Искусственная радиоактивность. Естественная и искусственная радиоактивности

Все известные радиоактивные элементы разделяют на две группы: естественные и искусственные (техногенные).

Внутреннее облучение.

Земная радиация.

В природе существует три ряда (семейства) радиоактивных веществ: ряд урана-радия, ряд тория и ряд актиния. В каждом ряду с течением времени атомы претерпевают последовательные радиоактивные распады, испуская на каждой ступени α- или β- частицы (с сопровождением γ- излучения или без него) и превращаясь в атомы других химических элементов.

Существование в природе этих трех рядов определяется наличием в каждом случае родоначального нуклида, период полураспада которого сравним с возрастом Земли. В уран-радиевом ряду родоначальником является изотоп урана -238 (238 U) с периодом полураспада 4,5 · 10 9 лет. Актиноуран (235 U) служит родоначальником ряда урана с периодом полураспада 7,1 · 10 8 лет. Изотоп тория-232 (232 Th) с периодом полураспада 1,4 · 10 10 лет является исходным элементом в ториевом ряду. Стабильными конечными продуктами каждого ряда превращений являются изотопы свинца - соответственно 206 Pb, 207 Pb, 208 Pb.

В настоящее время на Земле сохранилось 23 долгоживущих радиоактивных элемента с периодами полураспада от 10 7 лет и выше. Физические характеристики некоторых из них представлены в таблице 11.1.

Таблица 11.1.

Физические характеристики некоторых долгоживущих радиоактивных элементов.

В трех радиоактивных семействах: урана (238 U), тория (232 Th) и актиния (235 Ас) в процессах радиоактивного распада постоянно образуется 40 радиоактивных изотопов. Средняя эффективная эквивалентная доза внешнего облучения, которую человек получает за год от земных источников, составляет около 0.35 мЗв, т.е. чуть больше средней индивидуальной дозы, обусловленной облучением из-за космического фона на уровне моря.

Однако уровень земной радиации неодинаков в различных районах. Так, например, в 200 километрах к северу от Сан-Пауло (Бразилия) есть небольшая возвышенность, где уровень радиации в 800 раз превосходит средний и достигает 260 мЗв в год. На юго-западе Индии 70 000 человек живут на узкой прибрежной полосе, вдоль которой тянутся пески, богатые торием. Эта группа лиц получает в среднем 3.8 мЗв в год на человека. Как показали исследования, во Франции, ФРГ, Италии, Японии и США около 95% населения живут в местах с дозой облучения от 0.3 до 0.6 мЗв в год. Около 3% получает в среднем 1 мЗв в год и около 1.5% более 1.4 мЗв в год.

Структура и величины средних за год эффективных доз облучения населения Украины от природных источников ионизирующего излучения приведены на рисунке 11.1.

Средняя годовая доза облучения составляет 4,88 мЗв, а с учетом последних данных по содержанию радона - 220 (220 Rn) в воздухе жилых помещений значение средней годовой дозы облучения составляет 5,3 мЗв в год.

В разных странах мира величины средних доз различаются от 2,0 мЗв/год (Англия) до ~ 7,8 мЗв/год (Финляндия). Но общим является то, что наибольший вклад в дозу вызван наличием радона, радиоактивного газа, продукта распада природного радия.

Космические лучи.

Космическое излучение складывается из частиц, захваченных магнитным полем Земли, галактического космического излучения и корпускулярного излучения Солнца. В его состав входят в основном электроны, протоны и альфа-частицы. Это первичное космическое излучение. При взаимодействуя с атмосферой Земли образуется вторичное излучение.

Доза облучения от первичного космического излучения на уровне моря составляет 2.4 нЗв/час, при этом большинство населения получает дозу, равную около 0.35 мЗв в год.

Интенсивность космического излучения зависит от солнечной активности, географического положения объекта и возрастает с высотой над уровнем моря. Наиболее интенсивно оно на Северном и Южном полюсах, менее интенсивно в экваториальных областях. Причина этого - магнитное поле Земли, отклоняющее заряженные частицы космического излучения.

Величина дозы радиоактивного облучения, получаемая человеком, зависит от географического местоположения, образа жизни и характера труда. Например на высоте 8 км мощность эффективной дозы составляет 2 мкЗв/час, что приводит к дополнительному облучению при авиаперевозках.

При вторичном облучении, в результате ядерных реакций образуются радиоактивные ядра - космогенные радионуклиды.

Например, n + 14 N 3 H + 12 C , p + 14 N n + 14 C

В создание дозы наибольший вклад вносят 3 H, 7 Be, 14 C и 22 Na которые поступают вместе с пищей в организм человека (табл.11.2.)

Таблица 11.2.

Среднее годовое поступление космогенных радионуклидов в организм человека.

Взрослый человек потребляет с пищей 95 кг углерода в год при средней активности на единицу массы углерода 230 Бк/кг. Суммарный вклад космогенных радионуклидов в индивидуальную дозу составляет около 15 мкЗв/год.

Радон.

Наиболее весомым из всех естественных источников радиации (рис. 11.2.) является невидимый, не имеющий вкуса и запаха тяжелый газ (в 7,5 раза тяжелее воздуха) — радон - 222 (222 Rn). Человек подвергается воздействию радона и продуктов его распада в основном за счет внутреннего облучения при поступлении радионуклидов в организм через органы дыхания и, в меньшей мере, с продуктами питания. Поступив в организм при вдохе, он вызывает облучение слизистых тканей легких. При длительном поступлении радона и его продуктов в организм человека многократно возрастает риск возникновения рака легких.

Человек получает 3,8 мЗв в год за счет внутреннего облучения радоном, что составляет 77, 9% среднегодовой дозы облучения от естественных источников радиации.

Основным источником этого радиоактивного инертного газа является земная кора. Проникая через трещины и щели в фундаменте, полу и стенах, радон задерживается в помещениях. Другой источник радона в помещении - это сами строительные материалы (бетон, кирпич, пемза, гранит и другие.), содержащие естественные радионуклиды, которые являются источником радона. Радон может поступать в дома также с водой (особенно если она подается из артезианских скважин), при сжигании природного газа и других источников.

