Лекция № 3. Радиоактивность

Лекция № 3.
Радиоактивность
Понятие радиоактивности. Законы радиоактивного распада. Единицы
радиоактивности. Типы радиоактивных распадов: изомерный переход, альфараспад, спонтанное деление тяжелых ядер, бета-распадные процессы.
Взаимодействие заряженных частиц с веществом. Взаимодействие заряженных
частиц с веществом. Формула Бора, кривая Брэгга, ЛПЭ, ОБЭ. Особенности
защиты.
Под радиоактивностью понимается самопроизвольное превращение
неустойчивого
нуклида в другой нуклид, сопровождающееся испусканием
ионизирующего излучения.
Количество радиоактивного вещества измеряется единицами массы и
активностью, которая равна числу ядерных превращений (распадов) в единицу
времени. Единицей активности в СИ служит распад в секунду: 1Бк=1расп/с.
Наиболее употребительной внесистемной международной единицей является
кюри: 1Ки=3,7 *1010 Бк, что соответствует активности 1г радия.
Известно четыре типа радиоактивности: альфа-распад – радиоактивное
превращение атомного ядра при котором испускается альфа-частица; бета-распад
– радиоактивное превращение атомного ядра при котором испускается бетачастицы, т.е электроны или позитроны; спонтанное деление атомных ядер –
самопроизвольное деление тяжелых атомных ядер (тория, урана, нептуния,
плутония и других изотопов трансурановых элементов). Периоды полураспада у
спонтанно делящихся ядер составляют от нескольких секунд до 1020 для Тория-232;
протонная радиоактивность – радиоактивное превращение атомного ядра при
котором испускаются нуклоны (протоны и нейтроны).
Основными видами ионизирующего излучения, с которыми нам чаще всего
приходится сталкиваться являются:
альфа-излучение;
бета-излучение;
гамма-излучение;
рентгеновское излучение.
Альфа-излучение (α-излучение) – корпускулярное ионизирующее излучение,
состоящее из альфа-частиц (ядер гелия), испускаемых при радиоактивном распаде,
ядерных превращениях. Ядра гелия имеют значительную массу и запас энергии до
10 МэВ. Обладая незначительным пробегом в воздухе (до 50 см) представляют
наибольшую опасность для биологических тканей при попадании на кожу,
слизистые оболочки глаз и дыхательных путей, при попадании внутрь организма в
виде пыли или газа (радий-222). Токсичность альфа-излучения определяется очень
высокой плотностью ионизации, т.е. альфа-частица расходует весь запас энергии
на создание на небольшом отрезке пути пробега очень большого количества пар
ионов противоположного знака.
Бета-излучение (β-излучение) – корпускулярное электронное или позитронное
ионизирующее излучение с непрерывным энергетическим спектром, которое
возникает при превращениях ядер или нестабильных частиц (например,
нейтронов). Поток электронов (бета-частиц) способен проходить в воздухе
расстояние до нескольких метров (в зависимости от энергии), в биологических
1
тканях величина пробега бета-частицы измеряется несколькими сантиметрами.
Бета-излучение, как и альфа-излучение, наибольшую опасность представляет при
контактном облучении, т.е при попадании внутрь организма, на слизистые
оболочки и при загрязнении кожных покровов.
Гамма-излучение (γ-излучение) – коротковолновое электромагнитное
(фотонное) излучение с длиной волны < 0,1 нм, которое возникает при распаде
радиоактивных ядер, переходе ядер из возбужденного состояния в основное, при
взаимодействии быстрых заряженных частиц с веществом, аннигиляции
электронно-позитронных пар и т.д. Этот поток квантов энергии, обладает
волновыми и корпускулярными свойствами, не имеет электрического заряда.
Высокая проникающая способность гамма-излучения объясняется отсутствием
электрического заряда и значительным запасом энергии. Поэтому для ослабления
потока гамма-излучения используются вещества отличающиеся значительным
массовым числом (свинец, вольфрам, уран и др.) и всевозможные составы высокой
плотности (различные бетоны с наполнителями из металла).
