2.1. Радиоактивный распад

Радиоактивный распад вызывает непрерывное уменьшение числа атомов радиоактивных элементов. Количественный закон уменьшения радиоактивности был установлен Пьером Кюри в 1903 г. Согласно этому закону излучение любого количества радиоактивного вещества ослабевает вдвое в строго определенный для данного элемента промежуток времени – период полураспада . Т.о. период полураспада характеризует время, в течение которого распадается ровно половина первоначального числа ядер. Это свидетельствует о том, что радиоактивный распад является статистическим процессом, вероятность распада данного радиоактивного ядра постоянна и не зависит от присутствия или отсутствия других радиоактивных ядер. Скорость, с которой эти радиоактивные ядра распадаются зависит от их числа в данный момент времени и выражается соотношением

где N – число радиоактивных ядер в момент времени t;

- постоянная радиоактивного распада. Она является характеристикой рассматриваемых радиоактивных ядер, позволяющей оценить скорость их превращения. Она показывает долю ядер, распадающихся в единицу времени (количество распадов в секунду), единица измерения - .

- определенная и неизменная величина.

где – число радиоактивных ядер в момент времени T = 0.

Если за t принять период полураспада , то N – число радиоактивных ядер в момент времени t. И тогда для данного вида ядер данного радионуклида (значения определены и сведены в специальные таблицы). Закон радиоактивного распада может иметь вид:

2.2. Активность радионуклидов. Единицы измерения активности

Каждый радиоактивный распад сопровождается выделением энергии, которая передается в виде излучения. При измерении радиоактивности определяется число атомов, распадающихся в единицу времени.

Активность радионуклида – это число спонтанных ядерных превращений dN этого нуклида за малый промежуток времени dt, деленное на это время (или число распадов в секунду в радиоактивном образце):

где N – количество радиоактивных атомов к определенному моменту времени t;

- постоянная распада.

Данная формула показывает, что активность пропорциональна количеству радионуклидов к моменту времени определения активности.

В СИ активность измеряют в беккерелях (Бк).

1 Бк = 1 распад/c

Количество радионуклидов в объектах окружающей среды принято выражать по отношению к массе вещества (Бк/кг).

Внесистемная единица активности – кюри (Ки).

2.3. Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом

Источниками ионизирующего излучения являются естественные и искусственные радионуклиды, ядерные реакторы, ускорители и космическое излучение. По своей природе и характеру воздействия носители ионизирующего излучения подразделяются на:

• заряженные частицы (протоны, -частицы, продукты деления ядер и др.);

• не имеющие заряда (нейтроны);

• фотоны (рентгеновское и -излучение).

Для каждого вида излучений характерен свой способ взаимодействия с веществом, однако итог любого типа взаимодействия является ионизация атомов или молекул облучаемого вещества.

По характеру действия ионизирующие излучения делятся на:

• непосредственно ионизирующие (заряженные частицы);

• косвенно ионизирующие (незаряженные частицы и фотоны).

Ионизация осуществляется за счет вырывания отдельных электронов из электронных оболочек нейтральных атомов и молекул. Вследствие чего атомы или молекулы приобретают положительный заряд – первичная ионизация.

Вырванные из оболочек электроны могут обладать энергией, достаточной для того, чтобы вызвать ионизацию других нейтральных атомов или молекул на их пути. Ионизацию выбитыми электронами называют вторичной ионизацией.

При вторичной ионизации могут выбиваться как электроны, так и протоны и др. элементарные частицы. Если энергия, переданная молекуле или атому меньше энергии, необходимой для вырывания электронов, то ионизация не происходит, но могут возникать возбужденные молекулы и атомы. Они обладают избыточной энергией.

Реакции с участием ионов и возбужденных молекул имеют чрезвычайно важное значение. Они лежат в основе многих химических процессов, в том числе и биологически важных. С ними связаны отрицательные последствия воздействия радиации на организм человека.

Исследования показали, что радиоактивное излучение является сложным по своему составу. Так, если препарат радия, заключенный в свинцовую камеру с отверстием в одной из стенок, поместить в сильное магнитное или электрическое поле, то проникающий наружу пучок излучения разделится на 3 ветки. Лучи, отклоняющиеся к отрицательному полюсу, назвали альфа-лучами; лучи, отклоняющиеся к положительному полюсу – бета-лучами; лучи, не отклоняющиеся ни к положительному, ни к отрицательному полюсам, - гамма-лучами.

