ЭЛЕМЕНТЫ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ В РАДИАЦИОННОЙ ГИГИЕНЕ Часть 1. Строение атома, Радиоактивные распады Ионизирующие излучения - излучения, которые создаются при радиоактивном распаде, ядерных превращениях, торможении заряженных частиц в веществе и образуют при взаимодействии со средой ионы разных знаков. Общая схема строения атома А – электрон (e-1) Б – протон (1р+) В – нейтрон (1n0) Атомное ядро представляет собой совокупность ядерных частиц – нуклонов, к которым относятся положительно заряженные протоны и электрически нейтральные нейтроны. Самое простое строение имеет ядро водорода, которое состоит только из одного протона. Протон (1р+) – стабильная положительно заряженная элементарная ядерная частица с зарядом +1 (= 1,6·10-19 Кл*) и массой 1 а.е.м.** _________ * Кл – Кулон – единица измерения элементарного заряда (количества электричества) заряженных частиц. 1 Кл равен количеству электричества, проходящему через поперечное сечение при токе силой 1А за время 1 с. ____________ ** Масса частицы, ядра, атома измеряется в системе СИ в килограммах (кг). Однако в ядерной физике для ее измерения допускается применение, наравне с единицей СИ, относительной величины получившей название – атомная единица массы (а. е. м.). 1 а. е .м. = 1 условной единице (у.е.) = 1/12 массы атома углерода = 1,66 · 10-24 г. Международная система единиц (СИ) была принята XI Генеральной конференцией по мерам и весам (Париж, 1960). Ей было присвоено краткое наименование SI (system international), в русской транскрипции СИ, т.е. Система Интернациональная. В нашей стране она была введена как обязательная к применению в 1981 году (ГОСТ 8.417-81). Другие, существовавшие ранее системы измерения (СГС, МКС, МКГСС и т.д.) должны быть изъяты из применения. Единицы СИ Основные: Производные длины – метр, массы – килограмм, времени – секунда, силы тока – ампер, термодинамической температуры – градус Кельвина, силы света – кандела, количество вещества – моль. Десятичные кратные и дольные единицы: 1012 – тера ( T / T); 109 – гига ( G / Г); 106 – мега ( М / М); 103 – кило ( k / к); 102 – гекто ( h / г); 10 – дека ( da / да); 10-1 – деци ( d / д); 10-2 – санти ( с / с); 10-3 – милли ( m / м); 10-6 – микро ( µ / мк); 10-9 – нано ( n / н); 10-12 – пико ( р / п); Число протонов в ядре: - строго постоянно для атомов одного элемента, - соответствует номеру химического элемента в Периодической системе Д.И. Менделеева, - определяет заряд ядра (Z), - количество электронов вращающихся вокруг ядра, - химические свойства элемента. Находясь вне ядра, протоны сохраняют стабильность и не испытывают превращений. Нейтрон (1n0) – электрически нейтральная ядерная частица с массой, близкой массе протона (1 а.е.м.). - в ядрах стабильны, - в свободном состоянии неустойчивы и распадаются на протон и электрон, испуская и антинейтрино, а также некоторое количество энергии (0,78 МэВ*). _____________ * Электрон-вольт (эВ) – единица энергии, используемая в ядерной физике (хотя данная единица является внесистемной, ее применение допускается к применению наравне с единицами СИ). Равна энергии, которую получает электрон, проходя через поле с разностью потенциалов в 1 В. 1 эВ = 1,6 · 10-19 Дж. В практике широко используют кратные единицы: МэВ – мегаэлектрон-вольт, кэВ – килоэлектрон-вольт и др. Масса ядра атома химического элемента (М) равна сумме масс протонов и нейтронов входящих в его состав: М = 1р+ + 1n0 Электрон (e-1) – отрицательно заряженная частица с зарядом -1 и массой ≈ 0. - Электроны вращаются вокруг ядра по орбитам. - Группируются в несколько электронных слоев (К, L, М и т.д.) , образуя электронную оболочку ядра (электронное облако). - Количество электронных слоев определяет положение химического элемента в одном из семи периодов периодической системы и соответствует его номеру. - Электроны в каждом слое имеют свой уровень энергии, однако в определенных условиях возможен перескок отдельных электронов с орбиты на орбиту с поглощением или выделением энергии. Атомы, имеющие определенный состав и структуру ядра, называются нуклидами. - Индивидуальные свойства нуклида определяются электрическим зарядом ядра (числом протонов). Поэтому химические элементы обозначаются следующим образом: ZX A, где Х – химический элемент, Z – заряд ядра (число протонов), А – масса атома. Изотопы (isos – одинаковый, topos - место) – разновидности химического элемента с одинаковым числом протонов, но различным числом нейтронов в атомных ядрах и, следовательно, атомной массой, сохраняя при этом практически одинаковые химические свойства. - В Периодической системе Д.