Сравнить мощность излучения различных источников радона поможет следующая диаграмма

Рис. 11.2. Диаграмма мощности излучения различных источников радона.

Внутреннее облучение от радионуклидов земного происхождения.

В организме человека постоянно присутствуют радионуклиды земного происхождения, поступающие через органы дыхания и пищеварения. Наибольший вклад в формирование дозы внутреннего облучения вносят 40 К, 87 Rb, и нуклиды рядов распада 238 U и 232 Th (табл.11.3.).

Таблица 11.3.

Среднегодовая эффективная эквивалентная доза внутреннего облучения

Для Украины средняя годовая доза внутреннего облучения составляет 200мкЗв, что составляет 4,1% от суммарной дозы природных источников.

Искусственная радиоактивноть.

Врезультате деятельности человека во внешней среде появились искусственные радионуклиды и источники излучения.

В природную среду стали поступать в больших количествах естественные радионуклиды, извлекаемые из недр Земли минеральные и органические природные ресурсы :

Геотермические электростанции, создающие в среднем выброс около 4 · 10 14 Бк изотопа 222 Rn на 1 ГВт выработанной электроэнергии;

Фосфорные удобрения, содержащие 226 Ra и 238 U (до 70 Бк/кг в Кольском апатите и 400 Бк/кг в фосфорите);

Сжигаемый в жилых домах и электростанциях газ и уголь, содержит естественные радионуклиды 40 К, 232 U и 238 U в равновесии с их продуктами распада.

За последние несколько десятилетий человек создал несколько тысяч радионуклидов и начал использовать их в научных исследованиях, в технике, медицинских целях и других целях. Это приводит к увеличению дозы облучения, получаемой как отдельными людьми, так и населением в целом. Иногда облучение за счет источников, созданных человеком, оказывается в тысячи раз интенсивнее, чем от природных источников.
В настоящее время основной вклад в дозу от источников, созданных человеком, вносит внешнее радиактивное облучение при диагностике и лечении.

Средняя эффективная эквивалентная доза, получаемая от всех источников облучения в медицине, в промышленно развитых странах составляет 1 мЗв в год на каждого жителя, т.е. примерно половину средней дозы от естественных источников.

Роль различных искусственных источников излучений в создании радиационного фона иллюстрируется таблице 11.4.

Таблица 11.4.

Среднегодовые дозы, получаемые от естественного радиационного фона и различных искусственных источников излучения.

Испытания ядерного оружия.

Радиологические последствия испытаний ядерного оружия определяются количеством испытаний, суммарными энерговыделением и активностью осколков деления, видами взрывов (воздушные, наземные, подводные, надводные, подземные) и геофизическими факторами окружающей среды в период испытаний (район, метеообстановка, миграция радионуклидов и другие.). Испытания ядерного оружия, которые особенно интенсивно проводились в период 1954-1958 и 1961-1962 гг. стали одной из основных причин повышения радиационного фона Земли и, как следствие этого, глобального повышения доз внешнего и внутреннего облучения населения.

В США, СССР, Франции, Великобритании и Китае в общей сложности проведено не менее 2060 испытаний атомных и термоядерных зарядов в атмосфере, под водой и в недрах Земли, из них непосредственно в атмосфере 501 испытание.

По оценкам международных организаций во второй половине 20-го века за счет ядерных испытаний во внешнюю среду поступило 1.81 · 10 21 Бк продуктов ядерного деления (ПЯД), из них на долю атмосферных испытаний приходится 99.84 %. Распространение радионуклидов приняло планетарные масштабы (рис. 11.3.-11.4.).

Продукты ядерного деления представляют собой сложную смесь более чем 200 радиоактивных изотопов 36 элементов (от цинка до гадолиния). Большую часть активности составляют короткоживущие радионуклиды. Так, через 7, через 49 и через 343 суток после взрыва активность ПЯД снижается соответственно в 10, 100 и 1000 раз по сравнению с активностью через час после взрыва. Выход наиболее биологически значимых радионуклидов приведен в таблице 11.5.

Экологическое значение разных радиоактивных изотопов совершенно различно. Радиоактивные вещества с коротким периодом полураспада менее (2 суток) не представляют большой опасности, так как они сохраняют высокий уровень радиации в зараженном биотопе непродолжительное время. Вещества с очень длинным периодом полураспада, например 238 U, также почти безопасны, поскольку они в единицу времени испускают очень слабое излучение.

Наиболее опасными радионуклидами являются те, у которых период полураспада изменяется от нескольких недель до нескольких лет (таблица 11.5.). Этого времени достаточно для того, чтобы упомянутые элементы смогли проникнуть р различные организмы и накопиться в пищевых цепях.

Следует также отметить высокую радиотоксичность для тех элементов, которые являются аналогами биогенных элементов.

Рис. 11.3. Содержание стронция-90 и цезия-137 в продуктах питания и суммарная годовая мощность ядерных взрывов атмосфере.
Рис.11.4. Содержание цезия-137 в различных продуктах питания: А - зерновые продукты, Б - мясо, В - молоко, Г - фрукты, Д - овощи.
Таблица 11.5. Выход некоторых продуктов деления при ядерном взрыве.
Элемент	Заряд	Период полураспада	Выход на одно деление,%	Активность на 1 Мт, (10 15 Бк)
Стронций-89		50.5 сут	2.56
Стронций-90		28.6 лет	3.5	3.9
Цирконий-95		64 сут	5.07
Рутений-103		39.5 сут	5.2
Рутений-106		368 сут	2.44
Иод-131		8 сут	2.90
Цезий-136		13.2 сут	0.036
Цезий-137		30.2 лет	5.57	5.9
Барий-140		12.8 сут	5.18
Церий-141		32.5 сут	4.58
Церий-144		284 сут	4.69
Водород-3		12.3 лет	0.01	2.6 · 10 -2

Атомная энергетика.

Источником облучения, вокруг которого ведутся наиболее интенсивные споры, являются атомные электростанции. Преимущество атомной энергетики состоит в том, что она требует существенно меньших количеств исходного сырья и земельных площадей, чем тепловые станции (таблица 11.6.), не загрязняет атмосферу дымом и сажей.

Опасность состоит в возможности возникновения катастрофических аварий реактора, а также в реально не решенной проблеме утилизации радиоактивных отходов и утечке в окружающую среду небольшого количества радиоактивности.

