Базы данных
База данных понятий
от лат. radio - излучаю и activus - действенный
Самопроизвольное превращение нестабильных атомных ядер в другие ядра, сопровождающееся испусканием частиц, а также жесткого электромагнитного излучения (рентгеновского или гамма-излучения). Ядра нового нуклида, к-рые образуются в результате радиоактивного распада исходного нуклида (радионуклида), м. б. стабильными или радиоактивными.
История.
Радиоактивность открыта А. Беккерелем в 1896 как испускание солями урана лучей, обладающих высокой проникающей способностью. Вскоре оказалось, что аналогичной способностью обладает и торий. В 1898 М. Склодовская-Кюри и П. Кюри обнаружили 2 новых элемента - Ra и Ро, радиоактивные св-ва к-рых проявлялись значительно сильнее, чем U и Th. Большое значение для изучения радиоактивности имели работы Э. Резерфорда, Ф. Содди, К. Фаянса и др. Отдельные компоненты испускаемого при радиоактивном превращении излучения по мере их выделения из общего потока с помощью электрич. и магнитных полей получили назв. по первым буквам греч. алфавита (α, β, γ).
В 1934 И. и Ф. Жолио-Кюри обнаружили при искусственно проведенной ядерной р-ции образование нового радионуклида 30Р [27А1 ((α, n)30Р]; с этого времени начался синтез искусственных радионуклидов. К настоящему времени получено около 2000 радионуклидов, обнаружено неск. десятков прир. радионуклидов.
В 1938 О. Ган и Ф. Штрасман обнаружили, что при облучении урана нейтронами образуются ядра элементов, атомный номер к-рых значительно меньше, чем у U (ядра щел.-зем. металла Ва). Вскоре Л. Майтнер и О. Фриш установили, что ядро 238U после поглощения нейтрона делится на 2 осколка (вынужденное деление). Т. к. при таком делении освобождается кинетич. энергия и выделяются своб. нейтроны, способные вызывать новые акты деления, стало возможным практич. использование радиоактивности как цепной р-ции деления ядер в военных и мирных целях. В 1940 К. А. Петржак и Г. Н. Флеров открыли спонтанное деление ядер (на примере 238U). В связи с работами по созданию ядерного оружия в 40-50-х гг. 20 в. интенсивность исследований радиоактивности резко возросла.
Изучение радиоактивности имеет большое значение для исследования структуры и св-в в-в. Лишь после открытия радиоактивности стало возможным превращение одних хим. элементов в другие, синтез ядер элементов, не существовавших на Земле. Изучение радиоактивности значительно расширило перспективы энергетики, привело к созданию ядерной энергетики, ядерного оружия; радиоактивность нашла применение в сельском х-ве, медицине и т. д. Вместе с тем перед человечеством возник целый ряд новых сложных проблем, связанных с предотвращением вредного воздействия излучения на живые организмы.
Типы радиоактивности.
Известны след. типы радиоактивности: 1) α-распад, 2) β-распад, 3) спонтанное деление ядер, 4) протонная, двупротонная и двунейтронная радиоактивность, 5) двустадийная радиоактивность.
α-Распад сопровождается испусканием ядер 4He (α-частиц). При этом заряд Z исходного ядра уменьшается на 2 единицы (в единицах элементарного заряда), а массовое число А - на 4 единицы (в атомных единицах массы). Если Z' и А'-заряд - массовое число возникающего ядра, то для α-распада кратко можно сформулировать правило сдвига: Z' = Z - 2; А' = А - 4. α-Распад наиболее характерен для тяжелых ядер (Z более 82). Существуют, однако, ок. 20 α-радионуклидов редкоземельных элементов (РЗЭ).
Энергия α-частиц, испускаемых тяжелыми ядрами, составляет 4-9 МэВ, для ядер РЗЭ - 2-4,5 МэВ. При α-распаде ядер, находящихся в возбужденном состоянии, энергия испускаемых α-частиц может значительно превышать указанные значения (т. наз. длиннопробежные частицы). В редких случаях при α-распаде возникают α-частицы строго определенной энергии и не наблюдается сопутствующего электромагн. излучения (соответствующие радионуклиды наз. "чистыми" α-излучателями). Чаще всего при α-распаде испускается неск. групп α-частиц, каждая из к-рых обладает определенной энергией, т.е. энергетич. спектры α-распада дискретны. Испускание ядром α-частиц разл. энергий свидетельствует о наличии в этом ядре дискретных энергетич. уровней. Энергия испускаемых ядром квантов электромагн. излучения равна разности энергий α-частиц разл. групп. При прохождении через в-во α-частицы тормозятся, расходуя энергию на ионизацию и возбуждение атомов и молекул. Пути α-частиц в в-ве почти всегда прямолинейны и составляют: для воздуха не более 5-7 см, для плотных в-в не более 10-20 мкм.
