Радиационная безопасность – комплекс научно обоснованных мероприятий по обеспечению защиты населения от поражающего действия ионизирующих излучений, а внешней среды от загрязнения при использовании радиоактивных веществ и других источников ионизирующих излучений. Лекция 3. ФИЗИЧЕСКАЯ ПРИРОДА ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ 1. Ионизирующее излучение. Строение и важнейшие свойства атома и его ядра. 2. Радиоактивность. Закон радиоактивного распада. 3. Активность и единицы измерения. 4. Основные виды радиоактивных превращений. 1
1 вопрос. Ионизирующее излучение. Строение и важнейшие свойства атома и его ядра. Ионизация – процесс образования положит. и отрицат. ионов и свободных электронов из электрически нейтральных атомов и молекул. Ионизирующее излучение (ИИ) – поток частиц и электромагнитных Ионизирующее излучение (ИИ) квантов, взаимодействие которых со средой приводит к ионизации ее атомов и молекул. Ионизирующие излучения делятся на: а) электромагнитные б) корпускулярные излучения б) корпускулярные (фотонные) излучения элементарные ядерные частицы с массой отличной от нуля. Большинство из представляют собой поток них – заряженные корпускулы: электромагнитной энергии с ü альфа-частицы (ядра атома гелия); разной (преимущественно ü бета-частицы (электроны и позитроны); короткой) длиной волны. ü протоны (ядра водорода); ü рентгеновское излучение üдейтроны (ядра тяж. водор. – ü гамма-излучение дейтерия); ü тормозное излучение. üтяжелые ионы (ядра, получившие высок. энергию в спец. ускорителях; üнейтроны, частицы не имеющ. заряда 2
Атом – это наименьшая частица хими. Атом – ческого элемента. Состоит из положительно заряженного ядра (1), вокруг которого вращаются отрицательно заряженные электроны (2), образующие электронную оболочку атома. Атом является электрически N, O, P, Q. нейтральным. Электрон – это отрицательно заряженная элементарная Электрон – частица с зарядом е- = 1, 602 10– 19 Кл. Размеры ядер атомов -10 -14 – 10 -15 м, а атома – 10 -10 м. Ядро – центральная часть атома, в нем сосредоточена Ядро почти вся масса атома (более 99, 95%). 1 см 3 ядерного вещества имеет массу около 100 млн. тонн. 3
Ядро состоит из положительно заряженных частиц протонов (р) и и частиц, не имеющих заряда – протонов нейтронов (n). Нейтроны и протоны имеют общее нейтронов название – нуклоны. Ядра с данным числом протонов и нейтронов называют нуклидами. Протон (от греч. protos – первый) – это элементарная частица, имеет положительный заряд, равный по абсолютной величине заряду электрона е- = 1, 602 10 -19 Кл, и массу покоя mp = 1, 6726 10 -27 кг. Нейтрон – нейтральная элементарная частица, которая не имеет электрического заряда, он чуть тяжелее 4 протона и имеет массу покоя mn = 1, 6748 10 -27 кг.
Массовое число (А) - число равняется общему количеству Массовое число (А) нуклонов и характеризуюет массу ядра А = (p + n) = Z + N. Зарядовое число ядра (Z) - численно равно общему числу протонов в ядре. Заряд ядра, выраженный в элементарных единицах численно равен порядковому номеру элемента в периодической таблице Д. И. Менделеева. Так как атом является электрически нейтральной частицей, то число протонов в ядре и число электронов в атоме одинакова р = е- = Z Поскольку Z выражает число протонов, а А число нуклонов в ядре, то число нейтронов в атомном ядре N = А – Z. Для химических элементов принято следующее обозначение: массовое число А – слева вверху зарядовое число Z – слева внизу Например, изотоп урана означает, что массовое число А = 235, зарядовое число Z = 92, число нейтронов N = А – Z = 235 – 92 = 143. 5
В ядре атома каждого химического элемента находится строго определенное количество протонов. Число же нейтронов в ядрах атомов одного и того же химического элемента может быть различным. Атомы одного и того же элемента с одинаковым числом протонов, но с различным числом нейтронов в ядре называются ИЗОТОПАМИ. Электронные оболочки изотопов одного и того же химического элемента одинаковые. Поэтому изотопы имеют одинаковые химические свойства и располагаются в одной клетке периодической таблицы Менделеева. Природный уран – это смесь трех изотопов: - 99, 282 % - 0, 712 % - - - 0, 006 %. Известно около 2000 естественных и искусственно полученных радиоактивных изотопов. Некоторые природные изотопы и почти все искусственные изотопы, не могут сущест6 вовать длительное время и превращаются в другие изотопы.
