> >

MK. Радиоактивные превращения. Превращение атомных ядер законы радиоактивного распада При радиоактивном распаде происходит превращение

Радиоактивность

Анри Беккерель в 1896 г. открыл радиоактивность природного урана. Любой элемент периодической системы Менделеева состоит из нескольких видов атомов. Ядра при одном и том же числе протонов могут иметь различное число нейтронов и, соответственно, разные массовые числа. Нуклоны с одинаковым атомным номером, но разными массовыми числами называются изотопами. Например, природный уран имеет три изотопа. 234 U, 235 U, 238 U. В настоящее время известно около 3000 изотопов. Одни из них -стабильные (276, принадлежащие 83 природным элементам), другие - неустойчивые, радиоактивные. Многие элементы с атомными номерами больше, чем у свинца(Z = 82) являются радионуклидами. Радиоактивность заключается в том, что ядра радиоактивных элементов обладают способностью самопроизвольно превращаться в другие элементы с испусканием альфа, бета-частиц и гамма-квантов или путем деления; при этом исходное ядро превращается в ядро другого элемента. Само явление радиоактивности обусловливается только внутренним строением ядра атома и не зависит от внешних условий (температура, давление и т.д.).

Естественная радиоактивность . Естественные радиоактивные изотопы составляют небольшую часть от всех известных изотопов. В земной коре, воде и воздухе встречается около 70 радионуклидов. Последовательность нуклидов, каждый из которых самопроизвольно, благодаря радиоактивному распаду, переходит в следующий до тех пор, пока не будет получен стабильный изотоп, называется радиоактивным рядом. Исходный нуклид называется материнским, а все остальные нуклиды в ряду называют дочерними. В природе существуют три радиоактивных ряда (семейства): урана, актиноурана и тория.

Искусственная радиоактивность. Искусственную радиоактивность впервые открыли Ирен и Фридерик Жолио – Кюри в 1934 году. С радиологической точки зрения особых отличий между естественной и искусственной радиоактивностью нет; искусственные радиоактивные изотопы получают в ядерных реакциях. Ядерные превращения можно наблюдать при бомбардировке частицами (нейтронами, протонами, альфа – частицами и др.) ядер мишени. Большая часть радиоактивных изотопов получена искусственно в ядерных реакторах и ускорительных установках в результате взаимодействия ионизирующих излучений со стабильными изотопами.

При радиоактивном распаде различают следующие типы превращений:

альфа-распад, бета-распад, электронный захват (К-захват), изомерный переход и спонтанное деление.

Альфа-распад . Явление альфа – распада впервые наблюдалось при изучении естественной радиоактивности. Альфа - распад распада характерен для ядер элементов, расположенных в конце периодической таблицы Менделеева. При альфа-распаде радиоактивное ядро испускает альфа-частицу, представляющую собой ядро атома гелия, имеющую двойной положительный заряд и четыре атомные единицы массы. Изменяясь, превращается в ядро, электрический заряд которого меньше первоначального на две единицы, а массовое число меньше первоначального на четыре единицы.



Бета-распад . При бета-распаде ядра могут испускать электроны (е -) - электронный распад или позитроны (е +) – позитронный распад. Позитрон в отличие от электрона имеет положительный заряд, но равную с ним массу. В результате электронного распада массовое число ядра остается без изменения, а заряд увеличивается на единицу, ядро первоначального элемента превращается в ядро с порядковым номером на единицу больше. В результате позитронного распада массовое число ядра остается также без изменения, а заряд уменьшается на единицу; ядро первоначального элемента превращается в ядро с порядковым номером на единицу меньше. Позитронный распад характерен только для незначительной части искусственных радионуклидов. Испускаемые при бета-распаде электроны и позитроны называются бета-частицами. Кроме бета-частиц ядро испускает нейтрино («нейтрончик», так назвал эту частицу Ферми) - незаряженную частицу с массой, близкой к нулю. Процесс альфа и бета – распада часто сопровождается гамма – излучением.

Электронный захват (К-захват). У некоторых радионуклидов атомное ядро захватывает электрон с ближайшей к нему К-оболочки. Это явление является родственным позитронному распаду. В результате захвата электрона один из протонов ядра превращается в нейтрон, массовое число ядра остается без изменения, а заряд уменьшается на единицу. Процесс захвата электрона с К-оболочки атома называют еще К-захватом.

Процесс электронного захвата сопровождается излучением характеристического рентгеновского излучения.

Изомерный переход. Изомерный переход в радиоактивном источнике - переход ядра (который называется изомером) из возбужденного состояния в основное путем испускания фотона гамма-излучения, при котором не изменяются ни атомный номер, ни массовое число. Изомерный переход является одним из видов радиоактивного распада.

Спонтанное деление. При спонтанном делении ядро самопроизвольно распадается на осколки средней массы, которые в свою очередь могут распадаться с испусканием бета-частиц и гамма-квантов. Этот процесс происходит только с тяжелыми ядрами. Все типы ядерных превращений, происходящих при радиоактивном распаде, сопровождаются испусканием ионизирующих излучений.

1. РАДИОАКТИВНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ

Эрнест Резерфорд родился в Новой Зеландии в английской семье. В Новой Зеландии он получил высшее образование, а затем в 1895 г. приехал в Кембридж и занялся научной работой в качестве ассистента Томсона. В 1898 г. Резерфорд был приглашен на кафедру физики Монреальского университета Мак-Гилла (Канада), где продолжал исследование радиоактивности, начатое еще в Кембридже.

В 1899 г. в Монреале коллега Резерфорда Оунз сообщил ему, что радиоактивность тория чувствительна к потокам воздуха. Это наблюдение показалось любопытным, Резерфорд заинтересовался и обнаружил, что радиоактивность соединений тория, если торий находится в закрытой ампуле, сохраняет постоянную интенсивность, если же опыт производится на открытом воздухе, то она быстро уменьшается, причем на результатах сказываются даже слабые потоки воздуха. Кроме того, тела, расположенные по соседству с соединениями тория, спустя некоторое время сами начинают испускать излучение, как если бы они тоже были радиоактивными. Это свойство Резерфорд назвал «возбужденной активностью».

Резерфорд довольно скоро понял, что все эти явления можно легко объяснить, если предположить, что соединения тория испускают, кроме α-частиц, еще другие частицы, которые в свою очередь радиоактивны. Вещество, состоящее из этих частиц, он назвал «эманацией» и считал его подобным радиоактивному газу, который, располагаясь тончайшим невидимым слоем на телах, находящихся рядом с выделяющим эту эманацию торием, сообщает этим телам кажущуюся радиоактивность. Руководствуясь этим предположением, Резерфорд сумел отделить этот радиоактивный газ с помощью простой вытяжки воздуха, имевшего соприкосновение с препаратом тория, а затем, введя его в ионизационную камеру, определил таким образом его активность и основные физические свойства. В частности, Резерфорд показал, что степень радиоактивности эманации (окрещенной позднее тороном, подобно тому как были названы радоном и актиноном радиоактивные газы, испускаемые радием и актинием) очень быстро уменьшается в геометрической прогрессии в зависимости от времени: каждую минуту активность уменьшается вдвое, через десять минут она уже становится совсем незаметной.

Тем временем супруги Кюри показали, что радий тоже обладает свойством возбуждать активность близлежащих тел. Для объяснения радиоактивности осадков радиоактивных растворов они приняли выдвинутую Беккерелем теорию и назвали это новое явление «индуцированной радиоактивностью». Супруги Кюри полагали, что индуцированная радиоактивность вызывается каким-то особым возбуждением тел лучами, испускаемыми радием: нечто похожее на фосфоресценцию, которой они прямо уподобляли это явление. Впрочем, Резерфорд, говоря о «возбужденной активности», первое время тоже, должно быть, имел в виду явление индукции, которое физика XIX века вполне готова была принять. Но Резерфорду уже было известно нечто большее, нежели супругам Кюри: он знал, что возбуждение, или индукция, было не прямым следствием воздействия тория, а результатом действия эманации. Тогда Кюри еще не открыли эманации радия, она была получена Латером и Дорном в 1900 г., после того как они повторили такие же исследования радия, какие Резерфорд провел ранее с торием.

Весной 1900г., опубликовав свое открытие, Резерфорд прервал исследования и вернулся в Новую Зеландию, где должна была состояться его свадьба. По возвращении в Монреаль в том же году он встретился с Фредериком Содди (1877-1956), окончившим химический факультет в Оксфорде в 1898 г. и также недавно приехавшим в Монреаль. Встреча этих двух молодых людей была счастливым событием для истории физики. Резерфорд рассказал Содди о своем открытии, о том, что ему удалось выделить торон, подчеркнул широкое поле исследований, которое здесь открывалось, и предложил ему объединиться для совместного химико-физического изучения соединения тория. Содди согласился.

Это исследование заняло у молодых ученых два года. Содди, в частности, изучил химическую природу эманации тория. В результате своих исследований он показал, что новый газ совершенно не вступает ни в какие известные химические реакции. Поэтому оставалось предположить, что он принадлежит к числу инертных газов, а именно (как Содди определенно показал в начале 1901 г.) новый газ по своим химическим свойствам подобен аргону (сейчас известно, что это один из его изотопов), который Рэлей и Рамсей обнаружили в воздухе в 1894 г.

Упорная работа двух молодых ученых увенчалась новым значительным открытием: вместе с торием в их препаратах был обнаружен другой элемент, отличавшийся по химическим свойствам от тория, а по активности превосходивший торий по крайней мере в несколько тысяч раз. Этот элемент был химически отделен от тория осаждением с помощью аммиака. По примеру Уильяма Крукса, который в 1900 г. назвал радиоактивный элемент, полученный им из урана, ураном X, молодые ученые назвали новый радиоактивный элемент торием X. Активность этого нового элемента в течение четырех дней уменьшается наполовину; этого времени было достаточно, чтобы обстоятельно изучить его. Исследования позволили сделать не подлежащий сомнению вывод: эманация тория получается вовсе не из тория, как это казалось, а из тория X. Если в некотором образце тория торий X отделялся от тория, то интенсивность радиации тория была сначала намного меньше, чем до разделения, но постепенно она увеличивалась со временем по экспоненциальному закону благодаря постоянному образованию нового радиоактивного вещества.

В первой работе 1902 г. ученые, объясняя все эти явления, пришли к выводу, что

«...радиоактивность - это атомное явление, сопровождающееся химическими изменениями, в котором порождаются новые виды вещества. Эти изменения д0лжны происходить внутри атома, а радиоактивные элементы являются, должно быть, спонтанными превращениями атомов... Поэтому радиоактивность нужно рассматривать как проявление внутриатомного химического процесса» (Philosophical Magazine, (6), 4, 395 (1902) ).

А в следующем году они писали уже более определенно:

«Радиоактивные элементы обладают среди всех других элементов самым большим атомным весом. Это, собственно, и есть их единственное общее химическое свойство. В результате атомного распада и выбрасывания тяжелых заряженных частиц с массой того же порядка, что и масса атома водорода, остается новая система, более легкая, чем первоначальная, с физическими и химическими свойствами, совершенно отличными от свойств исходного элемента. Процесс распада, начавшись однажды, затем уже переходит с одной ступени на другую с определенными скоростями, вполне измеримыми. На каждой ступени испускается одна или несколько α-частиц, пока не достигаются последние ступени, когда α-частицы или электроны уже испущены. По-видимому, целесообразно было бы дать специальные названия этим новым осколкам атомов и новым атомам, которые получаются из первоначального атома после испускания частицы и существуют лишь ограниченный отрезок времени, постоянно подвергаясь дальнейшим изменениям. Их отличительным свойством является неустойчивость. Количества, в которых они могут скопляться, очень невелики, так что маловероятно, чтобы их можно было изучать обычными способами. Неустойчивость и связанное с ней испускание лучей и дают нам способ их изучения. Поэтому мы предлагаем называть эти осколки атомов "метаболонами"» (Philosophical Magazine, (6), 5, 536 (1903) ).

