Радиоактивное излучение и радиоактивность

Строение вещества, виды ядерных распадов: альфа-распад, бета-распад. Законы радиоактивности, взаимодействие ядерных излучений с веществом, биологическое воздействие ионизирующего излучения. Радиационный фон, количественные характеристики радиоактивности.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

6

Размещено на

БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Радиоактивное излучение и радиоактивность

Составил: инж. В.А. Календо

Минск 2006

Содержание

1. Строение вещества

2. Виды ядерных распадов

2.1 Альфа-распад

2.2 Бета-распад

3. Законы радиоактивности

4. Взаимодействие ядерных излучений с веществом

5. Биологическое воздействие ионизирующего излучения

6. Радиационный фон

7. Количественные характеристики радиоактивности

8. Детекторы (счетчики) ионизирующих излучений

8.1 Полупроводниковый детектор

8.2 Сцинтилляционный детектор

8.3 Газоразрядный детектор

8.4 Ионизационная камера

9. Приборы для регистрации ядерных излучений

Контрольный вопросы

Список литературы

1. Строение вещества

Все вещества в природе состоят из молекул. Молекула - мельчайшая частица вещества, обладающая всеми его химическими свойствами. Все молекулы состоят из атомов химических элементов. Атом - мельчайшая частица химического элемента, обладающая всеми его свойствами. Все химические элементы (> 100) расположены в определенных местах периодической таблицы Менделеева. Место под номером один в периодической системе химических элементов отведено водороду (Н).

Рассмотрим модель строения атома и его ядра для водорода в "нормальных" условиях.

Атом водорода представляет собой сферу, поверхностью которой является электрон (e). В центре сферы находится ядро, в котором сосредоточена почти вся (более 99,95%) масса атома. Резко выраженной границы атом и ядро не имеют.

Размещено на

6

Размещено на

Рис. 1. Модель атома

Электрон обладает элементарным отрицательным электрическим зарядом (1,6021892 * 10 -19 Кл). Так как атом электрически нейтрален, то ядро обладает таким же, как электрон, но положительным зарядом. Для любого химического элемента заряд ядра будет:

Q= | e | Z (1)

где: |e| - элементарный электрический заряд;

Z - порядковый номер химического элемента в таблице Менделеева.

Таким образом, порядковый номер химического элемента в таблице Менделеева определяется числом положительных элементарных зарядов в ядре или числом электронов на оболочках нейтрального атома.

Носителем положительного заряда ядра является протон (р) с массой

m=1,6726*10-27 кг

Следовательно, ядро Н состоит из одного протона.

У других химических элементов ядро состоит из протонов и нейтронов. Нейтрон (n) - частица, не имеющая электрического заряда и обладающая массой, примерно равной массе протона. Силы притяжения, связывающие протоны и нейтроны в атомном ядре, называются ядерными силами. Другое название этого явления - сильное взаимодействие.

Протон и нейтрон по способности к сильному взаимодействию не отличаются друг от друга, поэтому в ядерной физике их рассматривают как единую частицу-нуклон - в двух различных состояниях. Нуклоны в состоянии без электрического заряда называется нейтроном, нуклон в состоянии с электрическим зарядом называется протоном.

Число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента в периодической системе Менделеева и обозначается знаком Z. Число нейтронов в ядре обозначается знаком N. Общее число протонов и нейтронов в ядре обозначается знаком А и называется массовым числом.

А = Z+N (2)

Ядра с одинаковым числом протонов, но различным числом нейтронов являются ядрами различных изотопов одного и того же химического элемента. Из-за различного числа нейтронов, ядра различных изотопов одного химического элемента обладают разными массами и могут отличаться по физическим свойствам, например по способности к радиоактивному распаду. Из-за одинакового заряда ядра, атомы различных изотопов одного химического элемента имеют одинаковое строение электронных оболочек и поэтому обладают одинаковыми химическими свойствами.

Обозначается изотоп символом химического элемента (Х) с указанием слева вверху массового числа А и слева внизу числа протонов Z в атомном ядре:

Например, самый легкий изотоп водорода, ядро которого состоит из одного протона, обозначается символом . Тяжелый изотоп водорода - дейтерий, ядро которого содержит один протон и один нейтрон, обозначается символом .

Конкретное ядро с данными А и Z иногда называют нуклидом.

