Радиоактивные превращения ядер

Радиоактивные превращения ядер

Строение вещества

Все в природе состоит из простых и сложных веществ. К простым веществам относятся химические элементы, к сложным – химические соединения. Известно, что вещества в окружающем нас мире состоят из атомов, которые являются наименьшей частью химического элемента. Атом – это мельчайшая частица вещества, определяющая его химические свойства, он имеет сложное внутреннее строение. В природе только инертные газы обнаруживаются в виде атомов, так как их внешние оболочки замкнутые, все остальные вещества существуют в виде молекул.

В 1911 г. Э. Резерфорд предложил планетарную модель атома, которая была развита Н Бором (1913 г.). По общепринятой модели строения атома в нем различают две области: тяжелое, положительно заряженное ядро, находящееся в центре, в котором сосредоточена почти вся масса атома, и легкую электронную оболочку, состоящую из отрицательно заряженных частиц – электронов, с огромной скоростью вращающихся вокруг ядра.

Электрон (е^–)– устойчивая элементарная частица с массой покоя равной 9,1·10^{-31 кг или 0,000548 а.е.м. (атомная единица массы – это безразмерная величина атомной массы, которая показывает, во сколько раз атом данного элемента или частица тяжелее 1}/₁₂ части атома изотопа углерода-12; энергетический эквивалент 1 а.е.м. составляет 931 МэВ). Электрон несет один элементарный отрицательный заряд электричества (q=1,6·10^-19 Кл), т. е. наименьшее количество электричества, встречающееся в природе. Исходя из этого заряд электрона принят за одну элементарную единицу электрического заряда.

В зависимости от энергии, которая удерживает электроны при вращении вокруг ядра, они группируются на разных орбитах (уровнях или слоях). Число слоев у различных атомов неодинаковое. В атомах с большой массой число орбит достигает семи. Их обозначают цифрами, или буквами латинского алфавита, начиная обозначение от ядра: K, L, M, N, O, P, Q. Число электронов в каждом слое строго определенное. Так, К-слой имеет не более 2 электронов, L-слой – до 8, M-слой – до 18, N-слой – 32 электрона и т. д.

Размеры атома определяются размерами его электронной оболочки, которая не имеет строго определенных границ. Приблизительно линейные размеры атома составляют 10^{-10 м.}

Ядро – центральная массивная часть атома, состоящая из протонов и нейтронов, которая заряжена положительно. В ядре сосредоточена почти вся масса атома (более 99,95 %). Суммарное количество электронов на орбитах всегда равно сумме протонов в ядре. Например, атом кислорода содержит 8 протонов в ядре и имеет 8 электронов на орбитах, атом свинца – 82 протона в ядре и 82 электрона на орбитах. Вследствие равенства суммы положительных и отрицательных зарядов атом представляет собой электрически нейтральную систему. На каждый из движущихся вокруг ядра электронов действуют две равные, противоположно направленные силы: кулоновская сила притягивает электроны к ядру, а равная ей центробежная сила инерции стремится "вырвать" электрон из атома. Кроме того, электроны, двигаясь (вращаясь) вокруг ядра по орбите, одновременно обладают собственным моментом движения, который называют спином, упрощенно представляемый как вращение подобное волчку вокруг собственной оси. Спины отдельных электронов могут быть ориентированы параллельно (вращение в одну и ту же сторону) и антипараллельно (вращение в разные стороны). В упрощенном виде все это обеспечивает устойчивое движение электронов в атоме.

