Радиационная безопасность

Биологическое действие ионизирующего излучения.

Единицы радиоактивности.

Закон радиоактивного распада. Период полураспада.

Взаимодействия радиоактивного излучения с веществом.

Радиоактивный распад.,, излучения. Законы смещения.

Вопрос 1. Радиоактивный распад. α−, β−, γ− излучения. Законы смещения.

Под радиоактивностью понимают способность некоторых неустойчивых атомных ядер самопроизвольно превращаться в другие атомные ядра с испусканием радиоактивного излучения.

Естественной радиоактивностью называется радиоактивность, наблюдающаяся у существующих в природе неустойчивых изотопов.

Искусственной радиоактивностью называется радиоактивность изотопов, полученных в результате ядерных реакций, осуществляемых на ускорителях и ядерных реакторах. Принципиальной разницы между природной и искусственной радиоактивностью не существует, ибо свойства изотопа не зависят от способа его образования, и радиоактивный изотоп, полученный искусственным путём, ничем не отличается от такого же природного изотопа.

Радиоактивные превращения протекают с изменением строения, состава и энергетического состояния ядер атомов и сопровождаются испусканием или захватом заряженных или нейтральных частиц и выделением коротковолнового излучения электромагнитной природы (кванты гамма-излучения). Эти испускаемые частицы и кванты носят общее название радиоактивных или ионизирующих излучений, а элементы, ядра которых могут по тем или иным естественным или искусственным причинам самопроизвольно распадаться, называются радиоактивными или же радионуклидами. Причинами радиоактивного распада являются нарушения равновесия между ядерными короткодействующими силами притяжения и электромагнитными дальнодействующими силами отталкивания положительно заряженных протонов.

Ионизирующее излучение – поток заряженных или нейтральных частиц и квантов электромагнитного излучения, прохождение которых через вещество приводит к ионизации и возбуждению атомов или молекул среды. По своей природе оно делится на фотонное (тормозное, рентгеновское, гамма-излучение) и корпускулярное (альфа-излучение, электронное, протонное, нейтронное, мезонное).

Из примерно 2500 нуклидов, известных в настоящее время, стабильны только 271. Остальные (90%!) нестабильны, т.е. радиоактивны; путем одного или нескольких последовательных распадов, сопровождающихся испусканием частиц или γ-квантов, они превращаются в стабильные нуклиды.

Изучение состава радиоактивного излучения позволило выделить из него три различных компонента: α–излучение, представляющее собой поток положительно заряженных частиц − ядер гелия (), β−излучение – поток электронов или позитронов, γ-излучение –поток коротковолнового электромагнитного излучения.

На рис. 23.1 показан классический опыт, позволивший обнаружить сложный состав радиоактивного излучения.

Радиоактивный препарат помещался на дно узкого канала в свинцовом контейнере. Против канала помещалась фотопластинка. На выходившее из канала излучение действовало сильное магнитное поле, вектор напряженности которого был перпендикулярен направлению распространения излучения. Вся установка размещалась в вакууме. По направлению отклонения частиц в магнитном поле определяли

знак заряженных частиц. Гамма-лучи в магнитном

Рис. 23.1 поле не отклоняются. Отклонение α- частиц на этом рисунке сильно преувеличено, поскольку масса α- частицы намного больше массы электрона, т.е. .

Обычно все типы радиоактивности сопровождаются испусканием гамма лучей – жесткого, коротковолнового электромагнитного излучения. Гамма-лучи являются основной формой уменьшения энергии возбужденных продуктов радиоактивных превращений. Ядро, испытывающее радиоактивный распад, называется материнским; возникающее дочернее ядро, как правило, оказывается возбужденным, и его переход в основное состояние сопровождается испусканием кванта.

Законы сохранения. При радиоактивном распаде сохраняются следующие параметры:

1. Заряд. Электрический заряд не может создаваться или исчезать. Общий заряд до и после реакции должен сохраняться, хотя может поразному распределяться среди различных ядер и частиц.

2. Массовое число или число нуклонов после реакции должно быть равно числу нуклонов до реакции.

3. Общая энергия. Кулоновская энергия и энергия эквивалентных масс должна сохраняться во всех реакциях и распадах.

4. Импульс и момент импульса. Сохранение импульса ответственно за распределение кулоновской энергии среди ядер, частиц и/или электромагнитного излучения. Момент импульса относится к спину частиц.

