4. . 5. .
Радиоактивность - это испускание ядрами некоторых элементов различных частиц, сопровождающееся переходом ядра в другое состояние и изменени-ем его параметров. Явление радиоактивности было открыто опытным путем французским ученым Анри Беккерелем в 1896 г. для солей урана. Беккерель заметил, что соли урана засвечивают завернутую во много слоев фотобумагу невидимым проникающим излучением.
Английский физик Э. Резерфорд исследовал ра-диоактивное излучение в электрических и магнитных полях и открыл три составляющие этого излучения, которые были названы -, -, -излучением (рис. 36). -Распад представляет собой излучение -частиц (ядер гелия) высоких энергий. При этом масса ядра уменьшается на 4 единицы, а заряд - на 2 единицы.
-Распад - излучение электронов, причем заряд ядра возрастает на единицу, массовое число не изменяется.
-Излучение представляет собой испускание возбужденным ядром квантов света высокой частоты. Параметры ядра при -излучении не меняются, ядро лишь переходит в состояние с меньшей энергией. Распавшееся ядро тоже радиоактивно, т. е. происходит цепочка последовательных радиоактивных превращений. Процесс распада всех радиоактивных элементов идет до свинца. Свинец - конечный продукт распада.
Приборы, применяемые для регистрации ядерных излучений, называются детекторами ядерных излучений . Наиболее широкое применение получили детекторы, обнаруживающие ядерные излучения по производимой ими ионизации и возбуждению атомов пещества: газоразрядный счетчик Гейгера , камера Bильсона , пузырьковая камера . Например, действие счетчика Гейгера основано на ударной ионизации. Существует также метод фотоэмульсий , основанный на способности пролетающей частицы создавать в фотоэмульсии скрытое изображение. След пролетевшей частицы виден на фотографии после проявления.
Радиоактивные излучения оказывают сильное биологическое действие на ткани живого организма, заключающееся в ионизации атомов и молекул среды. Возбужденные атомы и ионы обладают сильной химической активностью, поэтому в клетках организма появляются новые химические соединения, чуждые здоровому организму. Под действием ионизирующей радиации разрушаются сложные молекулы и элементы клеточных структур. В человеческом организме нарушается процесс кроветворения, приводящий к дисбалансу белых и красных кровяных телец. Человек заболевает белокровием, или так называемой лучевой болезнью. Большие дозы облучения приводят к смерти.
Поглощенная доза излучения D - это отношение поглощенной энергии к массе облучаемого вещества: . Единица поглощенной дозы излучения - грей (Гр). Допустимая доза облучения составляет Распространенные ошибки
1. Рассказывая о явлении радиоактивности, некоторые абитуриенты ошибочно утверждают, то -лучи, представляющие собой поток электронов, испускаются не ядрами атомов, а электронными оболочками, така как внутри ядер электронов нет.
Напомним, что все виды радиоактивного излучения испускаются ядрами атомов. Ядра всех атомов состоят из протонов и нейтронов. Откуда же при -распаде появляется электрон, если его в ядре нет? Жело в том, что в ядре при определенных условиях происходит превращение нейтрона в протон с одновременным образованием электрона, который при этом вылетает из ядра (покидает ядро и еше одна частица - антинейтрино).
РАДИОАКТИВНОСТЬ , свойство некоторых химических элементов к самопроизвольному распаду на другие элементы. Этот распад сопровождается различными корпускулярными и световыми радиациями. Явление радиоактивности было открыто в 1896 г. Г. Беккерелем. Он обнаружил, что соли U выделяют излучения, действующие на фотографическую пластинку и сообщающие воздуху электропроводность. Дальнейшие исследования показали, что испускание «лучей Беккереля» есть атомное свойство U, не зависящее от того, в каком химическом соединении он находится. Систематические исследования всех известных элементов обнаружили, что кроме U значительной радиоактивностью обладает только Th (Г. Шмит и М. Кюри, 1898 г.). Впоследствии была открыта еще слабая радиоактивность К и Rb. При изучении природных соединений U оказалось, что радиоактивность их значительно больше, чем следует ожидать по содержанию в них U. Высказанная М. Кюри гипотеза, что эта аномалия связана с присутствием в урановых минералах неизвестных сильно радиоактивных элементов, подтвердилась. Путем длительной и кропотливой работы П. и М. Кюри удалось выделить из урановой смоляной руды Иоахимстальского месторождения (Чехо-Словакия) новые элементы Ро (1898 г.) и Ra (1898 г.), радиоактивность которых в большое число раз превосходит радиоактивность U. Этим было положено начало открытию ряда новых радиоактивных элементов или радиоэлементов, число которых доходит до 40.
Радиоактивные излучения
. По своей природе излучения радиоактивных элементов не однородны. В 1902 г. Е. Резерфорд предложил названия α-(альфа), β-(бета) и γ-(гамма) лучей для трех видов радиоактивных излучений, обладающих следующими свойствами: α-лучи образуются положительно заряженными быстро движущимися материальными частичками атомных размеров и слабо отклоняются в электрическом и магнитном поле в сторону, соответствующую отклонению каналовых лучей; они очень сильно поглощаются материей; β-лучи - частички отрицательного электричества (электроны); они значительно сильнее отклоняются магнитным полем и вполне аналогичны катодным лучам. Проницаемость их значительно больше, чем у α-лучей; γ-лучи не испытывают отклонения в магнитном поле и не несут заряда; они обладают самой большой проницаемостью (фиг. 1). α-частицы несут двойной элементарный положительный заряд, равный 9,55·10 -10 CGSE. Пo своей природе они тождественны с ядром атома гелия; α-частички вылетают из атома с определенной начальной скоростью, характерной для каждого α-излучающего радиоэлемента; эта начальная скорость лежит в пределах 1,4·10 9 -2,06·10 9 см/сек. В воздухе α-частицы благодаря своей большой массе движутся почти прямолинейно, растрачивая постепенно свою кинетическую энергию при столкновениях с молекулами газа и вызывая сильную ионизацию. α-частицы обладают определенной дальностью полета, пройдя которую они теряют свой заряд и способность вызывать характерные действия. Величина этой дальности полета или «пробега» α-частиц зависит от начальной скорости частицы и от поглощающего вещества. Величина пробега α-частицы характерна для каждого радиоэлемента и обнимает периоды 2,67-8,62 см в воздухе при 0°С и 760 мм. В твердых телах α-частицы задерживаются толщиной слоя порядка 0,1 мм. Свойство водяного пара конденсироваться при определенных условиях на ионах позволяет наблюдать и фотографировать пути α-частиц (фиг. 2). 
β-лучи большинства радиоактивных веществ образуют несколько групп с различными начальными скоростями, распределение которых изучается по отклонению β-частиц в магнитном поле (спектр β-лучей). Начальные скорости β-частиц заключаются в пределах 8,7·10 9 -2,947·10 10 см/сек, т. е. до 0,988 скорости света. При прохождении через материю β-лучи рассеиваются значительно сильнее, чем α-лучи, мало изменяя свою скорость. Поглощение их происходит по закону, близкому к простому экспоненциальному I d = I 0 e - kd , где I d - интенсивность излучения, прошедшего толщину d, I 0 - начальная интенсивность, k - коэффициент поглощения. Характерной величиной может служить толщина слоя какого-либо вещества, например, алюминия, поглощающего β-лучи наполовину. Для различных β-лучей величина этого слоя 0,001-0,05 см алюминия. Наиболее жесткие β-лучи RaC поглощаются полностью двумя мм свинца, γ-лучи по своей природе совершенно аналогичны рентгеновым лучам и характеризуются длиной волны 10 -9 -10 -11 см. Поглощение γ-лучей сопровождается рассеянием и появлением вторичных β- и γ-лучей. Приближенно поглощение выражается простым показательным законом I = I 0 e -μх, причем в первом приближении удовлетворяется соотношение μ/ϱ = Const, где ϱ - плотность поглощающего вещества. Величина μ для γ-лучей различных радиоэлементов колеблется от 1000 до 0,12, чему соответствует толщина слоя Рb, поглощающего лучи наполовину, 10 -4 -5,5 см.