Известно, что на связь электрона с ядром действует не только кулоновская сила притяжения и центробежная сила инерции, но и сила отталкивания других электронов. Данный эффект называют экранировкой. Чем дальше электронная орбита от ядра, тем сильнее экранировка находящихся на ней электронов и тем слабее энергетическая связь ядро–электрон. На внешних орбитах энергия связи электронов не превышает 1-2 эВ, тогда как у электронов К-слоя она во много раз больше и возрастает с увеличением атомного номера элемента. Например, у углерода энергия связи электронов К-слоя составляет 0,28 кэВ, у стронция – 16 кэВ, у цезия – 36 кэВ, у урана – 280 кэВ. Поэтому электроны внешней орбиты больше подвержены воздействию внешних факторов, в частности, излучений низкой энергии. При сообщении электронам извне дополнительной энергии они могут переходить из одного энергетического уровня на другой или даже покидать пределы данного атома. Если энергия внешнего воздействия будет слабее энергии связи электрона с ядром, то электрон может только перейти с одного энергетического уровня на другой. Такой атом остается нейтральным, однако он отличается от остальных атомов этого химического элемента избытком энергии. Атомы, обладающие избытком энергии, называют возбужденными, а переход электронов с одного энергетического уровня на другой, более удаленный от ядра, – процессом возбуждения. Поскольку в природе любая система стремится перейти в устойчивое состояние при котором энергия ее будет наименьшей, то и атом через некоторое время переходит из возбужденного состояния в основное (первоначальное). Возвращение атома в основное состояние сопровождается выделением избыточной энергии. Переход электронов с внешних орбит на внутренние сопровождается излучением с длиной волны, характерной только для данного перехода с одного энергетического уровня на другой. Переходы электронов в пределах наиболее удаленных от ядра орбит дают излучение, состоящее из ультрафиолетовых, световых и инфракрасных лучей. При сильных внешних воздействия, когда энергия превышает энергию связи электронов с ядром, электроны вырываются из атома и удаляются за его пределы. Атом, лишившийся одного или нескольких электронов, превращается в положительный ион, а “присоеди­ни­в­­ший” к себе один или несколько электронов – в отрицательный ион. Следовательно, на каждый положительный ион образуется один отрицательный ион, т. е. возникает пара ионов. Процесс образования ионов из нейтральных атомов называется ионизацией. Атом в состоянии иона существует в обычных условиях чрезвычайно короткий промежуток времени. Свободное место на орбите положительного иона заполняется свободным электроном (электроном, не связанным с атомом), и атом вновь становится нейтральной системой. Этот процесс носит название рекомбинации ионов (деионизация) и сопровождается выделением избыточной энергии в виде излучения. Энергия, выделяющаяся при рекомбинации ионов, численно приблизительно равна энергии, затраченной на ионизацию.

Протон(р) – стабильная элементарная частица с массой равной 1,6725·10^{-27 кг или 1,00758 а.е.м., которая примерно в 1840 раз больше массы электрона. Заряд протона положите­лен и по величине равен заряду электрона. Атом водорода представляет собой ядро, содержащее один протон, вокруг которого вращается один электрон. Если “сорвать” этот электрон, то оставшаяся часть атома и будет протоном, поэтому протон часто определяют как ядро водорода.}

Каждый атом любого элемента содержит в ядре определенное число протонов, которое постоянно и определяет физические и химические свойства элемента. Например, в ядре атома серебра их 47, в ядре урана – 92. Число протонов в ядре (Z) называют атомным номером или зарядовым числом, оно соответствует порядковому номеру элемента в периодической системе Д. И. Менделеева.

Нейтрон(n) – электрически нейтральная элементарная частица с массой незначительно превышающей массу протона и равной 1,6749•10^{-27 кг или 1,00898 а.е.м. Нейтроны устойчивы только в составе стабильных атомных ядер. Свободные нейтроны распадаются на протоны и электроны.}

Нейтрон, вследствие своей электрической нейтральности, не отклоняется под действием магнитного поля, не отталкивается атомным ядром и, следовательно, обладает большой проникающей способностью, что создает серьезную опасность как фактор биологического действия излучения. Число нейтронов, находящихся в ядре, дает только в основном физическую характеристику элемента, так как в разных ядрах одного и того же химического элемента может быть разное число нейтронов (от 1 до 10). В ядрах легких устойчивых элементов число протонов относится к числу нейтронов как 1:1. С увеличением атомного номера элемента (начиная с 21-го элемента – скандия) в его атомах число нейтронов превышает число протонов. В самых тяжелых ядрах число нейтронов в 1,6 раза больше числа протонов.

Протоны и нейтроны – составные части ядра, поэтому для удобства их называют нуклонами. Нуклон(от лат. nucleus – ядро) – общее наименование для протонов и нейтронов ядра. Также, когда говорят о конкретном атомном ядре, используют термин нуклид. Нуклид – любое атомное ядро с заданным числом протонов и нейтронов.