Предложенный термин не удержался, потому что эта первая осторожная попытка сформулировать теорию была вскоре исправлена самими авторами и уточнена в ряде неясных пунктов, которые, наверно, отметил и сам читатель. В исправленном виде теория уже не нуждалась в новом термине и лет десять спустя одним из этих молодых ученых, ставшим к тому времени уже ученым с мировым имененем и лауреатом Нобелевской премии по физике, была выражена так:

«Атомы радиоактивного вещества подвержены спонтанным видоизменениям. В каждый момент небольшая часть общего числа атомов становится неустойчивой и взрывообразно распадается. В подавляющем большинстве случаев с огромной скоростью выбрасывается осколок атома - α-частица, в некоторых других случаях взрыв сопровождается выбрасыванием быстрого электрона и появлением рентгеновских лучей, обладающих большой проникающей способностью и известных под названием γ-излучения. Радиация сопровождает превращения атомов и служит мерой, определяющей степень их распада. Было обнаружено, что в результате атомного превращения образуется вещество совершенно нового вида, полностью отличное по своим физическим и химическим свойствам от первоначального вещества. Это новое вещество, однако, само тоже неустойчиво и испытывает превращение с испусканием характерного радиоактивного излучения...

Таким образом, точно установлено, что атомы некоторых элементов подвержены спонтанному распаду, сопровождающемуся излучением энергии в количествах, огромных по сравнению с энергией, освобождающейся при обычных молекулярных видоизменениях» (E. Rutherford, The structure of the atom, Scientia, 16, 339 (1914) ).

В уже цитировавшейся статье 1903 г. Резерфорд и Содди составили таблицу «метаболонов», которые, согласно их теории, образуются в соответствии с их собственными опытами и опытами других ученых как продукты распада:


Таковы первые «генеалогические деревья» радиоактивных веществ. Постепенно другие вещества заняли свое место в этих семействах естественных радиоактивных элементов, и было установлено, что таких семейств всего три, из коих два имеют родоначальником уран, а третье - торий. Первое семейство насчитывает 14 «потомков», т. е. 14 элементов, получающихся один из другого в результате последовательного распада, второе - 10, третье - 11; в любом современном учебнике физики можно найти подробное описание этих «генеалогических деревьев».

Позволим себе одно замечание. Сейчас может казаться вполне естественным, более того, само собой разумеющимся тот вывод, к которому пришли в результате своих опытов Резерфорд и Содди. По сути дела, о чем шла речь? О том, что спустя некоторое время в первоначально чистом тории оказывалась примесь нового элемента, из которого в свою очередь образовывался газ, также обладающий радиоактивностью. Образование новых элементов можно видеть наглядно. Наглядно, но не очень. Нужно иметь в виду, что количества, в которых образовывались новые элементы, были очень далеки от тех минимальных доз, которые в то время были необходимы для самого точного химического анализа. Речь шла о едва заметных следах, которые можно обнаружить лишь радиоактивными методами, по фотографии и ионизации. Но все эти эффекты можно было объяснить и другим способом (индукцией, присутствием новых элементов в исходных препаратах с самого начала, как это было при открытии радия, и т. п.). То, что распад вовсе не был так уж очевиден, ясно хотя бы из того, что ни Крукс, ни Кюри не увидели ни малейшего намека на это, хотя и наблюдали аналогичные явления. Нельзя умолчать и о том, что нужно было большое мужество, чтобы в 1903 г., в самый разгар триумфа атомистики, говорить о превращениях элементов. Эта гипотеза отнюдь не была защищена от всевозможной критики и, быть может, не устояла бы, если бы Резерфорд и Содди с удивительным упорством не отстаивали ее в течение целых десятилетий, прибегая все к новым доказательствам, о которых мы еще будем говорить.

Нам кажется уместным прибавить здесь, что теория радиоактивной индукции также оказала большую услугу науке, предотвратив распыление сил в поисках новых радиоактивных элементов при каждом проявлении радиоактивности у нерадиоактивных элементов.

2. ПРИРОДА α-ЧАСТИЦ

Очень важным пунктом в теории радиоактивного распада, который мы до сих пор обходили, однако, молчанием в целях простоты изложения, является природа α-частиц, испускаемых радиоактивными веществами, ибо гипотеза, приписывающая им корпускулярные свойства, имеет определяющее значение для теории Резерфорда и Содди.

Сначала α-частицы - медленная, легко поглощаемая веществом компонента излучения - после их открытия Резерфордом не привлекали особого внимания физиков, интересовавшихся преимущественно быстрыми β-лучами, обладающими в сто раз большей проникающей способностью, нежели α-частицы.

Тот факт, что Резерфорд предугадал важность α-частиц для объяснения радиоактивных процессов и многие годы посвятил их изучению, является одним из самых ясных проявлений гениальности Резерфорда и одним из главных факторов, определивших успех его деятельности.

В 1900 г. Роберт Рэлей (Роберт Стретт, сын Джона Уильяма Рэлея) и независимо от него Крукс выдвинули гипотезу, не подтвержденную никаким опытным доказательством, согласно которой α-частицы несут положительный заряд. Сегодня очень хорошо можно понять те трудности, которые стояли на пути экспериментального исследования α-частиц. Этих трудностей две: во-первых, α-частицы намного тяжелее β-частиц, поэтому они незначительно отклоняются под воздействием электрических и магнитных полей, и, конечно, простого магнита было недостаточно, чтобы получить заметное отклонение; во-вторых, α-частицы быстро поглощаются воздухом, отчего наблюдать их становится еще труднее.

В течение двух лет Резерфорд пытался добиться отклонения α-частиц в магнитном поле, но все время получал неопределенные результаты. Наконец, в конце 1902 г., когда ему удалось благодаря любезному посредничеству Пьера Кюри получить достаточное количество радия, он смог надежно установить отклонение α-частиц в магнитном и электрическом полях с помощью показанного на стр. 364 устройства.

Наблюдавшееся им отклонение позволило определить, что α-частица несет положительный заряд; по характеру отклонения Резерфорд определил также, что скорость α-частицы приблизительно равна половине скорости света (позднейшие уточнения уменьшили скорость примерно до одной десятой скорости света); отношение e/m получилось равным приблизительно 6000 электромагнитных единиц. Из этого следовало, что если α-частица несет элементарный заряд, то ее масса должна быть вдвое больше массы атома водорода. Резерфорд отдавал себе отчет в том, что все эти данные в высшей степени приближенны, но один качественный вывод они все же позволяли сделать: α-частицы обладают массой того же порядка, что и атомные массы, и поэтому подобны каналовым лучам, которые наблюдал Гольдштейн, но обладают значительно большей скоростью. Полученные результаты, говорит Резерфорд, «проливают свет на радиоактивные процессы», и отражение этого света мы уже видели в цитировавшихся отрывках из статей Резерфорда и Содди.

В 1903 г. Мария Кюри подтвердила открытие Резерфорда с помощью описываемой теперь во всех учебниках физики установки, в которой благодаря сцинтилляции, вызываемой всеми лучами, которые испускает радий, можно было одновременно наблюдать противоположные отклонения α-частиц и β-лучей и невосприимчивость γ-излучения к электрическому и магнитному полям.

Теория радиоактивного распада навела Резерфорда и Содди на мысль, что все устойчивые вещества, получающиеся при радиоактивных превращениях элементов, должны присутствовать в радиоактивных рудах, в которых эти превращения происходят уже в течение многих тысяч лет. Не следует ли тогда считать гелий, найденный Рамсеем и Траверсом в урановых рудах, продуктом радиоактивного распада?

С начала 1903 г. изучение радиоактивности получило неожиданно новый толчок благодаря тому, что Гизель (фирма «Хининфабрик», Брауншвейг) выпустил в продажу по сравнительно умеренным ценам такие чистые соединения радия, как гидрат бромистого радия, содержащий 50% чистого элемента. До этого приходилось работать с соединениями, содержавшими самое большее 0,1% чистого элемента!

К тому времени Содди вернулся в Лондон, чтобы продолжать там изучение свойств эманации в химической лаборатории Рамсея - единственной тогда в мире лаборатории, где можно было проводить исследования такого рода. Он купил 30 мг поступившего в продажу препарата, и этого количества оказалось ему достаточно, чтобы вместе с Рамсеем в том же 1903 г. доказать, что гелий присутствует в радии, имеющем возраст несколько месяцев, и что при распаде эманации образуется гелий.

Но какое место занимал гелий в таблице радиоактивных превращений? Был ли он конечным продуктом превращений радия или же продуктом какой-то из стадий его эволюции? Резерфорд очень скоро догадался, что гелий образуемся α-частицами, испускаемыми радием, что каждая α-частица является атомом гелия с двумя положительными зарядами. Но чтобы доказать это, понадобились годы работы. Доказательство было получено лишь тогда, когда Резерфорд и Гейгер изобрели счетчик α-частиц, о котором мы говорили в гл. 13. Измерение заряда отдельной α-частицы и определение отношения e/m сразу же дало для ее массы m значение, равное массе атома гелия.

И все же все эти исследования и подсчеты еще не доказывали решительно, что α-частицы тождественны с ионами гелия. В самом деле, если бы, скажем, одновременно с выбрасыванием α-частицы освобождался атом гелия, то все опыты и расчеты оставались бы в силе, но α-частица могла бы быть и атомом водорода или какого-нибудь другого неизвестного вещества. Резерфорд хорошо понимал возможность такой критики и, чтобы отклонить ее, в 1908 г. вместе с Ройдсом дал решительное доказательство своей гипотезы с помощью установки, схематически изображенной на приведенном рисунке: α-частицы, испускаемые радоном, собираются и накапливаются в трубке для спектроскопического анализа; при этом наблюдается характерный спектр гелия.

Таким образом, начиная с 1908 г. уже не было никаких сомнений в том, что α-частицы являются ионами гелия и что гелий представляет собой составную часть естественных радиоактивных веществ.

Прежде чем перейти к другому вопросу, добавим еще, что через несколько лет после обнаружения гелия в урановых рудах американский химик Болтвуд, исследуя руды, содержащие уран и торий, пришел к выводу, что последним нерадиоактивным продуктом последовательного ряда превращений урана является свинец и что, кроме того, радий и актиний - сами продукты распада урана. Таблица «метаболонов» Резерфорда и Содди должна была, таким образом, претерпеть существенное изменение.

Теория атомного распада приводила к еще одному новому интересному следствию. Поскольку радиоактивные превращения происходят с неизменной скоростью, которую не мог изменить никакой физический фактор, известный в то время (1930 г.), то по соотношению количеств урана, свинца и гелияг присутствующих в урановой руде, можно определить возраст самой руды, т. е. возраст Земли. Первый подсчет дал цифру в один миллиард восемьсот миллионов лет, но Джон Джоли (1857-1933) и Роберт Рэлей (1875-1947), проведшие важные исследования в этой области, считали эту оценку весьма неточной. Сейчас возраст урановых руд считают примерно равным полутора миллиардам лет, что не очень отличается от первоначальной оценки.

3. ОСНОВНОЙ ЗАКОН РАДИОАКТИВНОСТИ

Мы уже говорили, что Резерфорд установил на опыте экспоненциальный закон убывания активности эманации тория со временем: активность уменьшается вдвое примерно за одну минуту. Все радиоактивные вещества, исследованные Резерфордом и другими, подчинялись качественно такому же закону, но каждому из них соответствовал свой период полураспада. Этот экспериментальный факт выражается простой формулой (Эта формула имеет вид

где λ постоянная полураспада, а обратная ей величина есть среднее время жизни элемента. Время, необходимое для того, чтобы число атомов уменьшилось вдвое, называется периодом, или временем, полураспада. Как мы уже сказали, А, сильно изменяется от элемента к элементу и, следовательно, меняются и все другие зависящие от нее величины. Например, среднее время жизни урана I равно 6 миллиардам 600 миллионам лет, а актиния А - трем тысячным долям секунды), устанавливающей соотношение между числом N 0 радиоактивных атомов в начальный момент и числом еще не распавшихся атомов в момент t. Этот закон можно выразить иначе: доля атомов, распадающихся за определенный промежуток времени, является постоянной, характеризующей элемент, и называется постоянной радиоактивного распада, а величина, обратная ей, называется средним временем жизни.

До 1930 г. не было известно какого-либо фактора, который влиял бы хоть в малейшей степени на естественную скорость этого явления. Начиная с 1902 г., Резерфорд и Содди, а затем и многие другие физики помещали радиоактивные тела в самые различные физические условия, но ни разу не получили ни малейшего изменения постоянной радиоактивного распада.