Спонтанный распад любого объекта физики микромира (ядра или частицы) возможен в том случае, если масса продуктов распада меньше массы первичной частицы. Разность масс первичной частицы и продуктов распада распределяется среди продуктов распада в виде их кинетических энергий.

Открытие радиоактивности оказало огромное влияние на развитие науки и техники. За работы, связанные с исследованием и применением радиоактивности, было присуждено более 10 Нобелевских премий по физике и химии.

α−распадом называют испускание атомным ядром α− частицы. В случае α− распада должно выполняться условие

, (23.1)

где - масса материнского ядра с массовым числом А и порядковым номером Z, - масса дочернего ядра и - масса α− частицы. Каждую из этих масс, в свою очередь, можно представить в виде суммы массового числа и дефекта массы:

,

, .

Подставив эти выражения для масс в неравенство (23.1, получим следующее условие для α− распада:

, (23.2)

т.е. разница в дефектах масс материнского и дочернего ядер должна быть больше дефекта массы α− частицы . Таким образом, при α− распаде массовые числа материнского и дочернего ядер должны отличаться друг от друга на четыре. Если же разность массовых чисел равна четырем, то при дефекты масс естественных изотопов всегда убывают с увеличением А. Таким образом, при неравенство (8.2) не выполняется, так как дефект массы более тяжелого ядра, которое должно бы быть материнским, меньше дефекта массы более легкого ядра. Поэтому при α− распад ядер не происходит. Это же относится и к большинству искусственных изотопов. Исключением являются несколько легких искусственных изотопов, для которых скачки в энергии связи, а следовательно, и в дефектах масс по сравнению с соседними изотопами особенно велики (например, изотоп бериллия, распадающийся на две α− частицы).

Энергия α− частиц, возникающих при распаде ядер, заключена в сравнительно узких пределахот 2до 11 Мэв. При этом имеется тенденция к уменьшению периода полураспада с увеличением энергии α− частиц. Осо­бенно эта тенденция проявляется при последовательных радио­активных превращениях в пределах одного и того же радио­активного семейства (закон Гейгера—Нэттола). Например, энергия α− частиц при распаде урана (Т=7,1^.10⁸ лет)составляет 4,58 Мэв,при распаде протактиния (Т =3,4^.10⁴ лет)- 5,04 Мэв и при распаде полония (Т =1,83^.10^-3 с)–

7,36 Мэв.

Пример. Рассчитаем кинетические энергии α - частицы и ядра отдачи (радона) в распаде радия. Ядерная реакция имеет вид:

.

Разность масс радия и продуктов его распада Δ M = M (226,88) - M (222,86) - M (4,2) = Δ(226,88) + 226 - Δ(222,86) – 222 - Δ(4,2) – 4 =Δ(226,88) - Δ(222,86) - Δ(4,2) = (23.662 - 16.367 - 2.424) МэВ = 4.87 МэВ.

Кинетические энергии:

.

Вообще говоря, ядра одного и того же изотопа могут испускать α− частицы с несколькими строго определенными значениями энергии (в предыдущем примере указана наи­большая энергия). Иначе говоря, α− частицы обладают дис­кретным энергетическим спектром. Объясняется это следую­щим образом. Получающееся при распаде дочернее ядро согласно законам квантовой механики может находиться в нескольких, различных состояниях, в каждом из которых оно обладает определенной энергией. Состояние с наименьшей возможной энергией является устойчивым и называется основ­ным. Остальные состояния называются возбужденными. В них ядро может находиться весьма малое время (10^-8 - 10^-12 с), а затемпереходит в состояние с меньшей энергией, но не обязательно сразу в основное, с испусканием γ− кванта.

Таким образом, если при α− распаде дочернее ядро полу­чается сразу в основном состоянии, то α− частица при этом испускается с наибольшей возможной энергией. Если же до­чернее ядро получается в одном из возбужденных состояний, то энергия α− частицы оказывается меньше, но дочернее ядро испускает затем γ− кванты. Сумма энергий γ− квантов, испу­щенных в этом случае, и энергия α− частицы должна быть, ко­нечно, равна наибольшей энергии, которую может иметь α− частица, испускаемая данным материнским ядром. Соответственно, α− радиоактивный источник излучает несколько групп α− частиц, различающихся значениями энергии. В каждой группе α− частицы имеют определенную энергию. Отсюда следует, что атомные ядра обладают дискретными энергетическими уровнями.

