ФГОУ «Средняя общеобразовательная школа № 24»

Министерства обороны РФ, г. Вольск-18

НОМИНАЦИЯ

Построение модели явления

тема

«Р А Д И О А К Т И В Н О С Т Ь»

Автор: Федосеев Дмитрий Васильевич ученик 11а класса

Руководитель: Охапкин В. В., учитель физики

Содержание

Введение……………………………………………………………………………. 3

Термины и определения…………………………………………………………… 4

1 Строение вещества………………………………………………………………. 5

2 Радиоактивность…………………………………………………………………. 9

2.1 Радиоактивный распад атомов………………………………………………... 9

2.2 Закон радиоактивного распада………………………………………………... 14

2.3 Активность радионуклидов. Единицы измерения активности……………... 15

2.4 Цепочки распадов……………………………………………………………… 18

2.5 Источники ионизирующего излучения………………………………………. 19

2.5.1 Естественная радиоактивность……………………………………………... 19

2.5.2 Искусственная радиоактивность……………………………………………. 20

3 Свойства радиоактивных излучений 21

4 Биологическое действие ионизирующего излучения. Защита от ионизирующего излуче-

ния………………………………………………………………...

24

4.1 Единица измерения ионизирующего действия радиоактивных излучений.. 24

4.2 Биологическое действие ионизирующего излучения……………………….. 25

4.3 Защита от ионизирующего излучения………………………………………... 27

5 Использование источников ионизирующего излучения в человеческой деятельно-

сти……………………………………………………………………………

30

Ключевые сведения………………………………………………………………... 34

Список использованных литературных источников…………………………….. 37

2

Введение

В 1885 году В.Рентген открыл излучение, названное в дальнейшем его именем. В 1886

году А.Беккерель положил на несколько фотографических пластинок кусок минерала, содер-

жащего уран. Проявив пластинки, он обнаружил на них следы каких-то излучений, которые он

приписал урану. В 1989 году супруги М.Кюри и П.Кюри установили, что уран после излучения

превращается в другие химические элементы. Один из этих элементов они назвали радием, по-

скольку по-латыни это слово означает «испускающий лучи». Это были первые шаги в исследо-

ваниях с ионизирующими излучениями.

Цель доклада – рассказать о сущности радиоактивности и радиоактивного распада, о

свойствах радиоактивных излучений, об использовании радиоактивных веществ в народном

хозяйстве, о воздействии ионизирующего излучения на живой организм и способах и средствах

защиты от него.

Результаты расчетов, представленные в докладе на рисунках и в таблицах, получены с

использованием известных математических зависимостей, которые имеются в справочниках по

радиационной безопасности и защите от ионизирующих излучений.

3

Термины и определения

Активность - число радиоактивных распадов в единицу времени Альфа-частица - частица, состоящая из двух протонов и двух нейтронов связанных

между собой. Испускается ядром при радиоактивном распаде Атом - наименьшая частица химического элемента, входящая в состав

молекул простых и сложных веществ (электронейтральная части-ца, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов. Радиус атома приблизительно равен (2,5 – 5,5)·10-11 м)

Бета-частица - электрон с большой скоростью, испускаемый ядром при радиоак-тивном распаде

Гамма квант - электромагнитное излучение, испускаемое ядром в результате радиоактивного распада

Деление - процесс, в котором тяжелое ядро разделяется на меньшие ядра Дочерний нуклид - нуклид, образующийся в результате радиоактивного распада

(вторичный нуклид) Ионизирующее излуче-ние

- любая частица или электромагнитное излучение, которые имеют достаточно энергии для выбивания электронов из атомов

Материнский нуклид - исходный радионуклид при радиоактивном распаде Молекула - наименьшая частица данного вещества, обладающая его химиче-

скими свойствами (группа атомов, объединенных химической связью)

Нейтрон - незаряженная частица в ядре атома (масса нейтрона равна 1,6748 * 10-27 кг)

Нуклид - атомы, характеризующиеся определённым массовым числом и атомным номером (обозначают символом элемента с указанием атомного номера (внизу слева) и массового числа (вверху слева), например: 238

92U, 235 92U)

Нуклоны (ядерные ча-стицы)

- нейтроны и протоны

Орбиталь электронная - траектория движения электронов в атоме Период полураспада - время, необходимое для того, чтобы половина атомов радио-

нуклида претерпела радиоактивный распад Протон - положительно заряженная частица, находящаяся в ядре атома

(масса протона равна 1,6726 * 10-27 кг) Радиоактивный распад - изменения, имеющие место в ядре приводящие его к более ста-

бильному ядру Радиоактивный ряд - пути, по которым распадаются радионуклиды к стабильному нук-

лиду Радионуклид - нуклид, испускающий излучение Число атомное (Z) - число протонов в ядре атома Число массовое (A) - общее число протонов и нейтронов в ядре атома Электрон - отрицательно заряженная частица, движущаяся вокруг ядра атома

(масса покоя электрона равна 9,1095 * 10-31 кг) Электронная оболочка - совокупность всех электронов в данном атоме

4

1 Строение вещества

В настоящее время общепринято следующее представление о строении вещества

[1,2,3,4]. Все вещества состоят из молекул, которые являются наименьшими частицами данного

вещества, обладающие его химическими свойствами. Молекулы, в свою очередь, состоят из

атомов одного или нескольких элементов. Эти атомы не могут быть разделены никакими хими-

ческими методами, но они способны связываться друг с другом, образуя вещество. Несмотря на

свои малые размеры, радиус атома приблизительно равен (2,5 – 5,5)·10-11 м, атомы сами по себе

состоят из ряда субатомных (элементарных) частиц, известных как протоны (масса протона

1,6726·10-27 кг), электроны (масса электрона 9,1095·10-31 кг) и нейтроны (масса нейтрона равна

1,6748·10-27 кг). Поскольку массы этих частиц очень малы, специальная единица, называемая

атомной единицей массы, (обозначается символом а.е.м. или аем, в англоязычной литературе −

u, либо amu) используется для описания масс. Атомная единица массы определяется как одна

двенадцатая массы атома углерода-12 и равна 1,66·10-24 граммов.

Протоны представляют собой положительно заряженные частицы с массой, примерно

равной 1аем. Они обнаружены в центре (ядре) атома, и имеют заряд, равный +1,6·10-19 Кулон.

Электроны имеют равный по величине, но противоположный по знаку заряд (-1,6·10-19

Кулон) и обнаружены на орбитах вокруг ядра. Электрон обладает намного меньшей массой,

чем протон (примерно 5·10-4 аем или 1/1840 массы протона или 1/1820 от аем).

Нейтроны рассматривают как комбинацию протона и электрона, и поэтому нейтрон

имеет массу, примерно равную 1 аем, но не имеет результирующего электрического заряда.

Нейтроны обнаружены в составе ядра атома.

Нейтроны и протоны называются ядерными частицами или нуклонами.

В таблице 1 приведены обобщенные данные о свойствах частиц, входящие в состав ато-

ма.

Таблица 1 - Свойства частиц, входящие в состав атома Частица Место в атоме Масса (аем) Заряд (e) Обозначение*

Протон Ядро 1 +1 1 1р

Электрон Орбита 1/1820 -1 1 -1е

Нейтрон Ядро 1 0 1 0n

Примечание: * верхний индекс обозначает массу в а.е.м , нижний индекс обозначает заряд частицы

Количество электронов в атоме равно количеству протонов в его ядре и совпадает с по-

рядковым номером элемента в периодической системе элементов. Порядковый номер элемента называют атомным номером. Заряд электрона по абсолютному значению равен заряду протона.

5

Суммарный отрицательный заряд всех орбитальных электронов равен суммарному положи-тельному заряду протонов ядра. Это означает, что атом в нормальном состоянии для внешней среды является электрически нейтральной системой.