β-Распад. Под термином "β-распад" объединяют радиоактивные превращения, сопровождающиеся испусканием из атомных ядер электронов е-, к-рые возникают при превращении нейтрона в протон (β- -распад); испусканием позитронов е+, возникающих в ядрах при превращении протона в нейтрон (β+-распад); захватом орбитального электрона, чаще всего с К-оболочки ядра (К-захват), реже с L-оболочки (L-захват). Для β- -распада правило сдвига имеет вид: Z' = Z + 1, А' - А; для β+-распада: Z' = Z - 1, А' - А; для электронного захвата (обычно обозначаемого Э.3.): Z'= Z - 1, А'= А. Характерная особенность β--и β+-распадов состоит в том, что энергии β-частиц не дискретны, а непрерывно изменяются дочти от 0 до нек-рого максимального значения. При β--распаде из нейтрона n кроме протона р и электрона е- образуется также третья частица-антинейтрино v: n → p + e- + v. При β+-распаде из протона кроме нейтрона и позитрона образуется нейтрино v: p → n + e+ + v. Непрерывный характер β-спектра объясняется распределением энергии между электронами и антинейтрино или позитронами и нейтрино соответственно.
Средняя энергия Е β-частиц равна: Е к 0,4 Емакс. Как и при α-распаде, β-распад одного ядра может приводить к появлению групп β-частиц с разными значениями Емакс (т. наз. сложный β-распад), к-рый сопровождается испусканием электромагн. излучения.
β--Распад наблюдается как у легких, так и у тяжелых ядер. Как правило, β--распад характерен для ядер, имеющих избыточное (по сравнению со стабильными ядрами) число нейтронов. Напр., в стабильных ядрах атомов 12С и 13С содержится соотв. 6 и 7 нейтронов, а у β--радиоактивного 14С - 8 нейтронов. Напротив, β+-распад характерен для нейтронодефицитных ядер, число нейтронов в к-рых меньше, чем в ядрах стабильных атомов данного элемента. Напр., в стабильном ядре 23Na содержится 12 нейтронов, а в ядре β+-радиоактивного 21Na - 10 нейтронов.
Траектории β-частиц в в-ве искривляются из-за сильного взаимодействия β-частиц с электронными оболочками атомов. Длина пробега β--частиц в воздухе составляет до неск. десятков см, в плотных средах - от долей мм до 1 см и более. При прохождении β+-частиц через в-во практически сразу же происходит взаимод. позитронов с электронами, приводящее к образованию двух γ-квантов (аннигиляция пары позитрон-электрон). Эти γ-кванты суть аннигиляц. излучение, сопровождающее β+-распад.
При электронном захвате внешние электроны в атоме (с более высоких по энергии оболочек) переходят на вакантные места внутренних электронов. Энергия, отвечающая переходу, может испускаться в виде характеристического рентгеновского излучения. Часто, однако, энергия возбуждения атома не испускается в виде излучения, а непосредственно передается одному или неск. орбитальным электронам. Если полученная электронами энергия выше энергии их связи в атоме, наблюдается испускание оже-электронов, к-рые, в отличие от β--частиц, имеют дискретные значения энергии.
Спонтанное деление наблюдается только у ядер тяжелых элементов с Z более 90. При этом типе радиоактивности образуются 2 новых ядра с приблизительно равными массами. Спонтанное деление часто сопровождается испусканием из каждого исходного ядра 2-3 нейтронов. Обнаружено также происходящее с очень малой вероятностью резко несимметричное спонтанное деление ядер с Z более 88 с испусканием в качестве легких осколков ядер 14С, 22Na, 28Mg и др. Подобное деление иногда рассматривают как 14С-радиактивность, 22Na-радиоактивность и т. д. Др. назв. этого типа деления - кластерная радиоактивность. Спонтанное деление обозначают знаком f, напр, спонтанное деление ядер 238U записывают: 238U(f, 2n) 144Ва, 92Кr.
