Радиоактивность, делящиеся и радиоактивные материалы

 

Любое вещество состоит из молекул, которые, в свою очередь, из более мелких частиц- атомов.

Существует несколько моделей атомов. Н. Бором была предложена м одель атома, позднее получившая название планетарной. Он пришел к выводу, что вокруг положительно заряженного ядра атома по орбитам движутся отрицательно заряженные частицы – электроны. Орбит несколько, они различаются расстоянием от ядра. На каждой орбите может находиться определенное число электронов. Каждой орбите соответствует определенная энергия «связи» электрона, удерживающая его на орбите. Чем дальше от ядра орбита, тем больше энергия связи (рис. 8.31).

Основные положения модели Бора сводятся следующему:

1) электрон может вращаться вокруг ядра не по всем возможным орбитам, а лишь по некоторым, определенным («дозволенным»). На этих орбитах он вращается не потребляя и не излучая энергию. На разных орбитах электрон обладает разными, но вполне определенными энергиями;

2) ближайшая к ядру орбита соответствует наиболее устойчивому состоянию атома. При получении энергии из вне (т.е. при возбуждении атома) электрон может перейти на более высокую (удаленную) орбиту. При этом электрон на новой орбите будет обладать тем большей энергией, чем дальше от ядра орбита. Однако атом пытается вернуться в нормальное состояние, вернув электрон на освободившееся место;

3) поглощение или излучение энергии происходит только при перемещении электрона с одной орбиты на другую. При этом разность энергий Е_н и конечного Е_к состояний излучается или воспринимается в виде кванта энергии, который называют фотоном. Его частота колебаний определяется соотношением: hν= Е_н- Е_к, где ν- частота, h- постоянная Планка.

В дальнейшем теория Бора была развита Зоммерфельдом.

Изложенную модель часто используют для пояснения работы досмотровых рентгеновских аппаратов, приборов флуоресцентного анализа или ядерного квадрупольного резонанса, и др.

Ядро состоит из протонов и нейтронов. У них есть и другое, общее название - нуклоны.

Рис. 8. 31. Планетарная модель атома

 

Основные физические параметры атомных ядер – величина заряда и массовое число.

Заряд ядра определяется выражением Q = Z×e⁺, где Z – число протонов в ядре, e⁺ - заряд протона. Нейтрон нейтрален.

В атомной физике принято заряд ядра выражать в единичных зарядах, которым обладает электрон (у протона заряд равен заряду электрона с противоположным знаком). Тогда Q = Z единиц. Это значение равно атомному номеру рассматриваемого элемента вещества в таблице Д.И. Менделеева.

Общее число нуклонов в ядре называют массовым числом и обозначают буквой А. Оно равно сумме A = N + Z, где N – количество нейтронов в ядре. Атом с характеристикой из заряда ядра и массового числа называют нуклидом и обозначают в виде символа элемента таблицы Менделеева с индексами из значений указанных характеристик. Например, нуклид плутония с зарядом в 94 единицы и массовым числом 242 будет иметь обозначение:

₂₄₂

Pu.

⁹⁴

Ядра атома при одном и том же числе протонов (атомном номере) могут иметь разное число нейтронов. Такие атомы (нуклиды) называют изотопами. Например,

_{234 235 238}

U, U, U – обозначения изотопов урана.

^{92 92 92}

Изотопы могут быть стабильными (устойчивыми) и радиоактивными (неустойчивыми). Некоторые элементы могут иметь изотопы обоих видов.

Явление радиоактивности нуклидов состоит в том, что их ядра способны самопроизвольно превращаться в ядра других элементов за счет испускания альфа- частиц (a- частиц), бета- частиц (b- частиц) и гамма- квантов (g- квантов) или деления. Такие нуклиды называют радионуклидами. Они и составляют основу радиоактивных материалов.

Поток создаваемых частиц и квантов невидим для глаз человека, обладает высокой энергией и называется ионизирующим или радиоактивным излучением. К числу такого излучения относится и рентгеновское, которое используется в досмотровых рентгеновских установках.

Источники радиоактивного излучения могут быть естественными и искусственными. Для целей досмотра в таможенном деле используются, в частности, естественные источники на основе радионуклидов: ⁶⁰Co и ¹³⁷Сs (источники с наиболее жестким излучением), а также ¹⁵⁵Eu, ¹⁷⁰Tm, ⁵⁵Fe, ¹⁰⁹Cd, ²⁴¹Am, ²³⁸Pu, ¹³³Ba.

Выделяют четыре основных вида ионизирующих излучений: a- излучение, b- излучение, фотонное излучение, нейтронное излучение.