Теория радиоактивного распада . Для объяснения радиоактивных явлений Резерфорд и Содди предложили в 1902 г. теорию атомного распада, полностью подтвержденную дальнейшими экспериментами. Атомы радиоактивных элементов являются неустойчивыми образованиями и подвершены самопроизвольному распаду, подчиненному закону случайности. При этом освобождается внутриатомная энергия в виде излучений, атом же претерпевает превращение, переходя в другой химический элемент с совершенно иными свойствами, например, металл Ra превращается в RaEm - инертный газ. Основной закон радиоактивного распада формулируется следующим образом: количество вещества ΔN, распадающегося в элемент времени Δt, пропорционально наличному его количеству N и промежутку времени Δt, т. е. ΔN=-λNΔt, или N t =N 0 e -Δ t где N 0 - начальное количество, N t - количество для момента t. Коэффициент пропорциональности λ носит название радиоактивной постоянной, или константы распада радиоэлемента. Более наглядно каждый радиоэлемент характеризуется периодом полураспада, т. е. промежутком времени, в течение которого начальное количество его уменьшается наполовину, или же средней продолжительностью жизни τ. Период полураспада Т, средняя продолжительность жизни τ и радиоактивная постоянная λ связаны между собой следующим образом: Т= 0,6931τ = 0,6931 τ -1 . Для различных радиоэлементов λ = 1,3·10 -13 - 10 11 сек., соответственно Т=5,2·10 17 сек. (1,65·10 10 лет)-10 -11 сек. Между λ и величиной пробега α-лучей R существует найденное эмпирически Гейгером и Нуталлом соотношение Ig λ = А + В lg R, где А и В - константы. Графическое изображение закона Гейгера и Нуталла дает для трех радиоактивных семейств U - Ra, Th и Ас три параллельные прямые. Этим законом приходится пользоваться, между прочим, для определения радиоактивных констант быстро распадающихся веществ. Явления радиоактивного распада, сопровождаемого вылетом из ядра атома α- и β-частиц, дали первое доказательство сложного строения атомного ядра, заключающего в качестве структурных элементов электроны, протоны и ядра Не. Закономерности, наблюдаемые в распределении длин волн γ-лучей и скоростей β- и α-частиц, указывают на существование в ядре устойчивых состояний, соответствующих определенным уровням энергии. γ-излучения по-видимому связаны с внутриядерными переходами α-частиц с одного уровня энергии на другой, причем длина волны γ-луча определяется из квантовых соотношений. При радиоактивном превращении, сопровождаемом вылетом α-частицы из ядра, она должна пройти через уровень потенциальной энергии, значительно превышающий собственную энергию частички, которой она обладает в ядре. С точки зрения классической теории невозможно объяснить вылет α-частички из ядра через этот «потенциальный барьер». Теории радиоактивного распада, основанные на принципах волновой механики, описывают движение α-частиц при помощи волновой функции, причем α-излучение является результатом постепенного проникновения волновой функции через вышеупомянутый потенциальный барьер. При этом можно найти теоретическое выражение для связи скорости α-частиц с константой распада атома, удовлетворяющее опытным данным. Принимая, что α-частички в ядре атома обладают той же величиной энергии, с какой они покидают ядро при распаде, мы получаем исходную величину для оценки абсолютных значений уровней энергии в ядре атома. Эти величины порядка 10 6 V (в обозначениях атомной физики). β-излучения радиоактивных элементов образуют, с одной стороны, группы электронов определенных скоростей, по всей вероятности появляющихся в результате фотоэффекта, вызываемого γ-излучением ядра в электронных оболочках атома, с другой стороны, β-частички, вылетающие из ядра, обладают скоростями самых различных значений (непрерывный магнитный спектр γ-лучей). Часто за α-превращением в ряду распада следуют два β-превращения, что ложно истолковать нарушением устойчивости электронных уровней в ядре при уменьшении числа α-частиц. Энергетические взаимоотношения в ядре, связанные с β-излучением, представляются еще не вполне ясными.
При распаде радиоактивного атома получается б. ч. также радиоактивный элемент. Т.о. образуются ряды распада , или радиоактивные семейства , последовательно превращающихся радиоэлементов. Закон радиоактивного распада дает возможность рассчитать количество любого из членов ряда для каждого момента времени при заданных начальных условиях. На практике важнее всего следующие случаи. 1) Распад отдельного радиоэлемента, например RaEm; количество радиоэлемента в любой момент выразится так: N t =N 0 e -λ t начальное количество (при t=0). 2) Образование из радиоэлемента с весьма большой продолжительностью жизни (количество которого за рассматриваемый промежуток времени практически не изменяется, например, образование UX (период полураспада 24 дня) из U (период полураспада 10 9 лет). В этом случае количество атомов образующегося элемента N 2 для момента t выразится через число атомов материнского элемента N 1 и соответствующие константы распада так:
3) Случай радиоактивного равновесия, когда сохраняется постоянное отношение чисел атомов последовательных элементов в ряду распада. В этом случае соблюдаются равенства: N 1 λ=N 2 λ 2 =…=N k λ k если рассматриваемый ряд содержит к элементов (фиг. 3, А - нарастание и В - распадение ТhХ). Превращение радиоэлементов всегда сопровождается α- или β-излучением. Неизвестно ни одного случая, когда радиоактивное превращение сопровождалось бы только одним γ-излучением.
Изучение радиоактивных превращений привело к открытию большого числа новых элементов. При попытках разместить радиоэлементы в периодической системе возникли затруднения, т. к. число свободных мест оказалось недостаточным. Эти затруднения удалось преодолеть в результате изучения химических особенностей радиоэлементов. Болтвуд, открывший в 1906 г. новый радиоактивный элемент ионий, показал, что его химические свойства совершенно совпадают со свойствами элемента тория. Далее подобная химическая идентичность была обнаружена у ряда радиоэлементов (Ra и MsTh, Pb, RaB, ТhВ, АсВ и др.), и в 1910 г. Содди высказал мысль, что эти элементы обладают принципиально одинаковыми свойствами, и их разделение методами химии невозможно. Группа таких неразличимых химически элементов называется по предложению Фаянса плеядой , а сами элементы по предложению Содди изотопами , т.к. они занимают одно и то же место в периодической системе. Тогда же Содди предположил, что и нерадиоактивные элементы могут являться смесью принципиально неразделимых элементов разного атомного веса, чем и объясняются дробные значения атомных весов большинства элементов. Эта идея Содди нашла себе блестящее подтверждение в работах Астона, открывшего методом положительных лучей изотопы обычных элементов. Понятие изотопии позволило разместить все радиоэлементы в периодической системе. Они обнимают 10 плеяд, расположенных в двух последних рядах периодической системы (фиг. 4).
Характерными элементами, или доминантами , плеяды радиоактивных изотопов служат элементы с наибольшей продолжительностью жизни, или устойчивые элементы. При этом пять из них: Ra, Em, Ро, Ас и Ра являются новыми элементами, занявшими свободные места в периодической системе, остальные же попадают на места, занятые ранее известными радиоэлементами U и Тh и неактивными Рb, Tl, Bi. Наибольшая разница в атомных весах радиоактивных изотопов не превосходит 8 единиц. Т. о. радиоактивные превращения позволили глубже вникнуть в физический смысл периодического закона и понятия о химическом элементе. Оказалось, что место элемента в периодической системе определяется не атомным весом элемента, как это принималось ранее, а величиной положительного заряда ядра его атома. Все свойства изотопов, связанные с электронными оболочками атома, в пределах точности наших экспериментов практически одинаковы (атомный объем, температура перехода из одного состояния в другое, термическое изменение размеров, магнитная восприимчивость, спектры и т. п.). Они отличаются кроме радиоактивных свойств только теми особенностями, которые связаны с массой ядра, например, в тонкой структуре спектра и в ничтожных различиях в константах диффузии. На последнем обстоятельстве основаны попытки разделения изотопов, приведшие в результате кропотливой работы к частичному успеху.
При радиоактивном распаде происходит превращение элементов, подчиняющееся следующим правилам сдвига (К. Фаянс). 1) После излучения α-частички элемент смещается на два места влево в периодической системе. 2) При β-превращении элемент смещается на одно место вправо (направление стрелок на фиг. 4). Эти правила указывают, что радиоактивность есть свойство ядра атома, ибо вылет α-частички, несущей два элементарных положительных заряда, уменьшает на две единицы заряд ядра, что соответствует уменьшению атомного номера на две единицы. β-частичка уносит один отрицательный заряд, т. е. увеличивает положительный заряд ядра, а, следовательно, и его атомный номер на единицу. В результате радиоактивных превращений два различных элемента могут занять одно и то же место в периодической системе.
Все известные нам радиоэлементы образуют три радиоактивных семейства, или ряда: семейство U-Ra, семейство Ас и семейство Th. Ряды U и Th самостоятельны, ряд же Ас по всем данным связан с рядом U-Ra. На фиг. 5 приведена схема радиоактивных семейств с их превращениями. Наибольший практический интерес представляют радиоэлементы Ra и MsTh, как обладающие весьма большой радиоактивностью и являющиеся источником сильно радиоактивных элементов малой продолжительности жизни (нaпpимер, RaEm, ThX и др.). Из других химических элементов только К и Rb обладают слабой радиоактивностью с испусканием β- и γ-лучей. Продукты их превращения неизвестны.