Электроны в атоме сгруппированы по электронным оболочкам, номера которых возрас-тают по мере удаления от ядра: n=1,2,3 … Номера оболочки принято обозначать соответствен-но буквами K, L, M, N. В каждой оболочке может находиться не более определенного количе-ства электронов: в K-оболочке не более 2, L – 8, M – 18, N – 32. В обще случае число электро-нов в каждой оболочке меньше или равно 2n2, где n – номер оболочки, считая от ядра

На рисунке 1 представлены схемы строения электронных оболочек водорода (Н), содер-жащего 1 электрон, лития (Li), содержащего 3 электрона, натрия (Na), содержащего 11 электро-нов, и цинка (Zn), содержащего 30 электронов.

А) Атом Н Б) Атом Li В) Атом Na Г) Атом Zn

Рисунок 1 – Схемы строения электронных оболочек H, Li, Na и Zn Необходимо отметить, что данные диаграммы простые, но диаграммы электронных ор-

бит для более тяжелых элементов могут оказаться весьма сложными.

Состояние атома, для которого в каждой электронной оболочке находится не более 2n2

электронов, называется основным. При таком расположении электронов состояние атома

наиболее устойчиво.

Энергия связи, благодаря которой электроны удерживаются в атоме, зависят от расстоя-

ния электрона до центра атома. Электроны, расположенные вблизи ядра, находятся под дей-

ствием большей силы притяжения, чем электроны находящиеся дальше от него. Электроны мо-

гут изменить свою орбиту и перемещаться в различные оболочки только тогда, когда атому пе-

редается, либо из него высвобождается энергия. Электрон, переходя с ближней орбиты на более

удаленную от ядра, должен преодолеть силу притяжения ядра, т.е. приобрести (поглотить) до-

+ +

+

6

полнительную энергию. При переходе электрона с дальней орбиты на ближайшую к ядру про-

исходит выделение энергии, которая может быть излучена атомом. Атом, в котором электроны

обращаются на более удаленной от ядра орбите, чем им дозволенной, называется возбужден-

ным.

Силы, удерживающие нуклоны в ядре, называются ядерными. Они обуславливают

устойчивость ядра. Общее число нуклонов в ядре называют массовым числом А, которое опре-

деляется по формуле:

A=N+Z, (1)

где N - число нейтронов; Z - число протонов в ядре.

Существует много атомов, ядра которых содержат равное количество протонов, но раз-

ное число нейтронов. Атомы отдельного элемента, имеющие различные количества нейтронов,

называются изотопами. Изотопы, испускающие излучение, называются радиоизотопами. Так

как изотопы относятся к одному и тому же элементу, они химически идентичны, и, следова-

тельно занимают одно и то же место в таблице Менделеева, но имеют различную массу и име-

ют различную способность испускать излучение.

Рассмотрим в качестве примера изотопы водорода. Большинство атомов водорода,

встречающихся в природе, имеют один протон и ни одного нейтрона.

7

Однако, существуют и.другие изотопы водорода с одними или двумя нейтронами. Таким обра-

зом, атом водорода может иметь массовое число 1, 2 или 3. Изотопы водорода с массовыми

числами 2 и 3 имеют специальные названия, отличающие их от наиболее распространенного

изотопа с массовым числом 1. Изотоп водорода с массовым числом 2 называется дейтерием

(deuterium), или тяжелым водородом, и, как и изотоп водорода с массовым числом 1, стабилен.

Изотоп водорода с массовым числом 3 называется тритием (tritium), но, в отличие от других

изотопов, радиоактивен (т.е. является радиоизотопом). Схемы строения ядер атомов изотопов

водорода показаны на рисунке 2.

1 электрон 1 электрон 1 электрон

Протий Дейтерий Тритий

1 1 H 1

2 H 1 3 H

Рисунок 2 – Схема строения ядер атомов изотопов водорода

В таблице 2 приведены сводные данные, отображающие атомную структуру рассмот-

ренных изотопов водорода.

Таблица 2 - Атомная структура изотопов водорода Протий Дейтерий Тритий

Символ* 1 1 H 1

2 H 1 3 H

Число протонов 1 1 1

Число электронов 1 1 1

Число нейтронов (N) 0 1 2

Атомное число (Z) 1 1 1

Массовое число (A) 1 2 3 Примечание: * Изотопы элементов обозначаются соответствующим символом элемента с указанием атомного номера (внизу слева) и массового числа (вверху, слева)

Атомы с данным массовым числом и атомным номером объединяются под одним терми-

ном нуклид. Однако, понятие «нуклид» может быть отнесено к любому элементу (и представляет

собой более общий термин), тогда как изотопы следует относить к одному и тому же элементу.

Специальный термин, радионуклид, используется для описания нуклида, спонтанно испускаю-

1 протон

2 нейтрона

1 нейтрон

1 протон 1 протон

8

щего излучение. Они записываются и описываются точно таким же образом, что и нуклиды во-

обще.

2 Радиоактивность

2.1 Радиоактивный распад атомов

На стыке XIX − XX веков было обнаружено, что некоторые вещества естественного про-

исхождения подвергаются спонтанному изменению своей структуры, приводящему к их стабиль-

ному состоянию. Такие вещества известны как радиоактивные, а радиоактивный распад опре-

деляется как изменения, имеющие место в ядре, приводящие его в конечном счете к стабильному

ядру.

Будет ли ядро радиоактивным или нет, определяется его структурой. При определенных

конфигурациях протонов и нейтронов ядро будет стабильным, при других – нестабильным. Это

подобно зависимости химической стабильности атома от конфигурации орбитальных электронов.

Если ядро не имеет стабильной конфигурации, оно распадется и образует стабильный нуклид.

Основателями ядерной и радиационной физики явились:

- немецкий физик Вильгельм Конрад Рентген (1845-1923 гг.), от-

крывший X- лучи, которые позже стали называться рентгеновскими. Его

открытие оказало большое влияние на последующее развитие науки об

атоме. Рентгеновское излучение сразу же нашло применение в медицине и

технике;

- французский ученый Анри Антуан Бек-

керель (1852-1908 гг.), который в 1896 году

установил, что химические соединения элементов урана испускают ка-

кие-то невидимые лучи. Под действием этих лучей воздух становился

проводником электрического тока, они вызывали почернение фотопла-

стинки и свечение некоторых веществ;

- физики Пьер Кюри (1859-1906 гг.) и Мария Склодовская-Кюри

(1867- 1934 гг.), своими исследованиями показали,

что соли не только урана, но и тория испускаю излучение. При

попытке получить уран в чистом виде ученые открыли два но-

вых элемента – ра- дий и полоний. Явление самопроизвольного

излучения по пред- ложению Марии Кюри было названо радио-

активностью, а эле- менты, испускающие это излучении, - радио-

активными. Мария Кюри в своих исследованиях пришла к важ-

ному выводу, что радиоактивность – свойство атомов радиоак-

тивного элемента;

В. Рентген

А. Беккерель

Пьер и Мария Кюри

9

- в 1919 году Резерфорд сделал новое открытие. Облучая атомы

азота альфа-частицами полония, он получил другой элемент – кисло-

род;

- в 1934 году физики супруги Ирен и Фредерик Жолио Кюри

открыли искусственную радиоактивность. Они, облучая атомы бора

альфа-частицами, обнаружили излучение нейтронов и позитронов.

Ядра атомов бора при этом превращались в ядра атомов азота. Откры-

тие искусственной радиоактивности положило начало бурному разви-

тию ядерной физики в направлении получения новых элементов, искусственных радионукли-

дов и ядерной энергии.

Процесс радиоактивного распада приводит к испусканию заряженных частиц и электро-

магнитного излучения. Обычно это альфа-частицы, бета-частицы и гамма-кванты. Также могут

испускаться позитроны, рентгеновское излучение [2, 5].

Необходимо отметить следующие особенности явления радиоактивности [2,5]:

- радиоактивность – свойство ядер радиоактивных элементов;

- радиоактивность – самопроизвольный процесс;

- на явление радиоактивности не влияют такие внешние факторы, как давление, темпе-

ратура, магнитные и электрические поля, химические реагенты;

- в процессе радиоактивного распада выполняется закон сохранения энергии, согласно ко-

торому, энергия материнского ядра равна энергии продуктов распада;

- при радиоактивном распаде атома происходит превращение атомного ядра, приводя-

щее к изменению заряда, массы и энергетического состояния ядра.