Обозначая нуклиды или атомы, пользуются символом элемента, которому принадлежит ядро, и указывают сверху массовое число – А, внизу – атомный (порядковый) номер – Z в форме индексов , где Э – символ химического элемента. А показывает число нуклонов, из которых состоит ядро атома (A = Z + N). Z показывает не только заряд ядра и порядковый номер, но и число протонов в ядре и соответственно число электронов в атоме, т.к. атом в целом нейтрален. N – число нейтронов в ядре, которое чаще всего не указывается. Например, – радиоактивный изотоп цезия, А = 137, следовательно ядро состоит из 137 нуклонов; Z = 55, значит в ядре 55 протонов и, соответственно, 55 электронов в атоме; N = 137 - 55 = 82 – это число нейтронов в ядре. Порядковый номер иногда опускают, так как символ элемента вполне определяет его место в периодической системе (например, Cs-137, Не-4). Линейные размер ядра атома равны 10^-15-10^{-14 м, что составляет 0,0001 диаметра всего атома.}

Протоны и нейтроны удерживаются внутри ядра силами, называемыми ядерными. По своей интенсивности они намного мощнее электрических, гравитационных и магнитных сил. Ядерные силы являются короткодействующими с радиусом действия 10^-14–10^{-15 м. Они проявляются одинаково между протоном и нейтроном, протоном и протоном, нейтроном и нейтроном. С увеличением расстояния между нуклонами ядерные силы очень быстро уменьшаются и становятся практически равными нулю. Ядерные силы обладают свойством насыщения, т. е. каждый нуклон взаимодействует только с ограниченным числом соседних нуклонов. Поэтому при увеличении числа нуклонов в ядре ядерные силы значительно ослабевают. Этим объясняется меньшая устойчивость ядер тяжелых элементов, в которых содержится значительное число протонов и нейтронов.}

Чтобы разделить ядро на составляющие его протоны и нейтроны и удалить их из поля действия ядерных сил, необходимо совершить работу, т.е. затратить энергию. Эта энергия называется энергией связи ядра. При образовании ядра из нуклонов наоборот выделяется энергия связи.

Если рассчитать массу ядра, например гелия, по формуле

m_я = m_pN_p + m_nN_n,

где m_я – масса ядра; m_p – масса протона; N_p – число протонов; m_n – масса нейтрона; N_n – число нейтронов, то она будет равна 1,0076·2 + 1,0089·2 = 4,033 а.е.м.

Вместе с тем фактическая масса ядра гелия равна 4,003 а.е.м. Таким образом, фактическая масса ядра гелия оказывается меньше расчетной на величину 0,03 а.е.м. и в этом случае говорят, что ядро имеет дефект массы (недостаток массы). Разницу между расчетной и фактической массой ядра называют дефектом массы (Dm). Дефект массы показывает, насколько прочно связаны частицы в ядре, а также сколько энергии выделилось при образовании ядра из отдельных нуклонов. Связать массу с энергией можно с помощью уравнения, выведенного А. Эйнштейном:

DЕ = Dmс²,

где DЕ – изменение энергии; Dm – дефект массы; с – скорость света.

Учитывая, что 1 а.е.м. = 1,661 • 10^{-27 кг, а в ядерной физике за единицу энергии принят электрон-Вольт (эВ), причем 1 а.е.м. эквивалентна 931 МэВ, то энергия, которая выделится при образовании ядра гелия будет равна 28 МэВ. Если бы существовал способ разделения ядра атома гелия на два протона и два нейтрона, то для этого потребовалось бы затратить не менее 28 МэВ энергии.}

Энергия связи ядер соразмерно возрастает с увеличением числа нуклонов, однако не строго пропорционально их числу. Например, энергия связи ядра азота – 104,56 МэВ, а урана – 1800 МэВ.

Средняя энергия связи, приходящаяся на один нуклон, называется удельной энергией связи. Для гелия она составит 28:4 = 7 МэВ. Если не считать самых легких ядер (дейтерий, тритий), то энергия связи на один нуклон составляет для всех ядер примерно 8 МэВ.

Большинство химических элементов в природе представляют собой определенные смеси атомов с ядрами различных масс. Различие масс обусловлено наличием в ядрах разного числа нейтронов.