Действия радиоактивных излучений . 1) Все радиоактивные излучения производят ионизацию газов. При этом сильнее всего действуют α-лучи, действие β- и γ-лучей значительно слабее. В меньшей степени ионизация наблюдается у жидких и твердых диэлектриков. 2) Энергия радиоактивных излучений переходит при поглощении их материй в тепло. При этом наибольший эффект дают также α-лучи, обладающие максимальной энергией. Теоретически количество выделяемого тепла можно подсчитать, зная энергию излучений и кинетическую энергию остатка распавшегося атома. Экспериментально тепловое действие особенно тщательно изучено для Ra; 1 г Ra выделяет в час 25 cal, а вместе с продуктами распада 170 cal. 3) Сильные радиоактивные препараты светятся сами и вызывают свечение ряда тел. Вспышки на экране сернистого цинка, вызываемые отдельными α-частицами (сцинтилляции ), позволяют считать α-частицы, излучаемые радиоэлементами. 4) Многие вещества меняют свою окраску под действием радиоактивных излучений. 5) Радиоактивные лучи действуют на фотографическую пластинку. Прикладывая к фотографической пластинке плохо отшлифованную поверхность куска радиоактивной руды, можно получить радиографию распределения радиоактивных минералов по поверхности образца. 6) Под действием радиоактивных излучений происходят химические реакции, связанные главным образом с вызываемой ими ионизацией; некоторые действия β-лучей на коллоиды объясняются отрицательным зарядом самих β-частиц. 7) Действие радиоэлементов на живой организм сказывается в виде местных и общих явлений и сильно зависит от дозы. Действие радиоактивных излучений выражается в общем утомлении организма, изменении состава крови (уменьшение числа белых кровяных шариков и др.). При местном воздействии β-лучей больших количеств радиоэлементов может получиться ожог, трудно поддающийся излечению. Молодые клетки наиболее чувствительны к действию излучений. Введение внутрь организма больших количеств радиоэлементов влечет за собой смерть. Незначительные количества радиоэлементов оказывают благотворное действие на организм.
Практические приложения радиоактивности. 1) Свойство радиоэлементов ионизировать газы нашло свое применение в изготовлении радиоактивных коллекторов, служащих для измерения электрического поля, главным образом при исследованиях атмосферного электричества. Для этой цели употребляются обыкновенно α-излучатели Io или Во. Последний приходится периодически возобновлять, т. к. он распадается наполовину в 137 дней. 2) Радиоактивные Em м. б. использованы при определении газопроницаемости различных веществ. 3) При прохождении α-частиц через различные вещества наблюдается при определенных условиях появление Н-частичек (ядра водорода). Впервые явление это было обнаружено в 1919 г. Резерфордом в азоте и истолковано как результат разрушения ядра азота при столкновении с α-частичкой. Дальнейшие работы, главным образом сотрудников Резерфорда - Кирша и Петерсона, - показали, что большое число элементов разрушается под действием α-частиц. О других практических приложениях радиоактивности см. Радий .
Для количественного измерения радиоактивных веществ употребляется почти исключительно метод основанный на ионизации. В случае очень сильных препаратов возможно пользоваться для измерения ионизационных токов чувствительным гальванометром. Для измерения же малых количеств радиоэлементов пользуются электроскопами и электрометрами. Важнейшие схемы применяемых приборов представлены на фиг. 6.
1) Измерения по α-лучам . Исследуемое вещество радиоактивности помещается в тонко измельченном виде в плоской чашечке на дно «ионизационной камеры» электроскопа (фиг. 6а) или электрометра (фиг. 6б). Ионизационный ток измеряется по скорости спадания листка электроскопа, отсчитываемой по окулярной шкале микроскопа. При этом необходимо учитывать собственное спадание листка под влиянием дефектов изоляции и ионизации воздуха внутри прибора, определяемое специальным наблюдением в отсутствии радиоактивного вещества. При измерении с электрометром пользуются или методом зарядки или же компенсационными методами. При измерениях по α-лучам берут обычно слой вещества толщиной порядка 1 мм. Такой слой будет насыщенным для α-излучения, т. е. α-лучи из нижних частей уже поглощаются в самом активном веществе и не выходят наружу. При этом измеряемая ионизация приблизительно пропорциональна концентрации радиоэлементов в препарате. Обычно измерения производятся по сравнению с эталоном, содержащим известное количество определяемого радиоэлемента, например, U в равновесии с продуктами распада. Или же результаты выражают в урановых единицах , причем под урановой единицей подразумевается одностороннее излучение 1 см 2 насыщенного для α-лучей слоя окиси урана U 3 О 8 . В абсолютных единицах это соответствует току насыщения 1,73·10 -3 CGSE. В случае бесконечно тонкого слоя (например, активный налет, получаемый в присутствии эманаций на твердых телах и состоящий из продуктов их распада) ионизация пропорциональна количеству радио-элемента на препарате. 2) Измерения по γ-лучам . Благодаря большой проницаемости γ-лучей возможно с их помощью измерить количество радио-элементов (обычно Ra, RaEm или MsTh) в герметически запаянных препаратах. Измерения производятся по сравнению с эталоном, содержащим известное количество Ra. При измерении малых количеств Ra порядка 10 -5 -10 -7 г их помещают внутри прибора специального устройства. При измерении же больших количеств - от 10 -4 г и выше - испытуемый препарат помещается на некотором расстоянии снаружи прибора. 3) Измерения малых количеств RaEm производятся по α-лучам в электрометре с ионизационной камерой , приспособленной для введения Еm внутрь ее. Обычно приходится измерять Еm из водного раствора, при этом Em перегоняют в ионизационную камеру с током воздуха посредством циркуляции (фиг. 7) или каким-либо иным способом.
Далее измеряется ионизация, вызываемая α-лучами Em и продуктов ее воде источников. Этот же метод применяется при определении малых количеств Ra в растворе. Исследуемый раствор помещают в газопромывательную склянку L и освобождают от Em продуванием через него воздуха в течение 10-30 мин. Затем сосуд с раствором герметически закрывают и оставляют на несколько дней для накопления Em. Далее Em переводят в измерительный прибор J, где и определяют ее количество. Накопление эманации происходит по формуле Е=Е ∞ (1 е λ t), где Е - количество Em, накопленной в течение времени t, Е ∞ - количество ее, находящееся в равновесии с радием в данном растворе. Численно Е ∞ равно стольким кюри эманации, сколько грамм Ra находится в растворе.
Эталоном служит раствор с известным содержанием Ra порядка 10 -8 -10 -9 г. По Em возможно измерить 10 -10 г даже 10 -12 г Ra. 4) Измерение числа отдельных частиц производится или при помощи метода сцинтилляций или же путем соответствующего усиления ионизирующего действия отдельных частиц или импульсов (счетчик Гейгера ). Возможно также применение фотографической пластинки с толстым слоем (метод Л. В. Мысовского).
Радиоактивность - это способность атомов некоторых изотопов самопроизвольно распадаться, испуская излучение. Впервые такое излучение, испускаемое ураном, обнаружил Беккерель, поэтому вначале радиоактивные излучения называли лучами Беккереля. Основной вид радиоактивного распада - выбрасывание из ядра атома альфа-частицы - альфа-распад (см. Альфа-излучение) или бета-частицы - бета-распад (см. Бета-излучение).
При радиоактивном распаде исходный превращается в атом другого элемента. В результате выбрасывания из ядра атома альфа-частицы, представляющей собой совокупность двух протонов и двух нейтронов, массовое число образующегося атома (см.) уменьшается на четыре единицы, и он оказывается сдвинутым в таблице Д. И. Менделеева на две клетки влево, так как порядковый номер элемента в таблице равен числу протонов в ядре атома. При выбрасывании бета-частицы (электрон) происходит превращение в ядре одного нейтрона в протон, вследствие чего образующийся атом оказывается сдвинутым в таблице Д. И. Менделеева на одну клетку вправо. Масса его при этом почти не изменяется. Выбрасывание бета-частицы сопряжено обычно с (см.).
Распад любого радиоактивного изотопа происходит по следующему закону: число распадающихся в единицу времени атомов (n) пропорционально числу атомов (N), имеющихся в наличии в данный момент времени, т. е. n=λN; коэффициент λ, называется постоянной радиоактивного распада и связан с периодом полураспада изотопа (Т) соотношением λ= 0,693/T. Указанный закон распада приводит к тому, что за каждый отрезок времени, равный периоду полураспада Т, количество изотопа уменьшается вдвое. Если образующиеся в результате радиоактивного распада атомы оказываются тоже радиоактивными, то происходит их постепенное накопление, пока не установится радиоактивное равновесие между материнским и дочерним изотопами; при этом число атомов дочернего изотопа, образующихся в единицу времени, равно числу атомов, распадающихся за то же время.
Известно свыше 40 естественных радиоактивных изотопов. Большая часть их расположена в трех радиоактивных рядах (семействах): урана-радия, и актиния. Все указанные радиоактивные изотопы широко распространены в природе. Присутствие их в горных породах, водах, атмосфере, растительных и живых организмах обусловливает естественную или природную радиоактивность.
Кроме естественных радиоактивных изотопов, сейчас известно около тысячи искусственно радиоактивных. Получают их путем ядерных реакций, в основном в ядерных реакторах (см. ). Многие естественные и искусственно радиоактивные изотопы широко используются в медицине для лечения (см. Лучевая терапия) и особенно для диагностики заболеваний (см. ). См. также Излучения ионизирующие.