В редчайших случаях искусственно полученные радиоактивные ядра при распаде испускают 1 или 2 протона (соотв. протонная и двупротонная радиоактивность) или 2 нейтрона (двунейтронная радиоактивность). Все вышеперечисленные типы радиоактивности относят к одностадийным превращениям. Известна и двустадийная радиоактивность, связанная с испусканием β--частицы и вылетом из ядра т. наз. запаздывающих частиц (протонов, нейтронов и др.) или последующим актом спонтанного деления.
Многие радиоактивные ядра способны претерпевать превращения не одного, а сразу неск. типов. Так, ядра 238U способны одновременно к α-распаду и спонтанному делению, а ядра 64Сu - к β-, β+-распадам и к захвату электрона. В этих случаях указывают на вероятность распада подданному типу (в процентах).
Для нек-рых ядер, находящихся в возбужденном (метастабильном) состоянии, при переходе в стабильное состояние энергия возбуждения испускается только в виде квантов излучения (изомерия атомных ядер). При этом состав ядер не изменяется, поэтому такие превращения обычно не относят к радиоактивности.
Кинетика радиоактивных превращений.
Скорость распада ядер данного радионуклида пропорциональна наличному числу ядер N. Осн. закон радиоактивности в интегральной форме имеет вид:
Nt = N0*exp(-λ/t)
где N0-исходное число ядер, Nt - число ядер, не распавшихся к моменту времени t. Значение λ связано с периодом полураспада T1/2 - временем, в течение к-рого число ядер данного нуклида уменьшается в результате радиоактивности вдвое:
λ*Т1/2 = ln2 = 0,692
Законы радиоактивности имеют статистич. характер, для отдельного ядра невозможно предсказать момент его распада. Поэтому соотношения, описывающие радиоактивность, выполняются не строго. Скорость распада за равные промежутки времени при постоянной средней скорости испытывает флуктуации. Среднюю квадратичную флуктуацию σ (среднее квадратичное отклонение) можно найти по ф-ле: σ = N0,5, где N - среднее число актов радиоактивного превращения, зафиксированное за все время регистрации.
В случае захвата электрона на значение Т1/2 в небольшой мере влияет химическая форма, степень окисления элемента и др. факторы.
Единицы радиоактивности и дозы.
Для характеристики источника, в к-ром происходят радиоактивные превращения, используют понятие активности - физ. величины, характеризующей число распадов в единицу времени в источнике. Единица активности в СИ - беккерель (Бк): 1 Бк - активность радионуклида в источнике, в к-ром за 1 секунду происходит 1 акт распада (размерность Бк-1). Широко используют кратные единицы: кБк (103Бк), МБк (106 Бк), ГБк (109 Бк), ТБк (1012 Бк) и др. Используют понятия уд. активности (Бк/кг), молярной активности (Бк/моль), объемной активности (Бк/м3), поверхностной активности (Бк/м2). В эксплуатируемых зданиях среднегодовая равновесная объемная активность дочерних продуктов изотопов радона и торона в воздухе жилых помещений не должна превышать 200 Бк/м3.
Внесистемная единица активности - кюри (Ки): 1 Ки - активность радионуклида в источнике, в к-ром за 1 с происходит 3,7*1010 актов распада, т.е. 1 Ки = 3.7*1010 Бк. Кратные единицы: мКи (3,7*107 Бк), мкКи (3,7*104 Бк). Прежде в качестве единицы активности применяли также резерфорд, равный 10 Доза ионизирующего излучения - величина, используемая для оценки воздействия излучения на любые в-ва и живые организмы. В зависимости от особенностей излучения и характера его воздействия рассматривают поглощенную, эквивалентную и экспозиционную дозы.
Поглощенная доза Dпогл - отношение энергии излучения, поглощенной в-вом, к массе в-ва. Единица Dпогл в СИ - грей (Гр), соответствующая поглощению 1 Дж излучения 1 кг в-ва. Внесистемная единица - рад, соответствующая поглощению 100 эрг излучения 1 г в-ва (1 рад = 0,01 Гр). Разовое аварийное облучение всего тела человека дозой в 5 Гр может привести к смертельному исходу, а облучение в течение длительного времени той же дозой такого действия может и не оказать.
