• Гідрологія і Гідрометрія
• Господарське право
• Економіка будівництва
• Економіка природокористування
• Економічна теорія
• Земельне право
• Історія України
• Кримінально виконавче право
• Медична радіологія
• Методи аналізу
• Міжнародне приватне право
• Міжнародний маркетинг
• Основи екології
• Предмет Політологія
• Соціальне страхування
• Технічні засоби організації дорожнього руху
• Товарознавство продовольчих товарів

Тлумачний словник
Авто
Автоматизація
Архітектура
Астрономія
Аудит
Біологія
Будівництво
Бухгалтерія
Винахідництво
Виробництво
Військова справа
Генетика
Географія
Геологія
Господарство
Держава
Дім
Екологія
Економетрика
Економіка
Електроніка
Журналістика та ЗМІ
Зв'язок
Іноземні мови
Інформатика
Історія
Комп'ютери
Креслення
Кулінарія
Культура
Лексикологія
Література
Логіка
Маркетинг
Математика
Машинобудування
Медицина
Менеджмент
Метали і Зварювання
Механіка
Мистецтво
Музика
Населення
Освіта
Охорона безпеки життя
Охорона Праці
Педагогіка
Політика
Право
Програмування
Промисловість
Психологія
Радіо
Регилия
Соціологія
Спорт
Стандартизація
Технології
Торгівля
Туризм
Фізика
Фізіологія
Філософія
Фінанси
Хімія
Юриспунденкция

Радіоактивність

8.3.1. Радіоактивність – процес самовільного перетворення деяких (нестабільних) ядер в інші з випромінюванням часток. До радіоактивних перетворень відносяться: a-розпад, b-розпад (з випромінюванням електрона, позитрона чи захопленням орбітального електрона), спонтанний поділ важких ядер, протонна та нейтронна радіоактивність. Радіоактивність нестабільних ядер, які існують у природі (їх відомо ~ 300), називається природною (А.Беккерель, 1896 р.), а тих, що одержані шляхом ядерних реакцій (їх відомо ~ 1700), – штучною (І. та Ф. Жоліо-Кюрі,1934 р). Обидва види радіоактивності підкоряються одному законові радіоактивного розпаду.

Із-за незалежності радіоактивних перетворень окремих ядер можна вважати, що кількість ядер dN, які розпадаються за проміжок часу dt, пропорційна до наявного числа ядер N і до величини проміжку часу dt, тобто

, (8.13)

де l – постійна розпаду, яка характеризує ймовірність розпаду кожного ядра за одиницю часу; знак мінус вказує, що число ядер зменшується з часом. Інтегруючи (8.13) при умові , одержуємо закон радіоактивного розпаду

. (8.14)

Він показує, що число радіоактивних ядер N, які не розпалися до моменту часу t, зменшується з часом експоненційно (рис.8.3).

Кількість ядер, які розпались за час t,

, (8.15)

Час Т, протягом якого розпадається половина початкової кількості ядер, називається періодом піврозпаду. Підставляючи у (8.15) t = T i , одержуємо

. (8.16)

Період піврозпаду відомих радіонуклідів змінюється в дуже широких межах: від 3×10^-7с до 5×10¹⁵ років. Очевидно, величина має сенс середнього часу життя ядра, тому з (8.13) випливає

. (8.17)

Виявляється, що в процесі радіоактивного перетворення вихідного (материнського) ядра виникає дочірнє ядро, яке теж може бути радіоактивним. В результаті виникає ряд (сімейство) радіоактивних елементів, генетично зв’язаних між собою. Для природно-радіоактивних елементів відомо 3 таких ряди: ряд торію ряд урану ряд актиноурану ; ці елементи започатковують свої ряди, які закінчуються стабільними ізотопами свинцю (, , ). Для штучно-радіоактивних елементів відомий ряд нептунію (найбільш довгоживучий елемент ряду), який починається з плутонію і закінчується стабільним ізотопом талію

З часом у кожному радіоактивному сімействі встановлюється так звана вікова рівновага, при якій швидкості утворення і розпаду проміжних членів ряду зрівнюються, тобто

. (8.18)

Вікова рівновага встановлюється на протязі десяти періодів напіврозпаду найбільш довгоживучого члена ряду. З його розпадом загальний вміст членів ряду в земній корі повільно зменшується. Оскільки для нептунію період напіврозпаду складає ~ середнього віку Землі, членів його ряду в природі немає, вони були одержані штучно. Для будь-якого іншого елемента його ряду, крім свинцю, для якого λ = 0. Тому через великі проміжки часу виникає стільки ядер свинцю, скільки розпадається ядер урану, тобто . Очевидно також, що . Виключаючи невідому початкову концентрацію ядер урану , одержуємо . Сучасна концентрація урану та свинцю в уранових рудах може бути виміряна експериментально, що для середнього віку Землі дає величину ~ 4,5×10⁹ років.

