4.1.2 Естественная радиоактивность.

Изотопы - атомы, ядра которых имеют одинаковые заряды, но разные массовые числа (например, изотопы селена ⁷⁵Se, ⁷⁹Se; изотопы углерода ¹²С, ¹⁴С).

Рис. 4.1 Зависимость энергии связи от атомного номера элемента.

Устойчивость ядер возрастает с увеличением массового числа А и достигает максимума, оставаясь примерно постоянной (от 50 до 110); при А >120 устойчивость ядер уменьшается.

По мере увеличения порядкового номера химического элемента (Z) в периодической таблице число протонов в ядре возрастает, и кулоновские силы отталкивания становятся существенными. У элементов с Z > 82 ядерные силы не способны обеспечивать полную устойчивость ядер, и начинаются процессы их внутренней перестройки. Более тяжелые ядра превращаются в более легкие (с меньшими Z) - происходит радиоактивный распад.

Естественная радиоактивность - спонтанный распад неустойчивых ядер, сопровождающийся -, -, - излучением.

-распад - радиоактивный распад с испусканием -частиц (ядер гелия), при этом массовое число А исходного элемента уменьшается на 4, а число протонов Z уменьшается на 2.

-распад - распад, при котором ядро испускает -частицу -электрон, при этом массовое число А исходного элемента остается неизменным, а число протонов Z увеличивается на 1.

-излучение представляет собой фотонное (электромагнитное) излучение с дискретным спектром, возникающее при изменении энергетического состояния атомных ядер. Испустив -и -частицы, ядро освобождается от избытка энергии, но остаётся в возбужденном состоянии. При переходе из возбужденного состояния в невозбужденное (основное) состояние с более низким уровнем энергии, ядро излучает энергию в виде -квантов.

Рис. 4.2 Дискретный спектр -излучения.

-частицы обладают наибольшей ионизирующей способностью, пробег в воздухе до 3-4 см, в живой ткани 0,1 мм, -частицы экранируются листом бумаги.

-частицы имеют меньшую ионизирующую способность, но обладают большим проникающим действием. Пробег в воздухе до 10 м, в живой ткани 10-15 мм. -частицы экранируются листом алюминия толщиной ~ 5 мм.

-излучение обладает наименьшей ионизирующей способностью, но наибольшей проникающей способностью. Защита от -излучения осуществляется с помощью металлических экранов, толщина которых зависит от материала экрана и энергии -лучей.

4.1.3. Искусственная радиоактивность.

Искусственная радиоактивность - радиоактивность, вызванная искусственным путем. Для этих целей используются высокоэнергетические частицы: - частицы, протоны, ядра тяжелого водорода (дейтроны).

Наиболее распространенным методом получения радиоактивных веществ является облучение исходных материалов нейтронами в специальных ядерных реакторах.

Пример ядерной реакции для получения искусственных радиоактивных изотопов:

4.1.4. Закон радиоактивного распада.

Распад радионуклидов происходит по экспоненциальному закону:

N = N_oe^-t

где N_o - исходное число радиоактивных атомов; N - число оставшихся радиоактивных атомов; t - время;  - постоянная распада.

Для характеристики скорости радиоактивного распада введено понятие - период полураспада VA - время, в течение которого распадается половина от первоначального числа ядер данного радионуклида.

Период полураспада - величина строго постоянная для каждого радионуклида и численное его значение для различных радионуклидов колеблется в очень широких пределах - от долей секунды до миллионов лет. Зная период полураспада или постоянную распада, можно рассчитать изменение числа радиоактивных атомов вещества со временем. Для этой цели удобно пользоваться специальной диаграммой.

Активность радиоактивного вещества (А) - число радиоактивных ядер, распадающихся в единицу времени:

где А_о - активность изотопа в начальный момент;

Т_1/2 - период полураспада;

t - время.

За единицу активности радионуклидов в системе СИ принимается 1 акт распада в 1 секунду. Эта единица называется Беккерель (Бк). Внесистемной единицей активности является Кюри (Ки): 1Ки = 3,710¹⁰Бк.

Важной характеристикой радионуклидного источника является удельная активность - активность единицы массы радиоактивного вещества.

Единица измерения удельной активности в системе СИ -[Бк/кг].

Активность радионуклидного источника определяет интенсивность излучения, которую создаёт данный источник на некотором расстоянии от него.

Интенсивность (I) гамма (рентгеновского) излучения - величина, численно равная энергии (Е), переносимой излучением за единицу времени (t) через единичную площадь поверхности, перпендикулярной к направлению распространения излучения.

Интенсивность излучения на расстоянии R от источника выражается формулой:

Интенсивность излучения обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника излучения.

Если для точечного источника на некотором расстоянии R_o от него известна интенсивность излучения I_о, то интенсивность I, создаваемая этим источником на расстоянии R составит: