Ю. А. Александров Основы радиационной экологии Учебное пособие

Вид материала

Учебное пособие

Содержание 1.3. Типы ядерных превращений. Взаимодействие ИИ с веществами. Виды ИИ и их характеристика Бета-частицы (бета-излучение) Возникающее при перестройке ядер атомов радиоактивных элементов Рентгеновское излучение 1.3.3. К-захват электронов ядром 1.3.4. Самопроизвольное деление ядер 1.3.5. Термоядерные реакции

Подобный материал:

• Учебное пособие Житомир 2001 удк 33: 007. Основы экономической кибернетики. Учебное, 3745.06kb.
• Учебно-методическое пособие для студентов естественных специальностей Павлодар, 1215.72kb.
• Методические указания по выполнению лабораторной работы по дисциплине «Основы радиационной, 237.73kb.
• Учебное пособие Минск, 338.57kb.
• Ответы к экзамену по радиационной медицине и экологии., 7050.62kb.
• «физиотерапия позвоночника», 197.9kb.
• Н. Г. Сычев Основы энергосбережения Учебное пособие, 2821.1kb.
• В. И. Александров Учебное пособие. Российская медицинская академия последиплом, 207.44kb.
• Е. Г. Степанов Основы курортологии Учебное пособие, 3763.22kb.
• Н. Ю. Каменская основы финансового менеджмента учебное пособие, 1952.65kb.

1.3. Типы ядерных превращений. Взаимодействие ИИ
с веществами. Виды ИИ и их характеристика

Ядра атомов в стабильном состоянии устойчивы, но изменяют свое состояние при нарушении определенного соотношения протонов и нейтронов. Если в ядре слишком много протонов или нейтронов, то такие ядра неустойчивы и претерпевают радиоактивные превращения, в результате которых изменяется состав ядра, т.е. ядро атома одного химического элемента превращается в ядро атома другого химического элемента – это явление называется радиоактивностью, а сам процесс – ядерным (радиоактивным) распадом или ядерным превращением.


1.3.1. Альфа-распад


Этот вид ядерных превращений сопровождается испусканием из ядра альфа – частицы, представляющей собой ядро атома гелия, что приводит к уменьшению порядкового номера нового химического элемента на 2 единицы и массового числа (атомной массы) на 4 единицы. Например:

.

Этот вид ядерных превращений характерен для естественных радиоактивных элементов с большими порядковыми номерами: ядра с порядковыми номерами больше 82, за редким исключением, альфа-активны (⁶⁰Co и др.), превращения их ядер сопровождаются испусканием альфа-частиц, представляющих собой ядра атомов гелия ⁴He, при этом ядро радиоактивного элемента теряет 2 протона и 2 нейтрона, образующийся элемент смещается влево относительно исходного на 2 клетки периодической системы Д.И. Менделеева.

Альфа-частицы имеют положительный заряд, скорость распространения 20000 км/c, обладают большой массой – 4,003 а.е.м., большой энергией – 2-11 МэВ (мегаэлектронвольт), проникающая способность в воздухе 2-10 см, в биологических тканях – несколько десятком микрометров.

Проходя через вещество, положительно заряженная альфа частица постепенно теряет свою энергию за счет взаимодействия с электронами атомов или других отрицательно заряженных частиц, вызывая их ионизацию, часть энергии теряется на возбуждение атомов и молекул. В воздухе на 1 см пути альфа-частица образует 100-250 тыс. пар ионов, при попадании в организм они крайне опасны для человека и животных (плотно ионизирующее радиоактивное излучение).


1.3.2. Бета-распад


Ряд естественных и искусственных радиоактивных элементов претерпевают распад с испусканием электронов и позитронов. Электроны и позитроны, испускаемые ядрами, называются бета-частицами или бета- излучением, а сами ядра – бета-активными. Если в ядре имеется излишек нейтронов, то происходит электронный бета-распад. При этом виде ядерных превращений один из нейтронов превращается в протон, а ядро испускает электрон и антинейтрино и возникает ядро нового элемента при неизменном массовом числе. Вылет электронов сопровождается выбросом антинейтрино – элементарной частицы с массой менее 1/2000 массы покоя электрона, дочерний элемент сдвинут в таблице Д.И. Менделеева на 1 поле. Например:

,

где – антинейтрино.

