В чем заключается физическая природа радиоактивности



Что такое радиоактивность?

Радиоактивный распад — это путь ядра к достижению стабильности посредством испускания высокоэнергетического излучения и субатомных частиц. Это явление называется радиоактивностью.

Реакция нашего мозга на слово «радиоактивность» часто сводится к миру супергероев, которые кружат по городу, превращаются в человеческий огненный шар или сокрушают негодяев. Или, возможно, ваш мозг вызывает очень темный пост-апокалиптический мир после ядерных осадков.

Однако 120 лет назад мир воспринимал радиоактивность совершенно по-другому. На самом деле, он считался чудесным резервуаром здоровья и жизненной силы. Радиоактивные элементы, такие как радий, стали появляться в качестве ингредиентов во всем — от зубной пасты и циферблатов часов до воды и масла!

Итак, что случилось? Как такое, казалось бы, чудесное открытие превратилось в монстра под нашей кроватью, который пугает людей по всему миру?

Почему некоторые элементы радиоактивны?

Представьте, что вы случайно вдохнули пыльцу и ждете чиха. Держитесь за это чувство. Это то, что определенные атомы испытывают все время — стремление избавиться от лишнего и восстановить стабильность.

Все, что мы видим вокруг себя, в основном состоит из элементов со стабильными атомами (это означает, что ваш деревянный стол, насыщенный углеродом, сам по себе не распадется на что-то другое). Субатомный компонент, отвечающий за поддержание стабильности атома, — это его ядро.

Внутри ядра есть положительно заряженные протоны и нейтральные нейтроны. Эти «нуклоны» удерживаются вместе клеем, называемым сильным ядерным взаимодействием. Эта сильная сила нейтрализует отталкивающую электростатическую силу одинаково заряженных протонов и поддерживает стабильность ядра. Ядерная сила имеет короткий диапазон действия и зависит от соотношения нейтронов и протонов в ядре.

Однако мы видим, что баланс между силами начинает нарушаться, когда количество нейтронов превышает количество протонов. Пример: углерод-12 с 6 n и 6 p является стабильным изотопом, а углерод-14 имеет 8 n и 6 p, что делает его нестабильным изотопом. Или, возможно, ядро превышает пороговое количество нейтронов и протонов, которое сильная ядерная сила может комфортно удерживать вместе, например, любое ядро тяжелее Висмута-209. Эти сценарии приводят к появлению нестабильных изотопов элементов.

Подобно тому, как ваше тело посредством серии расширений и сокращений вытесняет раздражающее вещество во время чихания, нестабильные изотопы элементов выбрасывают различные частицы или формы энергии, чтобы восстановить баланс между силами в их ядрах. В процессе достижения стабильности они превращаются в новое ядро.

Это свойство превращения в нечто новое для достижения стабильности — то, что мы называем радиоактивностью, а процесс, посредством которого она преобразуется, называется радиоактивным распадом.

Как ядро ​​подвергается радиоактивному распаду?

Ядро может подвергнуться ядерному или радиоактивному распаду из-за испускания альфа-, бета- или гамма-излучения (а иногда и комбинации всех трех).

Альфа-частица — это в основном ядро ​​гелия, состоящее из 2 протонов и 2 нейтронов.

Альфа-частицы относительно тяжелые. Они могут перемещаться по воздуху всего на несколько сантиметров и их легко остановить листом бумаги или пластика.

Бета-частица — это электрон или позитрон, высвобождаемый ядром очень тяжелого элемента в результате преобразования нейтронов в протоны и наоборот.

Бета-частицы обладают большей энергией и проникающей способностью, чем альфа-частицы, но обладают меньшей ионизацией по своей природе. Они могут путешествовать по воздуху, но их можно остановить с помощью тонкого листа металла или даже защитной одежды.

Наконец, самая энергичная и смертельная форма радиоактивного распада: гамма-лучи.

Это форма высокоэнергетического света, излучаемого ядром, которое остается в более высоком энергетическом состоянии после того, как произошел процесс альфа- и бета-распада, но все же должно вернуться в более стабильное более низкое энергетическое состояние.

Ядро может подвергнуться всем этим распадам спонтанно и превратиться в стабильную форму за секунды, а может потребоваться дни, годы или даже столетия. Эта скорость определяется периодом полураспада радиоактивного вещества, то есть количеством времени, которое требуется радиоактивному веществу для распада до половины своего первоначального значения.

Нельзя говорить о радиоактивности без упоминания Марии Кюри. Ее запечатанная свинцом и сильно радиоактивная лаборатория, записные книжки, кулинарные книги и мебель были заражены радием и будут заражены в течение следующих 12 000 лет или около того. Тем не менее они являются свидетельством ее вклада в эту область и причиной двух Нобелевских премий.

Лабораторная тетрадь Марии Кюри.

Открытие радиоактивности и радиоактивных элементов Марией и Пьером Кюри вместе с Анри Беккерелем в начале 1900-х годов открыло дверь в совершенно новую область атомной физики. Этот шаг вперед в конечном итоге привел к открытию различных компонентов атомов и ядерной энергии.

Радиоактивные элементы, такие как уран-235 и плутоний-239, бомбардируются нейтронами, которые выделяют огромное количество энергии. При правильном манипулировании внутри ядерного реактора это топливо может действовать как длительный источник энергии. Килограмм урана-235 может произвести почти 24 миллиона киловатт-часов энергии путем ядерного деления, тогда как 1 кг угля может произвести только 8 киловатт-часов энергии. Правильное использование этого источника энергии может решить глобальную проблему увеличения выбросов углекислого газа.

Однако «ахиллесовой пятой» здесь является безопасная утилизация использованного радиоактивного топлива и широко распространенный страх перед ядерными авариями.

