3. РАДІОАКТИВНИЙ РАСПАД
У 1911 році Резерфорд і Содді показали, що атоми деяких речовин відчувають послідовні перетворення, утворюючи радіоактивні ряди, де кожен член цього ряду виникає з попереднього, причому ніякими зовнішніми фізичними впливами (температура, електричні і магнітні поля, тиск) не можна вплинути на характеристики розпаду.
Пізніше, здатність деяких ядер мимовільно (спонтанно) перетворюватися в інші ядра з випусканням різних видів випромінювання і елементарних частинок називали радіоактивністю. При цьому розрізняють два види радіоактивності - природну, що спостерігається у нестабільних ізотопів атома, що існують у природі, і штучну, яка спостерігається у ізотопів, що утворюються в результаті ядерних реакцій. Обидва види радіоактивності нічим принципово не відрізняються один від одного і описуються одними і тими ж законами радіоактивних перетворень.
Процес природного, мимовільно відбувається радіоактивного перетворення називається радіоактивним розпадом, або просто розпадом. Ядра, які відчувають розпад, називаються радіонуклідами. Початкове атомне ядро називається материнським, а ядро, що утворилося в результаті розпаду, називається дочірнім.
Радіоактивний розпад відбувається зі строго певною швидкістю, характерною для кожного даного елементу. Час, за яке вихідне число радіоактивних ядер в середньому зменшується вдвічі, називається періодом напіврозпаду Т. Періоди напіврозпаду різних ядер коливаються в дуже широких межах. Так, наприклад, період напіврозпаду уранасоставляет 4,5 млрд. Років, радію - 1620 років, радона- 3,8 доби. Більш того, періоди напіврозпаду у ізотопів одного і того елемента можуть сильно відрізнятися - уRa Т = 1630 років, а УТ = 0,001с.
Оскільки окремі радіоактивні ядра розпадаються незалежно один від одного, то закон радіоактивного розпаду носить статистичний характер. Можна показати, що закон убування в часі числа радіоактивних ядер даної речовини (закон радіоактивного розпаду) має вигляд
Тут-число радіоактивних ядер в момент часу, прийнятий за початок відліку, тобто при t = 0. N - число радіоактивних ядер в момент часу t. Я - постійна для даної радіоактивної речовини величина, що носить назву постійної радіоактивного розпаду. Між постійної радіоактивного розпаду і періодом напіврозпаду існує простий зв'язок:
Середній час життя радіоактивного ядра г є величина, зворотна постійної радіоактивного розпаду, тобто радіонукліди, з яких 37000 розпадається кожну 5 секунду.
Радіоактивний розпад відбувається відповідно до правил зміщення, встановленими дослідним шляхом. Правила зміщення: => для альфа-розпаду (перетворення ядер, що супроводжуються випусканням альфа-частинок)
для бета розпаду (перетворення ядер, що супроводжуються, випусканням бета-частинок)
Активністю А нукліда в радіоактивному джерелі називається число розпадів, що відбуваються з ядрами зразка в одиницю часу:
де- число ядер, що розпалися в середньому за інтервал часу від t до t + dt.
Одиниця активності в системі СІ - беккерел' (Бк): 1 Бк - активність нукліда, при якій за 1 с відбувається один розпад. Позасистемна одиниця активності - кюрі (Кі):
1 кюрі дорівнює числу розпалися ядер містяться в 1 г радію за 1 с (3,7 ХРАС / сек).
На всіх картах радіаційного забруднення, який став результатом Чорнобильської катастрофи, наводиться радіаційна щільність забруднення, тобто радіоактивність на одиницю площі.
Наприклад, якщо ви проживаєте на території з щільністю забруднення грунту 1 Кі / кв. км або 37000 Бк / кв. м (37 кБк / кв. м), то це означає, що на одному квадратному метрі цієї грунту знаходяться
де X - хімічний символ материнського ядра, - ядро атома гелію, - символічне позначення електрона (заряд його дорівнює -1, масове число дорівнює 0).
Правила зміщення є наслідками двох законів збереження, що виконуються при радіоактивних розпадах - збереження електричного заряду і масового числа: сума зарядів (масових чисел) виникають ядер і частинок дорівнює заряду (масовому числу) вихідного ядра.
