Приклад радіоактивних перетворювань уламків ділення ядра U-235

Питання для проведення практичного (семінарського) заняття в кінці лекції

Навчальні питання

1. Радіація, та її вплив на людину.

2. Норми радіаційної безпеки.

3. Режими радіаційного захисту населення.

РАДІАЦІЯ ТА ЇЇ ВПЛиВ НА ЛЮДИНУ

Радіація – це властивість деяких хімічних речовин випромінювати елементарні частинки. Сутність випромінювання елементарних частинок полягає в наступному:

Ядра радіоактивних речовин володіють надлишковою внутрішньоядерною енергію, яка розщеплює ці ядра на два уламки. В подальшому з цих уламків утворюються інші, так звані «дочірні» радіоактивні речовини, які мають меншу внутрішньоядерну енергією, ніж їх попередні. Такий процес називається напіврозпадом радіоактивних речовин, який триває до тих пір, поки внутрішньоядерна енергія цих речовин не стабілізується.

При цьому, процес розчеплення радіоактивних ядер супроводжується визволенням з них значної кількості енергії, під впливом якої і здійснюється випромінювання у навколишнє середовище елементарно заряджених частинок. Саме це явище і прийнято називати радіацією.

Ядра, що підвержені процесу розчепленню, називаються радіоактивними, а ядра що не підвергаються такому процесу – називаються стабільними ізотопами.

Всього із 1300 відомих різновидностей ядер більше ніж 1000 являються радіоактивними.

Розрізняється два види розчеплення ядер: природнє та вимушене.

Природнє розчеплення – це властивість деяких радіоактивних речовин самовільно (спонтанно) перетворюватися із одних в інші, що існують у звичайних природніх умовах. Таке перетворення проходить шляхом природнього розпаду одних атомних ядер, та утворення на їх місці інших, більш легких ізотопів.

Вимушене розчеплення – це штучна ініціація прискореного процесу розчеплення ядер радіоактивних речовин шляхом утворення з ник критичної маси, та опромінення її нейтронним потоком. При цьому виникає лавиноподібна ланцюгова реакція розчеплення радіоактивних ядер, що супроводжується визволенням надзвичайно потужньої енергії.

Це самовільне і цілеспрямоване втручання людства до природнього стану радіоактивних речовин з метою вилучення від неї даної енергії, та спрямування її у своїх цілях. І насамперед ці досягнення людства були покладені в основу створення ядерної зброї масового ураження, а в подальшому і для створення потужніх промислових комплексів ядерно-енергетичного циклу.

Основними параметрами радіаційного випромінювання є:

- Час плину розпаду;

- Вид елементарних частинок що випромінюються (продукти розпаду)

Час плину розпаду

Ядра деяких радіоактивних речовин мають дуже довгий термін життя (більше ніж 10⁸ років) і тому вони ще не встигли повністю розпастися за час існування нашого Всесвіту. До таких радіоактивних речовин відносяться ізотопи Урану-238, Урану-235, Торію-232, Калію-40, та інших. Всього в природі існує близько 20 таких ізотопів.

Так, період напіврозпаду урана-235 складає 713 міліонів років, а плутонія-239 – більше 24 тисячоліть

Окрім довгоживучих радіоактивних ізотопів в природних умовах зустрічаються елементи з порівнянно малим терміном життя. Це пояснюється тим, що вид таких ізотопів постійно відновлюється за рахунок розпаду більш довгоживучих ізотопів, а також за рахунок ядерних ланцюгових реакцій, що отримуються в природних умовах.

Але всеж таки більшість радіоактивних ізотопів в природому вигляді не зустрічається. Вони можуть бути отримані лише при вимушенім розчеплені стабільних ядер, тобто шляхом штучного бомбардування їх елементарними зарядженими частинками. Тому, послідуючі радіоактивні ізотопи, що отримані в результаті таких ядерних ланцюгових реакцій, називаються штучними. А це свідчить про те, що між явищем радіоактивності хімічної речовини та явищем розпаду радіоактивного ядра не існує ніякої різниці. Але всеж таки радіоактивність розглядується як окремий фізичний процес.

