Общие сведения о радиоактивности

Общие сведения о радиоактивности
РАДИОАКТИВНОСТЬ (от лат. radio — испускаю лучи и
activus —действенный), самопроизвольное превращение
неустойчивых атомных ядер в ядра других элементов,
сопровождающееся
кванта.(C&M)
испусканием
частиц
или
гамма-
Определение. Понятия
«Радиоактивными элементами называют особые химические
элементы, характеризующиеся самопроизвольным атомным
испусканием так называемых альфа-, бета- и гамма- лучей, т.
е. положительных корпускулярных лучей, отрицательных
корпускулярных
лучей
(движущиеся
электроны)
и
электромагнитного излучения. Это лучеиспускание связано с
атомными превращениями. Вещества, испускающие лучи
Беккереля, назвали радиоактивными, а новое свойство
вещества,
обнаруженное
по
этому
лучеиспусканию,
радиоактивностью. Элементы, обладающие этим свойством,
называются радиоэлементами» (М.Кюри «Радиоактивность»).
ПОНЯТИЕ ОБ АТОМЕ
Уже упоминалось, что атом состоит из ядра с определенным зарядом и равного
ему числа электронов, размещенных на разрешенных энергетических уровнях.
Ядро состоит из протонов
определяющих его заряд (Z), и нейтронов эти частицы
называются нуклонами и в сумме Z + N = A определяют массовое число. Атомы с
одинаковым Z называют изотопами.
Электрон и протон стабильны, их время жизни неограниченно, время жизни свободного
нейтрона ограничено 1∙
секундами. Электрон и протон имеют соответствующие
античастицы – позитрон
и антипротон
с временами жизни менее
с.
Кроме этих частиц, отметим еще одну элементарную частицу – фотон (γ), не
имеющую массы покоя и с бесконечным временем жизни. Атомные ядра способны
испускать еще более 25 элементарных частиц, но мы ограничимся этими пятью.
Атом – наименьшая (неделимая химическим путем) часть элемента, сохраняющая все
свойства, определенные зарядом ядра и электронной оболочкой. Составная часть
вещества, содержащая одинаковые атомы, называется химическим элементом.
Атомный номер Z равен числу протонов в атомном ядре. В электронной оболочке
электронейтрального атома содержится Zэлектронов.
Массовое число A равно числу протонов Z и числу нейтронов N в атомном
ядре; A = Z + N.
Нуклиды – атомы с определенным числом протонов и нейтронов.
Изотопы – атомы с одинаковым Z, но разными N.
Изобары – атомы с одинаковым A, но разными Z.
Изотоны – атомы с одинаковым N, но разными A.
Элемент обозначается установленным одно- или двухбуквенным
символом. Левые индексы указывают массовое число A (верхний) и
число протонов Z (нижний).
Атомная масса – масса атома в атомных единицах массы (а. е. м.). За
единицу а. е. м. принята 1/12 массы изотопа углерод-12.
Относительная атомная масса (безразмерная величина) она численно
равна атомной массе элемента.
Относительная атомная масса элемента с учетом его изотопного состава
равна – относительная атомная масса изотопа, – доля изотопов в
элементе.
Характеристики видов радиоактивного излучения
ПРОНИКАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ РАЗНЫХ ВИДОВ ИЗЛУЧЕНИЯ
Разные виды излучений обладают разной
проникающей способностью, поэтому они
оказывают неодинаковое воздействие на ткани
живого организма. B частности, альфаизлучение (ядра гелия) задерживается листком
бумаги. Испускаемые радием-226 альфачастицы имеют свободный пробег в воздухе
около 5 см.
Альфа-излучение не может проникнуть внутрь организма через кожный покров, поэтому
практически не представляет опасности для человека до тех пор, пока сам изотоп,
испускающий альфа-лучи, не попадет внутрь организма с пищей или вдыхаемым
воздухом; тогда это излучение становится чрезвычайно опасным. Альфа-частицы, ввиду
своей большой массы, наносят весьма сильное поверхностное поражение биологическим
объектам.
Бета-излучение, представляющее собой поток электронов, обладает значительно
большей проникающей способностью, чем альфа-излучение. Электроны, испускаемые
радионуклидами, могут проходить в воздухе расстояние до 10 метров и проникать в ткани
организма на глубину один-два сантиметра. Однако они легко задерживаются тонким
слоем металла. Наибольшее поражение бета излучение наносит при попадании
радионуклида внутрь организма.
Проникающая способность гамма-квантов, которые представляют собой жесткое
электромагнитное излучение, существенно больше. Полностью остановить гаммаизлучение может лишь толстая бетонная или свинцовая плита.
ПЕРИОД ПОЛУРАСПАДА
Время, за которое распадается примерно половина от
общего
количества
радионуклида,
называется
периодом
полураспада. В течение одного периода полураспада из 100
атомов
радионуклида
остаются
только
50.
Скорость
радиоактивного распада у разных радионуклидов различна.
