суммы масс Z протонов и N нейтронов:
mяд < Zmp + Nmn. (1.6)
Величина Δm = (Zmp + Nmn) – mяд называется дефектом массы
ядра.
Энергия покоя частиц связана с ее массой соотношением Е = mc2.
Следовательно, с учетом этого неравенство (1.6) можно записать в
виде
mяд c2 < (Zmp + Nmn)с2. (1.7)
Приведем неравенство к виду
(Zmp + Nmn)с2 – mяд c2 > 0. (1.8)
В левой части последнего неравенства стоит разность между энергией покоя свободных протонов и нейтронов Еpn и энергией покоя
ядра Еяд. Принимая во внимание последние обозначения, неравенство можно переписать в упрощенном виде так:
Еpn – Еяд > 0. (1.9)
Разность энергий Еpn – Еяд принято называть энергией связи
атомного ядра ΔЕсв, т. е.
ΔЕсв = Еpn – Еяд. (1.10)
Последнее равенство приведем к виду
Еяд + ΔЕсв = Еpn. (1.11)
Это равенство поясняет смысл энергии связи. Энергия связи атомного ядра – это такая энергия, которую нужно затратить для раз-
7
деления ядра на составляющие его нуклоны. При этом предполагается,
что нуклоны после разделения ядра будут покоящимися и свободными. В физике принято считать свободными не взаимодействующие
друг с другом частицы. Взаимодействие между частицами будет
практически отсутствовать при удалении одной частицы от другой
на большое расстояние.
Равенство (1.10) можно также записать в следующем виде:
Еpn – ΔЕсв = Еяд. (1.12)
Формула (1.12) показывает, что при объединении нуклонов в ядро
освобождается энергия, равная энергии связи. Она освобождается за
счет работы сил ядерного притяжения между нуклонами.
Отношение энергии связи ядра ΔЕсв к массовому числу называется удельной энергией связи:
δЕсв = ΔЕсв /A. (1.13)
Удельная энергия связи нуклонов в различных атомных ядрах неодинакова (рис. 1.1). Из графика видно, что наиболее прочные ядра, т. е.
ядра с наибольшей энергией связи, расположены в средней части таблицы Менделеева (28 < А < 138). Для этих ядер δЕсв ≈ 8,6 МэВ/нуклон.
По мере увеличения числа нуклонов в тяжелых ядрах энергия связи
убывает; например, для урана она составляет 7,6 МэВ/нуклон. У легких ядер также наблюдается убыль удельной энергии связи. Так, для
гелия она составляет 7 МэВ/нуклон. (Для сравнения: энергия связи
валентных электронов в атомах ≈10 эВ, т. е. в 106 раз меньше.)
Такая зависимость удельной энергии связи от массового числа делает энергетически возможными два процесса:
− деление тяжелых ядер на несколько более легких;
− слияние (синтез) легких ядер в одно более тяжелое ядро.
Оба процесса должны сопровождаться выделением большого количества энергии. Так, например, деление одного ядра – U
238
(δЕсв =
= 7,5 МэВ) на два ядра с А = 119 (δЕсв = 8,6 МэВ) привело бы к высвобождению энергии (8,6 – 7,5) · 238 ≈ 262 МэВ.
Слияние двух ядер дейтерия 1H2 (δЕсв = 1,09 МэВ) в ядро гелия
He4 (δЕсв = 7 МэВ) привело бы к выделению энергии (7 – 1,09) · 4 ≈
2
≈ 24 МэВ. Для сравнения отметим, что при соединении одного атома
углерода C двумя атомами кислорода О, т. е. при сгорании угля до
CO2 выделяется энергия 5 эВ.
Большая часть выделяющейся при ядерных реакциях деления и
синтеза энергии передается дочерним ядрам реакций, что приводит
к существенному увеличению их кинетической энергии и, следовательно, к нагреванию радиоактивного материала.
