Радиация: основные понятия, единицы измерения, влияние на человека Радиоактивность: радиоактивный распад, деление ядер атомов Радиоа - davaiknam.ru o_O
Радиация: основные понятия, единицы измерения, влияние на человека Радиоактивность: радиоактивный распад, деление ядер атомов Радиоа - davaiknam.ru o_O
страница 1 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Похожие работы
|
Радиация: основные понятия, единицы измерения, влияние на человека Радиоактивность - страница №1/1
Радиоактивность: радиоактивный распад, деление ядер атомов Радиоактивность - радиоактивный распад, деление ядер атомов, любые радиоактивные (или ядерные) превращения - это способность ядер атомов различных химических элементов разрушаться, видоизменяться с испусканием атомных и субатомных частиц высоких энергий. При этом в подавляющем большинстве случаев ядра атомов (а значит, и сами атомы) одних химических элементов превращаются в ядра атомов (в атомы) других химических элементов, либо (по крайней мере) один изотоп химического элемента превращается в другой изотоп того же элемента. То есть радиоактивные превращения - это превращения атомов одних химических элементов (изотопов) в атомы других элементов (изотопов). В настоящее время известны как естественные (природные, существовавшие в природе изначально) радионуклиды - ЕРН (радиоактивные элементы и изотопы), так и огромное количество искусственных (техногенных). Общее количество известных естественных радионуклидов достигает 300. Но количество имеющих практическое значение, играющих заметную роль в природе, среди них невелико - не более десятка. Для их подсчёта, в принципе, хватит пальцев на двух руках. Искусственных же радиоактивных изотопов гораздо больше, их получены тысячи. У многих химических элементов их количество значительно более 10. Кроме этого, получены новые, не известные ранее и отсутствующие в природе радиоактивные элементы, у которых стабильных изотопов нет вообще. Особенно огромное количество новых, не имевшихся в природе радиоактивных изотопов и элементов, появилось после создания атомных реакторов и испытаний ядерных бомб. О них мы поговорим ниже. К настоящему времени известно около 2000 искусственных радионуклидов. Радиоактивные (ядерные) превращения могут быть естественными, самопроизвольными (спонтанными) и искусственными, Как известно, каждый атом состоит из ядра и движущихся вокруг него электронов. Ядро же состоит из положительно заряженных частиц - протонов и не имеющих заряда (нейтральных частиц) - нейтронов. Сколько в ядре протонов, столько и электронов движется (вращается) вокруг ядра. Этому же числу равен и номер элемента в таблице Д.И. Менделеева. Химические свойства атома данного химического элемента определяются количеством протонов в ядре и, соответственно, количеством электронов. Количество нейтронов на химические свойства не влияет и может быть разным. Поэтому атомы одного и того же химического элемента могут иметь разный вес: количество протонов одинаково, а нейтронов - разное. Такие разновидности атомов называются изотопами. Атомы (элементы, изотопы), ядра которых подвержены радиоактивному распаду или другим радиоактивным превращениям, называются радиоактивными. Термины радиоактивные атомы (элементы, изотопы), радионуклиды, радиоизотопы - синонимы. Изотопы - это разновидности атомов одного и того же химического элемента, отличающиеся только количеством нейтронов в ядре и поэтому своим весом. 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. Первый - это обычный водород, или протий, ядро которого состоит только из протона; его атомный вес равен единице, химический символ Н (или Н-1). Второй - дейтерий, или тяжёлый водород, ядро которого состоит из одного протона и одного нейтрона; атомный вес - два, химический символ D (или Н-2). И тритий, в ядре которого один протон и два нейтрона; атомный вес - три, химический символ Т (или Н-3). Первые два изотопа стабильные, третий - тритий - радиоактивен. Подавляющее количество естественных (изначально имевшихся и имеющихся в природе) изотопов являются стабильными. Но есть и радиоактивные. Это - естественные радионуклиды (ЕРН). Их не очень много. Кроме радиоактивных изотопов, есть, также и радиоактивные элементы. Это такие, у которых стабильных изотопов нет вообще - все изотопы радиоактивные. Это