Как уже отмечалось, атомные ядра состоят из протонов и нейтронов, никаких других частиц

в ядре нет. Известно [2,5], что распад ядер сопровождается испусканием электронов, позитронов,

альфа-частиц, гамма-квантов. Естественно, напрашивается вопрос – откуда же они берутся? Ока-

зывается, протоны и нейтроны в ядре способны к взаимным превращениям. При избытке нейтро-

нов последние превращаются в протоны, а при их недостатке протоны превращаются в нейтроны.

При таких превращениях должны строго соблюдаться законы сохранения массы, энергии и заряда,

т.е. суммарная масса, энергия и заряд до начала превращения и после его завершения должны оста-

ваться постоянными. Нейтрон не имеет заряда, а у протона – единичный положительный заряд.

Казалось бы, простое превращение нейтронов в протон и наоборот невозможно. Но закон сохране-

ния заряда соблюдается за счет того, что при превращении возникает частица, несущая заряд, -

электрон и позитрон. Энергия, выделяющаяся при указанных превращениях, реализуется в виде

кинетической энергии вылетающих электрона, позитрона и частицы, не несущей электрического

заряда.

Э. Резерфорд

10

Частицы и излучение, испускаемые при радиоактивном распаде несут достаточно энергии

для того, чтобы выбить электрон из вещества, через которое они проходят. Другими словами, это

излучение классифицируется как ионизирующее излучение (ионизирующее излучение – это любая

частица или электромагнитное излучение, которые имеют достаточную энергию для выбивания

электронов из атомов, молекул или ионов).

Энергия ионизирующего излучения измеряется в электронвольтах (эВ).

1 эВ это энергия, которую приобретает электрон при прохождении разности потенциала в 1 вольт и

равна 1,6⋅10-19 Дж. На практике, энергия ионизирующего излучения обычно дается в единицах про-

изводных от электронвольта, таких как килоэлектронвольт (кэВ или 103 эВ) или мегаэлектронвольт

(МэВ или 106 эВ).

11

Альфа-распад – испускание ядром альфа-частицы, которая представляет собой ядро атома

гелия, состоящее из двух протонов и двух нейтронов, т.е. имеет положительный заряд, равный

двум электронам, а массовое число равно 4 [1-5]. Альфа-частицы обозначаются символом α. При

испускании α-частицы исходный атом превращается в новый атом, имеющий заряд ядра на две

единицы, а массовое число на четыре единицы меньше, чем у исходного ядра. Например, атомы

изотопа плутония-239 путем α-распада превращаются в атомы изотопа урана-235. Схема радиоак-

тивного превращения плутония в уран представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 – Схема радиоактивного превращения плутония 239

Альфа-распад может быть записан в виде уравнения распада следующим образом: 84 216 Po

82 212Pb + 2

4α или 84 216 Po α 82

212Pb. Альфа-частицы испускаются с высокими энергиями в пределах от 1 до

11 МэВ. Энергия излучения строго определена и характерна для конкретного радионуклида

Альфа-распад характерен для радионуклидов тяжелых элементов (уран, торий, полоний,

плутоний и др.). Вещества, испускающие данные частицы, принято называть альфа-активными.

Бета-распад – испускание ядром бета-частицы, представляющей собой электрон или пози-

трон (положительно заряженная частица, имеющая массу, равную массе электрона, и заряд, равный

по абсолютной величине заряду электрона) [1-5].

При испускании электрона исходный атом превращается в другой атом, имеющий заряд яд-

ра на одну единицу больше, т.к. потеря одного отрицательного заряда равноценна приобретению

одного положительного заряда. Массовое число у вновь образованного ядра остается тем же, что и

у исходного ядра [1-5].

При испускании позитрона исходный атом превращается в другой атом, имеющий заряд на

одну единицу меньше, т.к. в результате позитронного бета-распада один из протонов ядра превра-

щается в нейтрон.

На рисунке 4 а) показана схема радиоактивного распада ядра атома натрия-24, который пу-

тем испускания электрона превращается в ядро атома магния, имеющего заряд на одну единицу

больше, а на рисунке 4 б) приведена схема радиоактивного распада превращения кремния-27, кото-

рый в результате испускания позитрона превращается в алюминий-27.

+ +

+

U-235 Z=92 Pu-239

Z=94

Ядро

Ядро

α-частица Z=2 A=4

γ-квант +

+

Mg-24 Z=12

Na-24 Z=11

Ядро

Ядро

Si-27 Z=14

Ядро

+ +

Al-27 Z=13

Ядро

12

а) б) Рисунок 4 – Схема радиоактивного превращения натрия-24 (а) и кремния-27 (б)

Поток бета-частиц принято называть бета-лучами, а радиоактивные вещества, испускающие

эти лучи, - бета-активными веществами.

Бета-частица испускается ядром с распределением энергии, максимум которой зависит от

конкретного радионуклида. Бета-распад может быть записан в виде уравнения распада

следующим образом: 15 32P 16

32S + β- или 15 32P β- 16

32S .

Бета-распад, сопровождающийся испусканием электрона, имеет место для нуклидов, име-

ющих избыток нейтронов. Позитронный распад обычно происходит только в ядрах, которые име-

ют избыток протонов.

При испускании ядрами α- или β-частиц дочерние ядра становятся возбужденными. Пере-

ход возбужденных ядер в основное состояние сопровождается испусканием γ-квантов (фотонов),

рисунок 4 а). При этом процессе состав ядра остается неизменным. Гамма-кванты представляют

собой электромагнитное излучение, подобное световому (длина волн от 10-2 до 10-6 см) или рентге-

новскому (длина волн от 10-6 до 10-9 см), но с меньшей длиной волны (длина волн от 10-9 до 10-11

см) [1,2,3].

Уравнение распада радона-220, претерпевающего альфа-распад, в процессе которого испус-

кается гамма-квант, выглядит следующим образом:

86 220 Rn 84

216Po + 2 4α + γ.

Гамма кванты, испускаемые ядром, имеют четко определенные энергии в пределах до не-

скольких МэВ. Эти высвобождаемые энергии являются характерными для излучающего ядра и мо-

гут использоваться для идентифицирования (определения) радионуклида.

В таблице 3 представлены обобщенные сведения по основным видам радиоактивности.

Таблица 3 – Основные виды радиоактивности

Вид ра-диоактив-

ности

Обозначе-ние Источник

Изменение

Z N А

Альфа α Тяжелое ядро -2 -2 -4

Бета β- Избыток нейтро-нов

+1 -1 0

Позитрон β+ Избыток протонов -1 +1 0

13

Гамма γ Избыток энергии 0 0 0

Примечание: Z – атомный номер; N – число нейтронов; А – атомная масса

2.2 Закон радиоактивного распада Радиоактивный распад случаен по своей природе, и невозможно оценить точно, когда

отдельный атом собирается распадаться. Радиоактивный распад происходит не сразу у всех

атомов, а постепенно. Каждую секунду из общего числа радиоактивных атомов распадается

только определенная часть. Но каждый радиоактивный атом рано или поздно претерпевает пре-

вращение, причем распад будет происходить по четкой статистической модели, известной как

закон радиоактивного распада, который применим как для естественных, так и для искусствен-

ных радионуклидов [1,2,3].

Продолжительность существования радионуклида обычно выражается периодом полурас-

пада Т1/2. Период полураспада Т1/2 – это промежуток времени, в течение которого распадается по-

ловина начального количества атомов.

Период полураспада для различных радионуклидов колеблется в широких пределах - от до-

лей секунд до миллиардов лет. В таблице 4, в качестве примера, представлены сведения по перио-

дам полураспада различных радионуклидов как природного, так и техногенного (искусственного)

происхождения [1-5].