Радиоактивность (от лат. radius - луч и activus - действенный) - способность неустойчивых ядер атомов самопроизвольно превращаться в другие, более устойчивые или стабильные ядра. Такие превращения ядер называются радиоактивными, а сами ядра или соответствующие атомы - радиоактивными ядрами (атомами). При радиоактивных превращениях ядра испускают энергию либо в виде заряженных частиц, либо в виде гамма-квантов электромагнитного излучения или гамма-излучения.
Превращения, при которых ядро одного химического элемента превращается в ядро другого элемента с другим значением атомного номера, называют радиоактивным распадом. Радиоактивные изотопы (см.), образовавшиеся и существующие в природных условиях, называют естественно радиоактивными; такие же изотопы, полученные искусственным путем посредством ядерных реакций,- искусственно радиоактивными. Между естественно и искусственно радиоактивными изотопами нет принципиальной разницы, так как свойства ядер атомов и самих атомов определяются только составом и структурой ядра и не зависят от способа их образования.
Радиоактивность была открыта в 1896 г. Беккерелем (А. Н. Becquerel), который обнаружил излучение урана (см.), способное вызывать почернение фотоэмульсии и ионизировать воздух. Кюри-Склодовская (М. Curie-Sklodowska) первая измерила интенсивность излучения урана и одновременно с немецким ученым Шмидтом (G. С. Schmidt) обнаружила радиоактивность у тория (см.). Свойство изотопов самопроизвольно испускать невидимое излучение супруги Кюри назвали радиоактивностью. В июле 1898 г. они сообщили об открытии ими в урановой смоляной руде нового радиоактивного элемента полония (см.). В декабре 1898 г. совместно с Бемоном (G. Bemont) они открыли радий (см.).
После открытия радиоактивных элементов ряд авторов (Беккерель, супруги Кюри, Резерфорд и др.) установил, что эти элементы могут испускать три вида лучей, которые по-разному ведут себя в магнитном поле. По предложению Резерфорда (Е. Rutherford, 1902) эти лучи были названы альфа- (см. Альфа-излучение), бета- (см. Бета-излучение) и гамма-лучами (см. Гамма-излучение). Альфа-лучи состоят из положительно заряженных альфа-частиц (дважды ионизированных атомов гелия Не4); бета-лучи- из отрицательно заряженных частиц малой массы - электронов; гамма-лучи по природе аналогичны рентгеновым лучам и представляют собой кванты электромагнитного излучения.
В 1902 г. Резерфорд и Содди (F. Soddy) объяснили явление радиоактивности самопроизвольным превращением атомов одного элемента в атомы другого элемента, происходящим по законам случайности и сопровождающимся выделением энергии в виде альфа-, бета-и гамма-лучей.
В 1910 г. М. Кюри-Склодовская вместе с Дебьерном (A. Debierne) получила чистый металлический радий и исследовала его радиоактивные свойства, в частности измерила постоянную распада радия. Вскоре был открыт ряд других радиоактивных элементов. Дебьерн и Гизель (F. Giesel) открыли актиний. Ган (О. Halm) открыл радиоторий и мезоторий, Болтвуд (В. В. Boltwood) открыл ионий, Ган и Майтнер (L. Meitner) открыли протактиний. Все изотопы этих элементов радиоактивны. В 1903 г. Пьер Кюри и Лаборд (С. A. Laborde) показали, что препарат радия имеет всегда повышенную температуру и что 1 г радия с продуктами его распада за 1 час выделяет около 140 ккал. В этом же году Рамзай (W. Ramsay) и Содди установили, что в запаянной ампуле с радием содержится газообразный гелий. Работами Резерфорда, Дорна (F. Dorn), Дебьерна и Гизеля было показано, что среди продуктов распада урана и тория имеются быстрораспадающиеся радиоактивные газы, названные эманациями радия, тория и актиния (радон, торон, актинон). Таким образом, было доказано, что при распаде атомы радия превращаются в атомы гелия и радона. Законы радиоактивных превращений одних элементов в другие при альфа- и бета-распадах (законы смещения) были впервые сформулированы Содди, Фаянсом (К. Fajans) и Расселлом (W. J. Russell).
Эти законы заключаются в следующем. При альфа-распаде всегда из исходного элемента получается другой, который расположен в периодической системе Д. И. Менделеева на две клетки левее исходного элемента (порядковый или атомный номер на 2 меньше исходного); при бета-распаде всегда из исходного элемента получается другой элемент, который расположен в периодической системе на одну клетку правее исходного элемента (атомный номер на единицу больше, чем у исходного элемента).
Изучение превращений радиоактивных элементов привело к открытию изотопов, т. е. атомов, которые обладают одинаковыми химическими свойствами и атомными номерами, но отличаются друг от друга по массе и по физическим свойствам, в частности по радиоактивным свойствам (типу излучения, скорости распада). Из большого количества открытых радиоактивных веществ новыми элементами оказались только радий (Ra), радон (Rn), полоний (Ро) и протактиний (Ра), а остальные - изотопами ранее известных урана (U), тория (Th), свинца (Pb), таллия (Tl) и висмута (Bi).
После открытия Резерфордом ядерной структуры атомов и доказательства, что именно ядро определяет все свойства атома, в частности структуру его электронных оболочек и его химические свойства (см. Атом, Ядро атомное), стало ясно, что радиоактивные превращения связаны с превращением атомных ядер. Дальнейшее изучение строения атомных ядер позволило полностью расшифровать механизм радиоактивных превращений.
Первое искусственное превращение ядер - ядерная реакция (см.) - было осуществлено Резерфордом в 1919 г. путем бомбардировки ядер атомов азота альфа-частицами полония. При этом ядра азота испускали протоны (см.) и превращались в ядра кислорода О17. В 1934 г. Ф. Жолио-Кюри и И. Жолио-Кюри (F. Joliot-Curie, I. Joliot-Curie) впервые получили искусственным путем радиоактивный изотоп фосфора бомбардируя альфа-частицами атомы Al. Ядра P30 в отличие от ядер естественно радиоактивных изотопов, при распаде испускали не электроны, а позитроны (см. Космическое излучение) и превращались в стабильные ядра кремния Si30. Таким образом, в 1934 г. были одновременно открыты искусственная радиоактивность и новый вид радиоактивного распада - позитронный распад, или β + -распад.
Супруги Жолио-Кюри высказали мысль о том, что все быстрые частицы (протоны, дейтоны, нейтроны) вызывают ядерные реакции и могут быть использованы для получения естественно радиоактивных изотопов. Ферми (Е. Fermi) с сотр., бомбардируя нейтронами различные элементы, получил радиоактивные изотопы почти всех химических элементов. В настоящее время при помощи ускоренных заряженных частиц (см. Ускорители заряженных частиц) и нейтронов осуществлено большое разнообразие ядерных реакций, в результате которых стало возможным получать любые радиоактивные изотопы.
В 1937 г. Альварес (L. Alvarez) открыл новый вид радиоактивного превращения - электронный захват. При электронном захвате ядро атома захватывает электрон с оболочки атома и превращается в ядро другого элемента. В 1939 г. Ган и Штрассманн (F. Strassmann) открыли деление ядра урана на более легкие ядра (осколки деления) при бомбардировке его нейтронами. В том же году Флеров и Петржак показали, что процесс деления ядер урана осуществляется и без внешнего воздействия, самопроизвольно. Тем самым они открыли новый вид радиоактивного превращения - самопроизвольное деление тяжелых ядер.
В настоящее время известны следующие виды радиоактивных превращений, совершающихся без внешних воздействий, самопроизвольно, в силу только внутренних причин, обусловленных структурой атомных ядер.
1. Альфа-распад . Ядро с атомным номером Z и массовым числом А испускает альфа-частицу - ядро гелия Не4- и превращается в другое ядро с Z меньшим на 2 единицы и А меньшим на 4 единицы, чем у исходного ядра. В общем виде альфа-распад записывается следующим образом:
Где X - исходное ядро, Y-ядро продукта распада.
2. Бета-распад
бывает двух типов: электронный и позитронный, или β - - и β + -распад (см. Бета-излучение). При электронном распаде из ядра вылетают электрон и нейтрино и образуется новое ядро с тем же массовым числом А, но с атомным номером Z на единицу большим, нем у исходного ядра:
При позитронном распаде ядро испускает позитрон и нейтрино и образуется новое ядро с тем же массовым числом, но с Z на единицу меньшим, чем у исходного ядра:
При бета-распаде в среднем 2/3 энергии ядра уносится частицами нейтрино (нейтральными частицами очень малой массы, очень слабо взаимодействующими с веществом).
3. Электронный захват
(прежнее название К-захват). Ядро захватывает электрон с одной из оболочек атома, чаще всего с К-оболочки, испускает нейтрино и превращается в новое ядро с тем же массовым числом А, но с атомным номером Z меньше на 1, чем у исходного ядра.
