7.1.5.3.Элементы радио экологии. Ядерное излучение.

В природе существует всего 265 стабильных нуклидов и около 1500 нестабильных. К первой группе относятся нуклиды, ядра атомов которых могут существовать бесконечно долго без изменений; ко второй группе - нестабильные нуклиды, ядра атомов которых способны превращаться в ядра других радионуклидов с испусканием различных частиц. Нестабильные нуклиды называются также радиоактивными, а процесс их превращения - радиоактивным распадом.

Ядра радиоактивных нуклидов распадаются, как правило, не сразу после своего образования, а спустя некоторое время. До своего распада ядро ничем не проявляет своей неустойчивости - во всех отношениях оно ведет себя подобно ядрам стабильных нуклидов и является центром нормального атома. Но в какой-то момент времени внезапно происходит акт распада - из ядра вылетает та или иная частица (или частицы), ядро меняет свои характеристики и соответственно изменяется структура электронных оболочек атома. Для каждого отдельного ядра предсказать заранее момент распада абсолютно невозможно. Установлено, что время жизни ядра не зависит от его истории: ядро, просуществовавшее к данному моменту уже довольно много времени, может прожить еще долго, а только что образовавшееся ядро может тут же распасться.

На скорость радиоактивного распада нельзя повлиять внешними факторами - давлением, температурой и др. Самопроизвольный, или спонтанный радиоактивный распад является одной из наиболее важных его особенностей. Хотя все ядра любого радиоактивного нуклида "живут" разное время от момента образования до момента распада, для каждого радиоактивного вещества существует вполне определенное, среднее время жизни его ядер. Если каждое ядро в среднем существует в течение τ, то за очень малый промежуток времени dt вероятность распада ядра dw =d t/τ. Значит, если в образце в данный момент времени имеется N ядер, то за промежуток времени dt их число уменьшится на dN = -N dt/τ ядер (Знак "-" говорит об уменьшении числа ядер). Эта формула в математической форме в виде дифференциального уравнения выражает основной закон радиоактивного распада. На практике наряду с величинами τ и λ часто пользуются третьей величиной, называемой периодом полураспада.

Период полураспада, обозначаемый T_1/2 - это время, в течение которого количество ядер данного радионуклида в образце уменьшается в 2 раза.

В единицах Си значения τ и Т_1/2 выражаются в секундах, а λ в обратных секундах (с^-1 ). На практике часто пользуются внесистемными единицами времени: минута, час, сутки, год, которые при расчетах надо переводить в секунды.

Важной характеристикой распада является активность - физическая величина, измеряемая числом происходящих распадов, отнесенных к единице времени.

Из основного закона радиоактивного распада следует, что активность :

В соответствии с определением активность измеряется числом распадов в 1с. Единица активности в СИ-это беккерель (Бк); 1 Бк равен активности нуклида в радиоактивном источнике, в котором происходит 1 акт распада за 1с. До введения СИ применялись другие единицы активности: кюри (Ки) и резерфорд (Рд). Активность источника равна 1 Ки, если в нем за 1 с происходит 3,7.10¹⁰ распадов; т.е. 1 Ки=3.7.10¹⁰ Бк. Единица активности кюри получила очень широкое распространение на практике и ее временное использование было разрешено даже и после введения СИ. Отметим, что 1 г чистого радия имеет активность, примерно равную 1 Ки.

После открытия радиоактивного распада было обнаружено, что разные ядра распадаются с испусканием различных частиц. Различают три основных вида распада, обозначаемых греческими буквами α, β, γ:

α - распад- ядерное превращение, при котором из ядра вылетает α - частица, являющаяся ядром атома основного изотопа гелия ⁴₂Не. Установлено, что чем больше энергии α - распада, тем быстрее он происходит.

β - распад - группа превращений атомных ядер, при которых один нейтрон в ядре превращается в протон (или протон превращается в нейтрон); при этом изменяется заряд ядра, но общее количество нуклидов в нем остается прежним.

При определенных условиях ядра смогут испускать γ - кванты, которые являются фотонами, аналогичными фотонам видимого света, только с меньшей длиной волны. Так, если длина волны фотонов из средней части спектра видимого света примерно равна 5.10^-7 м, то длины волн γ- квантов оказываются порядка 10^-10 ...10^-12 м или еще меньше. Поэтому энергии γ - квантов в сотни или даже миллионы раз больше энергии фотонов видимого света, т.е. от 10 кэВ до 10 МэВ и выше.

Таким образом, потоки испускаемых при радиоактивном распаде частиц называют радиоактивным излучением. Но радиоактивный распад - не единственный источник быстрых частиц. Установлено, что все космическое пространство пронизывают потоки различных частиц: протонов, α - частиц, ядер более тяжелых элементов, электронов и фотонов, энергии которых порой достигают колоссальных значений - вплоть до 10²⁰эВ (напомним, что 1Дж=6,24.10¹⁸ эВ). Это космическое излучение. Мощные потоки быстрых заряженных частиц получают с помощью ускорителей. Ядерные реакторы служат источниками различных частиц, в том числе нейтронов. При взаимодействии быстрых частиц с веществом возникают новые нестабильные частицы - мезоны, гипероны и др. Потоки перечисленных частиц, возникающих при естественных процессах и получаемых искусственно, объединяют общим названием - ядерное излучение.

Передаваемая веществу энергия затрачивается на возбуждение и ионизацию атомов среды. Поэтому ядерное излучение - одна из разновидностей ионизирующего излучения ( к которому относятся также ультрафиолетовое излучение, лучи Рентгена и некоторые другие виды излучений). Ионизация вещества приводит к эффектам, воспринимаемым человеком непосредственно его органами чувств, - потемнению фотопластинки, появлению электрических импульсов в различных приборах и т.п., что лежит в основе всех методов регистрации ядерного излучения. Некоторые из этих эффектов, происходящих под действием излучения в живых организмах и экосистемах, могут существенно изменить или нарушить процессы жизнедеятельности.

Поэтому исследование ядерного излучения геосистем имеет широкий выход в практику других различных дисциплин: ландшафтоведения и др.

При взаимодействии с атомными электронами пролетающая заряженная частица передает им часть своей энергии, в результате чего происходит возбуждение или ионизация атома. В процессе ионизации всегда рождаются два иона: отрицательный - улетевший электрон и положительный - оставшаяся часть атома.