Ответить на этот вопрос в начале XX в. было очень не просто. Уже в самом начале исследований радиоактивности обнаружилось много странного и необычного.
Во-первых , удивительным было постоянство, с которым радиоактивные элементы уран, торий и радий испускают излучения. На протяжении суток, месяцев и даже лет интенсивность излучения заметно не изменялась. На нее не оказывали никакого влияния такие обычные воздействия, как нагревание и увеличение давления. Химические реакции, в которые вступали радиоактивные вещества, также не влияли на интенсивность излучения.
Во-вторых , очень скоро после открытия радиоактивности выяснилось, что радиоактивность сопровождается выделением энергии . Пьер Кюри поместил ампулу с хлоридом радия в калориметр. В нем поглощались -, - и -лучи, и за счет их энергии калориметр нагревался. Кюри определил, что радий массой 1 г выделяет за 1 ч энергию, примерно равную 582 Дж. И такая энергия выделяется непрерывно на протяжении многих лет!
Откуда же берется энергия, на выделение которой не оказывают никакого влияния все известные воздействия? По-видимому, при радиоактивности вещество испытывает какие-то глубокие изменения, совершенно отличные от обычных химических превращений. Было сделано предположение, что превращения претерпевают сами атомы. Сейчас эта мысль не может вызвать особого удивления, так как о ней ребенок может услышать еще раньше, чем научится читать. Но в начале XX в. она казалась фантастической, и нужна была большая смелость, чтобы решиться высказать ее. В то время только что были получены бесспорные доказательства существования атомов. Идея Демокрита об атомистическом строении вещества наконец восторжествовала. И вот почти сразу же вслед за этим неизменность атомов счавится под сомнение.
Не будем рассказывать подробно о тех экспериментах, которые привели в конце концов к полной уверенности в том, что при радиоактивном распаде происходит цепочка последовательных превращений атомов. Остановимся только на самых первых опытах, начатых Резерфордом и продолженных им совместно с английским химиком Ф. Содди.
Резерфорд обнаружил, что активность тория, определяемая как число -частиц, испускаемых в единицу времени, остается неизменной в закрытой ампуле. Если лее препарат обдувается даже очень слабыми потоками воздуха, то активность тория сильно уменыпается. Ученый предположил, что одновременно с -частицами торий испускает какой-то радиоактивный газ.
Отсасывая воздух из ампулы, содержащей торий, Резерфорд выделил радиоактивный газ и исследовал его ионизирующую способность. Оказалось, что активность этого газа (в отличие от активности тория, урана и радия) очень быстро убывает со временем. Каждую минуту активность убывает вдвое, и через десять минут она становится практически равной нулю. Содди исследовал химические свойства этого газа и установил, что он не вступает ни в какие реакции, т. е. является инертным газом. Впоследствии этот газ был назван радоном и помещен в периодической системе Д. И. Менделеева под порядковым номером 86.
Превращения испытывали и другие радиоактивные элементы: уран, актиний, радий. Общий вывод, который сделали ученые, был точно сформулирован Резерфордом: «Атомы радиоактивного вещества подвержены спонтанным 1 видоизменениям. В каждый момент небольшая часть общего числа атомов становится неустойчивой и взрывообразно распадается. В подавляющем большинстве случаев выбрасывается с огромной скоростью осколок атома - -частица. В некоторых других случаях взрыв сопровождается выбрасыванием быстрого электрона и появлением лучей, обладающих, подобно рентгеновским лучам, большой проникающей способностью и называемых -излучением.
Было обнаружено, что в результате атомного превращения образуется вещество совернгенно нового вида, полностью отличное по своим физическим и химическим свойствам от первоначального вещества. Это новое вещество, однако, само также неустойчиво и испытывает превращение с испусканием характерного радиоактивного излучения 2 .
Таким образом, точно установлено, что атомы некоторых элементов подвержены спонтанному распаду, сопровождающемуся излучением энергии в количествах, огромных по сравнению с энергией, освобождающейся при обычных молекулярных видоизменениях ».
1 От латинского слова spontaneus самомроиапольный.
2 В действительности могут образовываться и стабильные ядра.
После того как было открыто атомное ядро, сразу же cталo ясно, что именно оно претерпевает изменения при радиоактивных превращениях. Ведь -частиц вообще нет в электронной оболочке, а уменьшение числа электронов оболочки на единицу превращает атом в ион, а не в новый химический элемент. Выброс же электрона из ядра меняет заряд ядра (увеличивает его) на единицу.
Итак, радиоактивность представляет собой самопроизвольное превращение одних ядер в другие, сопровождаемое испусканием различных частиц.
Правило смещения. Превращения ядер подчиняются так называемому правилу смещения, сформулированному впервые Содди: при -распаде ядро теряет положительный заряд 2е и масса его убывает примерно на четыре атомные единицы массы. В результате элемент смещается на две клетки к началу периодической системы. Символически это можно записать так:
Здесь элемент обозначается, как и в химии, общепринятыми символами: заряд ядра записывается в виде индекса слева внизу у символа, а атомная масса - в виде индекса слева вверху у символа. Например, водород обозначается символом . Для -частицы, являющейся ядром атома гелия, применяется обозначение и т. д. При -распаде из ядра вылетает электрон. В результате заряд ядра увеличивается на единицу, а масса остается почти неизменной:
Здесь обозначает электрон: индекс 0 вверху означает, что масса его очень мала по сравнению с атомной единицей массы, - электронное антинейтрино - нейтральная частица с очень малой (возможно, нулевой) массой, уносящая при -распаде часть энергии. Образованием антинейтрино сопровождается -распад любого ядра и в уравнениях соответствующих реакций эту частицу часто не указывают.