В процессе α− распада различают две стадии: образование α− частицы из нуклонов ядра и испускание α− частицы ядром.

По современным пред­ставлениям α− частиц в ядре по­стоянно не существует. Они обра­зуются при встрече движущихся внутри ядра двух протонов и двух нейтронов. Обособлению двух протонов и двух нейтронов в α− частицу способствует насыщение ядерных сил. Образование α− частиц происходит со значительной вероятностью, поэтому время жизни радиоактивных ядер определяется в основном второй, гораздо более медленной, стадией α− распада. Теперь образовавшаяся α- частица, когда она находится внутри ядра, подвержена меньшему действию ядерных сил притяжения и большому действию сил электрического отталкивания. Если же α− частица оказывается вне ядра за границей действия ядерных сил, то на нее действуют лишь силы электрического отталкивания. Эти силы и сообщают α− частицам ту энергию, которая наблюдается у них при α− распаде.

Так как α− частицы не существуют в распадающемся ядре все время, а с некоторой конечной вероятностью возникают на его поверхности перед вылетом. то α− распад ядра происходит в результате туннельного эффекта. Считается, что внутри ядра спонтанно образующаяся α− частица находится в потенциальной яме, которая отделена потенциальным барьером конечной ширины и высоты. Этот барьер обусловлен совместным действием на α− частицу ядерных сил притяжения нуклонами и кулоновских сил отталкивания ядерными протонами. Высота барьера в несколько раз больше энергии α− частицы, которая может выйти из ядра только путем просачивания сквозь барьер. В случае барьера прямоугольной формы коэффициент прозрачности, как отмечалось ранее, вычисляется по формуле:

, (23.3)

где l - ширина барьера; U(r) – потенциальная энергия α− частицы, находящейся на расстоянии r от центра ядра; Е – ее полная энергия.

При радиус действия ядерных сил, близкий к радиусу ядра) ход потенциальной энергии приближенно можно представить в виде потенциальной ямы с вертикальными стенками (рис. 20.3). При , когда на α− частицу действуют только силы элект­рического отталкивания, ход потенциальной энергии определяется форму­лой для энергии взаимодействия двух точечных электрических зарядов:

. (23.4)

Здесь Z - порядковый номер материнского ядра, a (Z - 2) е - заряд до­чернего ядра, электрическое поле которого отталкивает α− частицу, обла­дающую зарядом 2 е.

Таким образом, потенциальная энергия α− частицы имеет вид барьера, расположенного вокруг ядра, наибольшая высота которого для изотопа урана составляет около 28 МэВ, если радиус области, внутри которой на α− частицу действуют ядерные силы, вычислять по формуле:

м.

В случае потенциального барьера произвольной формы коэффициент

прозрачности определяется выражением:

, (23.5)

где х ₁ – точка входа α− частицы в потенциальный барьер, х ₂ – точка выхода частицы из барьера, D ₀ − постоянный множитель, зависящий от формы барьера.

Коэффициент прозрачности отличен от нуля и может достигать заметной величины, если малы разность и ширина барьера.

Утяжелых ядер, испытывающих α− распад, как радиусы ядер, так и порядковые номера отличаются друг от друга относительно мало. Форма потенциального барьера оказы­вается практически одинаковой для всех ядер, испытывающих α− распад. В то же время высота и ширина той части барьера, под которой проходит α− частица, заметно уменьшаются с возрастанием энергии α− частицы (см. рис 20.4). Вследствие этого коэффициент D прохождения через потенци­альный барьер очень сильно возрастает. Поэтому при большой энергии α− частицы вероятность того, что она покинет ядро, оказывается большой, и, следовательно, период полураспада - малым.

На рис. 23.2 схематически показана высота и ширина потенциального

барьера U(r), определяемая формулой (23.5). При энергиях α− частиц,

Рис. 23.2

испускаемых ядрами , составляющих 4,2 МэВ, период полураспада составляет лет, а для радионуклида полония при энергиях α− частиц 8,8 МэВ период полураспада составляет с.

Типичным примером радиоактивного распада ядер является реакция

, . (23.6)

Бета–распад ( излучение). Понятие распад объединяет три вида самопроизвольных внутриядерных превращений: электронный −распад, позитронный − распад и электронный захват (Е - захват).