То, что произошло на Чернобыльском реакторе несколько десятилетий назад, по сей день потрясает человечество. Один инцидент, связанный с расплавлением реактора, и целые акры земли стали непригодными для проживания в течение нескольких поколений, не говоря уже о тысячах жизней, подвергшихся неизгладимым последствиям радиационного отравления.

Власти построили вокруг реактора саркофаг из бетона, чтобы предотвратить утечку радиации в атмосферу. Кроме того, остатки реактора находятся внутри защитной оболочки с толстыми стальными стенками.

Реактор Фукусима, пострадавший от цунами в 2011 году, вынудил эвакуировать тысячи людей в радиусе 20 км от места происшествия. Власти все еще очищают прилегающую территорию, а также убирают и утилизируют верхний слой почвы в пострадавшем регионе.

Эффекты радиоактивности

Вредное воздействие радиоактивных веществ может повлиять на наш организм косвенно через радиационное облучение или напрямую через контакт или проглатывание.

Радиационное воздействие

В целом радиация не опасна. Свет, отражающийся от отражающей поверхности, микроволны, нагревающие нашу пищу, или сигналы, принимаемые нашими телефонами, — все это разные формы излучения, но есть один вид излучения, который особенно вреден для всех биологических форм — ионизирующее или ядерное излучение.

Радиоактивный материал в процессе распада испускает ионизирующее излучение, которое может легко превратить нейтральные атомы в положительно заряженные ионы, сбивая их электроны. Когда живое существо подвергается такому высокоэнергетическому излучению, оно не делает человека радиоактивным или сверхмощным, но делает его склонным к радиационному отравлению.

Радиационное отравление ядерным излучением может легко повредить молекулярную структуру ДНК и нанести вред живым клеткам. Тяжелая или продолжительная доза может оказаться смертельной, поскольку эти лучи являются канцерогенными.

Радиоактивное загрязнение

Поскольку радиоактивное вещество находится в непосредственном контакте с внутренней или внешней частью тела, такая форма проникновения увеличивает опасность в два раза. Оно не только подвергает организм воздействию радиационного отравления, но и вызывает внутренние повреждения, воздействуя на определенные части тела.

Наше тело принимает радиоактивный радий за кальций при приеме внутрь. Затем он продолжает заменять кальций в нашем организме радием, что приводит к некрозу костей и зубов. При попадании внутрь уран в основном поражает почки.

Всегда ли радиоактивность вредна?

В токсикологии есть поговорка, что «доза делает любую вещь не ядовитой». Хотя воздействие нерегулируемых количеств радиоактивного материала может вызвать серьезные генетические мутации и рак, при регулировании они также могут вылечить рак. Радиоактивный йод используется в лучевой терапии для лечения рака и для визуализации щитовидной железы. Радиоактивный технеций используется для обнаружения пороков сердца, костей и других органов.

Радиоактивный Углерод-14 используется в углеродном датировании, которое помогает нам определить возраст вещей, которые когда-то были живыми или состояли из биологического материала. В некоторых странах свежие продукты даже облучают перед упаковкой, чтобы убить любые микробы на поверхности фруктов и овощей. Крошечное количество америция-241 используется в сигнализаторах дыма, которые помогают спасать тысячи жизней каждый год.

Человечество и радиоактивность мирно сосуществовали на протяжении веков. Воздух, которым мы дышим, бананы в наших коктейлях и указатели выхода содержат радиоактивные элементы… но в безопасных количествах! Технически, мы тоже радиоактивны, так как в нашем организме есть очень незначительные количества радиоактивных изотопов калия и углерода. Радиоактивность есть повсюду, и жизнь навсегда остается в долгу перед ней за то, что она держит наше земное ядро поджаренным и обеспечивает нам защиту под уютным магнитным пузырьком.

Однако гипотетически, если вы в конечном итоге отправляетесь в поход в неизвестную страну, и счетчик Гейгера в вашей сумке начинает издавать громкий треск, вам, вероятно, следует просто начать бежать!

Источник

Физическая природа радиоактивности

Ионизирующим излучением называется излучение, взаимодействие которого с веществом приводит к обра­зованию в этом веществе ионов разного знака. Представления о возникновении ионизирующих излучений связаны со строением атома.

Атомное ядро — центральная часть атома, в которой сосредоточена основная его масса, и структура которого определяет химический элемент, к которому относится атом. Размеры ядер различных атомов более чем в 100 тысяч раз меньше размеров самого атома. Масса ядер примерно в 4000 раз больше массы входящих в атом электронов. Атомное ядро состоит из нуклонов — положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов, которые связаны между собой при помощи сильного взаимодействия. Атомное ядро, рассматриваемое как класс частиц с определённым числом протонов и нейтронов, принято называть нуклидом.

Количество протонов в ядре называется его зарядовым числом Z − это число равно порядковому номеру элемента, к которому относится атом в таблице Менделеева. Количество протонов в ядре полностью определяет структуру электронной оболочки нейтрального атома и, таким образом, химические свойства соответствующего элемента. Количество нейтронов в ядре называется его изотопическим числом N. Ядра с одинаковым числом протонов и разным числом нейтронов называются изотопами. Полное количество нуклонов в ядре называется его массовым числом А (очевидно А=N+Z) и приблизительно равно средней массе атома, указанной в таблице Менделеева. Для обозначения атомных ядер используется следующая система. В середине ставится символ химического элемента, что однозначно определяет зарядовое число Z ядра; вокруг обозначения элемента указывают все характеризующие ядро его атома числа:

· слева снизу − зарядовое число Z, то есть, то же самое, что указано символом элемента;

Читайте также:  А смирнов в природе столько красоты

· слева сверху − массовое число А;

· справа снизу − изотопическое число N;

Лишь небольшая часть нуклидов являются стабильными. В большинстве случаев ядерные силы оказываются неспособны обеспечить их постоянную целостность, и ядра рано или поздно распадаются. Это явление получило название радиоактивности.