После -распада элемент смещается на одну клетку ближе к концу периодической системы. Гамма-излучение не сопровождается изменением заряда; масса же ядра меняется ничтожно мало.
Согласно правилу смещения при радиоактивном распаде сохраняется суммарный электрический заряд и приближенно сохраняется относительная атомная масса ядер.
Возникшие при радиоактивном распаде новые ядра могут быть также радиоактивны и испытывать дальнейшие превращения.
При радиоактивном распаде происходит превращение атомных ядер.
Какие из известных вам законов сохранения выполняются при радиоактивном распаде!
Основной характеристикой атома являются 2 числа:
1. массовое число (A) – равно сумме протонов и нейтронов ядра
2. атомный номер (Z) в периодической системе элементов Менделеева – равен числу протонов в ядре, т. е. соответствует заряду ядра.
Тип радиоактивного превращения определяется Видом частиц, испускаемых при распаде . Процесс радиоактивного распада всегда экзотермичен, т. е. идет с выделением энергии. Исходное ядро называется материнским (в нижеприведенных схемах обозначено символом X), а получающееся после распада ядро – дочерним (в схемах – символ Y).
Нестабильные ядра претерпевают 4 основных типа радиоактивных превращений:
А) Альфа-распад – состоит в том, что тяжелое ядро самопроизвольно испускает альфа-частицу, т. е. это чисто ядерное явление. Известно более 200 альфа-активных ядер, почти все они имеют порядковый номер больше 83 (Am-241; Ra-226; Rn-222; U-238 и 235; Th-232; Pu-239 и 240). Энергия альфа-частиц тяжелых ядер чаще всего находится в интервале от 4 до 9 МэВ.
Примеры альфа-распада :
Б) Бета-превращение – это внутринуклонный процесс; в ядре распадается одиночный нуклон, при этом происходит внутренняя перестройка ядра и появляются вылетающие из ядра b-частицы (электрон , позитрон , нейтрино , антинейтрино ). Примеры радионуклидов, претерпевающих бета-превращение: тритий (H-3); C-14; радионуклиды натрия (Na-22, Na-24); радионуклиды фосфора (P-30, P-32); радионуклиды серы (S-35, S-37); радионуклиды калия (K-40, K-44, K-45); Rb-87; радионуклиды стронция (Sr-89, Sr-90); радионуклиды йода (I-125, I-129, I-131, I-134); радионуклиды цезия (Cs-134, Cs-137).
Энергия бета-частиц варьирует в широком диапазоне: от 0 до Emax (полная энергия, выделяющаяся при распаде) и измеряется в кэВ, МэВ. Для одинаковых ядер распределение вылетающих электронов по энергиям является закономерным и называется Спектром электронов B -распада, или бета-спектром ; по спектру энергии бета-частиц можно провести идентификацию распадающегося элемента.
Один из примеров бета-превращения одиночного нуклона – Распад свободного нейтрона (период полураспада 11,7 мин):
Виды бета-превращения ядер:
1) электронный распад
: 
.
Примеры электронного распада: ,
2) Позитронный распад :
Примеры позитронного распада: , 
3) Электронный захват
(К-захват, т. к. ядро поглощает один из электронов атомной оболочки, обычно из К-оболочки): 
Примеры электронного захвата: 
, 
В) Гамма-превращение (изомерный переход) – внутриядерное явление, при котором за счет энергии возбуждения ядро испускает гамма-квант, переходя в более стабильное состояние; при этом массовое число и атомный номер не изменяются. Спектр гамма-излучения всегда дискретен. Испускаемые ядрами гамма-кванты обычно имеют энергию от десятков кэВ до нескольких МэВ. Примеры радионуклидов, претерпевающих гамма-превращение: Rb-81m; Cs-134m; Cs-135m; In-113m; Y-90m.
, где индекс “m” означает метастабильное состояние ядра.
Пример гамма-превращения: 
Г) Спонтанное деление ядер – возможно у ядер, начиная с массового числа 232. Ядро делится на 2 сравнимых по массам осколка. Именно спонтанное деление ядер ограничивает возможности получения новых трансурановых элементов. В ядерной энергетике используется процесс деления тяжелых ядер при захвате ими нейтронов:
В результате деления образуются осколки с избыточным количеством нейтронов, которые затем претерпевают несколько последовательных превращений (чаще – бета-распад).
- экспозиционная доза
- поглощённая доза
- эквивалентная доза
- эффективная эквивалентная доза
Радиоактивность
Это способность ядер атомов различных химических элементов разрушаться, видоизменяться с испусканием атомных и субатомных частиц высоких энергий. При радиоактивных превращениях, в подавляющем большинстве случаев, ядра атомов (а значит, и сами атомы) одних химических элементов превращаются в ядра атомов (в атомы) других химических элементов, либо один изотоп химического элемента превращается в другой изотоп того же элемента.
Атомы, ядра которых подвержены радиоактивному распаду или другим радиоактивным превращениям, называются радиоактивными .
Изотопы
(от греческих слов isos – «равный, одинаковый» и topos – «место»)
Это нуклиды одного химического элемента, т.е. разновидности атомов определенного элемента, имеющие одинаковый атомный номер, но разные массовые числа.
