Энергия связи нуклонов в ядре. Эффект выделения энергии.

Массы ядер всегда меньше суммы масс составляющих их нуклонов, так как потенциальная энергия связанной системы (ядра) всегда меньше потенциальной энергии свободных нуклонов. Энергия, которую необходимо затратить, чтобы разделить ядро на составляющие его нуклоны, называется энергией связи ядра. Ее можно определить следующим образом:

Е_св = [Zm_p + (A – Z)m_n – M(A,Z)]c². (1)

В таблицах, как правило, приводят значения масс нуклидов, поэтому удобнее использовать следующую запись (с точностью до энергии связи электронов):

. (2)

При использовании выражений (1) и (2) необходимо помнить, что энергия связи ядра на несколько порядков меньше полной энергии, соответствующей массе Е = Мс² из соотношения Эйнштейна (каждому значению массы М соответствует энергия Е), и для получения достаточно точного результата необходимо знать значения масс с точностью не менее шести знаков (при вычислении возникает небольшая разность).

Рассмотрим отношение энергии связи ядра к массовому числу

.

По определению ε есть средняя энергия связи, приходящаяся на один нуклон (удельная энергия связи нуклона в ядре). Тем самым она характеризует интенсивность ядерных сил. Как видно из рис. 1, при малых значениях массовых чисел ε резко возрастает и достигает максимума при А ≈ 50 60 (порядка 8,3 8,8 МэВ). Нуклиды с такими массовыми числами наиболее устойчивы. С дальнейшим ростом А средняя энергия связи уменьшается, однако в широком интервале массовых чисел значение удельной энергии связи почти постоянно ( =8 МэВ). Из сказанного следует, что можно записать

3. Радиоактивность. Виды радиоактивного излучения. Действие радиоактивного излучения на биологические системы.

Радиоакт и вность (от лат. radio — излучаю, radius — луч и activus — действенный), самопроизвольное (спонтанное) превращение неустойчивого изотопа химического элемента в другой изотоп (обычно — изотоп другого элемента). Сущность явления Р. состоит в самопроизвольном изменении состава атомного ядра, находящегося в основном состоянии либо в возбуждённом долгоживущем (метастабильном) состоянии. Такие превращения сопровождаются испусканием ядрами элементарных частиц либо других ядер, например ядер ²He (a-частиц). Все известные типы радиоактивных превращений являются следствием фундаментальных взаимодействий микромира: сильных взаимодействий (ядерные силы) илислабых взаимодействий. Первые ответственны за превращения, сопровождающиеся испусканием ядерных частиц, например a-частиц, протонов или осколков деления ядер: вторые проявляются в b-распаде ядер.Электромагнитные взаимодействия ответственны за квантовые переходы между различными состояниями одного и того же ядра, которые сопровождаются испусканием гамма-излучения. Эти переходы не связаны с изменениями состава ядер и поэтому, согласно современной классификации, не принадлежат к числу радиоактивных превращений. Понятие "Р." распространяют также на b-распад нейтронов.

Типы радиоактивных превращений. Все известные виды Р. можно разделить на две группы: элементарные (одноступенчатые) превращения и сложные (двухступенчатые). К первым относятся: 1) альфа-распад, 2) все варианты бета-распада (с испусканием электрона, позитрона или с захватом орбитального электрона), 3) спонтанное деление ядер, 4) протонная Р., 5) двупротонная Р. 116) двунейтронная Р. В случае b-распада достаточно большое время жизни ядер обеспечивается природой слабых взаимодействий. Все остальные виды элементарных радиоактивных процессов обусловлены ядерными силами. Замедление таких процессов до промежутков времени ³ 10^-12 сек вызвано наличием потенциальных барьеров(кулоновского и центробежного), которые затрудняют вылет ядер или ядерных частиц.

К двухступенчатым радиоактивным превращениям относят процессы испускания т. н. запаздывающих частиц: протонов, нейтронов, a-частиц, ядер трития и ³He, а также запаздывающее спонтанное деление. Запаздывающие процессы включают в себя b-распад как предварительную стадию, обеспечивающую задержку последующего, мгновенного испускания ядерных частиц. Т. о., в случае двухступенчатых процессов критерий Р. относительно времени жизни удовлетворяется только для первой стадии, благодаря её осуществлению за счёт слабых взаимодействий.

Для биологического действия радиоактивных излучений характерен ряд общих закономерностей:

1) Глубокие нарушения жизнедеятельности вызываются ничтожно малыми количествами поглощаемой энергии. Так, энергия, поглощённая телом млекопитающего, животного или человека при облучении смертельной дозой, при превращении в тепловую привела бы к нагреву тела всего на 0,001°С. Попытка объяснить "несоответствие" количества энергии результатам воздействия привела к созданию теории мишени, согласно которой лучевое повреждение развивается при попадании энергии в особенно радиочувствительную часть клетки — "мишень".

2) Биологическое действие радиоактивных излучений не ограничивается подвергнутым облучению организмом, но может распространяться и на последующие поколения, что объясняется действием на наследственный аппарат организма. Именно эта особенность очень остро ставит перед человечеством вопросы изучения биологического действия радиоактивных излучений и защиты организма от излучений.