«Радиоактивность, - писали Резерфорд и Содди, - согласно нашим сегодняшним знаниям о ней, следует рассматривать как результат процесса, остающегося совершенно вне сферы действия известных нам и контролируемых сил; она не может быть ни создана, ни изменена, ни остановлена» (Philosophical Magazine, (6), 5, 582 (1903). ).

Среднее время жизни элемента - это точно определенная константа, неизменная для каждого элемента, однако индивидуальное время жизни отдельного атома данного элемента совершенно неопределенно. Среднее время жизни не уменьшается со временем: оно одно и то же как для группы только что образовавшихся атомов, так и для группы атомов, образовавшихся в ранние геологические эпохи. Короче говоря, прибегая к антропоморфному сравнению, можно сказать, что атомы радиоактивных элементов умирают, но не стареют. В общем с самого начала основной закон радиоактивности показался совершенно непостижимым, каким остается и до наших дней.

Из всего сказанного ясно, и это было понятно сразу же, что закон радиоактивности - закон вероятностный. Он утверждает, что возможность распада атома в данный момент одинакова для всех имеющихся радиоактивных атомов. Речь идет, таким образом, о статистическом законе, который тем яснее выявляется, чем больше число рассматриваемых атомов. Если бы на явление радиоактивности влияли внешние причины, то объяснение этого закона было бы довольно простым: в таком случае атомами, распадающимися в данный момент, были бы как раз те атомы, которые находятся по отношению к воздействующей внешней причине в особенно благоприятных услов-виях. Эти особые условия, приводящие к распаду атома, можно было бы, например, объяснить тепловым возбуждением атомов. Иными словами, статистический закон радиоактивности имел бы тогда такой же смысл, как и статистические законы классической физики, рассматриваемые как синтез частных динамических законов, которые из-за большого их числа просто удобно рассматривать статистически.

Но данные опыта не давали абсолютно никакой возможности свести этот статистический закон к сумме частных законов, определяемых внешними причинами. Исключив внешние причины, стали искать причины превращения атома в самом атоме.

«Так как, - писала Мария Кюри, - в совокупности большого числа атомов некоторые из них немедленно разрушаются, в то время как другие продолжают существовать в течение очень долгого времени, то нельзя уже рассматривать все атомы одного и того же простого вещества как совершенно одинаковые, а следует признать, что различие в их судьбе определяется индивидуальными различиями. Но тогда возникает новая трудность. Различия, которые мы хотим учитывать, должны быть такого рода, что они не должны определять, так сказать, «старения» вещества. Они должны быть такими, чтобы вероятность того, что атом проживет еще некоторое данное время, не зависела от того времени, в течение которого он уже существует. Любая теория строения атомов должна удовлетворять этому требованию, если она основана на высказанных выше соображениях» (Rapports et discussions du Conseil Solvay tenu a Bruxelles du 27 au 30 avril 1913, Paris, 1921, p. 68-69 ).

Точку зрения Марии Кюри разделял и ее ученик Дебьерн, который выдвинул предположение, что каждый радиоактивный атом непрерывно быстро проходит через многочисленные различные состояния, сохраняя неизменным и независимым от внешних условий некое среднее состояние. Отсюда следует, что в среднем все атомы одного и того же вида обладают одинаковыми свойствами и одинаковой вероятностью распада, обусловливаемого неустойчивым состоянием, через которое атом время от времени проходит. Но наличие постоянной вероятности распада атома предполагает чрезвычайную его сложность, поскольку он должен состоять из большого числа элементов, подверженных беспорядочным движениям. Это внутриатомное возбуждение, ограниченное центральной частью атома, может привести к необходимости введения внутренней температуры атома, которая значительно выше внешней.

Эти соображения Марии Кюри и Дебьерна, не подтвержденные, однако, никакими опытными данными и не приведшие ни к каким реальным следствиям, не нашли отклика среди физиков. Мы вспомнили их потому, что оказавшаяся безрезультатной попытка классического истолкования закона радиоактивного распада была первым, или по крайней мере наиболее убедительным, примером статистического закона, который нельзя получить из законов индивидуального поведения отдельных объектов. Возникает новая концепция статистического закона, данного непосредственно, безотносительно к поведению индивидуальных объектов, составляющих совокупность. Такая концепция станет ясной лишь спустя десять лет после безуспешных усилий Кюри и Дебьерна.

4. РАДИОАКТИВНЫЕ ИЗОТОПЫ

В первой половине прошлого века некоторые химики, в частности Жан Батист Дюма (1800-1884), В заметили определенную связь между атомным весом элементов и их химическими и физическими свойствами. Эти наблюдения были завершены Дмитрием Ивановичем Менделеевым (1834-1907), который в 1868 г. опубликовал свою гениальную теорию периодической системы элементов, одно из самых глубоких обобщений в химии. Менделеев расположил известные в то время элементы в порядке возрастания атомного веса. Вот первые из них, с указанием их атомного веса по данным того времени:

7Li; 9,4Ве; 11В; 12С; 14N; 160; 19F;

23Na; 24Mg; 27,3Al; 28Si; 31P; 32S; 35,50Сl.

Менделеев заметил, что химические и физические свойства элементов являются периодическими функциями от атомного веса. Например, в первом ряду выписанных элементов плотность регулярно возрастает с увеличением атомного веса, достигает максимума в середине ряда, а затем уменьшается; такую же периодичность, хотя и не столь четкую, можно видеть и в отношении других химических и физических свойств (точка плавления, коэффициент расширения, проводимость, окисляемость и т. п.) для элементов как первого, так и второго ряда. Эти изменения происходят по одинаковому закону в обоих рядах, так что элементы, которые находятся в одной и той же колонке (Li и Na, Be и Mg и т. д.), обладают аналогичными химическими свойствами. Эти два ряда называются периодами. Таким образом, все элементы можно распределить по периодам в соответствии с их свойствами. Из этого и следует закон Менделеева: свойства элементов находятся в периодической зависимости от их атомных весов.

Здесь не место рассказывать об оживленной дискуссии, которую вызвала периодическая классификация, и о ее постепенном утверждении благодаря бесценным услугам, которые она оказала развитию науки. Достаточно лишь указать, что к концу прошлого столетия она была принята почти всеми химиками, которые принимали ее как опытный факт, убедившись в тщетности всех попыток теоретически ее интерпретировать.

В самом начале XX века при обработке драгоценных камней на Цейлоне был открыт новый минерал, торианит, который, как известно сейчас, представляет собой ториево-урановый минерал. Некоторое количество торианита было послано в Англию для анализа. Однако при первом анализе из-за ошибки, которую Содди приписывает известной немецкой работе по аналитической химии, был спутан торий с цирконием, из-за чего исследуемое вещество, считавшееся урановой рудой, было подвергнуто обработке по методу Кюри для отделения радия от урановой руды. В 1905 г., применив указанный способ, Вильгельм Рамсей и Отто Хан (последний обессмертил свое имя тридцать лет спустя, открыв реакцию деления урана) получили вещество, которое химический анализ определял как торий, но которое отличалось от него гораздо более интенсивной радиоактивностью. Как и в случае тория, в результате его распада образовались торий X; торон и другие радиоактивные элементы. Интенсивная радиоактивность свидетельствовала о наличии в полученном веществе нового радиоактивного элемента, химически еще не определенного. Его назвали радиоторием. Вскоре выяснилось, что он представляет собой элемент из ряда распада тория, что он ускользнул от предшествовавшего анализа Резерфорда и Содди и должен быть вставлен между торием и торием X. Среднее время жизни радиотория оказалось равным примерно двум годам. Это достаточно долгий срок, чтобы радиоторий мог заменить в лабораториях дорогостоящий радий. Помимо чисто научного интереса, эта экономическая причина побудила многих химиков попытаться выделить его, но все попытки оказались безрезультатными. Никаким химическим процессом отделить его от тория не удавалось, более того, в 1907 г. проблема, казалось, еще более усложнилась, потому что Хан открыл мезоторий - элемент, порождающий радиоторий, который тоже оказался неотделимым от тория. Американские химики Мак-Кой и Росс, потерпев неудачу, имели смелость объяснять ее и неудачи других экспериментаторов принципиальной невозможностью отделения, но их современникам такое объяснение показалось лишь удобной отговоркой. Между тем в период 1907-1910 гг. были отмечены другие случаи, когда одни радиоактивные элементы не удавалось отделить от других. Наиболее типичными примерами были торий и ионий, мезоторий I и радий, радий D и свинец.

Некоторые химики уподобляли неотделимость новых радиоэлементов случаю с редкоземельными элементами, с которым химия столкнулась в XIX веке. Первое время сходные химические свойства редких земель заставили считать свойства этих элементов одинаковыми, и лишь позднее по мере совершенствования химических методов постепенно удалось отделить их. Однако Содди считал, что эта аналогия надуманная: в случае с редкими землями трудность состояла не в том, чтобы разделить элементыг а в том, чтобы установить факт их разделения. Напротив, в случае радиоактивных элементов с самого начала ясно различие двух элементов, а вот отделить их не удается.

В 1911 г. Содди провел систематическое исследование коммерческого препарата мезотория, содержащего также радий, и обнаружил, что относительное содержание одного из этих двух элементов увеличить невозможно, даже прибегая к многократной фракционной кристаллизации. Содди пришел к выводу, что два элемента могут обладать различными радиоактивными свойствами и тем не менее иметь настолько сходные другие химические и физические свойства, что они оказываются неразделимыми с помощью обычных химических процессов. Если два таких элемента обладают одинаковыми химическими свойствами, их следует помещать на одно и то же место в периодической таблице элементов; поэтому он назвал их изотопами.

Исходя из этой основной идеи, Содди попытался дать теоретическое объяснение, сформулировав «правило смещения при радиоактивных превращениях»: испускание одной α-частицы приводит к смещению элемента на два места влево в периодической системе. Но превращенный элемент может впоследствии вернуться в ту же клетку периодической системы при последующем испускании двух β-частиц, в результате чего два элемента будут обладать одинаковыми химическими свойствами, несмотря на различные атомные веса. В 1911 г. химические свойства радиоактивных элементов, испускающих β-лучи и обладающих, как правило, очень малой продолжительностью жизни, были еще мало известны, поэтому, прежде чем принять такое объяснение, нужно было лучше узнать свойства элементов, испускающих β-лучи. Содди поручил эту работу своему ассистенту Флекку. Работа потребовала много времени, и в ней приняли участие оба ассистента Резерфорда - Рессел и Хевеши; позднее этим занялся также Фаянс.

Весной 1913 г. работа была завершена и правило Содди было подтверждено без всяких исключений. Его можно было сформулировать очень просто: испускание α-частицы уменьшает атомный вес данного элемента на 4 единицы и смещает элемент на два места влево в периодической системе; испускание же β-частицы не меняет существенно атомного веса элемента, но смещает его на одно место вправо в периодической системе. Поэтому если за превращением, вызванным испусканием α-частицы, следует два превращения с испусканием β-частиц, то после трех превращений элемент возвращается на первоначальное место в таблице и приобретает те же химические свойства, что и исходный элемент, обладая, однако, атомным весом, меньшим на 4 единицы. Из этого ясно следует также, что изотопы двух различных элементов могут иметь одинаковый атомный вес, но различные химические свойства. Стьюарт назвал их изобарами. На стр. 371 воспроизведена схема, иллюстрирующая правило смещения при радиоактивных превращениях в форме, данной Содди в 1913 г. Сейчас мы знаем, конечно, значительно больше радиоактивных изотопов, чем знал Содди в 1913 г. Но нам не стоит, пожалуй, прослеживать все эти последующие технические завоевания. Важнее лишний раз подчеркнуть главное: α-частицы несут два положительных заряда, а β-частицы - один отрицательный заряд; испускание любой из этих частиц изменяет химические свойства элемента. Глубокий смысл правила Содди состоит, таким образом, в том, что химические свойства элементов, или по крайней мере радиоактивных элементов, пока это правило не распространено дальше, связаны не с атомным весом, как это утверждала классическая химия, а с внутриатомным электрическим зарядом.

