Теоретическая часть. 1. Атомное ядро

1. Атомное ядро. Общие сведения

Ядром называют центральную часть атома, в которой сосредоточены практически вся масса атома и его положительный заряд.

По современным представлениям ядро состоит из элементарных частиц -протонов и нейтронов.

Протон (р) - это элементарная частица - ядро простейшего атома водорода. Он имеет положительный заряд q = 1,6 · 10^-19 Кл (+е), равный заряду электрона, и массу покоя т_р = 1,673 · 10^-27 кг = 1836 т_е,где т_е - масса электрона. Протон является стабильной частицей.

Нейтрон (п) - электрически нейтральная (q = 0) элементарная частица с массой покоя т _n = 1,675 · 10^-27 кг = 1839 т_е. чуть большей массы протона. В свободном состоянии нейтрон нестабилен (радиоактивен). Он самопроизвольно распадается, превращаясь в протон. В составе ядра нейтрон устойчив.

Протоны и нейтроны объединяются под общим названием нуклоны.

Ядро обозначается символом , где X - обозначение химического элемента, А - массовое число, Z - зарядовое число (порядковый номер в таблице Менделеева). Зарядовое число Z равно числу протонов и определяет положительный заряд ядра Z · е. Массовое число А равно суммарному числу протонов Z и нейтронов N, то есть A = Z + N.

Например, ядро атома водорода обозначается (А = 1, Z = 1, N = 0), ядро атома углерода - С (Z = 6, N = 6, А = 12).

Массы ядер принято измерять в атомных единицах массы (а.е.м.). В этой шкале масса нейтрального атома принята за 12,000 а.е.м. Следовательно, 1 атомная единица массы равна 1/12 части массы атома углерода , что соответствует 1,66 · 10^-27 кг (т.е. 1 а.е.м. = 1,66 · 10^-27 кг - фундаментальная физическая постоянная).

Измеренная масса протона составляет т _р 1,00727 а.е.м., нейтрона - т _n 1,00866 а.е.м., электрона - т_е 5,48 · 10^-4 а.е.м.

В ядерной физике и физике элементарных частиц массу часто выражают в энергетических единицах электрон-вольтах, используя формулу Эйнштейна

Е = тс ².

Согласно этой формуле 1 а.е.м. эквивалентна энергии

Е = тс² = 1,66 · 10^-27 кг (3 · 10⁸ м/с)² 1,49 · 10^-10 Дж 931,5 МэВ

(1эВ = 1,6 · 10^-19Дж).

С учетом этого т_р 938,28 МэВ, т _n 939,57 МэВ, т_е 0,511 МэВ.

В природе встречаются химические элементы, начиная с Z= 1 (водород) и кончая Z = 92 (уран). Элементы с Z > 92 (трансурановые - послеурановые) получены искусственным путем - в ядерных реакциях.

Ядра с одинаковыми зарядовыми числами Z, но разными массовыми числами А называются изотопами.

Изотопы имеют одинаковое строение электронных оболочек, обладают близкими химическими и физическими свойствами (кроме изотопов водорода) и занимают одно место в периодической системе элементов. У многих элементов имеются стабильные и нестабильные (радиоактивные) изотопы.

Например, в природе встречаются 3 изотопа водорода: стабильные протий и дейтерий (Д) и радиоактивный тритий (Т). Углерод имеет стабильные изотопы , и радиоактивный - .

Различные типы ядер часто называют нуклидами. В первом приближении ядро считают шаром радиуса R ≈ l,5 · 10^-15А^1/3 м.

Объем ядра пропорционален числу нуклонов. Следовательно, плотность вещества во всех ядрах примерно одинакова и равна ρ ~ 7 · 10^-17 кг / м³.

Плотность ядер значительно превосходит плотность самых плотных веществ.

2. Радиоактивность и радиоактивные излучения

Радиоактивностью называют самопроизвольное превращение одних атомных ядер в другие, сопровождающееся испусканием радиоактивных излучений, элементарных частиц.

