Поняття радіоактивності. види розпаду

1. зміст радіоактивність ізотопи радіоактивні перетворення радіоактивний розпад «Ланцюжки» розпаду...
2. ізотопи
3. радіоактивні перетворення
4. Альфа-розпад
5. Бета-розпад
6. нейтронний розпад
7. «Ланцюжки» розпаду
8. Розподіл ядер атомів
9. Ланцюгова реакція поділу
10. Характеристики радіоактивних перетворень
11. Одиниці виміру в дозиметрії
12. доза
13. Джерела надходження радіонуклідів в навколишнє середовище
14. Області застосування радіонуклідних джерел
15. Вплив випромінювання на організм людини. ефекти радіації

зміст

1. радіоактивність
2. ізотопи
3. радіоактивні перетворення
4. радіоактивний розпад

1. «Ланцюжки» розпаду
2. Розподіл ядер атомів
3. Ланцюгова реакція поділу
4. Характеристики радіоактивних перетворень
5. Одиниці виміру в дозиметрії

• експозиційна доза
• поглинена доза
• еквівалентна доза
• ефективна еквівалентна доза

1. Джерела надходження радіонуклідів в навколишнє середовище
2. Області застосування радіонуклідних джерел
3. Вплив випромінювання на організм людини. ефекти радіації

радіоактивність

Це здатність ядер атомів різних хімічних елементів руйнуватися, видозмінюватися з випусканням атомних і субатомних частинок високих енергій. При радіоактивних перетвореннях, в переважній більшості випадків, ядра атомів (а значить, і самі атоми) одних хімічних елементів перетворюються в ядра атомів (в атоми) інших хімічних елементів, або один ізотоп хімічного елемента перетворюється в інший ізотоп того ж елемента.

Атоми, ядра яких схильні до радіоактивного розпаду або інших радіоактивних перетворень, називаються радіоактивними.

ізотопи

(від грецьких слів isos - «рівний, однаковий» і topos - «місце»)

Це нукліди одного хімічного елемента, тобто різновиди атомів певного елемента, що мають однаковий атомний номер, але різні масові числа.

Ізотопи мають ядрами з однаковим числом протонів і різною кількістю нейтронів і займають одне і те ж місце в періодичній системі хімічних елементів. Розрізняють стабільні ізотопи, які існують в незмінному вигляді невизначено довго, і нестабільні (радіоізотопи), які з часом розпадаються.

Відомо близько 280 стабільних і більше 2000 радіоактивних ізотопів у 116 природних і штучно отриманих елементів.

Нуклід (від латинського nucleus - «ядро») - сукупність атомів з певними значеннями заряду ядра і масового числа.

Умовні позначення нуклида: , Де X - літерне позначення елемента, Z - число протонів (атомний номер), A - сума числа протонів і нейтронів (масове число).

Навіть у самого першого в таблиці Менделєєва і найлегшого атома - водню, в ядрі якого тільки один протон (а навколо нього обертається один електрон), є три ізотопи.

радіоактивні перетворення

Можуть бути природними, мимовільними (спонтанними) і штучними. Спонтанні радіоактивні перетворення - процес випадковий, статистичний.

Всі радіоактивні перетворення супроводжуються, як правило, виділенням з ядра атома надлишку енергії у вигляді електромагнітного випромінювання.

Гамма-випромінювання - це потік гамма-квантів, що володіють великою енергією і проникаючу здатність.

Рентгенівське випромінювання - це так само потік фотонів - зазвичай з меншою енергією. Тільки «місце народження» рентгенівського випромінювання не ядро, а електронні оболонки. Основний потік рентгенівського випромінювання виникає в речовині при проходженні через нього «радіоактивних частинок» ( «радіоактивного випромінювання» або «іонізуючого випромінювання»).

Основні різновиди радіоактивних перетворень:

• радіоактивний розпад;
• ділення ядер атомів.

Це випускання, викидання з величезними швидкостями з ядер атомів «елементарних» (атомних, субатомних) частинок, які прийнято називати радіоактивним (іонізуючим) випромінюванням.

При розпаді один ізотоп даного хімічного елемента перетворюється в інший ізотоп того ж елемента.

Для природних (природних) радіонуклідів основними видами радіоактивного розпаду є альфа- і бета-мінус-розпад.

