Ii. радиоактивность и закон радиоактивного распада.
Большинство ядер имеют устойчивый характер, однако при определенных условиях эта устойчивость теряется, например, кода соотношение протонов и нейтронов отличается от оптимального.
Если протонов больше, чем нейтронов, то протон способен превращаться в нейтрон и наоборот, если нейтронов больше, чем протонов, то нейтрон способен превращаться в протон.
И в том и в другом случае ядро переходит в соседнюю клетку таблицы Менделеева, образуя новый химический элемент.
Этот процесс называется радиоактивным распадом.
Потому что он сопровождается выделением энергии.
В данном случае в виде бетта-частицы.
Этот вид распада называется бетта-распад.
Другим видом радиоактивного распада является альфа-распад, который происходит не по причине отсутствия оптимального соотношения между протонами и нейтронами, а по причине избытка энергии в ядрах тяжелых элементов.
При радиоактивном бетта- и альфа- распаде могут выделяться также гамма-кванты, роль которых сводится также к выносу из ядра избыточной энергии.
Радиоактивный распад есть процесс превращения ядер неустойчивых химических элементов в ядра других более устойчивых химических элементов (дочерний ядра), который сопровождается выделением энергии в виде альфа- и бетта- частиц и гамма-квантов, то есть радиацией.
Закон радиоактивного распада
Неустойчивые ядра или радионуклиды подвергаются самопроизвольному (спонтанному) распаду, с выделением известных нам частиц, при этом может меняться как массовое (альфа-распад), так и зарядовое (бетта-распад) число нуклида. При альфа-распаде меняется и массовое и зарядовое число нуклидов.
Радиоактивность вещества представляет собой спонтанный процесс распада его радионуклидов.
При этом интенсивность процесса не поддается управлению и определяется исключительно индивидуальными физическими и химическими свойствами самих радионуклидов.
Есть нуклиды, распадающиеся очень быстро (за доли секунды) у других время распада Т может составлять сотки и тысячи лет.
Время Т, в течении которого распадаются половина исходного количества радионуклидов, называется периодом полураспада (Т 1/2)
Спустя еще один период полураспада распадается половина оставшихся после первого периода полураспада ядер, то есть останется одна четверть от исходного количества.
Очевидно, что спустя время 1Т 2Т 3Т и т.д. будет оставаться соответственно.
1/2 1/4 1/8 и т.д. часть радионуклидов от исходного количества.
В зависимость от длительность полураспада радионуклиды подразделяются на короткоживущие и долгоживущие.
К первым можно отнести йод-131 с полураспадом приблизительно 8 суток.
Ко вторым плутоний-239 с периодом полураспада приблизительно более 24 тысяч лет.
По закону радиоактивного распада время полного распада радионуклидов примерно можно определить по следующей формуле.
Т(тау) = Т 1/2 * 10.
Таким образом, через 10 периодов полураспада, количество радионуклидом уменьшается примерно в тысячу раз.
Остается 1/1024 часть.
Йод-131 период полураспада - 8 суток, полный распад - 80 дней.
Период полураспада и время полного распада радионуклидов ЧАЭС
Йоз-131 - 8 суток*10=80 суток
Цезий- 134 - 2, 5 года*10=25лет
Цезий - 137 - 30 лет*10=300 лет
Строций - 90 - 29 лет*10=290 лет
Плутоний - 239 - 24390 лет*10=243900 лет
Радиоактивность в источнике
Вещество считается радиоактивным, если оно содержит радионуклиды и в нем идет процесс радиоактивного распада.
Активность - физическая величина, позволяющая по числу распадов радиоактивных атомов в секунду определить количество (массу) радиоактивного вещества в образце, чем больше распадов, чем больше радионуклидом в данном образце. (Число распадов радиоактивных атомов в образце прямо пропорциоально их количеству в образце).
Активность вещества определяется интенсивностью или скоростью распада по следующей формуле
а= 3,57*10 (в5)m
А*Т1/2 ,где m - масса в граммах.
А (массовое число) и Т1/2- период полураспада в годах.
Таким образом, чем меньше период полураспада, тем выше активность. И наоборот.
_______________
Йод -131 8суток.
Единицы измерения активности
Активность данного количества вещества принимается за единицу, если в нем за одну секунду происходит распад одного нуклида.
