Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Скачиваний:
25
Добавлен:
29.02.2016
Размер:
660.07 Кб
Скачать

1

Тема 2. Радиоактивные превращения ядер.

1.Общие сведения об атоме и атомном ядре.

2.Явление радиоактивности.

3.Основной закон радиоактивного распада. Период полураспада.

4.Виды ионизирующих излучений.

5.Взаимодействие -излучения с веществом.

6.Взаимодействие -излучение с веществом.

7.Взаимодействие -излучений с веществом.

Радиоактивное излучение в природе возникает в результате радиоактивных превращений ядер атомов. Знание механизма этих превращений позволит объективно оценить степень опасности излучения и решать задачи защиты от них.

1 вопрос. Общие сведения об атоме и атомном ядре

Напомним некоторые выводы из основ ядерной физики:

1. Атом – частица вещества микроскопических размеров и очень малой массы. Он является наименьшей частицей химического элемента, сохраняющей свойства данного элемента.

Каждому химическому элементу соответствует определѐнный состав атома. Атомы могут существовать как в свободном состоянии, так и в связанном - в составе молекул. Все химические и физические свойства атома определяются особенностями его строения

2. Атом состоит из ядра и вращающихся вокруг него электронов.

Модель построения атома была предложена в 1913 году датским физиком Н. Бором, за основу которого была принята планетарная модель Э. Резерфорда. Атом состоит из положительно заряженного ядра, вокруг которого движутся по строго определѐнным орбитам отрицательно заряженные

электроны. Положительный заряд атома сосредоточен в в

малом по размерам ядре атома (5 •10-15 м). Атомы имеют размеры порядка 10-10 м и массу 10-27 кг.

Электроны удалены от ядра на расстоянии ≈ 10 -5 м.

Величина заряда электрона составляет

1,6 • 10-19 Кл, а

масса больше ядра атома водорода в 1836 раз и составляет

 

9,1 • 10-31 кг.

Основная масса атома сосредоточена в ядре, на долю электронов

приходится менее 0,05% массы атома.

Располагаясь

на

определенных

расстояниях от атомного ядра, электроны образуют

электронные слои

(электронные оболочки)

 

 

 

2

Рис 2 - Строение электронных оболочек атома

На ближайшей к ядру К-оболочке может располагаться не более 2-х электронов ( 2 ), на следующей L-оболочке - 8 электронов, на М-оболочке - 16, на N-оболочке - 32 электрона и т.п. Отметим, что с увеличением Z идет последовательное заполнение электронных оболочек.

Если электроны заполняют свои орбиты, то атом находится в устойчивом состоянии.

Если орбитальный электрон получает дополнительную энергию из вне, не превышающую энергию связи электрона с ядром, то он переходит на более удаленную орбиту (атом становится возбужденным).

Стремясь к равновесию, через некоторое время (примерно через 10-8 с) электрон вернѐтся на свою орбиту, при этом будет выделена электромагнитная энергия в виде фотона, равная Е =hv (пост. Планка h =

6,6262 • 10 -34 Дж/сек ., v - частота гамма-кванта).

Если электрон получает дополнительную энергию извне, превышающую энергию связи электрона с ядром, то последний покидает атом, превращая его в положительно заряженный ион.

3

3.Плотность ядерного вещества очень велика и составляет

р= 1,8 • 1017 кг/м3. Это свидетельствует об огромной внутриядерной энергии. Наибольшая плотность ядерного вещества у элементов, расположенных в средней части периодической таблицы Д.И. Менделеева.

4.Ядро имеет - сложную структуру. Оно состоит из различных элементарных частиц. Элементарные частицы характеризуются массой,

электрическим зарядом, спином и рядом других величин.

Ядра состоят из нуклонов (протоны и нейтроны) и других частиц.

Нуклоны (от лат. nucleus - ядро) - общее наименование для протонов и нейтронов, из которых построены все атомные ядра.

Нуклиды, общее название атомных ядер, отличающихся числом протонов, нейтронов.

Нуклиды с одинаковым числом в ядре химического, элемента протонов и разным количеством нейтронов называются изотопами.

