Лекция 18

Тема 15	РАДИОАКТИВНОСТЬ
Радиоактивность	➨ способность некоторых атомных ядер самопроизвольно (спонтанно) превращаться в другие ядра с испусканием различных видов радиоактивных излучений. Различают естественную и искусственную радиоак-тивность, между которыми нет принципиального различия.
· естественная радиоактивность	➨ наблюдается у неустойчивых изотопов, существующих в природе и имеющих в таблице Менделеева порядковый номер, больший 83 (т.е. Z > 83).
· искусственная радиоактивность	➨ наблюдается у изотопов, полученных посредством ядер-ных реакций в лабораторных условиях;
· открытие естественной радиоактивности	➨ в 1896 г. французский физик А. Беккерель, проводя опы-ты с солями урана обнаружил, что они самопроизвольно (т.е. без воздействий извне) испускают лучи неизвестного типа, которые проходят через бумагу, дерево, металличес-кие пластинки и делают воздух проводником электричес-тва; в 1898 г. Марии и Пьеру Кюри удалось выделить из урановой руды два радиоактивных элемента – полоний Ро и радий .
· радиоактивность элемента	➨ 1) не зависит от того, является ли химический элемент чистым или находится в составе какого-либо химического соединения; 2) не зависит от внешних условий: освещения, давле-ния, температуры это означает, что радиоактивность представляет собой внутреннее свойство атомов радио-активного элемента.
Виды радиоактивных излучений	➨ излучение радиоактивных веществ имеет сложный сос-тав и состоит из трех видов излучений. Состав излучений установлен по их отклонению электрическим и магнитным поля-ми. -излучения отклоняются в разные сто-роны, а излучение не отклоняется.
·	➨ несет положительный заряд; представляет собой ядро атома гелия (состоящее из двух протонов и двух нейтронов), движу-щееся со скоростью м/с.
·	➨ несет отрицательный заряд; представляет собой поток быстрых электронов, движущихся со скоростями, близкими к скорости света.
·	➨ заряда не имеет; представляет собой элек-тромагнитное излучение с длиной волны м.
Свойства излучений	➨ 1) -излучения одновременно испускаются только веществами, содержащими несколько различных радиоактивных элементов; 3)чистый радиоактивный элемент испускает только одноили -излучение или -излучение, каждому из которых сопутствует излучение;
	3) радиоактивное излучение сопровождается выделениемэнергии. Например, 1 г радия за 1 ч выделяет около 582 Дж энергии. 4) все виды излучений имеют различную способность прони-кать сквозь вещество, например: -частица полностью погло-щается листом бумаги толщиной 0,1 мм; -частица погло-щается листом алюминия толщиной 5 мм; лучи погло-щаются лишь наполовину листом свинца толщиной 1 см.
Радиоактивный распад	➨ самопроизвольный распад атомов радиоактивного вещества, в результате которого ядра одних химических элементов превращаются в ядра других элементов.
· материнское ядро (Х)	➨ атомное ядро, испытавшее радиоактивный распад.
· дочернее ядро (Y)	➨ ядро продукта распада.
· нуклид ()	➨ общее название атомных ядер (и атомов) химических эле-ментов, характеризующихся: - число протонов в ядре (порядковый номер элемента в таблице Менделеева); - чис-ло нейтронов; - общее число нуклонов (А – атомная масса данного химического элемента); - символ химического элемента.
Правила радиоактивного смещения	➨ правила, позволяющие установить, какое ядро возникает в результате распада данного материнского ядра.
· - распад	➨ если при радиоактивном превращении испускаются -частицы, то в результате такого превращения образуется ядро элемента, находящегося в таблице Менделеева на две клетки раньше исходного ядра плюс ядро атома гелия (или -частица), например:

· -распад	➨ если при радиоактивном превращении испускаются -частицы, то в результате такого превращения образуется ядро элемента, находящегося в таблице Менделеева: · при - распаде - в следующей после исходного ядра клетке плюс электрон («0» означает, что масса электрона много меньше массы атома) иантинейтрино (частица, не имеющая заряда и масса покоя которой равна нулю), например: +
· - распад +
· возникновение электрона и антинейтрино	➨ процесс - распадапротекает так, как если бы один из нейтронов ядра превратился в протон , испустив электрон и антинейтрино : + +
· - распад +	· при - распаде - в клетке, предшествующей исходному ядру плюспозитрон (положительная заряженная частица с зарядом и массой электрона) инейтрино (частица не име-ющая заряда и масса покоя которой равна нулю), например: +
· возникновение позитрона и нейтрино	➨ процесс - распадапротекает так, как если бы один из протонов ядра превратился в нейтрон , испустив при этом позитрон и нейтрино : + +
Закон радиоактивного распада	➨ число нераспавшихся атомов при естественном радиоак-тивном распаде экспоненциально уменьшается с течением времени. Число радиоактивных атомов по истечении времени: - в момент времени ; - в начальный момент времени (); - одного периода полураспада (); - двух периодов полураспада (); - периодов полураспада ( );
или
· статистический характер радиоактивного распада	➨ радиоактивный распад является статистическим процессом и распад данного ядра является случайным событием, имеющим определенную вероятность.