Радиоактивность (от лат. radius «луч» и āctīvus «действенный») − свойство атомных ядер самопроизвольно (спонтанно) изменять свой состав (заряд Z, массовое число A) путём испускания элементарных частиц или ядерных фрагментов. Соответствующее явление называется радиоактивным распадом. Радиоактивностью называют также свойство вещества, содержащего радиоактивные ядра.

Установлено, что радиоактивны все химические элементы с порядковым номером, большим 82 (то есть, начиная с висмута), и многие более лёгкие элементы (прометий и технеций) не имеют стабильных изотопов, а у некоторых элементов, таких как индий, калий, или кальций, часть природных изотопов стабильны, другие же радиоактивны.

Естественная радиоактивность − самопроизвольный распад ядер элементов, встречающихся в природе.

Искусственная радиоактивность − самопроизвольный распад ядер элементов, полученных искусственным путем через соответствующие ядерные реакции.

При каждом акте распада нестабильного нуклида высвобождается энергия, которая и передается дальше в виде излучения. Но хотя все радионуклиды нестабильны, одни из них более нестабильны, чем другие. Например, протактиний-234 распадается почти моментально, а уран-238 очень медленно. Половина всех атомов протактиния в каком-либо радиоактивном источнике распадается за время, чуть большее минуты, в то же время половина всех атомов урана-238 превратится в торий-234 за четыре с половиной миллиарда лет. Время, за которое распадается в среднем половина всех радионуклидов данного типа в любом радиоактивном источнике, называется периодом полураспада соответствующего изотопа. Этот процесс продолжается непрерывно. За время, равное одному периоду полураспада, останутся неизменными каждые 50 атомов из 100, за следующий аналогичный промежуток времени 25 из них распадутся.

Любой радиоактивный распад подчинён закону:

N − количество атомов через момент времени t,

N − начальное количество радионуклидов,

λ − постоянная, характеризующая радиоактивное вещество,

е − экспонента (е = 2,718281828459045. )

Как и большинство законов физики, в наши дни этот закон формулируют по-разному, чаще всего записывая уравнением:

которое означает, что число распадов за интервал времени t в произвольном веществе пропорциональна числу имеющихся в образце атомов N.

На практике период полураспада определяют, измеряя активность (см.ниже) исследуемого препарата через определенные промежутки времени. Учитывая, что активность препарата пропорциональна количеству атомов распадающегося вещества, и воспользовавшись законом радиоактивного распада, можно вычислить период полураспада данного вещества.

Радиоактивные ряды (семейства) − цепочка радиоактивных превращений. Это ряды радиоактивных изотопов, в которых каждый последующий образуется в результате радиоактивного распада предыдущего. Каждый радиоактивный ряд начинается изотопом с большим периодом полураспада и заканчивается стабильным изотопом. Выделяют три естественных радиоактивных ряда и один искусственный.

· ряд тория (4n) − начинается с нуклида Th-232;

· ряд радия (4n+2) − начинается с U-238;

· ряд актиния (4n+3) − начинается с U-235

· ряд нептуния (4n+1) − начинается с Np-237.

После альфа- и бета-радиоактивных превращений ряды заканчиваются образованием стабильных изотопов.

Источник

В чем заключается физическая природа радиоактивности

Раздел ОГЭ по физике: 4.1. Радиоактивность. Альфа-, бета-, гамма-излучения. Реакции альфа- и бета-распада.

Радиоактивностью называют явление самопроизвольного излучения некоторых химических элементов, а вид этого излучения называют радиоактивным излучением. Первым радиоактивное излучение обнаружил Анри Беккерель, который, проводя эксперименты с солями урана, по почернению фотопластинки установил, что они самопроизвольно испускают невидимое излучение сильной проникающей способности. В дальнейшем было обнаружено, что не только уран, но и такие элементы, как радий и полоний, тоже испускают невидимое излучение.

Радиоактивность, которой обладают вещества, существующие в природе, называют естественной радиоактивностью. Она проявляется у всех элементов таблицы Д.И. Менделеева, порядковый номер которых больше 83. В дальнейшем было установлено, что и некоторые искусственно полученные вещества радиоактивны.

Резерфорд, изучая радиоактивное излучение, обнаружил его сложный состав. Он поместил радиоактивный препарат в свинцовый сосуд с отверстием. Над сосудом расположил фотопластинку, на которую падало радиоактивное излучение, выходившее через отверстие и прошедшее через магнитное поле.

Когда фотопластинку проявили, то на ней обнаружили три тёмных пятна. Одно пятно располагалось точно напротив отверстия. Это значит, что магнитное поле на него не действовало и заряженных частиц в этом излучении нет. Его назвали гамма-излучением (γ-излучение). Гамма-излучение представляет собой электромагнитное излучение или поток фотонов.

Наличие двух боковых пятен по разную сторону от центрального означает, что существуют два излучения, состоящие из частиц, имеющих заряды противоположных знаков. Эксперимент показывает, что одно из них представляет собой поток положительно заряженных частиц. Их назвали α-частицами. Другое излучение состоит из отрицательно заряженных частиц. Их назвали β-частицами.

Изучение этих излучений позволило сделать вывод, что α-частицы — это ядра атома гелия. Их массовое число — 4, а зарядовое число (электрический заряд) +2, т.е.

β-частицы представляют собой электроны. Их массовое число равно 0, а зарядовое число равно –1, т.е.

Радиоактивный распад

Радиоактивные элементы, испуская излучение, превращаются в другие элементы. При этом, поскольку излучение приводит к появлению нового химического элемента, можно сделать вывод, что изменения происходят именно с ядром атома. Радиоактивное превращение ядер одних элементов в ядра других элементов называют радиоактивным распадом. Существует три вида радиоактивного распада: альфа–, бета– и гамма–излучения.

