Физическая природа явления радиоактивности

5.1.1 Строение атома и его ядра

 

Атом – это наименьшая частица химического элемента. Он состоит из положительно заряженного ядра, вокруг которого вращаются отрицательно заряженные электроны.

Обычно атом электрически нейтрален, так как суммарный отрицательный заряд всех электронов по абсолютной величине равен положительному заряду ядра.

Ядро атома состоит из положительно заряженных частиц – протонов и нейтральных частиц – нейтронов. За счет протонов ядро имеет всегда положительный заряд. Оба вида этих элементарных частиц носят название – нуклоны.

Масса протона приблизительно равна массе нейтрона. Масса электрона почти в 1840 раз меньше массы протона. Масса ядра атома определяется суммарным количеством нуклонов (протонов и нейтронов). Она выражается в условных единицах массы (масса атома самого легкого элемента Земли – водорода или 1/12 часть массы атома углерода). Это массовое число не только ядра, но и практически всего атома, так как масса электрона слишком мизерна по сравнению с массой ядра.

Заряд ядра равен общему количеству положительных зарядов входящих в его состав протонов и численно равен порядковому номеру элемента в периодической таблице Д.И. Менделеева. В ядре атома каждого химического элемента находится строго определенное количество протонов. Например, в ядре атома водорода содержится один протон, в ядре атома гелия – 2, лития – 3 и т.д. А вот число нейтронов в ядрах атомов даже одного и того же химического элемента может быть различным.

Атомы с одинаковым количеством протонов, но с различным числом нейтронов в ядре, называют изотопами. Большинство химических элементов состоит из нескольких изотопов. Так, обычный водород с единственным протоном (без нейтрона) в ядре имеет изотопы: 1)тяжелый водород – дейтерий, ядро которого содержит один протон и (дополнительно) один нейтрон; 2) сверхтяжелый водород – тритий, ядро которого содержит также один протон, но уже 2 нейтрона. Смесью трех изотопов является природный уран; ядра этих изотопов содержат по 92 протона, но по 146, 143 и 142 нейтрона.

 

5.1.2 Радиоактивность

 

Устойчивость и прочность ядер различных химических элементов зависит от количества в их ядрах протонов и нейтронов и от численного соотношения между ними. Если в ядре атома имеется избыток нейтронов или их дефицит, то прочность ядер атомов снижается. У элементов до порядкового номера 20 число протонов и нейтронов в ядре имеет примерное соотношение 1:1, поэтому ядра этих элементов наиболее устойчивые; с увеличением числа нейтронов по отношению к числу протонов до соотношения 1,6:1 прочность ядер падает, а возможность их распада увеличивается, т.е. усиливается их радиоактивность.

Неустойчивость ядер атомов наиболее тяжелых элементов обусловливает их самопроизвольный распад. Явление самопроизвольного распада ядра атома химического элемента и превращение его в более устойчивое ядро атома другого элемента называется радиоактивностью, а само неустойчивое ядро – радиоактивным.

Каждый такой отдельный акт самопроизвольного превращения ядер с испусканием элементарных частиц или их групп называется радиоактивным распадом.

5.1.3 Закон радиоактивного распада

 

Скорость, с которой распадаются радиоактивные элементы, весьма различна. Она характеризуется так называемой радиоактивной постоянной λ (лямбда), показывающей, какая часть общего числа атомов радиоактивного элемента распадается в 1 сек. Чем больше радиоактивная постоянная, тем быстрее распадается элемент.

Закон радиоактивного распада: за единицу времени распадается всегда одна и та же доля нераспавшихся ядер данного радионуклида.

Скорость радиоактивного распада не остается неизменной во все время распада (так как всегда распадается одна и та же часть наличного числа атомов). Отсюда следует, что если в течение некоторого времени разложилась половина имевшегося радиоактивного элемента, то в следующий такой же промежуток времени разложится половина остатка, т. е. вдвое меньше, еще в следующий – вдвое меньше, чем в предыдущий, и т. д.

Промежуток времени, в течение которого распадается половина первоначального количества радиоактивного элемента, называется периодом полураспада. Эта величина характеризует продолжительность жизни элемента. Для различных радиоактивных элементов она колеблется в колоссальных пределах – от долей секунды до миллиардов лет. В частности, период полураспада радия равен 1620 годам, т. е. определенное количество радия, сколько бы его ни было, уменьшается вдвое за 1620 лет.

 

5.1.4 Единицы измерения активности
радиоактивных веществ (РВ)

 

Активность есть мера интенсивности распада РВ и определяется как количество распадов ядер атомов РВ в единицу времени, т.е. как скорость распада ядер.

Чем меньше период полураспада, тем большая доля ядер атомов РВ распадается в единицу времени, тем большую опасность это РВ несет для человека и окружающей среды.

В связи со значением Т_1/2 количество РВ удобнее выражать не в весовых единицах, а в единицах активности.

Единицей измерения активности в международной системе единиц «СИ» является беккерель (1 Бк) – это активность радионуклида, когда в радиоактивном источнике за время 1 секунду происходит 1 распад: 1 Бк = 1 распад/с.

Чаще приходится эту мизерную единицу увеличивать за счет добавки приставок:

1 МБк (мегабеккерель) = 1 · 10⁶ Бк,

1 ГБк (гигабеккерель) = 1 · 10⁹ Бк,

1 ТБк (тегабеккерель) = 1 · 10¹² Бк.