Назви «альфа» і «бета» було дано Ернестом Резерфордом в 1900 році при вивченні радіоактивних випромінювань.

Для штучних (техногенних) радіонуклідів, крім цього, характерні також нейтронний, протонний, позитронний (бета-плюс) і більш рідкісні види розпаду і ядерних перетворень (мезонний, К-захоплення, ізомерний перехід і ін.).

Альфа-розпад

Це випускання з ядра атома альфа-частинки, яка складається з 2 протонів і 2 нейтронів.

Альфа-частинка має масу 4 одиниці, заряд +2 і є ядром атома гелію (4He).

В результаті випускання альфа-частинки утворюється новий елемент, який в таблиці Менделєєва розташований на 2 клітини лівіше, так як кількість протонів в ядрі, а значить, і заряд ядра, і номер елемента стали на дві одиниці менше. А маса утворився ізотопу виявляється на 4 одиниці менше.

А льфа - розпад - це характерний вид радіоактивного розпаду для природних радіоактивних елементів шостого і сьомого періодів таблиці Д.І. Менделєєва (уран, торій і продукти їх розпаду до вісмуту включно) і особливо для штучних - трансуранових - елементів.

Тобто цього виду розпаду схильні окремі ізотопи всіх важких елементів, починаючи з вісмуту.

Так, наприклад, при альфа-розпаді урану завжди утворюється торій, при альфа-розпаді торію - радій, при розпаді радію - радон, потім полоній і нарешті - свинець. При цьому з конкретного ізотопу урану-238 утворюється торій-234, потім радій-230, радон-226 і т. Д.

Швидкість альфа-частинки при вильоті з ядра від 12 до 20 тис. Км / сек.

Бета-розпад

Бета-розпад - найбільш поширений вид радіоактивного розпаду (і взагалі радіоактивних перетворень), особливо серед штучних радіонуклідів.

У кожного хімічного елемента є, принаймні, один бета-активний, тобто схильний до бета-розпаду ізотоп.

Приклад природного бета-активного радіонукліда - калій-40 (Т1 / 2 = 1,3 × 109 років), в природній суміші ізотопів калію його міститься всього 0,0119%.

Крім К-40, значущими природними бета-активними радіонуклідами є також і всі продукти розпаду урану і торію, тобто всі елементи від талію до урану.

Бета-розпад включає в себе такі види радіоактивних перетворень, як:

- бета-мінус розпад;

- бета-плюс розпад;

- К-захоплення (електронний захоплення).

Бета-мінус розпад - це випускання з ядра бета-мінус частки - електрона, який утворився в результаті мимовільного перетворення одного з нейтронів в протон і електрон.

При цьому бета-частинки зі швидкістю до 270 тис. Км / сек (9/10 швидкості світла) вилітає з ядра. І так як протонів в ядрі стало на один більше, то ядро ​​даного елемента перетворюється в ядро ​​сусіднього елемента праворуч - з великим номером.

При бета-мінус розпаді радіоактивний калій-40 перетворюється в стабільний кальцій-40 (стоїть в сусідній клітці справа). А радіоактивний кальцій-47 - в стоїть праворуч від нього скандій-47 (теж радіоактивний), який, в свою чергу, також шляхом бета-мінус розпаду перетворюється на стабільний титан-47.

Бета-плюс розпад - випускання з ядра бета-плюс частки - позитрона (позитивно зарядженого «електрона»), який утворився в результаті мимовільного перетворення одного з протонів в нейтрон і позитрон.

В результаті цього (так як протонів стало менше) даний елемент перетворюється в сусідній зліва в таблиці Менделєєва.

Наприклад, при бета-плюс розпаді радіоактивний ізотоп магнію магній-23 перетворюється в стабільний ізотоп натрію (стоїть ліворуч) - натрій-23, а радіоактивний ізотоп европия - европий-150 перетворюється в стабільний ізотоп самарію - самарій-150.

нейтронний розпад

Нейтронний розпад - випускання з ядра атома нейтрона. Характерний для нуклідів штучного походження.

При випущенні нейтрона один ізотоп даного хімічного елемента перетворюється в інший, з меншою вагою. Так, наприклад, при нейтронном розпаді радіоактивний ізотоп літію - літій-9 перетворюється в літій-8, радіоактивний гелій-5 - в стабільний гелій-4.