Види елементарних частинок що випромінюються (продукти розпаду)

Атом будь якого хімічного елемента має складну будову. В центрі атома знаходиться дуже щільне ядро, яке має в своєму складі позитивно заряджені протони і нейтрально заряджені нейтрони, а навколо ядра з великою швидкістю обертаються легкі негативно заряджені електрони. Кожен атом будь якої хімічної речовини має одинакову кількість протонів та електронів, в результаті чого у звичайних умовах цей атом знаходиться у статистичній рівновазі. Але атоми різних хімічних елементів відрізняються один від одного кількістю електронів. Наприклад, навколо ядра атома водорода рухається лише один електрон, у гелія – 2, у літія – 3, а навколо ядра атома урана – 92 електрона. Кількість електронів у буль якого атома рівняється порядковому номеру даного елемента Періодичної системи елементів Д.І.Мєндєлєєва.

Найпростішу будову має ядро хімічного елементу водню, до складу якого входить лише один протон. Тому і ядро водню названо протоном, яке має одиночний позитивний заряд.

Більш складну побудову має ядро гелію, до складу якого входить два протона (тобто два найпростіших ядра водороду), та декілька нейтронів, які утримують позитивно заряджені протони у межах ядра. Саме ядра гелію з їх протонами і нейтронами і становлять основу побудови будь якої іншої речовини, в тому числі і радіоактивної. А окремо взятий протон, електрон або нейтрон відносяться до елементарних частинок, що випромінюються в навколишнє середовище в процесі розпаду ядер хімічних речовин.

При цьому, випромінювання будь яких елементарно заряджених частинок супроводжується утворенням специфічного поля гама-променя (γ).

Таким чином, в навколишнє середовище під час розпаду ядер радіоактивних речовин випромінюються при:

– природньому розчепленні: (α) альфа-частинки;(β) бета-частинки;(γ) гама-промені;

– вимушеному розчепленні: потік нейтронів (n); гама-промені (γ).

Основними їх характеристиками є іонізуюча здатність та проникаюча здібність.

Іонізуюча здатність – це властивість елементарних частинок віддавати частину своєї енергії іншим атомам, що зустрічаються на їх шляху розповсюдження. Від цього ці атоми отримують додаткову енергію, збуджуються, і з їх орбіт зриваються електрони, а вони самі перетворюються в іони.Саме це і становить небезпечну іонізуючу дію радіації.

Проникаюча здібність – це властивість елементарних частинок проникати в інше середовище з віддачею своєї енергії зустрічним атомам даного середовища

Розглянемо детальніше властивості іонізуючих випромінювань:

Альфа-частинки (α-частинки) уявляють собою потік тяжких ядер гелію. Вони, в порівняні з іншими елементарними частинками, мають більш значну масу, і тому володіють більшою іонізуючою здатністю, але меншою проникаючою здібністю. Тому α-частинки пробігають в повітрі всього 7–10 см. В іншому середовищі їх шлях пробігу ще меньший. Наприклад, звичайний листок паперу повністю поглинає всі α-частинки.

Бета-частинки(β-частинки) становлять потік легких електронів, які мають меншу масу ніж α-частинки, тому їх проникаюча здібність більша. Швидкі β-частинки пролітають в повітрі до 20 м, у воді – до 2,6 см, а в свинцю – до 0,3 см.

Гама-промені(γ-промені) за своїми властивостями східні з рентгенівськими променями. Вони розповсюджуються зі швидкістю світла таволодіють виключно великою проникаючою здібністю.Щоб послабити вдвічі потік γ -променю необхідний шар сталі товщиною 1,8 см., а їх дліна пробігу в повітрі становить до 100 метрів.

Потік нейтронів(n) виникає під час вимушеного розчеплення ядер радіоактивних елементів в результаті ланцюгової ядерної реакції при ядерному вибухові.

Такі нейтрони здатні розповсюджуватися у повітряному просторі на відстань до 3 км, а їх рух знову ж таки супроводжується утворенням гама-променей (γ-променей).

В залежності від характеру дії розрізняється проникаюча або наведена радіації;

Проникаюча радіація – це потік нейтронів (n) та гама-променів (γ) з радіаційної хмари, що утворюється при ядерному вибуху. При цьому, час дії проникаючої радіації складає декілька секунд і визначається терміном підйому хмари вибуху на таку висоту, при якій γ-промені поглинаються товщей повітря і практично не досягають поверхні землі.

