Физическая природа и источники радиационной опасности для человека, объектов и природной среды

Радиоактивные превращения ядер. Некоторые выводы из строения атома и атомного ядра. Явление радиоактивности, основные виды радиоактивного распада. Закон радиоактивного распада. Удельная, поверхностная и объемная активность, методики их расчета.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Размещено на

Тема: «Физическая природа и источники радиационной опасности для человека, объектов и природной среды»

1. Радиоактивные превращения ядер

Радиоактивное излучение возникает при радиоактивном распаде ядер. По своей физической природе оно представляет поток элементарных частиц, которые двигаются от ядра, претерпевшего распад, а также квантов жесткого электромагнитного излучения. При этом существуют три основные вида радиоактивных превращений: a, g, b.

a---распад представляет собой испускание ядром частицы, состоящей из двух протонов и двух нейтронов - ядра гелия. Она называется альфа-частица и обозначается символом a. При этом заряд исходного ядра уменьшается на 2 единицы, а массовое число - на 4:

_{A 4 A-4 226 4 222}

_ZX ₂ He + _Z-2 X. Например: ₈₈Ra ₂ He + ₈₆ Rn.

a---распаду подвержены, в основном, тяжелые радионуклиды, находящиеся в периодической системе элементов Менделеева после свинца.

Избыток энергии при a---распаде высвобождается в виде кинетической энергии a-частицы. Ее скорость составляет от 14 000 до 20 000 км/с, а кинетическая энергия - от 4 до 9 МэВ.

Ядра одних элементов имеют строго определенную энергию a-частиц. Это моноэнергетические излучения - ²²⁰Th (4,5 МэВ), ²²²Rn (5,49 МэВ), ²¹⁶Po (6,78 МэВ). Ядра других - испускают частицы различных энергий: так, ²³⁵U - 4,366 МэВ (18 %), 4,396 МэВ (57 %), 4,415 МэВ (4 %), 4,556 МэВ (4 %), 4,597 МэВ (5 %).

Важным показателем a- и g-радиоактивных распадов является выход на распад. Это доля a-частиц и g-квантов с данной энергией, покидающих ядро в результате радиоактивного распада.

b-распадами называются радиоактивные превращения атомных ядер, сопровождающиеся вылетом из него электрона или позитрона, а также нейтрино либо антинейтрино.

Существуют следующие виды b-распадов.

При одном из них в ядре происходит самопроизвольное превращение одного из нейтронов в протон. Процесс сопровождается тем, что ядро покидают электрон и антинейтрино. Заряд ядра увеличивается на единицу, а массовое число остается неизменным. Обычно такое преобразование характерно для атомных ядер, в которых преобладают нейтроны:

_{90 90}

⁰n p + е^- + v ^- Например: ₃₈ Sr ₃₉Y + e^- + v - .

Если в атомном ядре преобладают протоны, то b-распад может идти несколько иначе - происходит самопроизвольное превращение протона в нейтрон, а ядро покидают позитрон и нейтрино. При этом заряд ядра уменьшается на единицу. Такое превращение свойственно, в основном, при преобладании в ядре протонов:

_{22 22}

p n + е ⁺ + v Например: ₁₂ Mg ₁₁ Na + e ⁺ + v .

При преобладании в атомном ядре нейтронов над протонами в радиоизотопах некоторых химических элементов возможен так называемый К-захват. При этом ядро захватывает один из электронов с ближайшей к ядру К-оболочки, а один из протонов в нейтрон и испускает нейтрино. Как правило, возникшее ядро оказывается в возбужденном состоянии. Место захваченного электрона заполняется электронами из вышестоящих слоев, в результате чего возникает рентгеновское излучение.

Примером электронного захвата может служить следующая реакция:

 _{40 40}

₁₉ K + e^- ₁₈ Ar + v.