естественные элементы: уран, торий и продукты их превращений (распада) - радий, радон, полоний и некоторые другие, до талия включительно. А среди искусственных изотопов и элементов стабильных нет вообще. Все искусственные изотопы и элементы радиоактивны. Это и искусственные изотопы любых, давно известных и имеющихся в природе элементов, и искусственные элементы, которых до возникновения атомной энергетики в природе не было. К последним, прежде всего, относятся трансурановые актиноиды, а также и все последующие элементы 7-го периода таблицы Менделеева. Радиоактивный распад Радиоактивный распад - это испускание, выбрасывание с огромными скоростями из ядер атомов "элементарных" (атомных, субатомных) частиц, которые принято называть радиоактивными частицами или радиоактивным излучением. При этом, как уже было сказано, в подавляющем большинстве случаев ядро атома (а значит, и сам атом) одного химического элемента превращается в ядро атома (в атом) другого химического элемента; или один изотоп данного химического элемента превращается в другой изотоп того же элемента. Радиоактивный распад, как и все другие виды радиоактивных превращений, может быть естественным (самопроизвольным, спонтанным) и искусственным, вызванным попаданием в ядро стабильного атома какой-либо частицы извне. Для естественных (природных) радионуклидов основными видами радиоактивного распада являются альфа- и бета-минус-распад (хотя встречаются и другие). Названия альфа и бета были даны Эрнестом Резерфордом в 1900 году при изучении радиоактивных излучений.
Альфа-распад (альфа-распад) - 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. Альфа-распад - это испускание из ядра атома альфа-частицы (альфа-частицы), которая состоит из 2 протонов и 2 нейтронов. Альфа-частица имеет массу 4 единицы, заряд +2 и является ядром атома гелия. 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. Так, например, при альфа-распаде урана всегда образуется торий, при альфа-распаде тория - радий, при распаде радия - радон, затем полоний и наконец - свинец.
Так, например, при бета-минус распаде радиоактивный изотоп калия - калий-40 - превращается в стабильный изотоп кальция (стоящего в соседней клеточке справа) - кальций-40. 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. 
Название бета-частица сохранилось исторически. Отличие бета-минус частицы от обычного электрона только в "месте рождения": ядро атома, а не электронные оболочки вокруг ядра, а также и в скорости (энергии) вылета. Скорость вылета бета-частицы - 9/10 скорости света, т. е. 270 тыс. км/сек. Гамма-излучение - это поток гамма-квантов, это электромагнитное излучение,
Основные характеристики радиоактивного распада Все виды самопроизвольных (спонтанных) радиоактивных превращений (и распада, и деления) - процесс случайный, статистический. Все виды самопроизвольного радиоактивного распада характеризуются временем жизни радионуклида и его активностью, то есть скоростью распада. Показателем времени жизни радионуклида, скорости его распада является период полураспада. Используется также радиоактивная постоянная или постоянная (константа) распада. Период полураспада (T1/2)- 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). Единица названа в честь французского физика, лауреата Нобелевской премии Антуана Анри Беккереля. Кюри (Ки) - 3,7·1010 Бк (расп/сек). Эта 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. Основные характеристики ионизирующего излучения. Проникающая способность излучения Все атомные и субатомные частицы, вылетающие из ядра атома при радиоактивном распаде: альфа, бета, гамма и т. д. - называют радиоактивными частицами, радиоактивным или ионизирующим излучением (ИИ), так как все они при прохождении через вещество:
Поэтому основными характеристиками ИИ являются энергия частиц , их пробег в разных средах или проникающая способность, а также их ионизирующая способность (особенно в смысле опасности для биологических объектов). Пробег альфа-частиц В Энергия альфа-частиц при естественном распаде составляет 4?9 Мэв, скорость вылета - 12?20 тыс. км/сек. П Из-за своей массы и заряда альфа-частицы обладают наибольшей ионизирующей способностью, они разрушают всё на своём пути. И поэтому альфа-активные радионуклиды являются наиболее опасными для человека и животных при попадании внутрь.