Ядро, испытывающее радиоактивное превращение, называется материнским. Возникающее ядро называют дочерним. Крадиоактивным процессам, в первую очередь, относят: альфа (α) - распад, бета (β) - распад, гамма (γ)- излучение.

При альфа - распаде ядра испускают альфа - частицы, представляющие собой ядра гелия ,состоящие из двух протонов и двух нейтронов. Альфа -распад наблюдается у тяжелых ядер с массовыми числами А > 200 и зарядовыми числами Z > 82 (после свинца) и у ядер редкоземельных элементов.

Бета - распад имеет три разновидности ядерных превращений: электронный (β^-) и позитронный (β⁺) распады и электронный захват.

Первые два процесса сопровождаются испусканием бета - частиц: электрона (β^-)или позитрона (β⁺). При этом в ядре происходит превращение одного нуклона в другой:

β^- -распад: → + +

β⁺ - распад: → + +

где , v _e, - электронный антинейтрино и нейтрино - элементарные нейтральные частицы с примерно нулевой массой.

При электронном захвате ядро поглощает (захватывает) электрон из оболочек атома (чаще с К - оболочки) и в ядре происходит превращение протона в нейтрон + → + .

Электронный захват, в отличие от β - распадов сопровождается характеристическим рентгеновским излучением. Бета - распад наблюдается у тяжелых и легких ядер.

Гамма - излучение ядер является электромагнитным (фотонным) излучением с длиной волны λ = 10^-12 10^-14 м, частотой = 3 · 10²⁰... 3 · 10²² Гц. Оно возникает при изменении энергетического состояния атомных ядер или при столкновении частиц. Гамма - излучение не считается самостоятельным типом радиоактивности. Оно сопровождает α- и β-распады.

Радиоактивные излучения происходят в результате естественного и искусственного (ядерные реакции) превращения ядер атомов различных элементов. Типичным примером радиоактивного распада, сопровождающегося α, β, γ-излучениями, является распад урана - 238 (),составляющего преобладающую часть природного соединения урана.

3. Свойства α, β, γ - излучений

Альфа (α), бета (β) - излучения представляют собой потоки заряженных частиц, γ - излучение является электромагнитным, состоит из электромагнитных квантов и имеет волновую природу. Следовательно, они имеют различные свойства и единицы измерений.

Альфа - излучение представляет собой поток ядер гелия.

Альфа - частица - ядро атома гелия ,содержит 2 протона и 2 нейтрона. Масса α - частицы т _α = 4,0026 ае.м. 6,644 · 10^-27 кг, заряд z_α = + 2. Скорости вылетающих при распаде α - частиц для разных ядер составляют v _α = 1,4 · 10⁷... 2 · 10⁷ м/с, что соответствует энергиям Е _α = 4 … 8,8 МэВ.

Проходя через вещество, α- частица тормозится за счет ионизации, возбуждения атомов и молекул и диссоциации молекул. Длина пробега α-частиц в воздухе составляет l ~ 3... 10 см, в стекле ~ 0,004 мм, в тканях человека ~ 0,1 мм. Альфа - частицы, имея более высокий заряд и массу, обладают наибольшей ионизирующей способностью по сравнению с другими радиоактивными излучениями.

Поток α -частиц отклоняется электрическим и магнитным полями.

Бета - излучение представляет собой поток электронов (β^-) и позитронов (β⁺), испускаемых атомными ядрами при бета - распаде. Электрон и позитрон являются античастицами, имеют наименьшую среди элементарных частиц массу т _е 5,49 а.е.м. = 9,1 · 10^-31 кг и равный по абсолютной величине, но противоположный по знаку электрический заряд.

У электрона е^- ≈ - 1.6 · 10^-19 Кл. Бета - частицы движутся со скоростью, близкой к скорости света. Энергия β-частиц составляет от сотен эВ до нескольких МэВ. Бета - частицы имеют в два раза меньший заряд и в ~ 7000 раз меньшую массу по сравнению с α - частицами. Поэтому вероятность взаимодействия их с веществом значительно меньше. Ионизация атомов вещества, создаваемая β - частицами, примерно в 1000 раз меньше ионизации α - частиц такой же энергии.

Рассеяние β - частиц происходит при соударениях с орбитальными электронами атомов.

