Физические основы радиоактивности Литература 1 Григорьев В

Физические основы радиоактивности

Литература 1. Григорьев В. И. , Мякишев Г. Я. Силы в природе. // М. , Наука, 1983 г. 2. Кудрявцев П. С. Курс истории физики. // М. , Просвещение, 1982 г. 3. Яворский Б. М. , Детлаф А. А. Справочник по физике. // М. , Наука, 1990 г.

Атом • Атомы очень малы – их размеры порядка а размеры ядра еще примерно в 100 000 раз меньше ( ). Поэтому атомы можно «увидеть» только косвенным путем, на изображении с очень большим увеличением. ,

Строение атомного ядра

Масса элементарных частиц Элементарные частицы имеют абсолютную массу: • Частица Обозначение Абсолютная масса, кг • Электрон • Протон • Нейтрон е-

Массовое число атома • Масса протона, как и масса нейтрона, приблизительно в 1840 раз больше массы электрона. Протоны и нейтроны находятся в ядре, поэтому масса атома почти равна массе ядра. Масса ядра, как и масса атома, определяется суммой числа протонов и числа нейтронов. Эта сумма называется массовым числом атома. Массовое число атома (A) = Число протонов (Z) + Число нейтронов (N) A=Z+N

Изотопы химического элемента Атомы одного элемента, которые имеют разные массовые числа, называются изотопами. Атомы изотопов одного элемента имеют одинаковое число протонов (Z) и отличаются друг от друга числом нейтронов (N). Изотопы обозначаются символами соответствующих элементов, слева от которых вверху записывают массовое число изотопа, а внизу — порядковый номер (заряд ядра атома) элемента ( ). Химические свойства всех изотопов одного элемента одинаковы. Следовательно, химические свойства элемента зависят не от атомной массы, а от заряда ядра.

Основные положения ядерной модели атома. • 1. Атом имеет форму шара, в центре которого находится ядро. • 2. Ядро имеет очень маленький размер (диаметр атома , диаметр ядра ~ • 3. Ядро имеет положительный заряд. • 4. Почти вся масса атома находится в ядре. • 5. Вокруг ядра движутся электроны. Положительный заряд ядра атома равен порядковому номеру элемента в периодической системе • Каждый протон имеет заряд +1, поэтому заряд ядра равен числу протонов. • Атом — это электронейтральная частица, поэтому положительный заряд ядра численно равен сумме отрицательных зарядов всех электронов, или числу электронов (т. к. заряд электрона равен — 1) • Следовательно: Порядковый номер элемента = Заряд ядра атома = Число протонов в ядре = Число электронов в атоме. •

ЯДЕРНЫЕ СИЛЫ • Внутри ядра протоны и нейтроны удерживаются особым видом сил — ядерными силами. От электромагнитных сил они отличаются. Во-первых, одинаково действуют на заряженный протон и не имеющий заряда нейтрон. Вовторых, ядерные силы проявляются только тогда, когда нуклоны находятся на малых расстояниях ( ) друг от друга. На таких расстояниях величина их огромна, они сжимают ядерное вещество до плотности в сотни миллионов тонн в. В природе только в нейтронных звездах вещество сжато до ядерных плотностей.

Энергия связи ядер Сильное взаимодействие между нуклонами в ядре (притяжение )- обеспечивает устойчивость ядер, несмотря на отталкивание одноименно заряженных протонов. Энергией связи нуклона в ядре (Wсв. ) называется физическая величина, равная той работе, которую нужно совершить для удаления нуклона из ядра без сообщения ему кинетической энергии. Энергия связи ядра является разностью между энергией всех свободных нуклонов, составляющих ядро, и их энергией в ядре. При образовании ядра происходит уменьшение его массы: масса ядра меньше, чем сумма масс составляющих его нуклонов. Уменьшение массы ядра при его образовании объясняется выделением энергии связи. Если Wсв. - величина энергии, выделяющейся при образовании ядра, то соответствующая ей масса Dm, называется дефектом массы

Дефект массы • Дефект массы характеризует уменьшение суммарной массы при образовании ядра из составляющих его нуклонов. Если ядро с массой Mяд образовано из Z протонов с массой mp и из (A-Z) нейтронов с массой mn, то дефект массы равен: Dm = Zmp. +(A-Z)mn. - Mяд. • Дефект массы служит мерой энергии связи ядра: Wсв = = [Zmp + (A-Z)mn - Mяд] • Удельной энергией связи ядра Wуд. св называется энергия связи, приходящаяся на один нуклон. • Величина Wсв составляет в среднем 8 Мэ. В/нуклон. По мере увеличения числа нуклонов в ядре удельная энергия связи убывает.