Таблица 11.6.

Расход природных ресурсов для производства 1 ГВт в год электроэнергии в угольном и ядерном топливных циклах

При прямоточном охлаждении.

К концу 1984 г. в 26 странах работало 345 ядерных реакторов, вырабатывающих электроэнергию. Их мощность составляла 220 ГВт или 13% суммарной мощности всех источников электроэнергии. К 1994 году в мире работало 432 атомных реактора, их суммарная мощность составила 340 ГВт.

Прогнозируемые перспективы развития ядерной энергетики мире показаны в таблице 11.7.

Таблица 11.7.

Перспективы развития ядерной энергетики в мире.

В условиях нормальной эксплуатации АЭС выбросы радионуклидов во внешнюю среду незначительны и состоят в основном из радионуклидов йода и инертных радиоактивных газов (Хе, Сг), периоды полураспада которых в основном не превышают нескольких суток. 90% всей дозы облучения, возможной в результате выброса на атомной станции и обусловленной короткоживущими изотопами, население получает в течение года после выброса, 98% - в течение 5 лет. Почти вся доза приходится на людей, живущих вблизи АЭС. Дозы облучения обычно значительно ниже установленных пределов для отдельных лиц из населения (0.5 бэр/год).

Долгоживущие продукты выброса (137 Сз, 90 Ce, 85 Кг и другие.) распространяются по всему земному шару. Оценка ожидаемой коллективной эквивалентной дозы от облучения такими изотопами составляет 670 чел-Зв на каждый ГигаВатт вырабатываемой электроэнергии.

Приведенные выше оценки получены в предположении, что ядерные реакторы работают нормально. Вклады различных источников облучения в этом случае приведены на рисунке 11.5.

Рис.11.5. Вклады различных источников радиации

Количество радиоактивных веществ, поступивших в окружающую среду при аварии, существенно больше. Известно, что за период с 1971 по 1984 гг. в 14 странах мира произошла 151 авария на АЭС.

26 апреля 1986 г. на Чернобыльской атомной электростанции произошла авария с разрушением активной зоны реактора, что привело к выбросу части накопившихся в активной зоне радиоактивных продуктов в атмосферу .

В результате аварии в окружающую среду было выброшено от5 до 30 % ядерного топлива. Кроме того, часть содержимого реактора расплавилась и переместилась через разломы внизу корпуса реактора за его пределы.

Кроме топлива, в активной зоне в момент аварии содержались продукты деления и трансурановые элементы — различные радиоактивные изотопы, накопившиеся во время работы реактора. Именно они представляют наибольшую радиационную опасность.

Большая их часть осталась внутри реактора, но наиболее летучие вещества были выброшены наружу, в том числе:

Все благородные газы, содержавшиеся в реакторе;

Примерно55 % йода в виде смеси пара и твёрдых частиц, а также в составе органических соединений;

Цезий и теллур в виде аэрозолей.

Суммарная активность веществ, выброшенных в окружающую среду, составила, по различным оценкам, до 14Ч 1018 Бк (14 ЭБк), в том числе:

1,8 ЭБк йода-131,

0,085 ЭБк цезия-137,

0,01 ЭБк стронция-90 и

0,003 ЭБк изотопов плутония;

На долю благородных газов приходилось около половины от суммарной активности (Рис. 11. 6.).

Рис.11.6 Доза внешнего гамма - облучения , получаемого человеком около Чернобыльской станции.

Загрязнению подверглось более 200 тыс. км², примерно 70 % — на территории Белоруссии, России и Украины. Радиоактивные вещества распространялись в виде аэрозолей, которые постепенно осаждались на поверхность земли. Большая часть стронция и плутония выпала в пределах 100 км от станции, так как они содержались в основном в более крупных частицах. Иод и цезий распространились на более широкую территорию.

С точки зрения воздействия на население в первые недели после аварии наибольшую опасность представлял радиоактивный иод, имеющий сравнительно малый период полураспада (восемь дней) и теллур. В настоящее время (и в ближайшие десятилетия) наибольшую опасность представляют изотопы стронция и цезия с периодом полураспада около 30 лет. Наибольшие концентрации цезия-137 обнаружены в поверхностном слое почвы, откуда он попадает в растения и грибы. Загрязнению также подвергаются насекомые и животные, которые ими питаются. Радиоактивные изотопы плутония и америция сохранятся в почве в течение сотен, а возможно и тысяч лет.

Значительному загрязнению подверглись леса. Из-за того, что в лесной экосистеме цезий постоянно рециркулирует, а не выводится из неё, уровни загрязнения лесных продуктов, таких как грибы, ягоды и дичь, остаются опасными. Уровень загрязнения рек и большинства озёр в настоящее время низкий. Однако в некоторых «замкнутых» озёрах, из которых нет стока, концентрация цезия в воде и рыбе ещё в течение десятилетий может представлять опасность.

Загрязнение не ограничилось 30-километровой зоной. Было отмечено повышенное содержание цезия-137 в лишайнике и мясе оленей в арктических областях России, Норвегии, Финляндии и Швеции.

Явление радиоактивности состоит в самопроизвольном распаде ядер с испусканием одной или нескольких частиц. Ядра, подверженные такому распаду, называются радиоактивными. Очевидно, что необходимым, но не всегда достаточным условием радиоактивного распада является его энергетическая выгодность - масса радиоактивного ядра должна превышать сумму масс ядра-осколка и частиц, вылетающих при распаде (совершенно очевидно, что аналогичное неравенство должно выполняться, если в нем

массы ядер заменить на массы соответствующих атомов, именно такие неравенства обычно и используют при рассмотрении радиоактивных распадов).

В природе существует большое число естественно-радиоактивных ядер, т. е. ядер, не успевших распасться с момента их образования до настоящего времени или непрерывно образующихся под действием космических лучей. В то же время радиоактивные ядра могут быть получены искусственным путем - бомбардировкой стабильных ядер частицами. Никакой физической границы между естественной и искусственной радиоактивностью нет.