Изотопы (от греч. isos – одинаковый и topos – место) – разновидности атома одного и того же химического элемента, которые имеют одинаковое число протонов (Z) и различное число нейтронов (N). У них практически одинаковые физические и химические свойства, разделить их в природной смеси очень сложно. Число изотопов эле­ментов варьирует от 3 – у водорода до 27 – у полония. Изотопы бывают стабильные и нестабильные. Стабильные изотопы со временем не претерпевают никаких изменений, если нет воздействия из вне. Нестабильные или радиоактивные изотопы за счет процессов, протекающих внутри ядра, со временем превращаются в изотопы других химических элементов. Стабильные изотопы встречаются только у элементов с порядковым номером Z≤83. В настоящее время известно около 300 стабильных и более 2000 радиоактивных изотопов. Для всех элементов периодической системы Д. И. Менделеева синтезированы радиоактивные изотопы, называемые искусственными.

Явление радиоактивности

Все химические элементы стабильны лишь в узком интервале соотношения числа протонов к числу нейтронов в ядре. В легких ядрах должно быть примерно поровну протонов и нейтронов, т. е. величина соотношения n:p близка к 1, для тяжелых ядер это соотношение снижается до 0,7. Если в ядре слишком много нейтронов или протонов, то такие ядра становятся неустойчивыми (нестабильными) и претерпевают самопроизвольные радиоактивные превращения, в результате которых изменяется состав ядра и при этом испускаются заряженные или нейтральных частицы. Явление самопроизвольного излучения было названо радиоактивностью, а вещества, испускающие излучения, – радиоактивными.

Радиоактивность (от лат. radio – излучаю, radius – луч, aktivus – действенный) – это самопроизвольные превращения (распады) атомных ядер некоторых химических элементов в атомные ядра других элементов с испусканием особого рода излучения. Радиоактивность приводит к изменению атомного номера и массового числа исходного химического элемента.

Открытию явления радиоактивности способствовали два крупнейших открытия ХIХ века. В 1895 г. В. Рентген обнаружил лучи, которые возникали при пропускании тока высокого напряжения между электродами, помещенными в запаянную стеклянную трубку, из которой был откачан воздух. Лучи были названы рентгеновскими. А в 1896 г. А. Беккерель обнаружил, что соли урана самопроизвольно испускают невидимые лучи, обладающие большой проникающей способностью, вызывающие почернение фотопластинки и свечение некоторых веществ. Это излучение он назвал радиоактивным. В 1898 г. Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри открыли два новых радиоактивных элемента – полоний и радий, которые испускали подобные излучения, но интенсивность их во много раз превышала интенсивность излучения урана. Кроме того было обнаружено, что радиоактивные вещества непрерывно выделяют энергию в виде теплоты.

Радиоактивные излучения также называют ионизирующими, так как они могут ионизиро­вать среду, или ядерными, подчеркивая то, что излучение испускается ядром, а не атомом.

Радиоактивный распад связан с изменениями в атомных ядрах и выделением энергии, величина которой, как правило, на несколько порядков выше энергии химических реакций. Так, при полном радиоактивном распаде 1 г-атома ¹⁴С выделяется 3^.10⁹ калорий, тогда как при сгорании этого же количества ¹⁴С до углекислого газа выделяется лишь 9,4^.10⁴ калорий.

В качестве единицы энергии радиоактивного распада принимается 1 электрон-Вольт (эВ) и производные от него 1 кэВ = 10³ эВ и 1 МэВ = 10⁶ эВ. 1 эВ = 1,6^.10^-19 Дж. 1 эВ соответствует энергии, приобретаемой электроном в элек­трическом поле при прохождении пути, на котором разность потенциалов со­ставляет 1 Вольт. При распаде большинства радиоактивных ядер высвобождаемая энергия составляет от нескольких кэВ до нескольких МэВ.

Радиоактивные явления, происходящие в природе, называют естественной радиоактивностью; аналогичные процессы, протекающие в искусственно полученных веществах (через соответствующие ядерные реакции), – искусственной радиоактивностью. Однако оба вида радиоактивности подчиняются одним и тем же законам.

Виды радиоактивного распада

Ядра атомов устойчивы, но изменяют свое состояние при нарушении определенного соотношения протонов и нейтронов. В легких ядрах должно быть примерно поровну протонов и нейтронов. Если в ядре слишком много протонов или нейтронов, то такие ядра неустойчивы и претерпевают самопроизвольные радиоактивные превращения, в результате которых изменяется состав ядра и, следовательно, ядро атома одного элемента превращается в ядро атома другого элемента. При этом процессе испускаются ядерные излучения.

