Защ.нас-я в ЧСdoc3

ментов, расположенные в середине таблицы Д.И. Менделеева. В сторону как более легких, так и более тяжелых элементов стабильность снижается. Поэтому тяжелые элементы используют в реакциях ядерного распада, а легкие - в реакциях ядерного синтеза.

1.1.2. Явление радиоактивности

Открытию явления радиоактивности предшествовало случайное открытие К. Рентгеном в 1895 г. неизвестных до этого лучей, которые он назвал Х-лучами. Позже они были названы рентгеновскими лучами. Это не радиационное излучение, но оно послужило толчком к обнаружению естественной радиоактивности.

Впервые способность ядер тяжелых элементов самопроизвольно распадаться была обнаружена Беккерелем в 1896 г. Позднее Резерфорд и супруги Кюри показали, что ядра некоторых химических5 элементов испытывают последовательные превращения, образуя радиоактивные ряды, где каждый химический элемент ряда возникает из предыдущего, причем никакими внешними физическими воздействиями (температура, электрические и магнитные поля, давление и др.) нельзя повлиять на характеристики распада.

Способность некоторых неустойчивых ядер химических элементов самопроизвольно превращаться в ядра других элементов с испусканием различных видов радиационных излучений называют радиоактивностью, а изотопы, ядра которых способны самопроизвольно распадаться, - радио-

нуклидами.

Все радиоактивные элементы Земли, в зависимости от их происхождения, можно разделить на три группы:

•элементы, образующие три радиоактивных семейства тяжелых радионуклидов (приложения 5. 6, 7);

•элементы средней части таблицы Д.И. Менделеева (12 радионуклйдов: 14С, 40К, 48Са и др.) с большими периодами полураспада, но не входящие в радиоактивные семейства. Это ровесники планеты Земля;

•элементы, образующиеся в атмосфере Земли под воздействием потока космических лучей.

10

Количество превращений ядер тяжелых радионуклидов может быть различным, но последним элементом, ядра которого не распадаются, являются изотопы свинца.

Радиоактивный распад ядра описывается при помощи уравнений на основе равенства сумм зарядов и массовых чисел:

где Я ~ символ ядра, которое испытывает распад; М — массовое число, равное сумме протонов и нейтронов в ядре (1.2); Z - количество протонов в ядре.

Интерес представляют следующие виды радиоактивного распада: бета-распад, альфа-распад, спонтанное деление

атомных ядер (нейтронный распад), протонная радиоактивность (протонный синтез), двухпротонная и кластерная радиоактивности.

Бета-распад (Р-распад) - это процесс превращения в ядре атома протона в нейтрон или нейтрона в протон с выбросом бета-частицы (соответственно позитрона или электрона). Бета-распад объединяет три самостоятельных вида радиоактивных превращений:

1.Выбрасывание электрона и антинейтрино - "Р-рас- пад (электронный распад).

2.Выбрасывание позитрона и нейтрино - +|}-распад (позитронный распад).

3.Пох'лощение одним из протонов ядра атома электрона с ближайшей орбиты (К-захват).

Если в ядре имеется Избыток нейтронов, нарушающий энергетическое равновесие между противоборствующими силами, то избыточная энергия стимулирует превращение

11

одного из нейтронов в протон с выбросом из нейтрона электрона и антинейтрино. Этот электрон обладает значительной кинетической энергией и становится опасен для биологической ткани. Его и назвали бета-частицей. При этом образуется химический элемент с порядковым номером в таблице Д.И. Менделеева на единицу больше.

Бели в ядре имеется дефицит нейтронов, нарушающий энергетическое равновесие между противоборствующими силами, то избыточная энергия стимулирует превращение одного из протонов в нейтрон с выбросом позитрона и нейтрино. Этот позитрон обладает значительной кинетической энергией и становится опасен для биологической ткани. Его также назвали бета-частицей. При этом образуется химический элемент с порядковым номером на единицу меньше материнского.

Химический элемент, образовавшийся в результате позитронного или электронного распада, также может иметь избыток нейтронов или их дефицит. Тогда процесс радиоактивного распада будет продолжен до тех пор, пока не появится химический элемент, в ядре которого наступит энергетическое равновесие. Ядро такого химического элемента уже Не является радиоактивным.

Справка. Превращение нейтрона в протон и наоборот некоторые ученые объясняют с помощью следующей модели.

Считают, что нуклон условно можно представить в виде модели, состоящей из трех частей. Одна из них представляет облако позитронов, другая - облако электронов, третья часть не содержит электрического заряда. Если в нуклоне количество позитронов равно количеству электронов, то это нейтрон. Если в нуклоне на один позитрон больше, чем электронов, то это протон. Если в ядре имеется избыток нейтронов или их дефицит, то в этом случае энергетическое равновесие отсутствует и ядерные силы стимулируют превращение нейтрона в протон или наоборот, с выбросом бета-частиц.

В ядрах некоторых элементов, где имеется дефицит нейтронов, для превращения протона в нейтрон протон может захватывать орбитальный электрон и превращаться в нейтрон (К-захват).

