Учебное пособие по курсу Ядерная безопасность для студентов, обучающихся по направлению Ядерная энергетика и теплофизика
 Скачать 5.76 Mb.
|
1.7 Радиоактивность. Анри Беккерель. Пьер и Мария Кюри. Три вида излучений. Их проникающая способностьДля производства рентгеновского или синхротронного излучения необходим внешний источник энергии. В 1896 г. французский физик Анри Беккерель открыл явление, которое было несколько позже названо радиоактивностью (это название принадлежит Марии Кюри). Беккерель установил, что уран с постоянной интенсивностью испускает проникающее излучение. Вскоре была выявлена радиоактивность еще одного тяжелого элемента - тория. Уран и торий являются довольно распространенными элементами на Земле. В каждой тонне грунта содержится 3г урана и 4-12 г тория. В 1898г. Пьер и Мария Кюри открыли еще два радиоактивных элемента - радий и полоний, со значительно более интенсивным излучением, чем торий и уран. В 1903г. Беккерель, Пьер и Мария Кюри были удостоены Нобелевской премии по физике за открытие радиоактивности. Было показано, что радиоактивное излучение состоит из трех видов частиц, которые назвали альфа, бета, гамма. При прохождении пучка через магнитное поле он разделяется на три составляющих. Под действием силы Лоренца заряженные частицы отклонялись (рис.1.3).   - сила Лоренца, q – заряд частицы, V – скорость, B – индукция магнитного поля . Рисунок 1.3 - Отклонение частиц в магнитном поле Альфа-частицы оказались дважды ионизированными атомами гелия Не++. Бета-частицы - электронами. Гамма - электромагнитным излучением чрезвычайно малой длины волны. Таблица.1.1 - Основные свойства альфа, бета и гамма излучений естественных радиоактивных веществ.
Пробег альфа-частиц в воздухе составляет 10см, бета-частиц 1м, гамма 10-100м. 1.8 Активность. Закон радиоактивного распада. Постоянная распада, среднее время жизни. Период полураспадаДля количественной характеристики интенсивности излучения была введена особая величина – активность - число распадов в единицу времени. Единицами активности являются: 1 Беккерель (Бк) = 1 распад/с (система СИ); 1 Кюри (Кu) = 3.71010 распад/с = 3.71010 Бк (внесистемная единица). Исторически Кu была первой единицей. Численному значению в 1Кu соответствует активность 1г. радия. Позже была введена новая единица 1 Бк=1 распад/с. Эта единица является сегодня основной и входит в систему СИ. Кюри же считается внесистемной. На практике часто приходится использовать кратные и дробные единицы: 1 МКu=106 Кu 1 кКu=103 Кu 1 мкКu=10-6 Кu 1 нКu=10-9 Кu 1 ЭБк = 1018Бк (экса) 1 ПБк = 1015Бк (пета) 1 ТБк = 1012Бк (тера) Закон радиоактивного распада В 1900г Резерфорд обратил внимание, что скорость испускания радиоактивным веществом частиц не остается постоянной, а экспоненциально убывает во времени. Если N(t) - число радиоактивных ядер в момент t, то число ядер, распадающихся за время dt: dN = -Ndt где - константа, называемая постоянной распада. Знак «минус» указывает на уменьшение N. Решение данного уравнения дает: N(t) = N0e-t где N0– число ядер в момент времени t = 0. С помощью данного закона можно найти среднее время жизни радиоактивного ядра. Доля ядер, распавшихся за время dt  Среднее время жизни:  Активность изменяется по тому же закону:  Наряду с постоянной распада часто используется период полураспада. Период полураспада Т1/2 определяется как время, за которое распадается половина первоначального количества ядер.    Рисунок 1.4 - Зависимость активности от времени На рис.1.4 показано изменение активности во времени и соотношение между и Т1/2. Напомним еще несколько определений: Нуклид    Радионуклид – радиоактивный (нестабильный) нуклид Изотоп    Альфа – распад. Энергия -частиц в поле ядра показана на рис.1.5.  Рисунок 1.5 - Потенциальная энергия. -частицы в функции расстояния от центра ядра То, что -частицы выходят из ядра означает, что они каким-то образом преодолевают потенциальный барьер, т.к. энергия -частиц оказывается меньше Emax. Это так называемый туннельный эффект. После излучения -частицы новое ядро часто оказывается в возбужденном состоянии и затем переходит в основное, испуская -кванты,т.е. -распад, как правило, сопровождается -излучением. Ассистенты Резерфорда Гейгер и Нэттол установили закон Гейгера-Нэттола:   Рисунок 1.6 - Графическое изображение закона Гейгера-Нэттола Чем больше энергия -частиц, тем меньше Т1/2. Причем диапазон изменений Т1/2 очень велик. -распаду подвержены большинство тяжелых ядер. Схема α-распада:  т.е. из радионуклида образуется нуклид, в котором на два протона и четыре нуклона меньше. Бета – распад. Существует три вида -распада - - испускается электрон; + - испускается позитрон; Электронный захват - обычно с К-уровня, ближайшего к ядру; протон ядра превращается в нейтрон.  -  электронный захват+  Было обнаружено, что электроны, испускаемые при -распаде, обладают различной энергией от 0 до Emax. Спектр электронов схематически показан на рис.1.7.  Рисунок 1.7 - Спектр электронов, испускаемых при β-распаде Если бы энергия -распада распределялась бы между электроном и дочерним ядром, то в соответствии с законами сохранения энергии и импульса энергия электрона однозначно определялась бы законами сохранения.  , а энергия электрона может быть любой, то закон сохранения энергии нарушается?Решение проблемы было предложено В. Паули в 1932г. Он высказал предположение, что при -распаде испускается еще одна частица – нейтрино. Только в 1956г. было получено прямое экспериментальное доказательство существования нейтрино. Примеры: --распад   +-распад   40К – калий-40 - единственный природный излучатель позитронов. Электронный захват  (хром, ванадий)Гамма-распад. Обычно сопровождает и -распады. Энергия -квантов 1МэВ, т.е. более чем на порядок больше, чем рентгеновское излучение (70 кэВ). |