booklet

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТ имени М.В. Ломоносова

ХИМИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ БАКИНСКИЙ ФИЛИАЛ

А.А. Абрамов, Г.А. Бадун

Методическое руководство к курсу

Основы радиохимии и радиоэкологии

МОСКВА - БАКУ 2011

5. ПРИМЕНЕНИЕ РАДИОНУКЛИДОВ И ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

6. РАДИАЦИОННЫЙ КОНТРОЛЬ ЗЕМЕЛЬНЫХ УЧАСТКОВ РАЗЛИЧНОГО НАЗНАЧЕНИЯ В ЧАСТИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ РАДИАЦИОННОЙ

Задача № 1. Определение содержания калия в солях и природных объектах по

природных объектах и строительных материалах методом -спектроскопии» 123

2

Кафедра радиохимии Химического факультета МГУ основана в 1959 году и с момента ее основания она проводила обучение студентов-химиков по использованию радиоактивных изотопов в научных исследованиях. Долгое время данный курс назывался «Метод радиоактивных индикаторов в химии».

Теоретические основы курса, в котором приводился материал о радиоактивных превращениях, основной закон радиоактивного распада,

радиохимические равновесия, взаимодействие излучения с веществом и т.д.

нашел свое отражение в учебниках «Метод радиоактивных индикаторов в химии» (1964, 1979 и 1985 г.г.). Во втором и третьем изданиях они выходили под рубрикацией: часть I – «Основы метода», часть II – «Проведение эксперимента и обработка результатов» была опубликована в 1977 г. и более не переиздавалась. Оба учебника представлены на сайте Химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова и доступны для широкой аудитории. На что нужно обратить внимание студентам Бакинского филиала МГУ. В указанных учебных пособиях используются внесистемные единицы радиоактивности и претерпел изменение раздел «Вопросы радиационной безопасности» в части II

учебника (терминология в определении доз и их единицы).

В связи с возрастающей необходимостью экологического мониторинга среды обитания курс был трансформирован в «Основы радиохимии и радиоэкологии» как более адаптированный к современным условиям. Именно этот курс и был впервые прочитан студентам 3 курса Бакинского филиала МГУ имени М.В. Ломоносова. Именно так называется пособие, изданное в 2006 и 2008 г.г. сотрудниками кафедры радиохимии.

В списке рекомендованной литературы мы укажем ряд учебных пособий,

написанных как сотрудниками кафедры радиохимии, так и специалистами других организаций, с использованием новых терминов и международных единиц. Большинство из них выставлены на сайте Химического факультета МГУ.

Несмотря на наличие учебной литературы мы решили написать специально для Бакинского филиала МГУ пособие, которое будет включать в

3

себя как общетеоретические вопросы, так и практические задачи подготовленные специально для филиала, и делающие акцент, как на общерадиохимические аспекты (определение абсолютной активности образцов,

-спектроскопическое определение естественных и техногенных радионуклидов), так и на вопросы, которые понадобятся Республике Азербайджан при проведении радиоэкологических исследований с последующей экспертизой территорий застройки под жилые кварталы, офисы,

инфраструктурные сооружения и места разработки или строительства промышленных объектов.

4

1.РАДИОАКТИВНОСТЬ

1.1.Строение и свойства ядер

Все вещества состоят из молекул, которые в свою очередь состоят из атомов. Молекулы благородных газов моноатомны. В центре атома находится тяжелое, положительно заряженное ядро, вокруг которого на определенных орбиталях располагаются, непрерывно двигаясь, электроны, образуя электронные облака. Здесь мы не будем углубляться в детали того, что электрон может находиться принципиально в любой точке около ядерного пространства и вероятность его нахождения в любой точке может быть описана уравнением Шредингера. Для нашего курса удобно пользоваться моделью электронных оболочек, используя в ряде случаев понятие, энергетический уровень, подуровень, электронная орбиталь.

Электронные оболочки образуют энергетические уровни, которые имеют как буквенные, так и цифровые обозначения. Наиболее выгодный энергетический уровень первый – К, затем L (2), M (3) и т.д.

Ядро состоит, по общепринятой концепции из протонов (р) и нейтронов

(n), которые называются нуклонами. Само ядро и его атом называют нуклидом.

Отмечаем, что само ядро имеет сферическую или почти сферическую форму и его диаметр приблизительно в 30 000 раз меньше диаметра атома. Такое сопоставление размеров атома и ядра атома позволит легче осмыслить процессы взаимодействия излучения с веществом и их механизмы. В качестве характеристики нуклида выбраны массовое число и заряд ядра. Массовое число

(А) – это число нуклонов в ядре (А=n+p). Относительный заряд ядра – это число протонов в ядре, равное числу электронов в атоме (напомним, что атом это электронейтральная частица) или это порядковый номер элемента в Периодической таблице.