Бета - частицы вследствие меньших ионизационных потерь, чем у α - частиц, имеют большую (~ в 1000 раз) проникающую способность. Длина пробега β - частиц в воздухе составляет несколько десятков сантиметров, в веществе (дерево, оргстекло, алюминий), тканях человека - несколько мм.

Бета - излучение отклоняется электрическим и магнитным полями.

Зашитой от β - излучения может служить слой в 1 - 2 см любого вещества.

Гамма - излучение представляет собой коротковолновое электромагнитное излучение с длиной волны λ ≤ 10^-10 м. Вследствие этого γ - излучение обладает ярко выраженными корпускулярными свойствами, т.е. является потоком частиц - γ- квантов - фотонов с энергией E _γ= hv. Испускание γ - квантов происходит при энергетических переходах возбужденных ядер. При радиоактивном распаде ядер наблюдаются γ - кванты с энергией E _γот 10 кэВ до 5 МэВ, а при распадах элементарных частиц до ~ 70 МэВ.

Скорость распространения γ - излучения равна скорости света. Гамма -излучение не отклоняется электрическим и магнитным полями.

Первичная ионизирующая способность гамма - фотонов не высокая. Линейная ионизация, создаваемая γ - квантами, приблизительно в 5 · 10⁴ раз меньше линейной ионизации от α - частиц и в 50 раз меньше линейной ионизации от β - частиц той же энергии. Это связано, в частности, с отсутствием у γ -квантов электрического заряда. Однако полный ионизационный эффект от действия γ - излучения с учетом вторичной ионизации может быть значительным.

Гамма - фотоны обладают высокой проникающей способностью. Пробег их в воздухе составляет десятки и сотни метров, а тело человека проходят насквозь.

Защитой от γ -излучения служат толстые слои воды, земли, бетона, кирпича, тяжелых металлов, например, лист из свинца толщиной в несколько сантиметров.

4. Измерение радиоактивных излучений

Величины и единицы ионизирующих излучений подразделяются на 4 группы:

1. Величины и единицы, характеризующие излучение;

2. Величины и единицы, характеризующие взаимодействие света с
веществом;

3. Дозиметрические;

4. Величины и единицы, характеризующие источник излучения.

Рассмотрим некоторые из них.

Характеристики излучения

- Энергия ионизирующего излучения - W - суммарная энергия ионизирующих частиц, испущенная, переданная или поглощенная, измеряемая в джоулях (Дж) или электрон-вольтах (эВ), 1 эВ = 1,6 · 10^-19 Дж.

- Поток ионизирующих частиц F - отношение числа dN ионизирующих
частиц, проходящих через данную поверхность за время dt,к этому времени

, с^-1

- Плотность потока ионизирующих частиц φ - отношение потока dF ионизирующих частиц, проникших в элементарную сферу, к плошали dS центрального сечения этой сферы

, с^-1·м^-2

Дозиметрические величины

- Экспозиционная доза фотонного излучения X - отношение суммарного заряда dQ всех ионов одного знака, созданных в воздухе, к массе воздуха в указанном объеме

, Кл / кг

На практике широкое применение получила внесистемная единица X -рентген Р.

Один рентген - экспозиционная доза (X), при которой гамма - излучение образует в 1 см³ воздуха 2,09 · 10⁹ пар ионов при 0° С, 1P = 2,58 · 10^-4 Кл/кг.

- Мощность экспозиционной дозы X - отношение экспозиционной дозы за время dt к этому времени

Единица X 1 Кл/(кг · с) = 1 А/кг.

Внесистемные единицы, применяемые в настоящее время в дозиметрии: Р/с, Р/ч, 1 Р/с = 2,58 · 10^-4 А/кг.

- Поглощенная доза D ионизирующего излучения - отношение средней
энергии dW, переданной ионизирующим излучением веществу в элементарном
объеме, к массе вещества в этом объеме

D = , 1 Дж/кг=1 Гр(грей).

- Мощность поглощенной дозы D

D = -, Гр/с, Гр/мин, мГр/мин.