Альфа–распад. Превращение атомных ядер, сопровождаемое испусканием альфа–частиц (ядер гелия ).

Если – материнское ядро, то превращение этого ядра при альфа–распаде происходит по следующей схеме (правило смещения): , где – символ дочернего ядра; – ядро атома гелия.

При альфа–распаде происходит смещение химического элемента на две клетки влево в таблице Менделеева.

Бета–распад. Радиоактивные ядра могут выбрасывать поток электронов, которые рождаются, согласно гипотезе Ферми, в результате превращения нейтронов в протоны. В соответствии с правилом смещения массовое число ядра не изменяется: .

При бета–распаде химический элемент перемещается на одну клетку вправо в периодической системе Менделеева и, кроме электронов, испускается антинейтрино.

Гамма–излучение. Возникает при ядерных превращениях и представляет собой электромагнитное излучение. Имеет высокую энергию.

Э. Резерфорд установил, что воздух сильнее всего ионизуют альфа–лучи, в меньшей степени – бета–лучи и совсем плохо – гамма–лучи. Поэтому проникающая способность оказалась самая малая у альфа–лучей (лист бумаги, несколько сантиметров слоя воздуха), а бета–лучи проходят сквозь алюминиевую пластину толщиной в несколько миллиметров. Очень велика проникающая способность у гамма–лучей (например, для алюминия – пластины толщиной в десятки сантиметров).

Период полураспада

В процессе радиоактивного распада число радиоактивных атомов уменьшается. Распад разных радиоактивных веществ происходит с разной интенсивностью. Например, радиоактивные изотопы йода распадаются значительно быстрее, чем изотопы стронция. Характеристикой интенсивности радиоактивного распада является величина, называемая периодом полураспада.

Периодом полураспада Т называют промежуток времени, в течение которого распадается половина первоначального числа атомов радиоактивного вещества. Чем меньше период полураспада, тем быстрее распадутся все радиоактивные атомы.

Например, имеется 4 • 10 8 атомов радиоактивного изотопа йода, период полураспада которого 25 минут. Это означает, что в течение 25 минут распадается половина ядер изотопа иода, т.е. 2 • 10 8 ядер, а 2 • 10 8 ядер останется нераспавшимися. Еще через 25 минут нераспавшимися останется 10 8 ядер йода, еще через 25 минут — 0,5 • 10 8 ядер и так далее.

Особенностью закона радиоактивного распада является то, что невозможно предсказать, когда произойдет распад каждого конкретного атома. Оно может произойти во время одного периода полураспада, или двух, или трех. Период полураспада относится не к конкретному атому, а к совокупности атомов радиоактивного вещества.

Источник

Физическая природа явления радиоактивности

Атом – это наименьшая частица химического элемента. Он состоит из положительно заряженного ядра, вокруг которого вращаются отрицательно заряженные электроны.

Обычно атом электрически нейтрален, так как суммарный отрицательный заряд всех электронов по абсолютной величине равен положительному заряду ядра.

Ядро атома состоит из положительно заряженных частиц – протонов и нейтральных частиц – нейтронов. За счет протонов ядро имеет всегда положительный заряд. Оба вида этих элементарных частиц носят название – нуклоны.

Масса протона приблизительно равна массе нейтрона. Масса электрона почти в 1840 раз меньше массы протона. Масса ядра атома определяется суммарным количеством нуклонов (протонов и нейтронов). Она выражается в условных единицах массы (масса атома самого легкого элемента Земли – водорода или 1/12 часть массы атома углерода). Это массовое число не только ядра, но и практически всего атома, так как масса электрона слишком мизерна по сравнению с массой ядра.

Заряд ядра равен общему количеству положительных зарядов входящих в его состав протонов и численно равен порядковому номеру элемента в периодической таблице Д.И. Менделеева. В ядре атома каждого химического элемента находится строго определенное количество протонов. Например, в ядре атома водорода содержится один протон, в ядре атома гелия – 2, лития – 3 и т.д. А вот число нейтронов в ядрах атомов даже одного и того же химического элемента может быть различным.

Атомы с одинаковым количеством протонов, но с различным числом нейтронов в ядре, называют изотопами. Большинство химических элементов состоит из нескольких изотопов. Так, обычный водород с единственным протоном (без нейтрона) в ядре имеет изотопы: 1)тяжелый водород – дейтерий, ядро которого содержит один протон и (дополнительно) один нейтрон; 2) сверхтяжелый водород – тритий, ядро которого содержит также один протон, но уже 2 нейтрона. Смесью трех изотопов является природный уран; ядра этих изотопов содержат по 92 протона, но по 146, 143 и 142 нейтрона.

Устойчивость и прочность ядер различных химических элементов зависит от количества в их ядрах протонов и нейтронов и от численного соотношения между ними. Если в ядре атома имеется избыток нейтронов или их дефицит, то прочность ядер атомов снижается. У элементов до порядкового номера 20 число протонов и нейтронов в ядре имеет примерное соотношение 1:1, поэтому ядра этих элементов наиболее устойчивые; с увеличением числа нейтронов по отношению к числу протонов до соотношения 1,6:1 прочность ядер падает, а возможность их распада увеличивается, т.е. усиливается их радиоактивность.

Неустойчивость ядер атомов наиболее тяжелых элементов обусловливает их самопроизвольный распад. Явление самопроизвольного распада ядра атома химического элемента и превращение его в более устойчивое ядро атома другого элемента называется радиоактивностью, а само неустойчивое ядро – радиоактивным.

Каждый такой отдельный акт самопроизвольного превращения ядер с испусканием элементарных частиц или их групп называется радиоактивным распадом.

Читайте также:  Экономические примеры взаимодействия общества и природы

5.1.3 Закон радиоактивного распада

Скорость, с которой распадаются радиоактивные элементы, весьма различна. Она характеризуется так называемой радиоактивной постоянной λ (лямбда), показывающей, какая часть общего числа атомов радиоактивного элемента распадается в 1 сек. Чем больше радиоактивная постоянная, тем быстрее распадается элемент.