И П Из за малых размеров, массы и заряда бета-частицы обладают гораздо меньшей ионизирующей способностью, чем альфа-частицы, но естественно, что при попадании внутрь бета-активные изотопы также гораздо опаснее, чем при внешнем облучении. Кратность ослабления n- и гамма-излучений Одним из наиболее проникающими видом излучения является гамма. Пробег ᵞ-кванта в воздухе может достигать десятков и сотен метров (также в зависимости от энергии), но при меньшей ионизирующей способности. Поэтому в качестве защиты от гамма-излучения применяют толстые слои из бетона, свинца, стали и т. п. и речь ведут уже о кратности ослабления. Так, для 10-кратного ослабления гамма-излучения кобальта-60 (Е = 1,17 и 1,33 Мэв) требуется защита из свинца толщиной порядка 5 см, а для 100-кратного - 9,5 см; защита из бетона должна быть, соответственно, около 33 и 55 см, а толщина слоя воды - 70 и 115 см. 
Откуда берутся радионуклиды Радионуклиды получают из трёх источников (тремя способами). Первый источник - это природа. Это естественные радио-нуклиды, которые сохранились, дожили 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. Естественно, что их осталось гораздо меньше, чем было вначале. Их извлекают из природного сырья. Второй и третий источники - искусственные. Искусственные радионуклиды образуются двумя способами. Первые - радионуклиды осколочного происхождения, которые образуются в результате деления ядер атомов. Это - "осколки деления". Естественно, что основная их масса образуется в ядерных реакторах различного назначения, в которых осуществляется управляемая цепная реакция, а также при испытаниях ядерного оружия (неуправляемая цепная реакция). Они находятся в облучённом уране, извлекаемом из реакторов военного назначения (из "промышленных реакторов"), и в огромных количествах в отработавшем ядерном топливе (ОЯТ), извлекаемом из энергетических реакторов АЭС. Ранее в природную среду они попадали при проведении ядерных испытаний и переработке облучённого урана. Сейчас продолжают попадать при переработке (регенерации) ОЯТ, а также при авариях на АЭС, на реакторах. При необходимости извлекали их из облучённого урана, а сейчас из ОЯТ. Вторые - это радионуклиды активационного происхождения. Они образуются из обычных стабильных изотопов в результате активации, то есть при попадании в ядро стабильного атома какой-либо субатомной частицы, в результате чего стабильный атом становится радиоактивным. В подавляющем большинстве случаев такой частицей-снарядом является нейтрон. Поэтому для получения искусственных радионуклидов обычно используют метод нейтронной активации. Он состоит в том, что стабильный изотоп любого химического элемента в любом виде (металл, соль, химическое соединение) помещают в активную зону реактора на определённое время. А так как в активной зоне реактора каждую секунду образуется колоссальное количество нейтронов, то поэтому все химические элементы, которые находятся в активной зоне или вблизи неё постепенно становятся радиоактивными. Активируются и те элементы, которые растворены в охлаждающей реактор воде.
При измерении ионизирующих излучений используется понятие доза, а при оценке их влияния на биологические объекты поправочные коэффициенты. Назовём их, приведём ряд определений. Доза, поглощённая доза (от греческого - доля, порция) - энергия ионизирующего излучения (ИИ), поглощённая облучаемым веществом и часто рассчитанная на единицу его массы. Есть несколько разновидностей доз. 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 (см. "Радиационный фон"). Влияние излучения на организм человека. Эффекты радиации Радиоактивное излучение называют ионизирующим излучением, а радиоактивные частицы - ионизирующими частицами. Как уже было сказано, радиоактивные частицы, обладая огромной энергией, огромными скоростями, при прохождении через любое вещество сталкиваются с атомами и молекулами этого вещества и приводят к их разрушению, ионизации, к образованию "горячих" (высокоэнергетичных) и исключительно реакционноспособных частиц - осколков молекул: ионов и свободных радикалов. То же самое происходит и в тканях биологических объектов. При этом так как биологические ткани человека на 70% состоят из воды, то в большой степени ионизации подвергаются прежде всего именно молекулы воды. Из осколков молекул воды - из ионов и свободных радикалов - образуются исключительно вредные для организма и реакционноспособные перекисные соединения, которые запускают целую цепь последовательных биохимических реакций и постепенно приводят к разрушению клеточных мембран (стенок клеток и других структур). В целом, воздействие радиации на биологические объекты и, в первую очередь, на организм человека вызывает три различных отрицательных эффекта.