Впервые радиоактивность была обнаружена А. Беккерелем в 1896 г. Незадолго до этого были открыты рентгеновские лучи, и Беккерель изучал связь флюоресценции с рентгеновским излучением. Способные флюоресцировать соли урана помещались на фотопластинку, завернутую в черную бумагу, и ставились на солнечный свет. Считалось, что под действием солнечных лучей уран флюоресцирует, и, если в состав спектра флюоресценции входят рентгеновские лучи, то, проходя через черную бумагу, они будут вызывать почернение пластинки. Несколько дней не было солнца, и подготовленные

пластинки с ураном пролежали в черном ящике. Тем не менее после проявления было обнаружено сильное почернение пластинок. Таким образом выяснилось, что соли урана сами испускают какие-то лучи.

Очень скоро к исследованию этого явления подключились другие ученые. 1898 г. П. Кюри совместно с М. Склодовской-Кюри открыли новые радиоактивные элементы - полоний и радий. Используя разработанный ими метод обогащения, они смогли в 1902 г. путем кропотливой работы по переработке больших количеств урановой смолки получить несколько дециграммов чистой соли радия. В 1903 г. за исследования явления радиоактив-

ности супруги Кюри совместно с А. Беккерелем были удостоены Нобелевской премии по физике. Сам термин «радиоактивность» был введен в науку. Склодовской-Кюри.

Законы радиоактивного распада. Радиоактивный распад характеризуется временем протекания, сортом испускаемых частиц, их энергией, а ри вылете нескольких частиц - угловой корреляцией, т. е. относительным углом между направлениями их вылета. Исходное радиоактивное ядро называется материнским, продукт его распада - дочерним.

Поскольку процесс распада происходит самопроизвольно (спонтанно), то изменение dN числа ядер N из-за распада за произвольный промежуток времени dt определяется только количеством радиоактивных ядер в момент t и пропорционально промежутку времени dt:

DN = λNdt, (10.34)

где λ - постоянная, характеризующая скорость распада. Интегрируя (10.34)

и считая, что при t = 0 количество ядер равно исходному N = N 0 , получаем

N = N 0 е - λt (10.35)

т. е. число ядер убывает по экспоненциальному закону.

Величина А, определяющая в (10.35) скорость убывания количества радиоактивных ядер, называется постоянной распада. Она имеет размерность [с -1 ] и, как будет показано чуть дальше, характеризует вероятность распада одного атома в одну секунду. Для характеристики радиоактивных элементов вводится также понятие периода полураспада Т 1/2 . Под ним понимается время, в течение которого распадается половина наличного числа атомов.

Впервые закон радиоактивного распада (10.35) был установлен в 1903 г. П. Кюри. Он же ввел понятие периода полураспада и показал его независимость от внешних условий. Исходя из этого, П. Кюри предложил использовать период полураспада как эталон времени для определения абсолютного возраста земных пород.

Рассчитаем теперь среднее время жизни радиоактивного ядра. Подставляя

условие N(T 1/2) = N 0 /2 в уравнение (10.35), получим

N 0 /2 = N 0 e - λTl/2 , (10.36)

откуда, логарифмируя, найдем, что

λТ 1/2 = 1n2 = 0,693,

а период полураспада

Т 1/2 = 0,693/λ. (10.37)

При экспоненциальном законе радиоактивного распада в любой момент времени t имеется отличная от нуля вероятность найти еще нераспавшиеся ядра. Время жизни таких ядер превышает t. Вместе с тем, другие, распавшиеся к этому времени ядра, прожили разное время, меньшее t. Среднее время жизни для данного радиоактивного изотопа определяется обычно следующим образом:

Следовательно, среднее время жизни г радиоактивного ядра равно обратной величине от постоянной распада А. За время т первоначальное число ядер уменьшается в е раз.

Величина

А = - dN/dt = λN

называется активностью данного препарата,

она определяет число распадов в секунду. Активность является характеристикой определенного количества распадающегося вещества, а не отдельного ядра. Единицей активности является беккерелъ: 1 беккерель (Бк) равен 1 распаду в секунду. Часто на практике используют и внесистемную, ранее применявшуюся, единицу активности - кюри: 1 кюри (Ки) равно числу распадов ядер, содержащихся в 1 г радия за 1 с 3,7 10 10 распадов в секунду).

Виды радиоактивных распадов .К числу радиоактивных процессов относятся α- и β-распады (в том числе и захват электрона с атомной оболочки), γ-излучение, деление ядер, а также испускание запаздывающих нейтронов и протонов. Два последних процесса относятся к каскадному двухступенчатому типу, так как испускание запаздывающих нейтронов (протонов) происходит после предварительного испускания ядром электрона (позитрона). Поэтому испускание запаздывает на время, характеризующее предшествующий β-распад. Рассмотрим перечисленные нами процессы.

Альфа-распад . Спонтанному α-распаду подвержены только тяжелые ядра с Z > 83 и небольшая группа редкоземельных ядер в области А = 140-160. При α-распаде исходное материнское ядро испускает ядро гелия (α-частицу) и превращается в дочернее ядро, числа протонов и нейтронов у которого уменьшаются на две единицы каждое. Период полураспада α-активных ядер изменяется в чрезвычайно широких пределах. Так, например, для изотопа полония 214 84 Pо он равен 3 10 ~7 с, а для изотопа свинца 204 82 Pb - 1,4 * 10 17 лет. Диапазон изменения энергии вылетающих α-частиц значительно меньше - от 4 до 9 МэВ, причем чем меньше их энергия, тем больше период полураспада. Функциональная связь между энергией α-частицы Е и периодом полураспада радиоактивного ядра T 1/2 хорошо

описывается формулой

lgT 1/2 = а/√Ё + b, (10.39)

полученной на основе экспериментальных данных Г. Гейгером и Дж. Нэттолом в 1911 г. Теоретическое обоснование закон Гейгера-Нэттола получил лишь после создания квантовой механики в 1928 г. в работах Г. Гамова и, независимо, Р. Герни и Э. Кондона, которые показали, что вероятность вылета α-частицы из ядра определяется вероятностью ее проникновения через кулоновский барьер. Экспоненциальный характер этого процесса возникает вследствие экспоненциального затухания волновой функции в области под

барьером, где потенциальная энергия больше энергии частицы.