• Протон (от греч. protos - ядро) - относительно стабильная элементарная частица с положительным зарядом, равным заряду позитрона и массой ~ 1836

mе (m - масса электрона). Вместе с нейтронами протоны образуют атомные ядра всех химических элементов, при этом число протонов в ядре равно атомному номеру данного элемента и, следовательно, определяет место элемента в периодической системе Д.И. Менделеева. Среднее значение жизни протона более

1030 лет.

• Позитрон - элементарная частица, которая по массе равна массе электрона, но имеет положительный заряд, равный по величине отрицательному заряду электрона.

• Нейтрон - электрически нейтральная элементарная частица с массой ~

1840 mе, незначительно превышающей массу протона. Среднее время жизни нейтрона в свободном состоянии (вне ядра) ~ 15,3 мин. При слабом взаимодействии в ядре нейтрон может превратиться в протон через бета-распад

свыбросом электрона (условно заряд равен минус единице) и антинейтрино.

5. Прочность ядру придают нейтроны и пи-мезоны, как частицы «ядерного клея».

Если протон обладает стягивающими и отталкивающими свойствами, то нейтроны только стягивающими свойствами. Внутри ядра протоны и нейтроны обмениваются друг с другом пи-мезоном (сгустком электромагнитной энергии из мезонного облака), что придает прочность ядру.

Пи-мезон в 7 раз легче протона и в 270 раз тяжелее электрона.

 

Прочность ядра зависит от соотношения полей

в ядре:

электрического, гравитационного, ядерного, электромагнитного, слабого. Радиус действия ядерных сил равен радиусу нуклона (порядка 1,5* 10-13м). Ядерное поле самое сильное.

6. Энергия, которую необходимо затратить для разрушения ядра и разделения его на свободные нуклоны, названа энергией связи ядра.

4

Чем сильнее взаимодействуют нуклоны между собой в данном ядре, тем большую работу нужно совершить для его разрушения. При обратном процессе - процессе образования ядра из свободных нуклонов - ядерные силы совершают работу, поэтому и в этом случае также выделяется энергия. Однако прочность ядра определяет не полная энергия связи, а энергия связи, приходящая на один нуклон, т.е. удельная энергия связи. Прочность различных ядер неодинакова. Наиболее прочными являются ядра с числом нуклонов около 60 (Рис.3).

Рис.3 Удельная энергия связи.

Вопрос 2. Явление радиоактивности.

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

Радиоактивностью называется самопроизвольное превращение ядер вещества, сопровождающееся испусканием ионизирующего излучения в виде корпускулярных частиц или фотонов.

При этом различают 2 вида радиоактивности:

- естественную, наблюдающуюся у нестабильных изотопов атомов, существующих в природе, сопровождаемых испусканием альфа-, бета-частиц и фотонов большой энергии( гамма-излучением) ;

- искусственную, наблюдающуюся у изотопов, образующихся в результате ядерных реакций, где ядра испускают в основном бета-частицы,

5

сопровождаемые практически всегда гамма-излучением.

Процесс естественного, самопроизвольно происходящего радиоактивного превращения называется радиоактивным распадом или просто распадом.

Ядерное превращение или радиоактивный распад – это изменение энергетического состояния атомного ядра.

Ядра, испытывающие распад, называются радионуклидами.

Новые ядра, получившиеся после радиоактивного распада, занимают в периодической системе элементов другие места (закон смещения):

Правила смещения ядер при радиоактивных распадах:

 

 

 

при альфа-распаде----------------------

----

 

A X A 4Y 4He;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Z

 

Z 2

2

 

 

 

 

 

 

при бета-распаде (электронном)-------

 

A X

Z

AY

0e;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Z

 

1

1

 

 

 

 

при бета-распаде (позитронном)-------

 

A X

 

AY

0e,

 

 

 

 

 

Z

 

Z 1

1

 

 

 

 

 

где X - символ химического элемента, соответствующего материнскому ядру; Y -

то же для дочернего ядра;

4 He - ядро изотопа гелия;

 

0 e - электрон.

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Распадающееся ядро называется материнским, а ядро продукта

распада – дочерним (рис. 4).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

уран

торий

протактиний

уран-234

торий

радий-226

 

 

радон

полоний

 

 

 

 

 

 

238

234

234

 

 

 

230

 

 

 

 

222

 

 

218

 

 

 

 

(4,47млрд.