Существуют следующие основные типы ядерных превращений или виды радиоак­тивного распада: альфа-распад и бета-распад (электронный, позитронный и К-захват), внутренняя конверсия.

Альфа-распад –это испускание ядром радиоактивного изотопа альфа-частиц. Вследствие потери с альфа-частицей двух протонов и двух нейтронов распадающееся ядро превращается в другое ядро, в котором число протонов (заряд ядра) уменьшается на 2, а число частиц (массовое число) на 4. Следовательно, при данном радиоактивном распаде в соответствии с правилом смещения (сдвига), сформулированным Фаянсом и Содди (1913 г.), образующийся (дочерний) элемент смещен влево относительно исходного (материнского) на две клетки влево в периодической системе Д. И. Менделеева. Процесс альфа-распада в общем виде записывается так:

,

где X – символ исходного ядра; Y – символ ядра продукта распада; ⁴₂He – альфа-частица, Q – освобожденный избыток энергии.

Например, распад ядер радия-226 сопровождается испусканием альфа-частиц, при этом ядра радия-226 превращаются в ядра радон-222:

Энергия, выделяющаяся при альфе-распаде, делится между альфа-частицей и ядром обратно пропорционально их массам. Энергия альфа-частиц строго связана с периодом полураспада данного радионуклида(закон Гейгера-Неттола).Это говорит о том, что, зная энергию альфа-частиц, можно установить период полураспада, а по периоду полураспада идентифицировать радионуклид. Например, ядро полония-214 характеризуется значениями энергии альфа-частиц Е = 7,687 МэВ и Т_1/2 = 4,5×10^-4 с, тогда как для ядра урана-238 Е = 4,196 МэВ и Т_1/2 = 4,5×10⁹ лет. Кроме того, установлено, что чем больше энергия альфа-распада, тем быстрее он протекает.

Альфа-распад – достаточно распространенное ядерное превращения тяжелых ядер (уран, то­рий, полоний, плуто­ний, и др. с Z > 82); в настоящее время известно более 160 альфа-излучающих ядер.

Бета-распад –самопроизвольные превращения нейтрона в протон или протона в нейтрон внутри ядра, сопровождающиеся испусканием электроновили позитронов и антинейтрино или нейтрино n_е.

Если в ядре имеется излишек нейтронов (“нейтронная перегрузка” ядра), то происходит электронный бета-распад, при котором один из нейтронов превращается в протон, испуская при этом электрон и антинейтрино:

.

При этом распаде заряд ядра и, соответственно, атомный номер дочернего ядра увеличивается на 1, а массовое число не изменяется, т. е. дочерний элемент сдвинут в периодической системе Д. И. Менделеева на одну клетку вправо от исходного. Процесс бета-распада в общем виде записывается так:

.

Таким способом распада­ются ядра с избытком нейтронов. Например, распад ядер стронция-90 сопровождается испусканием электронов и превращением их в иттрий-90:

Часто ядра элементов, образующихся при бета-распаде, имеют из­быточную энергию, которая высвобождается испусканием одного или не­скольких гамма-квантов. Например:

Электронный бета-распад характерен для многих естественных и искусственно полученных радиоактивных элементов.

Если неблагоприятное соотношение нейтронов и протонов в ядре обусловлено излишком протонов, то происходит позитронный бета-распад, при котором ядро испускает позитрон и нейтрино в результате превращения протона в нейтрон внутри ядра:

Заряд ядра и, соответственно, атомный номер дочернего элемента уменьшается на 1, массовое число не изменяется. Дочерний элемент будет занимать место в периодической системе Д. И. Менделеева на одну клетку влево от материнского:

Позитронный распад наблюдается у некоторых искусственно полученных изотопов. Напри­мер, распад изотопа фосфора-30 с образованием кремния-30:

Позитрон, вылетев из ядра, срывает с оболочки атома “лишний” электрон (слабо связанный с ядром) или взаимодействует со свободным электроном, образуя пару “позитрон-электрон”. Вследствие того, что частица и античастица мгновенно взаимоуничтожаются с выделением энергии, то образованная пара превращается в два гамма-кванта с энергией, эквивалентной массе частиц (e⁺ и e^-). Процесс превращения пары “позитрон-электрон” в два гамма-кванта носит название аннигиляции (уничтожения), а возникающее электромагнитное излучение называется аннигиляционным. В данном случае происходит превращение одной формы материи (частиц вещества) в другую (излучение). Это подтверждается существованием обратной реакции – реакции образования пары, при которой электромагнитное излучение достаточно высокой энергии, проходя вблизи ядра под действием сильного электрического поля атома, превращается в пару “электрон-позитрон”.