Изотопы обладают ядрами с одинаковым числом протонов и различным числом нейтронов и занимают одно и то же место в периодической системе химических элементов. Различают стабильные изотопы, которые существуют в неизменном виде неопределенно долго, и нестабильные (радиоизотопы), которые со временем распадаются.
Известно около 280 стабильных и более 2000 радиоактивных изотопов у 116 природных и искусственно полученных элементов .
Нуклид (от латинского nucleus – «ядро») – совокупность атомов с определенными значениями заряда ядра и массового числа.
Условные обозначения нуклида: , где X – буквенное обозначение элемента, Z – число протонов (атомный номер ), A – сумма числа протонов и нейтронов (массовое число ).
Даже у самого первого в таблице Менделеева и самого лёгкого атома – водорода, в ядре которого только один протон (а вокруг него вращается один электрон), имеется три изотопа.
Радиоактивные превращения
Могут быть естественными, самопроизвольными (спонтанными) и искусственными. Спонтанные радиоактивные превращения – процесс случайный, статистический.
Все радиоактивные превращения сопровождаются, как правило, выделением из ядра атома избытка энергии в виде электромагнитного излучения .
Гамма-излучение – это поток гамма-квантов, обладающих большой энергией и проникающей способностью.
Рентгеновское излучение – это так же поток фотонов – обычно с меньшей энергией. Только «место рождения» рентгеновского излучения не ядро, а электронные оболочки. Основной поток рентгеновского излучения возникает в веществе при прохождении через него «радиоактивных частиц» («радиоактивного излучения» или «ионизирующего излучения»).
Основные разновидности радиоактивных превращений:
- радиоактивный распад;
- деление ядер атомов.
Это испускание, выбрасывание с огромными скоростями из ядер атомов «элементарных» (атомных, субатомных) частиц, которые принято называть радиоактивным (ионизирующим) излучением .
При распаде один изотоп данного химического элемента превращается в другой изотоп того же элемента.
Для естественных (природных) радионуклидов основными видами радиоактивного распада являются альфа- и бета-минус-распад.
Названия «альфа » и «бета » были даны Эрнестом Резерфордом в 1900 году при изучении радиоактивных излучений.
Для искусственных (техногенных) радионуклидов, кроме этого, характерны также нейтронный, протонный, позитронный (бета-плюс) и более редкие виды распада и ядерных превращений (мезонный, К-захват, изомерный переход и др.).
Альфа-распад
Это испускание из ядра атома альфа-частицы, которая состоит из 2 протонов и 2 нейтронов.
Альфа-частица имеет массу 4 единицы, заряд +2 и является ядром атома гелия (4He).
В результате испускания альфа-частицы образуется новый элемент, который в таблице Менделеева расположен на 2 клетки левее , так как количество протонов в ядре, а значит, и заряд ядра, и номер элемента стали на две единицы меньше. А масса образовавшегося изотопа оказывается на 4 единицы меньше .
А льфа – распад – это характерный вид радиоактивного распада для естественных радиоактивных элементов шестого и седьмого периодов таблицы Д.И. Менделеева (уран, торий и продукты их распада до висмута включительно) и особенно для искусственных – трансурановых – элементов.
То есть этому виду распада подвержены отдельные изотопы всех тяжёлых элементов, начиная с висмута.
Так, например, при альфа-распаде урана всегда образуется торий, при альфа-распаде тория – радий, при распаде радия – радон, затем полоний и наконец – свинец. При этом из конкретного изотопа урана-238 образуется торий-234, затем радий-230, радон-226 и т. д.
Скорость альфа-частицы при вылете из ядра от 12 до 20 тыс. км/сек.
Бета-распад
Бета-распад – наиболее распространённый вид радиоактивного распада (и вообще радиоактивных превращений), особенно среди искусственных радионуклидов.
У каждого химического элемента есть, по крайней мере, один бета-активный, то есть подверженный бета-распаду изотоп.
Пример естественного бета-активного радионуклида – калий-40 (Т1/2=1,3×109 лет), в природной смеси изотопов калия его содержится всего 0,0119%.
Кроме К-40, значимыми естественными бета-активными радионуклидами являются также и все продукты распада урана и тория, т.е. все элементы от таллия до урана.
Бета-распад включает в себя такие виды радиоактивных превращений, как:
– бета-минус распад;
– бета-плюс распад;
– К-захват (электронный захват).
Бета-минус распад – это испускание из ядра бета-минус частицы – электрона , который образовался в результате самопроизвольного превращения одного из нейтронов в протон и электрон.
При этом бета-частица со скоростью до 270 тыс. км/сек (9/10 скорости света) вылетает из ядра. И так как протонов в ядре стало на один больше, то ядро данного элемента превращается в ядро соседнего элемента справа – с большим номером.
При бета-минус распаде радиоактивный калий-40 превращается в стабильный кальций-40 (стоящий в соседней клетке справа). А радиоактивный кальций-47 – в стоящий справа от него скандий-47 (тоже радиоактивный), который, в свою очередь, также путём бета-минус распада превращается в стабильный титан-47.
Бета-плюс распад – испускание из ядра бета-плюс частицы – позитрона (положительно заряженного «электрона»), который образовался в результате самопроизвольного превращения одного из протонов в нейтрон и позитрон.
В результате этого (так как протонов стало меньше) данный элемент превращается в соседний слева в таблице Менделеева.