Элемент
Йод-131
Криптон-85
Тритий
Стронций-90
Цезий-137
Углерод-14
Йод-129
Период полураспада
8,04 суток
10,72 года
12,3 года
28,5 лет
30 лет
5370 лет
17 млн. лет
Все радиоактивные элементы распадаются по закону
радиоактивного распада:
N = No * е-λt
где Nо - число радиоактивных атомов в начальный момент
времени появления нуклида (tо);
е - основание натурального логарифма (2,718);
λ- постоянная радиоактивного распада, характеризующая
вероятность распада ядра атома какого-либо нуклида в единицу
времени; она различна для разных радионуклидов;
t - время, прошедшее от tо.
Постоянная радиоактивного распада определяет так называемый
период полураспада (Т), промежуток времени, требующийся для
уменьшения первоначального числа радиоактивных ядер в 2
раза:
Т= ln2/λ = 0,693/λ.
Период полураспада Т½ является одной из основных
характеристик радиоактивного вещества.
ЦЕПОЧКА РАДИОАКТИВНОГО РАСПАДА УРАНА-238
Классификация радиоактивных элементов
Естественные
Долгоживущие
235,238,234U, 232Th, 40K,
87Rb, l52Sm, l87Re, 138La,l
76Lu
Короткоживущие и
среднеживушие
Постоянно
образующиеся в
природе в результате
ядерных реакций с
протонами,
нейтронами и
другими частицами
космического и
земного
происхождения
и др.
ряд урана: радон и т.д.
ряд тория: торон и т.д.
ряд актиноурана:
актинон и т.д.
(n,p) - 14С
(5,8*103лет)
6Li (n) - 3H (12,3 года)
2Н (n,у) - 3Н
2Н (n,p) - 3Н
238U (n,у) - ß - 237Np- ß 239Pu (ничтожно малые
количества).
Спонтанное деление 238U
приводит к образованию
90Sr, 99Тс, 147Рm и т.д.
14N
Искусственные
Осколочные
элементы
134,137Cs, 90Sr, 106Ru,
l4lCe, l40La, l47Nd, 99Tc,
l47Pm
Продукты
активации
Элементы
ядерных
реакций
присоединения
и др
54Fe, 60Co, 65Zn, 22Na,
32P
и т.д.
Нептуний (Np)
Плутоний (Pu)
Америций (Am)
Кюрий (Сm)
Берклий (Bk)
Калифорний (Cf)
--Менделевий (Md)
и т.д.
Осколочные радиоактивные элементы
Индуцированное нейтронами деление ядер – самый важный
источник
искусственных
радионуклидов.
Этот
процесс
используется для получения энергии в современных ядерных
реакторах.
Деление
ядер
дает
также
основную
Образование осколочных
радионуклидов
радионуклидов при взрывах
ядерных зарядов.
долю
Осколочные радиоактивные элементы
Образующиеся при делении нуклиды
и продукты их распада – это набор из
нескольких сотен изотопов с периодами
полураспада,
диапазоны
которых
простираются от долей секунды до
миллионов лет.
Только некоторые из нуклидов
продуктов деления потенциально имеют
значение для биологических систем из-за
своих физических и химических свойств и
образования в больших количествах
(«выход на деление»).
Наблюдаемое распределение выходов
на деление зависит от природы делящихся
нуклидов
и
энергии
нейтронов,
инициирующих деление.
Суммарный выход на деление всех
изотопов составляет 200%, отражая то
обстоятельство, что в каждом акте
деления образуется два ядра осколка.
Трансурановые радиоактивные элементы - химические элементы
с атомным номером, больше чем у урана-92, образующиеся в
результате поглощения нейтронов по схеме:
β
+ ( n,γ )
β
n,γ
β
Все известные радиоактивные элементы следует подразделить на
две группы естественные и искусственные (техногенные).
Искусственные радиоактивные элементы могут быть
подразделены:
Осколочные (продукты деления ядер урана -235 под
воздействием тепловых нейтронов):
90Sr, 134Cs, 137Cs, 140La, 131I, 129I, 99Tc, 106Ru, 141Ce
Трансурановые радиоактивные элементы - химические
элементы с атомным номером, больше чем у урана-92.:
240Pu, 239Pu, 239U, 239Np, 247Cm, 241Am
Продукты активации – за счет взаимодействия нейтронов,
гамма - квантов и т.д. с веществом:
56Fe, 22Na, 60Co, 65Zn, 32P
Осколочные радиоактивные элементы
Основные наиболее опасные радиоактивные элементы и их свойства
Испускаемая энергия, (МЭВ)
Элемент
Период
полураспада
Тип
распада
Криптон-85
10,72 года
β
Йод-131
8,04 суток
β
Йод-129
17 млн.лет
β
Стронций-90
28,5 лет
β
Цезий-137
30 лет
Лантан-138
100 млрд.
лет
β
Европий-152
13,3 года
γ
β-γ
Активность
Ки/грамм
Альфа
Бета
Гамма