Радиоактивность вещества в большинстве случаев испускает один основной, свойственный им тип излучения – альфа- или бета-лучи, часто сопровождающийся гамма-излучением.

Альфа-лучи представляют собой поток частиц, каждая из которых состоит из двух протонов и двух нейтронов и является ядром гелия.

Скорость вылета альфа-частиц достигает от 10 тысяч до 25 тысяч километров в секунду, а путь пробега в воздухе равен 37 сантиметров. Длина пути пробега зависит от скорости частицы и плотности среды. В тканях этот путь измеряется десятками микрон, для поглощения их достаточно листа писчей бумаги или обычной одежды. Однако ввиду крупной массы альфа-частицы обладают высокой ионизирующей способностью. Плотность ионизации, то есть число пар ионов, образованных на единицу пути пробега, достигает в среднем 30 тысяч на 1 см. Поэтому поражения живых объектов на этом участке пути весьма значительны. К концу пути пробега альфа-частицы присоединяют к себе недостающие электроны и превращаются в атомы гелия.

Примером альфа-распада может служить распад изотопов урана:

При внешнем облучении альфа-частицы опасности не представляют, однако при попадании внутрь организма радиоактивных веществ они могут вызывать тяжелые поражения.

Бета-лучи представляют собой поток быстрых электронов или позитронов. Скорость движения их от 250 тысяч до 300 тысяч км/с. Путь пробега в воздухе достигает 15 метров, в воде и тканях организма – от 0,2 до 5 метров. Плотность ионизации у бета-частиц значительно меньшая, чем у альфа-частиц: на 1 см пробега бета-частица образует от 40 до 150 пар ионов.

Обладая значительной проникающей способностью, бета-лучи поражают людей, как при наружном облучении, так и при попадании внутрь организма веществ, которые их излучают. Они могут вызвать лучевой ожог незащищенных кожных покровов и органов зрения. Зимняя одежда и защитные очки с толщиной стекол 3-4 мм защищают от внешнего бета-излучения.

Гамма-лучи – это поток квантов, несущих энергию от 500 кЭв (килоэлектрон-вольт) до 2 МЭв (мегаэлектрон-вольт), распространяющихся со скоростью света. Свободный пробег в воздухе достигает сотен метров. Ионизирующая способность гамма-лучей в тысячу раз меньшая, чем альфа-лучей: на 1 см пробега гамма-квант образует всего несколько пар ионов. Между тем гамма-лучи обладают высокой проникающей способностью и поэтому считаются наиболее опасными (рис.1).

Рис 1

Для характеристики их проникающей способности пользуются величиной, называемой слоем половинного ослабления. Это такая толщина слоя вещества, при котором интенсивность проходящих гамма-лучей снижается в два раза.

Слой половинного ослабления гамма-лучей на следе радиоактивного облака для стали равен 1,8 см, бетона –5,6; грунта земли – 8,4; дерева – 21,4; воды – 12,2 см, воздуха – 150 м.

Толщина этого слоя для гамма-лучей, образовавшихся при ядерном взрыве, значительно возрастает и будет равна для стали – 3,8 см, бетона – 15, грунта – 19, дерева – 58, воды – 38, снега – 50 см.

При разрывах ядерных бомб в большом количестве образуются нейтроны. Их путь пробега в воздухе достигает несколько тысяч метров. В результате своей нейтральности они обладают высокой проникающей способностью, легко встречаются с ядрами атомов элементов и, бомбардируя их, создают наведенную радиоактивность многих элементов (натрия, калия, йода и т.д.).

Наибольшую опасность внешнего облучения в момент ядерного взрыва составляют гамма-лучи и поток нейтронов, распространяющихся в зависимости от мощности ядерной бомбы.

Итак, при радиоактивном распаде ядер химических элементов выделяются альфа- и бета-частицы, а также гамма-лучи. Они обладают определенным запасом энергии. Под действием излучения происходит отрыв электронов от электрически нейтральных атомов и превращение их в заряженные, т.е. ионы. Таким образом, все излучения, представляющие собой потоки электронов и вызывающие ионизацию вещества, называют ионизирующими излучениями. Они способны вызывать свечение.

Другие виды излучения, например видимый свет, инфракрасное излучение, радиоволны, не способны вызывать образование ионов при взаимодействии с атомами. Их называют неионизирующими излучениями.