Например, при бета-плюс распаде радиоактивный изотоп магния магний-23 превращается в стабильный изотоп натрия (стоящего слева) – натрий-23, а радиоактивный изотоп европия – европий-150 превращается в стабильный изотоп самария – самарий-150.
– испускание из ядра атома нейтрона. Характерен для нуклидов искусственного происхождения.
При испускании нейтрона один изотоп данного химического элемента превращается в другой, с меньшим весом. Так, например, при нейтронном распаде радиоактивный изотоп лития – литий-9 превращается в литий-8, радиоактивный гелий-5 – в стабильный гелий-4.
Если стабильный изотоп йода – йод-127 облучать гамма-квантами, то он становится радиоактивным, выбрасывает нейтрон и превращается в другой, тоже радиоактивный изотоп – йод-126. Это пример искусственного нейтронного распада .
В результате радиоактивных превращений могут образовываться изотопы других химических элементов или того же элемента , которые сами могут быть радиоактивными элементами.
Т.е. распад некоего исходного радиоактивного изотопа может привести к некоторому количеству последовательных радио-активных превращений различных изотопов разных химических элементов, образуя т. н. «цепочки распада».
Например, торий-234, образующийся при альфа-распаде урана-238 превращается в протактиний-234, который в свою очередь снова в уран, но уже в другой изотоп – уран-234.
Заканчиваются же все эти альфа и бета-минус переходы образованием стабильного свинца-206. А уран-234 альфа-распадом – опять в торий (торий-230). Далее торий-230 путём альфа-распада – в радий-226, радий – в радон.
Деление ядер атомов
Это самопроизвольное, или под действием нейтронов, раскалывание ядра атома на 2 примерно равные части , на два «осколка».
При делении вылетают 2-3 лишних нейтрона и выделяется избыток энергии в виде гамма-квантов, гораздо больший, чем при радиоактивном распаде.
Если на один акт радиоактивного распада обычно приходится один гамма-квант, то на 1 акт деления приходится 8 -10 гамма-квантов!
Кроме того, разлетающиеся осколки обладают большой кинетической энергией (скоростью), которая переходит в тепловую.
Вылетевшие нейтроны могут вызвать деление двух-трёх аналогичных ядер, если те окажутся поблизости и если нейтроны попадут в них.
Таким образом, появляется возможность осуществления разветвляющейся, ускоряющейся цепной реакции деления ядер атомов с выделением огромного количества энергии.
Цепная реакция деления
Если позволить цепной реакции развиваться бесконтрольно, то произойдёт атомный (ядерный) взрыв.
Если цепную реакцию держать под контролем, управлять её развитием, не давать ускоряться и постоянно отводить выделяющуюся энергию (тепло), то эту энергию («атомную энергию ») можно использовать для получения электроэнергии. Это осуществляется в атомных реакторах, на атомных электростанциях.
Характеристики радиоактивных превращений
Период полураспада (T 1/2 ) – время, в течение которого половина радиоактивных атомов распадается и их количество уменьшается в 2 раза .
Периоды полураспада у всех радионуклидов разные – от долей секунды (короткоживущие радионуклиды) до миллиардов лет (долгоживущие).
Активность – это количество актов распада (в общем случае актов радиоактивных, ядерных превращений) в единицу времени (как правило, в секунду). Единицами измерения активности являются беккерель и кюри.
Беккерель (Бк) – это один акт распада в секунду (1 расп./сек).
Кюри (Ки) – 3,7×1010 Бк (расп./сек).
Единица возникла исторически: такой активностью обладает 1 грамм радия-226 в равновесии с дочерними продуктами распада. Именно с радием-226 долгие годы работали лауреаты Нобелевской премии французские учёные супруги Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри.
Закон радиоактивного распада
Изменение активности нуклида в источнике с течением времени зависит от периода полураспада данного нуклида по экспоненциальному закону:
A и (t) = A и (0) × exp (-0,693 t / T 1/2 ),
где A
и
(0) – исходная активность нуклида;
A
и
(t) – активность спустя время t;
T 1/2 – период полураспада нуклида.
Зависимость между массой радионуклида (без учета массы неактивного изотопа) и его активностью выражается следующим соотношением:
где m и – масса радионуклида, г;
T 1/2 – период полураспада радионуклида, с;
A и – активность радионуклида, Бк;
А – атомная масса радионуклида.
Проникающая способность радиоактивного излучения .
Пробег альфа-частиц зависит от начальной энергии и обычно колеблется в пределах от 3-х до 7 (редко до 13) см в воздухе, а в плотных средах составляет сотые доли мм (в стекле – 0,04 мм).
Альфа-излучение не пробивает лист бумаги и кожу человека. Из-за своей массы и заряда альфа-частицы обладают наибольшей ионизирующей способностью, они разрушают всё на своём пути, поэтому альфа-активные радионуклиды являются наиболее опасными для человека и животных при попадании внутрь.
Пробег бета-частиц в веществе из-за малой массы (~ в 7000 раз
Меньше массы альфа-частицы), заряда и размеров значительно больше. При этом путь бета-частицы в веществе не является прямолинейным. Проникающая способность также зависит от энергии.
Проникающая способность бета-частиц, образовавшихся при радиоактивном распаде, в воздухе достигает 2÷3 м , в воде и других жидкостях измеряется сантиметрами, в твёрдых телах – долями см.
В ткани организма бета-излучение проникает на глубину 1÷2 см.
Кратность ослабления n- и гамма-излучений.