При излишке протонов происходит позитронный (β⁺) бета-распад. Он сопровождается образованием нового элемента, расположенного в периодической таблице Д.И. Менделеева на 1 позицию влево от материнского; протон превращается в нейтрон, энергия выделяется также в виде элементарной частицы – нейтрино. Позитрон срывает с электронной оболочки электрон, образует пару позитрон – электрон, при взаимодействии которых образуются 2 гамма-кванта (процесс аннигиляции). Например:

_,

где Q – энергия двух гамма-квантов. Взаимодействие между электронами и веществом также приводит к процессам ионизации и возбуждения атомов и молекул. При взаимодействии с орбитальными электронами бета-частица отклоняется от первоначального пути (одноименные заряды отталкиваются), поэтому глубина проникновения бета-частиц в вещество меньше, чем длина пробега.

Бета-частицы (бета-излучение) распространяются со скоростью света, проникающая способность в воздухе до 25 метров, а в биологических тканях – до 1 см, в воздухе на 1 см пробега образует 50-100 пар ионов (редко ионизирующее излучение).

Возникающее при перестройке ядер атомов радиоактивных элементов излучение также моноэнергетично (то есть имеет линейный спектр) или характеризуется ограниченным числом фиксированных энергий (до нескольких МэВ).

Тормозное и характеристическое излучения обычно относят к рент­геновским лучам, а образующееся при ядерных перестройках – к гам­ма-излучению. При таком разделении спектры рентгеновских и -лучей перекрываются. Нет принципиальных различий между ними и по фи­зическим свойствам. Часто, независимо от происхождения, излучение с энергией фотонов до 250 кэВ относят к рентгеновскому излучению, а выше 250 кэВ – к гамма-излучению. По длине волны эта граница со­ответствует примерно 0,05 ангстрем.

Гамма-излучение – это коротковолновое электромагнитное излучение, распространяется прямолинейно со скоростью света, энергия его колеблется от 0,01 МэВ до 3 МэВ. Гамма-кванты испускаются при альфа- и бета-распадах ядра природных и искусственных радионуклидов, лишены массы покоя, не имеют заряда, поэтому проникающая способность в воздухе составляет 150 метров, в биологических тканях – десятки см.

Рентгеновское излучение также является электромагнитным излучением, возникает при торможении электронов в электрическом поле ядра атомов (тормозное рентгеновское излучение) или при перестройке электронных оболочек атомов при ионизации и возбуждении атомов и молекул (характеристическое рентгеновское излучение).


1.3.3. К-захват электронов ядром


При этом процессе протон ядра атома захватывает электрон с ближайшей к ядру K-орбитали или реже с L-орбитали, имеет место такое же превращение ядра, как и при позитронном распаде. Например:

_.

При К-захвате единственной вылетевшей частицей является антинейтрино, возникает также характеристическое рентгеновское излучение.


1.3.4. Самопроизвольное деление ядер


Этот процесс наблюдается у радиоактивных элементов с большими атомными номерами – ²³⁵U, ²³⁹Pu и др. при захвате их ядрами медленных нейтронов.

^.

Одни и те же ядра при делении образуют различное число осколков и избыточное количество нейтронов.

Нейтроны не несут заряда (электронейтральны), проникающая способность в воздухе и в биологических тканях очень большая, они являются плотно ионизирующими, атомные ядра при поглощении нейтронов становятся неустойчивыми, распадаются с испусканием протонов, альфа-частиц, фотонов гамма-излучения, осколков ядра.

В результате взаимодействия с веществами медленные нейтроны (0,025-0,1 МэВ) проникают в ядро атома, где они «захватываются» или удерживаются. Быстрые нейтроны (с энергией более 0,1 МэВ) взаимодействуют путем упругого столкновения с ядром.

Преимущественный вклад того или иного вида ядерного взаимодей­ствия в поглощение нейтронного излучения зависит от состава облуча­емого вещества и от кинетической энергии нейтронов. В зависимости от энергии нейтроны могут быть разделены на следующие группы:

– сверхбыстрые или релятивистские (Е > 10³ МэВ);

– очень больших энергий (Е = 10-10³ МэВ);

– быстрые (Е = 0,1-10 МэВ);

– промежуточные (Е = 0,5-100 кэВ);

– медленные (Е = 0,1 эВ – 0,5 кэВ);

– тепловые (Е < 0,1 эВ).


1.3.5. Термоядерные реакции


Термоядерные реакции протекают при температурах, достигающих нескольких миллионов градусов. В этих условиях ядра легких элементов, двигаясь с большими кинетическими энергиями, будут сближаться и объединяться в ядра более тяжелых элементов, например:

(17,57 МэВ).