Р а д и о а к ти в ный р а с п ад - э т о и с п у с ка ни е, в ыб р а с ы в а ни е с о гр о м ны м и с ко р о с т я м и из яд е р а т о м ов «эл е м е нт а р ны х» (а т о м ны х, с у б а т о м ны х )

ч а с ти ц, ко т о р ы е прин я т о н а зы ва т ь р а д и оак ти в ны м и ч а с ти ца м и и л и

р а д и оак ти в ным из лу ч е ни е м . При э т о м , в п одавляющ е м б ольш ин с т в е с лу ч а е в яд р о а т о м а (а з н а чит , и с ам а т о м ) о д ного химич е с кого эл е м е нта пр е в р а щ а е т с я в я др о а т о м а (в а т о м ) д р у г о г о х имич е с ко г о эле м е нт а и л и од ин и з о т о п д а нн о г о х имич е с ко г о эл е м е нт а пр е в р ащ а е т с я в д р у г о й из о т о п т о г о же эле м е нт а . Д л я естестве нн ы х ( п р и р о д н ы х ) р а д иону к л и д о в о с но в н ым и в и д а м и р а д иоак т и в но г о р а с па д а я вл я ют с я а л ь ф а - и б ет а- м ину с - р а с па д (хо т я в с т р е ч аю т с я и д р у г и е ) . Н а з ва ни я альфа и б е т а бы л и д а ны Э р н е с т о м Р е з е р фо р до м в 1 9 00 г оду при из у ч е нии р а д и оак ти в ны х из лу ч е ний . Д л я и с к у сс т ве нн ы х ( те хно г е нн ы х ) р а д иону к л и д о в к р о м е эт о г о х а р ак тер н ы т ак же н е й тр онн ы й , п р о т онн ы й , поз и тр онн ы й ( б ет а -п л ю с) и б о лее ред к и е в и ды р а с па д а и я дер н ы х п ре в р ащ е ний (м е з о нн ы й , К - з ахва т , из о м е р ный п е р ехо д , «о т кал ы в а ни е» и д р . ) .

АЛ Ь ФА -Р А С П АД a- р а с па д - в ыб р а с ы в а ни е (и с п у с ка ни е ) из яд р а а т о м а a- ч а ст и цы . a- ч а ст и ц а э т о2 п р о т о н а и 2 ней т р она, т о е с т ь ядро атома г е л и я с м а с с ой 4 ед ини ц ы и за р я д о м + 2 . С ко р о с т ь a -ч а с ти ц ы при в ы л е т е из яд р а о т 12 до 20 ты с . к м/ с ек.В вакуу м е a -ч а с ти ца м о г ла бы о б о г н у т ь з е мн о й ша р п о эква т о р у з а 2 с ек. Н ап р и ме р , п р и a - р а с па де у р ана в се г д а о б р азу етс я т о р и й , п р и a - р а с па де т о р и я - р а д и й , п р и р а с па де р а д ия - р а д он , за т ем по л он и й и након ец - св ин ец.

П р и э т о м из к о нк р ет но г о изо т опа у р ан а -2 3 8 об р азу етс я т о р ий-2 3 4 , за т ем р а д ий-2 3 0 , р а д о н -2 2 6 и т. д.

В Е Т А -Р А С ПАД b - р а с па д - и с пу с кани е о б ы ч н ы х э л е к тр оно в с за р я д о м -1 ( е - ) и л и поз и тр оно в - с за р я д о м + 1 (е + ) . Ско р о с т ь в ы л е т а b-ча с т иц из яд р а с о с т а вля е т 9 / 10 с ко р о с ти с в е т а - 2 7 0 0 0 0 к м/ с ек. Э т о с а м ый р а с п р о с т р а нѐн н ый в и д р а д и оак ти в ны х п р е в р ащ е ний , о с о б е н н о с р е д и и с ку с с т в е нны х р а д и о н у кл и до в . Н а б люда е т с я пр ак тич е с к и у в с ех из ве с тны х н а с е г од н я х имич е с к и х эл е м е нт о в .

Бе т а -мин ус р а с п ад – и с п у с ка ни е из яд р а эл е к т р о н а, о бр а з овав ш е г о с я в р е з ул ь т а т е с а м о пр о из воль н о г о п р е в р ащ е ни я од н о г о из н е йт р о н ов в пр о т о н и элек тр о н . При э т о м т яж ѐ л ый п р о т о н о с т а ѐ т с я в яд р е, а л ѐг к ий эл е к т р о н - ч а с ти ца - с о гр о м н о й с ко р о с т ью в ы л е т а е т из яд р а. П р о т о н ов в яд р е с т а ло н а од ин б ольше и я др о п р е вр аща етс я в я др о с о сед н е г о эле м е н т а с п р а в а - с бо льш и м но м е р о м.

Гамма –излучение . Это поток гамма-квантов, электромагнитное излучение, более «жёсткое « чем обычное медицинское рентгеновское, представляющее поток фотонов с меньшей энергией .

О т л ичи е g -из лу ч е ни я о т р е нтг е н ов с ко г о (как и в с лу ч ае b -из л у ч е ни я ) , т а кже т о л ько в « м е с т е р ожд е ни я» : яд р о а т о м а, а н е е г о элек т р о н н ы е о б оло ч к и .

59. Закон радиоактивного распада.

З а ко н р а д и оак ти в н о г о р а с п а д а - ф изи ч е с к ий з ако н , о пи с ы в а ющ ий з ав и с им о с т ь и н т е н с и в н о с ти р а д и оак ти в н о г о р а с п а д а о т в р е м е ни и

ко л ич е с т в а р а д и оак ти в ны х а т о м ов в о б р а з це. О т к рыт Фр е д е р ико м С о д д и и Э р н ест о м Р е з ер ф о р д о м , кажд ый из ко т о р ых впо с л е д с т в и и был нагр а жд е н Ноб е л е в с кой пр е м и е й. Закон о бн а р уже н эк с п е р им е нт а ль ным п у тѐм . П е р в ы е п у б л и кац ии о тн о с я т с я к 1 9 03 г оду : « С р ав нит е ль н ое из у ч е ни е р ад и о а к ти в н о с ти р а д и я и т о ри я» и « Р а д и оак ти в н ое пр е в р ащ е ни е». Фр е д е р ик Со д д и (« T he s t ory of a t o mi c en e rgy», 1 9 49 г оду ) до в оль н о о р иги н аль н о о тзы в а е т с я о з ако н е : С лед у ет о тмет и т ь , чт о закон п р ев р ащ е ний о д инако в дл я все х р а д ио э л е м е н т о в , я вл яя с ь с а м ы м п р о стым и в т о же вр ем я пр а кт и чески необъ я с н и мым. Э т от закон имеет вероят н ос т ную п р и р о д у . Е г о м о ж но п р е дст а в и т ь в в и де д уха р аз р у ше ния , ко т о р ы й в ка жд ы й д анн ы й м о м е н т нау г а д р а с щ е п л я ет оп р е д е л ѐ нно е ко л и честв о с ущ е ств у ю щих а т о м о в , н е забо т я сь об о т бо р е те х из н и х , к о т о рые б л и зки к св о е м у р а с па д у .

0

Е с л и в н а ч аль н ый м о м е нт в р е м е ни в вещ е с т ве с од е р жало с ь N р а д и оак ти в ны х а т о м ов, т о с п у с т я в р е м я t и х чи с ло N с т а н е т р ав ны м :г де - п о с т оя нн ая р а с п ада да нн о г о р а д и о н укл и да.

П о с т оянная р а с па д а - э т о о тн ош е ни е дол и яд е р р а д и о н у кл и да, р а с п адающ и х с я з а инт е р вал в р е м е ни d t , к э т о м у инт е р ва л у в р е м е ни

П о с т оя нн ая р а с п а д а (р а д и оак ти в н ая п о с т оя нн ая и л и ко н с т а нт а ) - э т о д о ля а т о м о в , р а с пад а ющ и х с я в 1 с е кунду.

Ср е д н ее в р е м я ж и з н и р а д и о н укл и да с вя з а н о с п о с т оя нн о й р а с п ада λ с оо т н оше ни е м :

= 1 / λ

В р е м я, в т е ч е ни е ко т о р о г о чи с ло а т о м ов р а д и о н у кл и да в р е з уль т а т е р а д и оак ти в н о г о р а с п а д а у м е н ьша е т с я в д в а р а з а, н а зы ва е т с я

п е р ио д о м по л у р а с па д а р а д и о н у кл и да T 1 / 2 .

Р а д и о а к ти в н о с т ь в е щ е с т в а A о пр ед е ля е т с я инт е н с и в н о с т ью и л и с ко р о с т ью р а с п ада е г о а т о м ов :

При э т о м ве л ичин а о пр е д е ля е т р а д и оак ти в н о с т ь в е щ е с т в а в н а ч аль н ый м о м е нт в р е м е ни . Из при ве д е нны х о пр ед е л е ний с л е дуе т , чт о ак ти в н о с т ь р а д и о н укл и да А с вя з а н а с чи с ло м р а д и оак ти в ны х а т о м ов в и с т о чни ке в д а н н ый м о м е нт в р е м е ни с оо т н о ш е ни е м :

60 . Активность –количество актов распада (в общем случае актов радиоактивных, ядерных превращений)в единицу времени(как правило, в секунду).

Единицами измерения активности являются беккерельи кюри.

Беккерель (Бк) -это один акт распада в секунду (1 расп/сек). Единица названа в честь французского физика, лауреата Нобелевской премии АнтуанаАнри Беккереля.

Кюри (Ки) –активность 1 грамма радия-226 в равновесии с дочерними продуктами распада. Кюри (Ки) -3,7x1010Бк. Если радионуклиды распределены в объеме вещества, то используют понятие «удельная активность» (массовая или объѐмная) –активность единицы массы или объѐма вещества, измеряя ее в Бк/кгили Ки/кг; Бк/лили Ки/л.

Точнее, это активность радионуклида (или смеси радионуклидов) в единице веса или объѐма вещества.

В случае, когда радионуклиды распределены по поверхности почвы, используют понятие «поверхностная активность» –активность единицы площади, измеряя ее в Бк/м2или Ки/м2; Бк/км2 или Ки/км2.

61. Все атомные и субатомные частицы, вылетающие из ядра атома при радиоактивном распаде, т.е. радиоактивное или ионизирующее излучение при прохождении через вещество:

Во-первых, приводят к его ионизации, к образованию горячих (высокоэнергетичных) и исключительно реакционно-способных частиц: ионов и свободных радикалов (осколков молекул, не имеющих заряда);

Во-вторых, могут приводить к активации вещества, к появлению так называемой наведѐнной активности, то есть к превращению стабильных атомов в радиоактивные -появлению радионуклидов активационного происхождения.Поэтому основными характеристиками ионизирующего излучения являются энергия частиц, их пробег в разных средах или проникающая способность, а также их ионизирующая способность (особенно как опасность для биологических объектов).

Из-за своей массы и заряда a-частицы обладают наибольшей ионизирующей способностью, они разрушают всѐ на своѐм пути. И поэтому a-активные радионуклиды являются наиболее опасными для человека и животных при попадании внутрь. Из-за малых размеров, массы и заряда β-частицы обладают гораздо меньшей ионизирующей способностью, чем a-частицы, но естественно, что при попадании внутрь β-активные изотопы также гораздо опаснее, чем при внешнем облучении. В качестве защиты от n-и g-излучения применяют толстые слои из бетона, свинца, стали и при этом речь ведут только о кратности ослабления, а не о полной защите. В любом случае следует помнить, что наиболее рациональной «защитой» от любого излучения является по возможности большее расстояние от источника излучения (естественно, в разумных пределах) и по возможности меньшее время пребывания в зоне повышенной радиации.

62. Поэтому основным показателем для характеристики влияния ИИИ является оценка той энергии, которую они теряют при прохождении через вещество (среду) и которая оказывается поглощѐнной этим веществом.