(24,1 суток) (1,17 мин)

(245000 лет)

(8000 лет)

(1600 лет) (3,823 суток) (3,05 мин)

 

лет)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

свинец-206

полоний-210

висмут-210

свинец-210

полоний-214

висмут-214 свинец-214

(стабильный) (138,4 суток)

(5,01 суток)

(22,3 лет)

(0,000164 с)

(19,7 мин)

(26,8 мин)

Рис. 4 Радиоактивный распад ядра урана-238

Вопрос 3. Основной закон радиоактивного распада. Период полураспада.

Радиоактивные вещества содержат постепенно распадающиеся радиоактивные атомы. Радиоактивный распад происходит со строго определенной скоростью, характерной для каждого данного элемента.

Время, за которое исходное число радиоактивных ядер в среднем уменьшается вдвое, называется периодом полураспада ( Т1/2).

Периоды полураспада различных ядер колеблются в очень широких

пределах (таблица 1). Например, период полураспада урана-238 ( 23892U ) составляет 4,5 млрд. лет, радия-236 ( 22688 Ra ) - 1620 лет, радона-222 ( 22286 Rn )- 3,8 суток. Более того,

6

периоды полураспада у изотопов одного и того же элемента могут сильно различаться,

например, у

23892 Ra - 1630 лет, а у

21988 Ra - 0,001 с.

 

Таблица 1. Период полураспада некоторых радиоактивных изотопов

Атомный номер

Элемент

Обозначение

Период полураспада

химического

 

 

изотопа

изотопа ( Т 1/2)

элемента

 

 

 

 

 

1

 

2

3

4

 

 

 

 

 

 

1

Водород

 

12,3 года

 

 

(тритии)

 

 

 

6

Углерод

 

20 мин.

 

6

Углерод

 

5730 лет

15

Фосфор

 

14,3 сут.

 

 

 

 

 

16

Сера

 

 

87,44 сут.

 

 

 

 

 

19

Калий

 

 

1,3х109 лет

19

Калий

 

 

12,5 часа

20

Кальций

 

165 сут.

 

 

 

 

 

24

Хром

 

 

27,7 сут.

 

 

 

 

26

Железо

 

44,5 сут.

 

 

 

 

27

Кобальт

 

5,27 года

 

 

 

 

 

 

8

Стронций

 

50,5 сут.

 

 

 

 

38

Стронций

 

29,1 года

 

 

 

 

47

Серебро

 

250 лет

53

Йод

 

 

8,04 сут.

 

 

 

 

 

55

Цезий

 

 

2,06 года

55

Цезий

 

 

30 лет

 

 

 

 

 

92

Уран

 

 

2,4х105 лет

92

Уран

 

 

7,1х108 лет

94

Плутоний

 

2,41х103 лет

95

Америций

 

432,2 года

 

 

 

 

 

 

Поскольку отдельные радиоактивные ядра распадаются независимо друг от друга, то закон радиоактивного распада носит статистический характер и

имеет вид: ,

где N – число нераспавшихся радиоактивных атомов; - число атомов в начальный момент времени;

t - время, прошедшее с начала распада, с;

-период полураспада, с;

-вероятность распада одного ядра за 1 с (постоянная распада для

7

данного вида ядер), причем .

е – основание натурального логарифма и равно 2,713.

Средним временем или средней продолжительностью жизни ядра называется величина

.

Время жизни возбужденных состояний для большинства ядер лежит и пределах от 10-8 до 10-15 с;

Вопрос 4. Виды ионизирующих излучений.

Ионизирующее излучение (ИИ) – это излучение, взаимодействие которого со средой приводит к образованию в этой среде ионов разных знаков и свободных радикалов.

Каждый атом характеризуется своим значением энергии ионизации.

Замечание: видимый свет и ультрафиолетовое излучение не относят к ионизирующим излучениям.

Согласно современной теории существует 2 вида излучений:

1)Волновое (квантовое);

2)Корпускулярное.

Кволновому виду относятся электромагнитные излучения с разной

(обычно короткой) длинной волны - рентгеновские и -излучение.

Природным источником рентгеновского излучения является солнце. Это излучение поглощается земной атмосферой. Если бы это не происходило, то рентгеновское излучение пагубно действовало на все живое на земле.