Четыре элементарные частицы, из которых состоит α-частица (два протона и два нейтрона), участвуют в сложном движении нуклонов в ядре, и нет никакого способа отличить их от других частиц этого ядра. Вместе с тем существует заметная (~ 10 ~6) вероятность образования а-частицы в ядре на какое-то короткое время в результате случайного сближения четырех нуклонов. Однако лишь только когда а-частица покинет ядро и окажется достаточно далеко от него, можно рассматривать ее и ядро как две отдельные частицы.

Энергетически α-распад возможен, если энергия связи исходного материнского ядра Е А, z меньше суммы энергий связи дочернего ядра Е А-4, z-2 и α-частицы Е α , т. е. должно выполняться соотношение

ΔE = Е А-4, z-2 + E α - Е А, z > 0. (10.40)

Энергия связи α-частицы равна 28 МэВ, что составляет 7 МэВ/нуклон.

Поэтому невозможен α-распад средних ядер, у которых энергия связи на

нуклон ~ 8 МэВ.

Рассмотрим вид потенциальной энергии а-частицы в ядре и его окрестности (рис. 10.9). Вне ядра короткодействующие ядерные силы быстро обращаются в нуль, и на а-частицу действует только электростатическое кулоновское отталкивание, потенциал которого U кул равен

U кул = 2(Z-2)e 2 /r (10.41)

На границе ядра вступает в игру сильное притяжение, обусловленное ядерными силами, и потенциальная кривая резко уходит вниз. Внутри ядра потенциал можно считать примерно постоянным.

Даже если полная энергия а-частицы в ядре больше нуля, как это показано на рис. 10.9, и тем самым энергетически а-распад разрешен, по представлениям классической физики этот процесс не может происходить без сообщения ей дополнительной энергии, поскольку частица находится в потенциальной яме. Однако квантовая механика разрешает прохождение или, точнее, просачивание частицы через потенциальный барьер. Говорят, что может происходить туннелирование α-частицы сквозь барьер. Дело в том, что

свойства квантовой частицы описываются с помощью волновой функции ψ, квадрат модуля которой |ψ(r)| 2 пропорционален вероятности обнаружить частицу в точке r. В

случае конечного потенциала (потенциала со стенками конечной высоты) ψ-функция

всюду отлична от нуля. Поэтому существует, хотя и малая, вероятность обнаружить частицу вне ядра, а это и означает возможность α-распада.

Покажем качественно, откуда следуют указанные выше закономерности α-распада. Проницаемость D барьера для α-частицы с энергией Е определяется следующим выражением:

(10.42)

где интегрирование производится в пределах от радиуса ядра R я до точки поворота R n , определяемой из условия

2(Z–2)e 2 /R n = Е

(мы учли, что на α-частицу вне ядра действует кулоновский потенциал ядра-остатка с зарядом Z-2). Будем считать, что туннелирование происходит глубоко под барьером, т. е.

В силу малости постоянной Планка, стоящей в выражении для проницаемости барьера в экспоненте, фактически вклад области, где U ~ Е, мал, и накладываемое нами условие физически оправдано. При этих предположениях формула (10.42) принимает вид

где А, В, С - константы. Поскольку период полураспада Т 1/2 обратно пропорционален проницаемости барьера, из выражения (10.43) следует экспериментально наблюдаемый закон Гейгера-Нэттола

lgT 1/2 = а/√Е + b , (10.44)

связывающий период полураспада с энергией вылетающей α-частицы. Реально коэффициенты а и b - не константы, однако они очень слабо зависят от атомного номера материнского ядра Z:

а ~ 1,6 Z; b ~ -1,6 Z 2/3 - 21,4 (10.45)

(если Т 1/2 выражается в секундах, Е - в мегаэлектронвольтах, a Z - заряд дочернего ядра). Как видно, Т 1/2 не зависит от атомного веса А, слабо зависит от Z и в сильной степени - от энергии вылетающих α-частиц.

До сих пор мы говорили только о проницаемости потенциального барьера.

Чтобы найти константу распада λ надо умножить проницаемость барьера на число попыток α-частицы ν в единицу времени преодолеть этот барьер, т. е.

λ= 0,693/T 1/2 = νD. (10.46)

Грубая оценка предэкспоненциального множителя в (10.46) может быть сделана, если под v понимать частоту ударов а-частицы о поверхность ядра, определяемой формулой

ν = v/(2R n), (10.47)

где v - скорость а-частицы внутри ядра. Разумеется, предэкспоненциальный множитель также зависит от энергии (согласно нашей грубой оценке он пропорционален √Е), но, по сравнению с экспоненциальной зависимостью, это - медленно меняющаяся функция энергии, так что именно проницаемостью барьера определяются

все основные закономерности α-распада.

Энергетический спектр а-частиц многих α-активных ядер состоит из нескольких линий, одна из которых является преобладающей. В качестве примера на рис. 10.10 показан α-спектр ThC(212 83 Bi).

Рис. 10.10 α-спектр ThC(212 83 Bi).

Дискретность линии и их относительная интенсивность легко объяснимы. Дело в том, что α-частицы могут либо испускаться ядром, находящимся в возбужденном состоянии (так называемые длиннопробежные α-частицы), либо может происходить α-распад из сновного состояния материнского ядра в возбужденные состояния дочернего ядра (короткопробежные α-частицы). На рис. 10.11 приведены два примера таких переходов - распад 238 Рu и 212 Ро.

В первом случае(238 Рu) α-частицы максимальной энергии соответствуют переходам из основного в основное состояние. Кроме того, α-распад может идти в возбужденные состояния дочернего ядра 234 U с последующими γ~переходами в основное состояние. Распад 212 Ро - пример испускания α-частиц из возбужденного состояния. Такая ситуация возникает от того, что 212 Ро образуется в результате β-распада 212 Bi. Находясь в возбужденном состоянии, ядро 212 Ро может либо испустить α-частицу, либо путем γ-излучения перейти в основное состояние.