Атомные ядра с одинаковым массовым числом А и разным Z называются изобарами Например: ядра – изобары (для них А = 40); Атомные ядра с одинаковым числом нейтронов N (N = A – Z) называются – изотонами Например: ядра – изотоны (для них N = 82). 7
2 вопрос. Радиоактивность. Закон радиоактивного распада. Радиоактивность - явление самопроизвольного (спонтан ного) изменения структуры ядра атома одного элемента и превращение его в более устойчивое ядро атома другого элемента, сопровождающееся испусканием элементарных частиц или их групп. Неустойчивое ядро называется радиоактивным. Каждый такой отдельный акт радиоактивным самопроизвольного превращения ядер с испусканием элементарных частиц или их групп называется радиоактивным распадом, а сам такой нуклид - радионуклидом. Если радиоактивный распад сопровождается испусканием альфа-частиц (ядро атома гелия) - альфа-частиц (ядро атома гелия) это альфа-распад; альфа-распад бета-частиц (электроны, позитроны) – это бета-распад Альфа- и бета-распад обычно 8 сопровождаются гамма-излучением. ием
Самопроизвольные превращения радиоактивных ядер приводят к непрерывному уменьшению числа ядер атомов исходного радионуклида. Закон радиоактивного распада для любых превращений ядер устанавливает, что за единицу времени распадается всегда одна и та же доля нераспавшихся ядер данного радионуклида. Эту долю называют постоянной распада и обозначают . В общем виде этот закон выражается экспоненциальной зависимостью где N – число ядер, распавшихся за время t; N 0 – первоначальное нераспавшееся число ядер радионуклида; е = 2, 718; – постоянная распада и соответствующий ей период полураспада зависят только от устойчивости ядер. 9
Период полураспада радиоактивных веществ (Т 1/2) – это время, в ) – течение которого в результате радиоактивного распада первоначальное количество ядер данного радиоактивного вещества уменьшается в два раза. Соответственно вдвое уменьшается интенсивность ионизирующего излучения, испускаемого этим радиоактивным веществом. Радиоактивные вещества разделяют на короткоживущие (часы, дни) и долгоживущие (многие годы). Величина, обратная постоянной распада , называется средним временем жизни радиоактивного ядра: 10
Закон радиоактивного распада выражает уменьшение количества ядер атомов радиоактивного вещества во времени. 11
3. АКТИВНОСТЬ И ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ Активность (А) - мера интенсивности распада Активность (А) радионуклида (скорость распада ядер) и определяется как количество распадов ядер атомов радиоактивного вещества в единицу времени. Если радиоактивное вещество содержит N атомов и его постоянная распада, выражающая долю распадающихся атомов в единицу времени, , то активность будет равна: Моль вещества содержит 6, 02 1023 атомов. В массе m вещества с массовым числом А число атомов: 12
Тогда активность источника выражается формулой: где Аn – активность радионуклида, Бк; m – масса радионуклида, г; А – массовое число радионуклида; Т 1/2 – период полураспада радионуклида, с. Активность источника, в котором содержатся Активность источника радиоактивные ядра одного вида, уменьшается во времени по экспоненциальному закону: где А 0 – активность источника в начальный момент времени (t = 0); t – текущее время, которому соответствует 13 активность вещества An.
