Виды радиоактивного распада

Общие сведения об атоме и атомном ядре.

Опасные радиационные излучения в природе возникают в основном в результате радиоактивных превращений ядер атомов. Знание механизма этих превращений позволит объективно оценить степень опасности радиационных излучений и решать задачи защиты от них.

Атом является основным структурным элементом всех веществ. Атом – частица вещества, наименьшая частица химического элемента, являющаяся носителем его химических свойств. Химические свойства элемента определяются строением его атома. Атомы различных веществ неодинаковы по своему строению. Возможно и различное число атомов одного и того же элемента в молекуле (О2 – кислород, О3 – озон). Вещества, молекулы которых состояли из атомов двух и более элементов, образуют сложные вещества (Н2О, СО2, Н2SO4, СН3СН2ОН). Каждому элементу соответствует определенный род атома. Размеры атома чрезвычайно малые. Его диаметр составляет 10-8 см. Масса самого простого и легкого атома – водорода (11Н) составляет 1,67x10-27кг. Атом урана (92238U), самый тяжелый из существующих на Земле элементов водорода.

Все атомы химических элементов имеют одинаковую структуру. Они состоят из положительно заряженного ядра, где сконцентрирована практически вся масса атома (99,95%) и отрицательно заряженных электронов, образующих электронные оболочки вокруг ядра. В целом атом электрически нейтрален.

Модель строения атома предложил еще в 1911 г. английский физик Эрнст Резерфорд (это так называемая планетарная или ядерная модель). Атом, по Резерфорду, это своеобразная модель Солнечной системы – в центре находится тяжелое положительно заряженное ядро, вокруг которого подобно планетам вокруг Солнца, вращаются отрицательно заряженные электроны. Датский ученый Нильс Бор усовершенствовал планетарную модель атома. Он высказал суждение, что электроны движутся не по любым орбитам, а по определенным. При этом, согласно Бору, электронные орбиты могут быть сгруппированы в отдельные электронные оболочки.

По современным данным электрон в атоме не имеет траектории. Различные положения его рассматриваются как электронное облако с определенной плотностью отрицательного заряда. Максимальная плотность отвечает наибольшей вероятности нахождения электрона в данной части атомного пространства. Пространство вокруг ядра, в котором наиболее вероятно нахождение электрона, называется орбиталью (вместо существовавшего ранее термина орбита).

Орбитали атома имеют разные размеры. Электроны, которые движутся в орбиталях близкого размера, образуют электронные слои. Электронные слои называют также энергетическими уровнями. Энергетические уровни нумеруют, начиная от ядра цифрами - 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 или обозначают буквами – K, L, M, N, O, P, Q. Наибольшее число электронов на энергетическом уровне равно удвоенному квадрату номера уровня - N = 2n ². Целое число n, обозначающее номер уровня, называется главным квантовым числом. В соответствии с этим уравнением на 1-м, ближайшим к ядру энергетическом уровне, может находиться не более 2-х электронов, на 2-м уровне - не более 8, на 3-м уровне – не более 18, на 4-м уровне – не более 32 электронов и т. д.

Энергетические уровни подразделяются на подуровни, число подуровней равно значению главного квантового числа, но не превышает 4-х подуровней. Подуровни обозначают латинскими буквами – s, p, d, f.

Между ядром и электронами существуют силы притяжения. Наиболее прочная связь электронов с ядром наблюдается у электронов на К-уровне, Чем более удален от ядра электрон, тем меньше энергия связи его с ядром. На внешних энергетических уровнях энергия связи электронов не превышает 1-2 эВ (электрон-Вольт). Поэтому электроны внешних энергетических уровней более подвержены воздействию излучений низкой энергии.

Как уже отмечалось, атом состоит из трех видов элементарных частиц: протонов, нейтронов и электронов. Атомное ядро – центральная часть атома, состоящая из протонов и нейтронов. Протоны и нейтроны имеют общее название нуклон, в ядре они могут превращаться друг в друга. Ядро простейшего атома – атома водорода – состоит из одной элементарной частицы – протона.

Диаметр ядра атома равен примерно 10^-13 – 10^-12 см. Однако, практически вся масса атома (99,95 – 99,98 %) сосредоточена в ядре. Если бы удалось получить 1 см³ чистого ядерного вещества, масса его составила бы 100 – 200 млн.т. Масса ядра атома в несколько тысяч раз превосходит массу всех входящих в состав атома электронов.

