Радиоактивность, Ионизирующие излучения

Радиоактивный распад

 

Радиоактивный распад - это самопроизвольное превращение ядер с испусканием альфа, бета, гамма-излучений.

При каждом акте распада высвобождается энергия, которая и передается дальше в виде излучения. Можно сказать (хотя это и не совсем строго), что испускание ядром частицы, состоящей из двух протонов и двух нейтронов, - это альфа- излучение; испускание электрона, как в случае распада тория-234, - это бета – излучение. Если нестабильный нуклид оказывается настолько возбужденным, что испускание частицы не приводит к полному снятию возбуждения, он выбрасывает порцию чистой энергии, называемую гамма – излучением. Как и в случае рентгеновских лучей, во многом подобных гамма – излучению, при этом не происходит испускания каких-либо частиц.

Радиоактивный распад приводит к образованию новых нуклидов стабильных или радиоактивных. Радиоактивные нуклиды называются радионуклидами. Но хотя все радионуклиды нестабильны, одни из них более нестабильны, чем другие. Например, протактиний-234 распадается почти моментально, а уран-238 – очень медленно. Половина всех атомов протактиния в каком-либо радиоактивном источнике распадается за время, чуть большее минуты, в то же время половина всех атомов урана-238 превратится в торий-234 за четыре с половиной миллиарда лет.

Время, за которое распадается в среднем половина всех радионуклидов данного типа в любом радиоактивном источнике, называется периодом полураспада (Т_1/2).

 

 

Таблица 1. Радиоактивный распад ядер урана-238

Нуклид	Период полураспада	Вид излучения
Уран-238    (=> Торий-234)	4,47 млрд. лет	α
Торий-234 (=> Протактиний-234)	24,1 суток	β
Протактиний-234 (=> Уран-234)	1,17 мин	β
Уран-234	245 000 лет	α
Торий-230	8 000 лет	α
Радий-226	1 600 лет	α
Радон-222	3,823 суток	α
Полоний-218	3,05 мин	α
Свинец-214	26,8 мин	β
Висмут-214	19,7 мин	β
Полоний-214	1,64·10^-4 сек	α
Свинец-210	22,3 лет	β
Висмут-210	5,01 суток	β
Полоний-210	138,4 суток	α
Свинец-206	Стабильный

             

        

Доля атомов, распадающихся в единицу времени, называется постоянной распада λ. Постоянная распада измеряется в единицах сек^-1, день^-1, год^-1 и т.д.

Чем больше постоянная (константа) распада, тем быстрее происходит радиоактивный распад.

Постоянная распада и период полураспада связаны между собой соотношением:

 

=                                                       (1.1)

 

Радиоактивный распад подчиняется экспоненциальному закону, т.е. число ядер радионуклида изменяется со временем по экспоненте (рис.1.1)[1].

 

N

 

 

Рис.1.1  Экспоненциальный закон радиоактивного распада

 

Математически закон радиоактивного распада записывается следующим образом:

                                                                (1.2)

где: N₀ - начальное количество ядер радионуклида;

N_t - число ядер радионуклида, оставшееся к моменту t не распавшимся;

Т_1/2 - период полураспада;

λ – постоянная распада.

Ионизирующие излучения

Ионизирующим излучением называется излучение, взаимодействие которого со средой приводит к образованию электрических зарядов разных знаков [2]. Различают фотонное и корпускулярное ионизирующие излучения.

Видимый свет, ультрафиолетовое излучение, излучение генераторов сверхвысоких частот и лазерных установок ионизирующим излучением не являются.

Фотонное излучение имеет электромагнитную природу и состоит из фотонов (квантов) с энергией

 

Е=h·ν,                                               (1.3)

 

где h = 6,623·10^-27 эрг·сек - постоянная Планка;

ν - частота электромагнитных волн данного излучения.

Известно, что

ν = с/ λ                          (1.4)

Здесь λ – длина волны излучения;

с - = 3·10¹⁰ см/с – скорость распространения излучения в вакууме.