- Эквивалентная доза Н. Биологическое воздействие радиации сильно зависит от типа излучения. Поэтому эффекты, вызванные любым ионизирующим излучением, сравниваются с воздействием гамма - излучения (или рентгеновского).

Эквивалентной дозой излучения Н называют произведение поглощенной дозы D на средний коэффициент качества ионизирующего излучения в данном элементе объема биологической ткани стандартного состава

H=D · К

Единицей Н является 1 Зв (зиверт).

На практике широко применяется внесистемная единица - бэр (биологический эквивалент рентгена).

Бэр - доза любого излучения, которая производит биологическое действие, как гамма - излучение (или рентгеновское) в 1 рентген.

Обычно при расчетах принимают:

I бэр ~ 1 Р ~ Ю^-2 Зв, 1 Зв ~ 100 Р ~ 100 бэр.

- Мощность эквивалентной дозы ионизирующего излучения Н

, Зв/с

Характеристики источников излучений

- Активность источника А - число распадов в единицу времени

А = , 1с^-1 = 1 Бк (беккерель).

Широко применяется внесистемная единица активности - кюри (Ки)

1Ки = 3.7 · 10¹⁰ Бк.

- Период полураспада Т _1/2 - время, в течение которого исходное число радиоактивныхядер в среднем уменьшается вдвое.

Если N₀ - число радиоактивных ядер в момент времени t = 0, то через время t их число N определяется по формуле

N = N₀ · e ^-λt,

где λ - постоянная радиоактивного распада, единица λ – с^-1.

Величина τ = 1/ λ называется временем жизни радиоактивных ядер - это время, в течение которого число ядер радиоактивного вещества уменьшается в е раз в результате радиоактивного распада.

Период полураспада Т _1/2 связан с τ и λ формулой

Т_{1/2 =} τ ln 2 = 0,693 / λ

Единицы измерения: с, мин., ч., сутки, год.

5. Действие ионизирующего излучения на человека

и допустимые нормы облучения

В основе биологического действия ионизирующих излучений лежат процессы взаимодействия излучения с атомами и молекулами клеток облучаемого организма.

При облучении человека за счет ионизации и диссоциации в тканевых клетках происходят различные химические изменения. В результате этого разрываются химические связи и изменяется строение соединений, составляющих клетку. Происходит нарушение нормального течения биохимических реакций, определяющих важные функции жизнедеятельности организма (обмен веществ и др.). При достаточно интенсивном облучении эти нарушения проявляются в совокупности болезненных симптомов, характеризующих «лучевую болезнь». К опасным последствиям облучения относятся также «генетические эффекты», заключающиеся в повышенной вероятности появления болезненных отклонений в потомстве за счет того, что под действием ионизирующего излучения возрастает доля вредных мутаций в наследственном аппарате генов. Любой человек, не имеющий профессионального контакта с радиоактивностью, постоянно подвергается облучению космическими лучами, излучениям естественных радиоактивных изотопов, присутствующих в тканях организма и окружающей среде.

Определенная радиоактивность свойственна организму человека. Тело человека содержит ~ 0,08 г (калий - 40) и 1 · 10^-10 г (радий). Эти два вида естественных радиоактивных изотопов ежесекундно дают 4 α - и 20000 β - распадов. В тело человека проникает космическое излучение, под действием которого в нем образуются искусственные радиоактивные элементы. Из них только 3000 расп/с дает радиоуглерод . Всего в теле человека ежесекундно образуется ~ 25000 радиоактивных атомов.

Получаемые при этом дозы облучения малы и составляют фоновый уровень, к которому организм человека адаптировался за время эволюции.

Естественным фоном излучения называют дозу ионизирующего излучения, создаваемую космическим излучением и излучением естественно распределенных природных радионуклидов в поверхностных слоях Земли, приземной атмосфере, продуктах питания, воде, организме человека. Космическое излучение состоит из первичного излучения, поступающего из космического пространства, и вторичного излучения, возникающего в результате взаимодействия первичного излучения с атмосферой (атомами или молекулами воздуха).

