Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Практические работы по курсу «Радиоэкология». Учебное пособие
.pdf
А.А. Касьяненко, О.А. Максимова,
С.В. Мамихин, В.Р. Ахмедзянов
ПРАКТИЧЕСКИЕ РАБОТЫ
ПО КУРСУ
«РАДИОЭКОЛОГИЯ»
Учебное пособие
Допущено
Учебно-методическим объединением
по классическому университетскому образованию РФ
в качестве учебного пособия для студентов,
обучающихся по специальности 020801 Экология (ГОС-2),
а также по направлениям бакалавриата и магистратуры
022000 Экология и природопользование (ФГОС)
Москва
Российский университет дружбы народов
2011
1
УДК 544.58:504.75
ББК 28.081.28
К 28
Утверждено
РИС Ученого совета
Российского университета
дружбы народов
Рецензенты:
доктор биологических наук, профессор кафедры биофизики
биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова Ю.Б. Кудряшов,
доктор сельскохозяйственных наук, главный научный сотрудник
НИИ сельскохозяйственной радиоэкологии
и агрохимии РАСХН Н.А. Ратников
Касьяненко А.А., Максимова О.А.,
Мамихин С.В., Ахмедзянов В.Р.
К 28 Практические работы по курсу «Радиоэкология»:
Учеб. пособие / Под ред. д.т.н., проф. А.А. Касьяненко. – М.: РУДН, 2011. – 210 с.: ил.
ISBN 978-5-209-03576-3
Учебное пособие содержит задачи по радиоэкологии и теоретический материал для их решения, инструкции по работе с дозиметрами и
радиометрами, используемыми в учебном процессе, справочные материалы, темы курсовых работ и рефератов, тест. Практикум подготовлен и
апробирован на кафедре судебной экологии экологического факультета
РУДН.
Для студентов экологических специальностей, стажеров, аспирантов, преподавателей, а также широкого круга заинтересованных лиц.
ISBN 978-5-209-03576-3 ББК 28.081.28
© Касьяненко А.А., Максимова О.А., Мамихин С.В., Ахмедзянов В.Р., 2011
© Российский университет дружбы народов, Издательство, 2011
2
ПРЕДИСЛОВИЕ
В современном мире проблемы радиоактивного загрязнения окружающей среды остаются актуальными. До настоящего времени продолжают существовать радиоактивные
следы, оставшиеся после испытаний ядерного оружия на полигонах России, США, Англии, Франции, Китая. Не исчезло
действие радиации после бомбардировок Хиросимы и Нагасаки. Для России и других стран по-прежнему актуальны
проблемы радиоактивного загрязнения после аварий в Кыштыме и на Чернобыльской АЭС. Появились новые территории радиоактивного загрязнения, связанного с применением
обеднённого урана в обычных вооружениях. Увеличивается
количество рентгенодиагностических и рентгенотерапевтических процедур, а также процедур с применением радиационных источников ионизирующего излучения в медицине.
Нет сомнения, что подготовка специалистов по экологии и природопользованию непременно должна дать хотя бы
первоначальный объём знаний и умений, необходимых для
оценки радиационной опасности загрязнения территорий,
продуктов питания и других объектов окружающей среды и
обеспечения радиационной безопасности населения. Эта задача решается включением в учебные планы обобщающего
курса «Радиоэкология».
В настоящее время издаётся много научной и учебной
литературы по радиоэкологии, однако учебные пособия с
практикумами очень немногочисленны. Авторы сделали попытку написать учебное пособие с небольшим объёмом теоретического материала, которое позволило бы учащимся
научиться решать практические задачи, пользоваться приборами и при этом получить необходимый для практики объём
знаний.
3
Практические работы 1–3 написаны Касьяненко А.А.,
Максимовой О.А. и Ахмедзяновым В.Р. совместно, работа 4 –
Мамихиным С.В. и Максимовой О.А. совместно, работа 5 –
Мамихиным С.В., работа 6 – Максимовой О.А., работы 7, 8 и
9 – Касьяненко А.А.
В приложении 9 учебного пособия использованы задачи
из «Сборника задач по радиоэкологии» (Ганжа Д.Д.
и Назаров А.Б., Институт проблем безопасности атомных электростанций НАН Украины). Перевод задач с украинского на
русский язык выполнила Максимова О.А., а его редактирование – Мамихин С.В. Задачи основаны на фактических данных, полученных в результате научно-исследовательской работы в зоне отчуждения после аварии на Чернобыльской
АЭС.