Эквивалентная доза Dэкв = K*Dпогл, где К - т.наз. коэф. качества излучения (безразмерная величина). Единица Dэкв в СИ - зиверт (Зв); внесистемная единица - бэр (1 бэр = 0,01 Зв) Для К на практике обычно принимают следующие усредненные значения: 1 - для моноэнергетич. электронов, позитронов, бета-частиц, гамма-квантов и рентгеновского излучения; 3 - для нейтронов с энергией < 20 кэВ, 10 - для протонов с энергией < 20 кэВ и нейтронов с энергией от 0,1 до 10 МэВ, 20 - для альфа-частиц с энергией < 10 МэВ и тяжелых ядер отдачи. К - критерий относительной биологической эффективности изучения при хроническом облучении человека, чем больше К, тем опаснее излучение при одной и той же Dпогл. Согласно действующим Нормам радиационной безопасности (НРБ) 1999 года, допустимая Dэкв облучения всего тела (не отдельных органов) профессиональных работников составляет 0,05 Зв/год (50 мЗв/год), населения - 0,001 - 0,005 Зв/год (1-5 мЗв/год).
Экспозиционная доза Dэксп - мера ионизации воздуха под воздействием облучения фотонами (гамма-квантами и рентгеновским излучением) Внесистемная единица - рентген (Р). При Dэксп = 1 рентген в 1 см3 воздуха при 0 °С и 760 мм рт ст (т. е. в 0,001293 г воздуха) образуется 2 080 000 000 пар ионов, что соответствует поглощению энергии в 0,113 эрг/см3, или 87,3 эрг/г Для фотонного излучения Dэксп = 1 Р соответствует 0,873 рад в воздухе или приблизительно 0,96 рад в биологической ткани. Международная комиссия по радиационным единицам приняла решение исключить в будущем из практики Dэксп и для оценки воздействия на среду косвенно ионизирующих излучений использовать специальную единицу Dпогл - керма (К), равную отношению суммы начальных кинетических энергий всех заряженных частиц, образовавшихся под действием косвенно ионизирующего излучения в элементарном объеме в-ва, к массе в-ва в этом объеме.
На практике широко используют понятие мощности дозы - отношение приращения дозы, поглощенной за единичный интервал времени, к этому интервалу. Для больших Dпогл мощность дозы выражают в Гр/с (рад/с), Гр/мин (рад/мин) и т. п. Для мощности Dэкв предпочтительна размерность мкЗв/ч (мбэр/ч), а для мощности Dэксп - Р/с, мР/ч, мкР/с и т. д.
Пределы обнаружения радиоактивных свойств ядер.
Скорости радиоактивных превращений для различных радионуклидов изменяются в очень широких пределах. Известны прир. радионуклиды с Т1/2 1013-1015 лет; для малоустойчивых (короткоживущих) радионуклидов Т1/2 может достигать 1 мкс и менее. Верхний предел измерения Т1/2 определяется техникой измерений: чем более чувствительна аппаратура, тем большие периоды полураспада удается обнаружить. Относительно нижнего предела принимают, что о радиоактивности можно говорить лишь тогда, когда время жизни радиоактивного ядра τ = 1/λ, превышает 10-12 с. Следует иметь в виду, что ядра, первоначально образующиеся при ядерных реакциях в результате поглощения ядром-мишенью падающей на него ядерной частицы, характеризуются временами жизни до 10-13-10-14 с; последующие превращения этих составных ядер не принято рассматривать как радиоактивность.
Теоретич. расчеты показывают, что наряду с известными к настоящему времени 288 стабильными нуклидами разл. элементов может существовать около 7500 радионуклидов с Т1/2 около 1 мс. Стабильность ядер к радиоактивным превращениям определяется соотношением в них числа протонов и нейтронов; для легких стабильных ядер это отношение близко к 1, по мере роста Z отношение числа протонов и нейтронов в стабильных ядрах приближается к 1:1,5. Для легких элементов удается синтезировать радиоактивные ядра, в к-рых отношение числа нейтронов к числу протонов составляет 2,5-3 (22С, 23N) и даже 5 (6Н). Установлено, что у элементов с Z менее 7 относительно устойчивы радионуклиды, в ядрах к-рых содержится четное число нейтронов.