Особенностью b-распада является то, что энергия между b-частицей и антинейтрино (или нейтрино) распределяется неравномерно, поэтому b-частицы имеют различную кинетическую энергию - от 0 до некоторого максимального значения. Среднее значение энергии излучения обычно составляет 1/3 от максимальной. В справочниках приводятся значения этих энергий.

g- излучение. a- или b-распад обычно сопровождается переходом дочернего ядра в возбужденное состояние. Возврат к основному состоянию с наименьшей энергией сопровождается испусканием квантов электромагнитного излучения, с которым уносится избыток энергии.

Например, дочернее ядро ^{137 m} Ba (образующегося в результате b-распада ¹³⁷Cs) испускает один g-квант с энергией 661,6 кэВ, а ядро ^{134 m} Ba (продукт b-распада ¹³⁴Cs) проходит ряд промежуточных возбужденных состояний и поэтому испускает несколько g-квантов с различными энергиями (576, 602, 794 кэВ и т.д.).

2. Некоторые выводы из строения атома и атомного ядра

Явление радиоактивности связано с особенностями строения ядер некоторых химических элементов. Как известно, наименьшей частью химического элемента является атом, состоящий из положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг него по орбитам отрицательных электронов. Диаметр атома составляет ~ n * 10 - ¹⁰ м.

Электрон - это элементарная частица с массой покоя, равной 0,000548 а. е. м. (1 а. е. м. = 1,66 * 10 ^{- 27} кг). Она имеет элементарный отрицательный заряд 1,601 * 10 - ¹⁹ Кл. Количество орбит, по которым вращаются электроны, может быть произвольно, но они группируются в электронные слои. Слоев может быть семь: K, L, M, N, O, P, Q. Для каждого слоя может быть определено максимальное количество электронов в нем. Чем ближе электрон к ядру, тем выше энергия связи с ним, и наоборот. Поэтому сорвать электроны с орбит внешних электронных слоев значительно легче, чем с орбит внутренних электронных слоев. Этим и определяются свойства элементов - валентность, электропроводность и т.д. Число электронов в ядре равно количеству протонов - в нормальном состоянии атом нейтрален.

Ядро состоит из положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов. Диаметр ядра составляет 10 - ¹⁵ - 10 ^{- 14} м. В нем сосредоточена почти вся масса атома. Плотность вещества в ядре 2 * 10 ¹⁴ г/см ³, или 200 млн. т в 1 см ³.

Протон - элементарная, положительно заряженная частица атомного ядра, его масса составляет 1,67243 * 10 ^{- 27} кг, или 1,007593 а. е. м. Заряд протона положителен и равен 1,601 * 10 ^{- 19} Кл.

Символ протона - буква p (от греч. protos - первый).

Число протонов в ядре постоянно (Z) и соответствует порядковому номеру элемента в таблице Менделеева. Поэтому порядковый номер, или атомный номер, элемента является синонимом числа протонов (Z).

Нейтрон - другой вид элементарных частиц. Его нет только в ядре легкого водорода, состоящего из одного протона. Масса нейтрона немножко больше массы протона и составляет 1,6747 * 10 ^{- 27} кг, или, 1 008982 а. е. м.

Символ нейтрона - латинская буква n. В ядре он относительно стабилен, в свободном состоянии ней устойчив.

Общее название протонов и нейтронов - нуклоны.

Массу ядра можно выразить через массу протонов и массу нейтронов:

A = N_p + N_n, или A = Z + N_n

Химические элементы записывают _ZX, а чаще X.

Существуют ядра одних и тех же химических элементов с различным массовым числом, но с одним и тем же зарядом. Это определено различным числом нейтронов. Они называются изотопы.

Большинство химических элементов является смесью изотопов.

Например,

_{16 17 18}

изотопы О ₂ ^__ ₈ О ₂, ₈ О ₂, ₈ О ₂.

Первый из них в природе представлен на 99,7575 %, второй - на 0,0392 %, третий - на 0,2033 %. Природный калий представлен тремя изотопами: ³⁹ К, ⁴⁰ К и ⁴¹ К, соответственно 93,08, 0,0119 и 6,91 %.

Причина явления радиоактивности, как уже говорилось, находится в строении ядер. Если рассчитать отношение числа протонов...