К фотонному излучению относятся: гамма-излучение, характеристическое излучение, тормозное излучение, рентгеновское излучение, отличающиеся друг от друга условиями образования, а также своими свойствами (длиной волны или энергией).

Гамма-излучение - это излучение ядерного происхождения, испускаемое при радиоактивном распаде или ядерных реакциях, при переходе ядра из одного энергетического состояния в другое. Например: после испускания альфа или бета-частицы ядро остается в возбужденном состоянии, испускание фотонов (квантов) гамма-излучения приводит его в нормальное энергетическое состояние. Энергия гамма - квантов, испускаемых в процессе радиоактивного распада, лежит в пределах от нескольких десятков килоэлектронвольт до 3-4 Мэв.

Характеристическое излучение имеет дискретный спектр, возникает при изменении энергетического состояния электронов атома, когда электроны на электронной орбите меняют свои энергетические уровни. Происхождение характеристического излучения атомное.

Тормозное излучение возникает при изменении кинетической энергии заряженных частиц, например, при прохождении заряженных частиц в электромагнитном поле ускорителя, при торможении электронов в рентгеновских трубках и т.п.

Рентгеновское излучение - совокупность тормозного и характеристического излучений в диапазоне энергий фотонов от 1 кэВ до 1 МэВ.

Корпускулярное излучение состоит из частиц: альфа-частицы, бета-частицы, нейтроны, протоны, космические частицы и др.

Альфа-излучение представляет собой поток ядер гелия (два протона и два нейтрона). Альфа-частицы, испускаемые данным нуклидом, имеют строго определенную энергию. Энергия альфа-частиц, испускаемых известными в настоящее время изотопами, лежит примерно в пределах 3-9 Мэв.

Бета-излучение - это поток электронов или позитронов. Масса бета-частиц в 1840 раз меньше массы протона (или нейтрона); заряд равен одной единице элементарного электрического заряда.

Бета-излучение, поскольку оно, так же как и альфа-излучение представляет собой поток электрически заряженных частиц, способно ионизировать среду.

К-захват – в некоторых случаях радиоактивные превращения происходят без вылета из ядра частиц – за счет захвата радиоактивным ядром электрона с электронной оболочки атома. В результате один из протонов ядра превращается в нейтрон. Такой процесс называется К-захватом, так как происходит захват электрона с К-оболочки. Очевидно, что при К-захвате вновь образованное ядро, так же как и при позитронном β⁺ распаде, будет иметь атомный номер, на единицу меньший, и то же массовое число.

Нейтронное излучение - это поток электрически нейтральных частиц, с массой, равной одной атомной единице массы.

Нейтроны образуются в результате ядерных процессов в атоме: деления тяжелых ядер и испускания нейтронов в результате взаимодействия ядра с другими элементарными частицами или квантами фотонного излучения. Источниками нейтронов могут быть ядерные реакторы, ускорители элементарных частиц, радиоактивные нейтронные излучатели.

Нейтроны, как частицы, не имеющие заряда, сами по себе не обладают ионизирующей способностью. Однако при взаимодействии нейтронов с веществом возникает сопутствующее (вторичное) излучение, которое и приводит к ионизации молекул вещества. Таким образом, нейтронное излучение является ионизирующим косвенно.

В зависимости от энергии различают следующие виды нейтронов:

· тепловые нейтроны с энергией до 0,025 эВ;

· медленные нейтроны с энергией от 0,025 эВ до 1 эВ;

· промежуточные нейтроны с энергией от 1 эВ до 100 кэВ;

· быстрые нейтроны с энергией более 100 КэВ.

Из-за отсутствия электрического заряда, нейтроны обладают высокой проникающей способностью. Линейная передача энергии лежит в широких пределах и, в зависимости от энергии нейтрона, составляет от 7 до 80 кэВ на 1 микрон воды.