12

Приведем примеры бета-распадов.

Электронный распад:

(протон -> нейтрон)

Бета-частицы распространяются в среде со скоростью 0,29-0,99 скорости света. Энергия бета-частиц изменяется в больших пределах и может достигать 13,5 МэВ.

Примечание. Так как массы выбрасываемых электрона и позитрона крайне малы по сравнению с массой протонов и нейтронов, то массовое число атома М можно считать неизменным.

Массовое число позитрона и электрона « 0.

Пример радиоактивного превращения протона в нейтрон при захвате ядром орбитального электрона (К-захват):

(1.7)

Альфа-распад — характерен для тяжелых элементов, ядра которых, начиная с номера 82 таблицы Д.И. Менделеева, нестабильны, несмотря на избыток нейтронов и самопроизвольно распадаются. Ядра этих элементов преимущественно выбрасывают ядра атомов гелия.

Пример альфа-распада:

(1.8)

Так как такие ядра обладают значительной кинетической энергией и массой, то они чрезвычайно опасны при облучении ими биологической ткани. Их назвали альфачастицами и обозначают символом а. Таким образом, в результате альфа-распада образуется атом элемента, смещенный на два места левее, то есть к началу от исходного радиоактивного элемента в периодической системе И.Д. Менделеева.

13

Альфа-частицы покидают ядро со скоростью 15-20 тыс. км/с. Их кинетическая энергия измеряется величинами 1-11 МэВ.

Особенностью альфа-распада является дискретность спектра альфа-частиц. Это значит, что ядро испускает альфа-частицы одной определенной для данного ядра энергии или испускает несколько групп альфа-частиц с близкими, но различными энергиями. Все зависит от энергетического состояния дочернего ядра после распада. Если оно образуется в основном состоянии, то испускаются моноэнергетические альфа-частицы. Если же оно образуется как в основном, так и в возбужденном состоянии, то испускается несколько энергетических групп альфа-частиц.

Иногда радиоактивный распад сопровождается выбросом не только бетаили альфа-частиц, но и гамма-квантов. Гамма-квант. — это кратковременное электромагнитное излучение с частотой до 1020 с"1, с энергией до 10 МэВ. Он возникает в том случае, если при распаде не вся освобождаемая из ядра энергия превращается в кинетическую энергию выбрасываемой бета-частицы или альфа-частицы. Тогда согласно закону сохранения энергии остаток энергии и проявляется в виде кратковременного электромагнитного излучения.

Пример радиоактивного распада с выбросом гаммаквантов:

Примечание. Как самостоятельный вид гамма-распад не существует.

Спонтанное деление атомных ядер (нейтронный распад) — это самопроизвольное деление некоторых ядер тяжелых элементов (уран-238, 235, калифорний-240, 248, 249, 250; кюрий-244, 248 и др.). Вероятность самопроизвольного деления ядер незначительна по сравнению с альфа-распадом (примерно до 10 % ядер некоторых элементов). Иногда деление ядра, например урана-235, может вызвать тепловой нейтрон, альфа-частица и даже космические лучи. При этом происходит расщепление ядра на два осколка (ядра), близких по массе. Ядра урана-238 обычно делятся нейтронами высоких энергий (рис. 1.2).

14

Эти осколки также перегружены нейтронами и также радиоактивны, т.е. являются источниками альфаили бетараспада.

Рис. 1.2. Схема одного из вариантов спонтанного деления ядра урана-235

При самопроизвольном делении имеет место неравенство:

т яд > m i + Ш2>

где тя д — масса ядра, mt и т 2 — массы ядер-осколков, образующиеся в результате деления ядра.

Кинетическая энергия ядер-осколков во много раз больше энергии альфа-частиц. Кроме того, выбрасывается некоторое количество нейтронов, обычно 2 - 3 на акт деления, которые могут вызвать цепную реакцию деления других ядер. Среди ядер-осколков могут быть цезий-137, стронций-90, йод-131 и др. (см. приложение 8). Нейтронный распад используется при работе АЭС.

Протонная радиоактивность была открыта в 1960 г. Она характерна для тяжелых нейтроннодефицитных ядер. В 1983 г. была открыта и двухпротонная радиоактивность.

Протонной радиоактивностью называется испускание протона из ядра в основном состоянии. Она характерна для ядер с острым дефицитом нейтронов и если период полураспада меньше 1 с.

Двухпротонная радиоактивность наблюдается в протошш-ио- быточных легких ядрах (Z<50) с четным Z.

Кластерная радиоактивность характерна для ядер некоторых элементов, когда при определенных условиях и5 ядра выбрасываются частицы, которые по величине массы находятся между альфа-частицами и осколками деления углерода-14, азота-24, магния-28 и кремния-32.

15

Протонную радиоактивность лучше всего проиллюстрировать протеканием термоядерных реакций на Солнце.