Огромная энергия связи нуклонов в ядре указывает на то, что
между нуклонами имеется очень интенсивное взаимодействие (при-
8
тяжение). Оно удерживает нуклоны на расстоянии ≈10
–15
м друг от
друга, несмотря на сильное кулоновское отталкивание протонов друг
от друга. Так, например, для свинца, содержащего 82 протона, силы
кулоновского отталкивания между двумя половинами ядра составляют несколько тысяч ньютонов.
Ядерное взаимодействие между нуклонами получило название
сильного взаимодействия.
Ядерные силы не сводятся ни к одному из типов сил, известных в
классической физике (гравитационные и электромагнитные), и имеют следующие свойства.
1. Ядерные силы – короткодействующие. Радиус их действия име-
-15
ет порядок 10
м. При существенно меньших расстояниях притяже-
ние нуклонов сменяется отталкиванием.
2. Сильное взаимодействие не зависит от заряда нуклонов. Это
свойство называют зарядовой независимостью ядерных сил.
3. Ядерные силы зависят от взаимной ориентации спинов нуклонов.
Так, например, нейтрон и протон удерживаются вместе, образуя ядро
дейтерия только в том случае, если их спины параллельны друг другу.
4. Ядерные силы не являются центральными, т.е. не направлены
вдоль прямой, соединяющей центры взаимодействующих нуклонов.
Это свойство ядерных сил вытекает, в частности, из того факта, что
они зависят от ориентации спинов.
5. Ядерные силы обладают свойством насыщения, т. е. каждый нук-
лон в ядре взаимодействует с ограниченным числом нуклонов. Насыщение проявляется в том, что удельная энергия связи нуклонов в
Энергия связи на один нуклон, МэВ
Массовое число
Рис. 1.1. Зависимость удельной энергии связи нуклонов в ядре от массового числа
ядра
9
ядре при увеличении числа нуклонов не растет, а остается постоянной.
Полная теория ядерных сил не построена до настоящего времени.
Эффективно взаимодействие между двумя нуклонами осуществляется благодаря обмену третьей частицей – пионом, обладающей массой покоя mп.
Частицы с массой, равной примерно 250 me, в 1947 г. обнаружили
в космических лучах и одно время считали, что они являются носителями ядерных сил.
Следует обратить внимание, что ядерное взаимодействие осуществляется не обычными реальными пионами, которые входят в состав
космических лучей, а виртуальными (воображаемыми). Виртуальными называются частицы, которые не могут быть обнаруженными
за время их существования. Для виртуальных пионов это время составляет Δt =
= mc
n
2
. Виртуальный пион может стать реальным, если
нуклону сообщить энергию, эквивалентную массе покоя пиона.
По современным представлениям сильное взаимодействие осуществляется частицами под названием «глюоны». Они связывают
между собой структурные частицы нуклонов – кварки и нуклоны
между собой. Соответствующая теория называется КХД – квантовая
хромодинамика.
1.3. Явление радиоактивности
Радиоактивностью называется явление самопроизвольного превращения неустойчивых изотопов одного химического элемента в изотоп другого элемента, сопровождающееся испусканием элементарных
частиц или ядер.
Такие превращения претерпевают только нестабильные ядра.
Всего в природе найдено 272 стабильных атомных ядра атомов химических элементов. Все остальные ядра, называемые радиоактивными
ядрами, или радионуклидами, радиоактивны.
При радиоактивных распадах испускаются ядра 2Не4 (α-части-
цы, со стоящие из 2 протонов и 2 нейтронов), электроны и позитроны
(β-час тицы) и жесткое электромагнитное излучение (γ-лучи). К числу радиоактивных процессов относят также спонтанное деление тяжелых ядер, протонную и нейтронную радиоактивности.
Некоторые из существующих в природе ядер радиоактивны (е с тественная радиоактивность), но большинство радионуклидов
получено искусственным путем в результате ядерных реакций (и с кусственная радиоактивность). Между искусственной и естественной радиоактивностями нет принципиальных различий. Процесс
радиоактивного превращения для естественных и искусственных радиоактивных ядер подчиняется одинаковым законам.
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]