Наиболее проникающими видами излучения являются нейтронное и гамма-излучение. Их пробег в воздухе может достигать десятков и сотен метров (также в зависимости от энергии), но при меньшей ионизирующей способности.
В качестве защиты от n- и гамма-излучения применяют толстые слои из бетона, свинца, стали и т. п. и речь ведут уже о кратности ослабления.
По отношению к изотопу кобальта-60 (Е = 1,17 и 1,33 Мэв) для 10-кратного ослабления гамма-излучения требуется защита из:
- свинца толщиной порядка 5 см;
- бетона около 33 см;
- воды – 70 см.
Для 100-кратного ослабления гамма-излучения требуется защита из свинца толщиной 9,5 см; бетона – 55 см; воды – 115 см.
Единицы измерения в дозиметрии
Доза (от греческого – «доля, порция») облучения.
Экспозиционная доза (для рентгеновского и гамма-излучения) – определяется по ионизации воздуха.
Единица измерения в системе СИ – «кулон на кг» (Кл/кг) – это такая экспозиционная доза рентгеновского или гамма-излучения, при создании которой в 1 кг сухого воздуха образуется заряд ионов одного знака, равный 1 Кл .
Внесистемной единицей измерения является «рентген» .
1 Р = 2,58 × 10 -4 Кл/кг.
По определению 1 рентген (1Р) – это такая экспозиционная доза при поглощении которой в 1 см 3 сухого воздуха образуется 2,08 × 10 9 пар ионов.
Связь между двумя этими единицами следующая:
1 Кл/кг = 3,68 ·10 3 Р.
Экспозиционной дозе 1Р соответствует поглощенная доза в воздухе 0,88 рад.
Доза
Поглощённая доза – энергия ионизирующего излучения, поглощенная единичной массой вещества.
Под энергией излучения, переданной веществу, понимается разность между суммарной кинетической энергией всех частиц и фотонов, попавших в рассматриваемый объем вещества, и суммарной кинетической энергией всех частиц и фотонов, покидающих этот объем. Следовательно, поглощенная доза учитывает всю энергию ионизирующего излучения, оставленную в пределах этого объема, независимо от того, на что эта энергия потрачена.
Единицы измерения поглощенной дозы:
Грэй (Гр) – единица поглощённой дозы в системе единиц СИ. Соответствует энергии излучения в 1 Дж, поглощённой 1 кг вещества.
Рад – внесистемная единица поглощённой дозы. Соответствует энергии излучения 100 эрг, поглощённой веществом массой 1 грамм.
1 рад = 100 эрг/г = 0,01 Дж/кг = 0,01 Гр.
Биологический эффект при одинаковой поглощенной дозе оказывается различным для разных видов излучения.
Например, при одинаковой поглощенной дозе альфа-излучение оказывается гораздо опаснее, чем фотонное или бета-излучение . Это связано с тем, что альфа-частицы создают на пути своего пробега в биологической ткани более плотную ионизацию, концентрируя таким образом вредное воздействие на организм в определенном органе. При этом весь организм испытывает на себе значительно большее угнетающее действие излучения.
Следовательно, для создания одинакового биологического эффекта при облучении тяжелыми заряженными частицами необходима меньшая поглощенная доза, чем при легкими частицами или фотонами.
Эквивалентная доза – произведение поглощенной дозы на коэффициент качества излучения.
Единицы измерения эквивалентной дозы:
Зиверт (Зв) – это единица измерения эквивалентной дозы, любого вида излучения, которое создает такой же биологический эффект, как и поглощенная доза в 1 Гр
Следовательно, 1 Зв = 1 Дж/кг.
Бэр (внесистемная единица) – это такое количество энергии ионизирующего излучения, поглощенное 1 кг биологической ткани, при котором наблюдается тот же биологический эффект, что и при поглощенной дозе 1 рад рентгеновского или гамма-излучения.
1 бэр = 0,01 Зв = 100 эрг/г.
Наименование «бэр» образовано по первым буквам словосочетания «биологический эквивалент рентгена».
До недавнего времени при расчёте эквивалентной дозы использовались «коэффициенты качества излучения » (К) – поправочные коэффициенты, учитывающие различное влияние на биологические объекты (различную способность повреждать ткани организма) разных излучений при одной и той же поглощённой дозе.
Сейчас эти коэффициенты в Нормах радиационной безопасности (НРБ-99) назвали – «взвешивающие коэффициенты для отдельных видов излучения при расчёте эквивалентной дозы (WR)».
Их значения составляют соответственно:
- рентгеновское, гамма, бета-излучение, электроны и позитроны – 1 ;
- протоны с Е более 2 Мэв – 5 ;
- нейтроны с Е менее 10 кэв) – 5 ;
- нейтроны с Е от 10 кэв до 100 кэв – 10 ;
- альфа-частицы, осколки деления, тяжёлые ядра – 20 и т. д.
Эффективная эквивалентная доза – эквивалентная доза, рассчитанная с учётом разной чувствительности различных тканей организма к облучению; равна эквивалентной дозе , полученной конкретным органом, тканью (с учётом их веса), умноженной на соответствующий «коэффициент радиационного риска ».
Эти коэффициенты используются в радиационной защите для учёта различной чувствительности разных органов и тканей в возникновению стохастических эффектов от воздействия излучения.
В НРБ-99 их называют «взвешивающими коэффициентами для тканей и органов при расчёте эффективной дозы» .