И. Менделеева изотопы одного химического элемента занимают одно место (клеточку). - Изотопы одного и того же элемента имеют разные массовые числа. Например, природный хлор состоит из двух видов атомов, в ядрах которых содержится по 18 или 20 нейтронов, при постоянном количестве протонов – по 17 (17Cl35 и 17Cl37). !! Масса большинства химических элементов выражаются не целыми числами. Например, масса хлора равна 35,5. Это объясняется тем, что соотношение природных изотопов хлора 17Cl35 и 17Cl37 составляет 75,4 % и 24,6 % соответственно. Если число протонов в ядре совпадает с числом электронов, то атом в целом оказывается электрически нейтральным. Если атом обладает некоторым положительным или отрицательным зарядом, то называется ионом, например Li+, Li2+ или О-, О2-. Ионизация атома – процесс, в котором один или более электронов освобождаются от материнского атома или молекулы, или из другого связанного состояния. Обратный процесс нейтрализации атома из двух разнополярных ионов называется рекомбинацией. В случае передачи недостаточной для ионизации энергии электрон может переходить на более удаленную от ядра орбиту, в этом случае атом называется возбужденным. Стабильные изотопы – устойчивые изотопы, атомные ядра которых не подвержены радиоактивному распаду. Радиоактивные изотопы - изотопы, атомные ядра которых подвержены радиоактивному распаду. Они способны в процессе распада превращаться в ядра других элементов до тех пор, пока не образуются стабильные нуклиды. Радиоактивность или радиоактивный распад - самопроизвольное превращение одних атомных ядер в другие, сопровождаемое испусканием элементарных частиц и фотонов. Естественная наблюдаемая у ядер существующих в природных условиях Искусственная наблюдается у ядер искусственно полученных посредством ядерных реакций Радиоактивный распад Радиоактивный распад по своей природе является ядерным процессом, в результате которого радиоактивный нуклид (радионуклид) преобразуется в ядро нуклида другого химического элемента, находящегося в стабильном или определенном возбужденном состоянии. Обычно исходное ядро называется материнским, а вновь образовавшееся ядро – дочерним. Во время радиоактивного распада ядер: - испускаются α-, β- частицы и γ-излучение, - ядра нестабильных атомов одних элементов превращаются в другие, - выделяется огромное количество энергии. Виды радиоактивных превращений: – альфа-распад; – бета-распады; – радиационный (нейтронный) захват; – спонтанное деление ядер; – термоядерные реакции и др. Альфа-распад Альфа-частицы (α) положительно заряженные частицы – ядра атомов гелия (2Не4), движущиеся со скоростью около 20 000 км/с. Альфа-распад характерен для естественных радиоактивных элементов с большими порядковыми номерами, имеющих малые энергии связи. Дочернее ядро, образовавшееся после распада, имеет порядковый номер на 2 единицы меньше, чем материнское ядро, а массу на 4 единицы. ZX A → 2He 4 + Z-2Y A-4, где Х – символ исходного (материнского) ядра, Y – символ образовавшегося (дочернего) ядра. В периодической системе элементов новый элемент перемещается на 2 клетки влево (правило сдвига). Пример: 238 → He4 + 234 92U 2 90Th Бета-распады - Электронный β-распад (отрицательный β-распад), - Позитронный β-распад (положительный β-распад), - К-захват (захват орбитального электрона ядром или электронный захват). Электронный β-распад (отрицательный β-распад) Характерен элементов. для естественных и искусственных радиоактивных Ядро испускает электрон (β-1-частицу) и нейтральную частицу очень малой массы - антинейтрино. ZX A → е-1 + Z+1Y A+ ν + γ, где ν – антинейтрино (нейтральная частица очень малой массы, античастица нейтрино), γ – гамма-квант (гамма-излучение). Дочерний элемент перемещается на одну клетку вправо. Пример: 210 → е + 210 82Pb -1 83Bi Физический смысл: В ядре свободных электронов нет. Они образуются при переходе нейтрона в протон: 1n 0→ 1р + + е-1, т.е. в ходе этого процесса внутри ядра рождается электрон . Позитронный β-распад (положительный β-распад) Позитрон - античастица электрона, имеет заряд + 1. Позитронный бета-распад характерен для некоторых искусственных радиоактивных изотопов (С11, N13, O16, F18, P30, K38, Tc92, I121 и др.), содержащих избыточное число протонов. При позитронном β-распаде ядро испускает позитрон и нейтрино – электрически нейтральной частицы с массой около нуля. A +1 A ZX → е + Z-1Y + ν + γ, где е+1 – позитрон, ν – нейтрино, γ – гамма-квант (гамма-излучение). Дочерний элемент перемещается на одну клетку влево. Пример: 13 → е+1 + C13. 