Протон – элементарная частица, ядро атома водорода. Масса протона равна 1,6721х10^-27 кг, она в 1836 раз больше массы электрона. Электрический заряд положителен и равен 1,66х10^-19 Кл. Кулон – единица электрического заряда, равная количеству электричества, проходящему через поперечное сечение проводника за время 1с при неизменной силе тока 1А (ампер).

Каждый атом любого элемента содержит в ядре определенное число протонов. Это число постоянное для данного элемента и определяет его физические и химические свойства. То есть, от количества протонов зависит, с каким химическим элементом мы имеем дело. Например, если в ядре один протон – это водород, если 26 протонов – это железо. Число протонов в атомном ядре определяет заряд ядра (зарядовое число Z) и порядковый номер элемента в периодической системе элементов Д.И. Менделеева (атомный номер элемента).

Нейтрон – электрически нейтральная частица с массой 1,6749 х10^-27кг, в 1839 раз больше массы электрона. Нейрон в свободном состоянии – нестабильная частица, он самостоятельно превращается в протон с испусканием электрона и антинейтрино. Период полураспада нейтронов (время, в течение которого распадается половина первоначального количества нейтронов) равен примерно 12 мин. Однако в связанном состоянии внутри стабильных атомных ядер он стабилен. Общее число нуклонов (протонов и нейтронов) в ядре называют массовым числом (атомной массой – А). Число нейтронов, входящих в состав ядра, равно разности между массовым и зарядовым числами: N = A – Z.

Электрон – элементарная частица, носитель наименьшей массы – 0,91095х10^-27г и наименьшего электрического заряда – 1,6021х10^-19 Кл. Это отрицательно заряженная частица. Число электронов в атоме равно числу протонов в ядре, т.е. атом электрически нейтрален.

Позитрон – элементарная частица с положительным электрическим зарядом, античастица по отношению к электрону. Масса электрона и позитрона равны, а электрические заряды равны по абсолютной величине, но противоположны по знаку.

Различные типы ядер называют нуклидами. Нуклид – вид атомов с данными числами протонов и нейтронов. В природе существуют атомы одного и того же элемента с разной атомной массой (массовым числом): ₁₇ ³⁵ Cl, ₁₇³⁷Cl и т.д. Ядра этих атомов содержат одинаковое число протонов, но различное число нейтронов. Разновидности атомов одного и того же элемента, имеющие одинаковый заряд ядер, но различное массовое число, называются изотопами. Обладая одинаковым количеством протонов, но различаясь числом нейтронов, изотопы имеют одинаковое строение электронных оболочек, т.е. очень близкие химические свойства и занимают одно и то же место в периодической системе химических элементов.

Изотопы обозначают символом соответствующего химического элемента с расположенным сверху слева индексом А – массовым числом, иногда слева внизу приводится также число протонов (Z). Например, радиоактивные изотопы фосфора обозначают ³²Р, ³³Р или ₁₅³²Р и ₁₅³³Р соответственно. При обозначении изотопа без указания символа элемента массовое число приводится после обозначения элемента, например, фосфор – 32, фосфор – 33.

Большинство химических элементов имеет по несколько изотопов. В настоящее время известно более 1900 изотопов 108 химических элементов. Из них к естественным относятся все стабильные (их примерно 280) и естественные изотопы, входящие в состав радиоактивных семейств (их 46). Остальные относятся к искусственным, они получены искусственным путем в результате различных ядерных реакций.

Если ядра атомов состоят из протонов, то как объяснить устойчивость этих ядер? Ведь одноименно заряженные протоны согласно закону Кулона, отталкиваясь, друг от друга, должны были бы разлететься в разные стороны. Однако в действительности ядра атомов очень прочные образования. Следовательно, кроме Кулоновских сил отталкивания в ядре действуют и силы притяжения. Эти силы назвали ядерными силами. Они действуют между нуклонами, т.е. между протоном и протоном, протоном и нейтроном, нейтроном и нейтроном. Они значительны только на малых расстояниях, сравнимых с поперечником самих ядерных частиц (10^-13см). С увеличением расстояния между ядерными частицами ядерные силы быстро уменьшаются и становятся практически равными нулю. Так, если на расстоянии 10^-15м ядерные силы приблизительно в 100 раз превышают Кулоновские силы отталкивания, то уже на расстоянии 10 ^–14м они оказываются мизерными.