Таблица 4 – Сведения о периодах полураспада различных радионуклидов

Радионуклид Т1/2 Радионуклид Т1/2 Полоний-216 0,15 с Стронций-90 28 лет Полоний-218 3,05 мин Цезий-137 30,17 лет Висмут-214 19,7 мин Радий-226 1600 лет Актиний-228 6,13 ч Уран-235 7,0⋅108 лет Йод-131 8 суток Калий-40 1,3⋅109 лет Натрий-22 2,5 года Уран-238 4,5⋅109 лет Кобальт-60 5,25 лет Торий-232 1,4⋅1010 лет

Скорость радиоактивного рсапсада не зависит от физических и химических условий, иначе

говоря отсутствуют средства, с помощью которых можно было бы ускорить или задержать радио-

активный распад [1-3].

Радиоактивные ядра атомов, распадаясь, испускают тот или иной вид ионизирующего излу-

чения.

2.3 Активность радионуклидов. Единицы измерения активности О количестве радиоактивного вещества судят не по его весу, выраженному в граммах, а по

его активности. Это объясняется тем, что операция взвешивания радиоактивного вещества даже в

14

лабораторных условиях чрезвычайно затруднена, т.к. его масса обычно ничтожно мала и кроме

того, как правило, радиоактивный изотоп находится в смеси с другими веществами, в том числе и

нерадиоактивными. Поэтому активность является одной из основных количественных характери-

стик радионуклида. Активность радиоактивного нуклида – это число спонтанных (произволь-

ных) ядерных превращений в единицу времени.

Активность радионуклида изменяется экспоненциально согласно уравнению:

А = А0e-λT (2) где А0 - начальное число ядер; Т - прошедшее время; λ - постоянная радиоактивного распада; А - активность в момент времени T.

Постоянная распада λ показывает долю ядер, распадающихся в единицу времени (секунду,

минуту, час, год). Постоянная распада фиксирована для конкретного радионуклида, и не изменяет-

ся в зависимости от любых химических или физических изменений нуклида, а также не зависит ни

от времени распада, ни от количества радиоактивных атомов. Численное значение постоянной рас-

пада радионуклидов можно найти в соотвествующих справочниках.

График зависимости активности от времени приведен на рисунке 5.

Рисунок 5 – Изменение активности радионуклида во времени

За единицу активности и, следовательно, количества радиоактивного вещества принята

единица, получившая название кюри (Ки), названная в честь супругов Марии и Пьера Кюри. Кюри

– это такое количество радиоактивного вещества, в котором происходит 37 миллиардов распадов

атомов в секунду (3,7⋅1010 расп./с). Такое число распадов в одну секунду дает 1 г радия-226. Однако

данная единица измерения активности в настоящее время является внесистемной единицей. Меж-

дународной системной единицей (СИ) измерения активности является беккерель (Бк).

1 Бк – одно ядерное превращение в одну секунду [6]. Соотношения между внесистемными едини-

цами и единицами СИ измерения активности следующее:

1 Ки = 3,7⋅1010 Бк 1 мКи=10-3 Ки = 3,7⋅107 Бк 1 кКи= 103 Ки = 3,7⋅1013 Бк 1 Бк = 2,7⋅1011 Ки 1 мкКи=10-6 Ки = 3,7⋅104 Бк 1 МКи= 106 Ки = 3,7⋅1016 Бк

Время

Акт

ивно

сть

15

Зная [1, 2, 5], что в атомной массе А (массовое число) любого радионуклида содержится

6,023⋅1023 атомов (число Авогадро), можно установить связь между

16

активностью радионуклида Ак и его массой m:

Ак = m ⋅ 6,023⋅1023 ⋅ 0,693/(А⋅Т1/2), Бк (3)

где Т1/2 - период полураспада, с; 6,023⋅1023 - число Авогадро; 6,023⋅1023/А – число атомов в одном

грамме радионуклида.

Массу радионуклида (г/Ки) можно рассчитать по формуле:

m = 8,9⋅10-14 ⋅ A ⋅ Т1/2 (с) (4)

Сведения о массе различных радионуклидов активностью 1 Ки, определенной с использо-

ванием математической зависимости (4), приведены в таблице 5.

Таблица 5 – Масса различных радионуклидов активностью 1 Ки

Радионуклид Атомная масса Т1/2

Масса радионуклида г кг

Натрий 22 2,5 лет 0,000154 1,54⋅10-7 Кобальт 60 5,25 лет 0,000882 8,82⋅10-7 Стронций 90 28 лет 0,007056 7,06⋅10-6 Йод 131 8 суток 0,000008070 8,07⋅10-9 Цезий 137 30,17 лет 0,011573 1,16⋅10-5 Полоний 216 0,15 с 0,0000000000029 2,88⋅10-15 Полоний 218 3,05 мин 0,0000000035 3,52⋅10-12 Радий 226 1600 лет 1,012480 1,01⋅10-3 Актиний 228 6,13 ч 0,0000004472 4,47⋅10-10 Уран 238 4,47⋅109 лет 2977475,2 2,98⋅103

Анализ данных, представленных в таблице 5, показывает, что наиболее малое весовое коли-

чество соответствует одному кюри радиоактивных веществ, период полураспада которых исчисля-

ется секундами, минутами, часами.

Когда в радиоактивном препарате содержится смесь нескольких радионуклидов, то актив-

ность препарата определяется как сумма активностей отдельных радионуклидов.

На радиоактивных источниках (в паспортах на источник) указаны активность источника и

время, в которое эта активность была определена. Эти данные, используя уравнение (2), позволяют

вычислить активность радионуклида на любое другое время. На рисунке 6 приведены расчетные

данные по изменению во времени активности радионуклидов (начальная активность 1 Ки каждого),

имеющие различные периоды полураспада.

17

Рисунок 6 – Спад активности радионуклидов во времени

2.4 Цепочки распадов

Как было сказано выше, радиоактивный распад происходит в атомах, делая их более устой-

чивыми. Нуклид, полученный в результате распада, имеет специальное название вторичный или

дочерний нуклид. Первоначальный радионуклид называется материнским, или первичный, ро-

дительский.

Таким образом, когда материнский нуклид распадается и формирует вторичный нуклид, то

последний может также быть радиоактивным и сам распадаться (то есть вторичный нуклид стано-

вится материнским и распадается в другой вторичный нуклид). Второе дочернее ядро может быть

также радиоактивным, и будет распадаться в другой радионуклид. Этот процесс может повторяться

до тех пор, пока ядро не достигнет, наконец, стабильного состояния. Этот путь к стабильности

называется цепочкой распадов или радиоактивным рядом, а сам путь отличается по длине и

сложности. Все нуклиды в ряду, начиная с материнского (исходного) и вплоть до конечного, гене-

тически связаны между собой и находятся в определенном соотношении [1-5].

2.5 Источники ионизирующего излучения Источники ионизирующего излучения могут быть либо естественными, либо искус-

ственными. Естественные источники существуют со времен формирования Земли. Искусствен-

ные источники излучения были произведены в XIX столетии, и сейчас вносят значительный

Прошедшее время Суток

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1 5 10 15 20 25 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 90 100 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 7 8 9 10 15 20 25 30

Акт

ивно

сть,

Ки

- I-131(Т1/2=8сут) - Na-22 (Т1/2=2,5г) - Co-60 (Т1/2=5,25 л) - Cs-137 (Т1/2=30,17л) - Ra-226 (Т1/2=1600 л)

18

вклад в дозы, получаемые людьми во время медицинского, профессионального облучения и

облучения населения.

2.5.1 Естественная радиоактивность В природе имеется около 70 радионуклидов, которые встречаются в земной коре, воде, воз-

духе [1-3, 5].

В природе существуют три радиоактивных ряда (семейства): радиоактивный ряд урана-238;

радиоактивный ряд урана-235; радиоактивный ряд тория-232. Названия рядов происходят от назва-

ния радионуклида – родоначальника ряда (уран-238, уран-235, торий-232 (рисунок 7)) [1-3].