Таким образом, при позитронном бета-распаде в конечном результате за пределы материнского ядра вылетают не частицы, а два гамма-кванта, обладающие энергией в 0,511 МэВ каждый, равной энергетическому эквиваленту массы покоя частиц – позитрона и электрона E = 2m_ec² = 1,022 МэВ.

Превращение ядра может быть осуществлено путем электронного за­хвата, когда один из протонов ядра самопроизвольно захватывает электрон с одной из внутренних оболочек атома (K, L и т. д.), чаще всего с К-оболочки, и превращается в нейтрон. Такой процесс на­зывают также К-захватом. Протон превращается в нейтрон согласно следующей реакции:

При этом заряд ядра уменьшается на 1, а массовое число не изменяется:

Например,

При этом место, освобожденное электроном, занимает электрон с внеш­них оболочек атома. В результате перестройки электронных оболочек испус­кается квант рентгеновского излучения. Атом по-прежнему сохраняет электрическую нейтральность, т. к. количество протонов в ядре при электронном захвате уменьшается на единицу. Таким образом, этот тип распада приводит к тем же результатам, что и позитронный бета-распад. Характерен он, как правило, для искусственных радионуклидов.

Энергия, выделяемая ядром при бета-распаде конкретного радионуклида, всегда постоянна, но ввиду того, что при этом типе распада образуется не две, а три частицы: ядро отдачи (дочернее), электрон (или позитрон) и нейтрино, то энергия по-разному в каждом акте распада перераспределяется между электроном (позитроном) и нейтрино, т. к. дочернее ядро всегда уносит одну и ту же порцию энергии. В зависимости от угла разлета нейтрино может уносить большую или меньшую энергию, в результате чего электрон может получить любую энергию от нуля до некоторого максимального значения. Следовательно, при бета-распаде бета-частицы одного и того же радионуклида имеют различную энергию, от нуля до некоторого максимального значения, характерного для распада данного радионуклида. По энергии бета-излучения практически невозможно произвести идентификацию радионуклида.

Некоторые радионуклиды могут распадаться одновременно двумя или тремя способами: путем альфа- и бета-распадов и через К-захват, сочетанием трех типов распадов. В таком случае превращения осуществляются в строго определенном соотношении. Так, например, естественный долгоживущий радиоизотоп калий-40 (Т_1/2=1,49×10⁹ лет), содержание которого в природном калии составляет 0,0119 %, подвергается электрон­ному бета- распаду и К-захвату:

(88 % – электронный распад),

(12 % – К- захват).

Из описанных выше типов распадов, можно сделать вывод, что гамма-распада в “чистом виде” не существует. Гамма-излучение только лишь может сопутствовать различным типам распадов. При испускании гамма-излучения в ядре не изменяются ни массовое число, ни его заряд. Следовательно, природа радионуклида не изменяется, а меняется лишь содержащаяся в ядре энергия. Гамма-излучение испускается при переходе ядер с возбужденных уровней на более низкие уровни, в том числе и на основной. Например, при распаде цезия-137 образуется возбужденное ядро бария-137. Переход из возбужденного в стабильное состояние сопровождается испусканием гамма-квантов:

Так как время жизни ядер в возбужденных состояниях очень мало (обычно t<10^-19 с), то при альфа- и бета-распадах гамма-квант вылетает практически одновременно с заряженной частицей. Исходя из этого, процесс гамма-излучения не выделяют в самостоятельный вид распада. По энергии гамма-излучения, как и по энергии альфа-излучения, можно произвести идентификацию радионуклида.

Внутренняя конверсия.Возбужденное (в результате того или иного ядерного превращения) состояние ядра атома свидетельствует о наличии в нем избытка энергии. В состояние с меньшей энергией (нормальное состояние) возбужденное ядро может переходить не только путем излучения гамма-кванта или выброса какой-либо частицы, но и путем внутренней конверсии, или конверсии с образованием электрон-позитронных пар.