При a- распаде ядро нуклида _z^AX испускает тяжелую частицу, представляющую собой ядро атома гелия ₂⁴He, и превращается в дочернее ядро Y с зарядом (Z-2) и массовым числом (А-4). При этом часть энергии переходит в кинетическую энергию частиц. Поток частиц, образующийся при a- распаде и называют a- излучением.

При b- распаде испускаются b- частицы (что увеличивает или уменьшает заряд ядра на единицу), а также нейтрино или антинейтрино. Поток b- частиц составляет b-излучение.

В фотонном излучении выделяют рентгеновское и гамма- излучение (g- излучение).

В зависимости от механизма образования бывает тормозное или характеристическое рентгеновское излучение (см. п. 8.1).

Гамма-излучением называют коротковолновое электромагнитное излучение, которое испускается при переходе ядер из возбужденного состояния в основное или с меньшей энергией. Гамма-излучение не является самостоятельным видом радиоактивности, а сопровождает a- и b -распады ядер. Гамма -лучи обладают очень малой длинной волны l £ 10^-10м. Гамма -кванты (фотоны) обладают высокой энергией и оказывают сильное воздействие на атомы других веществ, особенно на живые клетки.

Нейтронное излучение- поток нейтронов, образовавшихся при делении тяжелых ядер или при некоторых типах ядерных реакций[3]. Нейтроны обладают энергией от долей до десятков миллионов электрон-вольт.

Таким образом, все радиоактивные материалы являются источниками ионизирующих излучений в виде положительно заряженных a -частиц, отрицательно заряженных электронов и электрически нейтральных частиц с высокой энергией - нейтронов и g-квантов.

Вещества, содержащие радиоактивные изотопы называют радиоактивными веществами.

Под делящимися радиоактивными материалами (ДРМ) понимают такие радиоактивные вещества, которые могут поддерживать цепную реакцию деления атомных ядер и требуют соблюдения дополнительных мер ядерной безопасности, исключающих возможность возникновения критической массы при их транспортировке.

Согласно правилам Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ), из всех радиоактивных веществ к делящимся отнесены материалы, содержащие уран-233, уран-235, плутоний-238, плутоний-239, плутоний-241 или любые сочетания этих радионуклидов в количестве более 15 г при условии их содержания в материалах более 0,7% по массе.

Иногда используют термин «ядерные материалы». Это более общее понятие, чем ДРМ. Под ядерными понимают все радиоактивные материалы (вещества), для которых возможна реакция деления ядер.

Энергия излучения и его воздействие оценивается дозой и мощностью дозы.

Существуют разные виды доз.

Поглощенная доза – отношениеэнергии dE, переданной ионизирующим излучением единице объема вещества, к массе dm вещества в этом объеме: D = dE / dm.

В Международной системе единиц СИ она измеряется в греях (Гр). Один грей соответствует дозе, при которой веществу массой 1 кг передается энергия в 1 джоуль. Используется также внесистемная единица – рад, 1 Гр=100 рад.

Степень воздействия ионизирующего излучения зависит не только от получаемой дозы, но и от времени, за которое эта доза была получена.

Мощность поглощенной дозы определяется скоростью изменения дозы со временем и в системе СИ измеряется в Гр/с или рад/с (рад/ч). Иными словами, мощность этой дозы определяется как приращение дозы за интервал времени dt к интервалу времени:

D*= dD / dt =(d²E / dm)×dt.

Экспозиционная доза - энергия излучения, поглощенная в единице массы сухого атмосферного воздуха.

Экспозиционную дозу измеряют в единицах электрического заряда в расчете на единицу массы воздуха. Скорость изменения экспозиционной дозы со временем называют мощностью экспозиционной дозы. Измеряют в амперах на килограмм (А/кг). Однако на практике для количественной оценки этой дозы используется внесистемная единица - рентген, а для ее мощности - рентген в единицу времени – Р/с или Р/ч. Экспозиционная доза и ее мощность рекомендуют использовать для оценки полей радиации с энергией квантов не выше 3 МэВ.

Биологическую дозу, связанную с воздействием на человека ионизирующих излучений, принято характеризовать эквивалентной эффективной дозой: H = D×k_ср, где k_ср – коэффициент, зависящий от вида излучения. Она кроме поглощенной дозы учитывает воздействие на человека различных по составу и энергиям частиц и квантов излучения. При ее измерении используется единица Зиверт (Зв). В качестве единицы биологической эквивалентной дозы используется также Бэр (100 Бэр = 1 Зиверт).

Мощность эквивалентной дозы измеряется в Зв/с или бэр/с.