а) Семейство урана-238 б) Семейство урана-235

в) Семейство тория-232 Рисунок 7 – Радиоактивные семейства

Родоначальник ряда уран-238 - альфа-активен. Радиоактивный ряд урана-238 включает та-

кие радионуклиды, как радий, радон, полоний. Конечным нуклидом ряда является стабильный изо-

топ свинца Pb-206. Общий итог ряда урана-238 можно записать в виде: 23892U 206

82Pb

+8α+6β-.

Родоначальник ряда уран-235 - альфа-активен. Данный ряд имеет в своем составе радио-

нуклиды: актиний (Ас-227), радиоактивный газ – актион (Rn-219). Радиоактивный ряд заканчивает-

19

ся стабильным изотопом свинца Pb-207. Общий итог ряда урана-235 можно записать в виде: 23592U

20782Pb +7α+4β-.

Родоначальник семейства тория торий-232 альфа-активен. Радиоактивный ряд включает та-

кие радионуклиды, как торий-228, радиоактивный газ торон Rn-220. Ряда заканчивается стабиль-

ным изотопом свинца Pb-208. Общий итог ряда тория-232 можно записать в виде: 23290Th

20882Pb +6α+4β-.

2.5.2 Искусственная радиоактивность Получение искусственных радиоактивных изотопов стало возможным, как уже было сказа-

но ранее, благодаря работам Резерфорда и Фредерика и Ирен Жолио-Кюри. Было доказано, что при

искусственном превращении элементов часто образуются радиоактивные изотопы, не встречающи-

еся в природе. Принципиальной разницы между искусственной и естественной радиоактивностью

нет, однако ядерные превращения с испусканием позитронов наблюдаются только при искусствен-

ной радиоактивности. Ядерные превращения можно вызвать с помощью заряженных частиц (про-

тонов, α-частиц и др.), фотонного излучения или нейтронов [1-3].

Благодаря ядерным реакциям стало возможным получать самые различные радионуклиды,

новые элементы, не встречающиеся в природе. Деление тяжелых ядер и синтез легких также стали

возможными благодаря познанию ядерных реакций. Кроме того, немыслемо было бы столь глубокое

изучение строения ядра и атомов в целом без знания ядерных реакций, законов искусственной радио-

активности [1-3].

20

3 Свойства радиоактивных излучений Ионизирующее излучение, проходя через вещество взаимодействует с атомами, при этом

орбитальные электроны приобретают дополнительную энергию, которая дает возможность

некоторым из них преодолеть притяжение

ядра, сойти со своих орбит и покинуть атом

(рисунок 8). Поскольку число отрицательно

заряженных электронов, оставшихся в

атоме, теперь меньше количества

положительно заряженных протонов, то

атом в целом имеет суммарный

положительный заряд и называется

положительным ионом. Электрон,

который покинул атом, называется

отрицательным ионом, а эти

противоположно заряженные ионы

называются ионной парой. Процесс, при котором образуются ионы, называется ионизацией, а

излучение, которые вызывает этот процесс, называется ионизирующим излучением (альфа- и

бета- частицы, гамма-излучение, рентгеновское излучение и нейтроны) [1-5].

Важно отметить, что первоначальное излучение (которое вызвало первичную иониза-

цию) также теряет энергию при взаимодействии. Если произойдет достаточное количество вза-

имодействий, энергия ионизирующего излучения будет в конечном счете поглощена в веще-

стве, через которое оно проходит [1-5].

Из рассматриваемых излучений, альфа-частицы являются наименее проникающим излу-

чением. Данные по пробегу альфа-частиц различной энергии в биологической ткани и воздухе

приведены в таблице 6.

Таблица 6 – Пробег альфа-частиц в воздухе и мягкой биологической ткани [1,2] Энергия

частиц, МэВ Длина пробега, см Энергия

частиц, МэВ Длина пробега, см

в воздухе в биол. ткани в воздухе в биол. ткани 1,0 0,52 7,2·10-4 5,0 3,52 4,4·10-3 1,5 0,74 1,1·10-3 6,0 4,67 5,5·10-3 2,0 1,01 1,4·10-3 8,0 7,36 8,6·10-3 3,0 1,67 2,2·10-3 10,0 10,5 1,2·10-2

Анализ данных, представленных в таблице 6 показывает, что пробег альфа-частиц в воз-

духе не превышает 10 см, а в биологической ткани 100 мкм [1,2].

По сравнению с альфа-частицами, бета-частицы очень маленькие. Они идентичны орби-

тальным электронам атомов поглотителя (среды, в которой они распространяются) и то что их

Рисунок 8 – Процесс ионизации

21

заряды идентичны может вызвать ионизацию путем отталкивания орбитальных электронов от

атома.

По мере прохождения бета-частицы вглубь вещества она постепенно теряет свою энер-

гию, и в конечном итоге на некотором расстоянии (глубине) ее энергия уменьшается до уровня

средней энергии частицы, составляющих среду. Чем больше начальная энергия бета-частицы,

тем больше пробег в веществе. На рисунке 9 показана максимальная длина пробега потока бета-

частиц в различных материалах для трех максимальных энергий 0,5 МэВ; 1,0 МэВ; 2 МэВ [1,2].

Рисунок 9 – Пробег бета-частиц в различных материалах

Анализ рисунка показывает, что:

- при одной и той же максимальной энергии длина пробега частиц уменьшается с увели-

чением плотности материала;

- для одного и того же материала с увеличением энергии возрастает длина пробега;

- бета-излучение полностью поглощается стеклом (оконным, автомобильным) или любыми

металлическими экранами толщиной в несколько миллиметров.

Бета-частицы обладают значительно меньшей ионизирующей способностью, чем альфа-

частицы. Это объясняется тем, что бета-частицы, имеющие ничтожно малую массу по сравне-

нию с альфа-частицами, при одной и той же энергии обладают значительно большими скоро-

стями. Поэтому бета-частицы пролетают через атом слишком быстро, часто не успевая вырвать

электрон, который мог быть вырван относительно медленно движущейся альфа-частицей [1,2].

Гамма-излучение – одно из наиболее проникающих излучений. С увеличением энергии

кванта проникающая способность этих лучей также возрастает. Отсутсвие электрического заря-

да у гамма-квантов приводит к тому, что характер их взаимодействия с веществом среды, в ко-

торой они распространяются, совершенно иной, чем у альфа- и бета-частиц, имеющих электри-

ческие заряды [1,2].

Ослабление интенсивности гамма-лучей характеризуется величиной слоя половинного

ослабления. Слой половинного слабления – это слой вещества, при прохождении которого ин-

тенсивность гамма-лучей уменьшается в два раза. На рисунке 10 приведены значения слоев по-

ловинного ослабления гамма-лучей в различных веществах для энергии гамма-квантов 0,5; 1 и

2 МэВ [1].

стекло, (алюминий) кожа, резина воздух

2,0 МэВ

1,0 МэВ

0,5 МэВ

3,3 мм 7 м

3 м

0,9м

8 мм

4 мм

1,2мм

1,6 мм

0,4мм

22

свинец сталь алюминий воздух

85 м

60м

120 м

4,4 см

3,2см

6 см

1,5 см

1,1см

2,1 см

1,0 см

0,42 см

1,4 см

0,5 МэВ

1,0 МэВ

2,0 МэВ

Рисунок 10 – Слои половинного ослабления гамма-лучей в различных веществах

Анализ данных, предсталенных в таблице 6 и рисунках 9 и 10, показывает, что проника-

ющая способность гамма-лучей неизмеримо больше чем бета- и особенно альфа-лучей. Гамма-

лучи могут пройти в воздухе несколько сот метров без значительного ослабления, в то время

как альфа-частицы полность поглощаются слоем воздуха в несколько сантиметров, а бета-

частицы – слоем воздуха в несколько метров. Слой алюминия толщиной 9 см ослабляет гамма-

лучи энергией

1 МэВ всего лишь в 4 раза, бета-частицы той же энергии полностью поглощаются слоем алю-

миния 2 мм, а альфа-частицы – алюминиевой фольгой толщиной в несколько сот долей милли-

метра.

