Глава 2. Радиоактивный распад и радиоактивные превращения

 

РАДИОАКТИВНЫЙ РАСПАД – это процесс самопроизвольного выделения энергии ядром в виде ионизирующих излучений.

Основное свойство радиоактивности заключается в самопроизвольном превращении одних элементов в другие. При самопроизвольном радиоактивном распаде образуется новый атом, который по своим химическим свойствам отличается от исходного атома. Явление радиоактивности обуславливается только внутренним строением ядра атома и не зависит от внешних условий (давления, температуры, агрегатного состояния вещества и т.д.). Все попытки повлиять на ход радиоактивного распада при помощи изменения внешних условий не дали никаких результатов, закономерности радиоактивного распада оставались неизменными.

В результате радиоактивного распада нестабильным ядром испускаются различные ядерные частицы и энергия в виде фотонов. Различают радионуклиды, испускающие  - и  - частицы. Такие радиоактивные превращения называют АЛЬФА- и БЭТА-РАСПАДАМИ. К естественной радиоактивности относится также САМОПРОИЗВОЛЬНОЕ (СПОНТАННОЕ) ДЕЛЕНИЕ тяжелых ядер (М~240) на два средних ядра (М~120).

АЛЬФА-ЧАСТИЦА () имеет положительный заряд +2е, массу 4,0026 АЕМ и состоит из двух протонов и двух нейтронов. БЭТА-ЧАСТИЦЫ () – это электроны и позитроны ядерного происхождения, образующиеся в процессе радиоактивного распада. Кроме - и - частиц радионуклиды испускают фотоны ГАММА-КВАНТЫ (-кванты), так как во многих радиоактивных превращениях возникают возбужденные ядра. При спонтанном деления процесс сопровождается испусканием от одного до нескольких нейтронов. Вероятность данного процесса мала и, учитывая относительно небольшое распространение тяжелых элементов в окружающей среде, этот источник радиоактивности обладает низкой интенсивностью и поэтому далее не рассматривается.

В соответствии с вышеизложенным различают следующие три вида радиоактивных излучений: Альфа-излучение, Бета-излучение и Гамма-излучение.

АЛЬФА-ИЗЛУЧЕНИЕ представляет собой испускание ядром частицы, состоящей из двух протонов и двух нейтронов – ядра гелия, получившей название альфа-частицы и обозначаемой символом ­ .

В результате испускания указанной частицы номер элемента уменьшается на два, а масса на четыре АЕМ. Основными альфа-излучателями являются тяжелые элементы. Энергия этого излучения велика и достигает в ряде случаев нескольких МэВ. В качестве примера ‑распада можно привести распад плутония-239 с энергией -частицы

5 МэВ. Схема распада приведена на рис.2.1. Испускание -частицы по варианту ₁ является наиболее вероятным процессом, поэтому принято считать «чистым альфа-излучателем».

24065 лет α₁ α₂..... α₁

E1

E₁ < 5,156 МэВ

E₁ < 0,4514 МэВ

E0

₁ ₂.... ₁

 

Рис. 2.1. Схема распада плутония-239

БЕТА-ИЗЛУЧЕНИЕ представляет собой испускание ядром ЭЛЕКТРОНА - е или его положительно заряженной анти-частицы– ПОЗИТРОНА, и обозначается символом .

В основе этого процесса лежит превращение в ядре нейтрона в протон с образованием электрона (^--распад) или протона в нейтрон с образованием позитрона (⁺-распад). В первом случае происходит увеличение заряда ядра на единицу, во втором – уменьшение. В обоих случаях масса ядра остается практически неизменной. Энергия бета-излучения колеблется от десятков тысяч эВ до одного-двух МэВ. В качестве примера может служить распад стронция-90. Схема распада приведена на рис.2.2.

28,6 года ₁

	Е (кэВ)
1
2

 

 

Рис. 2.2. Схема распада стронция-90

 

Испускание позитрона – крайне редкий тип излучения и здесь не рассматривается.

ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЕ представляет собой испускание ядром  ‑квантов.

ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЕ аналогично другим видам электромагнитного излучения: рентгеновскому, световому, ультрафиолетовому и др., но обладает гораздо большей энергией – до нескольких МэВ. Возбужденный атом испускает РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ при переходе электронов на внутренние близкие к ядру электронные оболочки. Переходы электронов между внешними оболочками дают оптический спектр электромагнитного излучения, который состоит из ультрафиолетового, светового и инфракрасного излучений. Природа же γ-излучения заключается в том, что в результате испускания α-частиц или -частиц дочернее ядро может образовываться в различных возбужденных состояниях или на разных энергетических уровнях. Самый устойчивый, с нулевой энергией – нижний, и ядро всегда стремится оказаться на нем, переходя с более высокого, испуская при этом γ-квант с энергией, равной разности энергий этих уровней. При этом число таких уровней для ядра может быть достаточно большим и, соответственно, большим может быть число возможных переходов между ними. В этом случае ядро испускает не один, а произвольное, но строго определенное для данного элемента, количество γ-квантов с известной энергией, по которой можно точно определить тип первичного основного распада, а также сам элемент. Процесс испускания γ-кванта происходит практически мгновенно и всегда является следствием или основного распада, или захвата ядром какой-либо частицы. Примером указанного типа излучения может служить распад цезия-137. Схема распада приведена на рис.2.3.