Рентгеновское излучение (Тормозное). Рентгеновское излучение по своим
физическим свойствам аналогично гамма-излучению, но природа его совсем
другая. Оно образуется в рентгеновской трубке в результате торможения
электронов на вольфрамовой мишени. Энергия рентгеновского излучения не может
быть больше величины напряжения поданного на трубку. Это электромагнитное
излучение с длиной волны 10-5-10-2 нм. Излучается при торможении быстрых
электронов в веществе (непрерывный спектр) и при переходах электронов из
внешних электронных оболочек атома на внутренние (линейчатый спектр).
Источники – рентгеновская трубка, некоторые радиоактивные изотопы (например
бета-изучатели), ускорители и накопители электронов (синхротронное излучение).
Радиоактивный распад – статистический процесс. Каждое радиоактивное ядро
может распасться в любой момент и закономерность наблюдается только в
среднем, в случае распада достаточно большого количества ядер.
Постоянная распада λ – вероятность распада ядра в единицу времени.
Если в образце в момент времени t имеется N радиоактивных ядер, то
количество ядер dN, распавшихся за время dt пропорционально N.
dN = -λNdt.
(1)
Проинтегрировав (1) получим закон радиоактивного распада
N(t) = N0e-λt.
(2)
N0 - количество радиоактивных ядер в момент времени t = 0.
Cреднее время жизни τ -
(3)
.
2
Период полураспада T1/2 – время, за которое первоначальное количество
радиоактивных ядер уменьшится в два раза
T1/2 = ln2/λ=0.693/λ =
ln2.
(4)
Активность A – среднее количество ядер распадающихся в единицу времени
A(t) = λN(t).
(5)
Активность измеряется в кюри (Ки) и беккерелях (Бк)
1 Ки = 3,7·1010 распадов/c,
1 Бк = 1 распад/c.
Распад исходного ядра 1 в ядро 2, с последующим его распадом в ядро 3,
описывается системой дифференциальных уравнений
dN1/dt = -λ1N1
dN2/dt = -λ2N2 +λ1N1,
(6)
где N1(t) и N2(t) -количество ядер, а λ1 иλ2 - постоянные распада ядер 1 и 2
соответственно. Решением системы (6) с начальными условиями N1(0) = N10;
N2(0) = 0 будет
(7a)
,
.
Количество ядер 2 достигает максимального значения
(7б)
при
.
Если λ2 < λ1 (
уменьшаться.
>
), суммарная активность N1(t)λ1 + N2(t)λ2 будет монотонно
Если λ2 >λ1 (
<
), суммарная активность вначале растет за счет накопления
ядер 2.
Если λ2 >>λ1, при достаточно больших временах вклад второй экспоненты в (7б)
становится пренебрежимо мал, по сравнению со вкладом первой и активности
второго A2 = λ2N2 и первого изотопов A1 = λ1N1 практически сравняются. В
3
дальнейшем активности как первого так и второго изотопов будут изменяться во
времени одинаково.
A1(t) = N10
1
= N1(t)
1
= A2(t) = N2(t) 2.
(
8)
То есть устанавливается так называемое вековое равновесие, при котором
число ядер изотопов в цепочке распадов связано с постоянными распада
(периодами полураспада) простым соотношением.
(9)
Поэтому в естественном состоянии все изотопы, генетически связанные в
радиоактивных рядах, обычно находятся в определенных количественных
соотношениях, зависящих от их периодов полураспада.
Экспериментальные методы регистрации заряженных частиц
Для изучения ядерных явлений были разработаны многочисленные
методы регистрации элементарных частиц и излучений. Рассмотрим
некоторые из них, которые наиболее широко используются.
Треки частиц в камере
Вильсона.
название
Камера
Вильсона
Треки протонов.
Пузырьковая
камера
процесс
принцип действия
Ионизация
При
быстром
опускании
молекул
газа поршня, пар
охлаждается
быстрыми
вследствие
адиабатного
заряженными
расширения и становится
частицами
перенасыщенным. Заряженная
частица,
пролетая
через
рабочий объем, ионизирует
молекулы
пара.
Вдоль
траектории
образуется
цепочка
ионов,
которые
являются
центрами
конденсации.
Капельки
жидкости обрисовывают след
движения частицы.
Ионизация
Рабочий
объем
заполнен
жидкости
нагретым почти до кипения
жидким
водородом
или
пропаном, находящимся под
4
высоким
давлением.