Ядерные силы обладают свойством насыщения, т.е. каждый нуклон взаимодействует только с ограниченным числом соседних нуклонов. Поэтому при увеличении числа нуклонов в ядре ядерные силы значительно ослабевают. Этим объясняется меньшая устойчивость ядер тяжелых элементов, в которых содержится значительное количество протонов и нейтронов. Так как с увеличением атомного номера увеличение числа нейтронов преобладает, говорят о «разрыхляющем» действии нейтронов.

Чтобы разделить ядро на составляющие его протоны и нейтроны и удалить их из поля действия ядерных сил, надо совершить работу, т.е. затратить энергию. Эта энергия называется энергией связи ядра. Энергия связи частиц в ядрах составляет несколько миллионов электрон-вольт (эВ). В зависимости от того, какие силы в ядре превалируют, ядро является или стабильным или нестабильным. Наибольшую энергию связи, а следовательно и максимальную стабильность имеют ядра, располагающиеся в середине таблицы Д.И.Менделеева (в районе железа). Устойчивость ядра зависит от соотношения количества протонов и нейтронов в ядре. Количество протонов в ядре всегда равно или меньше количества нейтронов. Чем меньше в ядре нейтронов, тем ядро устойчивее. Если в ядре слишком много протонов или нейтронов, то такие ядра неустойчивы и претерпевают самопроизвольные радиоактивные превращения, в результате которых ядро атома одного элемента превращается в ядро атома другого элемента.

В начале и середине таблицы Д.И.Менделеева количество протонов и нейтронов в ядрах в основном равно: ₂ ⁴He, ₆¹²С, ₈¹⁶О, ₁₆³²S и поэтому ядра чаще стабильны. С увеличением атомного номера Z и увеличением количества нейтронов по сравнению с протонами все в большей степени проявляется их «разрыхляющее» действие и ядра становятся менее устойчивыми. У элементов с атомным номером от 84 до 92 ядерные силы уже не способны обеспечивать полную устойчивость ядер. Эти элементы оказываются нестабильными: Rn-222, Ra-226, U-238 и т.д.

Стабильность понижается не только в сторону более тяжелых, но и в сторону более легких элементов: кислород 16, 17, 18 – стабильный, а кислород – 13, 14, 15, 19, 20 – не стабильный; кальций – 40, 42, 43, 44, 46, 48 – стабильный, а кальций – 37, 38, 39, 41, 45, 47, 49, 51 – не стабильный.

Таким образом, низкой стабильностью отличаются ядра с недостаточным и излишним содержанием нейтронов.

Радиационная безопасность - новая научно практическая дисциплина, возникшая с момента создания атомной промышленности, решающая комплекс теоретических и практических задач, связанных с уменьшением возможности возникновения аварийных ситуаций и несчастных случаев на радиационно-опасных объектах.

Радиационная безопасность является важным элементом национальной безопасности и подразумевает состояние защищенности настоящего и будущих поколений от вредного влияния радиации.

Речь идет, в первую очередь, о повседневном использовании радионуклидов и ионизирующего излучения в промышленности, науке, медицине, сельском хозяйстве, космической технике и т. д. Любое полезное применение радиации должно быть безопасным.

Обеспечение радиационной безопасности — это, в первую очередь, задача государства.

Первой задачей радиационной безопасности является разработка критериев:

а) для оценки ионизирующего излучения как вредного фактора воздействия на отдельных людей, популяцию в целом и объекты окружающей среды;

б) способов оценки и прогнозирования радиационной обстановки, а также путей приведения ее в соответствие с выработанными критериями безопасности на основе создания комплекса технических, медико-санитарных и административно-организационных мероприятий, направленных на обеспечение безопасности в условиях применения атомной энергии в сфере человеческой деятельности.

Для разработки критериев используются многолетние наблюдения за людьми, работающими на объектах с уровнем радиации, превышающим фон, а также эксперименты с животными, искусственно подвергаемыми облучению. Развертывание радиационной обстановки при аварийных ситуаций прогнозируется на основе математических расчетов и данных, полученных при изучении случившихся аварий за весь период развития атомной промышленности и энергетики.