Пособие предназначено для студентов, обучающихся по
направлениям «Экология и природопользование», «Радиационная безопасность» и др., стажёров, аспирантов, преподавателей, а также широкого круга заинтересованных специалистов.
4
Практическая работа 1
РАДИОАКТИВНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ
Радиоактивностью называется способность атомных
ядер к самопроизвольному превращению в другие ядра с испусканием одной или нескольких заряженных частиц и фотонов. Ядра, обладающие свойством самопроизвольно распадаться, называются радиоактивными, а ядра, не имеющие
таких свойств, – стабильными. Из более чем 1700 известных
в настоящее время нуклидов только 200 стабильны. Большинство радионуклидов получено искусственно.
Все встречающиеся в природе элементы с атомными
номерами > 83 (висмут) радиоактивны. Они представляют
собой отдельные звенья последовательных превращений –
радиоактивные ряды. Существует четыре ряда радиоактивных превращений: три естественных (ряды урана-235, урана-
238 (актиноурана, AcU), тория-232) и один искусственный
(ряд нептуния). Характерной особенностью трёх естествен-
ных семейств является наличие в ряду превращений газообразных радиоактивных продуктов – изотопов радона. Как
видно из схем превращений, в некоторых случаях возможны
два пути перехода одного и того же изотопа в два новых элемента с одной и той же скоростью в результате альфа- и бета-распада. Это так называемые «вилки» – одни и те же ядра
с разными вероятностями претерпевают различные типы радиоактивного распада. Более вероятен тот процесс, по которому осуществляется превращение большей доли ядер.
Обычно на схемах радиоактивных семейств в случае «вилок»
5
под типом распада в скобках обозначена доля (%) превращающихся ядер.
Существуют также радиоактивные элементы, не входящие в ряды. Одним из наиболее важных радиоактивных изотопов, не связанных ядерными превращениями с другими,
является калий-40 (Т
= 1,3·109; β-, k-захват). Несмотря на
1/2
низкую активность и малую распространённость изотопа
(около 0,0119%), калий-40 играет не менее важную роль в
тепловом балансе Земли, чем уран и торий. Элементов с
Т
<108 лет на Земле не существует: они давно «вымерли».
1/2
Их следы можно обнаружить по стабильным продуктам распада.
Атомное ядро содержит более 99,95% всей массы атома,
имеет размеры порядка 10
-12
– 10
-13
см. Атомные ядра состоят
из элементарных частиц – протонов и нейтронов, их массы
близки между собой. Протон электрически положителен (его
заряд равен заряду электрона), нейтрон – электрически нейтрален. Протон и нейтрон, входящие в состав атомного ядра,
объединяются под общим названием нуклон. Общее число
нуклонов в ядре называется массовым числом и обозначается через А. Число протонов в ядре называется атомным
номером химического элемента (Z, зарядное число). Число
нейтронов в ядре обозначается через N. В нормальном состоянии атом электрически нейтрален. Химические свойства
атома определяются особенностями структуры его электронных оболочек и числом электронов.
Тип атомного ядра обозначают:
A
,
X
Z
где А – массовое число; Z – атомный номер химического
элемента; N – число нейтронов.
Следовательно:
N + Z = A.
6
Ядра с одним и тем же числом Z, но различным числом
А называются изотопами химического элемента с атомным
номером Z, например изотопы водорода:
1
¾
H(Z=1, N=0) – обычный водород, или протий;
1
2
¾
H (Z=1, N=1) – тяжёлый водород, или дейтерий;
1
3
¾
H (Z=1, N=2) – радиоактивный водород, тритий.
1
Ядра с одинаковыми величинами
ваются
калий
изобарами. Пример триады изобаров: аргон
40
K, кальций
19
40
20
Ca .
А, но разным Z назы-
40
Ar ,
18
Возбуждённое ядро может находиться в метастабильном состоянии. Это объясняет существование
ядер с одинаковыми
А и Z, но с различным запасом энергии.
изомеров –
Наиболее часто явление ядерной изомерии встречается у искусственно радиоактивных изотопов.
Нуклиды – группы атомов с одинаковыми значениями
А и Z. Радиоактивные нуклиды называются радионукли-
дами.
К числу радиоактивных явлений относят:
¾ α-распад;
¾ β-превращение;
¾ γ-излучение;
¾ нейтронное излучение;
¾ протонную и двухпротонную радиоактивность;
¾ кластерную радиоактивность и др.