Вже перші дослідники природної радіоактивності (П. та М. Кюрі, Е. Резерфорд) виявили, що радіоактивна речовина є джерелом трьох видів випромінювань: a-, b- і g -променів.

8.3.2. a-промені являють собою потік ядер гелію ; a-розпад відбувається за схемою

. (8.19)

Індекси дочірнього ядра встановлюються на основі законів збереження зарядового і масового чисел: зарядове чи масове число до реакції рівне сумі відповідних чисел після реакції. Звідси випливають так звані правила зміщення; зокрема, при a-розпаді Z дочірнього ядра на 2, а А на 4 менші, ніж у материнського ядра; наприклад,

.

Енергія реакції a-розпаду визначається на основі формули (8.7), де дефект маси реакції

. (8.20)

Ця енергія виділяється у вигляді кінетичної енергії продуктів реакції і розподіляється між a-частинкою і дочірнім ядром у відношенні обернено пропорційному до їх мас (це можна показати на основі законів збереження енергії та імпульсу).

Певний радіоактивний елемент випромінює a-частинки декількох чітко визначених груп. Це зумовлено тим, що дочірнє ядро може виникати не тільки в основному стані 1, але і в збуджених станах 2,3,… (рис.8.4). За час існування збуджених станів t ~ (10^-8 – 10^-15) с дочірнє ядро переходить у більш низький чи нормальний стан, випромінюючи g-квант. Так виникають g-промені, які, звичайно, супроводжують a-розпад, хоча дочірнє ядро може звільнитись від надлишку енергії також іншими способами: випромінюючи яку-небудь частинку або іонізуючи атом (процес внутрішньої конверсії).

Процес a-розпаду не можна пояснити на основі класичної механіки. Досліди показують, що з радіоактивних ядер випромінюються a-частинки з енергією ~6 МеВ. В той же час a-частинки з енергією ~8 МеВ не проникають в ядро. Ядро для a-частинки є потенціальним бар’єром, висота якого U₀більша від енергії a-частинки Е (рис. 8.5). Внутрішня сторона бар’єру зумовлена ядерними силами притягання, зовнішня – силами кулонівського відштовхування. Явище стає зрозумілим на основі квантової механіки: a-частинка виникає в момент радіоактивного розпаду ядра і долає бар’єр ядра за допомогою тунельного ефекту (для мікрочастинки існує відмінна від нуля ймовірність проникнути через бар’єр з енергією меншою від висоти бар’єру; Г. Гамов, 1928 р.).

Теорія a-розпаду, що спирається на явище тунельного ефекту, підтверджує емпіричний закон Гейгера-Неттола

, (8.21)

де А і В – константи, l – стала розпаду, R – пробіг a-часинки, який, очевидно, пропорційний до її енергії E. Цей закон показує, що менш стабільні ядра дійсно випромінюють a-частинки з більшою енергією.

8.3.3.Існує три типи b-розпаду: b ^–-розпад (ядро випромінює електрон ), b ⁺-розпад (ядро випромінює позитрон) і так зване електронне захоплення (ядро поглинає один з електронів К–, рідше L–, чи М– шару свого атома). b ^–розпад відбувається за схемою

, (8.22)

з якої випливає, що при b ^–-розпаді масове число дочірнього ядра не змінюється, а зарядове число змінюється на одиницю; наприклад, . Як і при a-розпаді, енергія реакції b-розпаду визначається за дефектом мас реакції і лежить в межах від десятків кеВ до десятків МеВ.

Пояснення b ^–-розпаду зустрілось з труднощами:

1. незрозумілим було походження електрона (електронів у ядрах немає);

2. незрозумілим був неперервний характер b ^–-спектрів ядер (мал.8.6);

3. було незрозуміло, чому при b-розпаді не змінюється спін ядра.

Ці труднощі усунули В. Паулі та Е. Фермі (1930–1934 рр.). Вони висунули гіпотезу, що електрон при b ^–-розпаді виникає в ядрі разом з антинейтрино за рахунок процесу перетворення нейтрона в протон:

. (8.23)

Антинейтрино, практично, не має маси і електричного заряду, його спін . Процес (8.23) можливий енергетично, бо ; він пояснює походження електрона при b ^–-розпаді, а також – незмінність масового числа і зростання зарядового числа дочірнього ядра на одиницю (протон залишається в ядрі). Виліт з ядра двох партнерів (електрона і антинейтрино), спіни яких компенсуються, усуває трудність зі спіном при b-розпаді, а також пояснює неперервний характер b ^–-спектру, бо максимальна енергія b ^–-розпаду E_max розподіляється між двома партнерами випадково. Походження g-променів, що супроводжують b ^–-розпад – таке ж, як і при a-розпаді: дочірнє ядро може виникати у збуджених станах, випромінюючи g-кванти при переходах у більш низькі стани.

b ⁺-розпад відбувається за схемою

, (8.24)

наприклад, . Він супроводжується випромінюванням позитрона і нейтрино , які є античастинками, відповідно, для електрона і антинейтрино . Цей вид b-розпаду має місце для штучно-радіоактивних ядер, які мають надлишок протонів над нейтронами. Його можна пояснити за рахунок процесу перетворення протона в нейтрон:

. (8.25)

Для вільного протона цей процес неможливий, бо ; в ядрі ж протон може запозичити потрібну енергію від інших нуклонів ядра.