· постоянная радиоактивного распада	[c^-1]	➨ численно равна доле ядер, распадающихся в единицу времени.
Период полураспада [c]	➨ время, в течение которого распадается половина первоначального количества радиоактивных атомов. Оно определяется условием:
Среднее время жизни радиоактивного ядра [c]	➨ промежуток времени, за который число нераспавшихся ядер уменьшается в раз.
Радиоактивные ряды (семейства)	➨ цепочки радиоактивных превращений ядер химических элементов, в которых каждый последующий возникает в результате или распадов предыдущего; получивше-еся дочернее ядро, как правило, само является радиоактив-ным; цепочка превращений продолжается до тех пор, пока очередное дочернее ядро не будет стабильным.
· семейства естественно радиоактивных химических элементов	Семейство	Исходное ядро	Конечное стабильное ядро
Уран		(свинец)
Актиний		(свинец)
Торий		(свинец)
Нептуний		(висмут)
Методы наблюдения и регистрации элементарных частиц	➨ все методы основаны на взаимодействии заряженных и нейтральных частиц с веществом.
· приборы для регистрации радиоактивных излучений и частиц	➨ 1 группа – приборы, позволяющие регистрировать про-хождение частицы через определенный участок простран-ства и определять ее характеристики (сцинтилляционный счетчик, счетчик Гейгера-Мюллера);
2 группа – приборы, позволяющие наблюдать (фотографи-ровать) следы (треки) частиц в веществе (камера Вильсона, пузырьковая камера, толстослойные фотоэмульсии)
· метод сцинтилляций (спинтарископ Крукса – 1913 г.)	➨ метод используется для измерения интенсивности излучения и применяется в дозиметрии.
➨ спинтарископ представляет собой камеру, дно которой покрыто люминофором (сернистый цинк) – веществом, светящимся под ударами -частиц. Около дна расположена игла, на острие которой нанесены ничтожные следы радиоактивного вещества. Вылетавшие из него заряженные частицы попадали на люминофор и вызывали сцинтилляции, которые можно было наблюдать и подсчитывать с помощью лупы, находившейся в верхней части камеры. Сцинтилляция – вспышка света, возникающая при попадании заряженной частицы в среду, обладающую способностью люминесцировать.
· счетчик Гейгера-Мюллера (1908 г.)	➨ прибор для автоматического счета частиц, действие которого основано на ударной ионизации. Используется для регистрации отдельных частиц и определения интенсивности излучения.
➨ счетчик выполнен в виде тонкостенного цилиндра, заполненного инертным газом (аргоном). На внутреннюю поверхность счетчика нанесен слой металла, служащий катодом. По оси цилиндра расположена тонкая, изолированная от корпуса, металлическая нить, служащая анодом. На электроды подается высокое напряжение. При попадании ионизирующей частицы в цилиндр в газе образуются свободные электроны, которые движутся к аноду. Электроны ускоряются электрическим полем и, сталкиваясь с молекулами газа, ионизируют их. Число ионов растет лавинообразно. Возникает разряд, который обрывается включением сопротивления . Электрические импульсы во внешней цепи усиливаются и регистрируются счетчиком. Счетчик Гейгера-Мюллера регистрирует суммарное количество событий без определения характеристик ионизирующего излучения или частиц.
· камера Вильсона (1912 г.)	➨ прибор используется для регистрации и частиц. Действие камеры основано на конденсации перенасыщено-го пара на ионах с образованием капелек воды. Эти ионы соз-дает вдоль своей траектории движущаяся заряженная частица. Она оставляет свой след, который можно наблюдать непосред-ственно или фотографировать.