Якщо стабільний ізотоп йоду - йод-127 опромінювати гамма-квантами, то він стає радіоактивним, викидає нейтрон і перетворюється в інший, теж радіоактивний ізотоп - йод-126. Це приклад штучного нейтронного розпаду.

«Ланцюжки» розпаду

В результаті радіоактивних перетворень можуть утворюватися ізотопи інших хімічних елементів або того ж елемента, які самі можуть бути радіоактивними елементами.

Тобто розпад якогось вихідного радіоактивного ізотопу може привести до деякого кількості послідовних радіо-активних перетворень різних ізотопів різних хімічних елементів, утворюючи т. н. «Ланцюжка розпаду».

Наприклад, торій-234, що утворюється при альфа-розпаді урану-238 перетворюється в протактиний-234, який в свою чергу знову в уран, але вже в інший ізотоп - уран-234.

Закінчуються ж всі ці альфа і бета-мінус переходи освітою стабільного свинцю-206. А уран-234 альфа-розпадом - знову в торій (торій-230). Далі торій-230 шляхом альфа-розпаду - в радій-226, радій - в радон.

Розподіл ядер атомів

Це мимовільне, або під дією нейтронів, розколювання ядра атома на 2 приблизно рівні частини, на два «осколка».

При розподілі вилітають 2-3 зайвих нейтрона і виділяється надлишок енергії у вигляді гамма-квантів, набагато більший, ніж при радіоактивному розпаді.

Якщо на один акт радіоактивного розпаду зазвичай доводиться один гамма-квант, то на 1 акт ділення доводиться 8 -10 гамма-квантів!

Крім того, що розлітаються осколки мають велику кінетичну енергію (швидкістю), яка переходить в теплову.

Вилетіли нейтрони можуть викликати поділ двох-трьох аналогічних ядер, якщо ті опиняться поблизу і якщо нейтрони потраплять в них.

Таким чином, з'являється можливість здійснення розгалужується, що прискорюється ланцюгової реакції поділу ядер атомів з виділенням величезної кількості енергії.

Ланцюгова реакція поділу

Якщо дозволити ланцюгової реакції розвиватися безконтрольно, то станеться атомний (ядерний) вибух.

Якщо ланцюгову реакцію тримати під контролем, управляти її розвитком, не давати прискорюватися і постійно відводити виділяється енергію (тепло), то цю енергію ( «атомну енергію») можна використовувати для отримання електроенергії. Це здійснюється в атомних реакторах, на атомних електростанціях.

Характеристики радіоактивних перетворень

Період напіврозпаду (T 1/2) - час, протягом якого половина радіоактивних атомів розпадається і їх кількість зменшується в 2 рази.

Періоди напіврозпаду у всіх радіонуклідів різні - від часток секунди (короткоживучі радіонукліди) до мільярдів років (довгоживучі).

Активність - це кількість актів розпаду (в загальному випадку актів радіоактивних, ядерних перетворень) в одиницю часу (як правило, в секунду). Одиницями виміру активності є бекерель і кюрі.

Беккерель (Бк) - це один акт розпаду в секунду (1 роз. / Сек).

Кюрі (Кі) - 3,7 × 1010 Бк (розп. / Сек).

Одиниця виникла історично: такий активність має 1 грам радію-226 в рівновазі з дочірніми продуктами розпаду. Саме з радієм-226 довгі роки працювали лауреати Нобелівської премії французькі вчені подружжя П'єр Кюрі і Марія Склодовська-Кюрі.

Закон радіоактивного розпаду

Зміна активності нукліда в джерелі з плином часу залежить від періоду напіврозпаду даного нукліда за експоненціальним законом:

A і (t) = A і (0) × exp (-0,693 t / T 1/2),

де A і (0) - вихідна активність нукліда;
A і (t) - активність через час t;

T 1/2 - період напіврозпаду нукліда.

Залежність між масою радіонукліда (без урахування маси неактивного ізотопу) і його активністю виражається наступним співвідношенням:

де m і - маса радіонукліда, г;

T 1/2 - період напіврозпаду радіонукліда, с;

A і - активність радіонукліда, Бк;

А - атомна маса радіонукліда.