 

Экспериментальное изучение процесса радиоактивного распада показало, что количество радионуклида уменьшается по определенному закону. Каждый радионуклид характеризуется ПЕРИОДОМ ПОЛУРАСПАДА Т_1/2, равным времени, в течение которого количество ядер радионуклида уменьшается вдвое. Период полураспада различных радионуклидов лежит в пределах от долей секунды до десятков миллиардов лет. Исходя из этого, введем следующее определение радиоактивного распада.

РАДИОАКТИВНЫЙ РАСПАД – это процесс самопроизвольного распада ядер нестабильных нуклидов с образованием новых стабильных или нестабильных ядер, сопровождающийся испусканием частиц различного типа (включая γ-кванты), с постоянной скоростью, присущей данному ядру.

Процесс радиоактивного распада удобно записать в виде выражения

+ а + Е_а

а

или сокращенно

, где

– начальный радионуклид, называемый материнским;

– дочерний нуклид (радионуклид), получаемый при распаде;

а – испускаемые частицы (-частица, -частица, -квант). При распаде возможно испускание нескольких частиц, например, -частицы и -кванта;

E_a – энергия продуктов распада (ЭНЕРГИЯ РАСПАДА).

 

В процессе радиоактивного распада выполняются законы сохранения энергии импульса, электрического заряда, массового числа (числа нуклонов). Поэтому, исходя из закона сохранения импульса, учитывая, что масса ядра много больше массы частицы а, почти вся энергия распада уносится частицей, а дочернее ядро остается практически неподвижным.

Для вывода закона радиоактивного распада воспользуемся определением периода полураспада Т_1/2.

Обозначим N( t) – количество радиоактивного радионуклида в произвольный момент времени t, N₀ – начальное его количество. На вертикальной оси координат отложим N₀ и N(t ), а на горизонтальной – одинаковые промежутки времени, равные Т_1/2 (см. приложение).

Через первый промежуток времени, согласно определению Т_1/2, количество радиоактивного материала станет равным N₀/2, через следующий – N₀/4, через третий – N₀/8 и т.д. В произвольный момент времени t количество этого материала N(t) будет равно

В результате простых математических действий получим:

;

N(t) = N_0* е^{-0,693t/Т1/2} или N(t) = N_{0 *} е^-λt

 

 

Последнее выражение представляет собой ЗАКОН РАДИОАКТИВНОГО РАСПАДА, на рисунке 2.4 показано его графическое изображение. Величина

получила название ПОСТОЯННОЙ РАДИОАКТИВНОГО РАСПАДА. Ее размерность – 1/сек.

Произведение А = N называется АКТИВНОСТЬЮ данного радионуклида и измеряется в количестве распадов в секунду. АКТИВНОСТЬ равна числу атомов, распадающихся ежесекундно. Принято считать, что за время, равное десяти периодам полураспада, радиоактивный материал распадается практически полностью (согласно формуле закона за это время количество N₀ уменьшается более чем в 1000 раз).

λ = 0,693/T1/2

Рис. 2.4 Закон радиоактивного распада
Глава 3. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ РАДИОАКТИВНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ
С ВЕЩЕСТВОМ

Для понимания механизмов взаимодействия радиоактивных излучений с веществом введем ряд необходимых понятий.

Атом, лишенный одного или нескольких электронов в электронной оболочке, представляет собой положительный, соответственно однозарядный или многозарядный, ИОН. Атом, имеющий избыток в один или несколько электронов в электронной оболочке, является отрицательным соответственно однозарядным или многозарядным ионом. Многозарядные ионы встречаются значительно реже однозарядных. Ионами являются также молекулы, в состав которых входят ионизированные атомы. ИОНИЗАЦИЕЙ называется потеря или присвоение атомом одного или нескольких электронов с образованием положительно или отрицательно заряженного иона и свободных электронов.

Под ИОНИЗИРУЮЩИМ ИЗЛУЧЕНИЕМ понимается поток частиц различной природы с энергией, достаточной для ионизации атомов при их взаимодействии со средой. Ионизирующее излучение может состоять из электронов, протонов, нейтронов, -частиц, фотонов
(-кванты, рентгеновское излучение) и др. Следует отметить, что видимый свет и ультрафиолетовое излучение не относятся к категории ионизирующих излучений.