Превращение ядер при электронном захвате и позитронном распаде одинаковое, поэтому эти два вида распада наблюдаются одновременно для одних и тех же ядер, т. е. являются конкурирующими. Так как после захвата электрона с внутренней оболочки атома на его место переходит электрон с одной из более удаленных от ядра орбит, то электронный захват сопровождается всегда испусканием рентгеновского характеристического излучения.
4. Изомерный переход . После испускания альфа- или бета-частицы некоторые типы ядер находятся в возбужденном состоянии (состоянии с избыточной энергией) и испускают энергию возбуждения в виде гамма-квантов (см.Гамма-излучение). В этом случае при радиоактивном распаде ядро, кроме альфа- или бета-частиц, испускает также гамма-кванты. Так, ядра изотопа Sr90 испускают только β-частицы, ядра Na24 испускают, кроме β-частиц, также гамма-кванты. Большинство ядер находится в возбужденном состоянии очень малые промежутки времени, не поддающиеся измерению (менее 10 -9 сек.). Однако лишь относительно небольшое число ядер может находиться в возбужденном состоянии сравнительно большие промежутки времени - до нескольких месяцев. Такие ядра называются изомерами, а соответствующие переходы их из возбужденного состояния в нормальное, сопровождающиеся испусканием только гамма-квантов,- изомерными. При изомерных переходах А и Z ядра не изменяются. Радиоактивные ядра, испускающие только альфа- или бета-частицы, называются чистыми альфа- или бета-излучателями. Ядра, у которых альфа- или бета-распад сопровождается испусканием гамма-квантов, называются гамма-излучателями. Чистыми гамма-излучателями являются только ядра, находящиеся длительное время в возбужденном состоянии, т. е. претерпевающие изомерные переходы.
5. Самопроизвольное деление ядер
. В результате деления из одного ядра образуется два более легких ядра - осколки деления. Так как одинаковые ядра могут делиться различным образом на два ядра, то в процессе деления образуется много различных пар более легких ядер с различными Z и А. При делении освобождаются нейтроны, в среднем 2-3 нейтрона на один акт деления ядра, и гамма-кванты. Все образующиеся при делении осколки являются неустойчивыми и претерпевают β - -распад. Вероятность деления является очень малой для урана, но возрастает с увеличением Z. Этим объясняется отсутствие на Земле более тяжелых, чем уран, ядер. В стабильных ядрах существует определенное соотношение между числом протонов и нейтронов, при котором ядро обладает наибольшей устойчивостью, т.е. наибольшей энергией связи частиц в ядре. Для легких и средних ядер наибольшей их устойчивости соответствует примерно равное содержание протонов и нейтронов. Для более тяжелых ядер наблюдается относительное увеличение числа нейтронов в устойчивых ядрах. При избытке в ядре протонов или нейтронов ядра со средним значением А являются неустойчивыми и претерпевают β - - или β + -распады, при которых происходит взаимное превращение нейтрона и протона. При избытке нейтронов (тяжелые изотопы) происходит превращение одного из нейтронов в протон с испусканием электрона и нейтрино:
При избытке протонов (легкие изотопы) происходит превращение одного из протонов в нейтрон с испусканием либо позитрона и нейтрино (β + -распад), либо только нейтрино (электронный захват):
Все тяжелые ядра с атомным номером больше, чему Pb82, являются неустойчивыми вследствие значительного количества протонов, отталкивающих друг друга. Цепочки последовательных альфа- и бета-распадов в этих ядрах происходят до тех пор, пока не образуются устойчивые ядра изотопов свинца. С улучшением экспериментальной техники у все большего количества ядер, считавшихся ранее стабильными, обнаруживают очень медленный радиоактивный распад. В настоящее время известно 20 радиоактивных изотопов с Z меньше 82.
В результате любых радиоактивных превращений количество атомов данного изотопа непрерывно уменьшается. Закон убывания с течением времени количества активных атомов (закон радиоактивного распада) является общим для всех видов превращений и всех изотопов. Он носит статистический характер (применим только для большого количества радиоактивных атомов) и заключается в следующем. Количество активных атомов данного изотопа, распадающихся за единицу времени ΔN/Δt, пропорционально количеству активных атомов N, т. е. за единицу времени распадается всегда одна и та же доля к активных атомов данного изотопа независимо от их количества. Величина к называется постоянной радиоактивного распада и представляет собой долю активных атомов, распадающихся за единицу времени, или относительную скорость распада. к измеряется в единицах, обратных единицам измерения времени, т. е. в сек.-1 (1/сек.), сутки-1, год-1 и т. п., для каждого радиоактивного изотопа имеет свое определенное значение, которое изменяется в очень широких пределах для различных изотопов. Величина, характеризующая абсолютную скорость распада, называется активностью данного изотопа или препарата. Активность 1 г вещества называется удельной активностью вещества.
Из закона радиоактивного распада следует, что убывание количества активных атомов N сначала происходит быстро, а затем все медленнее. Время, в течение которого количество активных атомов или активность данного изотопа уменьшается в два раза, называется периодом полураспада (Т) данного изотопа. Закон убывания N от времени t является экспоненциальным и имеет следующее аналитическое выражение: N=N0e-λt, где N0 - число активных атомов в момент начала отсчета времени (г=0), N - количество активных атомов спустя время t, е - основание натуральных логарифмов (число, равное 2,718...). Между постоянной распада к и периодом полураспада λ существует следующее соотношение: λТ-0,693. Отсюда
Периоды полураспада измеряются в сек., мин. и т. п. и для различных изотопов изменяются в очень широких пределах от малых долей секунды до 10+21 лет. Изотопы, обладающие большими λ и малыми Т, называются короткоживущими, изотопы с
малыми λ и большими Т называются долгоживущими. Если активное вещество состоит из нескольких радиоактивных изотопов с различными периодами полураспада, генетически не связанных между собой, то с течением времени активность вещества также будет непрерывно уменьшаться и изотопный состав препарата будет все время изменяться: будет уменьшаться доля короткоживущих изотопов и возрастать доля долгоживущих изотопов. Через достаточно большой промежуток времени практически в препарате останется только самый долгоживущий изотоп. По кривым распада радиоактивных веществ, состоящих из одного или смеси изотопов, можно определить периоды полураспада отдельных изотопов и их относительные активности для любого момента времени.
Законы изменения активности генетически связанных изотопов качественно другие; они зависят от соотношения периодов их полураспада. Для двух генетически связанных изотопов с периодом Т1 для исходного изотопа и Т2 - продукта распада эти законы имеют наиболее простую форму. При T1>T2 активность исходного изотопа Q1 все время убывает по экспоненциальному закону с периодом полураспада Т1. Благодаря распаду ядер исходного изотопа будут образовываться ядра конечного изотопа и его активность Q2 будет возрастать. Спустя определенное время скорость распада ядер второго изотопа (станет близкой к скорости образования ядер этого изотопа из исходного (скорость распада исходного изотопа Q1) и эти скорости будут находиться в определенном и постоянном соотношении все дальнейшее время - наступает радиоактивное равновесие.
Активность исходного изотопа непрерывно убывает с периодом Т1, поэтому после достижения радиоактивного равновесия активность конечного изотопа Q2 и суммарная активность двух изотопов Q1+Q2 будут также убывать с периодом полураспада исходного изотопа Т1. При Т1>Т2 Q2=Q1. Если из исходного долгоживущего изотопа образуется последовательно несколько короткоживущих изотопов, как это имеет место в радиоактивном ряду урана и радия, то после достижения равновесия активности каждого короткоживущего изотопа становятся практически равными активности исходного изотопа. При этом общая активность равна сумме активностей всех короткоживущих продуктов распада и убывает с периодом: полураспада исходного долгоживущего изотопа, как и активность всех изотопов, находящихся в равновесии.