Какие ядра атомов являются радиоактивными • Чтобы вырвать нуклон из ядра, требуется большая энергия. Для элементов средней части периодической системы она составляет около 8 Мэ. В. Так как ядро заряженное, то с увеличением Z (числа протонов в ядре) силы электрического отталкивания увеличиваются, а ядерные силы остаются неизменными. Поэтому ядра с очень большим Z (Z > 100) становятся неустойчивыми. Электрические силы разрывают их. Этим объясняется естественная радиоактивность тяжелых ядер (Z > 84).

Стабильные и нестабильные изотопы Стабильных изотопов известно около 350. Нестабильных, т. е, претерпевающих альфаили бета-распад, в природе немного. Они либо распадаются очень медленно, как, например, уран-238 (половина его атомов распадается примерно за ), либо постоянно пополняются за счет действия космического излучения (углерод-14). Искусственных радиоактивных изотопов, получаемых на ускорителях и реакторах, известно более тысячи.

Основные свойства и строение ядра • • • Ядром называется центральная часть атома, в которой сосредоточена практически вся масса атома и его положительный электрический заряд. Все атомные ядра состоят из элементарных частиц: протонов и нейтронов, которые считаются двумя зарядовыми состояниями одной частицы - нуклона. Протон имеет положительный электрический заряд, равный по абсолютной величине заряду электрона. Нейтрон не имеет электрического заряда. Зарядом ядра называется величина Ze, где е - величина заряда протона, Z порядковый номер химического элемента в периодической системе Менделеева, равный числу протонов в ядре. Число нуклонов в ядре A=N+Z называется массовым числом. Нуклонам (протону и нейтрону) приписывается массовое число, равное единице, электрону - нулевое значение А Ядра с одинаковыми Z, но различными А называются изотопами. Ядра, которые при одинаковом А имеют различные Z, называются изобарами. Ядро химического элемента X обозначается , где Х - символ химического элемента. Всего известно около 300 устойчивых изотопов химических элементов и более 2000 естественных и искусственно полученных радиоактивных изотопов. Плотность ядерного вещества составляет по порядку величины 1017 кг/м 3 и постоянна для всех ядер

Радиоактивность • Радиоактивностью называется превращение неустойчивых изотопов одного химического элемента в изотопы другого элемента, сопровождающееся испусканием некоторых частиц и выделением тепловой энергии. • Естественной радиоактивностью называется радиоактивность, наблюдающаяся у существующих в природе неустойчивых изотопов. • Искусственной радиоактивностью называется радиоактивность изотопов, полученных в результате ядерных реакций.

Виды радиоактивного распада

Виды ионизирующего излучения • Ядро, испытывающее радиоактивный распад, называется материнским; возникающее дочернее ядро оказывается возбужденным, и его переход в основное состояние сопровождается испусканием g-фотона. • Гамма-излучение сопровождается большим количеством энергии выделяемой для уменьшения возбуждения в ядрах продуктов радиоактивных превращений. • Альфа-распадом называется испускание ядрами некоторых химических элементов a-частиц (a излучения) состоящих каждая из двух протонов и двух нейтронов. Свойственно это для тяжелых ядер с массовыми числами А>200 и зарядами ядер Ze>82. • Бета-распад включает три типа ядерных превращений: электронный (b-) и позитронный (b+) распады, и электронный захват. В первых двух - ядро испускает электрон (позитрон) (β излучение). Эти процессы происходят путем превращения одного вида нуклона в ядре в другой: нейтрона в протон или протона в нейтрон. При электронном захвате исчезает один из электронов в ближайшем к ядру слое. Протон, превращаясь в нейтрон, как бы “захватывает” электрон; отсюда произошел термин ”электронный захват”. Электронный захват сопровождается характеристическим рентгеновским излучением.

Гамма излучение

Альфа излечение

Бета излучение

Период полураспада • Скорость процесса распада характеризует период полураспада. Чем меньше период полураспада, тем интенсивнее протекает распад. Так, для урана T ≈ 4, 5 млрд. лет, а для радия T ≈ 1600 лет. Поэтому активность радия значительно выше, чем урана. Существуют радиоактивные элементы с периодом полураспада в доли секунды. • Период полураспада - это постоянная величина для данного химического элемента, ее невозможно изменить. • При α- и β-распаде дочернее ядро может оказаться нестабильным. Поэтому возможны серии последовательных радиоактивных распадов, которые заканчиваются образованием стабильных ядер. В природе существует несколько таких рядов распада. Наиболее длинным из них, является распад урана-238 ( 14 последовательных распадов -8 α и 6 β), который заканчивается стабильным изотопом свинца.