Вийшло в результаті розпаду дочірнє ядро теж може бути радіоактивним. В результаті виникає ланцюжок або ряд радіоактивних перетворень, що закінчуються стабільним ізотопом. Сукупність елементів, що утворюють ланцюжок, називається радіоактивним сімейством. Сімейство називається по найбільш довгоживучих елементу (з найбільшим періодом напіврозпаду) "родоначальнику" сімейства: торію урану актиния. Кінцевими нуклідами є відповідно
У таблиці 1 представлена ланцюжок сімейства урану.
Таблиця 1. Сімейство урану.
4.ВЗАІМОДЕЙСТВІЕ випромінювань З РЕЧОВИНОЮ
Для реєстрації радіоактивності і заходів захисту від ядерних випромінювань, необхідно знати за рахунок яких процесів втрачається енергія випромінювання, проходячи через речовину; яка іонізує здатність різних видів випромінювання.
В основному заряджені частинки, проходячи через речовину, втрачають свою енергію за рахунок зіткнень з атомами цієї речовини. Так як маса ядра речовини на багато більше в порівнянні з масою електронів атома, то спостерігаються істотні відмінності між зіткненнями "електронними" (падаюча частка стикається з електроном) і "ядерними" зіткненнями (падаюча частка стикається з ядром атома). У першому випадку відбувається збудження або іонізація атома (неупругое зіткнення), в другому - частка і атом приходять в рух як єдина система (пружне зіткнення). Ядерні зіткнення відбуваються в речовині багаторазово, що призводить до розсіювання частинок. Якщо в результаті взаємодії з'являються нові частинки або зникають початкові, то цей процес називають реакцією. Зокрема, якщо виникають при взаємодії ядра з новими властивостями, то реакція називається ядерної.
Процес радіоактивного перетворення елементів завжди супроводжуються викидом елементарних частинок. Це можуть бути заряджені частинки такі, як альфа-, бета-частинки, протони і інші, нейтральні - нейтрони, нейтрино, так і гамма кванти різних енергій.
Пучки заряджених елементарних частинок, ядра легких елементів, іонів надають іонізуюче вплив на речовина, через які вони проходять. Опосередковане іонізуюче вплив роблять і нейтральні частинки, перш за все нейтрони: в результаті взаємодії цих частинок з ядрами речовин випускаються ядром протон і гамма квант, які і викликають іонізацію середовища.
Розглянемо процеси, які супроводжують проходження іонізуючого випромінювання через речовину.
4.1 ВЗАЄМОДІЯ АЛЬФА-ЧАСТИНОК З РЕЧОВИНОЮ
Історія відкриття і вивчення альфа-частинок пов'язана з ім'ям Резерфорда. За допомогою альфа-частинок Резерфорд проводив дослідження більшості атомних ядер.
Альфа-частинки це атоми гелію, що втратили два електрона, тобто ядра атома гелію
Ядро гелію, що складається з двох протонів і двох нейтронів стійко, частинки пов'язані в ньому міцно.
В даний час відомо більше 200 альфа активних ядер, головним чином важких (А> 200, Z> 82), виняток становлять рідкоземельні елементи (А = 140-160). Прикладом альфа розпаду може служити розпад ізотопів урану:
Швидкості, з якими альфа-частинки. вилітають з розпався ядра, дуже великі і коливаються для різних ядер в межах від 1,4 × 10 7 до 2,0x10 'м / с, що відповідає кінетичним енергій цих частинок 4-8,8 МеВ. Альфа-частинки до складу ядра не входять, і, за сучасними уявленнями, вони утворюються в момент радіоактивного розпаду при зустрічі рухомих всередині ядра 2-х протонів і 2-х нейтронів.
Пролітаючи через речовину, альфа-частинки поступово втрачають свою енергію, витрачаючи її на іонізацію газів. Причому на початку шляху, коли енергія альфа-частинок велика, питома іонізація менше, ніж в кінці шляху.
Під пробігом частки в речовині розуміється товщина шару цієї речовини, яку може пройти ця частинка до повної зупинки. Пробіг частинок в основному визначено для важких частинок, тому що їх шлях представляє пряму лінію з найменшим розсіюванням. Пробіг альфа-частинок залежить як від енергії частинок, так і від щільності речовини, в якому вони рухаються.
По пробігу альфа частинки можна визначити її енергію.