Радиоактивное равновесие достигается практически за время, равное 5-10 периодам полураспада того изотопа из продуктов распада, который имеет наибольший период полураспада. Если T1 К числу естественно радиоактивных изотопов относится около 40 изотопов периодической системы элементов с Z больше 82, которые образуют три последовательных ряда радиоактивных превращений: ряд урана (рис. 1), ряд тория (рис. 2) и ряд актиния (рис. 3). Путем последовательных альфа- и бета-распадов из исходных изотопов ряда получаются конечные устойчивые изотопы свинца. Стрелками на рисунках указаны последовательные радиоактивные превращения с указанием типа распада и процента атомов, претерпевающих распад данного типа. Горизонтальными стрелками обозначены превращения, совершающиеся почти в 100% случаев, а наклонными - в незначительной части случаев. При обозначении изотопов указаны периоды их полураспада. В скобках даны прежние названия членов ряда, указывающие генетическую связь, без скобок - принятые в настоящее время обозначения изотопов, соответствующие их химической и физической природе. В рамки заключены долгоживущие изотопы, а в двойные рамки - конечные стабильные изотопы. Альфа-распад обычно сопровождается очень малоинтенсивным гамма-излучением, часть бета-излучателей испускает интенсивное гамма-излучение. Естественный фон обусловлен природной радиоактивностью-излучением и воздействием естественно радиоактивных изотопов, содержащихся на поверхности Земли, в биосфере и воздухе, и космическим излучением (см.). Кроме указанных изотопов, в различных веществах содержатся также изотоп К40 и около 20 других радиоактивных изотопов с очень большими периодами полураспада (от 109 до 1021 лет), вследствие чего их относительная активность очень мала по сравнению с активностью других изотопов. Радиоактивные изотопы, содержащиеся в оболочке Земли, играли и играют исключительную роль в развитии нашей планеты, в частности в развитии и сохранении жизни, так как они компенсировали потери тепла, происходящие на Земле, и обеспечивали практическое постоянство температуры на планете в течение многих миллионов лет. Радиоактивные изотопы, подобно всем другим изотопам, содержатся в природе в основном в рассеянном состоянии и присутствуют во всех веществах, растительных и животных организмах. Вследствие различия физико-химических свойств изотопов относительное содержание их в почвах и водах оказывается неодинаковым. Газообразные продукты распада урана, тория и актиния - торон, радон и актинон - из почвенных вод непрерывно поступают в воздух. Кроме этих газообразных продуктов, в воздухе содержатся также альфа- и бета-активные продукты распада радия, тория и актиния (в виде аэрозолей). Из почвы радиоактивные элементы, как и стабильные, вместе с почвенными водами поступают в растения, поэтому стебли и листья растений всегда содержат уран, радий, торий с продуктами их распада, калий и ряд других изотопов, хотя и в относительно малых концентрациях. В растениях и животных также присутствуют изотопы С14, Н3, Be7 и другие, которые образуются в воздухе под воздействием нейтронов космического излучения. Вследствие того что совершается непрерывный обмен между человеческим организмом и окружающей средой, все радиоактивные изотопы, содержащиеся в пищевых продуктах, воде и воздухе, содержатся и в организме. Изотопы находятся в организме в следующих дозах: в мягких тканях-31 мбэр/год, в костях-44мбэр/год. Доза от космического излучения составляет 80-90 мбэр/год, доза от внешнего гамма-излучения - 60-80 мбэр/год. Суммарная доза равна 140-200 мбэр/год. Доза, падающая на легкие, - 600-800 мбэр/год. Искусственно радиоактивные изотопы получаются путем бомбардировки стабильных изотопов нейтронами или заряженными частицами в результате различных ядерных реакций, в качестве источников заряженных частиц используются различные типы ускорителей. Об измерениях потоков и доз различных видов ионизирующих излучений - см. Дозиметрия, Дозы ионизирующих излучений, Нейтрон. Вследствие того что большие дозы радиации вредно отражаются на здоровье людей, при работе с источниками излучений и радиоактивными изотопами применяются специальные меры защиты (см. ). В медицине и биологии изотопы используют для изучения обмена веществ, в диагностических и терапевтических целях (см. ). Содержание радиоактивных изотопов в организме и динамику их обмена определяют при помощи счетчиков внешнего излучения от человека.
Это способность ядер атомов различных химических элементов разрушаться, видоизменяться с испусканием атомных и субатомных частиц высоких энергий. При радиоактивных превращениях, в подавляющем большинстве случаев, ядра атомов (а значит, и сами атомы) одних химических элементов превращаются в ядра атомов (в атомы) других химических элементов, либо один изотоп химического элемента превращается в другой изотоп того же элемента. Атомы, ядра которых подвержены радиоактивному распаду или другим радиоактивным превращениям, называются радиоактивными
. (от греческих слов
isos
– «равный, одинаковый» и
topos
– «место»)
Это нуклиды одного химического элемента, т.е. разновидности атомов определенного элемента, имеющие одинаковый атомный номер, но разные массовые числа.
Изотопы обладают ядрами с одинаковым числом протонов и различным числом нейтронов и занимают одно и то же место в периодической системе химических элементов. Различают стабильные изотопы, которые существуют в неизменном виде неопределенно долго, и нестабильные (радиоизотопы), которые со временем распадаются. Известно
около 280 стабильных
и
более 2000 радиоактивных
изотопов
у 116 природных и искусственно полученных элементов
.
Нуклид
(от латинского
nucleus
– «ядро») – совокупность атомов с определенными значениями заряда ядра и массового числа.
Условные обозначения нуклида:
, где
X
–
буквенное обозначение элемента,
Z
–
число протонов (атомный номер
),
A
–
сумма числа протонов и нейтронов (массовое число
).
Даже у самого первого в таблице Менделеева и самого лёгкого атома – водорода, в ядре которого только один протон (а вокруг него вращается один электрон), имеется три изотопа. Могут быть естественными, самопроизвольными (спонтанными) и искусственными. Спонтанные радиоактивные превращения – процесс случайный, статистический. Все радиоактивные превращения сопровождаются, как правило, выделением из ядра атома избытка энергии в виде электромагнитного излучения
. Гамма-излучение – это поток гамма-квантов, обладающих большой энергией и проникающей способностью. Рентгеновское излучение – это так же поток фотонов – обычно с меньшей энергией. Только «место рождения» рентгеновского излучения не ядро, а электронные оболочки. Основной поток рентгеновского излучения возникает в веществе при прохождении через него «радиоактивных частиц» («радиоактивного излучения» или «ионизирующего излучения»). Основные разновидности радиоактивных превращений:
Это испускание, выбрасывание с огромными скоростями из ядер атомов «элементарных» (атомных, субатомных) частиц, которые принято называть радиоактивным (ионизирующим) излучением
. При распаде один изотоп данного химического элемента превращается в другой изотоп того же элемента. Для естественных
(природных) радионуклидов основными видами радиоактивного распада являются альфа- и бета-минус-распад. Названия «альфа
» и «бета
» были даны Эрнестом Резерфордом в 1900 году при изучении радиоактивных излучений. Для искусственных
(техногенных) радионуклидов, кроме этого, характерны также нейтронный, протонный, позитронный (бета-плюс) и более редкие виды распада и ядерных превращений (мезонный, К-захват, изомерный переход и др.). Это испускание из ядра атома альфа-частицы, которая состоит из 2 протонов и 2 нейтронов. Альфа-частица имеет массу 4 единицы, заряд +2 и является ядром атома гелия (4He). В результате испускания альфа-частицы образуется новый элемент, который в таблице Менделеева расположен на 2 клетки левее
, так как количество протонов в ядре, а значит, и заряд ядра, и номер элемента стали на две единицы меньше. А масса образовавшегося изотопа оказывается на 4 единицы меньше
. А
льфа
–
распад
– это характерный вид радиоактивного распада для естественных радиоактивных элементов шестого и седьмого периодов таблицы Д.И. Менделеева (уран, торий и продукты их распада до висмута включительно) и особенно для искусственных – трансурановых – элементов. То есть этому виду распада подвержены отдельные изотопы всех тяжёлых элементов, начиная с висмута. Так, например, при альфа-распаде урана всегда образуется торий, при альфа-распаде тория – радий, при распаде радия – радон, затем полоний и наконец – свинец. При этом из конкретного изотопа урана-238 образуется торий-234, затем радий-230, радон-226 и т. д. Скорость альфа-частицы при вылете из ядра от 12 до 20 тыс. км/сек. Бета-распад
– наиболее распространённый вид радиоактивного распада (и вообще радиоактивных превращений), особенно среди искусственных радионуклидов. У каждого химического элемента
есть, по крайней мере, один бета-активный, то есть подверженный бета-распаду изотоп. Пример естественного бета-активного радионуклида – калий-40 (Т1/2=1,3×109 лет), в природной смеси изотопов калия его содержится всего 0,0119%. Кроме К-40, значимыми естественными бета-активными радионуклидами являются также и все продукты распада урана и тория, т.е. все элементы от таллия до урана. Бета-распад включает в себя
такие виды радиоактивных превращений, как: – бета-минус распад; – бета-плюс распад; – К-захват (электронный захват). Бета-минус распад