В настоящий момент существует разработанная система допустимых пределов воздействия ионизирующего излучения на человеческий организм, оформленная в виде законодательных документов Норм Радиационной Безопасности (НРБ).

Второй немаловажной задачей радиационной безопасности является разработка систем радиационного контроля. Различные условия эксплуатации радиационных установок, набор используемых радиоактивных веществ, экономия материальных средств диктуют необходимость осознанного выбора средств и частоты измерения уровня радиации, концентрации радиоактивных веществ.

Радиационная безопасность, кроме перечисленных выше задач, преследует ряд целей:

1) Снижение уровня облучения персонала и населения ниже (в крайнем случае, до) регламентируемого предела на основе следующих мероприятий: технических (создание защитных ограждений, автоматизация технологического процесса, очистка выбросов от радиоактивных веществ), медико-санитарных (обеспечение персонала средствами индивидуальной защиты – СИЗ, снабжение местных штабов ГО средствами защиты населения), организационных (создание специального графика работы в условиях пере облучения).

2)Создание эффективных систем радиационного контроля, позволяющих оперативно регистрировать изменения в радиационной обстановке.

Наконец необходимо отметить, что надежность систем радиационной безопасности намного выше, чем систем защиты других отраслей промышленности. Это объясняется тем, что впервые использованная атомная энергия привела к серьезнейшим разрушениям и жертвам и тем самым вызвала относительно предвзятое отношение к ней, что пошло на пользу радиационной безопасности.

Явление радиоактивности.

В 1895г В.Рентген обнаружил лучи, которые возникали при пропускании тока высокого напряжения через стеклянный баллон с разреженным воздухом. Эти лучи обладали способностью вызывать почернение фотопластинки в светонепроницаемой упаковке. В 1896г А.Беккерель обнаружил, что соединения урана и некоторые его природные руды (соли урана) самопроизвольно излучают невидимые лучи, обладающие большой проникающей способностью и вызывающие почернение фотопластинки. В 1898г Мария Склодовская-Кюри и Пьер Кюри установили, что излучать лучи могут не только уран и его соединения, но и некоторые другие элементы: радий, торий, полоний. Явление самопроизвольного излучения было названо радиоактивностью, а вещества, излучающие лучи, радиоактивными. В дальнейшем было установлено, что эти излучения связаны с процессом самопроизвольного распада ядер атомов этих веществ. Оказалось, что радиоактивное излучение состоит из трех компонентов разной природы. В магнитном поле эти излучения делятся на три пучка:

– лучи, заряженные отрицательно, b-лучи – отклоняются в сторону севера;

– лучи, заряженные положительно, a-лучи – отклоняются в сторону юга;

– лучи, не имеющие электрического заряда (нейтральные), g-лучи – не отклоняются.

Радиоактивность (по современным взглядам) – это свойство ядер определенных элементов самопроизвольно (т.е. без каких-либо внешних воздействий) превращаться в ядра других элементов с испусканием особого рода излучений, которые называют радиоактивными излучениями. Само явление называется радиоактивным распадом.

Все радиоактивные элементы Земли, в зависимости от их происхождения, можно разделить на три группы:

– элементы, образующие три радиоактивных семейства тяжелых радионуклидов(Уран-235, Уран -238, Торий 232).

– элементы средней части таблицы Д.И. Менделеева с большим периодом полураспада, не входящие в радиоактивные семейства (¹⁴С, ⁴⁰К, ⁴⁸Са и др).

– элементы, образующиеся в атмосфере Земли под воздействием потока космических лучей.

Радиоактивные превращения, в отличие от химических реакций, происходят самопроизвольно и непрерывно, всегда сопровождаются выделением энергии. На их скорость не оказывает никакого влияния ни изменение температуры и давления, ни самый лучший химический катализатор, ни электрическое и магнитное поля, ни агрегатное состояние вещества. Их нельзя ни ускорить, ни замедлить.

Радиоактивность, наблюдающаяся в ядрах, существующих в природных условиях, называют естественной радиоактивностью. Аналогичные процессы, происходящие в искусственно полученных веществах, называют искусственной радиоактивностью. Между искусственной и естественной радиоактивностью нет принципиального различия. Процесс радиоактивного превращения в обоих случаях подчиняется одним и тем же законам (закон сохранения энергии, электрических зарядов и др.). По закону сохранения количества нуклонов, число нуклонов при любом радиоактивном распаде сохраняется, причем нуклоны одного вида могут превращаться в нуклоны другого вида (нейтроны в протоны и наоборот).