Всегда следует иметь в виду, что лучшей защитой от радиации, от любого излучения, является расстояние и время:
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. Радиационный фон Источники ионизирующих излучений (ИИИ) делятся на естественные (природные) и искусственные (созданные человеком, техногенные). К естественным ИИИ относятся разные виды космического излучения и естественные радионуклиды, содержащиеся в земной коре, в окружающей среде, в растениях и животных, в том числе и в организме человека. По данным ООН, вклад различных ИИИ в среднюю годовую эффективную эквивалентную дозу облучения среднестатистического человека выглядит следующим образом. На долю естественных ИИИ приходится 2 мЗв (или 82,61%), а на долю техногенных - 0,421 мЗв (17,39%); в сумме 2,421 мЗв. При этом естественное (природное) облучение складывается из "земного" и "космического". На долю "земного" приходится 1, 675 мЗв (69,186%), в том числе на долю внутреннего облучения - 1,325 мЗв (54,729%), на долю внешнего - 0,35 мЗв (14,457%). А на долю космического - 0,315 мЗв (13,011%). Все % даны от общей суммы 2,421 мЗв. Техногенное облучение складывается из облучения при медицинских обследованиях и лечении (0,4 мЗв; 16,522%), облучения от радиоактивных осадков (0,02 мЗв; 0,826%) и от атомной энергетики (0,001 мЗв; 0,041%). Естественный фон внешнего излучения колеблется в широких пределах, но считается, что в среднем он создаёт мощность экспозиционной дозы 4.20 мкР/час (40.200 мР/год). Эквивалентная доза от природных источников ИИ составляет при этом также 40.200 мбэр/год (0,05?0,2 мкЗв/час; 0,4?2,0 мЗв/год) и считается абсолютно безопасной. Но всё это усреднённые, среднестатистические данные. Поэтому (только с целью иллюстрации) приведём некоторые более конкретные факты и цифры. Так, пассажир реактивного самолёта за 4 часа полёта получает в среднем дозу в 0,027 мЗв (2,7 мбэр), ибо уровень (или фон) космического излучения в салоне самолёта достигает 200 мкР/час и выше, в зависимости от высоты полёта. На высоте 12 тыс. м над уровнем моря уровень космического облучения достигает 5 мкЗв/час (500 мкР/час). Люди, живущие на высоте 2000 м над уровнем моря, получают дозу в 3-4 раза большую, чем живущие на уровне моря (без учёта "земной" радиации), так как на уровне моря "космический" фон составляет 0,03 мкЗв/час (3 мкР/час), а на указанной высоте - 0,1 мкЗв/час (10 мкР/час). Живущие на экваторе получают меньшую дозу, чем северяне, и т. д. Также разнообразна картина и чисто "земной" радиации. 
