Активность вещества и единица ее измерения

Вещество считается радиоактивным, или оно содержит в своем составе радионуклиды и в нем идет процесс радиоактивного распада. Количество радиоактивного вещества обычно определяют не единицами массы (грамм, миллиграмм и т.п.), а активностью данного вещества.

Активность вещества определяется интенсивностью или скоростью распада его ядер. Активность пропорциональна числу радиоактивных атомов содержащихся в данном веществе, т.е. возрастает с увеличением количества данного вещества.

Активность – это мера количества радиоактивного вещества, которая выражается числом радиоактивных превращений (распадов ядер) в единицу времени. Так как скорость распада радиоактивных изотопов различна, то одинаковые по массе радионуклиды имеют различную активность. Чем больше ядер распадается в единицу времени, тем выше активность. Активность измеряется обычно в распадах в секунду. За единицу активности в Международной системе единиц (СИ) принят один распад в секунду. Эта единица названа в честь Анри Беккереля, открывшего впервые явление естественной радиоактивности в 1896 году, беккерелем (Бк). 1Бк – такое количество радионуклида, в котором за одну секунду происходит один распад. Так как беккерель очень малая величина, то используют кратные величина : кБк – калобеккерель (10³ Бк), МБк – мегабеккерель (10⁶ Бк), ГБк – гигабеккерель (10⁹ Бк).

Внесистемной единицей активности является кюри (Ки). Кюри – это такая активность, когда число радиоактивных распадов в секунду равно 3,7 х 10¹⁰ (37 млрд. расп./с). Кюри соответствует активности 1г радия. Так как кюри очень большая величина, то обычно употребляют производные величины: мКи – милликюри (тясячная доля кюри) – 3,7 х 10⁷ расп/с; мкКи – микрокюри (миллионная доля кюри) – 3,7 х 10⁴ расп/с; нКи – нанокюри (миллиардная доля кюри) – 3,7х10 расп/с.

На практике часто пользуются числом распадов в минуту.

1 Ки = 2,22 х 10¹² расп/мин

1 мКи = 2,22 х 10⁹ расп/мин

1 мкКи = 2,22 х 10⁶ расп/мин

При измерении активности радиоактивного образца ее обычно относят к массе, объему, площади поверхности или длине. Различают следующие виды активности радионуклида.

Удельная активность – это активность, приходящаяся на единицу массы вещества (активность, отнесенная к единице массы) – Бк/кг, Ки/кг.

Объемная активность – это активность, приходящаяся на единицу объема – Бк/л, Ки/л, Бк/м³, Ки/м³. В случае распределения радионуклидов на поверхности активность называется поверхностной (отношение активности радионуклида, на которой находится радионуклид) – Бк/м², Ки/м2 .Для характеристики загрязнения территории применяется величина Ки/км²Массу в граммах при известной активности (например, 1Ки) радионуклида определяют по формуле m = к х А х Т½ х а, где m - масса в граммах; А – атомная масса; Т½ - период полураспада; а – активность в кюри или беккерелях; к – константа, зависящая от единиц, в которых дан период полураспада и активность. Если период полураспада дан в секундах, то при активности в беккерелях константа равна 2,4 х 10^-24 , при активности в кюри – 8,86 х 10^-14. Если период полураспада дан в других единицах, то его переводят в секунды.

Биологическое действие радиации обусловлено ионизацией облучаемой биологической среды. На процесс ионизации излучение растрачивает свою энергию. Т.е., в результате взаимодействия излучения с биологической средой живому организму передается определенная величина энергии. Часть излучения, которая пронизывает облучаемый объект (без поглощения ), действия на него не оказывает. Радиационный эффект зависит от многих факторов: количества радиоактивности снаружи и внутри организма, пути ее поступления, вида и энергии излучения при распаде ядер, биологической роли облучаемых органов и тканей т.д. Объективным показателем, увязывающем все эти разнообразные факторы, является количество поглощенной энергии излучения от ионизации, которую эта энергия производит в массе вещества.