Бета-распад. Бета-распад - процесс самопроизвольного превращения нестабильного ядра в ядро-изобару (ядро с тем же атомным номером) с зарядом, отличным от исходного на ΔZ = ±1, за счет испускания электрона (позитрона) или захвата электрона с атомной оболочки. Главной особенностью β-распада является то, что он обусловлен не ядерными и не электромагнитными силами, а слабым взаимодействием (см. гл. 12), вероятность

которого примерно в 10 14 раз меньше ядерного. Поэтому периоды полураспадов

β-активных ядер в среднем довольно велики - порядка нескольких минут и даже часов. В общем случае при прочих равных условиях при β-распаде соблюдается та же тенденция, что и при α-распаде: чем больше энергия Q, выделяющаяся при распаде, тем меньше период полураспада.

Периоды полураспада меньше 10 ~2 с не встречаются, так как при них значения Q получились бы больше 10 МэВ, т. е. больше средней энергии связи нуклонов в ядре; при таком избытке энергии ядро оказывается нестабильным по отношению к вылету нуклона, а этот процесс (когда он возможен) происходит гораздо быстрее β-распада, за время порядка 10~20 с. Процессы β-распада идут всегда, когда они энергетически возможны. Кулоновский барьер для β-распада несущественен в силу очень малой массы электрона.

Характерной особенностью β -распада является энергетический спектр вылетающих частиц (рис. 10.12). В отличие от а-частиц, в данном случае мы имеем непрерывный энергетический спектр электронов β-распада. Наблюдающаяся непрерывность является следствием участия в процессе распада еще одной частицы - нейтрино, обладающей нулевой энергией покоя (согласно последним данным верхний предел энергии покоя нейтрино составляет 3 эВ). Поэтому при одиночном акте распада соотношение энергий электрона и нейтрино может быть любым, т. е. энергия электрона может принимать любые значения от нуля до максимальной возможной энергии (полной выделяющейся энергии).

Остановимся более подробно на энергетических процессах при β-распаде.

Рассмотрим атом с зарядом Z+1 и полной энергией E z+1 . Пусть его нулевая энергия соответствует системе «однократно ионизованный атом плюс покоящийся свободный электрон». Последнее означает, что энергия нейтрального атома с зарядом Z + 1 слегка отрицательна и имеет порядок энергии

ионизационного потенциала атома (рис. 10.13). При этом возможны следующие случаи.

А. Энергия E z атома с зарядом Z выше, чем E z+1 . Энергетически возможным является β-распад, т. е. распад с вылетом электрона, и атом Z переходит в ионизованный атом Z + 1. Процесс E z+1 -> E z запрещен.

B . Переход E z+1 -> E z возможен только в том случае, если ядро Z + 1 поглощает электрон из атомных К-, L-, М-оболочек. Обычно ядром захватывается К-электрон, и поэтому процесс часто называют К-захватом. Новый атом Z образуется в возбужденном состоянии B* соответственно с вакансией (дыркой) в К- или L-оболочке. Затем роисходит переход в основное состояние, сопровождающийся испусканием характеристического излучения:

B* -> В + hv. (10.48)

C. Энергия атома Z такова, что E z + 2m 2 <= E z +1. Также возможен процесс К-захвата, но, кроме того, ядро может претерпевать β + -распад (позитронный распад). Приведенное энергетическое соотношение легко получить.

Если m- масса электрона (позитрона), M z - масса конечного ядра, а

M z+1 - масса исходного ядра, то должно выполняться неравенство

M z+1 c 2 >= M z c 2 + mс 2 . (10.49)

Но массы атомов (A M Z и A M z+1) Z и Z+1 с учетом массы электронов равны

A M Z =M Z + Zm, A M Z +1 = M z +1 + (Z + l)m. (10.50)

Подставив эти соотношения в условие A0.49), получим

A M Z +1 >= A M z +2m (10.51)

E z +1 >= E z +2mc 2 . (10.52)

Важно подчеркнуть, что β-распад - процесс не внутриядерный, а внутринуклонный. В ядре распадается одиночный нуклон - нейтрон либо протон.

Электронный распад связан с распадом нейтрона

n° -> p + + e - + ν > . (10.53)

При позитронном распаде в ядре распадается одиночный протон

р + -> n° + е + + ν. (10.54)

В формуле (10.53) знак «тильда» над нейтрино означает, что при распаде нейтрона образуется антинейтрино. Почему так происходит, будет подробно рассматриваться дальше в гл. 12. Заметим, что в свободном состоянии нейтрон нестабилен, его период полураспада равен 10,5 мин. Свободный же протон не распадается, т. к. его масса меньше массы нейтрона, но для связанного в ядре протона подобное превращение возможно, недостающая энергия восполняется ядром.

С β-распадом связано одно из удивительных открытий XX в. - открытие несохранения четности. Кажется совершенно очевидным, что выбор системы координат, в которой математически записываются физические уравнения и происходит, соответственно, эволюция системы во времени, является вполне произвольным. Следовательно, не может быть разницы между описаниями одного и того же процесса в левой и правой системах координат. Математически это означает, что все уравнения должны быть симметричны относительно операции пространственной инверсии, т. е. замены r на -r. Изменение

знаков координат какой-либо точки соответствует положению точки, полученной в результате ее зеркального отражения в трех координатных плоскостях, и поэтому такое изменение системы координат можно трактовать как переход к совокупности событий, являющихся зеркальным изображением данной совокупности событий. Преобразование

пространственной инверсии обладает физическим смыслом вследствие того, что, как показывает опыт, процессы природы в основном симметричны относительно

такого преобразования. Это означает, что для всякого процесса в природе осуществляется и протекает с той же вероятностью «зеркально симметричный» процесс.

Симметрия относительно преобразования пространственной инверсии приводит при квантовомеханическом описании к существованию у системы определенной пространственной четности. Иными словами, волновая функция системы либо четна, либо нечетна при этом преобразовании. Пространственная четность сохраняется в процессах сильного и электромагнитного взаимодействий. Что же касается слабых взаимодействий,

ответственных за β-распад, то здесь ситуация иная. Гипотеза несохранения четности в слабых взаимодействиях была выдвинута Т.Д. Ли(р.1926) и Ч.Н. Янгом(р.1922), которые предложили соответствующий эксперимент, поставленный Ч.С. By(р.1913).

Принципиальная схема опыта крайне проста. Бета-активный изотоп 60 Со помещался в магнитное поле Н соленоида, которое поляризовало ядра кобальта, т. е. ориентировало их магнитные моменты вдоль поля (рис. 10.14).