Как уже отмечалось ранее, протон - относительно стабильная частица, он является ядром самого распространенного изотопа водорода - протия. Протон участвует во всех процессах взаимодействия элементарных частиц. Солнце содержит много водорода (примерно 60 % массы Солнца, остальную часть составляют углерод, азот, кислород). Температура центральной части Солнца находится в пределах 1,2107 К-1,510'К. При такой температуре все легкие элементы полностью ионизированы, так что вещество представляет собой плазму - смесь протонов (ядер водорода), электронов, легких ядер (альфа-частицы) и незначительное количество средних и тяжелых ядер. В этих условиях основной процесс выделения энергии связан с превращением водорода в гелий. При «низких» температурах около 107К доминируют реакции, при которых происходит непосредственный захват протонов протонами. При температуре около 2-10тК основную роль играет реакция, при которой синтез гелия реализуется с помощью ядер углерода и азота. В отличие от первой реакции вторая реакция протекает очень быстро, так как количество ядер тяжелого водорода в звездах неизмеримо мало. Энергия альфа-частицы равна « 12,8 МэВ. Известно, что при температурах 2107 К превращение протона в альфа-частицу идет с помощью ядер-катализаторов — углерода и азота. Термоядерные реакции возможны и в земных условиях и реализованы в термоядерных боеприпасах.

1.1.3. Основной закон радиоактивного распада радионуклидов

Для прогнозирования и оценки степени опасности радиационных излучений необходимо знать закон, по которому происходит распад радиоактивного вещества. Тогда можно принимать необходимые меры по защите от радиации.

Закон радиоактивного распада касается только совокупности атомов данного радионуклида. Дело в том, что этот процесс статистический, и для отдельно взятого ядра можно лишь указать вероятность распада за определенное время t. Естественный радиоактивный распад ядер протекает самопроизвольно, без всякого воздействия извне. Выведем формулу закона распада радиоактивного вещества.

16

Пусть имеется число N ядер атомов радионуклида. Тогда число распадающихся ядер dN за время dt пропорционально числу атомов N и промежутку времени dt:

В формуле (1.10), чтобы поставить знак равенства, умножают правую часть на коэффициент X. Знак минус показывает, что число ядер N исходных атомов уменьшается во времени.

Экспериментально показано, что свойства ядер со временем не меняются, то есть число распадов в единицу времени, данного вида атавдов не меняется. Отсюда следует, что X есть величина постоянная и носит название «постоянная распада». Из (1.10) следует, что к = - dN/N = const, при dt = 1, то есть постоянная X равна вероятности распада одного ядра за единицу времени.

В уравнении (1.10) поделим правую и левую части на N и проинтегрируем:

Формула (1.14) выражает основной закон радиоактивного распада, где N0 - количество ядер радионуклида в момент

17

распада, которая для различных радионуклидов разная; N коли тестно ядер радионуклида спустя время t; е - основание натурального логарифма (е = 2,713....).

Формула (1.14) имеет два недостатка. Первый недостаток - хотя постоянная распада X имеется в таблицах, но прямой информации о скорости распада она не несет. Второй недостаток - для определения числа распадающихся ядер необходимо знать Ng. Прибора для его определения не существует.

Проблемы разрешаются следующим образом. Величина X может быть заменена другой условной характеристикой, которая несет прямую информацию о скорости распада радионуклида. Для этого вводится понятие период полураспада Т (иногда в литературе обозначается Т1/2). Периодом полураспада Т называется промежуток времени, в течение которого исходное число радиоактивных ядер уменьшается вдвое, а число распадающихся ядер за время Т остается постоянным (X = const).

В уравнении (1.14) правую и левую часть поделим на N и приведем к виду:

Величины N и N0 можно заменить другим понятием, пользуясь следующим свойством явления радиоактивности. Есть приборы, которые регистрируют каждый распад (выброс каждой альфа-частицы, бета-частицы или гаммакванта). Очевидно, что можно определить количество распадов за определенный промежуток времени. Это характеризует не что иное, как скорость распада радионуклида, которую называют активностью.

Активность - это физическая величина, характеризующая число радиоактивных распадов в единицу времени:

18

Исходя из определения активности следует, что она характеризует скорость ядерных переходов в единицу вре- мени. С другой стороны, количество ядерных переходов зависит от постоянной распада X.

Продифференцируем уравнение (1.14), получим:

Формула (1.22) — это основной закон радиоактивно-

го распада, выраженный через активность и период полураспада.

Единицей активности в системе СИ принят:

1 распад/с = 1 Вк.

Назван Веккерелем в честь французского ученого (1852-1908), открывшего в 1896 г. естественную радиоактивность солей урана.

Используют также кратные единицы: 1 ГБк = 10® Бк - гигабеккерель, 1 МБк '=» 10е Бк - мегабеккерель, 1 кБк = = 10э Бк - килобеккерель и др.

Существует и внесистемная единица Кюри, которая изымается из употребления согласно ГОСТ 8.417-81 и РД 50-454-84. Однако на практике и в литературе она пока используется.

За 1 Ки принята активность 1 г радия-226.

19