1.1 Явления радиоактивности

В 1986 году Беккерель впервые обнаружил способность ядер тяжелых элементов самопроизвольно распадаться. Позднее Резерфорд и супруги Кюри показали, что ядра некоторых веществ испытывают последовательные превращения, образуя радиоактивные ряды, где каждый элемент ряда возникает из предыдущего. При этом на характеристике распада нельзя повлиять никакими внешними физическими воздействиями (температура, электрические и магнитные поля, давление).

Способность некоторых неустойчивых атомных ядер самопроизвольно превращаться в ядра других элементов с испусканием различных видов радиоактивных излучений назвали радиоактивностью, а изотопы, ядра которых способны самопроизвольно распадаться, радионуклидами.

Имеются радионуклиды средней части таблицы Менделеева и три радиоактивных семейства тяжелых радионуклидов.

Количество ядерных превращений тяжелых радионуклидов может быть различным, но последним элементом, ядра которого не распадаются, является изотоп свинца-206, 208.

Разновидности одного и того же химического элемента, отличающиеся массой атомов, называются изотопами.

Изотопы различаются числом нейтронов, но содержат одинаковое число протонов и занимают одно и то же место в периодической системе элементов.

Выделяют устойчивые (стабильные) и радиоактивные изотопы. У известных химических элементов найдено 274 стабильных и свыше 700 радиоактивных изотопов.

Большинство встречающихся в природе химических элементов представляют собой смеси изотопов.

Превращение изотопов в изотопы других элементов происходит по правилу смещения. Так, при распаде радия образуется гелий и радон. Радон в свою очередь распадается с образованием полония и гелия и т.д.

Известны четыре типа радиоактивного распада:

Альфа-распад – характерен для ядер тяжелых элементов.

239Pu94 ® 235U92 + 4a2

При альфа-распаде ядро атома испускает два протона и два нейтрона, связанные в ядро атома гелия (4He2), т.е. альфа-частица по массе и заряду аналогична ядру атома гелия.

Таким образом, в результате альфа-распада образуется атом элемента, смещенный на два места от исходного радиоактивного элемента к началу периодической системы Менделеева. Энергия альфа-частицы может быть в пределах 1-10 МЭВ.

Длина пути пробега альфа-частиц в воздухе составляет 3-7 см и зависит от скорости частицы и плотности среды.

В тканях организма этот путь измеряется микрометрами.

Альфа-частицы не проникают через обычную одежду, для задержки и поглощения их достаточно листа чистой бумаги. Однако, имея низкую проникающую способность, альфа-частицы обладают высоким ионизирующим действием.

На пути пробега они теряют энергию на ионизацию молекул среды и образуют сотни тысяч пар ионов. Наибольшая плотность ионизации отмечается в конце пробега, где она втрое превышает ионизацию вначале пути. Присоединив к себе недостающие электроны, в конце пробега альфа-частицы становятся обычными атомами гелия.

При внешнем облучении альфа-частицы не опасны, поражающая способность их проявляется при попадании радиоактивных веществ внутрь организма.

Бета-распад – это процесс превращения в ядре атома протона в нейтрон или нейтрона в протон с выбросом бета-частиц (соответственно позитрона или электрона). Бета-распад объединяет три самостоятельных вида радиоактивных превращений:

-         выбрасывание электрона и антинейтрино (-b-распад или электронный распад);

-         выбрасывание позитрона и антинейтрино (+b-распад или позитронный распад);

-         поглощение одним из протонов ядра атома электрона с ближайшей орбиты, при этом заряд ядра уменьшается на единицу.

Как предполагают физики, для равновесия в ядре должно быть определенное сочетание количества протонов и нейтронов. При этом для придания устойчивости ядру нейтронов должно быть больше по мере роста порядкового номера химического элемента.

Но если число нейтронов чрезмерно большое, ядро становится неустойчивым, что вызывает превращение нейтрона в протон. При этом образуется химический элемент с порядковым номером на единицу больше, а материнское ядро испускает электрон и антинейтрино.

Если в ядре избыток протонов по сравнению с нейтронами, то протон превращается в нейтрон с испусканием позитрона и нейтрино. При этом образуется химический элемент на единицу меньше материнского.

Энергия бета-частиц изменяется в больших пределах и может достигать 13,5 МЭВ. Бета-частицы распространяются со скоростью 0,29 – 0,99 скорости света.

В связи с высокой проникающей и ионизирующей способностью бетта-лучи представляют опасность для людей как при наружном облучении, так и при попадании внутрь организма.

Зимняя одежда и защитные очки с толщиной стекол 3-4 мм защищают от внешнего бетта-излучения.

Иногда альфа- и бета-распад сопровождаются не только выбросом бета- и альфа-частицы, но и гамма-квантов.

Гамма-кванты – это электромагнитные излучения или поток квантов длинной волны от 0,001 до 1 нм (нанометра) с энергией до 10 МЭВ. Это происходит в том случае, если при распаде не вся энергия передается выбрасываемому электрону, позитрону или альфа-частице.

Гамма-лучи распространяются со скоростью света. Длина пробега в воздухе достигает до 1000 м, в воде и биологической среде - 1 м. Ионизирующая способность низкая. На 1 см пробега гамма-квант образует несколько пар ионов.

Радиоактивные превращения ядер могут происходить и при захвате ядром орбитального электрона (К-захват). Позитронный распад и К-захват конкурируют, т.е. если происходит один, возможен и другой. К-захват характерен для нейтронно дефицитных ядер. Поглотив орбитальный ē протон превращается в «n». На освободившееся место переходит ē с более высокого энергетического уровня, атом испускает характерное рентгеновское излучение, по которому и фиксируют К-захват.

Спонтанное деление атомных ядер (нейтронный распад)

Тяжелые ядра U-238, 235, Кф-240, 248, 249, 250, Ku-244, 248 и другие могут делиться самопроизвольно из-за того, что ядра сами по себе нестабильны.

При этом ядро расщепляется на два близких по массе осколка, но mяд. > m1 + m2, т.е. масса ядра больше масс ядер-осколков. 

На первый акт деления выбрасывается 2-3 нейтрона и происходит огромное энерговыделение (в миллионы раз больше, чем при сжигании топлива). Ядра-осколки тоже радиоактивны. Они перегружены нейтронами и их испускают, а также α-частицы, β-частицы, φ-кванты.

                 on

                  on  

                     on  

В зависимости от вида реакции нейтроны могут нести энергию от 3 до 14 МГ.ЭВ. Путь пробега в воздухе достигает несколько тысяч метров. Обладая большой энергией и нейтральностью, они, встречаясь с ядрами атомов других элементов, создают наведенную радиоактивность.

Нейтронный поток оказывает сильное поражающее действие на человека. На глубине 10 см в организме поглощается 50 % энергии нейтронов и почти вся энергия при прохождении через тело.