Чем меньше период полураспада, тем большая доля ядер атомов радионуклида распадается в единицу времени. Единица измерения активности в Международной системе единиц (СИ)- Беккерель (Бк, Bq) - равен ) активности нуклида в радиоактивном источнике, в котором за время 1 с происходит 1 радиоак. распад 1 Бк = 1 расп/сек. 1 к. Бк = 103 Бк; 1 МБк = 106 Бк. Внесистемная (старая) единица измерения активности – Кюри (Ки) - равен активности нуклида в Кюри (Ки) радиоактивном источнике, в котором за время 1 секунду происходит 3, 7 1010 распадов, 1 Ки = 3, 7 1010 Бк. 1 м. Ки = 37 МБк; 1 мк. Ки = 37 к. Бк. Такой активностью обладает 1 г радия и радиоактивность 1 грамма Rа была принята за единицу измерения Кюри. 14
Для характеристики загрязненности продуктов питания, воды, строительных материалов, почвы используется: удельная активность объемная активность поверхностная активность где m и V соответственно масса и объем пробы с активностью Аn, а S – площадь загрязненной поверхности. Пример. Аs= 5 Ки/км 2 = 5 3, 7 1010 Бк/106 м 2 = 185 к. Бк/м 2. Величины удельной активности и объемной активности зависят от плотности вещества Если плотность пробы = 1 кг/л например воды, то значения объемой активности Аv, Бк/л численно совпадают с удельной активностью Аm, Бк/кг. 15
• Периоды полураспада Т 1/2 разных радионуклидов находятся в широком диапазоне: от долей секунды до многих столетий и даже миллиардов лет. Периоды полураспада некоторых радионуклидов следующие: полония-214 – 1, 64 10 4 с, йода-131 – 8, 05 сут, стронция-90 – 29, 12 лет цезия -137 – 30 лет, плутония-239 – 2, 44 104 лет, урана-235 – 7, 04 108 лет, калия -40 – 1, 4 109 лет и др. Активность вещества зависит не только от массы, но и от периода полураспада и массового числа. Например, одинаковую активность в 1 Ки имеют: 3 т 238 U (Т 1/2 = 4, 5 млрд. лет), 16 г 239 Pu (Т 1/2 = 24, 4 тыс. лет), 0, 1 г 24 Na (Т 1/2 = 15 час) и т. д. 16
4 вопрос. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ РАДИОАКТИВНЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ К числу радиоактивных процессов относятся α-, βраспад, фотонное излучение ядер, спонтанное деление тяжелых ядер, протонная активность и др. а). Альфа-распад – представляет собой процесс испускания ядром частицы, состоящей из двух протонов и двух нейтронов (заряд + 2, массовое число – 4, ядро атома гелия 42 Не). Масса -частицы m = 6, 64 10 -27 кг и заряд q = 3, 204 10 -19 Кл. 17
При -распаде заряд Z распадающегося ядра уменьшается на две а, массовое число A – на четыре единицы. Альфа-распад наблюдается только у тяжелых ядер (А 200, Z 82). Известно более 200 -активных ядер. Переход образованных в результате -распада возбужденных ядер в основное состояние сопровождается гамма-излучением. 18
Схема альфа-распада с Основными источниками -излучения являются естественные радиоизотопы, испускающие -частицы с энергией от 2 до 9 Мэ. В. (1 э. В = 1, 602 10 19 Дж; 1 Дж = 1/1, 602 10 19 = 6, 242 1018 э. В). Кратные единицы: килоэлектронвольт (1 кэ. В = 103 э. В), мегаэлектронвольт (1 Мэ. В = 106 э. В). Существуют моноэнергетические излучатели, ядра которых излучают -частицы только строго определенной энергии: уран 234 U (4, 5 Мэ. В), полоний 216 Ро (6, 78 Мэ. В) и др. 19
Ядра многих элементов испускают -частицы различных энергий. Так, например, для 233 U приблизительно 10 % -частиц имеют энергию 4, 58 Мэ. В, 86% – 4, 40 Мэ. В и 4 % – 4, 18 Мэ. В. Переход образованных в результате -распада возбужденных ядер в основное состояние сопровождается гамма-излучением с энергией Е 0, 5 Мэ. В. Природные -излучатели: уран 238 U и 235 U, радий 226 Ra, торий 232 Th, полоний 218 Po, рутений 222 Ru, свинец 204 Pb и др. 20
