Документ Microsoft Word. 1. Физические основы радиоактивности Радиоактивность и сопутствующие ей ионизирующие излучения существовали задолго до зарождения жизни на Земле

• Название: 1. Физические основы радиоактивности Радиоактивность и сопутствующие ей ионизирующие излучения существовали задолго до зарождения жизни на Земле
• Дата: 27.02.2023
• Размер: 330.84 Kb.
• Имя файла: Документ Microsoft Word.docx
• Тип: Документы; #958654
• страница: 2 из 11

2. Ядерные превращения

При радиоактивном распаде происходит превращение тяжелого химического элемента в более легкий. Исходное ядро называется материнским, а получающееся после распада ядро – дочерним. При этом выделяется огромная энергия в виде особого рода лучей. В зависимости от вида частиц, испускаемых при распаде, существует несколько типов ядерных превращений.

1. Альфа-распад характерен для естественных радиоактивных элементов с большим порядковым номером (Z > 82). Он сопровождается испусканием из ядра неустойчивого элемента альфа-частицы, которая представляет собой ядро атома гелия Не (в его составе 2 протона и 2 нейтрона). Таким образом, альфа-лучи представляют собой положительно заряженные частицы – ядра атома гелия, движущиеся со скоростью около 20000 км/c. Заряд ядра уменьшается на 2, массовое число – на 4. Образующийся элемент смещается влево относительно исходного на 2 клетки периодической системы Менделеева.

Альфа-частицы обладают большой массой – 4,003 а.е.м., большой энергией – 2-11 МэВ, проникающая способность в воздухе 2-10 см, в биологических тканях – всего несколько десятков микрометров. Их можно остановить листком бумаги. Однако, проходя через вещество, положительно заряженная альфа-частица постепенно теряет свою энергию, вызывая сильную ионизацию частиц. Поэтому альфа-частицы крайне опасны для человека и животных при попадании в организм (плотно ионизирующее радиоактивное излучение).

2. Бета-распад. Ряд естественных и искусственных радиоактивных изотопов претерпевают распад с испусканием электронов или позитронов. Электроны и позитроны, испускаемые ядрами, называются бета-частицами или бета-излучением, а сами ядра – бета-активными. Таким образом, бета-лучи представляют собой поток быстрых электронов или позитронов, движущихся со скоростью, близкой к скорости света. Бета-распад ядер существует в 3 вариантах.

Если в ядре имеется излишек нейтронов, то происходит электронный бета-распад.

а) Электронный бета-распад характерен как для естественных, так и для искусственных радионуклидов, которые имеют излишек нейтронов (т.е. в основном для тяжелых радиоактивных изотопов). Электронному бета-распаду подвергается около 46% всех радиоактивных изотопов. При этом один из нейтронов превращается в протон, а ядро испускает электрон и антинейтрино – элементарную частицу с массой менее 1/2000 массы покоя электрона. Заряд ядра и соответственно атомный номер элемента при этом увеличивается на единицу, а массовое число остается без изменения. Вновь образовавшийся элемент перемещается в периодической таблице на одну клетку вправо. 

б) Позитронный бета-распад наблюдается у некоторых искусственных радиоактивных изотопов, у которых в ядре имеется излишек протонов. Он характерен для 11% радиоактивных изотопов, находящихся в первой половине таблицы Менделеева (Z<45). При позитронном бета-распаде один из протонов превращается в нейтрон, а ядро испускает позитрон и нейтрино. Заряд ядра и соответственно атомный номер уменьшается на единицу, а массовое число остается без изменений. Вновь образованный элемент перемещается на одну клетку влево. 

В случае первого и второго вариантов бета-распада возникают бета-лучи. Проникающая способность бета-частиц в воздухе до 25 метров, а в биологических тканях – 1-2 см.

 в) Электронный К-захват. При этом процессе ядро атома поглощает один электрон из ближайшей электронной орбитали, в результате чего один из протонов превращается в нейтрон. Порядковый номер нового ядра становится на единицу меньше, а массовое число не изменяется. Ядро испускает нейтрино. Избыток энергии, освободившийся при таком переходе, испускается атомом в виде рентгеновского излучения. Электронный захват характерен для 25% всех радиоактивных ядер, но в основном для искусственных радиоактивных изотопов, имеющих излишек протонов (Z = 45 – 105).


При электронном и позитронном распаде выделяются гамма-фотоны (гамма-лучи), а электронный захват сопровождается рентгеновскими лучами.

