ОСНОВЫ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ ОСНОВЫ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ

ОСНОВЫ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ

Радиоактивность - это свойство ядер атомов определенных элементов самопроизвольно (т.е. без каких-либо внешних воздействий) превращаться в ядра атомов других элементов с испусканием при этом ионизирующих излучений. Превращение элементов в таких случаях называется радиоактивным распадом. Радиоактивные явления, встречающиеся у природных изотопов, называются естественной радиоактивностью, а происходящие в искусственно полученных изотопах химических элементов - искусственной радиоактивностью.

Для понимания явления радиоактивности необходимо вспомнить строение атома. Он состоит из положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг него отрицательно зараженных электронов.

Ядро состоит из протонов и нейтронов, которые объединяются общим понятием - нуклоны. В нейтральном атоме число протонов в ядре равно числу электронов в оболочке. Нуклоны в ядре непрерывно обмениваются особыми частицами, которые называются π-мезонами, или квантами ядерного поля.

Атомный номер Z равен числу протонов в ядре, а следовательно, и заряду ядра. Атомы одного и того же химического элемента имеют

одинаковый атомный номер и массу. Масса нуклона примерно в 1840 раз больше массы электрона. В связи с незначительностью массы электрона его массу принято считать равной нулю, поэтому масса атома определяется массой ядра. Массовое число А равно числу нуклонов в ядре.

Массовое число атома указывается вверху слева от символа химического элемента. Атомный номер (заряд) элемента записывается внизу слева от символа элемента.

Атомы, ядра которых состоят из одинакового числа протонов, но различного числа нейтронов, называются изотопами (изо...+ гр. topos - место).

Различают несколько видов радиоактивных превращений ядер, сопровождающихся различными видами ионизирующих излучений.

Альфа-распад. Характерен для ядер тяжелых элементов с малыми энергиями связи. В процессе внутриядерных превращений из ядра атома выбрасывается альфа-частица. Заряд ядра уменьшается на 2 единицы, а атомная масса - на 4 единицы.

Альфа-частица представляет собой ядро атома гелия. Ее атомная масса составляет 4 единицы. Заряд равен +2. При относительно крупных размерах и большом заряде частица обладает высокой энергией (3-10 Мэв), для нее характерны большая линейная передача энергии (ЛПЭ) и значительная линейная плотность ионизации (ЛПИ).

Размер, заряд и энергия альфа-частицы обусловливают ее многочисленные столкновения с атомами вещества. При увеличении плотности и атомной массы вещества повышается ЛПЭ. Одновременно увеличивается сила торможения частиц и повышается ЛПИ. Она максимальна в конце пути пробега частицы. Естественно, обладая большой массой, зарядом и энергией, альфа-частица не может иметь значительной проникающей способности, так как быстро тормозится веществом.

Так, в зависимости от энергии, пробег альфа-частиц в разных средах невелик: в воздухе он составляет 2-10 см, в алюминии - 15-70 мкм, в воде и биологических тканях - 30-130 мкм, т.е. в коже альфа-частицы

задерживаются эпидермисом, не достигая глубоких слоев эпителия. Обыкновенный лист бумаги является для них абсолютным экраном. Поэтому внешнее воздействие альфа-излучения на человека практически безопасно. Однако поступление альфа-частиц внутрь организма, например с пищей и, особенно, с воздухом в виде радона - крайне опасно, поскольку значительно повышается риск канцерогенного действия. Альфа-частицы в таких условиях легко проникают через слизистые оболочки и создают внутри тканей и органов высокую плотность ионизации, чем и обусловлен выраженный патогенный эффект.

Электронный бета-распад характерен для превращений естественных и искусственных радионуклидов. При данной схеме распада бета-излучение - это поток электронов. Электронный бета-распад возникает в тех случаях, когда в ядре неустойчивость вызвана превышением количества нейтронов над числом протонов. При этом в ядре появляется электрон, а один из нейтронов превращается в протон. Электрон выбрасывается из ядра, заряд ядра увеличивается на единицу, а массовое число остается без изменения.

Бета-излучение одного и того же элемента содержит электроны различной энергии - от самой малой до некоторой максимальной величины. Поэтому спектр излучения непрерывный или сплошной. Установлено, что вместе с бета-частицей из ядра выбрасываются нейтральные частицы ничтожно малой массы, составляющие с электронами некую постоянную величину. Эти частицы носят название антинейтрино. Возвращение возбужденного ядра в основное состояние сопровождается испусканием гамма-квантов.

Позитронный fi-распад наблюдается у некоторых искусственных радионуклидов. Позитрон - это элементарная частица, подобная электрону, но обладающая положительным зарядом. При выбросе позитрона один из протонов в ядре превращается в нейтрон. Вместе с позитронами выбрасываются нейтрино, которые вместе с позитроном составляют некоторую постоянную величину энергии. Спектр излучения, как и при электронном распаде, сплошной.

Позитронный бета-распад также сопровождается гамма-излучением. Удельная плотность ионизации для бета-частиц - в несколько сотен раз меньше, чем у альфа-частиц. При этом за счет меньшей массы, заряда и энергии у бета-частиц в 100 и более раз увеличивается длина пробега в веществе. Так, в воздухе она составляет от нескольких метров до нескольких десятков метров, а в биологических тканях - нескольких десятков сантиметров.