Эта единица называется беккер'ель (Бк). Эта единица очень мала (один распад в секунду)
Чаще используются производные, такие как килобеккерель - тысяча (кБк) и мега биккерель - миллион (МБк).
Часто используется внесистемная единица Кюри. (Кu) Ее начали применять в начале 20 века, когда в распоряжении ученых не было других радиоактивных веществ, кроме радия, который был выделен (получен) в лаборатории супругами Кюри.
В одном грамме чистого радия за одну секунду распадается 37 миллиардов ядер и радиоактивность одного грамма радия была принята за единицу измерения.
Кюри - очень большая величина (37 миллиардов), поэтому так же используются производные милликюри (мКи) и микрокюри (мкКи)
Один кюри равен 3,7*10(в10) Бк. - взаимосвязь между кюри и беккерелем.
Для измерения активности в веществах на почве в воде и жидких продуктах питания используется физическая величина - удельная активность, то есть концентрация радиоактивных веществ (рн), соответственно, в единице массы на единице площади в единице объема, которая обозначается следующим образом
Am (в твердых продуктох питания); единицы измерения Беккерель на килограмм; Кюри на килограмм
As (активность на почве); единицы измерения; Беккерель на метр квадратный; Кюри на километр квадратный
Av (активность в воде); единицы измерения; Беккерель на литр метр в кубе: Кюри на литр или метр кубический
III. Виды радиоактивных превращений (распадов)
Радиоактивный распад испытывают как естественные (уран-228, Th -232) так и искусственные радионуклиды ЧАЭС)
Все нуклиды ЧС, которые присутствуют или присутствовали на загрязненной территории обладают альфа-распадом или электронным бетта-распадом.
Альфа-распад характерен для радионуклидов с массовым числом (А) более 200 и зарядовым числом (Z)более 82, то есть для тяжелых ядер из чернобыльского выброса таким видом распада обладает плутоний - 239 (А=94).
При альфа-распаде радиоактивное ядро испускает альфа частицу, которая представляет собой ядро атома гелия - 4 (А=2), состоящее из двух протонов и двух нейтронов.
При каждом акте альфа-распада в дочернем ядре массовое число А уменьшается на 4 единицы, а зарядовое число или порядковый (атомный) номер на 2 единицы
Например,
альфа-распад
плутоний-239 (А-94) - гелий -4 (А=2) + уран - 235 (А=92)
Бетта-распад характерен для более легких химических элементов (середина таблицы Менделеева) и сопровождается испусканием бетта-частиц, представляющие собой либо электрон либо позитрон
Известны три виде бетта-распада. 3 вида: электронный, позитронный, электронный захват (К - захват)
· Электронный бетта (минус)-распад характерен для радионуклидов у которого число нейтронов больше, чем число протонов. (цезий -137 (А=55) n>p (82>55)
При электронном бетта-распаде ядро атома осуществляет перестройку, при которой нейтрон превращается в протон с выделением из ядра электрона или бетта-частицы.
Протон остается в ядре и заряд нового (дочернего) химического элемента увеличивается на единицу, а количество нуклонов остается прежним.
Например
бетта-распад
Цезий - 137 (А=55) - электрон (минус) + барий - 137 (А=56)
Электрон, вылетающий из ядра имеет те же характеристики, что и электрон из электронной оболочки атома
· Позитронный бетта (плюс) распад
Имеет место у ядер, перегруженных протонами и характеризуется превращением протона в нейтрон, что сопровождается выбросов позитрона. (электрон (плюс)), при этой заряд ядра Z уменьшается на единицу.
· Электронный захват или К-захват
При К-захвате ядро поглощает один из электронов электронной оболочки. Чаще всего из К-оболочки, что и объясняет происхождение термина. При этом заряд ядра уменьшается на единицу.
При каждом акте распада высвобождается кинетическая энергия, которая выносится из ядра в виде альфа-, бетта- и гамма-излучений.
Энергию излучений, то есть альфа - и бетта- частиц гамма-квантов в ядерной физике принято измерять в электрон-вольтах
1 эв = 1,6*10 (в минус 19) Джоулей.
1эв = 1,6*10 (в минус 12) Эрг.
