Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 3

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СРЕДНЕЙ ДЛИНЫ ПРОБЕГА АЛЬФА-ЧАСТИЦ В ВОЗДУХЕ

Цель работы: изучение закономерностей альфа-распада; определение средней энергии альфа-частиц и средней длины их пробега в воздухе при нормальных условиях.

1. Основные теоретические положения

Радиоактивное превращение атомного ядра, сопровождающееся вылетом из него альфа-частицы, называют альфа-распадом. Альфа-частицы представляют собой ядра атомов гелия – .

Зарядовое число Z распадающегося ядра при альфа-распаде уменьшается на две единицы, массовое число А – на четыре единицы. Два протона и два нейтрона, образующие альфа-частицу, обособляются на поверхности распадающегося ядра непосредственно перед вылетом из него и некоторое время удерживаются в материнском ядре ядерными силами.

Потенциальная энергия кулоновского и ядерного взаимодействий создает в тяжелых ядрах ( ) потенциальный барьер 25–30 МэВ, который альфа-частица должна преодолеть при вылете из ядра. Это значит, что покинуть ядро могут только те альфа-частицы, кинетическая энергия которых Е_к 25–30 МэВ. Однако существует вероятность, что альфа-частицы «просачиваются» через потенциальный барьер, в несколько раз превышающий их собственную кинетическую энергию Е_к ≈ 5–6 МэВ. Альфа-распад энергетически выгоден только для тяжелых ядер и некоторых редкоземельных радионуклидов, у которых число нейтронов N > 83.

В результате аварии на Чернобыльской АЭС в природной среде на значительных территориях рассеяны искусственные долгоживущие альфа-излучатели , , , . На территориях, примыкающих к АЭС, кроме перечисленных, оказались также выброшенные при взрыве природные радионуклиды , и альфа-активные члены их радиоактивных семейств (см. прил. 3).

Альфа-активные радионуклиды представляют опасность для человека при попадании внутрь организма с водой, пищей, воздухом. Периоды полураспада различных альфа-излучателей лежат в диапазоне от 1,4  10¹⁷ лет ( ) до 3  10^–7 с ( ).

При альфа-распаде выделяется энергия

, (3.1)

где и – массы покоя материнского и дочернего ядер соответственно; М_а – масса покоя альфа-частицы.

Энергия Е распределяется между альфа-частицей и дочерним ядром в отношении, обратно пропорциональном их массе. Так как масса альфа-частицы значительно меньше массы дочернего ядра, выделяющаяся энергия Е практически полностью уносится альфа-частицей.

При альфа-распаде некоторых радионуклидов дочерние ядра могут возникать в различных энергетических состояниях. Альфа-частицы, испускаемые при распадах на различные энергетические уровни дочернего ядра, имеют различные значения энергии. Поэтому энергетические спектры многих альфа-излучателей являются дискретными. Дискретным альфа-спектром обладает, например, природный , испускающий альфа-частицы с энергией, МэВ: 4,58 (10%); 4,47 (3%); 4,40 (83%); 4,20 (4%) (в процентах указана доля альфа-частиц с соответствующими значениями энергии).

Если дочернее ядро при альфа-распаде образуется в возбужденном состоянии, то такое возбуждение снимается за счет излучения гамма-фотонов. Это происходит, например, при распаде природного , испускающего альфа-частицы с энергией 4,763 МэВ и гамма-фотоны с энергией 0,047 МэВ. Радиоактивный , помимо альфа-излучения, спектральный состав которого приведен выше, испускает также гамма-фотоны с энергией, МэВ: 0,074; 0,110; 0,170; 0,184; 0,198; 0,189; 0,382.

Нередко тяжелые альфа-активные ядра могут быть также и бета-активными. Конкурирующие процессы альфа- и бета-распада в таких ядрах происходят с различной вероятностью. Примером смешанного альфа-бета-излучателя является , радиоактивный распад которого протекает путем испускания альфа-частиц с энергией 6,67 МэВ (80%) и К-захвата (20%) (в процентах указана доля распадов).