На практике большее применение получала внесистемная единица измерения активности – кюри. 1 Ки (кюри) равен активности нуклида в радиоактивном источнике, в котором за 1 секунду происходит 37 миллиардов распадов (3,7 · 10¹⁰ Бк):

1 Ки = 3,7 · 10¹⁰ Бк, такой активностью обладает 1г радия.

1 Бк = 1 расп./с = 2,703 · 10^-11Ки.

 

5.1.5 Радиоактивные ряды

 

Самопроизвольный распад радиоактивных ядер приводит к непрерывному уменьшению числа атомов (ядер) исходного радиоактивного изотопа и образованию дочерних продуктов. Следовательно, один радиоактивный элемент путем распада может превратиться в другой. Если этот второй элемент радиоактивен, то распадаясь, он превращается в третий элемент, и так далее до тех пор, пока не получится элемент, не способный разрушаться.

Ряд элементов, образующихся в результате распада один из другого, называется радиоактивным рядом.

Примером могут служить элементы, являющиеся продуктами превращения радия. При распаде радия получается радон– радиоактивный элемент, который в свою очередь распадается с образованием радия А. Последний тоже радиоактивен и при распаде образует один за другим ряд новых радиоактивных элементов – радий В, радий С и т. д. Конечным продуктом распада является радий G, представляющий собой вполне устойчивый элемент, по химическим свойствам тождественный обыкновенному свинцу.

Кроме радия, подобным же образом распадаются уран, торий и актиний, обладающие радиоактивными свойствами. Изучение этих превращений показало, что сам радий является лишь промежуточным звеном в длинной цепи продуктов превращения урана.

Известны три ряда природных радиоактивных элементов; первый начинается с урана, ат. вес 238; второй – с тория, ат. вес 232; третий – с изотопа урана – актино-урана, ат. вес 235. Эти три ряда получили название рядов распада урана, тория и актиния.

Конечным продуктом превращений во всех трех рядах является свинец.

Открыт четвертый радиоактивный ряд, начинающийся с искусственно получаемого элемента нептуния и заканчивающийся висмутом.

Ионизирующие излучения

5.2.1. Виды и характеристика ионизирующих излучений

 

Процессы самопроизвольных распадов и последовательных превращений ядер атомов сопровождаются выбросом из них энергии в виде высокоскоростных потоков элементарных частиц и коротких электромагнитных волн. Эти энергетические излучения вызывают ионизацию нейтральных атомов биологической ткани и поэтому называются ионизирующими излучениями (ИИ).

Различают следующие основные виды ИИ: альфа -частицы, бета -частицы, протоны, нейтроны,, гамма-лучи, рентгеновские лучи. Из общего числа (около 2 тысяч) известных ныне радиоактивных изотопов лишь около 300 являются природными, остальные получены искусственным путем в результате ядерных реакций.

Все виды излучений характеризуются по их ионизирующей и проникающей способности. Ионизирующая способность определяется удельной ионизацией, т.е. числом пар ионов, создаваемых частицей либо волной в единице объема, массы, среды или на единице длины пути (пробега).

Проникающая способность излучений определяется величиной пробега в воздухе и более плотной среде.

Ионизирующие излучения бывают следующего происхождения.

Альфа-излучение – это поток ядер относительно тяжелых (4у.е.м.) положительно заряженных атомов гелия, испускаемых при радиоактивном распаде тяжелых изотопов (урана, радия, иридия, полония, плутония). Альфа-частицы обладают сильной ионизирующей и незначительной проникающей способностью. В воздухе они проникают на глубину 2–9 см, а в биологической ткани – 0,02–0,06 мм, задерживаются листом бумаги, тканью одежды. Альфа-излучение особо опасно при попадании его источника внутрь организма с пищей или с вдыхаемым воздухом.

Бета-излучение – это поток электронов или позитронов (положительно заряженных частиц с массой, равной массе электрона). Они испускаются ядрами большинства изотопов (свыше 1000) радиоактивных элементов при их бета-распаде. Проникающая способность бета-частиц из-за малой массы выше, чем у альфа-частиц – в воздухе может составлять до 20 метров. В биологической ткани они проникают на глубину до 2 см, одеждой задерживается только частично. Но их ионизирующая способность значительно меньше, чем у альфа-частиц. Бета-излучение опасно для здоровья человека как при внешнем, так и при внутреннем облучении.

Протонное излучение – это поток протонов, составляющих основу космического излучения, а также при ядерных взрывах. Их пробег в воздухе и проникающая способность занимают промежуточное положение между альфа- и бета- излучением.

Нейтронное излучение – поток нейтронов, наблюдаемых при ядерных взрывах, особенно нейтронных боеприпасов, при работе ядерного реактора, при спонтанном делении ядер тяжелых радиоактивных элементов. Они глубоко проникают во всякое вещество, включая и живые ткани. Путь пробега в воздухе – до 4км. Последствия его воздействия на окружающую среду зависят от начальной энергии нейтрона, которая может меняться в широких пределах (0,025–300 МэВ).

Гамма-излучение – электромагнитное излучение, возникающее в некоторых случаях при альфа и бета-распаде. Проникающая способность гамма-излучения в воздухе до 1,5 тысяч метров. Ионизирующая способность значительно меньше, чем у вышеперечисленных видов излучений. Часть гамма-квантов проходит через биологическую ткань, не причиняя ей вреда, другая – поглощается ею.

Рентгеновское излучение – фотонное излучение, генерируемое рентгеновскими аппаратами. Его энергия невелика (не превышает 0,2 МэВ). Поэтому оно менее опасно для здоровья и используется для диагностики заболеваний человека.