Искусственное рентгеновское излучение создается с помощью специальных аппаратов (ускорителей) для использования в медицинских целях, -излучение возникает при ядерных реакциях, при торможении

заряженных частиц.

К корпускулярному виду излучений относятся излучения различных заряженных частиц таких как - альфа, бета-частицы, протоны и другие,

нейтральных - нейтроны, нейтрино.

Пучки заряженных элементарных частиц, ядра легких элементов, ионов оказывают ионизирующее воздействие на вещество, через которые они проходят. Опосредованное ионизирующее воздействие оказывают и нейтральные частицы, прежде всего нейтроны: в результате взаимодействия этих частиц с ядрами веществ испускаются ядром протон и гамма-квант, которые и вызывают ионизацию среды.

Альфа-излучение - это поток альфа-частиц, испускаемых при радиоактивном распаде, а также при ядерных реакциях и превращениях. Альфа-

частицы обладают сильной ионизирующей способностью и незначительной проникающей способностью. В воздухе они проникают на глубину 2 – 9 сантиметров, в биологической ткани – 0,02 – 0,06 миллиметра, задерживаются листом бумаги, тканью одежды. Альфа-излучение особо опасно

8

при попадании его источника внутрь организма с пищей или с вдыхаемым воздухом.

Бета-излучение - это поток электронов или позитронов, испускаемых ядрами радиоактивных элементов при бета-распаде. Их ионизирующая способность меньше, чем у альфа-частиц, но проникающая способность во много раз больше и составляет десятки сантиметров. В биологической ткани они проникают на глубину до 2 см, в воздухе – от нескольких сантиметров до 3 метров. Одеждой задерживаются только частично. Бета-излучение опасно для здоровья человека как при внешнем, так и внутреннем облучении.

Гамма-излучение - электромагнитное излучение (длина волны 10-10- 10-14 м) , возникающее в некоторых случаях при альфа- и бета-распаде, и

аннигиляции частиц. Проникающая способность гамма-излучения значительно больше, чем у вышеперечисленных видов излучений. Глубина распространения гамма-квантов в воздухе может достигать сотен и тысяч метров. Ионизирующая способность (косвенная) значительно меньше, чем у вышеперечисленных видов излучений. Часть гамма-квантов проходит через биологическую ткань, другая - поглощается ею.

Протонное излучение - это поток протонов, составляющих основу космического излучения, а также наблюдаемых при ядерных взрывах. Их пробег в воздухе и проникающая способность занимают промежуточное положение между альфа- и бета-излучением.

Нейтронное излучение -поток нейтронов, наблюдаемых при ядерных взрывах особенно нейтронных боеприпасов и работе ядерного реактора. последствия его воздействия на окружающую среду зависят от их начальной энергии нейтронов, которая может меняться в пределах 0,025-300 МэВ.

Тормозное излучение - фотонное излучение с непрерывным энергетическим спектром, испускаемое при уменьшении кинетической энергии заряженных частиц. Воздействие на окружающую среду такое, как и гамма-излучения.

Характеристическое излучение - фотонное излучение с дискретным энергетическим спектром, возникающее при изменении энергетического состояния электронов атома. Воздействие на биологическую ткань аналогично гамма-излучению.

Аннигиляционное излучение - фотонное излучение, возникающее в результате аннигиляции частицы и античастицы (например, позитрона и электрона). Воздействие на биологическую ткань аналогично гамма-излучению.

Вопрос 5. Взаимодействие a-излучения с веществом.

История открытия и изучения -частиц связана с именем Резерфорда.

При помощи -частиц Резерфорд производил исследования большинства атомных ядер.

-частицы это атомы гелия, потерявшие 2 электрона, т.е. ядра атома гелия

24He .

Внастоящее время известно более 200 альфа-активных ядер, главным образом тяжелых (А>200, Z>82), исключение составляют редкоземельные элементы (А=140-160).

Примером альфа-распада может служить распад изотопа урана:

9

23892U 23490Th24He

Скорости с которыми -частицы вылетают из распавшегося ядра, очень велики и колеблются для различных ядер в пределах от 1,4•107 до 2• 107 м/с, что соответствует кинетическим энергиям этих частиц в 4 - 8,8 МэВ.