Проникаюча здатність радіоактивного випромінювання.

Пробіг альфа-частинок залежить від початкової енергії і зазвичай коливається в межах від 3-х до 7 (рідко до 13) см в повітрі, а в щільних середовищах складає соті частки мм (в склі - 0,04 мм).

Альфа-випромінювання не пробиває аркуш паперу і шкіру людини. Через свою маси і заряду альфа-частинки мають найбільшу іонізуючої здатністю, вони руйнують все на своєму шляху, тому альфа-активні радіонукліди є найбільш небезпечними для людини і тварин при попаданні всередину.

Пробіг бета-частинок в речовині через малу масу (~ в 7000 разів

Менше маси альфа-частинки), заряду і розмірів значно більше. При цьому шлях бета-частинки в речовині не є прямолінійним. Проникаюча здатність також залежить від енергії.

Проникаюча здатність бета-частинок, що утворилися при радіоактивному розпаді, в повітрі досягає 2 ÷ 3 м, в воді і інших рідинах вимірюється сантиметрами, в твердих тілах - частками см.

У тканини організму бета-випромінювання проникає на глибину 1 ÷ 2 см.

Кратність ослаблення n- і гамма-випромінювань.

Найбільш проникаючими видами випромінювання є нейтронне і гамма-випромінювання. Їх пробіг в повітрі може досягати десятків і сотень метрів (також в залежності від енергії), але при меншій іонізуючої здатності.

В якості захисту від n- і гамма-випромінювання застосовують товсті шари з бетону, свинцю, сталі і т. П. І мова ведуть вже про кратності ослаблення.

По відношенню до ізотопу кобальту-60 (Е = 1,17 і 1,33 МеВ) для 10-кратного ослаблення гамма-випромінювання потрібен захист з:

• свинцю товщиною близько 5 см;
• бетону близько 33 см;
• води - 70 см.

Для 100-кратного ослаблення гамма-випромінювання потрібен захист зі свинцю товщиною 9,5 см; бетону - 55 см; води - 115 см.

Одиниці виміру в дозиметрії

Доза (від грецького - «частка, порція») опромінення.

Експозиційна доза (для рентгенівського та гамма-випромінювання) - визначається по іонізації повітря.

Одиниця виміру в системі СІ - «кулон на кг» (Кл / кг) - це така експозиційна доза рентгенівського або гамма-випромінювання, при створенні якої в 1 кг сухого повітря утворюється заряд іонів одного знака, що дорівнює 1 Кл.

Позасистемної одиницею виміру є «рентген».

1 Р = 2,58 × 10 -4 Кл / кг.

За визначенням 1 рентген (1Р) - це така експозиційна доза при поглинанні якої в 1 см 3 сухого повітря утворюється 2,08 × 10 9 пар іонів.

Зв'язок між двома цими одиницями наступна:

1 Кл / кг = 3,68 · 10 3 Р.

Експозиційної дози 1Р відповідає поглинена доза в повітрі 0,88 радий.

доза

Поглинена доза - енергія іонізуючого випромінювання, поглинена одиничної масою речовини.

Під енергією випромінювання, переданої речовині, розуміється різниця між сумарною кінетичною енергією всіх частинок і фотонів, що потрапили в розглянутий обсяг речовини, і сумарною кінетичною енергією всіх частинок і фотонів, які покидають цей обсяг. Отже, поглинена доза враховує всю енергію іонізуючого випромінювання, залишену в межах цього обсягу, незалежно від того, на що ця енергія витрачена.

Одиниці виміру поглиненої дози:

Грей (Гр) - одиниця поглиненої дози в системі одиниць СІ. Відповідає енергії випромінювання в 1 Дж, поглиненої 1 кг речовини.

Радий - позасистемна одиниця поглиненої дози. Відповідає енергії випромінювання 100 ерг, поглиненої речовиною масою 1 грам.

1 рад = 100 ерг / г = 0,01 Дж / кг = 0,01 Гр.

Біологічний ефект при однаковій поглиненої дози виявляється різним для різних видів випромінювання.