В
перегретое
состояние
жидкость переводят резко
уменьшая
давление.
Заряженная частица образует
на своем пути цепочку ионов,
что приводит к резкому
закипанию жидкости. Вдоль
траектории
частицы
появляются пузырьки пара
(трек).
Счетчик
Ионизация
Между цилиндром и нитью
Гейгерамолекул газа и приложено высокое
Мюллера
газовый разряд
напряжение. Цилиндр
заполнен газом. Пролетающая
частица ионизирует газ.
Цепочка образующихся ионов
стекает к аноду и
нейтрализуется. Электроны
разгоняются электрическим
полем, создавая искровой
разряд, регистрируемый
специальным устройством.
Метод
Свечение
При ударах частиц,
сцинтилляций (люминесценция) испускаемых радиоактивным
Спинтарископ
препаратом, наблюдаются
отдельные точечные свечения
люминофора.
Метод
Ионизация
толстослойных молекул
фотоэмульсий фотоэмульсии
Ядерные фотоэмульсии имеют
толщину 600-1200мкм.
Частицы, попадая в слой
фотоэмульсии, вызывают
ионизацию молекул,
приводящую к почернению
зерен. После химической
обработки треки частиц
становятся видимыми.
Радиоактивность
Явление самопроизвольного испускания химическими элементами
излучения, обладающего значительной проникающей способностью
и ионизирующими свойствами, получило название естественной
радиоактивности. Элементы, испускающие такое излучение
называются радиоактивными.
Радиоактивными являются все элементы с порядковым номером
5
более 83 в таблице Менделеева.(Z >83).
Состав радиоактивного излучения
Излучение радиоактивных веществ состоит из трех компонент: a-,b,g-излучения. Обнаружено, что a-,b-лучи отклоняются магнитным
полем в разные стороны, а g-лучи не отклоняются совсем. Так были
определены знаки зарядов составных частей радиоактивного
излучения. Результаты исследования свойств излучения приведены в
таблице.
Обозначение Природа
Зарядовое
и
Энергия
массовое
число
Скорость
поток полностью 4
a
или
ионизированных 2 4
4-9 МэВ
107 м/с
He
2
атомов гелия
непрерывный
0
поток
быстрых -1b или- спектр
108 м/с
b-лучи
0
электронов
энергий
от
0
1е
до 782 кэВ
жесткое
линейчатый
электромагнитное
спектр
3·108 м/с
g-лучи
излучение (l=10-2
энергий
нм)
Удельные потери энергии заряженной частицей. Тяжёлые
заряженные частицы взаимодействуют главным образом
с электронами атомных оболочек, вызывая ионизацию атомов.
Проходя через вещество, заряженная частица совершает десятки
тысяч соударений, постепенно теряя энергию. Тормозная
способность вещества может быть охарактеризована величиной
удельных потерь энергии dE/dx, где dE – энергия, теряемая
частицей в слое вещества толщиной dx. Если энергия заряженной
частицы теряется на ионизацию среды, то говорят об удельных
ионизационных потерях. Удельные потери энергии возрастают с
уменьшением энергии частицы и особенно резко перед остановкой в
веществе.
Удельные потери энергии электронами. Прохождение электронов
через вещество отличается от прохождения тяжёлых заряженных
частиц. Главная причина – малая масса электрона. Это приводит к
относительно большому изменению импульса электрона при каждом
его столкновении с частицами среды, что вызывает заметное
изменение направления движения электрона и как результат –
электромагнитное радиационное излучение.
a-лучи
6
Энергию, переданную заряженной частицей на единице длины ее пробега в
веществе, называют линейной передачей энергии (ЛПЭ) и измеряют в кэВ/мкм.
Понятие ЛПЭ было введено Р. Цирклем в 1954 г. В зависимости от значения
ЛПЭ, а следовательно, от плотности ионизации, все ионизирующие излучения
делят на редкоионизирующие (ЛПЭ < 10кэВ/мкм) и плотноионизирующие (ЛПЭ >
10кэВ/мкм).