Для того, чтобы предсказать величину радиационного эффекта, нужно научиться измерять интенсивность воздействия ионизирующего излучения. А это можно сделать, измерив поглощенную в объекте энергию или суммарный заряд образовавшихся при ионизации ионов. Эта величина поглощенной энергии получила название дозы.

Радиоактивные ряды (радиоактивные семейства) группы генетически связанных радиоактивных изотопов, в которых каждый последующий изотоп возникает в результате альфа или бета распада предыдущего.

Каждый радиоактивный рядимеет родоначальника - изотоп с наибольшим периодом полураспада T_1/2 . Завершают радиоактивные ряды стабильные изотопы.

Если ядро испускает альфа-частицу, его заряд (Z) уменьшается на 2, а массовое число (А) - на 4. При испускании бета частицы Z увеличивается на 1, а А не изменяется. Следовательно, в каждом радиоактивном ряде массовые числа изотопов могут или быть одинаковыми, или различаться на число, кратное 4. Если значения массовых чисел членов данного радиоактивного ряда делятся на 4 без остатка, то такие массовые числа можно выразить общей формулой 4n (где n - некоторое целое число): в тех же случаях, когда при делении на 4 в остатке будет 1, 2 или 3, общие формулы для массовых чисел можно записать как 4n + 1, 4n + 2 или 4n +3. В соответствии с этими формулами различают четыре радиоактивных ряда, родоначальниками которых являются (ряд 4n); (4n + 1); (4n + 2); (4n + 3). Сами радиоактивные ряды обычно называют по их родоначальникам. Поэтому говорят о радиоактивных рядах тория, нептуния, урана (²³⁸U) и актино-урана

(²³⁵U). Иногда ряд ²³⁸U называют рядом урана-радия (наиболее устойчивый изотоп радия ²²⁶Ra - член этого радиоактивного ряда). Разумеется, радиоактивный изотоп может входить только в один какой-либо определённый радиоактивный ряд. В природе существуют ряды тория, актиноурана и урана-радия (естественные радиоактивные ряды). Это связано с тем, что периоды полураспада ²³²Th (T_1/2 = 1,41×10¹⁰ лет), ²³⁵U (T_1/2 = 7,13×10⁸ лет) и ²³⁸U (T_1/2 = 4,51×10⁹ лет) соизмеримы с возрастом Земли (несколько миллиардов лет), и эти изотопы ещё не успели полностью распасться. Заканчиваются естественные радиоактивные ряды изотопами свинца ²⁰⁸Pb, ²⁰⁷Pb и ²⁰⁶Pb.

Период полураспада ²³⁷Np составляет 2,14×10⁶ лет. Поэтому нептуния и членов его радиоактивного ряда в природе нет; все они были получены в 40-50-х гг. 20 в. искусственно, с помощью ядерных реакций. Завершается ряд ²³⁷Np стабильным ²⁰⁹Bi. Каждый радиоактивный ряд содержит как долгоживущие, так и короткоживущие изотопы. Если изотоп принадлежит к естественному радиоактивному ряду, то он обязательно присутствует в природе, даже если скорость распада его ядер очень велика. Связано это с тем, что в радиоактивные ряды с течением времени устанавливается так называемое вековое равновесие. Время достижения такого равновесия во всём ряду приблизительно равно 10 периодам полураспада самого долгоживущего промежуточного члена ряда. При вековом равновесии скорости образования изотопа и его распада равны. Поэтому содержание такого изотопа остаётся практически неизменным в течение столетий. Оно с неизмеримо малой скоростью уменьшается лишь по мере распада родоначальника ряда.

Некоторые изотопы - члены радиоактивных рядов - распадаются не по одному пути (альфа или бета распад), а по двум. Ядра таких изотопов в одних случаях испускают альфа частицы, в других бета частицы. Например, ²²⁷Ac в ряду актиноурана в 988 случаях из 1000 претерпевает (альфа распад, а в 12 случаях – бета распад).