3) Для биологического действия радиоактивных излучений характерен скрытый (латентный) период, т. е. развитие лучевого поражения наблюдается не сразу. Продолжительность латентного периода может варьировать от нескольких минут до десятков лет в зависимости от дозы облучения, радиочувствительности организма и наблюдаемой функции. Так, при облучении в очень больших дозах (десятки тыс. рад) можно вызвать "смерть под лучом", длительное же облучение в малых дозах ведёт к изменению состояния нервной и других систем, к возникновению опухолей спустя годы после облучения.

Радиочувствительность разных видов организмов различна. Смерть половины облученных животных (при общем облучении) в течение 30 суток после облучения (летальная доза — ЛД⁵⁰/₃₀) вызывается следующими дозами рентгеновского излучения: морские свинки 250 р, собаки 335 р, обезьяны 600 р, мыши 550—650 р, караси (при 18°С) 1800 р, змеи 8000—20000 р. Более устойчивы одноклеточные организмы: дрожжи погибают при дозе 30000 р, амёбы — 100000 р, а инфузории выдерживают облучение в дозе 300000 р. Радиочувствительность высших растений тоже различна: семена лилии полностью теряют всхожесть при дозе облучения 2000 р, на семена капусты не влияет доза в 64000 р.

Биологическим действием радиоактивных излучений пользуются в биологических исследованиях, в медицинской и с.-х. практике. На биологическом действии радиоактивных излучений основаны лучевая терапия, рентгенодиагностика, радиоизотопная терапия. В сельском хозяйстве радиационные воздействия применяются с целью выведения новых форм растений, для предпосевной обработки семян, борьбы с вредителями (путём выведения и выпуска на поражаемые плантации обеспложенных облучением самцов), для лучевой консервации фруктов и овощей, предохранения продуктов растениеводства от вредителей (дозы, губительные для насекомых, безвредны для зерна) и др. Индивидуальная чувствительность человека зависит от множества факторов; в первую очередь — от возраста. Сформировавшийся организм более устойчив к действию радиации, чем формирующийся (детский, юношеский).

4. Дозиметрия. Поглощенная, экспозиционная и эквивалентная доза.

Дозиметрия, область прикладной физики, в которой изучаются физические величины, характеризующие действие ионизирующих излучении на объекты живой и неживой природы, в частности дозы излучения, а также методы и приборы для измерения этих величин.

Доза (от греч. dosis - доля, порция) ионизирующего излучения, величина, используемая для оценки воздействия излучения на любые вещества и живые организмы. В зависимости от особенностей излучения и характера его воздействия рассматривают поглощенную, эквивалентную и экспозиционную дозы.

Поглощенная доза D_погл - отношение энергии излучения, поглощенной веществом, к массе вещества. Доза ионизирующего излучения, энергия ионизирующего излучения, поглощённая в единице массы облучаемого вещества. В этом смысле доза излучения называется также поглощённой дозой (D_п). Поглощённая энергия расходуется на нагрев вещества, а также на его химические и физические превращения. Величина дозы зависит от вида излучения (рентгеновское излучение, поток нейтронов и т.п.), энергии его частиц, плотности их потока и состава облучаемого вещества. При прочих равных условиях доза тем больше, чем больше время облучения. Таким образом, доза накапливается со временем. Доза, отнесённая к единице времени, называется мощностью дозы.

Эквивалентная доза D_экв = KD_погл, где К - так называемый коэффициент качества излучения (безразмерная величина). Единица D_экв в СИ - зиверт (Зв); внесистемная единица - бэр (1 бэр = 10^-2 Зв). Для К на практике обычно принимают следующие усредненные значения: 1 - для моноэнергетических электронов, позитронов, b-частиц, g-квантов и рентгеновского излучения; 3 - для нейтронов с энергией < 20 кэВ; 10 - для протонов с энергией < 20 кэВ и нейтронов с энергией от 0,1 до 10 МэВ; 20 - для a-частиц с энергией < 10 МэВ и тяжелых ядер отдачи. К - критерий относительной биологической эффективности излучения при хроническом облучении.

Экспозиционная доза D_экс — мера ионизации воздуха под действием рентгеновского и g-излучений — измеряется количеством образованных зарядов. Единицей экспозиционной дозы в системе СИ является к/кг. Экспозиционная доза в 1 к/кг означает, что суммарный заряд всех ионов одного знака, образованных в 1 кг воздуха, равен одному кулону. Широко распространена внесистемная единица экспозиционной дозы — рентген: 1 р = 2,57976×10^-4 к/кг, что соответствует образованию 2,08 ×10⁹ пар ионов в 1 см³ воздуха (при О°С и 760 мм рт. ст.). На создание такого количества ионов необходимо затратить энергию, равную 0,114 эрг/см³ или 88 эрг/г. Таким образом, 88 эрг/г есть энергетический эквивалент рентгена. По величине экспозиционной дозы можно рассчитать поглощённую дозу рентгеновского и g-излучений в любом веществе. Для этого необходимо знать состав вещества и энергию фотонов излучения.