Закон радиоактивного распада: за единицу времени распадается всегда одна и та же доля нераспавшихся ядер данного радионуклида.

Скорость радиоактивного распада не остается неизменной во все время распада (так как всегда распадается одна и та же часть наличного числа атомов). Отсюда следует, что если в течение некоторого времени разложилась половина имевшегося радиоактивного элемента, то в следующий такой же промежуток времени разложится половина остатка, т. е. вдвое меньше, еще в следующий – вдвое меньше, чем в предыдущий, и т. д.

Промежуток времени, в течение которого распадается половина первоначального количества радиоактивного элемента, называется периодом полураспада. Эта величина характеризует продолжительность жизни элемента. Для различных радиоактивных элементов она колеблется в колоссальных пределах – от долей секунды до миллиардов лет. В частности, период полураспада радия равен 1620 годам, т. е. определенное количество радия, сколько бы его ни было, уменьшается вдвое за 1620 лет.

5.1.4 Единицы измерения активности
радиоактивных веществ (РВ)

Активность есть мера интенсивности распада РВ и определяется как количество распадов ядер атомов РВ в единицу времени, т.е. как скорость распада ядер.

Чем меньше период полураспада, тем большая доля ядер атомов РВ распадается в единицу времени, тем большую опасность это РВ несет для человека и окружающей среды.

В связи со значением Т1/2 количество РВ удобнее выражать не в весовых единицах, а в единицах активности.

Единицей измерения активности в международной системе единиц «СИ» является беккерель (1 Бк) – это активность радионуклида, когда в радиоактивном источнике за время 1 секунду происходит 1 распад: 1 Бк = 1 распад/с.

Чаще приходится эту мизерную единицу увеличивать за счет добавки приставок:

1 МБк (мегабеккерель) = 1 · 10 6 Бк,

1 ГБк (гигабеккерель) = 1 · 10 9 Бк,

1 ТБк (тегабеккерель) = 1 · 10 12 Бк.

На практике большее применение получала внесистемная единица измерения активности – кюри. 1 Ки (кюри) равен активности нуклида в радиоактивном источнике, в котором за 1 секунду происходит 37 миллиардов распадов (3,7 · 10 10 Бк):

1 Ки = 3,7 · 10 10 Бк, такой активностью обладает 1г радия.

1 Бк = 1 расп./с = 2,703 · 10 -11 Ки.

5.1.5 Радиоактивные ряды

Самопроизвольный распад радиоактивных ядер приводит к непрерывному уменьшению числа атомов (ядер) исходного радиоактивного изотопа и образованию дочерних продуктов. Следовательно, один радиоактивный элемент путем распада может превратиться в другой. Если этот второй элемент радиоактивен, то распадаясь, он превращается в третий элемент, и так далее до тех пор, пока не получится элемент, не способный разрушаться.

Ряд элементов, образующихся в результате распада один из другого, называется радиоактивным рядом.

Примером могут служить элементы, являющиеся продуктами превращения радия. При распаде радия получается радон– радиоактивный элемент, который в свою очередь распадается с образованием радия А. Последний тоже радиоактивен и при распаде образует один за другим ряд новых радиоактивных элементов – радий В, радий С и т. д. Конечным продуктом распада является радий G, представляющий собой вполне устойчивый элемент, по химическим свойствам тождественный обыкновенному свинцу.

Кроме радия, подобным же образом распадаются уран, торий и актиний, обладающие радиоактивными свойствами. Изучение этих превращений показало, что сам радий является лишь промежуточным звеном в длинной цепи продуктов превращения урана.

Известны три ряда природных радиоактивных элементов; первый начинается с урана, ат. вес 238; второй – с тория, ат. вес 232; третий– с изотопа урана – актино-урана, ат. вес 235. Эти три ряда получили название рядов распада урана, тория и актиния.

Конечным продуктом превращений во всех трех рядах является свинец.

Открыт четвертый радиоактивный ряд, начинающийся с искусственно получаемого элемента нептуния и заканчивающийся висмутом.

Ионизирующие излучения

5.2.1. Виды и характеристика ионизирующих излучений

Процессы самопроизвольных распадов и последовательных превращений ядер атомов сопровождаются выбросом из них энергии в виде высокоскоростных потоков элементарных частиц и коротких электромагнитных волн. Эти энергетические излучения вызывают ионизацию нейтральных атомов биологической ткани и поэтому называются ионизирующими излучениями (ИИ).

Различают следующие основные виды ИИ: альфа -частицы, бета -частицы, протоны, нейтроны, , гамма-лучи, рентгеновские лучи. Из общего числа (около 2 тысяч) известных ныне радиоактивных изотопов лишь около 300 являются природными, остальные получены искусственным путем в результате ядерных реакций.

Все виды излучений характеризуются по их ионизирующей и проникающей способности. Ионизирующая способность определяется удельной ионизацией, т.е. числом пар ионов, создаваемых частицей либо волной в единице объема, массы, среды или на единице длины пути (пробега).

Проникающая способность излучений определяется величиной пробега в воздухе и более плотной среде.

Ионизирующие излучения бывают следующего происхождения.

Альфа-излучение – это поток ядер относительно тяжелых (4у.е.м.) положительно заряженных атомов гелия, испускаемых при радиоактивном распаде тяжелых изотопов (урана, радия, иридия, полония, плутония). Альфа-частицы обладают сильной ионизирующей и незначительной проникающей способностью. В воздухе они проникают на глубину 2–9 см, а в биологической ткани – 0,02–0,06 мм, задерживаются листом бумаги, тканью одежды. Альфа-излучение особо опасно при попадании его источника внутрь организма с пищей или с вдыхаемым воздухом.

