Радиация вокруг нас (ликбез)

Термины

• Превращение – трансформация одного элемента в другой.
• Позитрон – аналог антивещества электрона с такой же массой, но положительным зарядом.
• Бета-распад – реакция с формированием бета-частицы.

Бета-распад – разновидность радиоактивного распада, где из атомного ядра высвобождаются бета-частички. Благодаря этому процессу атом способен добыть оптимальное соотношение протонов и нейтронов.

Бета-распад в атомном ядре свободного нейтрона

Бета-распад делится на две разновидности. Бета-минус вызывает эмиссию электронов (e-), а бета-плюс – эмиссию позитронов (e+). В первом формируется электронный антинейтрино, а во втором – электронный нейтрино.

Высвобожденные бета-частички обладают непрерывным кинетически энергетическим спектром от 0 к максимально доступной энергии, основываясь на родительском и дочернем ядерных состояниях. Лишенные прерывания энергетические спектры создаются из-за того, что Q разделяется между бета-частичкой и нейтрино. Типичный показатель – 1 МэВ, но может быть и несколько кэВ или десятки МэВ. Остаточная масса электрона – 511 кэВ, поэтому наиболее энергичные бета-частицы – ультрарелятивистские, чья скорость приближена к световой.

Протоны и нейтроны выступают элементами ядра, поэтому бета-распад вызывает превращение химических элементов в другие. К примеру:

₁₃₇Cs → ₁₃₇Ba + e-

₁₁Na → ₁₀Ne + e+

Бета-распад не влияет на количество нуклонов, только на заряд. Стабильное ядро способно подвергаться и другим разновидностям распада. В обычной среде изотопы – бета-стабильны, но есть исключения, чьи периоды настолько огромные, что им не хватило времени на распад с момента нуклеосинтеза. Можно вспомнить нейтрон-нуклид 40К, проходящий сквозь оба типа с длительностью в 1.277 х 109 лет.

Физика атома и ядра (курс лекций)

12 Альфа-распад

Явление α — распада состоит в том, что тяжелые ядра самопроизвольно испускают α — частицы. Происходит самопроизвольное деление атомного ядра на α — частицу (ядро атома гелия ₂He4) и ядро-продукт. При этом массовое число нового ядра уменьшается на четыре единицы, а его зарядовое число ( атомный номер) — на две:

Частота характеризует скорость повторяемости колебательного движения. Частоту измеряют количеством полных колебаний за единицу времени

Исходное ядро _ZXA называется материнским, а ядро-продукт _Z-2YA-4 — дочерним. Известны следующие характерные эмпирические особенности α — распада:

• Альфа-распад идет только для тяжелых ядер при значениях зарядового числа Z≥82

• Периоды полураспада α радиоактивных ядер варьируются в широчайших пределах от 1,4·1017 до 10-6 с.

• Альфа-частицы, вылетающие из ядер определенного сорта, имеют, как правило, одну и ту же определенную энергию, но для разных ядер эти энергии варьируются в диапазоне от 3,99 МэВ до 8,78 МэВ.

Закон сохранения массы-энергии для α — распада имеет вид

где K_Y,K_α — соответственно кинетические энергии дочернего ядра и частицы. Материнское ядро считается неподвижным, поэтому K_X=0. Энергетический эффект α — распада — разность энергий материнского ядра и продуктов распада равен сумме кинетических энергий этих новых частиц:

Энергетический эффект α — распада можно определить соотношением

Примером α — радиоактивного изотопа может служить первый из открытых радиоактивных изотопов — изотоп урана ₉₂U238. Схема его распада имеет вид

Кинетическая энергия частицы равна 4,18 МэВ, а кинетическая энергия изотопа тория равна 0,07 МэВ.

В большинстве случаев испускается несколько групп частиц близкой, но различной энергии. Этим обусловлена тонкая структура α — спектра. Причина заключается в том, что дочернее ядро может возникать не только в нормальном, состоянии, но и в возбужденных состояниях. В возбужденном состоянии ядро находится в среднем порядка 10-8÷10-16 с. Затем переходит либо в основном состоянии, либо в менее возбужденном состоянии, но, в конечном счете, все же окажется в основное состояние. Когда ядро переходит в менее возбужденное состояние, оно излучает фотоны высокой энергии, которые обычно называют γ — фотонами. Таким образом, альфа-распад сопровождается γ — излучением. Однако ядро может передать избыток энергии непосредственно одному из электронов атомной оболочки, в результате чего этот электрон покидает атом. Это явление называется электронной конверсией. Следствием электронной конверсии будет рентгеновское излучение, когда вакантное энергетическое состояние переходит электрон внешней оболочки атома, при котором происходит излучение фотонов.

