Виды радиоактивных превращений.

1. Альфа-распад - выброс из ядра естественных радиоактивных элементов альфа- частиц (₄²) - ядра атома гелия:

2. Электронный бета-распад - выброс из естественных или искусственных радиоактивных элементов электрона:

3. Позитронный бета-распад - выброс из ядра некоторых искусственных радионуклидов позитрона:

4. К-захват (захват орбитального электрона ядром) - ядерный протон захватывает электрон из ближайшего к ядру К-слоя и превращается в нейтрон. Порядковый номер элемента уменьшается на единицу. На освобожденное в К-слое место переходит электрон из другого слоя, что сопровождается высвобождением кванта характеристического излучения:

5. Самопроизвольное деление ядер свойственно радиоактивным элементам с большим атомным номером (U²³⁵, Pu²³⁹ и др.) при захвате их ядрами медленных нейтронов. Одни и те же ядра при делении образуют разнообразные пары осколков, которые являются ядрами новых элементов:

Деление ядер сопровождается выделением ядерной энергии. Нейтроны, возникающие при делении ядра, вызывают деление других ядер. Такая реакция становится цепной. Условия для управления цепной реакцией создаются в атомных реакторах. При нарастании цепной реакции в течение короткого промежутка времени возникает ядерный взрыв.

6. Термоядерные реакции (синтез ядер) возникают при температурах, которые достигают нескольких миллионов градусов. В этих условиях ядра легких элементов объединяются в ядра более тяжелых элементов:

Закон постоянства радиоактивного распада: в равные промежутки времени происходит ядерное превращение равных частей активных атомов радиоактивного вещества:

N_t=N₀ e^-t

Где N_о - количество активных атомов в начальный момент (t=0); Nt - количество радиоактивных атомов, которые остались через время t; - постоянная распада, определяется частью атомов, которые распадаются за единицу времени.

Часть ядер атомов, которые распадаются, для каждого радионуклида является величиной постоянной и называется константой распада (l):

Где T - период полураспада - время, в течение которого распадается половина активных ядер атомов данного радиоактивного вещества. Радиоактивные вещества с периодом полураспада больше 15 суток считают долгоживущими, меньше 15 суток - короткоживущими.

Активность радиоактивного вещества - число ядерных превращений в единицу времени. Единица активности - беккерель (Бк) - одно превращение в секунду; МБК=10⁶ Бк, ГБК=10⁹ Бк, ТБК=10¹² Бк).

Внесистемная единица активности - кюри (Кu). 1 Кu = 3,7•10¹⁰Бк, производные Кu: милликюри (мКu) = 3,7•10⁷Бк; микрокюри (мкКu) = 3,7•10⁴Бк;

Ионизирующее излучение - это излучение, которое при взаимодействии с веществом вызывает возбуждение атомов и молекул вещества и возникновение противоположно заряженных ионов.

Виды ионизирующих излучений:

• корпускулярные: альфа- излучение (поток ядер атомов гелия), бета-излучение (поток электронов или позитронов), протонное излучение (поток протонов), нейтронное излучение (поток нейтронов)

• квантовые или фотонные: гамма-излучение (электромагнитное излучение, что возникает во время превращения радиоактивных ядер или во время взаимодействия быстрых заряженных частиц с веществом), рентгеновское (тормозное излучение) и космическое излучение.

Свойства излучений:

1) проникающее - свойство проникать сквозь разные материалы (обратно пропорционально плотности среды);

2) ионизирующее - свойство расщеплять молекулы на положительно и отрицательно заряженные ионы, например: H₂O = H⁺ + OH^-;

3) фотохимическое - свойство вызывать фотолиз AgBr = Ag⁺ + Br^- (засвечивание фотографических материалов);

4) сцинтилляционное, люминесцентное - свойство вызывать сцинтилляции, свечение некоторых химических веществ;

5) биологическое - свойство вызывать функциональные, анатомические и метаболические изменения на молекулярном, клеточном, органном и организменном уровнях;

6) кумулятивное - свойство накапливать в организме негативные эффекты облучений, что в дальнейшем может вызывать нежелательные отдаленные последствия (злокачественные опухоли, врожденные пороки развития, генные мутации, сокращение продолжительности жизни);

7) радиоактивные излучения не воспринимаются органами чувств - они невидимы, не имеют запаха и вкуса, потому в момент облучения организм не ощущает действия радиации.

8) тепловое - ядерные превращения сопровождаются выделением тепловой энергии.

Взаимодействие ионизирующих излучений с веществом

Первичными механизмами взаимодействия ионизирующих излучений с веществом являются возбуждение атома или его ионизация в результате передачи энергии излучения электрону атома.

Возбуждение атомов возникает в тех случаях, когда под влиянием не очень большой энергии излучения электрон временно на короткое время оставляет свою орбиталь, а возвращаясь на предыдущее место вызывает выделение низкоэнергетического кванта излучения.

Ионизация вещества возникает при отрыве электрона от атома в результате влияния ионизирующего излучения с энергией, способной оторвать электрон (20-35 эВ). Атом, потерявший электрон, из электронейтрального становится положительно заряженным ионом. Потерянный атомом электрон присоединяется к другому атому и образует отрицательно заряженный ион. Так образуется пара ионов.

В зависимости от величины линейной передачи энергии (ЛПЭ) все ионизирующие излучения делят на редко - и плотноионизирующие. К редкоионизирующим излучениям относят все виды излучений с ЛПЭ меньше 10 кэВ/мкм, γ-, β - и квантовые излучения, а к плотноионизирующим - с ЛПЭ выше 10 кэВ/мкм - нейтроны, протоны, ядра тяжелых химических элементов.

Разные виды излучений вызывают ионизацию среды неоднотипно.

Первичноионизирующие излучения передают свою энергию среде непосредственно ионизирующими заряженными частицами (α-, β-частицы, протоны, тяжелые ионы, π-мезоны) путем отрыва от атомов и молекул среды электронов в результате взаимодействия их электрических зарядов.

К вторичноионизирующим относятся квантовые излучения (рентгеновское и γ- излучение) и нейтроны.

Взаимодействие квантового излучения с веществом.

При взаимодействии квантового излучения с веществом возникают следующие эффекты:

1.Фотоэлектрический эффект (фотоэффект) наступает в результате передачи всей энергии кванта орбитальному электрону, который выбивается из орбитали атома вещества и называется фотоэлектроном. Атом, который потерял электрон, превращается в позитивный ион, а фотоэлектрон вызывает ионизацию среды как непосредственно ионизирующая частица.

В конце пути пробега фотоэлектрон теряет энергию, присоединяется к нейтральному атому среды и превращает его в отрицательно заряженный ион. Фотоэффект возникает при энергии кванта 0,1 - 0,3 МэВ.

2.Эффект Комптона (комптоновское рассеивание) заключается в передаче части энергии γ-кванта электрону среды и изменению своего предыдущего направления, электрон движется в направлении, измененном влиянием энергии γ-кванта. Такой электрон называется электроном отдачи и может ионизировать среду. Эффект Комптона возникает при энергии γ-кванта около 1 МэВ.

3.Образование электронно-позитронных пар возникает в результате столкновения фотона (с энергией больше 1 МэВ) с полем ядра вещества, при этом образуется пара позитрон-электрон, которая вызывает ионизацию среды. При аннигиляции электронно-позитронной пары в ядре атома возникает γ-фотон с энергией 1,02 МэВ.

Фотоны с энергией большей 2,2 МэВ могут выбить из ядра атома нейтрон или протон. Это явление называется ядерным фотоэффектом, в результате чего часто образуются радионуклиды.