Большинство нуклидов нестабильны. В качестве примера возьмем атом урана-238 (92 протона и 146 нейтронов), в ядре которого протоны и нейтроны едва удерживаются вместе силами сцепления. Время от времени из него вырывается компактная группа из четырех частиц: двух протонов и двух нейтронов (ά-частица). Уран-238 превращается, таким образом, в торий-234, в ядре которого содержится 90 протонов и 144 нейтрона. Но торий-234 также нестабилен. Его превращение происходит, однако, не так, как в предыдущем случае: один из его нейтронов превращается в протон, и торий-234 превращается в протактиний-234, в ядре которого содержатся 91 протон и 143 нейтрона. Эта метаморфоза, произошедшая в ядре, сказывается и на движущихся по своим орбитам электронах: один из них становится неспаренным и вылетает из атома.
Протактиний очень нестабилен и ему требуется совсем немного времени на превращение. Далее следуют иные превращения, сопровождаемые излучениями, и вся эта цепочка в конце концов оканчивается появлением атомов нового стабильного химического элемента, нуклида свинца. В конечном счете, схема распада урана-238 выглядит так:
Уран-238 ® Торий-234 ® Протактиний-234 ® Уран-234 ® Торий-230 ® Радий-226 ® Радон-222 ® Полоний-218 ® Свинец-214 ® Висмут-214 ® Полоний-214 ® Свинец-210 ® Висмут-210 ® Полоний-210 ® Свинец-206 (стабильный)
Существует много таких цепочек самопроизвольных превращений (распадов) разных нуклидов по разным схемам превращений и их комбинациям. При каждом таком акте распада высвобождается энергия, которая передается дальше в виде излучения.
Итак, радиоактивность – это свойство атомных ядер определенных химических элементов самопроизвольно (без каких-либо внешних воздействий) превращаться в ядра других элементов с испусканием особого рода излучения, называемого радиоактивным. Само явление называется радиоактивным распадом. Таким образом, радиоактивность является исключительно свойством атомного ядра и зависит только от его внутреннего состояния. Нельзя повлиять на течение радиоактивного процесса, не изменив состояние атомного ядра.
На скорость течения радиоактивных превращений не оказывают никакого воздействия изменения температуры и давления, наличие магнитного или электрического полей, вид химического соединения данного радиоактивного элемента и его агрегатное состояние.
Радиоактивные явления, происходящие в природе, называют естественной радиоактивностью; аналогичные процессы, происходящие в искусственно полученных веществах (через соответствующие ядерные реакции) – искусственной радиоактивностью. Это деление весьма условно, так как оба эти вида радиоактивности подчиняются одним и тем же законам.
1.2. Закон радиоактивного распада
Главное свойство радиоактивного вещества - способность к спонтанному распаду. Это означает, что ядра вещества распадаются по случайному, статистическому закону. Невозможно точно определить, сколько времени проживет отдельное ядро, прежде чем оно распадется. Как было отмечено, радиоактивный распад – это свойство атомного ядра, определяющееся только его внутренним состоянием и не зависящее от внешних условий.
При исследовании радиоактивного распада Резерфорд установил опытным путем характер зависимости активности радиоактивных веществ от времени — основной закон радиоактивного распада. Оказалось, что для каждого радиоактивного вещества существует определенный интервал времени, на протяжении которого активность убывает в 2 раза. Этот интервал носит название периода полураспада. Период полураспада Т — это то время, в течение которого распадается половина наличного числа радиоактивных атомов.
Примем, что в начальный момент времени (t = 0) число радиоактивных атомов равно N0. Тогда по истечении периода полураспада это число будет равно N0/2. Спустя еще один такой же интервал времени это число станет равным: 1/2•(N0/2) = N0/4 = N0/22. По истечении времени t = п•Т, т. е. спустя п периодов полураспада Т, радиоактивных атомов останется: N = No•(1 / 2n) или N=No• (2-t/T) - это и есть основной закон радиоактивного полураспада, согласно которому число ядер радиоактивного изотопа уменьшается с течением времени по экспоненциальному закону, приведенному на рис.2: с увеличением числа периодов полураспада число нераспавшихся атомов убывает, постепенно приближаясь к нулю.
Итак, период полураспада — основная величина, характеризующая скорость радиоактивного распада, т. е. это время, в течение которого распадается половина исходного количества радиоактивных ядер.
Для разных веществ он имеет различающиеся значения от долей секунды до миллиардов лет.