Бета-излучение – это поток электронов или позитронов (положительно заряженных частиц с массой, равной массе электрона). Они испускаются ядрами большинства изотопов (свыше 1000) радиоактивных элементов при их бета-распаде. Проникающая способность бета-частиц из-за малой массы выше, чем у альфа-частиц – в воздухе может составлять до 20 метров. В биологической ткани они проникают на глубину до 2 см, одеждой задерживается только частично. Но их ионизирующая способность значительно меньше, чем у альфа-частиц. Бета-излучение опасно для здоровья человека как при внешнем, так и при внутреннем облучении.

Протонное излучение – это поток протонов, составляющих основу космического излучения, а также при ядерных взрывах. Их пробег в воздухе и проникающая способность занимают промежуточное положение между альфа- и бета- излучением.

Нейтронное излучение – поток нейтронов, наблюдаемых при ядерных взрывах, особенно нейтронных боеприпасов, при работе ядерного реактора, при спонтанном делении ядер тяжелых радиоактивных элементов. Они глубоко проникают во всякое вещество, включая и живые ткани. Путь пробега в воздухе – до 4км. Последствия его воздействия на окружающую среду зависят от начальной энергии нейтрона, которая может меняться в широких пределах (0,025–300 МэВ).

Гамма-излучение – электромагнитное излучение, возникающее в некоторых случаях при альфа и бета-распаде. Проникающая способность гамма-излучения в воздухе до 1,5 тысяч метров. Ионизирующая способность значительно меньше, чем у вышеперечисленных видов излучений. Часть гамма-квантов проходит через биологическую ткань, не причиняя ей вреда, другая – поглощается ею.

Рентгеновское излучение – фотонное излучение, генерируемое рентгеновскими аппаратами. Его энергия невелика (не превышает 0,2 МэВ). Поэтому оно менее опасно для здоровья и используется для диагностики заболеваний человека.

Источник

Радиоактивность

Известно 2500 атомных ядер, и 90 % из них являются нестабильными.

Радиоактивность – это способность нестабильных ядер превращаться в другие ядра с испусканием частиц.

Большие ядра получают нестабильность, как результат конкурирования притяжения нуклонов ядерными силами и кулоновского отталкивания протонов. Стабильных ядер с зарядовым числом Z > 83 и массовым числом A > 209 не существует. Однако радиоактивными свойствами могут обладать ядра атомов со значимо меньшими значениями чисел Z и A . Когда в составе ядра количество протонов существенно превышает число нейтронов, нестабильность объясняется излишком энергии кулоновского взаимодействия. Если же ядро содержит больше нейтронов, оно становится нестабильным, как следствие факта, что масса нейтрона больше массы протона. Если увеличивается масса ядра, растет и его энергия.

Явление радиоактивности открыл физик А.Беккерель в 1896 году: было обнаружено, что соли урана испускают неизвестное излучение, имеющее способность проходить сквозь препятствия и вызывать почернение фотоэмульсии. А спустя пару лет физики М. и П. Кюри зафиксировали радиоактивность тория и открыли два новых радиоактивных элемента – полоний Po 84 210 и радий Ra 88 226 .

В дальнейшем за изучение природы радиоактивных излучений принимались многие ученые, например, Э. Резерфорд со своими учениками. Было обнаружено, что радиоактивные ядра способны испускать три вида частиц: положительно заряженные, отрицательно заряженные и нейтральные.

α -, β — и γ -излучения – это излучения, на которые способны радиоактивные ядра (соответственно заряженное положительно, отрицательно и нейтрально).

Рис. 6 . 7 . 1 отображает схему опыта, результатом которого стало обнаружение сложного состава радиоактивного излучения. В магнитном поле α — и β -лучи отклоняются в противоположных друг другу направлениях (отклонение β -лучей значимо больше); γ -лучи в магнитном поле вообще не получают отклонения.

Рисунок 6 . 7 . 1 . Схема эксперимента по обнаружению α -, β — и γ -излучений. К – свинцовый контейнер, П – радиоактивный препарат, Ф – фотопластинка, B → – магнитное поле.

Обнаруженные учеными три типа радиоактивных излучений имеют существенные отличия друг от друга в отношении способности ионизировать атомы вещества, а значит и по проникающей способности. Наименьшая проникающая способность характерна для α -излучения. В воздушной среде при нормальных условиях α -лучи проходят путь в несколько сантиметров. β -лучи, в свою очередь, менее поглощаемы веществом. Они имеют возможность проходить сквозь слой алюминия толщиной в несколько м м . Наконец, наибольшая проникающая способность принадлежит γ -лучам, имеющим способность проникать через слой свинца толщиной 5 – 10 с м .

В 20 -х годах XX века, после того, как Э. Резерфорд открыл ядерное строение атомов, появилось твердое утверждение, что радиоактивность является свойством атомных ядер. В ходе изучения было определено, что α -лучи есть поток α -частиц – ядер гелия He 2 4 , β -лучи представляют собой поток электронов, а γ -лучи — это коротковолновое электромагнитное излучение при очень малой длине волны λ < 10 – 10 м и, как следствие, ярко выраженных корпускулярных свойствах (эти лучи есть поток частиц – γ -квантов).

Рассмотрим подробнее существующие виды радиоактивного распада.

Альфа-распад

Альфа-распад – это самопроизвольное преобразование атомного ядра с числом протонов Z и нейтронов N в иное (дочернее) ядро, в котором содержится число протонов Z – 2 и нейтронов N – 2 , сопровождающееся испусканием α -частицы – ядра атома гелия He 2 4 .