Изотопы, обладающие радиоактивностью, называют радиоактивными изотопами. Как уже отмечалось, ядра всех изотопов химических элементов называют нуклидами (т.е. радионуклиды – это радиоактивные атомы с данным массовым числом и атомным номером). Вещества, содержащие в своем составе радионуклиды, называются радиоактивными веществами. Элементы, состоящие только из радиоактивных изотопов, называются радиоактивными элементами (это элементы с Z – 43,61,84 – 108).

Виды радиоактивного распада.

В соответствии с видами радиоактивных излучений существуют несколько видов радиоактивного распада (типов радиоактивных превращений). Радиоактивному превращению подвергаются элементы, в ядрах которых слишком много протонов или нейтронов. Рассмотрим виды радиоактивного распада.

1. Альфа-распад характерен для естественных радиоактивных элементов с большим порядковым номером (т.е. с малыми энергиями связи). Известно около 160 альфа-активных видов ядер, в основном порядковый номер их более 82 (Z > 82). Альфа-распад сопровождается испусканием из ядра неустойчивого элемента альфа-частицы, которая представляет собой ядро атома гелия Не (в его составе 2 протона и 2 нейтрона). Заряд ядра уменьшается на 2, массовое число – на 4.

_Z^АХ → _Z-2 ^А-4 У + ₂ ⁴a;

₉₂ ²³⁸U →₂⁴ Не + ₉₀ ²³⁴Th;

₈₈ ²²⁶Ra→₂ ⁴He + ₈₆ ²²²Rn + γ изл.

Альфа – распад может сопровождаться выбросом гамма-квантов. Альфа – распаду подвергается более 10% радиоактивных изотопов. Альфа-частицы покидают ядро со скоростью15-20 тыс. км/ч, их кинетическая энергия составляет 1-11МэВ.

2. Бета-распад – это процесс превращения в ядре атома протона в нейтрон или наоборот с выбросом бета-частицы позитрона или электрона. Ряд естественных и искусственных радиоактивных изотопов претерпевают распад с испусканием электронов или позитронов.

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. Заряд ядра и соответственно атомный номер элемента при этом увеличивается на единицу, а массовое число остается без изменения.

При испускании β-частиц ядра атомов могут находиться в возбужденном состоянии, когда в дочернем ядре обнаруживается избыток энергии, которая не захвачена корпускулярными частицами. Этот излишек энергии высвечивается в виде гамма-квантов.

¹³⁷₅₅Cs →¹³⁷₅₆ Ва + ⁰_-1е^-+ ύ^-+ γ изл. ύ - антинейтрино

(нейтрон → протон)

⁴⁰₁₉К → ⁴⁰₂₀ Са + ⁰_-1е^-+ ύ

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 Д.И. Менделеева (Z<45). При позитронном бета-распаде один из протонов превращается в нейтрон, заряд ядра и соответственно атомный номер уменьшается на единицу, а массовое число остается без изменений. Ядро испускает позитрон и нейтрино.

¹¹ ₆К → ¹¹₅ В + ⁰₊₁е^-+ υ; ⁰₊₁е – позитрон; υ- нейтрино

(протон → нейтрон)

в) Электронный захват. Это такой вид радиоактивного превращения, когда ядро атома захватывает электрон из ближайшего к ядру энергетического К-уровня (электронный К-захват) или реже – из L уровня. Электронный К-захват характерен для 25% всех радиоактивных ядер, но в основном для искусственных радиоактивных изотопов, расположенных в другой половине таблицы Д.И.Менделеева и имеющих излишек протонов (Z = 45 – 105).

⁶⁴ ₂₉Сu + ⁰_-1е → ⁶⁴₂₈ Ni

3. Испускание γ-излучения не является видом радиоактивного распада (при этом не происходит превращение элементов), а представляет собой поток электромагнитных волн, возникающих при альфа- и бета –распаде ядер атомов (как естественных, так и искусственных радиоактивных изотопов), когда в дочернем ядре оказывается избыток энергии, не захваченный корпускулярным излучением (альфа- и бета- частицей). Этот избыток мгновенно высвечивается в виде гамма-квантов.