В настоящее время известно от Z = 1 до Z = 109 и около 2000 изотопов.

Не всякое атомное ядро, состоящее из протонов и нейтронов, может существовать неограниченно долго. Многие из них способны к самопроизвольным превращениям в другие атомные ядра. Устойчивыми являются лишь те атомные ядра, которые обладают минимальным запасом полной энергии среди всех ядер, в которые данное ядро могло бы самопроизвольно превратиться. Из ~ 2000 изотопов только ~ 300 устойчивы.

2. Виды ядерных распадов

2.1 Альфа-распад

Альфа - распадом называется распад атомного ядра на альфа-частицу (б - первая буква греческого алфавита) (ядро атома гелия ) и ядро-продукт. -радиоактивны почти все ядра тяжелых элементов с порядковым номером Z > 82. При вылете б-частицы из ядра, число протонов в ядре уменьшается на два и продукт б-распада оказывается ядром химического элемента с порядковым номером на две единицы меньше исходного, массовое число ядра-продукта меньше массового числа исходного ядра на четыре единицы. Например, продуктом б- распада ядра изотопа урана является ядро изотопа тория :

ядерный ионизирующий излучение радиоактивность

(3)

Начальная кинетическая энергия всех - частиц, испускаемых ядрами одного изотопа, одинакова или испускается -частица с двумя-тремя разными значениями начальной кинетической энергии. Энергетический спектр -частиц дискретный и может идентифицировать распавшийся изотоп.

При -распаде атомных ядер часто часть энергии -распада идет на возбуждение ядра-продукта. Ядро-продукт спустя короткое время (10-3….10-6 с) после вылета -частицы испускает один или несколько гамма-квантов (- третья буква греческого алфавита) и переходит в нормальное состояние. -жесткое (с длиной волны ~ 10-11 м) электромагнитное излучение. Таким образом, -распад ядер может сопровождаться испусканием -квантов.

2.2 Бета-распад

Явление -распада ( - вторая буква греческого алфавита) представляет собой самопроизвольное превращение атомного ядра путем испускания электрона (е-) или позитрон (е+ - частица аналогичная электрону, но имеющая единичный заряд положительной полярности). В основе этого явления лежит способность протонов и нейтронов к взаимным превращениям. Масса свободного нейтрона больше массы протона и электрона вместе взятых - следовательно, запас полной энергии нейтрона больше запаса энергий протона и электрона. Поэтому нейтрон может самопроизвольно превращаться в протон с испусканием электрона и антинейтрино ():

n p + (е + (4)

Скобки обозначают вылет частицы из ядра.

Ядра, в которых происходят превращения n > p, называются - радиоактивными. В результате превращения одного из нейтронов в протон заряд ядра увеличивается на единицу. Ядро-продукт - распада оказывается ядром одного из изотопов химического элемента с порядковым номером в таблице Менделеева, на единицу большим порядкового номера исходного ядра. При - распаде ядро изотопа продуктом распада является ядро изотопа .

+ (з + (5)

Массовое число ядра-продукта -распада остается прежним, так как число нуклонов в ядре не изменилось.

-распад, как и -распад, может сопровождаться -излучением. -излучение сопровождает -распад в тех случаях, когда часть энергии затрачивается на возбуждение ядра-продукта. Возбужденное ядро через 10-3 ….10-6 сек. освобождается от избытка энергии путем испускания одного или нескольких -квантов.

Превращение p> n сопровождается испусканием позитрона и нейтрино (). Это превращение также может сопровождаться испусканием -квантов

р > n + (e+ + (6)

Электронный захват может быть записан:

р + е- > n + ( (7)

Энергетический спектр -частиц сплошной. -частицы имеют всевозможные энергии, начиная от нуля до некоторого максимального значения, называемого максимальной энергией -спектра (Евmax).

-частицы имеют различные значения энергии потому, что часть энергии -распада уносит частица нейтрино или антинейтрино (.

Позитронный -распад наблюдается у искусственно полученного изотопа фосфора (облучение потоком -частиц).

+ (е+ + (8)

Позитрон возникает в атомном ядре в результате превращения одного из протонов в нейтрон. Энергию для превращения получает от других нуклонов ядра.

У всех без исключения элементов могут быть получены изотопы при бомбардировке атомных ядер стабильных изотопов -частицами, p, n и другими частицами.

Процесс -и...