4 Биологическое действие ионизирующего излучения. Защита от ионизирующего излучения

4.1 Единица измерения ионизирующего действия радиоактивных излучений

Для количественной оценки действия ионизирующего излучения на облучаемый объект

в дозиметрии введено понятие «доза».

Для оценки степени опасности поля гамма-излучения в практике часто используют по-

нятие «экспозиционная доза», которая характеризует энергию фотонного излучения, преобра-

зованную в кинетическую энергию заряженных частиц в единице массы атмосферного воздуха.

За единицу дозы выбран – рентген.

1 Р = 2,08·109 пар ионов/см3.

Ионизирующее действие бета- и альфа-лучей также принято измерять в рентгенах. Од-

нако следует иметь ввиду, что одинаковой ионизации γ-, α- и β-лучей соотвествует различное

биологическое действие. Иначе говоря, доза в один рентген от гамма-лучей по биологическому

действию неэквивалентна дозе в один рентген от бета- и альфа-лучей, что объясняется различ-

ной проникающей и ионизирующей способностью отдельных видов радиоактивных излучений.

23

Вредное воздействие ионизирующего излучения на организм человека зависит не только

от полученной дозы, но и от времени, за которое она получена. Поэтому весьма важной харак-

теристикой является мощность дозы, т.е. доза накапливаемая в течение единицы времени.

Обычно принято мощность дозы измерять в рентгенах в час – Р/ч (Р/с, Р/мин и пр.).

Для того, чтобы представить себе рентген как единицу дозы, приведем несколько приме-

ров:

- допустимое фоновое значение мощности дозы, т.е. за счет воздействия естественного и

космического излучений, находится в пределах до 20 мкР/ч. Соответственно за сутки человек

может получить дозу облучения до 480 мкР

(1 мкР=10-6 Р);

- при проведении флюрографического исследования, доза, создаваемая рентгеновскими

лучами, составляет – 0,05 рентгена за один снимок (50000 мкР).

4.2 Биологическое действие ионизирующего излучения Действие ионизирующих излучений на организм не ощутимо человеком. Поэтому чело-

век может проглотить, вдохнуть радиоактивное вещество, подвергнуться внешнему воздей-

ствию ионизирующим излучением без всяких первичных ощущений. Природа не наделила че-

ловека непосредственной сиюминутной реакцией на ионизирующее излучение, как, например,

на тепло, холод, горькое и т.п. Действие ионизирующего излучения на организм разделяют на

соматическое и генетическое [1, 5].

Под соматическим дей-

ствием ионизирующего излуче-

ния понимают непосредственное

действие излучения на организм,

подвергшегося облучению («со-

ма» означает тело). Соматическое

излучение проявляется в виде

лучевой болезни, в повреждении

отдельных органов или тканей.

Но если последствие воз-

действия ионизирующего излу-

чения незаметно у человека,

подвергшегося облучению, а

проявляется у его потомков, то

Ранняя эритема (покрас-нение) на передней пра-вой стороне груди спустя 11 дней после облучения источником на основе иридия-192, активностью 5 Ки из состава гамма-дефектоскопа, который находился около 30 мин. в кармане комбинезона ра-ботника

Шелушение и некроз (отмирание) кожи спустя 21 день после облучения

соматическое действие

гамма- излучения

24

такое действие называется генетическим.

Соматическое действие ионизирующего излучения зависит от многих факторов, опреде-

ляющими из которых являются: доза и вид излучения; продолжительность облучения; размеры

облучаемой поверхности.

Биологическое действие ИИ примерно пропорционально поглощенной энергии, т.е. при

однократном облучении всего тела возможны следующие биологические нарушения [5]: 0-25 Р –

заметных клинических изменений в большинстве случаев не наблюдается; 25-50 Р – временные

изменения в крови, которые быстро нормализуются; 50-100 Р – умеренные изменения в крови без

серьезной потери трудоспособности, у отдельных облученных появляется рвота, исход при лечении

благополучный; 100-200 Р – легкая форма острой лучевой болезни, заметные изменения в крови,

умеренная тошнота, усталость. Через несколько недель лечения исход благополучный; 200-400 Р –

лучевая болезнь средней тяжести. Возможен смертельный исход. Срок выздоровления в случае

благоприятного исхода – около 12 месяцев; 400-600 Р – тяжелая форма лучевой болезни. В течение

месяца после облучения смертельный исход возможен у 50 % облученных. Срок выздоровления при

благоприятном исходе продолжительный; свыше 600 Р – крайне тяжелая форма острой лучевой

болезни. Смерность около 100 %.

Чувствительность организма в целом и отдельных органов человека к воздействию

ионизирующего излучения различна. В таблице 7 приведены данные о средних величинах доз

(Д50/30) гамма-излучения для разных биологических видов, при которых за 30 суток погибает 50

% живых организмов [5].

Таблица 7–Средние величины Д50/30 гамма-излучения для разных биологических видов Биологический вид Д50/30, Р Биологический вид Д50/30, Р

Овца, осел 150-200 Рыбы 800-2000 Человек, обезьяна 250-400 Змеи 8000-20000 Собака 250-300 Насекомые 10000-100000 Мыши 600-1300 Дрожжи 30000-50000 Кролик, хомяк 900-1000 Растения 1000-150000 Птицы 800-1200 Простейшие 100000-300000

Из таблицы 7 видно, что наименее чувствительны к воздействию ионизирующего излу-

чения бактерии и простейшие биологические виды, наиболее чувствительны – млекопитающие.

При действии ионизирующего излучения на живой организм в биологической ткани

происходят сложные физические, химические и биологические процессы. Ионизация и возбуж-

дение молекул и атомов живой ткани являются только первым этапом в дальнейшей цепи изме-

нений и реакций. Под действием излучения в организме образуются радикалы и окислители,

вступающие в реакцию с молекулами белка, ферментов и других жизненно важных веществ.

При этом образуются радиотоксины, нарушающие нормальный цикл биохимических процессов

в организме или отдельных его тканях, что приводит к изменению биотоков мозга, поражению

25

клеток костного мозга, образованию радиотоксинов, изменению состава крови и т.д. Согласо-

ванная деятельность клеток живой ткани нарушается. Если соматические клетки не погибают, а

остаются жизнеспособными, то они становятся, по-видимому, родоначальниками злокаче-

ственных клеток (раковых заболеваний) [5].

4.3 Защита от ионизирующего излучения

Воздействие на человека ионизирующей радиации может быть внешним, внутренним или

смешанным (внешни и внутренним), поэтому меры защиты в зависимости от интенсивности и

вида излучения могут быть различны. Во всех случаях комплекс защитных мероприятий должен

обеспечить снижение суммарной дозы от всех источников как внешнего, так и внутреннего облу-

чения, не превышающего предельно допустимой дозы.

Защита от ионизирующих излучений может быть осуществлена: временем; рассто-

янием; поглощающими экранами.

Защита от внешнего альфа-излучения не является проблемой, т.к. пробег альфа-частиц в

воздухе не превышает 10 см, а в биологической ткани 100 мкм. Достаточно находиться на рассто-

янии 9-10 см от альфа-излучающего вещества и ни одна альфа-частица не попадет на тело рабо-

тающего. Более того, роговой слой кожи человека (толщина слоя составляет 100 мкм), который

нечувствителен к поражающему действию альфа-частиц, полностью их поглощает. Поэтому аль-

фа-излучение радиационно не опасно при внешнем облучении и средства индивидуальной защи-

ты (одежда, халат, перчатки) полностью защищают организм от них. Реальную опасность альфа-

частицы представляют при попадании их внутрь организма, где происходит непосредственный

контакт излучения с тканью [1-5].