Явление внутренней конверсии состоит в том, что ядро передает энергию возбуждения одному из электронов внутренних слоев (К-, L- или М-слой), который в результате этого вырывается за пределы атома. Такие электроны получили название конверсионных электронов. Следовательно, испускание электронов конверсии обусловлено непосредственным электромагнитным взаимодействием ядра с электронами оболочки. Конверсионные электроны имеют линейчатый спектр энергии в отличии от электронов бета-распада, дающих сплошной спектр.

Если энергия возбуждения превосходит 1,022 МэВ, то переход ядра в нормальное состояние может сопровождаться излучением пары «электрон–позитрон» с последующей их аннигиляцией. После того как произошла внутренняя конверсия, в электронной оболочке атома появляется «вакантное» место вырванного электрона конверсии. Один из электронов более удаленных слоев (с более высоких энергетических уровней) осуществляет квантовый переход на «вакантное» место с испусканием характеристического рентгеновского излучения.

Свойства ядерных излучений

Ядерные (радиоактивные) излучения – это излучения, которые образуются в результате радиоактивного распада. Излучение всех естественных и искусственных радионуклидов делится на два типа – корпускулярное и электромагнитное. Корпускулярное излучение представляет собой поток частиц (корпускул), которые характеризуются опре­деленной массой, зарядом и скоростью. Это электроны, позитроны, ядра ато­мов гелия, дейтроны (ядра изотопа водорода дейтерия), нейтроны, протоны и др. частицы. Как правило, корпускулярное излучение непосредственно иони­зирует среду.

Электромагнитное излучение – это поток квантов или фотонов. Это излучение не имеет ни массы, ни заряда и производит косвенную ионизацию среды.

На образование 1 пары ионов в воздухе необходимо в среднем 34 эВ. Поэтому к ионизирующим излучениям относятся излучения с энер­гией от 100 и выше эВ (не относят видимый свет и УФ-излучение).

Для характеристики ионизирующих излучений используют понятия пробег и удельная ионизация. Пробег – минимальная толщина поглотителя (некоторого вещества), необходимая для полного погло­ще­ния ионизирующего излучения. Удельная ионизация – число пар ионов, образующихся на единицу длины пути в веществе под воздействием ионизирующего излучения. Отметим, что понятие пробега и длины пройденного пути – это не тождественные понятия. Если частицы движутся прямолинейно, то эти величины совпадают, если траектория движения частиц – ломаная извилистая линия, то пробег всегда меньше, чем длина пройденного пути.

Альфа-излучение представляет собой поток a-частиц, которые яв­ляются ядрами атомов гелия иногда называют дважды ионизированные атомы гелия). Альфа-частица состоит из 2-х протонов и 2-х нейтронов, заряжена по­ложительно и несет с собой два элементарных положительных заряда. Масса частицы m_a=4,003 а.е.м. – это самая крупная из частиц. Скорость движения составляет (14,1-24,9)×10⁶ м/с.В веществе альфа-частицы движутся прямолинейно, что связано со сравнительно большой массой и значительной энергией. Отклонение происходит только при лобовом столкновении с ядрами.

Пробег альфа-частиц в веществе зависит от энергии альфа-частицы и от природы вещества, в котором она движется. В среднем в воздухе пробег альфа-частицы составляет 2,5–9 см, максимальный – до 11 см, в биологических тканях – 5-100 микрон, в стекле – 4^.10^{-3 см. Энергия альфа-частицы находится в пределах 4-9 МэВ.Можно полностью задержать альфа-излучение листом бумаги. На всю длину пробега альфа-частица может создать от 116000 до 254000 пар ионов.}

Удельная ионизация составляет примерно 40 000 пар ионов/см в воздухе, такая же удельная ионизация в организме на пути 1-2 микрона.

После расхода энергии альфа-частица затормаживается, процесс иониза­ции прекращается. В силу вступают законы, регулирующие процесс образова­ния атомов. Ядра атомов гелия присоединяют 2 электрона и образу­ется полноценный атом гелия. Этим объясняется факт обязательного присут­ствия гелия в породах, содержащих радиоактивные вещества.

Из всех типов радиоактивного излучения альфа-излучение наиболее сильно флюоресцирует (светится).