Альфа-излучение – поток ядер гелия или, иначе, α-
частиц. Альфа-частица состоит из двух протонов
нейтронов
n:
1
4
2
1
1
np
22 He += .
0
p и двух
Следовательно:
¾ электрический заряд α-частицы равен двум элемен-
тарным электрическим зарядам со знаком (+);
7
¾ масса равна 4 атомным единицам массы (масса этих
X
частиц превышает массу электрона в 7300 раз);
¾ энергия α-частиц колеблется в пределах 2÷11 МэВ
(индивидуальная и постоянная для каждого изотопа). В
ядерной физике энергию частиц выражают в электронвольтах [эВ]. Электронвольт – энергия, которую приобретает
электрон, проходящий в электрическом поле с разностью потенциалов в 1 В.
Возникают α-частицы при распаде тяжёлых ядер. Ядра с
порядковым номером
Z больше 82 (
Pb), за редким исклю-
82
чением, альфа-активны. В настоящее время известно более
160 альфа-активных видов ядер.
Процесс альфа-распада схематично можно представить
так:
AA4
→++
ZZ2
4
−
−
He
YQ,
2
где
Х – символ исходного ядра; Y – символ дочернего; Q –
излучаемый избыток энергии;
А – массовое число; Z – поряд-
ковый номер элемента.
Например:
238 234 4
UThHeQ.→++
92 90 2
При альфа-распаде дочерний элемент смещается на две
клетки влево относительно материнского в периодической
системе Д.И. Менделеева.
Бета-излучение представляет собой поток электронов
или позитронов ядерного происхождения.
ментарная частица, подобная
электрону, но с положитель-
Позитрон – эле-
ным знаком заряда (античастица электрона). Физические параметры электронов ядерного происхождения (масса, заряд)
такие же, как и у электронов атомной оболочки. Обозначаются бета-частицы символами β
-
или е-, β+ или е+.
8
Бета-частицы возникают внутри ядер при превращении
ν
ν
нейтронов в протоны или протонов в нейтроны. В 1932 г. для
объяснения исчезновения энергии
Вольфганг Паули (1900–
1958) предложил считать, что при β-распаде вместе с электроном (позитроном) вылетает ещё одна частица. Итальянский физик
(
) – маленький нейтрон (или антинейтрино (
+
-распада). Экспериментальное доказательство существова-
β
Энрико Ферми (1901–1954) назвал ее нейтрино
~
) – в случае
ния этих частиц было выполнено в 1953-1954 гг.
Характеристики нейтрино и антинейтрино:
1)
нейтральные частицы (Z=0);
2)
масса покоя равна нулю;
3)
нейтрино от антинейтрино отличается направлением
спина по отношению к импульсу.
Рис. 1.1. Распределение бета-частиц по энергиям:
N – число бета-частиц; Е – их энергия (МэВ)
Таким образом, внутриядерные превращения имеют
следующий вид:
1
1
0
1
1
−
;
ν
++→
epn
1
1
enp
0
9
~
+
.
ν
++→
Энергия, освобождаемая при каждом акте распада,
β
распределяется между бета-частицей и нейтрино. Поэтому,
в отличие от альфа-частиц, бета-частицы одного и того же
радиоактивного элемента обладают различным запасом
энергии (от нуля до некоторого максимального значения).
Если бета-частица вылетает из ядра с большим запасом
энергии, то нейтрино испускается с малым
количеством
энергии, и наоборот. Поэтому энергетический спектр бетаизлучения сплошной и непрерывный. Средняя энергия бетачастиц в спектре равна примерно ⅓ их максимальной энергии (рис. 1.1). Максимальная энергия бета-частиц различных элементов имеет широкие пределы: от 0,015÷0,05 МэВ
(мягкое бета-излучение) до 3÷12 МэВ (жёсткое бетаизлучение). Электронный (бета-минус) распад
описывается
уравнением
A
Z
A
+
1
Z
−
.
νβ
YX
++→
При этом распаде заряд ядра и, соответственно, атомный номер элемента увеличиваются на единицу, а массовое
число остаётся неизменным. То есть в периодической системе химических элементов дочерний элемент сдвигается на
одну позицию вправо относительно исходного. Примером
бета-минус распада может служить распад естественного радиоактивного изотопа калия:
40 40
KCa .
→++
19 20
−
ν
Позитронный (бета-плюс) распад имеет вид:
A
Z
A
YX
−
1
Z
~
+
.
νβ
++→
При этом заряд ядра и, соответственно, атомный номер
элемента уменьшаются на единицу, а массовое число остаёт-
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]