Характерной особенностью распада является сильная зависимость периода полураспада от энергии вылетающей α — частицы K_α. Эта зависимость выражается законом Гейгера — Наталла

Этот закон теоретически был объяснен квантовомеханическим туннельным эффектом.

Что такое радиоактивность?

Радиоактивность – самопроизвольное превращение атомных ядер в ядра других элементов. Сопровождается ионизирующим излучением. Известно четыре типа радиоактивности:

• альфа-распад – радиоактивное превращение атомного ядра при котором испускается альфа-частица;
• бета-распад — радиоактивное превращение атомного ядра при котором испускается бета-частицы, т.е электроны или позитроны;
• спонтанное деление атомных ядер — самопроизвольное деление тяжелых атомных ядер (тория, урана, нептуния, плутония и других изотопов трансурановых элементов). Периоды полураспада у спонтанно делящихся ядер составляют от нескольких секунд до 1020 для Тория-232;
• протонная радиоактивность — радиоактивное превращение атомного ядра при котором испускаются нуклоны (протоны и нейтроны).

Что такое изотопы?

Изотопы – это разновидности атомов одного и того же химического элемента, обладающие разными массовыми числами, но имеющие одинаковый электрический заряд атомных ядер и потому занимающие в периодической системе элементов Д.И. Менделеева одинаковое место. Например: 55Cs131, 55Cs134m, 55Cs134, 55Cs135, 55Cs136, 55Cs137. Различают изотопы устойчивые (стабильные) и неустойчивые – самопроизвольно распадающиеся путем радиоактивного распада, так называемые радиоактивные изотопы. Известно около 250 стабильных, и около 50 естественных радиоактивных изотопов. Примером устойчивого изотопа может служить Pb206, Pb208 являющийся конечным продуктом распада радиоактивных элементов U235, U238 и Th232.

Измерение ионизирующих излучений

С открытием радия было обнаружено, что излучение радиоактивных веществ влияет на живые организмы и вызывает биологические эффекты, сходные с действием рентгеновского облучения. Появилось такое понятие, как доза ионизирующего излучения – величина, которая позволяет оценивать воздействие радиационного облучения на организмы и вещества. В зависимости от особенностей облучения, выделяют эквивалентную, поглощенную и экспозиционную дозы:

1. Экспозиционная доза – показатель ионизации воздуха, возникающей под действием гамма- и рентгеновских лучей, определяется количеством образовавшихся ионов радионуклидов в 1 куб. см. воздуха при нормальных условиях. В системе СИ она измеряется в кулонах (Кл), но существует и внесистемная единица – рентген (Р). Один рентген – большая величина, поэтому удобнее на практике использовать ее миллионную (мкР) или тысячную (мР) доли. Между единицами экспозиционной дозы установлено следующее соотношения: 1 Р = 2, 58.10-4 Кл/кг.
2. Поглощенная доза – энергия альфа-, бета- и гамма-излучения, поглощенная и накопленная единицей массы вещества. В международной системе СИ для нее введена следующая единица измерения – грей (Гр), хотя до сих пор в отдельных областях, например в радиационной гигиене и в радиобиологии широко используется внесистемная единица – рад (Р). Между этими величинами имеется такое соответствие: 1 Рад = 10-2 Гр.
3. Эквивалентная доза – поглощенная доза ионизирующего излучения, учитывающая степень его воздействия на живую ткань. Поскольку одинаковые дозы альфа-, бета- или гамма-излучения оказывают разный биологический ущерб, введен так называемый КК –коэффициент качества. Для получения эквивалентной дозы необходимо поглощенную дозу, полученную от определенного вида излучения, умножить на этот коэффициент. Измеряется эквивалентная доза в берах (Бэр) и зивертах (Зв), обе эти единицы взаимозаменяемы, переводятся из одной в другую таким образом: 1 Зв = 100 Бэр (Рем).

В системе СИ используется зиверт – эквивалентная доза конкретного ионизирующего излучения, поглощенная одним килограммом биологической ткани. Для пересчета греев в зиверты следует учесть коэффициент относительной биологической активности (ОБЭ), который равен:

• для альфа-частиц – 10-20;
• для гамма- и бета-излучения – 1;
• для протонов – 5-10;
• для нейтронов со скоростью до 10 кэВ – 3-5;
• для нейтронов со скоростью больше 10 кэВ: 10-20;
• для тяжелых ядер – 20.

Бэр (биологический эквивалент рентгена) или рем (в английском языке rem – Roentgen Equivalent of Man) – внесистемная единица эквивалентной дозы. Поскольку альфа-излучение наносит больший ущерб, то для получения результата в ремах, необходимо измеренную радиоактивность в радах умножить на коэффициент, равный двадцати. При определении гамма- или бета-излучения перевод величин не требуется, поскольку ремы и рады равны друг другу.