Полное обозначение нуклида содержит символ химического элемента,

массовое число и заряд ядра. На практике используют разные формы записи,

включающие все указанные характеристики нуклида. Например:

5

23892 U = 238 U = U-238 = уран-238

Напомним, что атомные массы и заряды ядер выражены в данном случае

в относительных единицах.

Массы нуклидов выражают в углеродных единицах или атомных единицах массы (а.е.м.), так как в качестве эталона сравнения выбрана 1/12

массы атома изотопа углерода-12. Термин «изотоп» применяют лишь к разным нуклидам одного химического элемента. Например: изотоп урана-238, изотоп

урана-235, изотоп урана-233. В переводе абсолютное значение

1 а.е.м. = 1,660566 10–24 кг. Заряд ядра атома по абсолютной величине равен заряду электронов в атоме, но имеет положительный знак, так как заряд электрона равен 1,6 10–19 Кл, то и абсолютный заряд ядра легко может быть

рассчитан для любого нуклида.

Приведем рассмотренные для нуклидов параметры для частиц, которые будут обсуждаться нами при дальнейшем изложении материала

Атомные массы приведены округленные, т.к. в реалии массы нейтрона и протона в атомных единицах массы равны соответственно 1,008665 и 1,007276,

но именно округленные атомные массы указанных частиц и нуклидов мы и будем использовать.

1.2. Стабильные и радиоактивные нуклиды

Все нуклиды можно разделить на две группы: стабильные и радиоактивные. Всего в природе 271 стабильный нуклид от водорода до висмута. Находящиеся в этом интервале технеций и прометий не имеют стабильных изотопов. Радиоактивными называются такие нуклиды, которые самопроизвольно претерпевают превращения с испусканием частиц и (или)

фотонов. Более 1700 нуклидов являются радиоактивными, и их количество возрастает в связи с получением новых сверхтяжелых элементов.

6

Радионуклиды в свою очередь можно также разделить на две группы:

естественные (или первичные) и искусственные.

Таблица 1.1.

Основные первичные радионуклиды.

В таблице 1.1 приведены наиболее распространенные естественные радионуклиды. Оба названия, для которых вытекают из того, что они образовались в момент образования нашей планеты и их периоды полураспада больше времени жизни Земли (107 – 108 лет) и поэтому они естественным образом существуют вместе с нашей планетой.

Искусственные радионуклиды составляют большую часть. Их периоды полураспада меньше возраста Земли. Поэтому если они и были в момент образования Земли, то в дальнейшем распались. Искусственные радионуклиды могут быть получены как в различных устройствах для получения радионуклидов, так и под действием космического излучения на объекты окружающей среды.

7

Как уже было сказано радионуклиды претерпевают самопроизвольные превращения, среди которых наиболее распространенными являются

-распад, -превращения, изомерный переход, испускание нейтронов (реже протонов), спонтанное деление ядер. -излучение (фотонное) представляет собой электромагнитное излучение (длина волны 10–11–10–14 м) сопровождает многие виды распада, а при изомерном переходе является единственным видом излучения.

Самопроизвольные ядерные превращения связаны с высвобождением энергии E за счет изменения массы покоя системы на величину m:

E = m c2, где с- скорость света в вакууме.

Испускание каждой частицы и (или) -кванта переводит ядро с энергетически более высокого уровня на более низкий уровень. Разность между исходным и конечным энергетическими уровнями (за вычетом энергии, связанной с энергией покоя испускаемой частицы) характеризует полную энергию распада,

которая не зависит от того, каким путем осуществляются переходы.

1.3. -Распад. Взаимодействие -частиц с веществом

-Частицы – это ядра атомов 4He. Альфа распад характерен для ядер тяжелых радионуклидов. На рис. 1.1 (а) представлены схемы распада 239Pu и 238U.

Верхняя горизонтальная линия на обеих схемах характеризует энергетический уровень ядер соответствующих нуклидов. Испускание -частиц и -квантов переводят ядра на более низкий энергетический уровень: 235U при распаде 239Pu

и 234Th при распаде 238U. Разность в энергиях ядер материнского (239Pu, 238U) и

дочерних продуктов (235U, 234Th) определяет полную энергию распада. Как видно из приведенных схем ядра материнского изотопа претерпевают распад,

испуская несколько групп -частиц с различной энергией, а также -кванты с энергией, равной разности между полной энергией распада и энергией -

частиц определенной группы. Спектр -частиц – дискретный (рис. 1.1(б)).

Схематично -распад можно представить следующим уравнением

8