– это испускание из ядра бета-минус частицы – электрона
, который образовался в результате самопроизвольного превращения одного из нейтронов в протон и электрон. При этом бета-частица со скоростью до 270 тыс. км/сек
(9/10 скорости света) вылетает из ядра. И так как протонов в ядре стало на один больше, то ядро данного элемента превращается в ядро соседнего элемента справа – с большим номером. При бета-минус распаде радиоактивный калий-40 превращается в стабильный кальций-40 (стоящий в соседней клетке справа). А радиоактивный кальций-47 – в стоящий справа от него скандий-47 (тоже радиоактивный), который, в свою очередь, также путём бета-минус распада превращается в стабильный титан-47. Бета-плюс распад
– испускание из ядра бета-плюс частицы – позитрона
(положительно заряженного «электрона»), который образовался в результате самопроизвольного превращения одного из протонов в нейтрон и позитрон. В результате этого (так как протонов стало меньше) данный элемент превращается в соседний слева в таблице Менделеева. Например, при бета-плюс распаде радиоактивный изотоп магния магний-23 превращается в стабильный изотоп натрия (стоящего слева) – натрий-23, а радиоактивный изотоп европия – европий-150 превращается в стабильный изотоп самария – самарий-150. – испускание из ядра атома нейтрона. Характерен для нуклидов искусственного происхождения. При испускании нейтрона один изотоп данного химического элемента превращается в другой, с меньшим весом. Так, например, при нейтронном распаде радиоактивный изотоп лития – литий-9 превращается в литий-8, радиоактивный гелий-5 – в стабильный гелий-4. Если стабильный изотоп йода – йод-127 облучать гамма-квантами, то он становится радиоактивным, выбрасывает нейтрон и превращается в другой, тоже радиоактивный изотоп – йод-126. Это пример искусственного нейтронного распада
. В результате радиоактивных превращений могут образовываться изотопы других химических элементов или того же элемента
, которые сами могут быть радиоактивными
элементами. Т.е. распад некоего исходного радиоактивного изотопа может привести к некоторому количеству последовательных радио-активных превращений различных изотопов разных химических элементов, образуя т. н. «цепочки распада». Например, торий-234, образующийся при альфа-распаде урана-238 превращается в протактиний-234, который в свою очередь снова в уран, но уже в другой изотоп – уран-234. Заканчиваются же все эти альфа и бета-минус переходы образованием стабильного свинца-206. А уран-234 альфа-распадом – опять в торий (торий-230). Далее торий-230 путём альфа-распада – в радий-226, радий – в радон. Это самопроизвольное, или под действием нейтронов, раскалывание ядра
атома на 2 примерно равные части
, на два «осколка». При делении вылетают 2-3 лишних нейтрона
и выделяется избыток энергии в виде гамма-квантов, гораздо больший, чем при радиоактивном распаде. Если на один акт радиоактивного распада обычно приходится один гамма-квант, то на 1 акт деления приходится 8 -10 гамма-квантов! Кроме того, разлетающиеся осколки обладают большой кинетической энергией (скоростью), которая переходит в тепловую. Вылетевшие нейтроны могут вызвать деление
двух-трёх аналогичных ядер, если те окажутся поблизости и если нейтроны попадут в них. Таким образом, появляется возможность осуществления разветвляющейся, ускоряющейся цепной реакции деления
ядер атомов с выделением огромного количества энергии. Если позволить цепной реакции развиваться бесконтрольно, то произойдёт атомный (ядерный) взрыв. Если цепную реакцию держать под контролем, управлять её развитием, не давать ускоряться и постоянно отводить
выделяющуюся энергию
(тепло), то эту энергию («атомную энергию
») можно использовать для получения электроэнергии. Это осуществляется в атомных реакторах, на атомных электростанциях. Период полураспада (T
1/2
)
– время, в течение которого половина радиоактивных атомов распадается и их количество уменьшается в 2 раза
. Периоды полураспада у всех радионуклидов разные – от долей секунды (короткоживущие радионуклиды) до миллиардов лет (долгоживущие). Активность
– это количество актов распада (в общем случае актов радиоактивных, ядерных превращений) в единицу времени (как правило, в секунду). Единицами измерения активности являются беккерель и кюри. Беккерель (Бк)
– это один акт распада в секунду (1 расп./сек). Кюри (Ки)
– 3,7×1010 Бк (расп./сек). Единица возникла исторически: такой активностью обладает 1 грамм радия-226 в равновесии с дочерними продуктами распада. Именно с радием-226 долгие годы работали лауреаты Нобелевской премии французские учёные супруги Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри. Закон радиоактивного распада
Изменение активности нуклида в источнике с течением времени зависит от периода полураспада данного нуклида по экспоненциальному закону: A
и
(t) = A
и
(0)
×
exp
(-0,693 t / T
1/2
),
где A
и
(0) – исходная активность нуклида; T
1/2
– период полураспада нуклида. Зависимость между массой
радионуклида
(без учета массы неактивного изотопа) и его активностью
выражается следующим соотношением: где m
и
– масса радионуклида, г; T
1/2
– период полураспада радионуклида, с; A
и
– активность радионуклида, Бк; А
– атомная масса радионуклида. Проникающая способность радиоактивного излучения
. Пробег альфа-частиц
зависит от начальной энергии и обычно колеблется в пределах от 3-х до 7 (редко до 13) см в воздухе, а в плотных средах составляет сотые доли мм (в стекле – 0,04 мм). Альфа-излучение не пробивает лист бумаги и кожу человека. Из-за своей массы и заряда альфа-частицы обладают наибольшей ионизирующей способностью, они разрушают всё на своём пути, поэтому альфа-активные радионуклиды являются наиболее опасными для человека и животных при попадании внутрь. Пробег бета-частиц
в веществе из-за малой массы (~ в 7000 раз Меньше массы альфа-частицы), заряда и размеров значительно больше. При этом путь бета-частицы в веществе не является прямолинейным. Проникающая способность также зависит от энергии. Проникающая способность бета-частиц, образовавшихся при радиоактивном распаде, в воздухе достигает 2÷3 м
, в воде и других жидкостях измеряется сантиметрами, в твёрдых телах – долями см. В ткани организма бета-излучение проникает на глубину 1÷2 см. Кратность ослабления n- и гамма-излучений.
Наиболее проникающими видами излучения являются нейтронное и гамма-излучение. Их пробег в воздухе может достигать десятков и сотен метров
(также в зависимости от энергии), но при меньшей ионизирующей способности. В качестве защиты от n- и гамма-излучения применяют толстые слои из бетона, свинца, стали и т. п. и речь ведут уже о кратности ослабления. По отношению к изотопу кобальта-60 (Е = 1,17 и 1,33 Мэв) для 10-кратного ослабления гамма-излучения требуется защита из: Для 100-кратного ослабления гамма-излучения требуется защита из свинца толщиной 9,5 см; бетона – 55 см; воды – 115 см. Доза (от греческого – «доля, порция»)
облучения.
Экспозиционная доза
(для рентгеновского и гамма-излучения) – определяется по ионизации воздуха. Единица измерения в системе СИ – «кулон на кг» (Кл/кг)
– это такая экспозиционная доза рентгеновского или гамма-излучения, при создании которой в 1 кг
сухого воздуха образуется заряд ионов одного знака, равный 1 Кл
. Внесистемной единицей измерения является «рентген»
. 1 Р = 2,58
×
10
-4
Кл/кг.
По определению 1 рентген (1Р)
– это такая экспозиционная доза при поглощении которой в 1 см
3
сухого воздуха образуется 2,08
×
10
9
пар ионов. Связь между двумя этими единицами следующая: 1 Кл/кг = 3,68 ·10
3
Р.
Экспозиционной дозе 1Р
соответствует поглощенная доза в воздухе 0,88 рад.
Поглощённая доза
– энергия ионизирующего излучения, поглощенная единичной массой вещества. Под энергией излучения, переданной веществу, понимается разность между суммарной кинетической энергией всех частиц и фотонов, попавших в рассматриваемый объем вещества, и суммарной кинетической энергией всех частиц и фотонов, покидающих этот объем. Следовательно, поглощенная доза учитывает всю энергию ионизирующего излучения, оставленную в пределах этого объема, независимо от того, на что эта энергия потрачена. Единицы измерения поглощенной дозы:
Грэй (Гр)
– единица поглощённой дозы в системе единиц СИ. Соответствует энергии излучения в 1 Дж, поглощённой 1 кг вещества. Рад
– внесистемная единица поглощённой дозы. Соответствует энергии излучения 100 эрг, поглощённой веществом массой 1 грамм. 1 рад = 100 эрг/г = 0,01 Дж/кг = 0,01 Гр.
Биологический эффект при одинаковой поглощенной дозе оказывается различным для разных видов излучения. Например, при одинаковой поглощенной дозе альфа-излучение
оказывается гораздо опаснее, чем фотонное или бета-излучение
. Это связано с тем, что альфа-частицы создают на пути своего пробега в биологической ткани более плотную ионизацию, концентрируя таким образом вредное воздействие на организм в определенном органе. При этом весь организм испытывает на себе значительно большее угнетающее действие излучения. Следовательно, для создания одинакового биологического эффекта при облучении тяжелыми заряженными частицами необходима меньшая поглощенная доза, чем при легкими частицами или фотонами. Эквивалентная доза
– произведение поглощенной дозы на коэффициент качества излучения. Единицы измерения эквивалентной дозы:
Зиверт
(Зв)
– это единица измерения эквивалентной дозы, любого вида излучения, которое создает такой же биологический эффект, как и поглощенная доза в 1 Гр
Следовательно, 1 Зв = 1 Дж/кг.