Виды излучений радионуклидов чернобыльского выброса
Йод - 131 - бетта (минус)- излучатель
- гамма-излучатель
Цезий - 137 -бетта (минус)- излучатель
- гамма-излучатель
Стронций - 90 - бетта (минус) - излучатель
Плутоний - 239 - альфа- излучатель
IV. Виды ионизирующих излучений (ИИ) и их краткая характеристика
Один учебный вопрос:
Виды и свойства ионизирующих излучений (ИИ) и их краткая характеристика.
Альфа-, бетта- и гамма-излучения называют ионизирующими, потому что при взаимодействии с веществом они ионизируют атомы, то есть превращают нейтральные атомы в положительно или отрицательно заряженные ионы.
В обычном состоянии атом электрически нейтрален, то есть заряд ядра равен заряду электронной оболочки.
Под воздействием из вне альфа-, бетта- и гамма-излучений атом теряет электрон и превращается в положительный ион - это есть первичная ионизация.
Выбитый из электронной оболочки свободный электрон присоединяется к другому нейтральному атому и превращает его в отрицательный ион - это есть вторичная ионизация.
Таким образом, ионизирующее излучение (ИИ) - это любое излучение, взаимодействие которого со средой приводит к ионизации атомов с образованием электрических зарядов разных знаков, так называемых пар ионов.
Ионизирующие излучения подразделяют на корпускулярные и фотонные.
Корпускулярные представляют поток частиц (корпускул), образующихся при радиоактивном распаде (это прежде всего альфа-, бетта- и другие частицы (нейтроны))
Ионизация бывает прямая и косвенная.
Прямую ионизация осуществляют альфа и бетта- излучения, так как они обладают зарядом и их кинетическая энергия достаточна для ионизации атомов среды (биоткани).
Фотонное излучение (фотон - порция-квант). К нему относятся гамма - и другие излучение (инфа-кр, световое). Они осуществляют косвенную ионизацию так как в процессе из взаимодействия со средой высвобождаются заряженные частицы (электроны (минус), позитроны (плюс) и другие), которое обладают достаточной энергией для ионизации атомов.
Свойства ионизирующий излучений
а) проникающая способность. Основный свойством ионизирующих излучений является способность проникать через материалы различной толщины. Минимальная толщина поглотителя полностью поглощающая энергию заряженной частицы есть линейный пробег
Расстояние, которое заряженная частица проходит от места образования до места потеря ей избыточной энергии называется длиной пробега
б) вторым свойством ионизирующий излучений является способность ионизировать воздух, воду и атомы живых клеток организма
Количество пар ионов образующихся на пути взаимодействия ионизирующих излучений с атомами (плотность ионизации) зависит от плотности среды, энергии частицы, массы частицы и скорости ее движения. Чем плотнее среда и больше масса, чем чаще происходят акты ионизации, тем больше плотность ионизации. И наоборот. Чем меньше скорость движения частицы, а, значит, больше времени на взаимодействие и отдачу потраченной энергии, тем больше плотность ионизации. По мере продвижения сквозь вещество частица теряет энергию и скорость и в конце пути пробега образует большее количество пар ионов, чем в начале.
Число пар создаваемых ионизирующими излучениями в веществе (биокалий) на единице пути пробега (микрон, миллиметр, сантиметр) есть удельная ионизация . Число пар ионов создаваемый на всем пути пробега есть полная ионизация.
Характеристики альфа-, бетта- и гамма-излучений.
Поражающий действия альфа, бетта- и гамма-излучений при воздействии на организм человека не одинакова. Это зависит от ряда факторов:
· Альфа-излучение - поток тяжелых положительно заряженных частиц (ядро атома гелия He (2;4).Обладает большой ионизирующей способностью, что обусловлено двойным положительным зарядом, большой массой (А=4) и относительно малой скоростью перемещения в среде. Скорость в среде до 20 000 км в секунду. Пробег в воздухе до 11 см; в биоткани до 5 микрон. Удельная ионизация - от 25 000 до 60 000 пар ионов на одном см пути в среде. Полная ионизация от 120 000 до 250 000 пар ионов на всем пути в среде. Путь в среде прямолинейный, в начале пусть энергия больше, скорость больше, плотность ионизации меньше. Мало времени на контакт и передачу энергии. Максимальная ионизация в конце пути пробега. Особо опасное излучение при попадании внутрь организма с воздухом, водой и пищей через поры кожи и открытые раны, в жизненно важные биологические структуры (легкие, желудочно-кишечный тракт, кости, печень). Внешнее воздействие особой опасности не представляет. Полною защиту обеспечит альминиевая фольга толщиной 0,005 мм или лист бумаги.