Бета-частицы имеют разную энергию, поэтому при защите от внешнего воздействия бета-излучения следует использовать экран, поглощающий бета-частицы с максимальной энергией. Применяются экраны из легких материалов с малым атомным номером, например из стекла, полимерных материалов, алюминия. При изготовлении экранов из тяжелых металлов бета-частицы будут генерировать тормозное рентгеновское излучение, от которого также необходима защита.

К-захват является еще одним видом радиоактивных превращений. При избытке протонов в ядре атома ядро захватывает электрон с ближайшей к ядру К-оболочки, а на его место переходит электрон с более дальних оболочек. Образуется частица нейтрино, которая является единственной частицей, вылетающей из ядра атома при К-захвате.

Поскольку энергия генерируется на электронных оболочках при переходах электронов, то возникает характеристическое рентгеновское излучение с дискретным линейчатым спектром, свойственным для тех уровней, на которых происходят переходы электронов в атоме данного вещества.

Деление ядер тяжелых элементов. Этот процесс характерен для ядер атомов элементов с большой атомной массой, таких как 235U, 239Pu и др. В результате ядерного превращения образуются ядра легких элементов с большими энергиями связи и избыточное количество нейтронов. Новые ядра нестабильны и могут превращаться в ядра более легких элементов. При этом выделяется большое количество энергии.

Образующиеся нейтроны используются в дальнейших повторных превращениях ядер тяжелых элементов. Подобный принцип получения энергии с помощью управляемой цепной реакции деления ядер тяжелых элементов лежит в основе работы энергетических ядерных реакторов. Если же эта реакция становится неуправляемой, то увеличение числа нейтронов и количества энергии происходит в геометрической прогрессии. Такая цепная реакция приводит к ядерному взрыву.

Термоядерные реакции. Кроме естественных ядерных превращений, возможно также искусственное превращение ядер легких элементов (изотопов водорода дейтерия и трития) в ядра более тяжелых элементов. Такая реакция используется при взрыве термоядерной (водородной) бомбы, где роль пускового механизма создания исходной высокой температуры, необходимой для придания большой кинетической энергии и сближения ядер легких элементов, принадлежит

плутониевому запалу. После запуска плутониевого запала создаются условия неуправляемой термоядерной реакции. Следует отметить, что и распад ядер тяжелых элементов, и термоядерные реакции сопровождаются выделением мощных потоков гамма-излучения.

Удельная плотность ионизации у гамма-квантов минимальная, заряд и масса отсутствуют, поэтому длина пробега у них довольно большая и может достигать в воздухе нескольких сотен метров. Биологические ткани практически не являются экранами. Поэтому гамма-излучение является весьма опасным источником внешнего облучения для человека. В связи с этим экраны для защиты от гамма-излучения должны быть из материалов с высокой плотностью, с большим количеством ядер и большими электронными оболочками атомов.

Количественная характеристика радиоактивности. Изучение скорости радиоактивного распада ядер радионуклидов позволило выявить определенную закономерность. Установлено, что распаду подвергаются не все атомы одновременно, а за каждый промежуток времени распадается строго постоянная доля атомов радиоактивного изотопа. Эта величина индивидуальна и постоянна для каждого радиоактивного элемента. Она называется постоянной распада и обозначается λ (1/сек = сек-1).

Постоянная распада показывает долю атомов, которые распадаются в массе радиоактивного вещества за единицу времени. Соответственно, закон радиоактивного распада может быть сформулирован следующим образом: за равные промежутки времени происходит превращение равных долей радиоактивных атомов изотопа. Математически его выражение выглядит следующим образом:

где N - количество активных атомов в изотопе через промежуток времени t; No - количество активных атомов в изотопе в начальных условиях; λ - постоянная распада изотопа; e - основание натуральных логарифмов.

Зная постоянную распада, можно рассчитать время, за которое распадется половина атомов изотопа, т.е. период полураспада(Т):

Графически эта зависимость выглядит в виде экспоненты, где количество активных атомов через каждый период полураспада

уменьшатся вдвое, а сама экспонента бесконечно приближается к горизонтальной линии, но никогда ее не пересекает. В радиационной гигиене принято, что активность радиоактивного элемента становится незначительной через 8-10 периодов полураспада.

Периоды полураспада значительно различаются у разных изотопов. Короткоживущими считаются такие изотопы, у которых период полураспада составляет от долей секунды до нескольких суток, долгоживущими - у которых этот период колеблется от нескольких месяцев до миллиардов лет. Например: для Т 24Na = 15,06 ч, 131I - 8,06 суток, 60Со - 5,3 года, 90Sr - 29 лет, 129I - 15,7 млн лет.

Активность радиоактивного вещества показывает скорость распада ядер в изотопе за единицу времени. Поэтому активность радиоактивного вещества возрастает с увеличением массы изотопа, а также с уменьшением атомной массы и периода полураспада.

За единицу активности радиоактивного вещества в системе СИ принят беккерель (Бк) - такая активность, при которой в источнике происходит одно превращение ядра за 1 с. Чтобы представить величину данной единицы, следует отметить, что допустимая радиоактивность питьевой воды по бета-излучению составляет 1 Бк/л, а по альфа-излучению - 0,1 Бк/л. Однако исторически сложилось так, что первой установленной единицей активности является кюри (Ки)1.

Она была впервые предложена Марией Кюри и названа в честь Пьера и Марии Кюри. Кюри - это очень большая единица по величине активности:

1 Ки = 3,7 х 1010 Бк.

YAmedik.org