Существуют и смешанные альфа-бета-гамма-излучатели. В их числе , , , и некоторые другие тяжелые ядра.

Энергия альфа-частиц, испускаемых различными радионуклидами, находится в диапазонах: 4–9 МэВ – для тяжелых ядер; 2,0–4,5 МэВ – для ядер редкоземельных элементов. Энергия альфа-частиц, испускаемых ядрами одного сорта, всегда заключена в достаточно узком энергетическом интервале. Альфа-частицы вылетают из ядер с близкими по величине скоростями ~10⁷ м/с. Альфа-частицы обладают высокой ионизирующей способностью и наименьшей проникающей способностью. Их удельная ионизация – линейная плотность ионизации (ЛПИ) – изменяется от 25 до 60 тыс. пар ионов на 1 см пути пробега в воздухе. Проходя через вещество, альфа-частицы расходуют свою энергию на ионизацию, возбуждение атомов и молекул, диссоциацию молекул и тормозятся. При внутреннем облучении наиболее опасны альфа-излучающие радионуклиды. Ионизация, производимая альфа-излучением, обуславливает ряд особенностей в тех химических процессах, которые протекают в веществе, в частности, в живой ткани (образование сильных окислителей, образование свободного водорода и кислорода). Эти радиохимические реакции, протекающие в биологических тканях под воздействием альфа-излучения, вызваны высокой биологической эффективностью альфа-частиц. По сравнению с рентгеновским, бета- и гамма-излучением взвешивающий коэффициент W_R (относительная биологическая эффективность или коэффициент качества) альфа-излучения принимается равным 20.

Длина пробега альфа-частицы зависит от ее энергии и природы поглотителя. Например, альфа-частица с энергией 6 МэВ пробегает в стекле – 40 мкм, в алюминии – 28,8 мкм, в биологической ткани – 46,8 мкм, в воздухе при нормальных условиях – 4,37 см. Максимальный пробег альфа-частиц с энергией 10 МэВ составляет более 10,2 см.

В воздухе длина пробега альфа-частиц существенно зависит от его давления и температуры. Когда скорость альфа-частицы снижается за счет потери энергии до скоростей теплового движения молекул воздуха (~10²–10³ м/с), она захватывает два электрона и превращает в нейтральный атом гелия.

Толщину поглощающего слоя, при прохождении через который число альфа-частиц уменьшается вдвое, называют средней длиной пробега альфа-частиц . Средняя длина пробега R_ зависит от природы поглощающей среды и энергии Е_ альфа-частиц. В воздухе при нормальных условиях среднюю длину пробега альфа-частиц с энергией 3,0  Е_  7,0 МэВ можно найти по эмпирической формуле

, (3.2)

где выражено в сантиметрах, – в мегаэлектронвольтах.

Средняя длина пробега альфа-частиц в воздухе, биоткани и алюминии в зависимости от их энергии приведена в прил. 4. Формулу (3.2) можно использовать для приближенной оценки средней энергии альфа-частиц из экспериментальных значений средней длины пробега в воздухе. Прецизионные измерения энергии Е_ выполняют с помощью специальных приборов – альфа-спектрометров.

Плотностью потока ионизирующих частиц  называется отношение потока ионизирующих частиц dF, проникающих в объем частиц элементарной сферы, к площади поперечного сечения dS этой сферы

. (3.3)

Единицей измерения плотности потока ионизирующих частиц в СИ является част./(м²  с) или част./(см²  с).

Флюенсом (переносом) ионизирующих частиц Ф называется отношение числа ионизирующих частиц dN, проникающих в объем элементарной сферы, к площади поперечного сечения ds этой сферы:

. (3.4)

Единицей измерения флюенса ионизирующих частиц в СИ является м^–2 или част./см².