Причем у одного и того же элемента могут быть изотопы с различными периодами полураспада. Соответственно и радиоактивные элементы разделяются на короткоживущие (часы, дни) и долгоживущие (годы). Так, для урана Т=4,5 млрд лет. Именно поэтому активность урана на протяжении отрезка времени в несколько лет заметно не меняется. Для радия Т=1600 лет. Поэтому активность радия значительно больше, чем урана. Чем меньше период полураспада, тем интенсивнее протекает распад. Есть радиоактивные элементы с периодом полураспада в миллионные доли секунды. Период полураспада можно определить, подсчитав число атомов, распавшихся за некоторый промежуток времени, и зная число атомов в начальный момент. Сам закон радиоактивного распада довольно прост. Но физический смысл этого закона представить себе нелегко. Действительно, согласно этому закону за любой интервал времени распадается одна и та же доля имеющихся атомов (за период полураспада — половина атомов). Значит, с течением времени скорость распада нисколько не меняется. Это главное свойство статистического закона радиоактивного распада иногда формулируют в виде утверждения, что радиоактивные ядра не стареют.
Время существования отдельных атомов может колебаться от долей секунды до миллиардов лет. Предсказать, когда произойдет распад данного атома, невозможно. Определенный смысл имеют только утверждения о поведении в среднем большой совокупности атомов. Именно в среднем число атомов, распадающихся за данный интервал времени, определяется законом радиоактивного распада.
Закон радиоактивного распада является статистическим законом. Он справедлив в среднем для большого количества частиц. Для малого числа атомов говорить об определенном законе радиоактивного распада не имеет смысла.
Количество радиоактивного вещества обычно определяется не единицами массы, а активностью данного вещества, которая равна числу распадов в единицу времени. Чем больше радиоактивных превращений испытывают атомы данного препарата в секунду, тем больше его активность. Как следует из закона радиоактивного распада, активность радионуклида пропорциональна числу радиоактивных атомов, т. е. возрастает с увеличением количества данного вещества. Поскольку скорость распада радиоактивных изотопов различна, то одинаковые по массе количества различных радионуклидов имеют разную активность. Единицей активности в системе единиц (СИ) служит распад в секунду (расп/сек). Этой единице присвоено название беккерель (Бк). 1Бк = 1с-1.
Наиболее часто употребляемая внесистемная международная единица - кюри (Ки). Кюри – это такое количество любого радиоактивного вещества, в котором число радиоактивных распадов в секунду равно 3,7 · 1010. Единица кюри соответствует радиоактивности 1г радия.
Кюри – очень большая величина, поэтому обычно употребляют дробные производные единицы: милликюри (1мКи = 10-3Ки), микрокюри (1мкКи=10-6Ки) и т. д. (Приложение, табл. 1,2).
1.3. Виды излучений и их проникающая способность
Радиация — это все виды электромагнитного излучения: свет, радиоволны, энергия солнца и множество иных излучений вокруг нас. Источниками проникающей радиации, создающими природный фон облучения, являются галактическое и солнечное излучение, наличие радиоактивных элементов в почве, воздухе и материалах, используемых в хозяйственной деятельности, а также изотопов, главным образом, калия в тканях живого организма. Одним из наиболее весомых естественных источников радиации является радон – газ, не имеющий вкуса и запаха.
Интерес представляет не любая радиация, а ионизирующая, которая, проходя сквозь ткани и клетки живых организмов, способна передавать им свою энергию, разрывая химические связи внутри молекул и вызывая серьезные изменения в их структуре.
Ионизирующее излучение возникает при радиоактивном распаде, ядерных превращениях, торможении заряженных частиц в веществе и образует при взаимодействии со средой ионы разных знаков.
Ионизирующие излучения получили свое название благодаря способности вызывать ионизацию атомов и молекул в облучаемом веществе (образование положительных и отрицательных ионов и свободных электронов из электрически нейтральных атомов и молекул). По своей природе ионизирующие излучения подразделяются на электромагнитные и корпускулярные (табл. 2).
Таблица 2
Основные виды радиоактивных излучений
Вид излучения | Название частиц | Масса покоя, а. е.м. | Заряд |
Электромагнитное излучение | |||
γ, фотонное | Фотон | 0 | 0 |
Корпускулярное излучение | |||
α | α-частица | 4 | +2 |
β- | Электрон | 0,000548 | -1 |
β+ | Позитрон | 0,000548 | +1 |
Нейтронное | Нейтрон | 1 | 0 |
Нейтринное | Нейтрино | Близка к нулю | 0 |
Антинейтрино | Близка к нулю | 0 |
1.3.1. Электромагнитные (фотонные) излучения.
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 |