➨ камера представляет собой герметически закрытый сосуд, заполненный парами воды или спирта, близкими к насыщению. При резком опускании поршня температура скачком падает, пар становится пересыщенным, но еще не конден-сируется, т.к. нет центров конденсации. Если в такую атмо-сферу пересыщенного пара влетает ионизирующая частица, то на пути ее следования образуется цепочка ионов, кото-рые становятся центрами конденсации. Водяной пар кон-денсируется и образуется видимый след пролетевшей частицы (трек). частицы оставляют в камере жирные следу; это явление объясняется тем, что альфа-частицы вызывают сильную ионизацию газа; частицы после себя остав-ляют очень тонкие треки. По длине трека можно определить энергию частицы; чем длиннее трек, тем больше энергия частицы. По числу капелек на единицу длины трека оценивать ее скорость; чем больше капелек, тем меньше ее скорость. Частицы с большим зарядом оставляют трек большей толщины. Функциональные возможности камеры расширяются при помещении ее однородное магнитное поле.
· пузырьковая камера (1952г.)	➨ прибор для регистрации заряженных частиц, имеющих высокую энергию. Принцип действия камеры основан на том, что в перегретом состоянии чистая жидкость, находясь под высоким давлением, может существовать, не закипая при температуре выше точки кипения.
➨ пузырьковая камера работает аналогично камере Вильсона, только в ней используется перегретая жидкость (эфир, жидкий водород, жидкий гелий). В перегретое состояние жидкость переводят, резко уменьшая оказываемое на нее давление. Пузырьки пара прежде всего возникают в местах, где жидкость подверглась ионизации, т.е. где имеются заряженные частицы. Путь заряженной частицы (трек) обозначается цепочкой пузырьков жидкости, которая изучается и фотографируется. Для расширения измерительных способностей камеры ее помещают в однородное магнитное поле.
· метод толстослойных фотоэмульсий(1928 г.)	➨ фотоэмульсия содержит большое количество микроско-пических кристалликов бромида серебра. Быстрая заряжен-ная частица, пронизывая кристаллик, отрывает электроны от отдельных атомов брома. Цепочка таких кристалликов образует скрытое изображение. При проявлении в этих кристалликах восстанавливается металлическое серебро и цепочка зерен серебра образует трек частицы. По длине и толщине трека можно оценить энергию и массу частицы.
Биологическое действие радиоактивных излучений	➨ радиоактивные излучения оказывают сильное действие на вещество, особенно на живые ткани. Вредное действие излучений на организм связано с образованием свободных химических радикалов и с мутациями в клетках, которые могут оказывать влияние на потомство, приводить к лучевой болезни и образованию злокачественных опухолей.
· дозиметрия	➨ область прикладной ядерной физики, в которой изу-чают физические величины, характеризующие действие ионизирующих излучений на объекты живой и неживой природы; воздействие радиации на живые организмы напрямую зависит от поглощенной дозы излучения;
· дозиметр	➨ прибор для измерения поглощенной дозы излучения;
· доза излучения	➨ характеристика воздействия; на организм влияет только та часть радиоактивного излучения, которая поглощается его тканями;
·поглощенная доза излучения [Гр]	➨ энергия ионизирующего излучения, переданная облу-ченному веществу массой ; является характеристикой биологического действия излучений;
· грэй	➨ равен поглощенной дозе ионизирующего излучения, при которой веществу массой 1 кг передается энергия любого ионизирующего излучения 1 Дж. Доза облучения человека в 1-2 Гр ведет к возникновению лучевой болезни, а доза в 7-10 Гр может вызвать смертельный исход.
· внесистемные единицы:
- рентген 1 Р = 10^-2 Гр	➨ доза излучения равна одному рентгену (Р), если в 1 см³ сухого воздуха при нормальном атмосферном давлении (760 мм рт.ст.) и температуре 0⁰С образуется столько ионов, что их суммарный заряд каждого знака в отдельности равен 3×10^-10Кл; при этом получается примерно 2×10⁹ пар ионов;
- бэр 1 бэр=10^-2 Гр	➨ доза любого вида ионизирующего излучения, производящая такое же биологическое действие, как и доза рентгеновского или γ-излучения в 1 Р (рентген).
· методы защиты от радиоактивного облучения	➨ удаление от источников излучения на большое расстояние; ограничение времени пребывания на загрязненной местности или вблизи радиоактивных источников; ограждение радиоактивных источников экранами из материалов, эффективно поглощающих радиоактивные излучения (свинец, графит, бор, кадмий)
внешнего
внутреннего	➨ дозиметрический контроль воздуха, осадков в близле-жащей местности; дозиметрический контроль продуктов питания; применение веществ, ослабляющих воздействие радиоактивных излучений на организм;