· Бетта-излучение возникает при электронном или позитронном распаде и представляет собой поток легких частиц электронов (минус) или позитронов (плюс). Скорость бетта-излучений близка к скорости света, заряд по абсолютной величине в два раза меньше заряда альфа-частицы. Бетта-частица - это электрон . Пробег в воздухе, биотканей и в твердых телах завит от энергии бетта-частицы. Для радионуклидов чернобыльской зоны пробег бетта-частицы в воздухе до 1,5 м, в биоткани до 2 см, в твердых телах - несколько мм. Полностью погложает энергию бетта-частицы альминиевый лист толщиной до 2 мм. Ионизирующая способность. Бетта-излучение примерно в 100 раз меньше, чем альфа-излучение, а проникающая способность гораздо больше за счет меньшей массы, меньшего заряда и большей скорости. Энергия батта-частиц радионуклидов - батта-излучателей чернобыльского выброса находится в пределах 514-662 килоэлектронвольт, то есть примерно одинаково. (йод, цезий (оба), стронций) А энергия альфа-излучателей (плутоний-239) около 5,16 мегаэлектронвольт.
Удельная ионизация от 40 до 150 пар ионов на 1 см пути пробега в среде
Полная ионизация от 1200 до 25 000 пар ионов на всем пути в среде.
Путь бетта-частиц в среде представляет собой ломанную линию и истинная длина пути элетрона в веществе может в 1, 5 - 4 раза превосходить его линейный пробег.
Наибольшую опасность батта-излучение представляет при попадании внутрь организма. При высокой концентрации в воздухе. Бетта-излучателей обладающих большой энергией и большой из плотности на поверхности батта-частицы могут поражать кожный покров (ожог кожи) и хрустали глаза (катаракта). Это частицы с энергией от 1000 до 2000 килоэлектронвольт, Частицы с энергией менее 1000 килоэлетронвольт полностью поглощаются одеждой, обувью и их внешнее воздествие на организм не учитывается
· Третий вид ионизурующих излучений - гамма-излучение возникает в результате альфа- и бетта- распада таких радионуклидовов как цзий - и очень слабое у плутония-239. При переходе возбужденного ядра в стабильное состоянии испускается избыток энергии в виде гамма-излучение
Гамма-излучение - это электромагнитностное, коротковолновое излучение с очень короткой длиной волны. Скорость распространения равно скорости света 300 000 км/с. Гамма-квант заряда не имеет, что обуславливает Большую скорость, большую проникающую способность и меньшую скорость ионизации, чем у альфа и бетта-излучение. Защитным материалом полностью не поглощается. Интенсивность потока может быть ослаблена в любое заданное число раз, что зависит от структуры и толщины поглотителя. Ослабление гамма-квантов в 2 раза обеспечивает слой бетона 10 см, грунта 114 см, свинца 2 см и т д. Понятие "пробега" для гамма-излучения не существует, а лишь ослабляется при внутреннем облучении (то есть изнутри) гамма-квант не представляет особой опасности. Так как обладает большой скоростью и следовательно малой плотностью ионизации и выходит за пределы организма человека практически не причиняя ему существенного вреда. Поэтому при определении доз внутреннего облучения результаты воздействия гамма-квантами практически не учитывается, гамма- излучение представляет особую опасность при внешнем облучении.
Поражающее действие альфа, бетта, гамма- и других излучений на организм человека связано с ионизаций атомов биотканей. При этом в клетках происходит нарушение обычных (нормальных и привычных нам) биохимических процессов. В результате чего в организме возникают вещества (продукты нарушения биохимических процессов) токсичные для клеток, запускающих цепную реакцию. Биологических разрушений в организме, что может вызвать его полную интоксикаю.
Следующий фактор особой опасности ионизирующих излучений для организма заключается том, что из воздействие на организм происходит незаметно для человека. Природа в ходе своей эволюции не предусмотрела никаких органов чувств, которые реагировали бы на ионизирующие излучения, так как до открытия человеком ядерной энергии естественный радиационный фонд (ЕРФ) на земле был и остается незначительным и не может причинить существенного вреда живым организмам.