Бета-излучение – это поток бета-частиц, которые являются электро­нами или позитронами. Несут один элементарный электрический заряд, m_b= 0,000548 а.е.м. Движутся со скоростями близкими к скорости света, т.е. (0,87-2,994)×10⁸ м/с.

В отличие от a-частиц b-частицы одного и того же радиоактивного эле­мента обладают различным запасом энергии (от нуля до некоторого макси­мального значения). Это объясняется тем, что при каждом бета-распаде из атомного ядра вылетают одновременно две частицы: b-частица и нейтрино (n_е). Энергия, освобождаемая при каждом акте распада, распределяется между b-частицей и нейтрино в различных соотношениях. Поэтомуэнергия бета-частиц колеблется от десятых и сотых долей МэВ (мягкое b-излучение) до 2-3 МэВ (жесткое излучение).

В связи с тем, что бета-частицы, испускаемые одним и тем же бета-излучателем, обладают различным запасом энергии (от минимума до максимума), то и длина пробега, и количество пар ионов не одинаковы для бета-частиц данного радио­нуклида. Обычно пробег в воздухе составляет десятки см, иногда несколько метров (до 34 м), в биотканях – до 1 см (до 4 см при энергии бета-частиц 8 МэВ).

Бета-излучение обладает значительно меньшим эффектом ионизации, чем альфа-излучение. Так, в воздухе на всем своем пути бета-частицы образуют от 1000 до 25 500 пар ионов. В среднем на весь путь в воздухе, или 50-100 пар ионов на 1см пути. Степень ионизации зависит от скорости частицы, чем меньше скорость, тем больше ио­низация. Причина этого заключается в том, что бета-частицы большой энергии пролетают мимо атомов слишком быстро и не успевают вызвать такой же сильный эффект, как медленные бета-частицы.

Так как бета-частицы обладают очень малой массой, то при столкнове­нии с атомами и молекулами они легко отклоняются от своего пер­воначального направления. Такое явление отклонения называют рассеянием. Поэтому определить именно длину пути бета-частиц, а не пробег, очень трудно, так как она слишком извилиста.

При потере энергии электрон захватывается либо положительным ио­ном с образованием нейтрального атома, либо атомом с образованием отри­цательного иона.

Гамма-излучение – это поток фотонов (квантов) электромагнитного излучения. Скорость распространения их в вакууме равняется скорости света – 3×10⁸ м/с. Так как гамма-излучение является волновым, то характеризуется длиной волны, частотой колебаний и энергией. Энергия g-кванта пропорциональна частоте колебаний, а частота колебаний связана с длиной их волны. Чем больше длина волны, тем меньше частота колебаний, и наоборот, т. е. частота колебаний обратно пропорциональна длине волны. Чем меньше длина волны и больше частота колебаний излучения, тем больше его энергия и, следовательно, проникающая способность. Энергия гамма-излучения естественных радиоактивных элементов колеблется от несколь­ких кэВ до 2-3 МэВ и редко достигает 5-6 МэВ.

Гамма-кванты, не имея заряда и массы покоя, вызывают слабое ионизи­рующее действие, но обладают большой проникающей способностью. В воз­духе они могут проделать путь до 100-150 м. Через организм человека данное излучение проходит без ослабления.

Измерения

Понятие о дозе

Результат воздействия ионизирующих излучений на облучаемые объекты заключается в физико-химических или биологических изменениях в этих объектах. Примерами таких изменений могут служить нагрев тела, фотохимическая реакция рентгеновской пленки, изменение биологических показателей живого организма и т.п. Радиационный эффект зависит от физических величин X_i, характеризующих поле излучения или взаимодействие излучения с веществом:

Величины X_i, функционально связанные с радиационным эффектом η, называются дозиметрическими. Целью дозиметрии является измерение, исследование и теоретические расчеты дозиметрических величин для предсказания или оценки радиационного эффекта, в частности, – радиобиологического эффекта.

Система дозиметрических величин формируется как результат развития радиобиологии, дозиметрии и радиационной безопасности. Критерии безопасности в значительной степени определяются обществом, поэтому в разных странах сформировались различные системы дозиметрических величин. Важную роль в унификации этих систем играет Международная комиссия по радиологической защите (МКРЗ) – независимая организация, объединяющая экспертов в области биологического действия излучения, дозиметрии и