Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Радиационный контроль на продовольственных рынках. Учебное пособие.pdf
ются из атома и удаляются за его пределы. Атом, лишившийся одного или нескольких электронов, превращается в положительный ион,
а присоединивший к себе один или несколько электронов – в отрицательный. Следовательно, на каждый положительный ион образуется один отрицательный ион, т. е. возникает пара ионов. Процесс
образования ионов из нейтральных атомов называют ионизацией.
Атом в состоянии иона существует в обычных условиях чрезвычайно короткий промежуток времени. Свободное место на орбите положительного иона заполняется свободным электроном, и атом вновь
становится электрически нейтральной системой. Этот процесс носит название рекомбинации ионов (деионизации) и сопровождается
выделением избыточной энергии в виде излучения. Энергия, выделяющаяся при рекомбинации ионов, количественно примерно равна
затраченной на ионизацию. Процесс ионизации атомов имеет важное практическое значение для обнаружения и дозиметрии излучений, а также для понимания биологического действия ионизирующей радиации.
Параметры, характеризующие элементарную частицу. Элементарные частицы обладают довольно большим количеством характеристик. На основании некоторых из них можно дать классификацию элементарных частиц.
1. Так, одной из важных характеристик частиц является их
масса (m). Причем во внимание берется масса покоя частиц, так как
при движении частиц с большими скоростями их масса сильно возрастает.
Масса покоя – это мера количества вещества, содержащегося в данном теле, скорость которого равна нулю («0») и выражается
в атомных единицах массы (а.е.м.).
а.е.м. – единица массы покоя, которая показывает, во сколько
раз атом данного элемента тяжелее 1/12 части атома углерода 14С
и равна 1,66·10
–24
г, если перевести в абсолютные единицы.
В зависимости от массы покоя элементарные частицы условно
делят на:
– фотоны электромагнитных излучений (R, γ), движущиеся со
скоростью света частицы, не имеют массы покоя (m = 0);
– лептоны – легкие частицы. К ним относятся электрон (е–),
позитрон (е+), нейтрино (υ) и антинейтрино (υ);
31
– мезоны (пионы) – π- и К-мезоны, средние частицы с массой
от одной до тысячи масс электрона;
– барионы – тяжелые частицы с массой более тысячи масс
электрона. К ним относятся протоны (р+) и нейтроны (n0).
2. Энергия (Е) – это свойство движущейся материи, количе-
ственная мера, которая превращается в работу и выражается в электрон-вольтах (эВ).
Электрон-Вольт (эВ) – кинетическая энергия, которую приобретает электрон при прохождении эелктрического поля с разностью
потенциалов 1 В.
Электрон-вольт – это внесистемная единица, применяется
для измерения энергии микрочастиц и имеет кратные величины:
кэВ (кило) = 103 эВ, МэВ (мега) = 106 эВ.
Между энергией и массой существеут связь, которая в физике
выражается формулой Е = m·с2, из которой видно, что масса и энергия находятся в прямой зависимости, где с – скорость света, величина постоянная (≈ 300 000 км/с), поэтому массу можно выразить
в эквивалентных единицах энергии и наоборот. Энергетический эквивалент 1 а.е.м = 931,5 МэВ.
3. Другой важной характеристикой элементарных частиц является электрический заряд. Он всегда кратен фундаментальной
единице заряда – заряду электрона (–1). Заряд может быть отрицательным (е–), положительным у протона (р+) и позитрона (е+) либо
нулевым у нейтрона (n0), нейтрино (υ0) и антинейтрино (υ)0.
4. Продолжительность жизни (t) элементарных частиц зависит
от массы: чем больше масса, тем меньше продолжительность жизни
и наоборот. При этом различают стабильные и нестабильные частицы.
К стабильным частицам относятся фотон, электрон, протон и нейтрино – они живут неограниченное время. Нейтрон стабилен, когда находится в ядре атома. Свободный нейтрон распадается в среднем за
15 минут. Все остальные частицы – нестабильные, они существуют
–10
10
–24
–10
с. Разумеется, наиболее важная роль в мире принадлежит
стабильным частицам, из которых и состоят все макротела.
Ядро атома. Ядро атома состоит из двух типов частиц: протонов
и нейтронов, связанных между собой огромными силами. Протоны
и нейтроны имеют общее название нуклон (ядерная частица от греч.
nucleus – ядро); они в ядре могут превращаться друг в друга (рис. 3).