Каждую минуту на 1 см² Земной поверхности падает ~ 2 космические частицы. Первичные частицы в основном, протоны и более тяжелые ядра, обладают высокой энергией до 10¹⁹ эВ. Взаимодействуя с атмосферой Земли, эти частицы проникают до высоты ~ 20 км над уровнем моря и образуют вторичное высокоэнергетическое излучение, состоящее из мезонов, нейтронов, фотонов, электронов, протонов. При этом образуется большой набор радионуклидов, определяющих естественный радиационный фон. Нормальный уровень фона - 20 - 60 мкР/ч (0,2 - 0,6 мкЗв/ч).

Фоновое излучение может изменяться. Оно увеличивается после вспышек на Солнце, а также за счет жизнедеятельности человека. Например, в атмосфере Земли ежегодно образуется до 3 · 10²⁶ ядер . Примерно столько же дает одна мегатонна атомного оружия. Поэтому естественное равновесие в природе может нарушаться.

В местах, где готовят атомное оружие, образуется радиоактивный газ криптон (Кr). Он постепенно распространяется по всему миру, увеличивая радиационный фон. Этот газ способствует возникновению рака кожи.

Уровень фонового облучения возрастает при подъеме над уровнем моря:

при h = 2 - 4 км H составляет 0,2 мкЗв/ч, при h = 12 км - 5 мкЗв/ч, при h = 20 км - 13 мкЗв/ч.

Поэтому при полете трансконтинентального лайнера на высоте 12 км доза облучения пассажиров по сравнению с фоновой возрастает примерно в 25 раз. При полетах на сверхзвуковых реактивных самолетах (высота полета выше 20 км) доза облучения увеличивается в 100 раз.

В повышение радиационного фона вносят свою лепту непредвиденные катастрофы на объектах, где применяется радиоактивное сырье.

После взрыва на Чернобыльской АЭС в 1987 г. ядерные частицы дошли до Скандинавии, Франции, Украины, Белоруссии, в России - до юга страны. В результате взрыва на Чернобыльской АЭС в атмосферу были выброшены и долгоживущие изотопы, например, ⁹⁰ Sr (стронций - 90), ¹³⁷ Се (цезий), периоды полураспада которых 30 лет и более. Поэтому зона Чернобыльской АЭС еще многие десятилетия будет непригодна для нормальной жизни. В 10 - 30 км зоне Чернобыльской АЭС уровень фона составляет до 1200 мкР/ч.

Если облучение превышает некоторый порог, возникает «лучевая болезнь». Ее по тяжести делят на 4 степени, начиная от дозы 100 - 200 Р -1 степень, до 600 Р - 4 степень (смертельный исход).

Международная комиссия по радиационной защите установила предельно допустимые дозы (ПДД) и мощности допустимой дозы (МДЦ), которые человек может получать без вреда для здоровья. Дkя человека МДД - 20 - 60 мкР/ч (0,2 - 0,6 мкЗв/ч), ПДД - 0,5 Р/год (0,5 бэр/год, 0,05 Зв/год, 5000 мкЗв/год).

Для работающих с ионизирующими излучениями эти нормы увеличиваются в 10 раз.

Защита от ионизирующих излучений

Для обеспечения безопасности от воздействия ионизирующих излучений необходима зашита от внутреннего и внешнего излучения.

Зашита от внешнего облучения обеспечивается экранированием различными материалами с учетом времени облучения и расстояния от источника облучения. Дозу (плотность потока) излучения можно снизить увеличением расстояния от источника излучения, уменьшением времени облучения, специальной защитой.

При внешнем облучения наименее опасно α - излучение ввиду малого линейного пробега α - частицы. Для зашиты от β - излучений конструкции должны иметь толщину, превышающую максимальный пробег в материале защиты.

Рентгеновское и гамма - излучения хорошо ослабляются тяжелыми материалами, имеющими высокий атомный номер и плотность (свинец, сталь, бетон).

При внутреннем облучении (попадание радиоактивных частиц в организм человека) наиболее опасны αчастицы, обладающие наибольшей ионизирующей способностью.