Вся система зеркально симметрична относительно плоскости токового витка, поэтому, казалось бы, и интенсивность излучения β-электронов должна быть одинаковой по обе стороны от плоскости симметрии. На самом деле в эксперименте наблюдалась резкая асимметрия (примерно на 40 %), т. е. асимметрия слабых взаимодействий относительно левого и правого.

Гамма-излучение. В том случае, когда распад ядра с вылетом нуклона энергетически невозможен, происходит снятие возбуждения за счет испускания γ-квантов - высокоэнергетичных фотонов. Испускание ядром γ- квантов с энергией, превышающей энергию связи нуклона, имеет место только в случае запрета по четности и моменту количества движения для вылета нуклонов (или других частиц), который делает процесс испускания γ-квантов относительно более вероятным. Если же подобного рода запрета не существует, то испускание таких «ядерных» частиц, как нейтроны, протоны,

а-частицы, значительно более вероятно, чем γ-uзлучение. Последнее связано с тем, что γ~излучение обусловлено электромагнитным взаимодействием, тогда как вылет нуклонов или а-частиц просходит благодаря более сильному ядерному взаимодействию (этот тип фудаментального взаимодействия обычно называют сильным взаимодействием - см. гл. 12).

В отличие от β-распада, γ~излучение - явление не внутринуклонное, а внутриядерное. Изолированный свободный нуклон не может испустить (или поглотить) γ- квант из-за совместного действия законов сохранения энергии и импульса. Последнее полностью аналогично тому, что фотоэффект на свободных электронах невозможен. В то же время внутри ядра нуклон может испустить квант, передав при этом часть импульса другим нуклонам.

В гл. 8 мы показали, что поскольку фотон - безмассовая частица, для него не существует системы координат, в которой он покоится. Кроме того, для фотона бессмысленно делить его полный момент импульса на спиновый и орбитальный. Полный же момент может иметь в принципе любое целое (в единицах К) значение, начиная с единицы. Именно поэтому часто говорят, что спин фотона равен 1, хотя более правильным является утверждение «минимальное значение момента импульса фотона равно 1».

Как упоминалось в § 8.1, состояние фотона, испущенного какой-либо системой, характеризуют мулътиполъностъю, т. е. определенными полным моментом импульса и четностью.

Фотон мультипольности 2 L обладает угловым моментом L, абсолютное значение которого, согласно квантовой механике, равно √(L(L + 1)), т. е. точно такое же, как и в случае частицы конечной массы. В соответствии с законом сохранения момента импульса должно выполняться следующее соотношение между моментами I н и I К начального и конечного ядра и моментом L, уносимым γ-квантом:

|I н -I к |<=L<=I H + I K . (10.55)

Оно является правилом отбора по моменту количества движения. Согласно (10.55) дипольные γ-кванты (L = 1) могут быть испущены при переходах между состояниями с

ΔI = 0, ±1, кроме (0-0)-переходов; квадрупольные γ-кванты (L = 2) - при переходах между состояниями с ΔI = ± 2, ±1, 0, кроме (0-0)-, (0-1)- и (1-0)-переходов и т. д.

Еще одно правило отбора связано с выполнением закона сохранения четности волновой функции. Четность, как мы уже говорили ранее, определяется по влиянию на знак волновой функции системы отражения всех трех осей относительно начала координат.

Такое отражение в случае статического диполя приводит к взаимной перестановке положения каждого заряда (рис. 10.15). Следовательно, если смотреть из исходной системы координат, то происходит очевидное изменение знаков всех зарядов. Однако такое же отражение в случае магнитного диполя (кругового тока) не изменяет направления (знака) тока в магнитном диполе (см. также рис. 8.1).

Поэтому разрешенное изменение четности ядра, испускающего электрическое γ-излучение мультипольности L, описывается формулой

Р и /Р к = (-1) L, (10.56)

а для ядра, испускающего магнитное L-мультипольное излучение, формулой

Р н /Р к = (-1) L+1 , (10.57)

где Р н иР к - соответственно четности начального и конечного состояний ядра.

Часто снятие возбуждения в ядре происходит не путем непосредственного перехода в основное состояние, а путем испускания каскада γ-квантов, обладающих меньшей мультипольностью. При этом оказывается, что существует угловая корреляция последовательно испускаемых γ-квантов, т. е. наблюдается преимущественное направление испускания второго кванта.

Появление корреляционной зависимости обусловлено тем, что проекция т полного момента γ-кванта на его импульс может принимать только значения m = ±1 (единицей измерения является постоянная Планка ћ).

Значение m = 0 исключено условием поперечности электромагнитных волн.

Поэтому, если, например, ядро на уровне с моментом нуль испустило γ-квант, вылетевший в определенном направлении, т. е. зарегистрированный в этом направлении детектором, то проекция спина ядра в новом, более низком энергетическом состоянии на данное направление может быть только ±1, но не нуль. Таким образом, оказывается, что ядро ориентировано в пространстве уже не совсем хаотически. Поэтому и каскадные γ-кванты вылетают из него в разных направлениях с разной вероятностью. Угловая

корреляция существенно зависит от моментов последовательно распадающихся состояний.

Времена жизни γ-активных ядер в среднем невелики и обычно имеют порядок 10 ~7 -10 ~11 с. В редких случаях, при сочетании высокой степени запрета с малой энергией перехода, могут наблюдаться γ-активные ядра с временами жизни макроскопического порядка - до нескольких часов, а иногда даже лет. Такие возбужденные долгоживущие состояния ядер называются изомерами. Данное явление было открыто в 1935 г. И.В. Курчатовым с сотрудниками. Изомерный уровень должен иметь спин, сильно отличающийся от спинов уровней, лежащих ниже, и низкую энергию возбуждения. Как правило, изомерное состояние относится к первому возбужденному уровню ядра. Так, например, в ядре 115 49 In, основное состояние имеет характеристику 9/2 + , а первый возбужденный уровень с нергией 335 кэВ - характеристику 1/2 ~ . Переход этот настолько сильно запрещен, что время жизни возбужденного уровня оказывается равным 14,4 часа.