95% населения Франции, Германии, Италии, Японии и США (по данным ООН) живёт в местах, где мощность годовой дозы облучения колеблется от 0,3 до 0,6 мЗв (фон от 3-5 до 8-10 мкР/час); 3% населения получают в среднем 1 мЗв (11-15 мкР/час); 1,5% - более 1,4 мЗв (18-20 мкР/час). Но есть участки суши (в том числе и курорты) с постоянным проживанием населения, где уровень "земной" радиации в 600-800 раз выше среднего. Отдельные группы людей получают в год более 17 мЗв только от внешнего облучения "земной" радиацией, что в 50 раз больше средней годовой дозы внешнего облучения; часто находятся (временно проживают) в зонах, где уровень радиации достигает 175 мЗв/год (227 мкР/час) и т. д. Гранитные породы, например, могут давать фон до 30-40 и более мкР/час. Повышенной радиоактивностью обладают отходы (шлак, зола, сажа, угольная пыль) угольных ТЭЦ, ГРЭС, котельных и т. п. Оценка количества радия и тория в некоторых строительных материалах (проведённая в ряде стран) даёт следующую картину (в Бк/кг): Как видим, обычный песок и гравий обладают активностью в десятки раз, а кирпич, гранит, зола - в сотни раз большей, чем дерево. дерево (Финляндия) - 1,1
Внутреннее облучение человека больше внешнего и в среднем составляет 2/3 от эффективной эквивалентной дозы, которую человек получает от естественных источников радиации. Его создают радионуклиды, попадающие в организм с пищей, водой, воздухом. К ним относятся радиоизотоп калий-40 и нуклиды радиоактивных рядов распада урана-238 и тория-232. Это, в первую очередь, свинец-210, полоний-210 и, главное, радон-222 и 220. Свинец и полоний концентрируются в рыбе и моллюсках, а также в мясе северных оленей (которые получают их, питаясь лишайником). Но основной вклад во внутреннее облучение человека вносит радон. На его долю приходится 3/4 дозы от "земных" источников радиации и примерно половина от всех естественных. Основную часть "радоновой" дозы облучения, как это ни парадоксально, человек получает в закрытых, непроветриваемых помещениях. В зонах с умеренным климатом концентрация радона в таких помещениях в среднем в 8 раз выше, чем в наружном воздухе. Но это - в среднем. А если помещение сильно загерметизировано (например, с целью утепления) и редко проветривается, то концентрация радона может быть в десятки и сотни раз выше, что наблюдается в некоторых северных странах. Источниками радона служат фундаменты зданий, строительные материалы (особенно приготовленные с использованием отходов ТЭЦ, котельных, шлаков, золы, пустой породы и отвалов некоторых рудников, шахт, обогатительных фабрик и т. п.), а также вода, природный газ, почва. Являясь инертным газом, он легко проникает в помещение через все щели, поры из грунта, подвалов (особенно зимой), стен, а также с пылью, сажей, золой угольных ТЭЦ и т. д. В целом "земные" источники радиации дают в сумме около 5/6 годовой эффективной эквивалентной дозы от всех естественных источников. Теперь несколько примеров, касающихся искусственных источников ИИ. Как уже было показано, их вклад в суммарную дозу составляет по оценкам ООН 0,421 мЗв (17,39%), причём основная доля приходится на облучение при медицинских обследованиях и лечении - 0,4 мЗв (или 95% от указанной цифры). Естественно, что для конкретного человека, ни разу не посещавшего рентгенкабинет и т. п., ни о каких дозах "от медицины" речи быть не может. С другой стороны, доза, полученная человеком в результате аварии на АЭС, испытаний ядерного оружия и т. д., может оказаться в сотни и тысячи раз большей, чем при любом медицинском обследовании. Поэтому облучение отдельных групп людей при авариях, испытаниях и т. п. учтено в приведённых выше цифрах только в усреднённом для всего населения Земли виде. |
любой среде альфа-частицы, обладающие большой массой (4 атомных единицы), зарядом (+2) и энергией, движутся прямолинейно. Поэтому говорят о пробеге альфа-частиц. 
робег 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. 
з-за малой массы (она в 1836 раз меньше массы протона) заряда (-1) и размеров бета-частицы слабее взаимодействуют с веществом, через которое им приходится лететь, но летят дальше. При этом путь бета-частицы в веществе не является прямолинейным. Поэтому говорят о их проникающей способности, которая также зависит от энергии. 
роникающая 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. Хорошей защитой от бета-излучения является слой воды в несколько (до 10) см. Поток бета-частиц с весьма большой для естественного распада энергией в 10 Мэв практически полностью поглощается слоями: воздуха - 4 м; алюминия - 2,16 см; железа - 7,55 мм; свинца - 5,18 мм.
