Физическая природа радиоактивности
Федеральное государственное бюджетное образовательное
Учреждение высшего профессионального образования
«Нижегородский государственный университет
им. Н.И. Лобачевского»
В.А. Басуров, А.Я. Моничев
РАДИАЦИОННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ: ПРИРОДА И ИСТОЧНИКИ ИОНИЗИРУЮЩЕЙ РАДИАЦИИ
Учебно-методическое пособие
Рекомендовано методической комиссией биологического факультета для студентов ННГУ всех специальностей
Нижний Новгород
Основные понятия
Физическая природа радиоактивности
Ионизирующим излучением называется излучение, взаимодействие которого с веществом приводит к образованию в этом веществе ионов разного знака. Представления о возникновении ионизирующих излучений связаны со строением атома.
Атомное ядро — центральная часть атома, в которой сосредоточена основная его масса, и структура которого определяет химический элемент, к которому относится атом. Размеры ядер различных атомов более чем в 100 тысяч раз меньше размеров самого атома. Масса ядер примерно в 4000 раз больше массы входящих в атом электронов. Атомное ядро состоит из нуклонов — положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов, которые связаны между собой при помощи сильного взаимодействия. Атомное ядро, рассматриваемое как класс частиц с определённым числом протонов и нейтронов, принято называть нуклидом.
Количество протонов в ядре называется его зарядовым числом Z — это число равно порядковому номеру элемента, к которому относится атом в таблице Менделеева. Количество протонов в ядре полностью определяет структуру электронной оболочки нейтрального атома и, таким образом, химические свойства соответствующего элемента. Количество нейтронов в ядре называется его изотопическим числом N. Ядра с одинаковым числом протонов и разным числом нейтронов называются изотопами. Полное количество нуклонов в ядре называется его массовым числом А (очевидно А=N+Z) и приблизительно равно средней массе атома, указанной в таблице Менделеева. Для обозначения атомных ядер используется следующая система. В середине ставится символ химического элемента, что однозначно определяет зарядовое число Z ядра; вокруг обозначения элемента указывают все характеризующие ядро его атома числа:
· слева снизу — зарядовое число Z, то есть, то же самое, что указано символом элемента;
· слева сверху — массовое число А;
· справа снизу — изотопическое число N;
Например, уран-238:
Лишь небольшая часть нуклидов являются стабильными. В большинстве случаев ядерные силы оказываются неспособны обеспечить их постоянную целостность, и ядра рано или поздно распадаются. Это явление получило название радиоактивности.
Радиоактивность (от лат. radius «луч» и āctīvus «действенный») — свойство атомных ядер самопроизвольно (спонтанно) изменять свой состав (заряд Z, массовое число A) путём испускания элементарных частиц или ядерных фрагментов. Соответствующее явление называется радиоактивным распадом. Радиоактивностью называют также свойство вещества, содержащего радиоактивные ядра.
Установлено, что радиоактивны все химические элементы с порядковым номером, большим 82 (то есть начиная с висмута), и многие более лёгкие элементы ( прометий и технеций) не имеют стабильных изотопов, а у некоторых элементов, таких как индий, калий, или кальций, часть природных изотопов стабильны, другие же радиоактивны.
Естественная радиоактивность — самопроизвольный распад ядер элементов, встречающихся в природе.
Искусственная радиоактивность — самопроизвольный распад ядер элементов, полученных искусственным путем через соответствующие ядерные реакции.
При каждом акте распада нестабильного нуклида высвобождается энергия, которая и передается дальше в виде излучения. Но хотя все радионуклиды нестабильны, одни из них более нестабильны, чем другие. Например, протактиний-234 распадается почти моментально, а уран-238 очень медленно. Половина всех атомов протактиния в каком-либо радиоактивном источнике распадается за время, чуть большее минуты, в то же время половина всех атомов урана U-238 превратится в торий-234 за четыре с половиной миллиарда лет. Время, за которое распадается в среднем половина всех радионуклидов данного типа в любом радиоактивном источнике, называется периодом полураспада соответствующего изотопа. Этот процесс продолжается непрерывно. За время, равное одному периоду полураспада, останутся неизменными каждые 50 атомов из 100, за следующий аналогичный промежуток времени 25 из них распадутся.
Любой радиоактивный распад подчинён закону:
N=N0 · 
N-количество атомов через момент времени t.
N0 -начальное количество радионуклидов.
λ - постоянная, характеризующая радиоактивное вещество.
Как и большинство законов физики, в наши дни этот закон формулируют по-разному, чаще всего записывая уравнением:
,
которое означает, что число распадов за интервал времени t в произвольном веществе пропорциональна числу имеющихся в образце атомов N.
На практике период полураспада определяют, измеряя активность (см.ниже) исследуемого препарата через определенные промежутки времени. Учитывая, что активность препарата пропорциональна количеству атомов распадающегося вещества, и воспользовавшись законом радиоактивного распада, можно вычислить период полураспада данного вещества.
Радиоактивные ряды (семейства) — цепочка радиоактивных превращений. Это ряды радиоактивных изотопов, в которых каждый последующий образуется в результате радиоактивного распада предыдущего. Каждый радиоактивный ряд начинается изотопом с большим периодом полураспада и заканчивается стабильным изотопом. Выделяют три естественных радиоактивных ряда и один искусственный.
Естественные ряды:
· ряд тория (4n) — начинается с нуклида Th-232;
· ряд радия (4n+2) — начинается с U-238;
· ряд актиния (4n+3) — начинается с U-235
Искусственный ряд:
· ряд нептуния (4n+1) — начинается с Np-237.
После альфа- и бета-радиоактивных превращений ряды заканчиваются образованием стабильных изотопов.