Различают два типа ионизирующего излучения непосредственно ионизирующее и косвенно ионизирующее. НЕПОСРЕДСТВЕННО ИОНИЗИРУЮЩЕЕ ИЗЛУЧЕНИЕ состоит из заряженных частиц, имеющих кинетическую энергию, достаточную для ионизации атомов при столкновении с ними. К непосредственно ионизирующему излучению относят: -излучение, -излучение и др. КОСВЕННО ИОНИЗИРУЮЩЕЕ ИЗЛУЧЕНИЕ состоит из незаряженных частиц (фотонов), которые непосредственно не производят ионизацию, но которые в процессе взаимодействия со средой высвобождают заряженные частицы (электроны, протоны и др.), способные ионизировать атомы и молекулы среды, через которую они проходят. К косвенно ионизирующему излучению относят: (‑излучение, рентгеновское излучение, нейтронное излучение и др.)

Ионизирующее излучение, состоящее из частиц различного вида или частиц и фотонов, называется СМЕШАННЫМ ИОНИЗИРУЮЩИМ ИЗЛУЧЕНИЕМ. Различают моноэнергетическое и немоноэнергетическое ионизирующее излучение.

Под моноэнергетическим понимается ионизирующее излучение, состоящее из фотонов одинаковой энергии или частиц одинакового вида с одинаковой кинетической энергией.

Немоноэнергетическое излучение имеет фотоны разной энергии или частицы одного вида с разной кинетической энергией.

Принято различать ПЕРВИЧНОЕ И ВТОРИЧНОЕ ИОНИЗИРУЮЩЕЕ ИЗЛУЧЕНИЕ. Под ПЕРВИЧНЫМ понимается ионизирующее излучение, которое в рассматриваемом процессе взаимодействия со средой является или принимается за исходное. ВТОРИЧНОЕ ионизирующее излучение возникает в результате взаимодействия первичного ионизирующего излучения с данной средой.

При рассмотрении взаимодействия ионизирующего излучения с веществом ограничимся рассмотрением излучений, сопровождающих процесс радиоактивного распада.

 

 

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ С ВЕЩЕСТВОМ
(-ЧАСТИЦЫ И -ЧАСТИЦЫ)

 

Альфа- и бэта- излучения относятся к непосредственно ионизирующему излучению. В процессе прохождения через вещество - и -частицы теряют свою энергию в результате электрического взаимодействия как с электронами, так и с электрическим полем ядра. При взаимодействии с электронами кинетическая энергия частиц тратится на ионизацию атома (срыв электронов) или на его возбуждение (перевод электронов с близких к ядру оболочек на более удаленные). Энергия, затрачиваемая на образование одной пары ионов, почти не зависит от энергии частицы. С учетом потерь на возбуждение и другие процессы средняя энергия образования одной пары ионов составляет 20–40 эВ, т.е. по мере прохождения через вещество заряженные частицы теряют свою энергию малыми порциями, образуя огромное количество ионов.

Число пар ионов, образованных одной заряженной частицей на всем пути в среде, называется ПОЛНОЙ ИОНИЗЦИЕЙ I.

I = E/W, где

Е – энергия частицы,

W – энергия образования пары ионов.

 

Минимальная толщина вещества, необходимая для полного поглощения энергии частицы, называется ЛИНЕЙНЫМ ПРОБЕГОМ L. Его величина в различных веществах обратно пропорциональна концентрации электронов в среде,

L ~ 1/NZ, где

N – число атомов в единице объема,

Z – атомный номер элемента или заряд его ядра.

Важной характеристикой взаимодействия излучения с веществом является ЛИНЕЙНАЯ ТОРМОЗНАЯ СПОСОБНОСТЬ или ЛИНЕЙНАЯ ПЕРЕДАЧА ЭНЕРГИИ S (ЛПЭ). S – это энергия, теряемая частицей на единице длины пути вдоль ее траектории,

 

S=Е/L, где

Е – энергия, теряемая заряженной частицей при прохождении элементарного пути L в среде.

Очевидно, что чем больше тормозная способность S заряженной частицы, тем меньше ее пробег. Рассмотрим, как зависят L и S от энергии частицы и ее заряда. Поскольку S обратно пропорциональна L, то S~NZ. Естественно, чем больше заряд частицы, тем на большем расстоянии от траектории она может ионизировать и возбуждать атомы среды, тем больше число пар ионов она может образовывать вдоль своей траектории, тем больше потеря ее энергии на единице пути и тем меньше длина ее свободного пробега. Следовательно, при одной и той же энергии, чем больше ее заряд и, значит, масса, тем меньше ее скорость и величина L.

Такова общая картина взаимодействия заряженных частиц со средой.