6. Применение ионизирующих излучений

1. Ионизирующая способность источников излучений используется:

а) Для ионизации воздуха в подземных бункерах, например, в шахтах, где стоят ракетные установки. Чаще применяются β - излучатели на основе ⁶³Ni, ¹⁴С;

б) Для снятия статического электричества в местах, где оно возникает и
накапливается. Например, при производстве резины, полимеров на конвейер
ставят источник излучения для снятия накапливающихся зарядов;

в) В форсажных камерах самолетов на пусковых устройствах для розжига
топлива;

2. Ослабление плотности потока β излучений в зависимости от толщины зашиты используется:

а) В толщиномерах, уровнемерах, измеряющих толщину проката гальванических и лакокрасочных покрытий;

б) В противообледенителъных системах самолетов. При обледенении самолета происходит постепенное ослабление потока излучения от источника излучения ⁹⁰ Sr – ⁹⁰ I (стронций - 90 - иттрий - 90). При достижении критического значения включается противообледенительное устройство.

3. В сельском хозяйстве облучения применяют для выведения новых сортов плодов, растений (за счет мутации от облучения).

4. В овощехранилищах применяют установки рентгеновского или γ - излучений для замедления порчи овощей, фруктов.

5. Лечение злокачественных опухолей. Облучение кобальтовой пушкой

6. При облучении полимерных материалов, полупроводников изменяются
их физические свойства. Например, у полупроводников может изменяться п -
проводимость на р - проводимость и наоборот.

7. Определение возраста древних предметов органического происхождения (древние животные, мумии). Имеющийся в атмосфере углерод (с примесью радиоактивного углерода ) реагирует с кислородом в воздухе С* + О₂ = С*О ₂, ив виде углекислого газа поглощается растениями, а через них и животными. В итоге радиоактивный накапливается в них. После гибели организма пополнение радиоактивного углерода (С*О ₂ ) прекращается. Имеющееся в организме количество изотопа убывает за счет радиоактивного распада. По определенной методике определяют, сколько периодов полураспада прошло с момента гибели.

8. Медицинская диагностика.

Применение короткоживущих изотопов для определения функций работы органов человека. Например, для определения функций работы щитовидной железы в организм вводят радиоактивный йод, ¹³¹ J (Т _1/2 = 8 дней).

10.Открытые источники излучения применяют в химии при использовании метода «меченых атомов» для изучения строения и анализа химических веществ.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Измерение естественного γ - фона в расчет эквивалентной дозы,

полученной от радиационного фона за год

1. Ознакомиться с порядком работы на дозиметре, его шкалой, измеряемой величиной, ее единицей измерения.

Большинство дозиметров измеряют мощность эквивалентной дозы Н в мкЗв/ч.

2. Измерить естественный радиационный фон в лаборатории. Сделать 3 измерения. Результаты измерений обработать по методике обработки прямых измерений и записать окончательный результат.

3. Записать результат измерения в мкР/ч (1 мкЗв = 100 мкР).

4. Рассчитать эквивалентную дозу, полученную Вами от радиационного фона за год.

5. Сравнить полученную Вами эквивалентную дозу от радиационного естественного γ - фона за год с предельно допустимой дозой (ПДД) по
нормам радиационной безопасности.

6. Сделать выводы.

Отчет по лабораторной работе должен содержать:

1.Краткую теоретическую часть (по указанию преподавателя).

2.Tim дозиметра, эскиз его шкалы.

3.Результаты измерений и их обработки.

4.Расчет полученной дозы за год,

5. Выводы.

Литература

1. Детлаф А.А., Яворский Б.М.. Курс физики. М: Высшая школа, 2000.

2. Трофимова Т.И., Курс физики. М.: Высшая школа, 1999.

3. Гусев Н.Г.. Справочник по радиоактивным излучениям и защите М.: Медгиз, 1986.

4. Голубев Б.П.. Дозиметрия и защита от ионизирующих излучений. М.:
Энергоатомиздат, 1986.

5. Моисеев А.А., Иванов В.И.. Справочник по дозиметрии и радиационной гигиене. М: Энергоатомиздат, 1990.

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. А.Н. Туполева

Кафедра технической физики

Дата добавления: 2015-08-02