Для защиты от внешнего бета-излучения используются защитные экраны. Толщина

защитного экрана берется равной максимальному пробегу бета-частиц. Наиболее подходящим

материалом для изготовления защитного экрана от бета-излучения, в зависимости от энергии

излучения, являются: оргстекло; различные пластические массы; алюминий; железо; медь [1-5].

Наибольшую опасность при внешнем облучении представляет гамма-излучение. Экспо-

зиционная мощность дозы для гамма-излучения вычисляется пос ледующей зависимости:

Рэксп = А⋅Г/R2, (5)

где Рэксп - мощность экспозиционной дозы, Р/ч; А - активность нуклида в источнике, мКи; Г - гамма- постоянная нуклида, Р⋅см2/(ч⋅мКи); R - расстояние от источника гамма-излучения, см.

26

Математическая зависимость показывает, что доза излучения прямо пропорциональна ак-

тивности радионуклида, а также то что дозовая нагрузка уменьшается при удалении от источника

обратно пропорционально квадрату расстояния.

На рисунке 11 приведены результаты расчета мощности дозы, создаваемой различными

радионуклидами (таблица 8), активностью 1 Ки.

Рисунок 11 - Мощность дозы, создаваемая различными радионуклидами

активностью 1 Ки в зависимости от расстояния до источника излучения

Таблица 8 – Значения энергии и гамма - постоянной для различных нуклидов

Радионуклид Энергия гамма-излучения, МэВ Гамма - постоянная нуклида, Р⋅см2/(ч⋅мКи)

Na-22 0,511; 1,27 11,85 Co-60 1,17; 1,33 13,2 Cs-137 0,032; 0,66 3,21 Ra-226 0,078 - 2,44 8,4 U-235 0,095; 0,10; 0,14; 0,16; 0,18; 0,20 0,71

Для защиты от внутреннего облучения используют средства индивидуальной защиты, ко-

торые позволяют исключить попадание радиоактивного вещества внутрь организма через органы

дыхания и пищеварения.

Для контроля уровня радиации, в целях исключения переоблучения человека, используют

технические средства радиационного контроля, которые позволяют определить наличие радиоак-

тивного излучения и его уровень. К основным техническим средствам радиационного контроля

относятся: дозиметры – для измерения дозы и мощности дозы гамма-излучения; дозиметры-

0

40

80

120

160

10 30 50 100 150 200

Расстояние от источника излучения, см

Знач

ение

мощ

ност

и до

зы, Р

/ч

Na-22 Co-60 Cs-137 Ra-226 U-235

27

радиометры - для измерения мощности дозы (дозы) гамма-излучения, плотности потока нейтрон-

ного излучения, а также для измерения плотности потока альфа- и бета-частиц с загрязненных

поверхностей; спектрометры энергий ионизирующих излучений – для идентификации (определе-

ния) радионуклидного состава радиоактивных загрязнений.

Внешний вид технических средств радиационного контроля предстален на рисунке 12.

Рисунок 12 - Внешний вид технических средств радиационного контроля

5 Использование источников ионизирующего излучения в человеческой деятельности Основным предприятием-изготовителем источников ионизирующего излучения и радиоак-

тивных веществ в РФ является ПО «Маяк» (Челябинская обл.). Данное предприятие поставляет

весьма широкую номенклатуру изотопных источников самых разнообразных форм и конфигура-ций. Номенклатура изотопной продукции в целом достигает более 3000 наименований, в том числе

более 1500 наименований источников альфа-, бета-, гамма- и нейтронного излучения. Внешний вид (конструкция) источников ионизирующего излучения представлен на рисунке 13.

В настоящее время источники ионизирующего излучения находят применение в различ-

ных сферах человеческой деятельности. Они широко используются в промышленности, меди-цине, биологии, сельском хозяйстве и других областях [5]:

- источники альфа-излучения: автоматические пожарные извещатели дыма, устройства га-

зовой хроматографии, газоанализаторы, образцовые источники и т.п;. - источники бета-излучения: генераторы ионов, нейтрализаторы статического напряже-

ния; устройства контроля обледенения летательных аппаратов (вертолеты, самолеты), образцо-

вые источники бета-излучения и т.п.; - источники гамма-излучения: гамма-радиография, облучательные установки, радиоизотоп-

ные приборы для контроля процессов (уровнемеры, толщиномеры);

Дозиметр-радиометр α, β, n и γ-излучения AT1117M

Спектрометр портативный МКС-AT6101

Индивидуальный дозиметр гамма-излуче-

ния ДКГ-АТ2503

28

- источники нейтронного излучения: радиоизотопная аппаратура для исследования гор-

ных пород и сыпучих материалов, для автоматического дистанционного контроля влажности материалов при обогащении руд и т.п.

Обнаружение в 1938-1939 годах прошлого столетия процесса цепного деления атомных ядер под действием нейтронов позволило физикам-ядерщикам использовать данные знания как в мирных, так и военных целях. Наибольшее применение получила ядерная энергия деления

тяжелых ядер (урана и плутония) под действием нейтронов. На использовании этой реакции основаны ядерная или атомная энергетика и ядерное оружие [1-5].

Процесс деления ядер наиболее наглядно отображает капельная модель ядра. На рисунке

показаны основные стадии процесса деления на примере деления ядра урана-235.

29

Рисунок 13 - Внешний вид (конструкция) источников ионизирующего излучения

Источники альфа-излучения с радионуклидом

Am-241

ГИК-7-М-1 – ГИК-7-М-4 ГИК-А3, ГИК-А3М

Источники гамма-излучения с радионуклидом Co-60

типа ГИК

ГИК-1- ГИК-19

Источники альфа-излучения с радионуклидом

Am-241 Источник бета-излучения с радионуклидом Pm-147

БИП-10 – БИП-50

Источник бета-излучения с радионуклидом Sr-90=Y-90

БИC-10 – БИC-50

Источники гамма-излучения с радионуклидом Cs-137 типа ГИД-Ц-1, ИМГИЦ-1 –ИМГИЦ-300, ИГИ-Ц-3-1 –ИГИ-Ц-3-11

Источники быстрых нейтронов с радионуклидом Pu-238 типа ИБН- 1 - ИБН-28

30

Процесс деления происходит следующим образом: поглотив нейтрон, ядро приходит в

возбужденное состояние, де-

формируется, в нем происхо-

дят колебания, ведущие к об-

разованию перетяжки в его

центральной части с последу-

ющим разделение на два

осколка. Осколки разлетаются

с большой скоростью (т.е. с

большой кинетической энергией) в разные стороны под действием сил электростатического

отталкивания. Реакция деления сопровождается также вылетом не менее 2-х (в среднем 2-5)

новых или вторичных нейтронов, а также гамма-квантов. Вторичные нейтроны в свою очередь

могут вызвать дальнейшее деление других ядер. Летящие с большой скоростью осколки деления

быстро теряют энергию движения, соударяясь с другими ядрами и нагревая их.

Количество энергии, выделяемой при одном акте деления, огромно и составляет около 200

МэВ, или 3,2⋅10-11 Дж. Так при делении ядер, имеющихся в 1 кг урана-235, выделяется энергия,

которую можно получить, например, при сжигании 2500-3000 т каменного угля [1-5].

Управление процессом деления атомных ядер нашло реализацию в ядерной энергетике,

где основными производственными мощностями являются ядерные реакторы. Впервые в мире

управляемая цепная реакция деления ядер урана-235 была осуществлена 2 декабря 1942 г. в США

группой американских ученых под руководством выдающегося итальянского физика Энрико

Ферми в ядерном уран-графитовом реакторе тепловой мощностью 200 Вт. В Российской Федера-

ции управляемая цепная реакция деления ядер урана была осуществлена учеными и инженерами

под руководством И.В.Курчатова 25 декабря 1946 г. на первом в России (и в Европе) эксперимен-

тальном ядерном реакторе, расположенном в г. Москве. Развитие ядерной энергетики началось с

пуска 27 июня 1954 г. в Обнинске первой в мире атомной электростанции (АЭС) мощностью 5

тыс. кВт.