Бэр
(внесистемная единица) – это такое количество энергии ионизирующего излучения, поглощенное 1 кг
биологической ткани, при котором наблюдается тот же биологический эффект, что и при поглощенной дозе 1 рад
рентгеновского или гамма-излучения. 1 бэр = 0,01 Зв = 100 эрг/г.
Наименование «бэр» образовано по первым буквам словосочетания «биологический эквивалент рентгена». До недавнего времени при расчёте эквивалентной дозы использовались «коэффициенты качества излучения
» (К) – поправочные коэффициенты, учитывающие различное влияние на биологические объекты (различную способность повреждать ткани организма) разных излучений при одной и той же поглощённой дозе. Сейчас эти коэффициенты в Нормах радиационной безопасности (НРБ-99) назвали – «взвешивающие коэффициенты для отдельных видов излучения при расчёте эквивалентной дозы (WR)». Их значения составляют соответственно: Эффективная эквивалентная доза
– эквивалентная доза, рассчитанная с учётом разной чувствительности различных тканей организма к облучению; равна эквивалентной дозе
, полученной конкретным органом, тканью (с учётом их веса), умноженной на
соответствующий «коэффициент радиационного риска
». Эти коэффициенты используются в радиационной защите для учёта различной чувствительности разных органов и тканей в возникновению стохастических эффектов от воздействия излучения. В НРБ-99 их называют «взвешивающими коэффициентами для тканей и органов при расчёте эффективной дозы» . Для организма в целом
этот коэффициент принят равным 1
, а для некоторых органов имеет следующие значения: Для оценки полной эффективной
эквивалентной дозы, полученной человеком, рассчитывают и суммируют указанные дозы для всех органов. Для измерения эквивалентной и эффективной эквивалентной доз в системе СИ используется та же единица – Зиверт
(Зв).
1 Зв
равен эквивалентной дозе, при которой произведение вели-чины поглощённой дозы в Гр
эях (в биологической ткани) на взвешивающие коэффициенты будет равно 1 Дж/кг
. Иными словами, это такая поглощённая доза, при которой в 1 кг
вещества выделяется энергия в 1 Дж
. Внесистемная единица – Бэр. Взаимосвязь между единицами измерения: 1 Зв = 1 Гр * К = 1 Дж/кг * К = 100 рад * К = 100 бэр
При К=1
(для рентгеновского, гамма-, бета-излучений, электронов и позитронов) 1 Зв
соответствует поглощённой дозе в 1 Гр
: 1 Зв = 1 Гр = 1 Дж/кг = 100 рад = 100 бэр.
Ещё в 50-х годах было установлено, что если при экспозиционной дозе в 1 рентген воздух поглощает приблизительно столько же энергии, что и биологическая ткань. Поэтому оказывается, что при оценке доз можно считать (с минимальной погрешностью), что экспозиционная доза в 1 рентген
для биологической ткани соответствует
(эквивалентна) поглощённой дозе в 1 рад
и эквивалентной дозе в 1 бэр
(при К=1), то есть, грубо говоря, что 1 Р, 1 рад и 1 бэр – это одно и то же. При экспозиционной дозе 12 мкР/час за год получаем дозу 1 мЗв. Кроме того, для оценки воздействия ИИ используют понятия: Мощность дозы
– доза, полученная за единицу времени (сек., час). Фон
– мощность экспозиционной дозы ионизирующего излучения в данном месте. Естественный фон
– мощность экспозиционной дозы ионизирующего излучения, создаваемая всеми природными источниками ИИ. 1. Естественные радионуклиды
, которые сохранились до нашего времени с момента их образования (возможно, со времени образования солнечной системы или Вселенной), так как у них велики периоды полураспада, а значит, велико время жизни. 2. Радионуклиды осколочного происхождения
, которые обра-зуются в результате деления ядер атомов. Образуются в ядерных реакторах, в которых осуществляется управляемая цепная реакция, а также при испытаниях ядерного оружия (неуправляемая цепная реакция). 3. Радионуклиды активационного происхождения
образуются из обычных стабильных изотопов в результате активации, то есть при попадании в ядро стабильного атома субатомной частицы (чаще – нейтрона), в результате чего стабильный атом становится радиоактивным. Получают активацией стабильных изотопов, помещая их в активную зону реактора, либо бомбардировкой стабильного изотопа в ускорителях элементарных частиц протонами, электронами и т.п. Источники ИИ находят применение в промышленности, сельском хозяйстве, научных исследованиях и медицине. Только в медицине используются приблизительно сто изотопов для различных медицинских исследований, постановки диагноза, стерилизации и радиотерапии. Во всем мире во многих лабораториях используются радиоактивные материалы для научных исследований. Термоэлектрические генераторы на радиоизотопах применяются для производства электроэнергии для автономного энергопитания различной аппаратуры в удаленных и труднодоступных районах (радио-и световые маяки, метеостанции). Повсеместно в промышленности используются приборы, содержащие радиоактивные источники для контроля технологических процессов (плотно-, уровне- и толщиномеры), приборы неразру-шающего контроля (гамма-дефектоскопы), приборы для анализа состава вещества. Излучение используется для повышения размера и качества урожая. Радиоактивные частицы
, обладая огромной энергией и скоростью, при прохождении через любое вещество сталкиваются с атомами и молекулами этого вещества и приводят к
их разрушению, ионизации
, к образованию «горячих» ионов и свободных радикалов. Так как биологические ткани человека на 70% состоят из воды
, то в большой степени ионизации подвергается именно вода
. Из ионов и свободных радикалов образуются вредные для организма соединения, которые запускают целую цепь последовательных биохимических реакций и постепенно приводят к разрушению клеточных мембран (стенок клеток и других структур). Радиация по-разному действует на людей в зависимости от пола и возраста, состояния организма, его иммунной системы и т. п., но особенно сильно – на младенцев, детей и подростков. При воздействии радиации скрытый (инкубационный, латентный) период
, то есть время задержки до наступления видимого эффекта, может продолжаться годами и даже десятилетиями. Воздействие радиации на организм человека и биологические объекты вызывает три различных отрицательных эффекта: Материалы по теме
Радиоактивность
Все знают, что атомы вещества состоят из ядра и вращающихся вокруг него электронов. Ядро – это очень устойчивое образование, которое сложно разрушить.
Однако, ядра атомов некоторых веществ обладают нестабильностью и могут излучать в пространство различную энергию и частицы. Это излучение называют радиоактивным.
Оно включает в себя несколько составляющих, которые назвали соответственно первым трем буквам греческого алфавита: α-, β- и γ- излучение (альфа-, бета- и гамма-излучение). Явление радиоактивности было открыто опытным путем французским ученым Анри Беккерелем в 1896 г. для солей урана. Беккерель заметил, что соли урана засвечивают завернутую во много слоев фотобумагу невидимым проникающим излучением. Было установлено, что проникающая способность оказалась самая малая у α- -лучей
(лист бумаги или несколько сантиметров слоя воздуха), Итак, радиоактивность
свидетельствует о сложном строении атомов.
Рис. 1. Ряд урана.
Рис. 2. Ряд тория.
Рис. 3. Ряд актиния.Радиоактивность
Изотопы
Радиоактивные превращения
Альфа-распад
Бета-распад
Деление ядер атомов
Цепная реакция деления
Характеристики радиоактивных превращений
A
и
(t) – активность спустя время t; Единицы измерения в дозиметрии
Доза
Источники поступления радионуклидов в окружающую среду
Области применения радионуклидных источников
Влияние излучения на организм человека. Эффекты радиации
Виды радиоактивных излучений и методы их регистрации.
Английский физик Эрнест Резерфорд исследовал радиоактивное излучение
в электрических и магнитных полях. Он открыл две составляющие этого излучения, которые были названы α-, β-излучением. На рисунке изображено радиоактивное излучение в электрическом поле.
а β
-лучи
проходят сквозь алюминиевую пластину толщиной в несколько миллиметров. Очень велика проникающая способность у γ — лучей
(например, алюминий - толщина пластины десятки сантиметров).
Специальные приборы, которые применяются для регистрации ядерных излучений, называются детекторами ядерных излучений. Наиболее широкое применение получили детекторы, которые обнаруживают ядерные излучения по производимой ими ионизации и возбуждению атомов вещества. Это — газоразрядный счетчик Гейгера, камера Вильсона, пузырьковая камера
.
Существует также метод фотоэмульсий
, основанный на способности пролетающей частицы создавать в фотоэмульсии скрытое изображение. След пролетевшей частицы сквозь нее виден на фотографии после проявления.
Влияние ионизирующей радиации на живые организмы
Радиоактивное излучение оказывает сильное биологическое действие на ткани живого организма. Оно ионизирует атомы и молекулы среды. Под действием ионизирующей радиации
разрушаются сложные молекулы и элементы клеточных структур. В человеческом организме нарушается процесс кроветворения. Человек заболевает белокровием, или так называемой лучевой болезнью. Большие дозы облучения приводят к смерти.
Стекло задерживает только альфа- и бета-излучение