Гамма-излучение 60Со и рентгеновское излучение с длиной волны ~ 20 нм
(генерируемое при напряжении на трубке 250 кэВ) имеют ЛПЭ, соответственно
равное ≈ 0,3 и 2 кэВ/мкм, нейтроны с энергией 14 МэВ – 12 кэВ/мкм, а ускоренные
тяжелые заряженные ядерные частицы – от 100 кэВ/мкм и выше.
ЛПЭ связана как с физической природой излучения, так и с энергией кванта или
частицы. Например, в современных ускорителях тяжелые частицы разгоняют до
столь больших энергий, что их скорость приближается к скорости света. В этом
случае ЛПЭ всех частиц снижается до минимального значения, характерного для
редкоионизирующих легких частиц (например, электронов) с энергией 1 МэВ.
Поэтому при очень большой скорости движения быстрые протоны и электроны
имеют одинаковую ЛПЭ, несмотря на отличие по массе в 1800 раз. ЛПЭ
заряженных частиц возрастает со снижением их скорости, поэтому в конце пробега
передача энергии заряженной частицей веществу максимальна, что приводит к
характерному распределению ионизации, описываемому так называемой кривой
Брэгга.
Эту особенность взаимодействия моноэнергетических тяжелых ядерных частиц
с веществом, а именно повышение дозы на глубине с последующим ее спадом до
нуля, используют при лечении опухолей, так как она позволяет сосредоточить
значительную энергию именно на пораженной ткани, избегая облучения
находящихся за опухолью тканей; к тому же тяжелые заряженные частицы
характеризуются минимальным боковым рассеянием походу пучка.
При описании физических основ биологического действия радиации
указывалось, что воздействие разными видами излучений, но в равных
7
поглощенных дозах приводит к различным по величине эффектам. Это свойство
излучения, часто называемое его качеством, определяется не столько физической
природой излучения, сколько его ЛПЭ. Для количественной оценки качества
излучения введено понятие относительной биологической эффективности (ОБЭ).
ОБЭ оценивают сравнением дозы излучения, вызывающей определенный
биологический эффект, с дозой стандартного излучения, обусловливающей тот же
эффект. Ранее в качестве стандартного принималось рентгеновское излучение,
генерируемое при напряжении на трубке в 180–250 кВ. Значение (величину,
коэффициент) ОБЭ вычисляют из отношения сравниваемых доз по формуле:
ОБЭ = Dr/Dx,
где Dr – доза рентгеновского излучения, Гр; Dx – доза изучаемого излучения,
Гр; при этом эффект сравнивают по одному и тому же показателю. Сейчас
принимается, что в качестве стандартного можно использовать γ-излучение,
которое широко применяется при лучевой терапии опухолей и для которого
соответственно известны количественные данные о связи с дозой самых разных эффектов поражения. Следует иметь в виду, что ОБЭ γ-излучения (эффективность
действия на единицу поглощенной дозы по сравнению с рентгеновским
излучением) составляет 0,8–0,9.
В первом приближении можно считать, что при тщательном соблюдении
экспериментальных условий сравнения эффектов ОБЭ зависит только от ЛПЭ.
Поэтому, например, протоны, дейтроны и α-частицы, ускоренные до высоких
энергий (200 МэВ и более), имеют приблизительно такую же эффективность, как и
рентгеновское излучение, генерируемое при энергии 200 кВ, так как они
характеризуются близкими значениями ЛПЭ. Те же виды излучения, но с
меньшими энергиями и соответственно с большей ЛПЭ, обладают и большей ОБЭ.
Следовательно, с ростом ЛПЭ повышается поражаемость клеток и снижается их
способность к восстановлению.
В связи с развитием ядерной энергетики и все более широким использованием
атомной энергии в научных исследованиях, промышленности, сельском хозяйстве,
здравоохранении необходимо обеспечить защиту обслуживающего персонала и
окружающей
территории
от
опасных
радиоактивных
воздействий.
Естественные радиоактивные вещества и искусственно получаемые радиоактивные
изотопы воздействуют на живую ткань посредством испускаемых ими при распаде
α-, β-, γ-лучеи и нейтронов. α-Лучи (потоки ядер гелия) и β-лучи (потоки
электронов) обладают сравнительно небольшой проникающей способностью.