При измерении ионизирующих излучений используется понятие доза, а при оценке их влияния на биологические объекты используют дополнительные поправочные коэффициенты. Поглощѐнная доза (от греческого -доля, порция) –энергия ионизирующего излучения (ИИ), поглощѐнная облучаемым веществом и обычно рассчитываемая на единицу его массы. Грэй(Гр) -единица поглощѐнной дозы в системе единиц СИ. Рад-внесистемная единица поглощѐнной дозы. Поглощенная доза –универсальное понятие, характеризующее результат взаимодействия поля излучения со средой. Экспозиционная доза (для рентгеновского и g-излучения)-определяется по ионизации воздуха. Рентген (Р) -внесистемная единица экспозиционной дозы. Это такое количество g-или рентгеновского излучения, которое в 1 см3сухого воздуха (имеющего при нормальных условиях вес 0,001293 г)образует 2,082 109пар ионов, которые несут заряд в 1 электростатическую единицу каждого знака (в системе СГСЭ). Эквивалентная доза –доза, рассчитанная для биологических объектов (человека) с учѐтом коэффициента качества излучения КК. Равна произведению поглощѐнной дозы на КК. Эквивалентная доза может измеряться в тех же единицах, что и поглощѐнная. За единицу эквивалентной дозы в системе СИпринят Зиверт(Зв). Эффективная эквивалентная доза –эквивалентная доза, рассчитанная с учѐтом разной чувствительности различных тканей организма к облучению. Она равна эквивалентной дозе, полученной конкретным органом (тканью, с учѐтом их веса), умноженной на соответствующий «коэффициент радиационного риска».

63. Расчет индивидуальной дозы в общем случае производят, исходя из следующей схемы, иллюстрирующей основныеэтапы попадания и распространения радионуклидов в среде.

В целом, воздействие радиации на биологические объекты и, в первую очередь, на организм человека вызывает три различных отрицательных эффекта.

Первый –генетический эффект для наследственных (половых) клеток организма. Он может проявиться и проявляется только в потомстве. Это рождение детей с различными отклонениями от нормы (уродства разной степени, слабоумие и т. д.), либо рождение полностью нежизнеспособного плода, -с отклонениями, не совместимыми с жизнью.

Второй –генетический эффект для наследственного аппарата соматических клеток -клетоктела. Он проявляется при жизни конкретного человека в виде различных (преимущественно раковых) заболеваний. Третий эффект –иммунно-соматическийэффект. Это ослабление защитных сил, иммунной системы организма за счѐт разрушения клеточных мембран и других структур. Он проявляется в виде самых различных, в том числе, казалось бы, совершенно не связанных с радиационным воздействием, заболеваниях, в увеличении количества и тяжести течения заболеваний, в осложнениях. Ослабление иммунитета провоцирует возникновение любых заболеваний, в том числе и раковых. Таким образом, вследствие высокой радиочувствительностивнутренних органов и длительности процесса частичного выведения радиоактивных изотопов из организма, внутреннее облучение для человека более опасно, чем внешнее.

64. Следует обратить внимание на резкое несоответствие между полученной дозой, то есть выделившейся в организме энергией, и биологическим эффектом.

Одинаковые дозы, полученные человеком от внешнего и от внутреннего облучения, а также дозы, полученные от разных видов ионизирующего излучения, от разных радионуклидов (при попадании их в организм) вызывают разные эффекты!

При этом абсолютно смертельная для человека доза в 1000 рентген в единицах тепловой энергии составляет всего 0,0024 калорий.

Это количество тепловой энергии сможет нагреть только на 1°С около 0,0024 мл воды (0,0024 см3), то есть всего 2,4 мг воды. Со стаканом горячего чая мы получаем в тысячи раз больше.

При этом медики, учѐные, атомщики оперируют дозами в милли-и даже в микрорентгены. То есть указывают такую точность, которой на самом деле не существует.

65. Все ЧС классифицируются по четырем признакам:

1) сфера возникновения, которая определяет характер происхождения чрезвычайной ситуации;

2) ведомственная принадлежность, т.е. где, в какой отрасли народного хозяйства случилась данная чрезвычайная ситуация;

3) масштаб возможных последствий. Здесь за основу берутся значимость (величина) события, нанесенный ущерб и количество сил и средств, привлекаемых для ликвидации последствий;

4) скорость распространения опасности.

66. Граждане Республики Беларусь в области защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций имеют право:

на защиту жизни, здоровья и личного имущества в случае возникновения чрезвычайных ситуаций;

использовать в соответствии с планами ликвидации чрезвычайных ситуаций средства коллективной и индивидуальной защиты и другое имущество республиканских органов государственного управления, иных государственных организаций, подчиненных Совету Министров Республики Беларусь, местных исполнительных и распорядительных органов и других организаций, предназначенное для защиты населения от чрезвычайных ситуаций;

на информацию о риске, которому они могут подвергнуться в определенных местах пребывания на территории страны, и о мерах необходимой безопасности; на обращение в государственные органы, иные организации, а также к индивидуальным предпринимателям по вопросам защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций;

участвовать в установленном порядке в мероприятиях по предупреждению и ликвидации чрезвычайных ситуаций;

на возмещение вреда, причиненного их здоровью и имуществу вследствие чрезвычайных ситуаций;

на бесплатное медицинское обслуживание, компенсации и льготы за проживание и работу в зонах чрезвычайных ситуаций;

на бесплатное государственное социальное страхование, получение компенсаций и льгот за вред, причиненный их здоровью во время участия в мероприятиях по ликвидации чрезвычайных ситуаций; на пенсионное обеспечение в случае потери трудоспособности в связи с увечьем или заболеванием, полученными при исполнении обязанностей по защите населения и территорий от чрезвычайных ситуаций, в порядке, установленном для работников, инвалидность которых наступила вследствие трудового увечья;

на пенсионное обеспечение по случаю потери кормильца, погибшего или умершего от увечья или заболевания, полученных при исполнении обязанностей по защите населения и территорий от чрезвычайных ситуаций, в порядке, установленном для семей граждан, погибших или умерших от увечья, полученного при выполнении гражданского долга по спасению человеческой жизни, охране собственности и правопорядка.

Граждане Республики Беларусь в области защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций обязаны: соблюдать законодательство в области защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций;

соблюдать меры безопасности в быту и повседневной трудовой деятельности, не допускать нарушений производственной и технологической дисциплины, требований экологической безопасности, которые могут привести к возникновению чрезвычайных ситуаций;

изучать основные способы защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций, приемы оказания первой медицинской помощи пострадавшим, правила пользования коллективными и индивидуальными средствами защиты, постоянно совершенствовать свои знания и практические навыки в указанной области;

67. Государственная система предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций объединяет

республиканский орган государственного управления, осуществляющий управление в сфере предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций, обеспечения пожарной, промышленной, ядерной и радиационной безопасности, гражданской обороны (далее –республиканский орган государственного управления по чрезвычайным ситуациям),

другие республиканские органы государственного управления,

иные государственные организации, подчиненные Совету Министров Республики Беларусь,

местные исполнительные и распорядительные органы,

другие организации, в полномочия которых входит решение вопросов по защите населения и территорий от чрезвычайных ситуаций. Основными задачами государственной системы предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций являются:

разработка и реализация правовых и экономических норм по обеспечению защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций;

осуществление целевых и научно-технических программ, направленных на предупреждение чрезвычайных ситуаций и повышение устойчивости функционирования организаций, а также объектов социального назначения в чрезвычайных ситуациях;

обеспечение готовности к действиям органов управления по чрезвычайным ситуациям, сил и средств, предназначенных и выделяемых для предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций; Основными задачами государственной системы предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций являются:

создание республиканского, отраслевых, территориальных, местных и объектовых резервов материальных ресурсов для ликвидации чрезвычайных ситуаций (далее –резервы материальных ресурсов для ликвидации чрезвычайных ситуаций, если не указано иное);

сбор, обработка, обмен и выдача информации в области защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций;

подготовка населения к действиям в чрезвычайных ситуациях;

прогнозирование и оценка социально-экономических последствий чрезвычайных ситуаций;

осуществление государственной экспертизы, надзора и контроля в области защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций; Основными задачами государственной системы предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций являются:

ликвидация чрезвычайных ситуаций;

осуществление мероприятий по социальной защите населения, пострадавшего от чрезвычайных ситуаций, проведение гуманитарных акций;

реализация прав и обязанностей населения в области защиты от чрезвычайных ситуаций, а также лиц, непосредственно участвующих в их ликвидации;

международное сотрудничество в области защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций; Основными задачами государственной системы предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций являются:

69. К середине прошлого века человечество начало осознавать серьезность встающих перед ним экологических проблем, и возник естественный вопрос -сколько же времени у нас осталось, сколько лет пройдет, прежде чем трагические последствия нашего пренебрежительного отношения к природной среде станут очевидны? У нас уже не остается других тридцати лет для изучения и обсуждения экологических проблем. Мы должны либо создать устойчивое общество, либо превратимся в свидетелей угасания цивилизации на Земле. В 1983 г. Организация Объединенных Наций создала Всемирную комиссию по окружающей среде и развитию.

При этом были сформулированы следующие принципы устойчивогоразвития:

Люди имеют право на здоровую и плодотворную жизнь в гармонии с природой;

Сегодняшнее развитие не должно осуществляться во вред интересам развития и охране окружающей среды на благо нынешнего и будущего поколений;

Защита окружающей среды должно составлять неотъемлемую часть процесса развития и не может рассматриваться в отрыве от него;

Экологические проблемы решаются наиболее эффективным образом при участии всех заинтересованных граждан. Государства развивают и расширяют информированность и участие населения путем предоставления широкого доступа к экологической информации.

70. Биосфера-область существования и функционирования ныне живущих организмов, охватывающая нижнюю часть атмосферы (аэробиосфера), всю гидросферу (гидробиосфера), поверхность суши (террабиосфера), и верхние слои литосферы (литобиосфера). Биосфера включает как живые организмы (живое вещество), так и среду их обитания и является целостной динамической системой, осуществляющей улавливание, накопление и перенос энергии путем обмена веществ между организмами и средой.

71. Все доступные для живых организмов химические соединения в биосфере ограничены.

Исчерпаемостьпригодных для усвоения химических веществ часто тормозит развитие тех или иных групп организмов в локальных участках суши или океана.

По выражению академика В.Р. Вильямса, единственный способ придать конечному свойства бесконечного состоит в том, чтобы заставить его вращаться по замкнутой кривой.

Следовательно, устойчивость биосферы поддерживается благодаря круговороту веществ и потокам энергии.

Имеются два основных круговорота веществ: большой -геологический и малый -биогеохимический. Большим круговоротом называется и круговорот воды между гидросферой, атмосферой и литосферой, который движется энергией Солнца. В отличие от энергии, которая однажды использована организмом, превращается в тепло и теряется, вещества в биосфере циркулируют, создавая биогеохимические круговороты.

72. Поддержание жизнедеятельности организмов и круговорот вещества в экосистемах возможны только за счет постоянного притока энергии. В конечном счете, вся жизнь на Земле существует за счет энергии солнечного излучения, которая переводится фото-синтезирующими организмами (автотрофами) в потенциальную -в органические соединения. Поддержание жизнедеятельности организмов и круговорот вещества в экосистемах возможны только за счет постоянного притока энергии.

Наименование параметра Значение
Тема статьи: Радиоактивные превращения
Рубрика (тематическая категория) Радио

К наиболее важным типам радиоактивных превращений (таблица 2) относятся a-распад, b-превращения, g-излучение и спонтанное делœение, причем в природе в земных условиях встречаются практически только первые три типа радиоактивных превращений. Отметим, что b-распады и g-излучение характерно для нуклидов из любой части периодической системы элементов, а a-распады свойственны достаточно тяжелым ядрам.