5. Защита от ионизирующего излучения.

Ионизирующим излучением называют потоки корпускул (элементарных частиц) и потоки фотонов (квантов электромагнитного поля), которые при движении через вещество ионизируют его атомы и молекулы.

Защита от ионизирующих излучений
Защита работающих с радиоактивными изотопами от ионизирующих излучений осуществляется системой технических, санитарно-гигиенических и лечебно-профилактических мероприятий. Основными методами защиты являются:
защита временем: чем меньше время облучения, тем меньше полученная доза;
защита расстоянием: ч ем дальше от источника излучения, тем меньше полученная доза;
защита экранированием: д ля защиты от a-излучения достаточен лист бумаги. Применяют также экраны из плексигласа и стекла толщиной в несколько миллиметров. Экраны для защиты от b-излучений изготовляют из материалов с малой атомной массой (алюминий) либо из плексигласа и карболита. Для защиты от g-излучений применяют материалы с большой атомной массой и высокой плотностью: свинец, вольфрам и т. п.

Защита от ионизирующих излучений может осуществляться путем использования следующих принципов: использование источников с минимальным излучением путем
перехода на менее активные источники, уменьшение количества изотопа;сокращение времени работы с источником ионизирующего излучения;отдаление рабочего места от источника ионизирующего излучения;экранирование источника ионизирующего излучения.
Экраны могут быть передвижные или стационарные, предназначенные для поглощения или ослабления ионизирующего излучения. Экранами могут служить стенки контейнеров для перевозки радиоактивных изотопов, стенки сейфов для их хранения.Альфа-частицы экранируются слоем воздуха толщиной несколько сантиметров, слоем стекла толщиной несколько миллиметров. Однако, работая с альфа-активными изотопами, необходимо также защищаться и от бета- и гамма-излучения.

С целью защиты от бета-излучения используются материалы с малой атомной массой. Для этого используют комбинированные экраны, в которых со стороны источника располагается материал с малой атомной массой толщиной, которая равна длине пробега бета-частиц, а за ним -- с большей массой.

С целью защиты от рентгеновского и гамма-излучения применяются материалы с большой атомной массой и с высокой плотностью (свинец, вольфрам).

Для защиты от нейтронного излучения используют материалы, которые содержат водород (вода, парафин), а также бор, бериллий, кадмий, графит. Учитывая то, что нейтронные потоки сопровождаются гамма-излучением, следует использовать комбинированную защиту в виде слоистых экранов из тяжелых и легких материалов (свинец-полиэтилен).

Действенным защитным средством является использование дистанционного управления, манипуляторов, роботизированных комплексов.

6. Миграция радиоактивных веществ в биосфере.

Вмешательство человека в окружающую природную среду привело к ухудшению его здоровья как биологического вида, огромный ущерб нанесен состоянию компонентов всех природных экосистем. Загрязнение всех сред - атмосферного воздуха, воды, почвы - нарушает природные механизмы стабилизации.

Основными путями миграции токсичных, радиоактивных и других веществ, опасных для человека, животных и растений, являются:

1) перенос воздушными течениями;

2) распространение по водным объектам, в том числе проникновение в подземные воды, с последующим попаданием в воды Мирового океана;

3) движение по трофическим цепям - ряду видов или их групп, каждое предыдущее звено в которых служит пищей для следующего.

Загрязнение окружающей среды токсинами - металлами, хлорированными углеводородами, нитратами, нитритами и нитросоединениями, асбестом, диоксинами и пестицидами - представляет серьезную опасность для всех экосистем. Не меньшую опасность несут канцерогенные вещества - бензапирен, промышленная пыль, диоксид азота и диоксид серы. Потенциальную опасность для водных экосистем и человека-водопользователя представляет аккумуляция радионуклидов водной биотой и донными осадками вследствие долгого периода распада изотопов стронция, цезия, циркония и ниобия.

В организм человека, как и другие живые организмы, радиоактивные и химические загрязнения проникают через дыхательные пути и желудочно-кишечный тракт с потребляемой пищей и водой.

В ходе метаболизма загрязняющие вещества превращаются в неопасные продукты, выводимые затем из организма через выделительную систему. Ксенобиотики не перерабатываются ферментными системами организмов. Значительная часть канцерогенных веществ превращается в еще более опасные и токсичные вещества, чем до поступления в организм.

Долговременные последствия влияния загрязняющих веществ еще слабо изучены. Наиболее опасными ингредиентами, которые могут содержаться в продуктах питания, являются кадмий, ртуть и свинец. Взаимодействуя с белками, эти вещества блокируют различные ферментные системы и нарушают физиологические функции организма. Эти и другие тяжелые металлы могут накапливаться в органах и тканях. Кадмий активно замещает в костях кальций.

Продукты питания могут загрязняться в результате миграции вредных веществ из упаковочных материалов, применения пищевых добавок.

Дата добавления: 2015-07-12