Общий вид атомной станции и центрального пульта управления приведены на рисунке

14.

31

А Б

А - Атомная станция с реактором типа ВВЭР-1000 (Балаковская АЭС) Б – центральный пульт управления

Рисунок 14 - Общий вид атомной станции и центрального пульта

управления АЭС Необходимо отметить, что при условии нормальной эксплуатации АЭС, выбросы и

сбросы радиоактивных веществ в окружающую природную среду не превышают предельно-

допустимых концентраций, установленных нормативными документами в области обеспечения

радиационной безопасности, несмотря на то, что при работе АЭС орбазуется порядка 600 ради-

онуклидов [1-5]. Однако как свойственно любой сложной системе, возможны сбои в оборудо-

вание и ошибки персонала, что в конечном итоге может привести к аварийной ситуации, кото-

рая может сопровождаться значительным выбросом радиоактивных веществ в окружающую

среду. Подтверждением изложенному является авария на ЧАЭС, произошедшая в 1986 году.

На рисунке 15 показан разрушенный 4 блок

Чернобыльской АЭС (на данной станции эксплуа-

тировался ядерный реактор типа РБМ-1000). При-

чиной крупномасштабной радиационной аварии

явились грубейшие ошибки персонала атомной

станции. Радиоактивному загрязнению долгожи-

вущими радионуклидами (Cs-137, Sr-90, Pu-239)

подверглось четырнадцать областей Российской

Федерации. Количество жителей, проживающих в

зоне с правом на отселение, составляло порядка

170 тыс. человек. Из загрязненной зоны (Брянская

область) было отселено около 80 тыс. человек [1-

5].

Неуправляемый процесс деле-

ния атомных ядер нашел применение

в создании ядерного оружия, которое

является оружием массового пораже-

ния, т.к. ядерный взрыв сопровожда-

ется образованием большого количе-

ства радиоактивных веществ, кото-

рыми могут быть загрязнены мест-

Рисунок 15 - Аварийный блок Чернобыльской АЭС

32

ность и воздух в районе взрыва, а также люди и техника, находящиеся вне укрытий, что в ко-

нечном итоге приведет к гибели всего живого.

Продукты деления являются сложной смесью радиоактивных веществ, в состав которых

входят изотопы, имеющие период полураспада от долей секунд до нескольких лет.

Первый “пробный” взрыв атомной бомбы произошел 16 июля 1945 года на Аламогорд-

ском полигоне в США. Второй и третий прогремели в августе того же года над городами Япо-

нии.

КЛЮЧЕВЫЕ СВЕДЕНИЯ

Атомы состоят из малых частиц, называемых протонами, электронами и нейтронами.

Протоны и нейтроны образуют ядро атома, а электроны движутся по орбитам вокруг ядра

и находятся в электронных оболочках.

Атомное число (Z) определяется как число протонов в ядре атома.

Массовое число атома (A) определяется как суммарное число протонов и нейтронов в ядре

атома.

Молекула представляет собой группу атомов, которые связаны химическими связями.

Изотопы определяются как атомы элемента, имеющие одинаковое число нейтронов. Изо-

топы, испускающие излучение, называются радиоизотопами.

Нуклиды, испускающие излучение, называются радионуклидами.

Некоторые вещества подвергаются спонтанному изменению своей структуры. Такие ве-

щества известны как радиоактивные. Радиоактивный распад определяется как изменения, имею-

щие место в ядре.

Радиоактивный распад является по своей природе статистическим процессом и подчиня-

ется экспоненциальному закону распада.

Период полураспада – это время, за которое распадается половина атомов в образце.

Радионуклиды могут распадаться с испусканием α-, β-частиц и γ-квантов.

Более устойчивый нуклид, полученный в результате распада, имеет специальное название

вторичный или дочерний нуклид. Первоначальный радионуклид называется материнским или

первичным.

Активность (A) радионуклида определяется как число распадов в секунду в радиоактив-

ном веществе Единицей активности является беккерель (Бк), равный одному распаду в секунду. 1

Ки = 3,7 x 1010 Бк = 37 ГБк

Ионизирующее излучение – это любая частица (α- или β-частицы) или электромагнитное

излучение (γ-кванты), которые имеют энергию, достаточную для выбивания электронов из ато-

мов, молекул или ионов.

Альфа-частицы являются наименее проникающим излучением.

33

По сравнению с альфа-частицами, бета-частицы очень маленькие. Идентичны орбитальным

электронам атомов поглотителя (среды, в которой распространяются).

Проникающая способность гамма-лучей неизмеримо больше чем бета- и особенно альфа-

лучей. Гамма-лучи могут пройти в воздухе несколько сот метров без значительного ослабления, в

то время как альфа-частицы полностью поглощаются слоем воздуха в несколько сантиметров, а

бета-частицы – слоем воздуха в несколько метров.

Для количественной оценки действия ионизирующего излучения на облучаемый объект в

дозиметрии введено понятие «доза». Для оценки степени опасности поля гамма-излучения в

практике часто используют понятие «экспозиционная доза». За единицу дозы выбран – рентген.

Вредное воздействие ионизирующего излучения на организм человека зависит не только

от полученной дозы, но и от времени, за которое она получена.

Действие ионизирующих излучений на организм не ощутимо человеком. Природа не

наделила человека непосредственной сиюминутной реакцией на ионизирующее излучение, как,

например, на тепло, холод, горькое и т.п. Действие ионизирующего излучения на организм разде-

ляют на соматическое и генетическое.

Биологическое действие ИИ примерно пропорционально поглощенной энергии, т.е. при

однократном облучении всего тела возможны биологические нарушения от временных измене-

ний в крови, которые быстро нормализуются (при полученной дозе 25-50 Р ) до смертельных

исходов (при полученной дозе более 600 Р – крайне тяжелая форма острой лучевой болезни).

Защита от ионизирующих излучений может быть осуществлена: временем; расстоянием;

поглощающими экранами.

Для защиты от внутреннего облучения используют средства индивидуальной защиты, ко-

торые позволяют исключить попадание радиоактивного вещества внутрь организма через органы

дыхания и пищеварения.

Для контроля уровня радиации, в целях исключения переоблучения человека, используют

технические средства радиационного контроля, которые позволяют определить наличие радиоак-

тивного излучения и его уровень.

В настоящее время источники ионизирующего излучения находят применение в различ-

ных сферах человеческой деятельности. Они широко используются в промышленности, меди-

цине, биологии, сельском хозяйстве и других областях.

При условии нормальной эксплуатации источников ионизирующего излучения, выбросы

и сбросы радиоактивных веществ в окружающую природную среду не превышают предельно-

допустимых концентраций, установленных нормативными документами в области обеспечения

радиационной безопасности. Однако как свойственно любой сложной системе, возможны сбои в

оборудование и ошибки персонала, что в конечном итоге может привести к аварийной ситуации,

34

которая может сопровождаться значительным выбросом радиоактивных веществ в окружающую

среду.

Список использованных литературных источников

1 Сырнев В.П., Петров Н.П. Радиоактивные излучения и их измерения, ВИ МО СССР,

М:. 1956 – 162 с.

2 Шаров Ю.Н., Шубин Н.В. Дозиметрия и радиационная безопасность: Учебник для

техникумов. – М.: Энергоатомиздат, 1991. – 280 с.

3 Энциклопедия для детей. Т.16. Физика. Ч.2. Электричество и магнетизм. Термодина-

мика и квантовая механика. Физика ядра и элементарных частиц / глав. ред. В.Володин, метод.

ред. А.Элинович. - М.: Аванта+, 2003. – 432 с.

4 Международное Агентство по атомной энергии. Справочные материалы для самопод-

готовки. Введение в радиационную защиту.

5 Радиоактивность окружающей среды. Теория и практика / Ю.А. Сапожников, Р.А. Али-

ев, С.Н. Калмыков. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2006. – 286 с.

6 Стандарт СТ СЭВ 1052-78 «Метрология. Единицы физических величин»

35