Рассмотрим некоторые количественные характеристики этого процесса на примере - и -излучения. Энергия -частиц, испускаемых тяжелыми элементами, не превышает 5–10 МэВ, и скорость их в среднем равна примерно 20000 км/с. Полная ионизация на всем пути в веществе составляет 100–250 тыс. пар ионов. Величина L в воздухе не превышает 10 см, а в биологической ткани – нескольких микрон и, следовательно, α‑излучение практически полностью задерживается тонким омертвевшим слоем кожи. Для -излучения указанные характеристики имеют иные значения. При такой же энергии, как и у -частицы, электрон обладает скоростью гораздо большей и зарядом вдвое меньшим, поэтому вероятность взаимодействия с атомами среды у β-частиц существенно ниже, чем у α‑частиц. Поэтому на каждой единице пути электрон образует меньшее число пар ионов и длина его свободного пробега больше. В воздухе она составляет до 1–2 м для излучения с энергией несколько МэВ, а в биологической ткани не превышает 2–3 см. Естественно, для меньших энергий величина L существенно ниже. В отличии от α-частиц, траектория которых в среде прямолинейна, у β-частиц при их взаимодействии с веществом существенную роль играет эффект рассеяния. Траектория электрона представляет ломаную линию, и истинная длина пути электрона в веществе может в 1,5–4,0 раза превосходить его пробег.

 

 

ВЗАИМОДЕЙТСВИЕ -КВАНТОВ С ВЕЩЕСТВОМ

Гамма-кванты относятся к косвенно ионизирующему излучению.

В процессе прохождения через вещество γ-кванты (фотоны) взаимодействуют с электронами атомов, электрическим полем ядра, а также с нейтронами и протонами, входящими в состав ядра. В результате этих взаимодействий происходит ослабление плотности потока излучения благодаря рассеянию γ-квантов и передачи их энергии атомам среды. Закон ослабления записывается в виде:

_d = ₀ · е^-d, где

_d – плотность потока излучения при прохождении слоя d,

₀ – начальная плотность потока,

 – линейный коэффициент ослабления.

 

По отношению к фотонному излучению говорить о длине свободного пробега некорректно, так как какой бы толщины ни была среда, данное излучение полностью не поглощается, а лишь ослабляется в любое заданное число раз. В этом заключается главная особенность γ‑излучения по отношению к ранее рассмотренным типам излучений. γ‑кванты взаимодействуют с электронами атома и с полем его ядра. Ослабление потока γ‑излучения обуславливается тремя основными независимыми эффектами: фотоэлектрическим поглощением (фотоэффект), комптоновским рассеиванием и эффектом образования пар.

При ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОГЛОЩЕНИИ (ФОТОЭФФЕКТЕ) фотоны (γ-кванты) полностью передают свою энергию электронам атома. В результате фотон исчезает, а его энергия расходуется на отрыв электрона и сообщение ему кинетической энергии. Чем больше энергия связи электрона, чем ближе он находится к ядру, тем больше вероятность передачи ему всей энергии γ-кванта. По этой же причине с ростом номера элемента или его заряда вероятность фотоэффекта возрастает. Очевидно в то же время, что с увеличением энергии излучения она быстро падает.

Суть КОМПТОНОВСКОГО РАССЕИВАНИЯ (КОМПТОН ЭФФЕКТ) заключается в том, что фотон (γ-кванты) передает электрону лишь часть своей энергии, а сам меняет направление своего движения. В отличие от фотоэффекта такое рассеивание происходит в основном на электронах внешних оболочек атомов с минимальной энергией связи. С ростом энергии излучения вероятность такого взаимодействия снижается, но медленнее, чем для фотоэффекта.

В результате взаимодействия γ-квантов с полем ядра происходит, так называемое, ОБРАЗОВАНИЕ ПАР: фотон исчезает, а вместо него образуется пара частиц – электрон и его положительно заряженная античастица позитрон. Этот процесс характерен для высокоэнергетического излучения и может происходить при энергии фотона не меньше 1,02 МэВ. Естественно, что с ростом энергии излучения вероятность его растет.

Поскольку у большинства известных в настоящее время радионуклидов энергия испускаемого γ-излучения лежит в интервале 0,2–2,5 МэВ, наиболее существенными процессами взаимодействия γ‑излучения с веществом являются фотоэлектрическое поглощение и комптоновское рассеяние. Ионизация атомов среды при этом происходит под воздействием выбитых электронов точно так же, как при β-излучении. Поскольку γ‑излучение обладает высокой проникающей способностью, оно представляет собой значительную опасность для живого организма, и для его значительного ослабления требуются большие толщины поглощающих материалов.

В таблице 3.1 приведены основные характеристики рассмотренных ионизирующих излучений, сопровождающих радиоактивный распад, и их проникающая способность.

 

Таблица 3.1.

⇐ Предыдущая1234Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: