Закон радиоактивного распада, его практическое использование для обоснования мероприятий по защите населения при авариях на ядерно-физических установках

Радиоактивные превращения характеризуются:

1) способом выделения избыточной энергии, которая отдается либо в виде альфа- или бета-частиц определенной энергии, либо электромагнитного излучения;

2) временем протекания радиоактивного распада и вероятностью распада ядра за единицу времени.

Радиоактивный распад - явление статистическое - нельзя предсказать, когда именно распадется данное нестабильное ядро. Для описания статистических закономерностей радиоактивного распада используется естественная статистическая величина - постоянная распада l, физический смысл которой заключается в том, что если взять большое число N одинаковых нестабильных ядер, то за единицу времени в среднем будет распадаться lN ядер. Постоянная распада l не зависит от времени.

Величина lN - активность, она характеризует излучение препарата в целом, а не отдельного ядра.

Уменьшение количества активных ядер с течением времени происходит в соответствии с законом радиоактивного распада, который описывается экспоненциальной кривой и формулируется следующим образом: за равные промежутки времени происходит превращение равных долей активных атомов.

Закон радиоактивного распада имеет математическое выражение:

, где - исходное количество радиоактивных ядер; - количество активных ядер, оставшихся спустя время распада t; e - основание натуральных логарифмов; l - постоянная распада, t - время распада.

Период полураспада (Т_1/2 или T_f) - время, в течение которого число радиоактивных ядер уменьшается вдвое.

Постоянная распада l связана с периодом полураспада, поэтому закон радиоактивного распада можно записать следующим образом:

Данная формула может быть использована для практических целей, когда необходимо дать рекомендации о возможности использования загрязненных радионуклидами территорий, продуктов питания, воды, так как через 10 Т_1/2 остается практически чистая среда (т.е. остается меньше 0,1% от исходного количества радионуклида). Пример: I-131 имеет период полураспада, равный 8,05 суток; цельное молоко и листовые овощи местного производства запрещают использовать в течение 2-3 месяцев после выброса радиоактивного йода; у Cs-137 период полураспада равен 30,1 г; у Sr-90 период полураспада равен 29,12 г; т.е. земли, загрязненные Cs-137 и Sr-90 можно будет использовать спустя 300 лет после аварии на ЧАЭС.

4. Типы радиоактивных превращений ядер: альфа-, бета-, гамма-превращения ядер. Примеры элементов, претерпевающих соответствующие типы радиоактивных превращений.

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 E_max (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).

Характеристика корпускулярных видов излучения (альфа-, бета-частиц); их взаимодействие с веществом. Понятие о линейной передаче энергии. Особенности взаимодействия с веществом нейтронов разных энергий.

Ионизирующее излучение - излучение, которое создается при радиоактивном распаде, ядерных превращениях, торможении заряженных частиц в веществе и образует при взаимодействии со средой ионы разных знаков (закон РБ “О радиационной безопасности населения”). Термин используют для описания переноса через пространство энергии в виде электромагнитных волн либо субатомных частиц.

По природе ионизирующие излучения делятся на два основных вида:

а) корпускулярные (альфа, бета, нейтронное)

б) электромагнитные (гамма, рентгеновское)

Основные характеристики для корпускулярных излучений - заряд, масса и энергия частицы - определяют особенности взаимодействия данных излучений с веществом и, соответственно, степень и вероятность их повреждающего действия.

Характеристика корпускулярных видов излучения и особенностей их взаимодействия с веществом.

1) альфа-частицы (ядра гелия):

- заряд +2, масса 4 а.е.м.

- энергия альфа-частиц при выходе из ядра составляет 3 – 11 МэВ (эВ – электрон-вольт – внесистемная единица энергии: 1 эВ = 1,6´10^-19 Дж)

- обладают высокой ионизационной способностью, образуя несколько десятков тысяч пар ионов на микрометр пробега в веществе; по мере продвижения альфа-частицы в веществе плотность ионизации возрастает в несколько раз (с 20 тыс. до 80 тыс. пар ионов на 1 мкм пути) и затем, практически при завершении пробега, резко падает.

Кривая Брегга - график, отражающий зависимость ЛПЭ альфа-излучения от пройденного в веществе пути

- траектории альфа-частиц в веществе прямолинейны в связи с их большой массой

- пробег альфа-частиц в воздухе до 11 см, в жидкостях и биологических тканях - от 10 до 100 мкм

- альфа-излучение позволяет сосредоточить значительную энергию на глубине поражённой ткани при минимальном рассеянии в здоровых тканях (используется для лечения опухолей)

- элементарная защита - любой плотный материал даже незначительной толщины (лист бумаги, кожа, одежда)

2) бета-частицы (электроны и позитроны):

- заряд -1 (электроны) и +1 (позитроны), масса пренебрежимо мала (1/1836 а.е.м.)