Наприклад, при однаковій поглиненої дози альфа-випромінювання виявляється набагато небезпечніше, ніж фотонное або бета-випромінювання. Це пов'язано з тим, що альфа-частинки створюють на шляху свого пробігу в біологічної тканини більш щільну іонізацію, концентруючи таким чином шкідливий вплив на організм в певному органі. При цьому весь організм відчуває на собі значно більше гальмівну дію випромінювання.

Отже, для створення однакового біологічного ефекту при опроміненні важкими зарядженими частинками необхідна менша поглинена доза, ніж при опроміненні легкими частинками або фотонами.

Еквівалентна доза - твір поглиненої дози на коефіцієнт якості випромінювання.

Одиниці виміру еквівалентної дози:

Зіверт (Зв) - це одиниця вимірювання еквівалентної дози, будь-якого виду випромінювання, яке створює такий же біологічний ефект, як і поглинена доза в 1 Гр рентгенівського або гамма-випромінювання.

Отже, 1 Зв = 1 Дж / кг.

Бер (позасистемна одиниця) - це така кількість енергії іонізуючого випромінювання, поглиненої 1 кг біологічної тканини, при якому спостерігається той же біологічний ефект, що і при поглиненої дози 1 рад рентгенівського або гамма-випромінювання.

1 бер = 0,01 Зв = 100 ерг / г.

Найменування «бер» утворено за першими літерами словосполучення «біологічний еквівалент рентгена».

До недавнього часу при розрахунку еквівалентної дози використовувалися «коефіцієнти якості випромінювання» (К) - поправочні коефіцієнти, що враховують різний вплив на біологічні об'єкти (різну здатність пошкоджувати тканини організму) різних випромінювань при одній і тій же поглиненої дози.

Зараз ці коефіцієнти в Нормах радіаційної безпеки (НРБ-99) назвали - «вагові коефіцієнти для окремих видів випромінювання при розрахунку еквівалентної дози (WR)».

Їх значення складають відповідно:

• рентгенівське, гамма, бета-випромінювання, Електрон и позитрони - 1;
• протони з Е более 2 МеВ - 5;
• нейтрони з Е менше 10 КЕВ) - 5;
• нейтрони з Е від 10 КЕВ до 100 КЕВ - 10;
• альфа-частинки, осколки поділу, важкі ядра - 20 и т. д.

Ефективна еквівалентна доза - еквівалентна доза, розрахована з урахуванням різної чутлівості різніх тканин організму до опромінення; дорівнює еквівалентній дозі, отриманої конкретним органом, тканиною (з урахуванням їх ваги), помноженої на відповідний «коефіцієнт радіаційного ризику».

Ці коефіцієнти використовуються в радіаційного захисту для обліку різної чутливості різних органів і тканин в виникненню стохастичних ефектів від впливу випромінювання.

У НРБ-99 їх називають «ваговими коефіцієнтами для тканин і органів при розрахунку ефективної дози».

Для організму в цілому цей коефіцієнт прийнятий рівним 1, а для деяких органів має такі значення:

• кістковий мозок (червоний) - 0,12; Ÿ гонади (яєчники, насінники) - 0,20;
• щитовидна залоза - 0,05; Ÿ шкіра - 0,01 і т. Д.
• легкі, шлунок, товстий кишечник - 0,12.

Для оцінки повної ефективної еквівалентної дози, отриманої людиною, розраховують і підсумовують зазначені дози для всіх органів.

Для вимірювання еквівалентної та ефективної еквівалентної доз в системі СІ використовується та ж одиниця - Зиверт (Зв).

1 Зв дорівнює еквівалентній дозі, при якій твір вели-чини поглиненої дози в Гр еях (в біологічній тканині) на вагові коефіцієнти дорівнюватиме 1 Дж / кг.

Іншими словами, це така поглинена доза, при якій в 1 кг речовини виділяється енергія в 1 Дж.

Позасистемна одиниця - Бер.

Взаємозв'язок між одиницями вимірювання:

1 Зв = 1 Гр * К = 1 Дж / кг * К = 100 рад * К = 100 бер

При К = 1 (для рентгенівського, гамма-, бета-випромінювань, електронів і позитронів) 1 Зв відповідає поглиненої дози в 1 Гр:

1 Зв = 1 Гр = 1 Дж / кг = 100 рад = 100 бер.

Ще в 50-х роках було встановлено, що якщо при експозиційній дозі в 1 рентген повітря поглинає приблизно стільки ж енергії, що і біологічна тканина.