Значительно опаснее γ-лучи, представляющие собой поток фотонов, и нейтронное
излучение. γ-Лучи имеют скорость света и обладают большой проникающей
способностью. Закон ослабления γ-излучения, проходящего через вещество,
состоит в следующем: при последовательном увеличении толщины слоя вещества
на одну и ту же величину интенсивность излучения уменьшается в одном и том же
определенном отношении. Так называемый слой половинного ослабления
уменьшает интенсивность излучения в 2 раза. Два таких слоя ослабят излучение в 4
раза, и каждый последующий слой будет дополнительно ослаблять излучение
вдвое. Исходя из этого (с учетом некоторых других факторов) рассчитывается
толщина защитного ограждения, необходимая для ослабления излучения до
допускаемой нормами интенсивности. Толщина слоя половинного ослабления γизлучения зависит от плотности вещества-поглотителя: чем тяжелее материал, тем
меньше толщина ограждения. Незаряженные частицы нейтроны также обладают
8
большой проникающей способностью. Не взаимодействуя с заряженными
частицами атомов на расстоянии, они замедляются только при соударениях.
Наибольший эффект поглощения энергии нейтронов имеет место при соударении
их с частицами близкой к ним массы, например с ядрами водорода – протонами. В
этом случае энергия нейтрона распределяется примерно поровну между двумя
столкнувшимися частицами, т. е. нейтрон при каждом соударении значительно
тормозится. При соударении с тяжелыми ядрами нейтрон отражается при
сравнительно малой потере скорости. Поэтому в отличие от излучения наибольшее
замедление нейтронов имеет место в веществах, содержащих легкие элементы,
особенно водород. Веществом-замедлителем может служить, в частности, вода.
Основным материалом для одновременной защиты от γ- и нейтронного излучения
являются особо тяжелые и гидратные бетоны. Поскольку гидраты, задерживающие
поток нейтронов, содержатся в цементном камне, основное назначение тяжелых
заполнителей – поглощение γ-лучей. В качестве заполнителей применяются барит,
железные руды, металлолом.
Барит – сернокислый барий (BaSО4) – весьма распространенный в природе
минерал белого цвета. Его плотность – около 4500 кг/м3, предел прочности при
сжатии – около 50 МПа. Плотность бетона на баритовом заполнителе достигает
3800 кг/м3.
Магнетит, или магнитный железняк, – слабоокисленная железная руда (Fe3О4) с
плотностью около 4500–5000 кг/м3 и пределом прочности при сжатии до 200 МПа.
Плотность бетона на песке и щебне из магнетита составляет около 4000 кг/м3.
Гематитовые руды содержат красный железняк (Fe2О3). Плотность гематита – до
4300 кг/м3, а бетона на его основе – до 3500 кг/м3.
Для получения особо тяжелых бетонов плотностью 5000 – 7000 кг/м3
применяют чугун (плотность около 7500 кг/м3) в виде дроби, крошки и скрапа
(крупного лома), а также сталь (плотность около 7800 кг/м3) в виде обрезков,
отходов от штамповки, дробленой стружки.
Необходимо учитывать воздействие нейтронного излучения на свойства
заполнителей. Во-первых, при поглощении нейтронов ядрами атомов возможно
вторичное γ-излучение. Это особенно характерно для железа. Поэтому железный
лом и руды не всегда могут быть использованы. В этом отношении предпочтителен
барит, не дающий вторичного γ-излучения. Во-вторых, нейтроны при
столкновении с ядрами атомов могут нарушить их равновесное положение в
кристаллической решетке. При этом возможно изменение объема и свойств
заполнителей. Например, при облучении кварца нейтронами происходит его
аморфизация, сопровождающаяся значительным анизотропным расширением, что
может привести к разрушению бетона. Данное явление следует учитывать не
только при проектировании составов защитных бетонов, но также обычных
конструкционных, жаростойких и теплоизоляционных бетонов, применяемых при
строительстве ядерных установок. Крупность заполнителей для защитных бетонов
определяется массивностью бетонируемой конструкции и принимается
максимально возможной. Зерновой состав заполнителей подбирают с таким
расчетом, чтобы как можно больше насытить бетон тяжелым заполнителем; чем
тяжелее получится бетон, тем меньшей может быть толщина ограждения.
9