32
Рис. 3. Строение ядра
Протон р – устойчивая элементарная частица с массой покоя,
равной 1,00758 а.е.м., которая примерно в 1840 раз больше массы
покоя электрона. Протон имеет один элементарный положительный
электрический заряд, равный заряду электрона. Атом водорода представляет собой ядро, содержащее один протон, вокруг которого вращается один электрон. Если «сорвать» этот электрон, то оставшаяся
часть атома и будет протоном. Поэтому протон часто определяют как
ядро водорода.
Находясь в ядре, протон не свободен и ведет себя как составная
частица. При различных ядерных реакциях он может распадаться на
нейтрон, позитрон и нейтрино: р+ → n0 + е+ + υ.
Каждый атом любого элемента содержит в ядре определенное
число протонов, которое постоянно и определяет физические и химические свойства элемента: так, в ядре атома серебра их 47, в ядре
урана – 92. Число протонов в ядре Z называют атомным номером или
зарядовым числом; оно соответствует порядковому номеру элемента
в периодической системе Д. И. Менделеева.
Нейтрон n – электрически нейтральная частица, масса покоя
которой равна 1,00898 а.е.м., т. е. она так же, как и у протона, примерно равна 1 а.е.м. Это вторая составная часть всех ядер атома, кроме ядра самого легкого атома – водорода. В свободном состоянии
33
нейтрон не стабилен и способен распадаться на протон, электрон
A
Z
X
6
23
11
Na
и антинейтрино: n0 → р+ + е– + υ.
Вследствие своей электрической нейтральности нейтрон не отклоняется под действием магнитного поля, не отталкивается атомным ядром и, следовательно, обладает большой проникающей способностью, что создает серьезную опасность как фактор биологического действия излучения. Число нейтронов, находящихся в ядре,
дает в основном только физическую характеристику элемента, так
как в разных ядрах одного и того же химического элемента может
быть далеко не одинаковое число нейтронов (от одного до десяти).
В ядрах легких устойчивых элементов число протонов относится
к числу нейтронов как 1:1. Чем дальше расположен элемент в периодической системе элементов Д.И. Менделеева (начиная с 21-го
элемента – скандия), тем больше в его атомах число нейтронов по
сравнению с протонами. В самых тяжелых ядрах число нейтронов
в 1,6 раза больше числа протонов. Например, ядро урана U содержит
92 протона и 146 нейтронов (число нуклонов равно 238). В настоящее время массы атомов измерены с большой точностью (до шестого и седьмого десятичных знаков) с помощью современных массспектрометров.
Практически вся масса атома (99,95…99,98 %) сосредоточена
в его ядре. Рассчитано, что если бы удалось получить 1 см3 чистого
ядерного вещества, то масса его составила бы 100…200 млн т. Масса электронной оболочки незначительна, поэтому масса ядра почти
совпадает с массой атома. Суммарное число протонов и нейтронов
в ядре называют массовым числом и обозначают буквой А. Число
нейтронов N в ядре равно разности между массовым числом и атомным номером Z элeмeнтa: N = A – Z.
При обозначении атомов обычно пользуются символом элемента, которому принадлежит атом, и указывают слева сверху массовое число А, а внизу – атомный (порядковый) номер Z в форме
индексов
12
C
содержит 12 нуклонов, из них 6 протонов; ядро натрия
, где X – символ элемента. Например, ядро углерода
имеет 23 нуклона, из них 11 протонов и т. д. Порядковый номер иногда опускают, так как символ элемента вполне определяет его место
в периодической системе.
34
Электроны (е–) – отрицательно заряженные частицы с атомной
υ
массой m = 0,000548 а.е.м., вращаются вокруг ядра на орбитах, которые образуют электронную оболочку атома. Число орбит (уровней,
слоев) у разных атомов различно и максимально может достигать
7. Ближайший к ядру слой (орбита) K – имеет до 2 электронов, на
2-м слое L – до 8 е–; М – до 18 е–; N – до 32 е– и т.д. Самый дальний
слой – Q.
Связь электрона с ядром тем больше, чем ближе он располагается к ядру. В результате внешнего воздействия электроны могут
переходить на внешние орбиты или покидать пределы атома. Это
сопровождается поглощением энергии. При переходе электрона
с внешних орбит на внутренние энергия будет высвобождаться
в виде видимого света.
Нейтрино (υ) – маленькая частичка, она не несет заряда и масса покоя m ≈ 0. Обладает большой проникающей способностью,
а значит слабым взаимодействием с другими частицами.
Антинейтрино (υ) – античастица нейтрино, имеет такие же
характеристики.
Обе частицы рождаются при β-распаде: υ – при позитронном,
– при электронном.