Для организма в целом этот коэффициент принят равным 1 , а для некоторых органов имеет следующие значения:
- костный мозг (красный) – 0,12; гонады (яичники, семенники) – 0,20;
- щитовидная железа – 0,05; кожа – 0,01 и т. д.
- лёгкие, желудок, толстый кишечник – 0,12.
Для оценки полной эффективной эквивалентной дозы, полученной человеком, рассчитывают и суммируют указанные дозы для всех органов.
Для измерения эквивалентной и эффективной эквивалентной доз в системе СИ используется та же единица – Зиверт (Зв).
1 Зв равен эквивалентной дозе, при которой произведение вели-чины поглощённой дозы в Гр эях (в биологической ткани) на взвешивающие коэффициенты будет равно 1 Дж/кг .
Иными словами, это такая поглощённая доза, при которой в 1 кг вещества выделяется энергия в 1 Дж .
Внесистемная единица – Бэр.
Взаимосвязь между единицами измерения:
1 Зв = 1 Гр * К = 1 Дж/кг * К = 100 рад * К = 100 бэр
При К=1 (для рентгеновского, гамма-, бета-излучений, электронов и позитронов) 1 Зв соответствует поглощённой дозе в 1 Гр :
1 Зв = 1 Гр = 1 Дж/кг = 100 рад = 100 бэр.
Ещё в 50-х годах было установлено, что если при экспозиционной дозе в 1 рентген воздух поглощает приблизительно столько же энергии, что и биологическая ткань.
Поэтому оказывается, что при оценке доз можно считать (с минимальной погрешностью), что экспозиционная доза в 1 рентген для биологической ткани соответствует (эквивалентна) поглощённой дозе в 1 рад и эквивалентной дозе в 1 бэр (при К=1), то есть, грубо говоря, что 1 Р, 1 рад и 1 бэр – это одно и то же.
При экспозиционной дозе 12 мкР/час за год получаем дозу 1 мЗв.
Кроме того, для оценки воздействия ИИ используют понятия:
Мощность дозы – доза, полученная за единицу времени (сек., час).
Фон – мощность экспозиционной дозы ионизирующего излучения в данном месте.
Естественный фон – мощность экспозиционной дозы ионизирующего излучения, создаваемая всеми природными источниками ИИ.
Источники поступления радионуклидов в окружающую среду
1. Естественные радионуклиды , которые сохранились до нашего времени с момента их образования (возможно, со времени образования солнечной системы или Вселенной), так как у них велики периоды полураспада, а значит, велико время жизни.
2. Радионуклиды осколочного происхождения , которые обра-зуются в результате деления ядер атомов. Образуются в ядерных реакторах, в которых осуществляется управляемая цепная реакция, а также при испытаниях ядерного оружия (неуправляемая цепная реакция).
3. Радионуклиды активационного происхождения образуются из обычных стабильных изотопов в результате активации, то есть при попадании в ядро стабильного атома субатомной частицы (чаще – нейтрона), в результате чего стабильный атом становится радиоактивным. Получают активацией стабильных изотопов, помещая их в активную зону реактора, либо бомбардировкой стабильного изотопа в ускорителях элементарных частиц протонами, электронами и т.п.
Области применения радионуклидных источников
Источники ИИ находят применение в промышленности, сельском хозяйстве, научных исследованиях и медицине. Только в медицине используются приблизительно сто изотопов для различных медицинских исследований, постановки диагноза, стерилизации и радиотерапии.
Во всем мире во многих лабораториях используются радиоактивные материалы для научных исследований. Термоэлектрические генераторы на радиоизотопах применяются для производства электроэнергии для автономного энергопитания различной аппаратуры в удаленных и труднодоступных районах (радио-и световые маяки, метеостанции).
Повсеместно в промышленности используются приборы, содержащие радиоактивные источники для контроля технологических процессов (плотно-, уровне- и толщиномеры), приборы неразру-шающего контроля (гамма-дефектоскопы), приборы для анализа состава вещества. Излучение используется для повышения размера и качества урожая.
Влияние излучения на организм человека. Эффекты радиации
Радиоактивные частицы , обладая огромной энергией и скоростью, при прохождении через любое вещество сталкиваются с атомами и молекулами этого вещества и приводят к их разрушению, ионизации , к образованию «горячих» ионов и свободных радикалов.
Так как биологические ткани человека на 70% состоят из воды , то в большой степени ионизации подвергается именно вода . Из ионов и свободных радикалов образуются вредные для организма соединения, которые запускают целую цепь последовательных биохимических реакций и постепенно приводят к разрушению клеточных мембран (стенок клеток и других структур).
Радиация по-разному действует на людей в зависимости от пола и возраста, состояния организма, его иммунной системы и т. п., но особенно сильно – на младенцев, детей и подростков. При воздействии радиации скрытый (инкубационный, латентный) период , то есть время задержки до наступления видимого эффекта, может продолжаться годами и даже десятилетиями.
Воздействие радиации на организм человека и биологические объекты вызывает три различных отрицательных эффекта:
- генетический эффект для наследственных (половых) клеток организма. Он может проявиться и проявляется только в потомстве;
- генетико-стохастический эффект , проявляющийся для наследственного аппарата соматических клеток – клеток тела. Он проявляется при жизни конкретного человека в виде различных мутаций и заболеваний (в том числе раковых);
- соматический эффект , а точнее – иммунный. Это ослабление защитных сил, иммунной системы организма за счёт разрушения клеточных мембран и других структур.