Аварии на ядерных объектах и инциденты с радиоактивными материалами.
29 сентября 1957 г в Кыштыме (около 100 км от города Челябинска, Россия) произошел химический взрыв контейнера, содержащего 250 м3 высокоактивных отходов от производства плутония. Взрыв был вызван возгоранием ацетат-нитратного концентрата в результате неполадок в системе охлаждения. Это привело к выбросу в атмосферу 0,74 ЭБк радиоактивных веществ. Большая часть продуктов выброса (около 90%) осела на поверхность земли вблизи места взрыва, однако более мелкие частицы, содержащие примерно 10% радиоактивных веществ, образовали факел, вынесший их на высоту около 1 км. Радиоактивное облако перемещалось в направлении города Каменск-Уральский, образуя широкий след выпавших радионуклидов. Выпадение радиоактивного вещества происходило в течение 11 часов вдоль трассы длиной около 300 км от Кыштыма, чт привело к загрязнению площади более 20000 км2. Всего было эвакуировано около 11000 человек с площади 700 км2 на которой уровень радиации превышал 74-148 кБк/м2 по 90Sr.
10 октября 1957 г на заводе в Уиндскейле (Селлафилд, Камбрия, Великобритания) произошел перегрев части активной зоны реактора с графитовым замедлителем и воздушным охлаждением. Из-за высокой температуры произошло окисление урана и затем возгорание графита, что затронуло 150 топливных каналов. 11 октября внутрь зоны была подана вода и в течение последующих суток активную зону удалось остудить. Выброс радиоактивных продуктов в атмосферу продолжался в течение приблизительно 24 часов.
21 апреля 1964 года в Индийский океан упала энергетическая установка космического спутника "SNAP-9A". При вхождении в атмосферу сильный нагрев привел к распылению установки, в которой содержалось 629 ТБк плутония-238. К 1970 году 95% плутония, рассеяного в атмосфере, осело на поверхность Земли. За период 1964-1968 гг. в связи с падением ядерного устройства дозовая нагрузка на лимфатические узлы для всего населения земного шара приблизительно составила 0,36 Зв.
24 января 1978 г произошло падение из космоса энергетической установки спутника "Космос-954" с атомным реактром. После разрушения спутника над Канадой его обломки рассеялись по трассе от Большого Невольничего озера до озера Баркер. В этот момент в активной зоне реактора содержалось около 3,11 ТБк стронция-90, 181 ТБк иода-131 и 3,18 ТБк цезия-137.
28 марта 1979 г произошла авария на атомной станции в Тримайл-Айленд (шт. Пнсильвания, США). Авария связана с потерей охладителя из-за нарушений в работе оборудования и ошибки оператора. Произошло плавление 50% топлива. Было выброшено порядка 0,1 ЭБк радиоактивности, состоящей в основном из изотопов ксенона и около 1,1 ТБк иода-131.
26 апреля 1986 г на реакторе 4 блока Чернобыльской АЭС (Украина) произошла наиболее серьезная авария в истории эксплуатации ядерных реакторов. За 10 суток с начала аварии в атмосферу было выброшено 2 ЭБк радиоактивного материала, состоящего из продуктов деления и трансурановых радионуклидов, что составляет 3-4% активности, содержащейся в активной зоне реактора. Среди них было выброшено примерно 0,67 ЭБк иода, 1,9 ПБк цезия-134, 7 ПБк цезия-137. Из рассеянной в атмосферу радиоактивности на месте оселе 0,3-0,5%, в пределах радиуса 20 км - 1,5-2%, а остальное в виде радиоактивного облака достигло Сибири, Центральной Европы, Англии и Скандинавии, на территории которых наблюдалось самое высокое выпадение радиоактивности за пределами СССР (до 0,1 МБк/м2). Эвакуация 135000 населения была проведена из 30-километровой зоны вокруг АЭС в первые несколько дней.
В 1987 году неаккуратное обращение с источником радиации в больнице Гайка (Бразилия) привело к рассыпанию 19,26 г радиактивного хлорида цезия с активностью 50 ТБк. Мощность дозы вблизи источника достигала 1 Гр/ч.
Если вы нашли ошибку на странице, выделите ее и нажмите Ctrl + Enter.
© Сбор и оформление информации: Руслан Анатольевич Кипер