Ядерные силы, дефект массы ядра. Если ядра атомов состоят
только из нуклонов (протонов и нейтронов), то как объяснить устойчивость этих ядер? Казалось бы, одноименно заряженные протоны
согласно закону Кулона, отталкиваясь друг от друга, должны были
бы разлететься в разные стороны. Однако в действительности ядра
атомов очень прочные образования. Следовательно, внутри ядра
должны действовать большие силы сцепления как между протонами и нейтронами, так и между одноименными частицами. Расчеты
показывают, что ими не могут быть гравитационные силы, действующие в соответствии с законом всемирного тяготения, так как их
величина во много раз меньше сил электрического отталкивания
протонов. Значит, ядерные силы представляют собой новый вид
сил, природа которых изучена еще недостаточно. Считают наиболее
вероятным, что ядерные силы возникают в процессе непрерывного обмена между нуклонами и особыми частицами (квантами ядерного поля), которые называют пи-мезонами или пионами. Ядерные
силы короткодействующие. Они значительны только на очень малых
35
расстояниях, сравнимых с поперечником самих ядерных частиц
–13
(10
см). С увеличением расстояния между ядерными частицами
ядерные силы очень быстро уменьшаются и становятся практически
равными нулю. Ядерные силы обладают свойством насыщения, т. е.
каждый нуклон взаимодействует только с ограниченным числом соседних нуклонов. Поэтому при увеличении числа нуклонов в ядре
ядерные силы значительно ослабевают. Этим объясняется меньшая
устойчивость ядер тяжелых элементов, в которых содержится значительное количество протонов и нейтронов. Чтобы разделить ядро
на составляющие его протоны и нейтроны и удалить их из поля действия ядерных сил, надо совершить работу, т. е., затратить энергию.
Эту энергию называют энергией связи ядра. При образовании ядра
из нуклонов выделяется энергия связи.
Если рассчитать массу ядра, например, атома гелия, по формуле:
mя = mpNp + mnNn,
где mя – масса ядра;
mp – масса протона;
Nр – число протонов;
mn – масса нейтрона;
Nn – число нейтронов, то она будет равна
mя = 1,0076·2 + 1,0089·2 = 4,033 а.е.м.
Вместе с тем фактическая масса ядра гелия равна 4,003 а.е.м.
Таким образом, фактическая масса ядра гелия оказывается меньше
расчетной на величину 0,03 а.е.м. В этом случае говорят, что ядро
имеет дефект массы (недостаток массы). Разницу ∆m между расчетной и фактической массой ядра называют дефектом массы.
Дефект массы показывает, насколько прочно связаны частицы
в ядре, а также сколько энергии выделилось при образовании ядра
из отдельных нуклонов. Этот расчет можно провести на основании уравнения взаимосвязи между массой и энергией, выведенного
А. Эйнштейном:
Е = m·с2,
36
где Е – энергия, эрг;
m – масса, г;
с – скорость света, равная 3·1010 см/с.
В соответствии с этим законом масса и энергия представляют
собой разные формы одного и того же явления. Ни масса, ни энергия
не исчезают, а при соответствующих условиях переходят из одного
вида в другой, т. е. любому изменению массы ∆m системы соответствует эквивалентное изменение ее энергии ∆Е:
∆Е = ∆mс2.
Учитывая, что 1 а.е.м. = 1,6·10
–24
г, подсчитаем по этому уравнению энергию, которая выделится при образовании ядра гелия из
отдельных нуклонов:
∆Е = 0,03·1,6·10
–24
(3·10
–10)2
= 4,5·10–5 эрг.
Как уже отмечалось, в ядерной физике за единицу энергии принят электронвольт, поэтому энергию связи ядра можно выразить
в электронвольтах, исходя из того, что энергетический эквивалент
1 а.е.м. составляет 931 МэВ:
∆Е = 0,03·931 = 27,93 МэВ = 28 МэВ.
Если бы существовал способ разделения ядра атома гелия на
два протона и два нейтрона, то для этого потребовалось бы затратить
не менее 28 МэВ энергии.
Среднюю энергию связи, приходящуюся на один нуклон, называют удельной энергией связи. Для гелия она составляет 28:4 =
= 7 МэВ. Следовательно, зная дефект массы, можно легко вычислить энергию связи ядра. Энергия связи ядер соразмерно возрастает
с увеличением числа нуклонов, однако нестрого пропорционально
их числу. Например, энергия ядра дейтерия составляет 2,2 МэВ, азота – 104,56, а урана – 1800 МэВ. Если не считать самых легких ядер
(дейтерий, тритий), то энергия связи на один нуклон составляет для
всех ядер примерно 8 МэВ.
37
Для сравнения необходимо напомнить, что химическая энергия
связи атомов в молекулах в расчете на один атом равна нескольким
электронвольтам (2…5 эВ). Именно этим объясняется, что ядерные
реакции характеризуются в миллион раз большими энергиями, чем
обычные химические реакции. Таким образом, закон взаимосвязи
массы и энергии показывает, откуда возникает та колоссальная энергия, которая выделяется при синтезе и делении ядер.
Понятие об изотопах, изомерах, изобарах и изотонах. Большинство химических элементов в природе представляет собой
определенные смеси атомов с разные числом нейтронов в их ядрах.
С 1975 г. принят международный термин – радионуклид. Каждый
химический элемент – смесь изотопов: стабильных и нестабильных
радиоактивных. В этом суть явления изотопии.
Атомы с одинаковым числом протонов (с одинаковым зарядом),
но различные по числу нейтронов, называют изотопами (isos – одинаковый, topos – место). Такие элементы имеют одинаковый номер
в таблице Д.И. Менделеева, но разное массовое число. Поскольку
заряды ядер этих атомов одинаковые, электронные оболочки их имеют почти однотипное строение, а атомы с такими ядрами чрезвычайно близки по химическим свойствам и спектрам. Большинство
(71 из 90) природных элементов представляет собой смесь двухдесяти изотопов.
Ядра всех изотопов химических элементов принято называть
нуклидами.
Радионуклиды – это радиоактивные атомы с данным массовым числом и атомным номером, а для изомеров – с данным энергетическим состоянием атомного ядра.
При помощи ядерных реакций удается получить у каждого химического элемента еще по нескольку радиоактивных (неустойчивых) изотопов. В настоящее время известно около 300 стабильных
изотопов, а количество радиоактивных превосходит 1500. Атомы
элемента с одинаковым массовым числом, но ядра которых находятся в различном энергетическом состоянии, называют изомерами.
Про изомер с избытком энергии говорят, что он находится
в метастабильном состоянии. Символически такое состояние обозначают латинской буквой m, поставленной рядом с массовым числом
80m
(
Br). Отдавая излишек энергии, метастабильный изомер соверша-
38
ет изомерный переход в основное состояние. В природе существуют
40
18
Ar
40
19
K
40
20
Ca
6
14
7
N
атомные ядра разных элементов с одинаковым массовым числом,
но с различным атомным номером. Такие атомы называют изоба-
рами (например,
тов с равным числом нейтронов называют изотонами
,
,
). Атомные ядра разных элемен-
13
C
и
В ядре первого шесть протонов и семь нейтронов, в ядре второго
семь протонов и нейтронов тоже семь.
Виды ионизирующих излучений и их характеристика. По
биологическому эффекту вся электромагнитная радиация подразделяется на неионизирующую – инфракрасные лучи, видимый свет,
ближний ультрафиолет и ионизирующую – дальний ультрафиолет,
лучи Рентгена, гамма-лучи (рис. 4). Неионизирующие излучения
используются в повседневной практике животноводства, особенно
в осенне-зимний период. В изучаемой дисциплине нас интересует
ионизирующая радиация (дальше – радиация, излучение). Источником радиации являются радиоактивные (нестабильные) изотопы.
.
Рис. 4. Спектр электромагнитных излучений
39
Радиоактивное излучение невидимо. Оно обнаруживается
с помощью различных явлений, происходящих при его действии на
вещество (свечение люминофоров или флуоресцирующих экранов,
ионизация вещества, почернение фотоэмульсии после проявления
и т. п.). Характер испускаемого радиоактивными веществами излучения изучен как по поглощению его в веществе, так и по отклонению этих лучей в электрическом и магнитном поле. Было обнаружено, что радиоактивное излучение в поперечном магнитном поле
разделяется обычно на три пучка (рис. 5). Пока не была выяснена
природа этих излучений, лучи, отклоняющиеся к отрицательно заряженной пластинке, условно были названы альфа-лучами, отклоняющиеся к положительно заряженной пластинке – бета-лучами,
а лучи, которые совсем не отклонялись, были названы гамма-лучами. Такое разделение радиоактивного излучения в электрическом
поле позволило установить, что только гамма-лучи представляют
собой истинные лучи, так как они даже в сильном электрическом
или магнитном поле не отклоняются; альфа- и бета-лучи являются
заряженными частицами и способны отклоняться.
Рис. 5. Разделение излучения радиоактивных веществ в магнитном поле
40