Таблица 2

Основные радиоактивные превращения (Наумов, 1984)

Тип превращения Z A Процесс Первооткрыватели
-распад -2 -4 Э. Резерфорд, 1899
-превращения 1 - -
- -превращения +1 Э. Резерфорд, 1899
+ превращения -1 И. Жолио-Кюри, Ф. Жолио-Кюри, 1934
К-захват -1 Л. Альварес, 1937
-излучение П. Виллард, 1900
спонтанное делœение К.А. Петржак, Г.Н. Флеров, 1940
протонная радиоактивность -1 -1 Дж. Черни и др., 1970
двухпротонная радиоактивность -2 -2 Дж. Черни и др., 1983

a - распад - это радиоактивное превращение ядер с испусканием a-частиц (ядер гелия):. Сегодня известно более 200 a- радиоактивных ядер.
Размещено на реф.рф
Все они являются тяжелыми, Z>83. Считается, что любое ядро из этой области обладает a-радиоактивностью (даже если она пока не обнаружена). a-распаду подвержены также некоторые изотопы редкоземельных элементов, у которых число нейтронов N>83. Эта область a-активных ядер расположена от (Т 1/2 = 5∙10 15 лет) до (Т 1/2 = 0,23 с). Энергии распадных a-частиц заключены довольно жесткие пределы: 4¸9 МэВ для тяжелых ядер и 2¸4,5 МэВ для ядер редкоземельных элементов, однако у изотопови вылетают a-частицы с энергиями до 10,5 МэВ. Все a-частицы, вылетающие из ядер заданного типа, имеют примерно равные энергии. a-частицы уносят практически всю энергию, выделяющуюся при a-распаде. Периоды полураспада a-излучателœей лежат в широком диапазоне: от 1,4∙10 17 лет для до 3∙10 -7 с для .

b-превращения . Долгое время был известен только электронный распад, который назывался b-распадом: . В 1934 ᴦ. Ф. Жолио-Кюри и И. Жолио-Кюри при бомбардировке некоторых ядер был открыт позитронный , или b + -распад: . К b-превращениям также относят электронный захват : . В этих процессах ядро поглощает электрон из атомной оболочки, причем обычно из К-оболочки, в связи с этим процесс называют еще К-захватом. Наконец, к b-превращениям относят процессы захвата нейтрино и антинœейтрино :и . В случае если a-распад является внутриядерным процессом, то элементарные акты b-превращений представляют внутринуклонные процессы: 1); 2); 3); 4); 5).

g-излучения ядер . Суть явления g-излучения в том, что ядро, находящееся в возбужденном состоянии, переходит в более низкие энергетические состояния без изменения Z и А, но с испусканием фотонов, и в конечном итоге оказывается в основном состоянии. Поскольку значения энергий ядра дискретны, то спектр g-излучения также дискретен. Он простирается от 10 кэВ до 3 МэВ, ᴛ.ᴇ. длины волн лежат в области 0,1¸ 4∙10 -4 нм. Важно заметить, что для сравнения: для красной линии видимого спектра lʼʼ600 нм, а Еg= 2 эВ. В цепочке радиоактивных превращений ядра оказываются в возбужденном состоянии в результате предшествующих b-распадов.

Правила сдвига для Z и A, приведенные в таблице, позволяют сгруппировать всœе естественные радиоактивные элементы в четыре больших семейства или радиоактивных ряда (табл. 3).

Таблица 3

Основные радиоактивные ряды (Наумов, 1984)

Ряд А Начальный нуклид , лет Число превращений Конечный нуклид
Тория 4n 1.4*10 10
Нептуния 4n+1 2.2*10 6
Урана 4n+2 4.5*10 9
Актиния 4n+3 7*10 8

Ряд актиния получил свое название потому, что предшествующие три члена были открыты позднее его. Родоначальник ряда нептуния относительно мало стабилен и в земной коре не сохранился. По этой причине ряд нептуния сначала предсказали теоретически, а затем его структуру реконструировали в лаборатории (Г. Сиборг и А. Гиорсо, 1950г).

Каждый радиоактивный ряд содержит члены и с более высокими значениями заряда и массового числа, но они имеют сравнительно малые времена жизни и в природе практически не встречаются. Все элементы с Z>92 называют трансурановыми, а элементы с Z>100 - трансфермиевыми.

Количество любого радиоактивного изотопа со временем уменьшается вследствие радиоактивного распада (превращения ядер). Скорость распада определяется строение ядра, вследствие чего на данный процесс невозможно повлиять никакими физическими или химическими способами, не изменив состояние атомного ядра.

Радиоактивные превращения - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Радиоактивные превращения" 2017, 2018.

Радиоактивные превращения ядер

Строение вещества

Все в природе состоит из простых и сложных веществ. К простым веществам относятся химические элементы, к сложным – химические соединения. Известно, что вещества в окружающем нас мире состоят из атомов, которые являются наименьшей частью химического элемента. Атом – это мельчайшая частица вещества, определяющая его химические свойства, он имеет сложное внутреннее строение. В природе только инертные газы обнаруживаются в виде атомов, так как их внешние оболочки замкнутые, все остальные вещества существуют в виде молекул.

В 1911 г. Э. Резерфорд предложил планетарную модель атома, которая была развита Н Бором (1913 г.). По общепринятой модели строения атома в нем различают две области: тяжелое, положительно заряженное ядро, находящееся в центре, в котором сосредоточена почти вся масса атома, и легкую электронную оболочку, состоящую из отрицательно заряженных частиц – электронов, с огромной скоростью вращающихся вокруг ядра.

Электрон (е –) – устойчивая элементарная частица с массой покоя равной 9,1·10 -31 кг или 0,000548 а.е.м. (атомная единица массы – это безразмерная величина атомной массы, которая показывает, во сколько раз атом данного элемента или частица тяжелее 1 / 12 части атома изотопа углерода-12; энергетический эквивалент 1 а.е.м. составляет 931 МэВ). Электрон несет один элементарный отрицательный заряд электричества (q=1,6·10 -19 Кл), т. е. наименьшее количество электричества, встречающееся в природе. Исходя из этого заряд электрона принят за одну элементарную единицу электрического заряда.

В зависимости от энергии, которая удерживает электроны при вращении вокруг ядра, они группируются на разных орбитах (уровнях или слоях). Число слоев у различных атомов неодинаковое. В атомах с большой массой число орбит достигает семи. Их обозначают цифрами, или буквами латинского алфавита, начиная обозначение от ядра: K, L, M, N, O, P, Q. Число электронов в каждом слое строго определенное. Так, К-слой имеет не более 2 электронов, L-слой – до 8, M-слой – до 18, N-слой – 32 электрона и т. д.

Размеры атома определяются размерами его электронной оболочки, которая не имеет строго определенных границ. Приблизительно линейные размеры атома составляют 10 -10 м.

Ядро – центральная массивная часть атома, состоящая из протонов и нейтронов, которая заряжена положительно. В ядре сосредоточена почти вся масса атома (более 99,95 %). Суммарное количество электронов на орбитах всегда равно сумме протонов в ядре. Например, атом кислорода содержит 8 протонов в ядре и имеет 8 электронов на орбитах, атом свинца – 82 протона в ядре и 82 электрона на орбитах. Вследствие равенства суммы положительных и отрицательных зарядов атом представляет собой электрически нейтральную систему. На каждый из движущихся вокруг ядра электронов действуют две равные, противоположно направленные силы: кулоновская сила притягивает электроны к ядру, а равная ей центробежная сила инерции стремится "вырвать" электрон из атома. Кроме того, электроны, двигаясь (вращаясь) вокруг ядра по орбите, одновременно обладают собственным моментом движения, который называют спином, упрощенно представляемый как вращение подобное волчку вокруг собственной оси. Спины отдельных электронов могут быть ориентированы параллельно (вращение в одну и ту же сторону) и антипараллельно (вращение в разные стороны). В упрощенном виде все это обеспечивает устойчивое движение электронов в атоме.



Известно, что на связь электрона с ядром действует не только кулоновская сила притяжения и центробежная сила инерции, но и сила отталкивания других электронов. Данный эффект называют экранировкой. Чем дальше электронная орбита от ядра, тем сильнее экранировка находящихся на ней электронов и тем слабее энергетическая связь ядро–электрон. На внешних орбитах энергия связи электронов не превышает 1-2 эВ, тогда как у электронов К-слоя она во много раз больше и возрастает с увеличением атомного номера элемента. Например, у углерода энергия связи электронов К-слоя составляет 0,28 кэВ, у стронция – 16 кэВ, у цезия – 36 кэВ, у урана – 280 кэВ. Поэтому электроны внешней орбиты больше подвержены воздействию внешних факторов, в частности, излучений низкой энергии. При сообщении электронам извне дополнительной энергии они могут переходить из одного энергетического уровня на другой или даже покидать пределы данного атома. Если энергия внешнего воздействия будет слабее энергии связи электрона с ядром, то электрон может только перейти с одного энергетического уровня на другой. Такой атом остается нейтральным, однако он отличается от остальных атомов этого химического элемента избытком энергии. Атомы, обладающие избытком энергии, называют возбужденными, а переход электронов с одного энергетического уровня на другой, более удаленный от ядра, – процессом возбуждения. Поскольку в природе любая система стремится перейти в устойчивое состояние при котором энергия ее будет наименьшей, то и атом через некоторое время переходит из возбужденного состояния в основное (первоначальное). Возвращение атома в основное состояние сопровождается выделением избыточной энергии. Переход электронов с внешних орбит на внутренние сопровождается излучением с длиной волны, характерной только для данного перехода с одного энергетического уровня на другой. Переходы электронов в пределах наиболее удаленных от ядра орбит дают излучение, состоящее из ультрафиолетовых, световых и инфракрасных лучей. При сильных внешних воздействия, когда энергия превышает энергию связи электронов с ядром, электроны вырываются из атома и удаляются за его пределы. Атом, лишившийся одного или нескольких электронов, превращается в положительный ион, а “присоеди­ни­в­­ший” к себе один или несколько электронов – в отрицательный ион. Следовательно, на каждый положительный ион образуется один отрицательный ион, т. е. возникает пара ионов. Процесс образования ионов из нейтральных атомов называется ионизацией . Атом в состоянии иона существует в обычных условиях чрезвычайно короткий промежуток времени. Свободное место на орбите положительного иона заполняется свободным электроном (электроном, не связанным с атомом), и атом вновь становится нейтральной системой. Этот процесс носит название рекомбинации ионов (деионизация) и сопровождается выделением избыточной энергии в виде излучения. Энергия, выделяющаяся при рекомбинации ионов, численно приблизительно равна энергии, затраченной на ионизацию.



Протон (р ) – стабильная элементарная частица с массой равной 1,6725·10 -27 кг или 1,00758 а.е.м., которая примерно в 1840 раз больше массы электрона. Заряд протона положите­лен и по величине равен заряду электрона. Атом водорода представляет собой ядро, содержащее один протон, вокруг которого вращается один электрон. Если “сорвать” этот электрон, то оставшаяся часть атома и будет протоном, поэтому протон часто определяют как ядро водорода.

Каждый атом любого элемента содержит в ядре определенное число протонов, которое постоянно и определяет физические и химические свойства элемента. Например, в ядре атома серебра их 47, в ядре урана – 92. Число протонов в ядре (Z) называют атомным номером или зарядовым числом, оно соответствует порядковому номеру элемента в периодической системе Д. И. Менделеева.

Нейтрон (n ) – электрически нейтральная элементарная частица с массой незначительно превышающей массу протона и равной 1,6749 10 -27 кг или 1,00898 а.е.м. Нейтроны устойчивы только в составе стабильных атомных ядер. Свободные нейтроны распадаются на протоны и электроны.

Нейтрон, вследствие своей электрической нейтральности, не отклоняется под действием магнитного поля, не отталкивается атомным ядром и, следовательно, обладает большой проникающей способностью, что создает серьезную опасность как фактор биологического действия излучения. Число нейтронов, находящихся в ядре, дает только в основном физическую характеристику элемента, так как в разных ядрах одного и того же химического элемента может быть разное число нейтронов (от 1 до 10). В ядрах легких устойчивых элементов число протонов относится к числу нейтронов как 1:1. С увеличением атомного номера элемента (начиная с 21-го элемента – скандия) в его атомах число нейтронов превышает число протонов. В самых тяжелых ядрах число нейтронов в 1,6 раза больше числа протонов.

Протоны и нейтроны – составные части ядра, поэтому для удобства их называют нуклонами. Нуклон (от лат. nucleus – ядро) – общее наименование для протонов и нейтронов ядра. Также, когда говорят о конкретном атомном ядре, используют термин нуклид. Нуклид – любое атомное ядро с заданным числом протонов и нейтронов.

Обозначая нуклиды или атомы, пользуются символом элемента, которому принадлежит ядро, и указывают сверху массовое число – А, внизу – атомный (порядковый) номер – Z в форме индексов , где Э – символ химического элемента. А показывает число нуклонов, из которых состоит ядро атома (A = Z + N). Z показывает не только заряд ядра и порядковый номер, но и число протонов в ядре и соответственно число электронов в атоме, т.к. атом в целом нейтрален. N – число нейтронов в ядре, которое чаще всего не указывается. Например, – радиоактивный изотоп цезия, А = 137, следовательно ядро состоит из 137 нуклонов; Z = 55, значит в ядре 55 протонов и, соответственно, 55 электронов в атоме; N = 137 - 55 = 82 – это число нейтронов в ядре. Порядковый номер иногда опускают, так как символ элемента вполне определяет его место в периодической системе (например, Cs-137, Не-4). Линейные размер ядра атома равны 10 -15 -10 -14 м, что составляет 0,0001 диаметра всего атома.