Читайте также:  Детская фэшн съемка на природе

Образцом альфа-распада может служить α -распад радия:

Ra 88 226 → Rn 86 222 + He 2 4

α -частицы, которые испускают ядра атомов радия, Резерфорд применял, проводя экспериментальное рассеивание на ядрах тяжелых элементов. Измерение по кривизне траектории в магнитном поле установило скорость α -частиц, испускаемых при α -распаде ядер радия: порядка 1 , 5 · 10 7 м / с . Размер кинетической энергии при этом — примерно 7 , 5 · 10 – 13 Д ж (около 4 , 8 М э В ). Эта величина несложно определяется, когда известны значения масс материнского и дочернего ядер и ядра гелия. Скорость испускаемой α -частицы очень велика, однако она равна лишь 5 % от скорости света, т.е. в расчетах допустимо использовать нерелятивистское выражение для кинетической энергии.

Также результатом исследований стал факт, что радиоактивное вещество способно испускать
α -частицы с несколькими дискретными значениями энергий. Объяснение этому явлению заключается в способности ядер находиться, аналогично атомам, в различных возбужденных состояниях. В одном из таких состояний может оказаться дочернее ядро при α -распаде. Далее ядро переходит в основное состояние, и испускается γ -квант. Схема α -распада радия с испусканием α -частиц с двумя значениями кинетических энергий указана на рис. 6 . 7 . 2 .

Рисунок 6 . 7 . 2 . Энергетическая диаграмма α -распада ядер радия. Продемонстрировано возбужденное состояние ядра радона Rn * 86 222 . При переходе из возбужденного состояния ядра радона в основное происходит излучение γ -кванта с энергией 0 , 186 М э В .

Итак, α -распад ядра во множестве случаев происходит совместно с γ -излучением.

Теория α -распада также содержит предположение о возможном образовании ядер групп, включающих в себя два протона и два нейтрона, т. е. α -частицу. Материнское ядро служит для
α -частиц потенциальной ямой, ограниченной потенциальным барьером. Количество энергии
α -частицы в ядре не хватает, чтобы преодолеть данный барьер (рис. 6 . 7 . 3 ).

Испускание α -частицы из ядра возможно лишь благодаря такому квантово-механическому явлению, как туннельный эффект.

Квантовая механика гласит, что существует неравная нулю вероятность прохождения частицы под потенциальным барьером. Явление туннелирования носит вероятностный характер.

Рисунок 6 . 7 . 3 . Туннелирование α -частицы сквозь потенциальный барьер.

Бета-распад

В процессе бета-распада ядро испускает электрон. Вообще существование в ядре электрона невозможно, т.е. появление электрона – лишь результат β -распада, сопровождающегося превращением нейтрона в протон. Такой процесс происходит как внутри ядра, так и со свободными нейтронами. Среднее время жизни свободного нейтрона равно примерно 15 минутам. При радиоактивном распаде нейтрон n 0 1 превращается в протон p 1 1 и электрон e — 1 0 .

В результате измерений было выявлено, что при бета-распаде наблюдается кажущееся нарушение закона сохранения энергии, поскольку суммарно энергия протона и электрона, появившихся при распаде нейтрона, меньше энергии нейтрона. В 1931 году В. Паули предположил выделение при распаде нейтрона еще одной частицы с нулевыми значениями массы и заряда, уносящей с собой часть энергии.

Нейтрино (маленький нейтрон) – частица с нулевыми значениями массы и заряда, возникающая при распаде нейтрона. Была открыта в 1953 году.

Нейтрино плохо взаимодействует с атомами вещества, поскольку не обладает зарядом и массой, и вследствие этого ее обнаружение в ходе эксперимента очень затруднительно. Ионизирующая способность нейтрино является настолько малой, что один акт ионизации в воздухе приходится приблизительно на 500 к м пути. На данный момент известно, что существует несколько типов нейтрино.

Электронный антинейтрино – частица, возникающая вследствие распада нейтрона и обозначаемая v e

Запись реакции распада нейтрона выглядит так:

n 0 1 → p 1 1 + e — 1 0 + v e

Те же явления происходят внутри ядер при β -распаде. При распаде одного их ядерных нейтронов образуется электрон, сразу же выбрасываемый из «родительского дома» (ядра) с очень большой скоростью, отличающейся от скорости света на небольшую долю процента. Поскольку распределение энергии, выделяющейся при β -распаде, между электроном, нейтрино и дочерним ядром имеет случайный характер, β -электроны способны обладать разными скоростями в широком интервале значений.

β -распад сопровождается увеличением зарядового числа Z на единицу при неизменности массового числа A . Дочернее ядро в данном случае есть ядро одного из изотопов элемента, чей атомный номер в периодической системе Менделеева на единицу превышает атомный номер исходного ядра. В качестве характерного примера β -распада можно рассмотреть преобразование изотона тория
Th 90 234 , возникающего при α -распаде урана U 92 238 , в протактиний Pa 91 234 :

Th 90 234 → Pa 91 234 + e — 1 0 + v e

Совместно с электронным β -распадом было определено такое явление, как позитронный β + -распад: ядро испускает позитрон e + 1 0 и нейтрино v e 0 0 .

Позитрон является частицей-двойником электрона, отличающейся от него лишь знаком заряда.

Существование позитрона предсказывалось еще в 1928 г. великим физиком П. Дираком. Спустя несколько лет позитрон обнаружили, как составляющую космических лучей. Позитроны возникают в результате реакции преобразования протона в нейтрон по следующей схеме:

p 1 1 → n 0 1 + e 1 0 + v e 0 0

Гамма-распад

В отличие от α — и β -радиоактивности, γ -радиоактивность ядер не имеет связи с изменением внутренней структуры ядра, а также при гамма-распаде не изменяется зарядовое или массовое число. При α — или β -распаде дочернее ядро способно войти в некоторое возбужденное состояние и получить излишнюю энергию. Переход ядра из возбужденного состояния в основное происходит совместно с испусканием одного или более γ -квантов, чья энергия способна достигать уровня нескольких М э В .