Материалы по теме
На предыдущем уроке мы обсуждали вопрос, связанный экспериментом Резерфорда, в результате которого мы теперь знаем, что атом представляет собой планетарную модель. так и называется - планетарная модель атома. В центре ядра находится массивное положительно заряженное ядро. А вокруг ядра обращаются по своим орбитам электроны.
Рис. 1. Планетарная модель атома Резерфорда
Вместе с Резерфордом в опытах участие принимал Фредерик Содди. Содди - химик, поэтому свою работу он проводил именно в плане отождествления полученных элементов по их химическим свойствам. Именно Содди удалось выяснить, что же такое a-частицы, поток которых попадал на золотую пластинку в опытах Резерфорда. Когда произвели измерения, то выяснилось, что масса a-частицы - это 4 атомных единицы массы, а заряд a-частицы составляет 2 элементарных заряда. Сопоставляя эти вещи, накопив определенное количество a-частиц, ученые выяснили, что эти частицы превратились в химический элемент - газ гелий.
Химические свойства гелия были известны, благодаря этому Содди и утверждал, что ядра, которые представляют собой a-частицы, захватили извне электроны и превратились в нейтральные атомы гелия.
В дальнейшем основные усилия ученых были направлены на изучение ядра атома. Стало понятно, что все процессы, которые происходят при радиоактивном излучении, происходят не с электронной оболочкой, не с электронами, которые окружают ядра, а с самими ядрами. Именно в ядрах происходят какие-то преобразования, в результате чего образуются новые химические элементы.
Первую такую цепочку удалось получить для превращения элемента радия, который использовался в опытах по радиоактивности, в инертный газ радон с испусканием a-частицы ; реакция в этом случае записывается следующим образом:
Во-первых, a-частица - это 4 атомных единицы массы и двойной, удвоенный элементарный заряд, причем заряд положительный. У радия порядковый номер 88, его массовое число составляет 226, а у радона порядковый номер уже 86, массовое число 222, и появляется a-частица. Это ядро атома гелия. В данном случае мы записываем просто гелий. Порядковый номер 2, массовое число 4.
Реакции, в результате которых образуются новые химические элементы и при этом еще образуются новые излучения и другие химические элементы, получили название ядерных реакций .
Когда стало понятно, что радиоактивные процессы протекают внутри ядра, обратились к другим элементам, не только к радию. Изучая различные химические элементы, ученые поняли, что существуют не только реакции с испусканием, излучением a-частицы ядра атома гелия, но и другие ядерные реакции. Например, реакции с испусканием b-частицы. Мы теперь знаем, что это электроны. В этом случае тоже образуется новый химический элемент, соответственно, новая частица, это b-частица, она же - электрон. Особый интерес в данном случае представляют все химические элементы, у которых порядковый номер больше 83.
Итак, можно сформулировать т.н. правила Содди, или правила смещения для радиоактивных превращений:
. При альфа-распаде происходит уменьшение порядкового номера элемента на 2 и уменьшение атомного веса на 4.
Рис. 2. Альфа-распад
При бета-распаде происходит увеличение порядкового номера на 1, при этом атомный вес не меняется.
Рис. 3. Бета-распад
Список дополнительной литературы
- Бронштейн М.П. Атомы и электроны. «Библиотечка “Квант”». Вып. 1. М.: Наука, 1980
- Кикоин И.К., Кикоин А.К. Физика: Учебник для 9 класса средней школы. М.: «Просвещение»
- Китайгородский А.И. Физика для всех. Фотоны и ядра. Книга 4. М.: Наука
- Мякишев Г.Я., Синякова А.З. Физика. Оптика Квантовая физика. 11 класс: учебник для углубленного изучения физики. М.: Дрофа
- Резерфорд Э. Избранные научные труды. Радиоактивность. М.: Наука
- Резерфорд Э. Избранные научные труды. Строение атома и искусственное превращение элементов. М.: Наука
Превращения, при которых ядро одного химического элемента превращается в ядро другого элемента с другим значением атомного номера, называют радиоактивным распадом. Радиоактивные изотопы, образовавшиеся и существующие в природных условиях, называют естественно радиоактивными; такие же изотопы, полученные искусственным путем посредством ядерных реакций,-- искусственно радиоактивными. Между естественно и искусственно радиоактивными изотопами нет принципиальной разницы, так как свойства ядер атомов и самих атомов определяются только составом и структурой ядра и не зависят от способа их образования.
Радиоактивность была открыта в 1896 г. Беккерелем (А.Н. Becquerel), который обнаружил излучение урана, способное вызывать почернение фотоэмульсии и ионизировать воздух. Кюри-Склодовская (М. Curie-Sklodowska) первая измерила интенсивность излучения урана и одновременно с немецким ученым Шмидтом (G.С. Schmidt) обнаружила радиоактивность у тория. Свойство изотопов самопроизвольно испускать невидимое излучение супруги Кюри назвали радиоактивностью. В июле 1898 г. они сообщили об открытии ими в урановой смоляной руде нового радиоактивного элемента полония. В декабре 1898 г. совместно с Бемоном (G. Bemont) они открыли радий.
После открытия радиоактивных элементов ряд авторов (Беккерель, супруги Кюри, Резерфорд и др.) установил, что эти элементы могут испускать три вида лучей, которые по-разному ведут себя в магнитном поле. По предложению Резерфорда (Е. Rutherford, 1902) эти лучи были названы альфа, бета- и гамма-лучами. Альфа-лучи состоят из положительно заряженных альфа-частиц (дважды ионизированных атомов гелия Не4); бета-лучи-- из отрицательно заряженных частиц малой массы -- электронов; гамма-лучи по природе аналогичны рентгеновым лучам и представляют собой кванты электромагнитного излучения.