Протоны и нейтроны удерживаются внутри ядра силами, называемыми ядерными . По своей интенсивности они намного мощнее электрических, гравитационных и магнитных сил. Ядерные силы являются короткодействующими с радиусом действия 10 -14 –10 -15 м. Они проявляются одинаково между протоном и нейтроном, протоном и протоном, нейтроном и нейтроном. С увеличением расстояния между нуклонами ядерные силы очень быстро уменьшаются и становятся практически равными нулю. Ядерные силы обладают свойством насыщения, т. е. каждый нуклон взаимодействует только с ограниченным числом соседних нуклонов. Поэтому при увеличении числа нуклонов в ядре ядерные силы значительно ослабевают. Этим объясняется меньшая устойчивость ядер тяжелых элементов, в которых содержится значительное число протонов и нейтронов.

Чтобы разделить ядро на составляющие его протоны и нейтроны и удалить их из поля действия ядерных сил, необходимо совершить работу, т.е. затратить энергию. Эта энергия называется энергией связи ядра . При образовании ядра из нуклонов наоборот выделяется энергия связи.

m я = m p N p + m n N n ,

где m я – масса ядра; m p – масса протона; N p – число протонов; m n – масса нейтрона; N n – число нейтронов, то она будет равна 1,0076·2 + 1,0089·2 = 4,033 а.е.м.

Вместе с тем фактическая масса ядра гелия равна 4,003 а.е.м. Таким образом, фактическая масса ядра гелия оказывается меньше расчетной на величину 0,03 а.е.м. и в этом случае говорят, что ядро имеет дефект массы (недостаток массы). Разницу между расчетной и фактической массой ядра называют дефектом массы (Dm). Дефект массы показывает, насколько прочно связаны частицы в ядре, а также сколько энергии выделилось при образовании ядра из отдельных нуклонов. Связать массу с энергией можно с помощью уравнения, выведенного А. Эйнштейном:

где DЕ – изменение энергии; Dm – дефект массы; с – скорость света.

Учитывая, что 1 а.е.м. = 1,661 10 -27 кг, а в ядерной физике за единицу энергии принят электрон-Вольт (эВ), причем 1 а.е.м. эквивалентна 931 МэВ, то энергия, которая выделится при образовании ядра гелия будет равна 28 МэВ. Если бы существовал способ разделения ядра атома гелия на два протона и два нейтрона, то для этого потребовалось бы затратить не менее 28 МэВ энергии.

Энергия связи ядер соразмерно возрастает с увеличением числа нуклонов, однако не строго пропорционально их числу. Например, энергия связи ядра азота – 104,56 МэВ, а урана – 1800 МэВ.

Средняя энергия связи, приходящаяся на один нуклон, называется удельной энергией связи . Для гелия она составит 28:4 = 7 МэВ. Если не считать самых легких ядер (дейтерий, тритий), то энергия связи на один нуклон составляет для всех ядер примерно 8 МэВ.

Большинство химических элементов в природе представляют собой определенные смеси атомов с ядрами различных масс. Различие масс обусловлено наличием в ядрах разного числа нейтронов.

Изотопы (от греч. isos – одинаковый и topos – место) – разновидности атома одного и того же химического элемента, которые имеют одинаковое число протонов (Z) и различное число нейтронов (N). У них практически одинаковые физические и химические свойства, разделить их в природной смеси очень сложно. Число изотопов эле­ментов варьирует от 3 – у водорода до 27 – у полония. Изотопы бывают стабильные и нестабильные. Стабильные изотопы со временем не претерпевают никаких изменений, если нет воздействия из вне. Нестабильные или радиоактивные изотопы за счет процессов, протекающих внутри ядра, со временем превращаются в изотопы других химических элементов. Стабильные изотопы встречаются только у элементов с порядковым номером Z≤83. В настоящее время известно около 300 стабильных и более 2000 радиоактивных изотопов. Для всех элементов периодической системы Д. И. Менделеева синтезированы радиоактивные изотопы, называемые искусственными.

Явление радиоактивности

Все химические элементы стабильны лишь в узком интервале соотношения числа протонов к числу нейтронов в ядре. В легких ядрах должно быть примерно поровну протонов и нейтронов, т. е. величина соотношения n:p близка к 1, для тяжелых ядер это соотношение снижается до 0,7. Если в ядре слишком много нейтронов или протонов, то такие ядра становятся неустойчивыми (нестабильными) и претерпевают самопроизвольные радиоактивные превращения, в результате которых изменяется состав ядра и при этом испускаются заряженные или нейтральных частицы. Явление самопроизвольного излучения было названо радиоактивностью, а вещества, испускающие излучения, – радиоактивными.

Радиоактивность (от лат. radio – излучаю, radius – луч, aktivus – действенный) – это самопроизвольные превращения (распады) атомных ядер некоторых химических элементов в атомные ядра других элементов с испусканием особого рода излучения. Радиоактивность приводит к изменению атомного номера и массового числа исходного химического элемента.

Открытию явления радиоактивности способствовали два крупнейших открытия ХIХ века. В 1895 г. В. Рентген обнаружил лучи, которые возникали при пропускании тока высокого напряжения между электродами, помещенными в запаянную стеклянную трубку, из которой был откачан воздух. Лучи были названы рентгеновскими. А в 1896 г. А. Беккерель обнаружил, что соли урана самопроизвольно испускают невидимые лучи, обладающие большой проникающей способностью, вызывающие почернение фотопластинки и свечение некоторых веществ. Это излучение он назвал радиоактивным. В 1898 г. Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри открыли два новых радиоактивных элемента – полоний и радий, которые испускали подобные излучения, но интенсивность их во много раз превышала интенсивность излучения урана. Кроме того было обнаружено, что радиоактивные вещества непрерывно выделяют энергию в виде теплоты.

Радиоактивные излучения также называют ионизирующими, так как они могут ионизиро­вать среду, или ядерными, подчеркивая то, что излучение испускается ядром, а не атомом.

Радиоактивный распад связан с изменениями в атомных ядрах и выделением энергии, величина которой, как правило, на несколько порядков выше энергии химических реакций. Так, при полном радиоактивном распаде 1 г-атома 14 С выделяется 3 . 10 9 калорий, тогда как при сгорании этого же количества 14 С до углекислого газа выделяется лишь 9,4 . 10 4 калорий.

В качестве единицы энергии радиоактивного распада принимается 1 электрон-Вольт (эВ) и производные от него 1 кэВ = 10 3 эВ и 1 МэВ = 10 6 эВ. 1 эВ = 1,6 . 10 -19 Дж. 1 эВ соответствует энергии, приобретаемой электроном в элек­трическом поле при прохождении пути, на котором разность потенциалов со­ставляет 1 Вольт. При распаде большинства радиоактивных ядер высвобождаемая энергия составляет от нескольких кэВ до нескольких МэВ.

Радиоактивные явления, происходящие в природе, называют естественной радиоактивностью; аналогичные процессы, протекающие в искусственно полученных веществах (через соответствующие ядерные реакции), – искусственной радиоактивностью. Однако оба вида радиоактивности подчиняются одним и тем же законам.

Виды радиоактивного распада

Ядра атомов устойчивы, но изменяют свое состояние при нарушении определенного соотношения протонов и нейтронов. В легких ядрах должно быть примерно поровну протонов и нейтронов. Если в ядре слишком много протонов или нейтронов, то такие ядра неустойчивы и претерпевают самопроизвольные радиоактивные превращения, в результате которых изменяется состав ядра и, следовательно, ядро атома одного элемента превращается в ядро атома другого элемента. При этом процессе испускаются ядерные излучения.

Существуют следующие основные типы ядерных превращений или виды радиоак­тивного распада: альфа-распад и бета-распад (электронный, позитронный и К-захват), внутренняя конверсия.

Альфа-распад – это испускание ядром радиоактивного изотопа альфа-частиц. Вследствие потери с альфа-частицей двух протонов и двух нейтронов распадающееся ядро превращается в другое ядро, в котором число протонов (заряд ядра) уменьшается на 2, а число частиц (массовое число) на 4. Следовательно, при данном радиоактивном распаде в соответствии с правилом смещения (сдвига), сформулированным Фаянсом и Содди (1913 г.), образующийся (дочерний) элемент смещен влево относительно исходного (материнского) на две клетки влево в периодической системе Д. И. Менделеева. Процесс альфа-распада в общем виде записывается так:

,

где X – символ исходного ядра; Y – символ ядра продукта распада; 4 2 He – альфа-частица, Q – освобожденный избыток энергии.

Например, распад ядер радия-226 сопровождается испусканием альфа-частиц, при этом ядра радия-226 превращаются в ядра радон-222:

Энергия, выделяющаяся при альфе-распаде, делится между альфа-частицей и ядром обратно пропорционально их массам. Энергия альфа-частиц строго связана с периодом полураспада данного радионуклида(закон Гейгера-Неттола). Это говорит о том, что, зная энергию альфа-частиц, можно установить период полураспада, а по периоду полураспада идентифицировать радионуклид. Например, ядро полония-214 характеризуется значениями энергии альфа-частиц Е = 7,687 МэВ и Т 1/2 = 4,5×10 -4 с, тогда как для ядра урана-238 Е = 4,196 МэВ и Т 1/2 = 4,5×10 9 лет. Кроме того, установлено, что чем больше энергия альфа-распада, тем быстрее он протекает.

Альфа-распад – достаточно распространенное ядерное превращения тяжелых ядер (уран, то­рий, полоний, плуто­ний, и др. с Z > 82); в настоящее время известно более 160 альфа-излучающих ядер.

Бета-распад – самопроизвольные превращения нейтрона в протон или протона в нейтрон внутри ядра, сопровождающиеся испусканием электроновили позитронов и антинейтрино или нейтрино n е.

Если в ядре имеется излишек нейтронов (“нейтронная перегрузка” ядра), то происходит электронный бета-распад, при котором один из нейтронов превращается в протон, испуская при этом электрон и антинейтрино:

При этом распаде заряд ядра и, соответственно, атомный номер дочернего ядра увеличивается на 1, а массовое число не изменяется, т. е. дочерний элемент сдвинут в периодической системе Д. И. Менделеева на одну клетку вправо от исходного. Процесс бета-распада в общем виде записывается так:

.

Таким способом распада­ются ядра с избытком нейтронов. Например, распад ядер стронция-90 сопровождается испусканием электронов и превращением их в иттрий-90:

Часто ядра элементов, образующихся при бета-распаде, имеют из­быточную энергию, которая высвобождается испусканием одного или не­скольких гамма-квантов. Например:

Электронный бета-распад характерен для многих естественных и искусственно полученных радиоактивных элементов.

Если неблагоприятное соотношение нейтронов и протонов в ядре обусловлено излишком протонов, то происходит позитронный бета-распад, при котором ядро испускает позитрон и нейтрино в результате превращения протона в нейтрон внутри ядра:

Заряд ядра и, соответственно, атомный номер дочернего элемента уменьшается на 1, массовое число не изменяется. Дочерний элемент будет занимать место в периодической системе Д. И. Менделеева на одну клетку влево от материнского:

Позитронный распад наблюдается у некоторых искусственно полученных изотопов. Напри­мер, распад изотопа фосфора-30 с образованием кремния-30:

Позитрон, вылетев из ядра, срывает с оболочки атома “лишний” электрон (слабо связанный с ядром) или взаимодействует со свободным электроном, образуя пару “позитрон-электрон”. Вследствие того, что частица и античастица мгновенно взаимоуничтожаются с выделением энергии, то образованная пара превращается в два гамма-кванта с энергией, эквивалентной массе частиц (e + и e -). Процесс превращения пары “позитрон-электрон” в два гамма-кванта носит название аннигиляции (уничтожения), а возникающее электромагнитное излучение называется аннигиляционным. В данном случае происходит превращение одной формы материи (частиц вещества) в другую (излучение). Это подтверждается существованием обратной реакции – реакции образования пары, при которой электромагнитное излучение достаточно высокой энергии, проходя вблизи ядра под действием сильного электрического поля атома, превращается в пару “электрон-позитрон”.