Цепочка распада Урана-238

Закон радиоактивного распада — физический закон, описывающий зависимость интенсивности радиоактивного распада от времени и количества радиоактивных атомов в образце

Согласно закону радиоактивного распада число не распавшихся радиоактивных ядер в источнике убывает со временем по экспоненте. За любой интервал времени распадается одна и та же доля имеющихся атомов, т. е с течением времени скорость распада не меняется. Открыт закон Фредериком Содди и Эрнестом Резерфордом в 1903 г.

Мерой радиоактивности является активность радионуклида • • • АКТИВНОСТЬ РАДИОНУКЛИДА В ИСТОЧНИКЕ – • отражает интенсивность излучения и равна среднему числу распадов за единицу времени. Активность равна отношению числа • самопроизвольных ядерных превращений в источнике за интервал времени (d. N) к величине этого интервала (dt) : A = d. N/dt При однородном распределении радионуклидов применяют понятия удельной активности: массовой, объемной и площадной (поверхностной). Массовая удельная активность - это активность в единице массы твердого или жидкого вещества, измеряется Бк/кг (Ки/кг) Объемная – в единице объема, измеряется Бк(Ки) / л / Поверхностная удельная активность на отдельной поверхности, измеряется Бк ( (Ки)/ Единица измерения активности Беккерель(Бк) в честь первооткрывателя радиоактивности А. Беккереля. Один беккерель в системе СИ соответствует одному распаду в секунду любого радионуклида (1 Бк = 1 расп. /c). Внесистемная единица измерения радиоактивности Кюри (Ки) была принята как активность 1 г химически чистого радия и названа в честь супругов Марии Склодовской. Кюри и Пьера Кюри. Поскольку 1 г Ra дает распадов в секунду, то между Ки и Бк установлено соотношение:

Дозы излучения и единицы измерения • Доза ионизирующего излучения это количество энергии излучения полученной облучаемой средой (объектом, веществом) за время облучения. • Доза ионизирующего излучения выступает мерой воздействия ионизирующего излучения на облучаемый объект. • В зависимости от вида излучения, особенностей облучаемого объекта дозы подразделяются на экспозиционную, поглощенную, эквивалентную, эффективную.

Экспозиционная доза (X) • Это количественная мера рентгеновского и гамма -излучения используемая во внесистемных единицах, определяется зарядом вторичных частиц (d. Q), образующихся в массе вещества (dm) при полном торможении всех заряженных частиц : X = d. Q/dm Единица экспозиционной дозы - Рентген (Р). Р = Кулон/кг Рентген - это экспозиционная доза рентгеновского и излучения, создающая в 1 куб. см воздуха при температуре О°С и давлении 760 мм рт. суммарный заряд ионов одного знака. Применяется экспозиционная доза для контроля облучения при радиационных авариях, экстремальной радиационной обстановке.

Поглощенная доза (D) • Это основная дозиметрическая величина. Она равна отношению средней энергии d. E, переданной ионизирующим излучением веществу в элементарном объеме, к массе dm вещества в этом объеме : D = d. E/dm • Единица поглощенной дозы - Грей (Гр). Гр = Дж/кг Учитывает все виды излучения, за счет которых получена доза

Эквивалентная доза (Н) • Применяется для оценки облучения человека в условиях хронического облучения. Определяется произведением, поглощенной дозы (D) на взвешивающий коэффициент вида излучения (Wв. и. ), за счет которого она получена, единица измерения Зиверт (Зв), равен Джоулю на килограмм). • H= • Учитывает вид излучения за счет которого она получена (взвешивающие коэффициенты для альфа излучения-20; нейтронов от 2 Мэ. В до 20 Мэ. В -10; гамма и бета излучения -1).

Эффективная доза (Eэ) • Эффективная доза равна сумме взвешенных эквивалентных доз во всех органах и тканях: где Wо. t. –взвешивающий коэффициент для органов и тканей, а Ht -эквивалентная доза, поглощенная в ткани - t. • Единица эффективной эквивалентной дозы - Зиверт. • Учитывает радиационный риск при облучении

Значения тканевых весовых множителей wt для различных органов и тканей. Ткань или орган wt Половые железы 0. 20 Печень 0. 05 Красный костный мозг 0. 12 Пищевод 0. 05 Толстый кишечник 0. 12 Щитовидная железа Легкие 0. 12 Кожа 0. 01 Желудок 0. 12 Поверхность костей Мочевой пузырь 0. 05 Остальные органы Молочные железы 0. 05 0. 01 0. 05

Мощность дозы ионизирующего излучения • Поглощённая, эквивалентная и экспозиционная дозы, отнесённые к единице времени, носят название мощности соответствующих доз. Например • Мощность поглощённой дозы ( погл) Гр/с или рад/с. • Мощность эквивалентной дозы ( экв) Зв/с или бэр/с. • Мощность экспозиционной дозы ( эксп) Кл/(кг · с) или Р/с.