Понятие о радиоактивности и видах радиоактивных излучений.

Из курса физики известно, что атом состоит из положительно заряженного ядра и электронной оболочки вокруг него. В состав ядра входит частица протон, имеющий заряд 1 и массу единицу и нейтрон, не имеющий заряда. Масса же нейтрона примерно такая же как масса протона. Общее наименование протонов и нейтронов – нуклоны. Суммарное число протонов и нейтронов в ядре составляет массовое число количество протонов соответствует порядковому номеру элементов в таблице Д.И. Менделеева и определяет заряд ядра. Количество электронов, вращающихся вокруг ядра равно числу протонов, поэтому в обычном состоянии атом нейтрален. Существуют элементы обладающие одним и тем же зарядом, т.е. одинаковым количеством протонов, но разными массовыми числами из-за различия в количестве нейтронов. Химические элементы с одинаковыми свойствами, но имеющие разные массовые числа называются изотопами. Большинство химических элементов являются смесью нескольких элементов. Например, водород на 99,98% состоит из легкого изотопа – протия ¹₁Н и на 0,02 % из тяжелого изотопа – дейтерия ²₁Н, ядро которого состоит из протона и нейтрона. Существует и третий изотоп водорода – тритий ³₁Н, ядро которого содержит один протон и два нейтрона. Дейтерий и тритий могут обозначаться символами Д и Т.

Изотопы урана, имеющие одинаковый заряд 92 и такое же количество протонов отличаются между собой содержанием в ядре нейтронов. Соответственно уран – 238 содержит 146 нейтронов, уран – 235 – 143 и уран – 234 - 142 нейтрона.

Частицы, входящие в состав ядра подвержены воздействию огромных ядерных сил притяжения. Однако, кроме ядерных сил притяжения между одноименно заряженными протонами действуют Кулоновские силы отталкивания. У тяжелых элементов Кулоновские силы отталкивания преобладают над ядерными силами притяжения. При этом происходит внутренняя перестройка ядер, в результате которой вещество из менее устойчивого состояния переходит в более устойчивое состояние. Процесс ядерных превращений сопровождается одновременным испусканием невидимых радиоактивных излучений. Такое явление самопроизвольного (спонтанного) изменения структуры ядра атома одного элемента и превращение его в более устойчивое ядро атома другого элемента называется радиоактивностью. Наблюдающаяся в природных условиях радиоактивность изотопов называется естественной, а радиоактивность изотопов, полученных искусственным путем на ускорителях, в ядерных реакторах называется искусственной. В настоящее время насчитывается свыше 40 естественных радиоактивных элементов и более 1200 искусственных радиоактивных изотопов. При ядерных взрывах образуется большое количество искусственных радиоактивных изотопов.

Существует три вида радиоактивных излучений в зависимости от их поведения в магнитном поле:

- альфа-лучи - лучи, отклоняющиеся как положительно заряженные частицы;

- бета-лучи - лучи, ведущие как отрицательно заряженные частицы при электронном распаде и как положительно заряженные частицы при позитронном распаде. Позитрон положительно заряженная частица, масса ее равна массе электрона.

- гамма - излучение не отклоняется в магнитном поле.

При радиоактивном распаде, как правило, радиоактивный изотоп испускает частицы одного рода либо альфа-, либо бета- частицы.

Альфа – излучение – это поток положительно заряженных альфа-частиц, состоящих из ядер атомов гелия. Ядро альфа-частицы состоит из 2-х протонов и двух нейтронов. Поэтому альфа-излучатель, превращаясь в процессе радиоактивного распада в другой химический элемент снижает свой положительный заряд на две единицы, а массовое число на четыре единицы. При таком превращении из плутония -239 образуется уран-235. Первоначально альфа-частицы двигаются со скоростью 10-20тыс. км/сек, теряя свою энергию, ионизирую атомы среды. Ионизирующая способность альфа-частиц очень велика. Одна альфа-частица в воздухе способна образовать на 1 см пути от 30 до 65 тыс. пар ионов. Большой ионизирующей способностью альфа-частицы объясняется очень малая длина ее пробега. Так пробег альфа-частиц в воздухе от 2 до 10 см, в мягких биологических тканях – несколько десятков микрометров (мкм). Затратив свою энергию на ионизацию вещества, альфа-частицы, присоединив свободные электроны, превращаются в атомы гелия. Опасность альфа-излучение представляет только тогда, когда альфа-излучатели проникают внутрь организма, т.е. при инкорпорировании РВ. Внешне альфа-облучение не опасно, т.к. оно поглощается верхним слоем кожи, а сама одежда является надежной защитой от альфа-частиц.

Бета-излучение – представляет собой поток бета частиц, т.е. отрицательно заряженных электронов (электронный бета-распад) или положительно заряженных позитронов (позитронный бета-распад). В результате электронного бета-распада масса ядра не меняется, один из нейтронов превращается в протон, поэтому заряд ядра увеличивается на единицу:

¹₀n → ¹₁p + e^-

нейтрон протон электрон

При позитронном бета-распаде происходит одновременное превращение одного из протонов в нейтрон и вылет позитрона. Образующееся ядро будет иметь порядковый номер на единицу меньше, а массовое число останется прежним.

¹₁p → ¹₀n + e⁺

протон нейтрон позитрон

Однако позитронный бета-распад бывает редко и в основном у искусственных радиоактивных изотопов. Начальная скорость движения бета-частиц может достигать скорости света 300 тыс. км/сек. Ионизирующая способность бета-частиц всего 50-100 пар ионов на 1 см пути, длина пробега в воздухе до 20 м, в воде и живых тканях до 3-х см, в металле – 1 см. Бета-излучение ПЯВ наполовину ослабляется летней одеждой, на 50-60% индивидуальными средствами защиты кожи, поглощается автомобильными стеклами.

Гамма-излучение подобно рентгеновскому изучению представляет собой поток электромагнитных волн, которые распространяются со скоростью света 300 тыс. км/сек.

При радиоактивном распаде или ядерных реакциях, при переходе из одного возбужденного энергетического состояния в другое невозбужденное состояние избыток энергии испускается в виде гамма-квантов. Ядро может последовательно испускать гамма-кванты, производя так называемое каскадное излучение, пока не станет стабильным. Гамма-излучение по сравнению с рентгеновским излучением обладает большей энергией. Если альфа- и бета –частицы непосредственно ионизируют атомы, гамма-кванты, проникая в вещество, вызывают образование в нем вторичных электронов и позитронов, которые и производят ионизацию. Ионизирующая способность гамма- излучения – всего несколько пар ионов на 1 см. Например, в воздухе линейная плотность гамма-квантов 2-3 пары на 1 см пути. В воздухе гамма-излучение может распространяться сотни метров. Вследствие большой проникающей способности гамма-излучение не задерживается защитной одеждой, для защиты используются материалы, обладающие высокой удельной плотностью.