Испускание γ-излучения не является видом радиоактивного распада (при этом не происходит превращение элементов). Гамма-излучение представляет собой ионизирующее коротковолновое электромагнитное излучение, возникающее при альфа- и бета-распаде ядер атомов, когда в дочернем ядре оказывается избыток энергии, не захваченный корпускулярным излучением (альфа- и бета- частицей). Этот избыток мгновенно высвечивается в виде гамма-квантов. Гамма-кванты испускаются при альфа- и бета-распадах ядер природных и искусственных радионуклидов, лишены массы покоя, не имеют заряда, поэтому проникающая способность в воздухе составляет 150 метров, в биологических тканях – десятки сантиметров.

Рентгеновское излучениевозникает при торможении электронов в электрическом поле ядра атомов (тормозное рентгеновское излучение) или при перестройке электронных оболочек атомов при ионизации и возбуждении атомов и молекул (характеристическое рентгеновское излучение). Рентгеновское излучение – это электромагнитные волны с длиной волны 10^-5 – 10² нм, возникающие при торможении электронов в электрическом поле атомов вещества. Лучи с большой проникающей способностью были открыты Рентгеном в 1895 г. и впоследствии названы его именем.

Проникающая способностьионизирующих излучений определяется скоростью потери энергии.Глубина проникновения ионизирующих излучений зависит, с одной стороны, от состава и плотности облучаемого объекта, а с другой, – от природы и свойств излучения. Чем больше величина линейной передачи энергии (ЛПЭ), тем меньше проникающая способность излучения в данном веществе. За меру проникающей способности для ускоренных заряженных частиц принимают расстояние, на котором частица замедляется до энергии, близкой к средней энергии теплового движения. Для квантов рентгеновских и гамма-лучей за меру проникающей способности принимают расстояние, на котором мощность излучения падает в е раз (где е – основание натуральных логарифмов). Излучения с высокой проникающей способностью называют жесткими. Если же проникающая способность мала, то такое излучение называют мягким. Однако эти термины весьма относительны, так как, например, бета-излучение по сравнению с альфа-частицами будет жестким, а по сравнению с гамма-лучами – мягким.

Все виды ионизирующих излучений прямо или косвенно вызывают ионизацию или возбуждение атомов вещества, и поэтому возникающие первичные изменения качественно не зависят от вида излучения. Однако при облучении в равных дозах (то есть при одном и том же количестве поглощенной единицей массы вещества энергии) возникают количественно разные биологические эффекты, что связано с ЛПЭ. В зависимости от величины ЛПЭ все ионизирующие излучения делят на редко- и плотноионизирующие. К редкоионизирующим относятся все виды излучения, имеющие ЛПЭ менее 10 кэВ/мкм. Это в основном электроны, а также гамма- и рентгеновские лучи, ионизирующее действие которых также осуществляется электронами. К плотноионизирующим (ЛПЭ > 10 кэВ/мкм) относят протоны, α-частицы и др. тяжелые частицы, а также нейтроны, биологическое действие которых реализуется за счет вторичных ускоренных заряженных частиц. Редкоионизирующие виды излучений отличаются сравнительно высокой проникающей способностью, а плотноионизирующие (кроме нейтронов) проникают в ткани на небольшую глубину. Так, альфа-частицы обладают очень низкой проникающей способностью. Даже в воздухе их пробег равен нескольким сантиметрам, а более плотные вещества (например, ткань или бумага) непроницаемы для α -частиц при толщине в доли миллиметра. Поток α -частиц, падающий на тело человека, из-за малой проникающей способности целиком поглощается в верхних слоях кожи. Вследствие этого α -излучение при внешнем радиационном воздействии совершенно безопасно для человека. Однако если α-активный изотоп попадет с пищей, водой или воздухом внутрь организма, то опасность будет весьма велика, так как испускаемые изотопом внутри тканей α-частицы вызовут очень сильную ионизацию атомов и молекул, а, следовательно, сильное повреждение биологических субстратов, в которых непосредственно поглощается энергия.

Проникающая способность бета-частиц примерно в сто раз больше, чем альфа-частиц. В воздухе они проходят несколько метров, в твердых средах – несколько миллиметров. В связи с этим бета-частицы представляют определенную опасность для жизни и здоровья людей не только при попадании внутрь организма, но и при аппликации на кожные покровы и слизистые оболочки, вследствие чего могут развиться серьезные местные лучевые поражения.

Проникающая способность рентгеновских лучей и гамма-квантов очень велика. Они глубоко проникают даже в плотные среды, а тело человека «пронизывают» насквозь. Например, гамма-кванты с высокой энергией могут проходить через слой земли или бетона толщиной в несколько метров. Весьма велика проникающая способность, сравнимая с проникающей способностью гамма-лучей, у нейтронов. Излучения с высокой проникающей способностью представляют опасность для человека при внешнем облучении.