На этом принципе основано устройство термоядерных зарядов, состоящих из плутониевого запала, служащего для создания высокой температуры, и смеси изотопов водорода – дейтерия и трития.

π-мезоны – отрицательно заряженные элементарные частицы, масса больше в 273 раза массы электрона, энергия 25-100 Мэв, при взаимодействии с веществами вызывают разрушение ядер с вылетом нейтронов, альфа-частиц, ионов лития, бериллия и др. (микровзрыв ядер).

Скоростью потери энергии определяется еще одно важное свойство ионизирующих излучений – проникающая способность. Глубина про­никновения ионизирующих излучений зависит, с одной стороны, от состава и плотности облучаемого объекта, а с другой, – от природы и свойств излучения. Чем больше величина линейной передачи энергии (ЛПЭ), тем меньше проника­ющая способность излучения в данном веществе.

За меру проникающей способности для ускоренных заряженных ча­стиц принимают расстояние, на котором частица замедляется до энер­гии, близкой к средней энергии теплового движения. Для квантов рентгеновских и гамма-лучей за меру проникающей способности при­нимают расстояние, на котором мощность излучения падает в е раз (где е – основание натуральных логарифмов).

Излучения с высокой проникающей способностью называют жест­кими. Если же проникающая способность мала, то такое излучение на­зывают мягким. Однако эти термины весьма относительны, так как, например, бета-излучение по сравнению с альфа-частицами будет же­стким, а по сравнению с гамма-лучами – мягким.

Все виды ионизирующих излучений пря­мо или косвенно вызывают ионизацию или возбуждение атомов веще­ства, и поэтому возникающие первичные изменения качественно не зависят от вида излучения. Однако при облучении в равных дозах (то есть при одном и том же количестве поглощенной единицей массы ве­щества энергии) возникают количественно разные биологические эф­фекты, что связано с ЛПЭ. В зависимости от величины ЛПЭ все ионизирующие излучения де­лят на редко- и плотноионизирующие. К редкоионизирующим относятся все виды излучения, имеющие ЛПЭ менее 10 кэВ/мкм. Это в основном электроны, а также гамма- и рентгеновские лучи, ионизирующее действие которых также осуществляется электронами. К плотноионизирующим (ЛПЭ > 10 кэВ/мкм) относят протоны, α-частицы и другие тяжелые частицы, а также нейтроны, биологическое действие которых реализу­ется за счет вторичных ускоренных заряженных частиц. Редкоионизирующие виды излучений отличаются сравнительно вы­сокой проникающей способностью, а плотноионизирующие (за ис­ключением нейтронов) проникают в ткани на небольшую глубину. Так, альфа-частицы обладают очень низкой проникающей способ­ностью. Даже в воздухе их пробег равен нескольким сантиметрам, а бо­лее плотные вещества (например, ткань или бумага) непроницаемы для альфа-частиц при толщине в доли миллиметра. Поток альфа-частиц, падающий на тело человека, из-за малой проникающей способности целиком поглощается в верхних слоях кожи. Вследствие этого аль­фа-излучение при внешнем радиационном воздействии совершенно безопасно для человека. Однако, если альфа-активный изотоп попадет с пищей, водой или воздухом внутрь организма, то опасность будет ве­сьма велика, так как испускаемые изотопом внутри тканей альфа-час­тицы вызовут очень сильную ионизацию атомов и молекул, а следова­тельно, сильное повреждение биологических субстратов, в которых не­посредственно поглощается энергия.

Проникающая способность бета-частиц примерно в сто раз больше, чем альфа-частиц. В воздухе они проходят несколько метров, в твердых средах – несколько миллиметров. В связи с этим бета-частицы пред­ставляют определенную опасность для жизни и здоровья людей не толь­ко при попадании внутрь организма, но и при аппликации на кожные покровы и слизистые оболочки, вследствие чего могут развиться серь­езные местные лучевые поражения.

Проникающая способность рентгеновских лучей и гамма-квантов очень велика. Они глубоко проникают даже в плотные среды, а тело человека «пронизывают» насквозь. Например, гамма-кванты с высокой энергией могут проходить через слой земли или бетона толщиной в не­сколько метров. Весьма велика проникающая способность, сравнимая с проникающей способностью гамма-лучей, у нейтронов. Излучения с высокой проникающей способностью представляют опасность для че­ловека при внешнем облучении.