- энергия порядка нескольких кэВ

- удельная плотность ионизации, создаваемая бета-частицами, примерно в 1000 раз меньше, чем у альфа-частиц той же энергии; бета-частица образует несколько десятков пар ионов на микрометр пробега в веществе.

- в веществе кроме ионизации за счёт торможения электронов в веществе (особенно состоящем из атомов с большим порядковым номером), возникает тормозное рентгеновское излучение; чем выше энергия потока бета-частиц, тем более жестким будет тормозное излучение (используется в рентгеновских трубках)

- b-частиц при продвижении в веществе отклоняются на большие углы, траектория их очень извилиста (в связи с малой массой)

- проникающая способность у бета-частиц больше, чем у альфа-частиц (длина пробега в воздухе несколько метров, в биологической ткани - сантиметры)

- элементарная защита - тонкий слой легкого металла (алюминиевая фольга), пластмасса, стекло.

3) нейтроны:

- заряд 0 (за счет этого беспрепятственно проникают вглубь атомов, взаимодействуя непосредственно с ядрами), масса 1 а.е.м.

- энергия от 0,025 эВ до 300 и более МэВ; в зависимости от энергии выделяют медленные (энергия до 1 МэВ) и быстрые (энергия выше 1 МэВ) нейтроны

- защитные материалы: для быстрых нейтронов - вода, парафин, бетон, пластмассы; для медленных нейтронов - бораль, борная сталь, борный графит, сплав кадмия со свинцом

Возможны следующие эффекты взаимодействия нейтронного излучения с веществом:

а) упругое рассеяние - нейтрон передаёт ядру часть своей энергии и отклоняется от первоначального направления; ядро, с которым взаимодействует нейтрон (ядро отдачи), начинает двигаться и ионизировать другие атомы и молекулы.

Данный эффект характерен для быстрых нейтронов (пример - рассеяние на ядрах водорода (протонах); при этом нейтрон передаёт протону более половины своей энергии с образованием протона отдачи, поэтому для замедления быстрых нейтронов используют вещества, содержащие водород - вода, парафин).

б) неупругое рассеяние - часть кинетической энергии нейтрона тратится на возбуждение ядра отдачи, которое затем переходит в стабильное состояние, излучая гамма-квант.

в) поглощение (радиационный захват) - при взаимодействии нейтрона с ядром оно переходит в возбуждённое состояние и испускает гамма-квант или частицы (протон, нейтрон, альфа-частицу).

В результате радиационного захвата многие вещества становятся радиоактивными с образованием так называемой "наведенной" активности. Данный эффект наиболее характерен для медленных нейтронов, их лучшими поглотителями являются кадмий и бор.

Основная часть энергии заряженных частиц, взаимодействующих с веществом, идёт на его:

1) ионизацию - отрыв электрона от атома или молекулы, в результате чего они преобразуются в положительно заряженные ионы.

2) возбуждение - переход электрона на удаленную от ядра орбиталь; происходит, когда энергии излучения недостаточно для полного отрыва электрона.

Выделяют излучения:

а) прямо ионизирующие- ионизацию непосредственно производят заряженные частицы (альфа- и бета-); механизм потери энергии этих частиц в поглотителе в основном обусловлен кулоновским взаимодействием с орбитальными электронами атомов вещества.

б) косвенно ионизирующие - электрически нейтральные излучения (гамма, рентгеновское, нейтронное) ионизируют атомы среды в результате вторичных процессов.

Степень ионизации зависит как от свойств самого излучения (энергия, заряд частиц), так и от структуры облучаемого объекта. Основными свойствами излучений являются:

1) линейная плотность ионизации (удельная ионизация) - это число пар ионов, образованных заряженной частицей на микрометр пробега в веществе.

2) линейная передача энергии (ЛПЭ) - средняя энергия, теряемая заряженной частицей на единице длины её пробега в веществе. Единица измерения - килоэлектрон-вольт на микрометр пути (кэВ/мкм).

Для электрически нейтральных видов излучения ЛПЭ не применяется, но используется значение ЛПЭ вторичных заряженных частиц, образующихся в веществе.

В зависимости от ЛПЭ все излучения делятся на:

а) редкоионизирующие(ЛПЭ < 10 кэВ/мкм) - бета-, гамма- и рентгеновское излучения.

б) плотноионизирующие (ЛПЭ > 10 кэВ/мкм) - альфа- и нейтронное излучения.

ЛПЭ заряженных частиц возрастает по мере снижения их скорости, поэтому в конце пробега отдача энергии заряженной частицей максимальна.