Таким образом, при позитронном бета-распаде в конечном результате за пределы материнского ядра вылетают не частицы, а два гамма-кванта, обладающие энергией в 0,511 МэВ каждый, равной энергетическому эквиваленту массы покоя частиц – позитрона и электрона E = 2m e c 2 = 1,022 МэВ.

Превращение ядра может быть осуществлено путем электронного за­хвата, когда один из протонов ядра самопроизвольно захватывает электрон с одной из внутренних оболочек атома (K, L и т. д.), чаще всего с К-оболочки, и превращается в нейтрон. Такой процесс на­зывают также К-захватом. Протон превращается в нейтрон согласно следующей реакции:

При этом заряд ядра уменьшается на 1, а массовое число не изменяется:

Например,

При этом место, освобожденное электроном, занимает электрон с внеш­них оболочек атома. В результате перестройки электронных оболочек испус­кается квант рентгеновского излучения. Атом по-прежнему сохраняет электрическую нейтральность, т. к. количество протонов в ядре при электронном захвате уменьшается на единицу. Таким образом, этот тип распада приводит к тем же результатам, что и позитронный бета-распад. Характерен он, как правило, для искусственных радионуклидов.

Энергия, выделяемая ядром при бета-распаде конкретного радионуклида, всегда постоянна, но ввиду того, что при этом типе распада образуется не две, а три частицы: ядро отдачи (дочернее), электрон (или позитрон) и нейтрино, то энергия по-разному в каждом акте распада перераспределяется между электроном (позитроном) и нейтрино, т. к. дочернее ядро всегда уносит одну и ту же порцию энергии. В зависимости от угла разлета нейтрино может уносить большую или меньшую энергию, в результате чего электрон может получить любую энергию от нуля до некоторого максимального значения. Следовательно, при бета-распаде бета-частицы одного и того же радионуклида имеют различную энергию, от нуля до некоторого максимального значения, характерного для распада данного радионуклида. По энергии бета-излучения практически невозможно произвести идентификацию радионуклида.

Некоторые радионуклиды могут распадаться одновременно двумя или тремя способами: путем альфа- и бета-распадов и через К-захват, сочетанием трех типов распадов. В таком случае превращения осуществляются в строго определенном соотношении. Так, например, естественный долгоживущий радиоизотоп калий-40 (Т 1/2 =1,49×10 9 лет), содержание которого в природном калии составляет 0,0119 %, подвергается электрон­ному бета- распаду и К-захвату:

(88 % – электронный распад),

(12 % – К- захват).

Из описанных выше типов распадов, можно сделать вывод, что гамма-распада в “чистом виде” не существует. Гамма-излучение только лишь может сопутствовать различным типам распадов. При испускании гамма-излучения в ядре не изменяются ни массовое число, ни его заряд. Следовательно, природа радионуклида не изменяется, а меняется лишь содержащаяся в ядре энергия. Гамма-излучение испускается при переходе ядер с возбужденных уровней на более низкие уровни, в том числе и на основной. Например, при распаде цезия-137 образуется возбужденное ядро бария-137. Переход из возбужденного в стабильное состояние сопровождается испусканием гамма-квантов:

Так как время жизни ядер в возбужденных состояниях очень мало (обычно t<10 -19 с), то при альфа- и бета-распадах гамма-квант вылетает практически одновременно с заряженной частицей. Исходя из этого, процесс гамма-излучения не выделяют в самостоятельный вид распада. По энергии гамма-излучения, как и по энергии альфа-излучения, можно произвести идентификацию радионуклида .

Внутренняя конверсия. Возбужденное (в результате того или иного ядерного превращения) состояние ядра атома свидетельствует о наличии в нем избытка энергии. В состояние с меньшей энергией (нормальное состояние) возбужденное ядро может переходить не только путем излучения гамма-кванта или выброса какой-либо частицы, но и путем внутренней конверсии, или конверсии с образованием электрон-позитронных пар.

Явление внутренней конверсии состоит в том, что ядро передает энергию возбуждения одному из электронов внутренних слоев (К-, L- или М-слой), который в результате этого вырывается за пределы атома. Такие электроны получили название конверсионных электронов. Следовательно, испускание электронов конверсии обусловлено непосредственным электромагнитным взаимодействием ядра с электронами оболочки. Конверсионные электроны имеют линейчатый спектр энергии в отличии от электронов бета-распада, дающих сплошной спектр.

Если энергия возбуждения превосходит 1,022 МэВ, то переход ядра в нормальное состояние может сопровождаться излучением пары «электрон–позитрон» с последующей их аннигиляцией. После того как произошла внутренняя конверсия, в электронной оболочке атома появляется «вакантное» место вырванного электрона конверсии. Один из электронов более удаленных слоев (с более высоких энергетических уровней) осуществляет квантовый переход на «вакантное» место с испусканием характеристического рентгеновского излучения.

Свойства ядерных излучений

Ядерные (радиоактивные) излучения – это излучения, которые образуются в результате радиоактивного распада. Излучение всех естественных и искусственных радионуклидов делится на два типа – корпускулярное и электромагнитное. Корпускулярное излучение представляет собой поток частиц (корпускул), которые характеризуются опре­деленной массой, зарядом и скоростью. Это электроны, позитроны, ядра ато­мов гелия, дейтроны (ядра изотопа водорода дейтерия), нейтроны, протоны и др. частицы. Как правило, корпускулярное излучение непосредственно иони­зирует среду.

Электромагнитное излучение – это поток квантов или фотонов. Это излучение не имеет ни массы, ни заряда и производит косвенную ионизацию среды.

На образование 1 пары ионов в воздухе необходимо в среднем 34 эВ. Поэтому к ионизирующим излучениям относятся излучения с энер­гией от 100 и выше эВ (не относят видимый свет и УФ-излучение).

Для характеристики ионизирующих излучений используют понятия пробег и удельная ионизация. Пробег – минимальная толщина поглотителя (некоторого вещества), необходимая для полного погло­ще­ния ионизирующего излучения. Удельная ионизация – число пар ионов, образующихся на единицу длины пути в веществе под воздействием ионизирующего излучения. Отметим, что понятие пробега и длины пройденного пути – это не тождественные понятия. Если частицы движутся прямолинейно, то эти величины совпадают, если траектория движения частиц – ломаная извилистая линия, то пробег всегда меньше, чем длина пройденного пути.

Альфа-излучение представляет собой поток a-частиц, которые яв­ляются ядрами атомов гелия иногда называют дважды ионизированные атомы гелия). Альфа-частица состоит из 2-х протонов и 2-х нейтронов, заряжена по­ложительно и несет с собой два элементарных положительных заряда. Масса частицы m a =4,003 а.е.м. – это самая крупная из частиц. Скорость движения составляет (14,1-24,9)×10 6 м/с.В веществе альфа-частицы движутся прямолинейно, что связано со сравнительно большой массой и значительной энергией. Отклонение происходит только при лобовом столкновении с ядрами.

Пробег альфа-частиц в веществе зависит от энергии альфа-частицы и от природы вещества, в котором она движется. В среднем в воздухе пробег альфа-частицы составляет 2,5–9 см, максимальный – до 11 см, в биологических тканях – 5-100 микрон, в стекле – 4 . 10 -3 см. Энергия альфа-частицы находится в пределах 4-9 МэВ.Можно полностью задержать альфа-излучение листом бумаги. На всю длину пробега альфа-частица может создать от 116000 до 254000 пар ионов.

Удельная ионизация составляет примерно 40 000 пар ионов/см в воздухе, такая же удельная ионизация в организме на пути 1-2 микрона.

После расхода энергии альфа-частица затормаживается, процесс иониза­ции прекращается. В силу вступают законы, регулирующие процесс образова­ния атомов. Ядра атомов гелия присоединяют 2 электрона и образу­ется полноценный атом гелия. Этим объясняется факт обязательного присут­ствия гелия в породах, содержащих радиоактивные вещества.

Из всех типов радиоактивного излучения альфа-излучение наиболее сильно флюоресцирует (светится).

Бета-излучение – это поток бета-частиц, которые являются электро­нами или позитронами. Несут один элементарный электрический заряд, m b = 0,000548 а.е.м. Движутся со скоростями близкими к скорости света, т.е. (0,87-2,994)×10 8 м/с.

В отличие от a-частиц b-частицы одного и того же радиоактивного эле­мента обладают различным запасом энергии (от нуля до некоторого макси­мального значения). Это объясняется тем, что при каждом бета-распаде из атомного ядра вылетают одновременно две частицы: b-частица и нейтрино (n е). Энергия, освобождаемая при каждом акте распада, распределяется между b-частицей и нейтрино в различных соотношениях. Поэтомуэнергия бета-частиц колеблется от десятых и сотых долей МэВ (мягкое b-излучение) до 2-3 МэВ (жесткое излучение).

В связи с тем, что бета-частицы, испускаемые одним и тем же бета-излучателем, обладают различным запасом энергии (от минимума до максимума), то и длина пробега, и количество пар ионов не одинаковы для бета-частиц данного радио­нуклида. Обычно пробег в воздухе составляет десятки см, иногда несколько метров (до 34 м), в биотканях – до 1 см (до 4 см при энергии бета-частиц 8 МэВ).

Бета-излучение обладает значительно меньшим эффектом ионизации, чем альфа-излучение. Так, в воздухе на всем своем пути бета-частицы образуют от 1000 до 25 500 пар ионов. В среднем на весь путь в воздухе, или 50-100 пар ионов на 1см пути. Степень ионизации зависит от скорости частицы, чем меньше скорость, тем больше ио­низация. Причина этого заключается в том, что бета-частицы большой энергии пролетают мимо атомов слишком быстро и не успевают вызвать такой же сильный эффект, как медленные бета-частицы.

Так как бета-частицы обладают очень малой массой, то при столкнове­нии с атомами и молекулами они легко отклоняются от своего пер­воначального направления. Такое явление отклонения называют рассеянием. Поэтому определить именно длину пути бета-частиц, а не пробег, очень трудно, так как она слишком извилиста.

При потере энергии электрон захватывается либо положительным ио­ном с образованием нейтрального атома, либо атомом с образованием отри­цательного иона.

Гамма-излучение – это поток фотонов (квантов) электромагнитного излучения. Скорость распространения их в вакууме равняется скорости света – 3×10 8 м/с. Так как гамма-излучение является волновым, то характеризуется длиной волны, частотой колебаний и энергией. Энергия g-кванта пропорциональна частоте колебаний, а частота колебаний связана с длиной их волны. Чем больше длина волны, тем меньше частота колебаний, и наоборот, т. е. частота колебаний обратно пропорциональна длине волны. Чем меньше длина волны и больше частота колебаний излучения, тем больше его энергия и, следовательно, проникающая способность. Энергия гамма-излучения естественных радиоактивных элементов колеблется от несколь­ких кэВ до 2-3 МэВ и редко достигает 5-6 МэВ.

Гамма-кванты, не имея заряда и массы покоя, вызывают слабое ионизи­рующее действие, но обладают большой проникающей способностью. В воз­духе они могут проделать путь до 100-150 м. Через организм человека данное излучение проходит без ослабления.

Измерения

Понятие о дозе

Результат воздействия ионизирующих излучений на облучаемые объекты заключается в физико-химических или биологических изменениях в этих объектах. Примерами таких изменений могут служить нагрев тела, фотохимическая реакция рентгеновской пленки, изменение биологических показателей живого организма и т.п. Радиационный эффект зависит от физических величин X i , характеризующих поле излучения или взаимодействие излучения с веществом:

Величины X i , функционально связанные с радиационным эффектом η , называются дозиметрическими. Целью дозиметрии является измерение, исследование и теоретические расчеты дозиметрических величин для предсказания или оценки радиационного эффекта, в частности, – радиобиологического эффекта.

Система дозиметрических величин формируется как результат развития радиобиологии, дозиметрии и радиационной безопасности. Критерии безопасности в значительной степени определяются обществом, поэтому в разных странах сформировались различные системы дозиметрических величин. Важную роль в унификации этих систем играет Международная комиссия по радиологической защите (МКРЗ) – независимая организация, объединяющая экспертов в области биологического действия излучения, дозиметрии и

Окружающий мир
Самое интересное:
Новейшие российские технологии
Военные тайны: Что американцы подглядели у русских в небе Сирии «СП»: — А что потом
Микро-, макро- и мегамиры