Реакція електронного захоплення має вигляд

, (8.26)

що можна пояснити перетворенням протона в нейтрон:

. (8.27)

Захоплення електрона ядром супроводжується характеристичним рентгенівським випромінюванням, яке зумовлене перебудовою електронної оболонки атома внаслідок виникнення електронної вакансії у ній. По цьому випромінюванню Л. Альверс і відкрив К-захоплення, у 1937 р. Прикладом цього процесу може бути перетворення калію в аргон:

Суттєва для пояснення b-розпаду гіпотеза нейтрино Паулі-Фермі стала початком вивчення так званої слабкої взаємодії, відповідальної за ряд перетворень елементарних часток. Ця гіпотеза була підтверджена експериментально у 1956 році Ф. Райнісом і К. Коуеном. При роботі на реакторі, що давав потужний потік нейтронів (і антинейтрино), їм вдалося підтвердити реакцію

, (8.28)

яка, фактично, є оберненням реакції (8.23).

У цьому ж році Р. Девіс підтвердив також існування електронного нейтрино . Пізніше було виявлено й інші типи нейтрино і антинейтрино: м’юонне () і таонне (); вони з’являються в процесах взаємодії з м’юонами і – лептонами. Доведено, що – різні частинки, як і їх античастинки .

8.3.4. Важливим для практичних застосувань радіоактивності є поняття активності. Під активністю радіоактивного зразка розуміють число розпадів, які відбуваються в ньому за одиницю часу,

. (8.29)

З (8.13) випливає, що

, (8.30)

тобто активність змінюється з часом за законом

, (8.31)

де – активність при . Одиницею активності в СІ є 1 бекерель [Бк], що відповідає одному розпадові за секунду. Позасистемними одиницями активності є 1 кюрі [Кі] та 1 резерфорд [Рд]; 1 Кі = 3,7×10¹⁰ Бк, 1 Рд = 10⁶ Бк.

За відомою активністю може бути розрахована експозиційна, поглинута та еквівалентна доза радіації і потужність дози (доза, віднесена до часу опромінення).

Експозиційна доза Д_експ є мірою іонізації повітря рентгенівським або g-випромінюванням. Вона чисельно рівна відношенню сумарного заряду всіх іонів одного знаку DQ, створених в елементарному об’ємі повітря вторинними частинками при їх повному гальмуванні, до маси Dm повітря в цьому об’ємі . Одиницею експозиційної дози є , позасистемною одиницею – рентген [Р]; . 1 Р відповідає утворенню 2,08×10⁹ пар іонів в 1 см^-3 повітря при нормальних умовах, на це потрібно затратити енергію .

Поглинута доза Д_погл визначається відношенням енергії DE, переданої іонізуючим випромінюванням речовині в елементарному об’ємі, до маси речовини в цьому об’ємі . Одиницею поглинутої дози є грей [Гр]; . Позасистемною одиницею поглинутої дози є рад; .

Біологічна дія радіації суттєво залежить від природи проникаючого випромінювання. Для характеристики цього вводиться коефіцієнт якості випромінювання k .

Таблиця 1.

Еквівалентна доза Д_екв визначається як добуток поглинутої дози Д_погл на коефіцієнт якості випромінювання k, тобто Д_екв = k×Д_погл. Одиницею еквівалентної дози є зіверт [Зв], що відповідає поглинутій дозі в 1 Гр при k = 1. Позасистемною одиницею є бер, що відповідає поглинутій дозі в 1 рад при k = 1; .

Для вимірювання доз радіації в дозиметрії використовуються прилади різних типів – дозиметри. Природні джерела радіації створюють на території України потужність еквівалентної дози ~ 40 – 200 мБер/рік. Еквівалентна доза в 4 – 5 Зв, отримана людиною за короткий проміжок часу, може призвести до смерті. Така ж доза, отримана протягом усього життя людини, не викликає помітних змін.

Читайте також:

1. Поняття про радіоактивність.
2. Природна і штучна радіоактивність
3. Радіоактивність, види іонізуючих випромінювань їх характеристики.
4. Радіоактивність, основні закони радіоактивного розпаду
5. Радіоактивність, основні закони радіоактивного розпаду

Переглядів: 2306