Тому виявляється, що при оцінці доз можна вважати (з мінімальною похибкою), що експозиційна доза в 1 рентген для біологічної тканини відповідає (еквівалентна) поглиненої дози в 1 рад і еквівалентній дозі в 1 бер (при К = 1), тобто, грубо кажучи, що 1 Р, 1 рад і 1 бер - це одне і те ж.

При експозиційній дозі 12 мкР / год за рік отримуємо дозу 1 мЗв.

Крім того, для оцінки впливу ІІ використовують поняття:

Потужність дози - доза, отримана за одиницю часу (сек., Час).

Фон - потужність експозиційної дози іонізуючого випромінювання в даному місці.

Природний фон - потужність експозиційної дози іонізуючого випромінювання, що створюється всіма природними джерелами ІІ.

Джерела надходження радіонуклідів в навколишнє середовище

1. Природні радіонукліди, які збереглися до нашого часу з моменту їх утворення (можливо, з часу утворення сонячної системи або Всесвіту), так як у них великі періоди напіврозпаду, а значить, велике час життя.

2. Радіонукліди осколкового походження, які обра-ся в результаті поділу ядер атомів. Утворюються в ядерних реакторах, в яких здійснюється керована ланцюгова реакція, а також при випробуваннях ядерної зброї (некерована ланцюгова реакція).

3. Радіонукліди активаційного походження утворюються із звичайних стабільних ізотопів в результаті активації, тобто при попаданні в ядро стабільного атома субатомной частки (частіше - нейтрона), в результаті чого стабільний атом стає радіоактивним. Отримують активацією стабільних ізотопів, поміщаючи їх в активну зону реактора, або бомбардуванням стабільного ізотопу в прискорювачах елементарних частинок протонами, електронами і т.п.

Області застосування радіонуклідних джерел

Джерела ІІ знаходять застосування в промисловості, сільському господарстві, наукових дослідженнях і медицині. Тільки в медицині використовуються приблизно сто ізотопів для різних медичних досліджень, постановки діагнозу, стерилізації та радіотерапії.

У всьому світі в багатьох лабораторіях використовуються радіоактивні матеріали для наукових досліджень. Термоелектричні генератори на радіоізотопів застосовуються для виробництва електроенергії для автономного енергоживлення різної апаратури в віддалених і важкодоступних районах (радіо-і світлові маяки, метеостанції).

Повсюдно в промисловості використовуються прилади, що містять радіоактивні джерела для контролю технологічних процесів (щільно-, рівні-і товщиноміри), прилади нерозривно-вирішального контролю (гамма-дефектоскопи), прилади для аналізу складу речовини. Випромінювання використовується для підвищення розміру і якості врожаю.

Вплив випромінювання на організм людини. ефекти радіації

Радіоактивні частинки, володіючи величезною енергією і швидкістю, при проходженні через будь-яку речовину стикаються з атомами і молекулами цієї речовини і призводять до їх руйнування, іонізації, до утворення «гарячих» іонів і вільних радикалів.

Так як біологічні тканини людини на 70% складаються з води, то в великій мірі іонізації піддається саме вода. З іонів і вільних радикалів утворюються шкідливі для організму сполуки, які запускають цілий ланцюг послідовних біохімічних реакцій і поступово призводять до руйнування клітинних мембран (стінок клітин і інших структур).

Радіація по-різному діє на людей в залежності від статі і віку, стану організму, його імунної системи і т. П., Але особливо сильно - на немовлят, дітей і підлітків. При впливі радіації прихований (інкубаційний, латентний) період, тобто час затримки до настання видимого ефекту, може тривати роками і навіть десятиліттями.

Вплив радіації на організм людини і біологічні об'єкти викликає три різних негативних ефекту:

• генетичний ефект для спадкових (статевих) клітин організму. Він може проявитися і проявляється тільки в потомстві;
• генетико-стохастичний ефект, що виявляється для спадкового апарату соматичних клітин - клітин тіла. Він проявляється при житті конкретної людини у вигляді різних мутацій і захворювань (в тому числі ракових);
• соматический ефект, а точніше - імунний. Це ослаблення захисних сил, імунної системи організму за рахунок руйнування клітинних мембран і інших структур.