Наведена радіація – це утворення радіоактивності в грунті та інших предметах, на які діяла проникаюча радіація.

При наведеній радіації утворюються головним чином такі радіоактивні ізотопи як Mn-56m, Al-28, Na-24. Кількість цих ізотопів пропорційна виходу нейтронів при ядерному вибухові.

Приклад радіоактивних перетворювань уламків ділення ядра U-235

Одиниці виміру радіації

Дія радіації характеризується активністю, щільністю радіаційного забруднення, а також дозою та потужністю опромінення.

Активність – характеризує кількість розпадів ядер за 1 секунду. Визначається в кюрі і бекерель.

За еталон було взято 1 грам радію і підраховано, що він за 1 секунду утворює 37 міліардів розпадів ядер. Це значення і було принято вважати за 1 Кі.

1 Кі = 3,7 х 10¹⁰ розпадів ядер за 1 сек.

1 Бк (бекарель) = 1 розпаду ядра за 1 сек.

Щільність радіоактивного забруднення – характеризує кількість радіоактивної речовини, що приходиться на одиницю площі, об’єму або маси.

Вимірюється

- для площі в Кі/м²;

- для об’єму вКі/м³;

- для рідин в Кі/л;

- для маси в Кі/кг.

Дози опромінення

Експозиційна доза – це кількість пар іонів що діють в певнім об’ємі повітря. Вона характеризує проникаючу радіацію і вимірюється в рентгенах

Один рентген (Р) це така доза рентгенівського або γ-випромінення, яка утворює в 1 см³ повітря 2 мільона пар іонів.

1Р =в1 см³ повітря діє2,1^.10⁹ пар іонів.

Поглинена доза – це кількість енергії як приходиться 1 кг тіла людини або на 1 кг будь якої речовини, що потрапили під опромінення.

Характеризує наведену (поглинену) радіацію і вимірюється в одиницях рад, Гр (Грей), або Зв(зіверт).

1 рад – це 1 кг тіла або речовини отримав 0,01 Дженергії.

1 Гр –це коли 1 кг тіла або речовини отримав 1 Дженергії.

1 Зв = 100 рад

1 рад = 0,88 Р

Еквівалентна доза – характеризує степінь ураження біологічного тіла в залежності від виду опромінення α, β чи γ-променями.

Визначається в одиницях бер (біологічний еквівалент рентгена)

1 бер становить:

- для γ і β 1 рад;

- для α 20 рад.

Потужність дози – це кількість випрміненої або поглиненої енергії за одну годину, і визначається: для експозиційної дози – Р/годину;

для поглиненої дози – рад/годину.

Дія радіації на людину

Ураження людини радіацією визначається головним чином іонізуючими діями. Проходячи крізь біологічну тканину людини потік елементарних частинок і гама-квантів порушує її атоми та молекули, які входять до складу живих клітин. В результаті цього порушується нормальний обмін речовин, змінюється склад та характер життєздатності клітин, а також окремих органів та систем організму людини.

Ураження може відбуватися:

- зовнішнє – при попаданні людини під потік нейтронів і гама-квантів;

- внутрішнє – при попаданні радіоактивних речовин в середину організму через органи дихання, шкірні покрови, та зі стравою і питною водою

Ознаки ураження можуть проявлятися відразу після впливу радіації, або через декілька днів, місяців і навіть років після опромінення. При цьому людина отримує специфічне захворювання – променеву хворобу.

В залежності від дози ураження променева хвороба буває 4-х ступенів:

1 ступінь – виникає при сумарній дозі опромінювання 150-250 бер.

Прихований період захворювання триває 2 – 3 тижні, після чого виникає нездужання, слабкість, нудота, запаморочення, періодичне підвищення температури. У крові збільшується наявність білих тілець, що призводить до слабкості імунної системи організму людини. В такім стані люди не здатні боротися з іншими хворобами і, як правило, гинуть.

Променеву хворобу 1 ступеню можна вилікувати при медикаментозному лікуванні