-частицы в состав ядра не входят, и по современным представлениям они образуются в момент радиоактивного распада при встрече движущихся внутри ядра 2-х протонов и 2-х нейтронов.

Пролетая через вещество, -частицы постепенно теряют свою энергию, затрачивая ее на ионизацию. Происходит это так: -частицы встречаются с атомами вещества, при этом атомы вещества возбуждаются, т.е. электроны атома переходят с более близкой к ядру орбиты на более далекую, а некоторые даже отщепляются от атома. В этом случае атом превращается в положительно заряженный ион. Оторванный от атома электрон может присоединиться к внешней оболочке другого атома, который в свою очередь превращается в отрицательно заряженный ион. Для характеристики ионизирующей способности -частиц и других излучений вводится

понятие удельной ионизации.

Удельная ионизация - это количество пар ионов, которые возникают в

1 см пути пробега -частицы. -частицы имеют большую ионизирующую способность: на пути пробега в воздухе образуется от 100000 до 300000 пар ионов.

Под пробегом частицы в веществе понимается толщина слоя этого вещества, которую может пройти эта частица до полной остановки.

Пробег -частиц зависит как от энергии частиц, так и от плотности вещества, в котором они движутся.

Длина пробега -частицы в воздухе составляет примерно 2-9 см и не более 0,06 мм в биологической ткани. Поэтому для защиты хватает листа бумаги толщиной около 0,1 мм и обычная одежда поглощает -частицы. Однако при работе с радиоактивными веществами, которые являются источниками -частиц необходимо надевать резиновые перчатки, т.к. попав на кожу -частицы могут изменить ее структуру и вызвать ожег.

Вопрос 6. Взаимодействие -излучения с веществом.

Бета излучение состоит из -частиц (электронов и позитронов), которые испускаются при -распаде радиоактивных изотопов.

При электронном -распаде происходит превращение нейтрона в

протон с одновременным образованием электрона и вылетом антинейтрино. При этом заряд ядра и его порядковый номер увеличиваются на единицу. Электронный распад характерен для ядер с избыточным числом нейтронов.

Примером электронного -распада может служить распад стронция:

10

3890Sr9039Y 00v

При позитронном бета-распаде происходит превращение протона в нейтрон с образованием и выбросом из ядра позитрона и нейтрино. Заряд и порядковый номер ядра уменьшаются на единицу. Позитроны и β-распад наблюдается для неустойчивых ядер с избыточным числом протонов.

Примеры позитронного бета-распада радионуклида:

22 Na22Ne 0v

 

30P30Si 0v

11

10

0

 

15

14

0

К бета-распаду относится также электронный захват (К-захват), т.е. за-

хват атомным ядром одного из электронов своего атома. При этом один из протонов ядра превращается в нейтрон и испускается нейтрино. Возникшее ядро может оказаться в возбужденном состоянии. Переходя в основное состояние оно пропускает -фотон. Место в электронной оболочке освобожденное

захваченным электроном, заполняется электронами из вышестоящих слоев, в результате возникает рентгеновское излучение.

Примером электронного захвата могут служить следующие превращения:

40 K 0e 40Ar 0v

 

7 Be 0e7Li 0v

19 1 18 0

 

4 1 3 0

β-частицы, испускаемые при бета-распаде, имеют различную энергию, поэтому и пробег их в веществе не одинаков. Путь, проходимый β- частицей в веществе представляет собой не прямую линию, как у -частиц, а ломаную.

Ионизирующая способность бета-частиц много меньше, а длина пробега много больше, чем у -частиц.

Существует довольно большая опасность со стороны проникающих потоков -частиц для глаз человека.

В сравнении с кожей хрусталик обладает повышенной радиоактивной чувствительностью. При работе с источником -излучения рекомендуются защитные очки - толщиной стекла 6 мм., защитные перчатки и дистанционный инструмент. На своем пути пробега -частицы образуют от 1000 до 50000 пар ионов. Скорость бета-частицы 270000 км/с.

Вопрос 7. Взаимодействие -излучения с веществом.

Взаимодействие гамма-квантов с веществом может сопровождаться:

-фотоэффектом;

-комптоновским рассеянием;

-образованием электрон-позитронных пар.

Вид эффекта зависит от энергии гамма-кванта.

Соседние файлы в папке Лекции Поляков Защита населения