Закон радиоактивного распада

Любой образец радиоактивного вещества имеет в своем составе множество радиоактивных атомов. Поскольку для процесса радиоактивного распада характерна случайность, не зависящая от внешних условий, то закономерность в убывании количества N ( t ) нераспавшихся к данному моменту времени t ядер становится важнейшей статистической характеристикой процесса радиоактивного распада.

Допустим, число нераспавшихся ядер N ( t ) изменилось на Δ N < 0 в течение небольшого промежутка времени Δ t . Поскольку вероятность распада каждого ядра неизменна во времени, то количество распадов пропорционально количеству ядер N ( t ) и промежутку времени Δ t :

Коэффициент пропорциональности λ – это вероятность распада ядра за время Δ t = 1 с .

Это выражение означает, что скорость d N d t изменения функции N ( t ) прямо пропорциональна самой функции.

Такая зависимость имеет место во многих физических процессах (к примеру, при разряде конденсатора через резистор). Решение этого уравнения дает возможность записать экспоненциальный закон:

N ( t ) = N 0 e – λ t

Здесь N 0 является начальным числом радиоактивных ядер при t = 0 .

Среднее время жизни радиоактивного ядра, обозначаемое, как τ , и равное: τ = 1 λ — это время, за которое количество нераспавшихся ядер уменьшается в e ≈ 2 , 7 раза.

В целях практического применения закон радиоактивного распада оптимально записать в ином виде, беря за основание число 2 , а не e :

N ( t ) = N 0 · 2 – t T .

Период полураспада, обозначаемый, как Т , – это время, за которое произойдет распад 1 2 первоначального количества радиоактивных ядер.

Величины τ и Т связаны друг с другом соотношением:

T = 1 λ ln 2 = τ ln 2 = 0 , 693 τ

Рисунок 6 . 7 . 4 дает представление о законе радиоактивного распада.

Рисунок 6 . 7 . 4 . Закон радиоактивного распада.

Период полураспада является основной величиной, описывающей скорость радиоактивного распада. Чем меньше Т , тем интенсивность распада выше. Например, для урана T ≈ 4 , 5 млрд лет, а для радия период полураспада составляет примерно 1600 лет: таким образом, активность радия во много раз больше, чем активность урана. Существуют радиоактивные элементы с периодом полураспада в доли секунды.

При α — и β -радиоактивном распаде дочернее ядро тоже может стать нестабильным. Т.е. допустимы серии последовательных радиоактивных распадов, заканчивающихся тем, что образуются стабильные ядра. В природе существует несколько подобных серий. Самая длинная серия — серия
U 92 238 , включающая в себя 14 последовательных распадов ( 8 α -распадов и 6 β -распадов). Эта серия заканчивается стабильным изотопом свинца Pb 82 206 (рис. 6 . 7 . 5 ).

Рисунок 6 . 7 . 5 . Схема распада радиоактивной серии U 92 238 с указанием периодов полураспада.

Известно еще несколько радиоактивных серий, подобных серии U 92 238 . Существует последовательность от нептуния Np 93 237 (не обнаруженного в естественных условиях) до висмута Bi 83 209 . Эта серия радиоактивных распадов характерна для ядерных реакторов.

Радиоактивность была интересным образом использована в методе, который используется для датирования археологических и геологических находок. Датирование производится на основании концентрации радиоактивных изотопов. Чаще применяют радиоуглеродный метод датирования. Нестабильный изотоп углерода C 6 14 появляется в атмосфере в результате ядерных реакций, которые вызываются космическими лучами. Малый процент этого изотопа имеется в воздухе совместно с обычным стабильным изотопом C 6 12 . Растения и прочие организмы потребляют углерод из воздуха, накапливая оба изотопа в такой же пропорции, что и в воздушной среде. Растение гибнет и, естественно, перестает потреблять углерод, тогда нестабильный изотоп в результате β -распада постепенно превращается в азот N 7 14 с периодом полураспада 5730 лет. Точным измерением относительной концентрации радиоактивного углерода C 6 14 в останках древних организмов возможно установить время их гибели.

Радиоактивное излучение всех типов (альфа, бета, гамма, нейтроны), а также электромагнитная радиация (рентгеновское излучение) оказывают сильнейшее биологическое воздействие на живые организмы. Это воздействие включает в себя процессы возбуждения и ионизации атомов и молекул, составляющих живые клеток. Воздействуя на клетки, ионизирующая радиация разрушает сложные молекулы и клеточные структуры, следствием чего является лучевое поражение организма, а потому крайне важны меры радиационной защиты людей, работающих с неким источником радиации и имеющим шанс попасть в зону действия излучения.

Серьезность проблемы в том, что человек может испытать на себе действие ионизирующей радиации и в бытовых условиях. Особую опасность для здоровья человека представляет инертный, бесцветный, радиоактивный газ радон Rn 86 222 . Схема, изображенная на рисунке 6 . 7 . 5 , демонстрирует, что радон — продукт α -распада радия с периодом полураспада T = 3 , 82 сут. Радий в небольших количествах содержится в почве, в камнях, в разного рода строительных конструкциях. Концентрация радона имеет относительно небольшое время жизни, но постоянно пополняется в результате новых распадов ядер радия, поэтому радон может накапливаться в закрытых помещениях. Попав в легкие, радон испускает α -частицы и преобразуется в полоний Po 84 218 , не являющийся химически инертным. Далее происходит цепь радиоактивных преобразований серии урана (рис. 6 . 7 . 5 ). По данным Американской комиссии радиационной безопасности и контроля, человек в среднем получает 55 % ионизирующей радиации за счет радона и только 11 % за счет медицинских процедур. Доля космических лучей здесь — около 8 % . Общая доза облучения, получаемая человеком за жизнь, много меньше предельно допустимой дозы (ПДД), установленной для людей некоторых профессий, которые подвергаются дополнительному облучению ионизирующей радиацией.

Источник