В 1902 г. Резерфорд и Содди (F. Soddy) объяснили явление радиоактивности самопроизвольным превращением атомов одного элемента в атомы другого элемента, происходящим по законам случайности и сопровождающимся выделением энергии в виде альфа-, бета-и гамма-лучей.
В 1910 г. М. Кюри-Склодовская вместе с Дебьерном (A. Debierne) получила чистый металлический радий и исследовала его радиоактивные свойства, в частности измерила постоянную распада радия. Вскоре был открыт ряд других радиоактивных элементов. Дебьерн и Гизель (F. Giesel) открыли актиний. Ган (О. Halm) открыл радиоторий и мезоторий, Болтвуд (В.В. Boltwood) открыл ионий, Ган и Майтнер (L. Meitner) открыли протактиний. Все изотопы этих элементов радиоактивны. В 1903 г. Пьер Кюри и Лаборд (С.A. Laborde) показали, что препарат радия имеет всегда повышенную температуру и что 1 г радия с продуктами его распада за 1 час выделяет около 140 ккал. В этом же году Рамзай (W. Ramsay) и Содди установили, что в запаянной ампуле с радием содержится газообразный гелий. Работами Резерфорда, Дорна (F. Dorn), Дебьерна и Гизеля было показано, что среди продуктов распада урана и тория имеются быстрораспадающиеся радиоактивные газы, названные эманациями радия, тория и актиния (радон, торон, актинон). Таким образом, было доказано, что при распаде атомы радия превращаются в атомы гелия и радона. Законы радиоактивных превращений одних элементов в другие при альфа- и бета-распадах (законы смещения) были впервые сформулированы Содди, Фаянсом (К. Fajans) и Расселлом (W.J. Russell).
Эти законы заключаются в следующем. При альфа-распаде всегда из исходного элемента получается другой, который расположен в периодической системе Д.И. Менделеева на две клетки левее исходного элемента (порядковый или атомный номер на 2 меньше исходного); при бета-распаде всегда из исходного элемента получается другой элемент, который расположен в периодической системе на одну клетку правее исходного элемента (атомный номер на единицу больше, чем у исходного элемента).
Изучение превращений радиоактивных элементов привело к открытию изотопов, т. е. атомов, которые обладают одинаковыми химическими свойствами и атомными номерами, но отличаются друг от друга по массе и по физическим свойствам, в частности по радиоактивным свойствам (типу излучения, скорости распада). Из большого количества открытых радиоактивных веществ новыми элементами оказались только радий (Ra), радон (Rn), полоний (Ро) и протактиний (Ра), а остальные -- изотопами ранее известных урана (U), тория (Th), свинца (Pb), таллия (Tl) и висмута (Bi).
После открытия Резерфордом ядерной структуры атомов и доказательства, что именно ядро определяет все свойства атома, в частности структуру его электронных оболочек и его химические свойства (см. Атом, Ядро атомное), стало ясно, что радиоактивные превращения связаны с превращением атомных ядер. Дальнейшее изучение строения атомных ядер позволило полностью расшифровать механизм радиоактивных превращений.
Первое искусственное превращение ядер -- ядерная реакция -- было осуществлено Резерфордом в 1919 г. путем бомбардировки ядер атомов азота альфа-частицами полония. При этом ядра азота испускали протоны (см.) и превращались в ядра кислорода О17. В 1934 г. Ф. Жолио-Кюри и И. Жолио-Кюри (F. Joliot-Curie, I. Joliot-Curie) впервые получили искусственным путем радиоактивный изотоп фосфора бомбардируя альфа-частицами атомы Al. Ядра P30 в отличие от ядер естественно радиоактивных изотопов, при распаде испускали не электроны, а позитроны и превращались в стабильные ядра кремния Si30. Таким образом, в 1934 г. были одновременно открыты искусственная радиоактивность и новый вид радиоактивного распада -- позитронный распад, или в+-распад. Супруги Жолио-Кюри высказали мысль о том, что все быстрые частицы (протоны, дейтоны, нейтроны) вызывают ядерные реакции и могут быть использованы для получения естественно радиоактивных изотопов. Ферми (Е. Fermi) бомбардируя нейтронами различные элементы, получил радиоактивные изотопы почти всех химических элементов. В настоящее время при помощи ускоренных заряженных частиц и нейтронов осуществлено большое разнообразие ядерных реакций, в результате которых стало возможным получать любые радиоактивные изотопы.
В 1937 г. Альварес (L. Alvarez) открыл новый вид радиоактивного превращения -- электронный захват. При электронном захвате ядро атома захватывает электрон с оболочки атома и превращается в ядро другого элемента. В 1939 г. Ган и Штрассманн (F. Strassmann) открыли деление ядра урана на более легкие ядра (осколки деления) при бомбардировке его нейтронами. В том же году Флеров и Петржак показали, что процесс деления ядер урана осуществляется и без внешнего воздействия, самопроизвольно. Тем самым они открыли новый вид радиоактивного превращения -- самопроизвольное деление тяжелых ядер.
В настоящее время известны следующие виды радиоактивных превращений, совершающихся без внешних воздействий, самопроизвольно, в силу только внутренних причин, обусловленных структурой атомных ядер.