б). Бета-излучение - поток -частиц (электронов или позитронов + ), испускаемых ядрами радиоактивных элементов при бета-распаде. -распад – самопроизвольное преобразование ядер, сопровождающееся излучением (поглощением) электрона и антинейтрино или позитрона и нейтрино. Электрон ( –-част. ) - масса me = 9, 109 10 -31 кг и заряд e- = 1, 6 10 -19 Кл. Позитрон ( +-част. ) – элемент. частица с положительным электрическим зарядом, античастица по отношению к электрону. Различают три вида бета-распада: 1) электронный ( ) распад, 2) позитронный ( + ) распад, 3) электронный захват или К-захват. При -распаде массовое число А не изменяется, а зарядовое число Z отличается от исходного на Z = ± 1. 21
1. 2. 3. Электронный захват или К- захват (е- + р n + е). Энергия -активных ядер изменяется от 18 кэ. В (3 Н) до 16, 6 Мэ. В (12 N). Скорость -частиц в воздухе составляет 250 000 -270 000 км/с. 22
В результате электронного бета-распада исходное ядро превращается в новое ядро с прежней массой, а заряд увеличивается на единицу, при этом появляется частица – антинейтрино: Позитронный бета-распад приводит к образованию ядра с прежней массой и зарядом, уменьшенным на единицу, при этом образуется нейтрино: При злектронном захвате ядро притягивает к себе один из электро-нов, расположенных на внутренних орбитах атома (чаще К-слоя):
Таким образом, при всех видах -распада массовое число А не изменяется, а зарядовое число Z отличается на Z = ± 1. Нейтрино – лёгкая (возможно не имеющая массы) стабильная элементарная электрически нейтральная частица. Антинейтрино – античастица для нейтрино. 24
в). Нейтронное излучение – излучение, состоит из нейтронов, возникающих при ядерных реакциях (при взрыве ядерного боеприпаса или в ядерном реакторе). Нейтрон (n) – элементарная, электрически нейтральная частица с массой mn = 1, 6748 10 -27 кг. Нейтронное излучение (свободные нейтроны) образуются в процессе деления ядра (расщепления) - распад на два осколка, сумма масс которых примерно равна массе исходного ядра. 25
Возникающие в процессе деления ядер нейтроны имеют энергию около 2 Мэ. В. Осколки имеют скорость около 10 000 км/с. Нейтрон в свободном состоянии нестабилен, он самопроизвольно превращается в протон с испусканием электрона и антинейтрино: время жизни нейтронов составляет около 16 мин. 26
г). Фотонное излучение включает с себя рентгеновское и гамма- изучение. Гаммаизлучение – коротковолновое электромагнитное излучение с длиной волны 0, 1 нм, испускаемое возбужденными атомными ядрами, при альфа-, бета-распадах или других ядерных преобразованиях. Возбужденные ядра в течение 10 -12 с переходят в основное состояние, испуская избыток энергии в виде -кванта. где h -постоянная планка (h = 6, 626 10 -34 Дж с); - частота электромагнитных излучений. 27
Гамма-излучение имеет внутриядерное происхождение и представляет очень жесткое электромагнитное излучение, не имеющее ни заряда, ни массы покоя и распространяется в воздухе со скоростью света (300 000 км/с). Энергия ядерных -квантов может изменятся от 10 кэ. В до 5 Мэ. В (0, 1 ≥ 2 10 -4 нм). Иногда возбужденное ядро последовательно излучают ряд -квантов, переходя каждый раз в менее возбужденное состояние, пока не станет стабильным. Это явление получило название каскадного излучения. 28
На сегодня ЭТО ВСЁ !!! Спасибо за внимание! 29
Скачать презентацию Радиационная безопасность – комплекс научно обоснованных мероприятий по
лк 3 Физ.природа ИИ .ppt