7N 6 Физический смысл: В ядре протон превращается в нейтрон испуская позитрон. 1р + → 0 +1 1n + е . Позитрон в отличие от электрона недолговечен (время его жизни 10-10 – 10-7 с). Вылетев из ядра, он соединяется с «лишним» электроном, в результате чего образуется два гамма кванта и происходит аннигиляция*. После чего дочернее ядро становится электрически уравновешенным. * Аннигиля́ция (от лат. Annihilatio - уничтожение) - в физике реакция превращения частицы и античастицы при их столкновении в какие-либо иные частицы, отличные от исходных. К-захват (положительный β-распад) Ядро захватывает один электрон с ближайшей к ядру Коболочки (иногда с L-оболочки). При К-захвате испускается нейтрино. Схематично К-захват можно представить так: где ν – нейтрино. A -1 A ZX + е → Z-1Y + ν, Заряд ядра (атомный номер элемента) уменьшается на единицу, а массовое число остается прежним. Пример: 29Сu 64 + е-1 → 28Ni 64. Физический смысл: Один из протонов ядра («лишний» протон), соединяясь с электроном, превращается в нейтрон. + -1 0 1р + е → 1 n . При К-захвате в радионуклиде происходят и внеядерные процессы, так на месте электрона захваченного с К-оболочки образуется вакансия («дырка»). Далее на освободившееся место перескакивает электрон с L-оболочки, на его место – из Моболочки и т.д. Каждый перескок сопровождается высвобождением некоторой энергии, которая испускается атомом в виде рентгеновского характеристического излучения. !! При электронном и позитронном распаде выделяется энергия в виде гамма-кванта (гаммаизлучения), К-захват сопровождается характеристическим рентгеновским излучением. !! Радиационный (нейтронный) захват (реакция активации Процесс поглощения нейтрона ядром стабильного или радиоактивного нуклида с образованием нового изотопа исходного или другого радионуклида. Ядерные превращений происходят при столкновении потока медленных (с энергией до нескольких эВ) нейтронов со стабильными ядрами. ZX A + 0 A+1. 1 n → ZY Нейтроны с энергией 0,5 МэВ и более, быстро пролетая вблизи ядра, не успевают вступить с ним во взаимодействие. Пример: 59 + 1n Новое ядро неустойчиво электронный распад. и Пример: 27Со 23 + n0 11Na 1 → 0 → 27Со 60 + γ. испытывает 24 + γ 11Na → 12Mg последующий 24 + β- + γ. Эту реакцию называют еще реакцией активации. О стабильных нуклидах, претерпевшие подобные ядерные превращения в радионуклиды, говорят, что они испытывают наведенную радиоактивность. Продукт первого акта электронного распада не всегда стабилен и может испытывать второй электронный распад и т.д. 238 + n0 → 239 + γ 92U 1 92U → … → 93Np239 + β- + γ → 94Pu239 + β- + γ Спонтанное деление ядер Наблюдается у тяжелых радиоактивных элементов с большим атомным номером (например, 92U235, 94Pu239 и др.) при захвате их ядрами медленных (низкоэнергетический) нейтронов. Процесс деления начинается с того, что нейтрон, влетев в ядро обстреливаемого элемента, увеличивает его массовое число на единицу (например, 92U235 превращается в 92U236). Однако образующееся новое ядро является энергетически не устойчивым, вследствие чего оно мгновенно делится с образованием различных пар «осколков» и избыточного количества нейтронов. 235 + n1 → U236 → 90 + 143 + 3 n1 + γ. 92U 0 92 36Kr 56Ba 0 Образующиеся осколки часто в последующем претерпевают несколько последовательных электронных β-распадов, сопровождающихся, как правило, испусканием β-квантов различной энергии: 36Kr 90 → 90 → 90 → 90 → 90 37Pb 38Sr 39Y 40Zr . Схема цепной ядерной реакции Минимальное количество делящегося вещества, в котором уже возможна цепная реакция, называется критической массой. В ядерных реакторах плотность нейтронного потока регулируется особыми стержнями поглотителями избытка нейтронов - управляемая цепная ядерная реакция деления. Термоядерные реакции (синтез ядер легких элементов). Происходит слияние двух легких ядер в одно более тяжелое ядро. Она протекает лишь при высоких температурах, достигающих нескольких миллионов градусов (термоядерная), например при ядерном взрыве. D2 + 1T3 → 2He4 + 0n1 + E. 1 где 0n 1 – нейтрон, E – энергия (17,57 МэВ). При этом поток нейтронов облучает элементы окружающей среды и вызывает наведенную радиоактивность с образованием радиоактивных элементов – трития, углерода и др.