Следует обратить внимание на то, что все лабораторные источники γ-квантов являются фактически долгоживущими β-активными ядрами, а γ-излучение возникает из-за

β-распада материнского ядра на возбужденные уровни дочернего ядра. Так, например, в широко распространенном источнике γ-излучения 60 Со (Т 1/2 = 5,3 г) происходят вылет электронов с энергией 0,3 МэВ и последующие γ-переходы в ядре 60 Ni с энергиями 1,17 и 1,33 МэВ.

Кроме γ-излучения, существует еще один механизм потери энергии возбужденным ядром - испускание электронов внутренней конверсии. В этом процессе энергия возбуждения ядра передается непосредственно одному из орбитальных электронов, который получает всю энергию кванта. С наибольшей вероятностью процесс внутренней конверсии идет на К-электронах, волновая функция которых больше всего перекрывается с ядром. Однако

если энергия, освобождаемая при ядерном переходе, меньше энергии связи Х-электрона, то наблюдается конверсия на L-электронах и т. д. Помимо конверсионных электронов, при внутренней конверсии можно наблюдать еще и рентгеновские кванты, возникающие при переходе одного из наружных электронов на уровень К- или L-оболочки, освобожденной вылетевшим электроном. Моноэнергетичность вылетающих при внутренней конверсии электронов позволяет отличать их от β-распадных электронов, спектр которых непрерывен.

В качестве иллюстрации этого процесса на рис. 10.16 приведен спектр электронов, вылетающих из β-активного ядра ртути 203 Hg.

Процесс внутренней конверсии в некотором смысле аналогичен колебаниям в связанной системе с двумя степенями свободы. Простейшим примером такой системы могут служить два маятника, связанные пружиной: колебания одного из маятников благодаря пружине возбуждают колебания другого. В случае внутренней конверсии роль «пружины» играет электрическое поле. Таким образом, внутренняя конверсия представляет собой первичный, а не вторичный процесс взаимодействия электромагнитного излучения с орбитальными электронами: энергия возбуждения ядра передается орбитальным электронам, как говорят, виртуальными, а не реальными квантами.

Деление ядер . Деление атомных ядер - это процесс, характерный только для самых тяжелых ядер, начиная от тория и далее в сторону больших Z.

Сейчас трудно себе представить, с каким недоумением и недоверием физики встретили в 1938 г. сообщение О. Хана и Ф. Штрассмана о делении атомного ядра медленными нейтронами, поскольку было хорошо известно, что для вырывания из ядра одного нуклона требуется энергия в миллионы электроновольт. По образному выражению Р. Личмена, это равносильно тому, что твердый камень раскалывается от легкого постукивания карандаша. Первое объяснение наблюдаемого процесса было выдвинуто Н. Бором и Дж. Уилером и независимо, Я.И. Френкелем уже через несколько месяцев на основе

аналогии деления ядра с делением заряженной капли жидкости при деформации.

При попадании нейтрона ядро-капля начинает колебаться и в какой-то момент времени принимает вытянутую форму. Действующие между нуклонами ядерные силы, подобно силам сцепления молекул в жидкости, приводят к появлению поверхностного натяжения. Они стремятся вернуть ядру первоначальную почти сферическую форму (тяжелые ядра в основном состоянии слегка деформированы и имеют форму вытянутого эллипсоида).

Однако, если вытянутость ядра в какой-то момент времени оказывается достаточно большой, электростатические силы отталкивания одноименных зарядов могут превзойти силы поверхностного натяжения.

Тогда ядро начнет еще больше растягиваться, пока не разорвется на два осколка. В качестве «мелких брызг» в момент деления вылетают два-три нейтрона, α-частицы и даже легкие ядра, правда, с очень малой вероятностью. Последовательные стадии процесса

деления атомного ядра представлены на рис. 10.17.

В 1940 г. Г.Н. Флеров и К.А. Петржак обнаружили, что ядра урана могут делиться и самопроизвольно (спонтанно). Период полураспада спонтанного деления 238 U

равен 8 10 15 лет. Как оказалось в дальнейшем, все ядра тяжелее тория испытывают спонтанное деление, причем чем тяжелее ядро, и чем больше его заряд, тем в среднем больше вероятность этого процесса, т. е. тем меньше период его спонтанного деления. Период спонтанного деления очень быстро уменьшается по мере перехода к более тяжелым ядрам. Так, у изотопа плутония 242 Рu он равен 6,8*10 10 лет, у калифорния 252 Cf уже 85 лет, а у фермия 256 Fm – 2.7 часа.

Спонтанное деление ядер представляет собой чисто квантовомеханический эффект. Как указывалось выше, оно является результатом конкуренции двух процессов - поверхностного натяжения, стремящегося вернуть ядро в исходное состояние, и кулоновского отталкивания заряженных осколков. Таким образом у ядра появляется потенциальный барьер, препятствующий его делению.

На рис. 10.18 показана потенциальная энергия ядра как функция отклонения ΔR поверхности ядра от сферической формы. Основное состояние ядра является слегка

деформированным.

Следовательно, спонтанное деление ядер является туннельным процессом, точно так же, как это происходит при туннелировании α-частиц. Отсюда и появляется столь сильная зависимость периода спонтанного деления от заряда ядра: по мере увеличения заряда ядра уменьшается величина барьера и резко увеличивается вероятность деления. У изотопа 235 U барьер деления равен примерно 6 МэВ, как раз той энергии, какую вносит медленный нейтрон в ядро, и поэтому 235 U столь легко делится при поглощении нейтрона.

Появление и влияние кулоновского барьера легко объясняется с помощью полуэмпирической формулы Вайцзеккера для энергии связи ядер. Пусть ядро изменяет свою форму, например, из сферического становится эллипсоидальным. Объем ядра не изменяется (ядерная материя практически несжимаема), но поверхность увеличивается, а кулоновская энергия уменьшается (увеличивается среднее расстояние между протонами). Способность ядра к делению естественно характеризовать отношением кулоновской энергии к поверхностной, т. е.

(10.58)

Так как коэффициенты γ и βпостоянны для всех ядер, то вероятность деления определяется величиной Z 2 /А, которая по предложению Бора и Уиллера выбрана в качестве параметра делимости ядра. Расчеты показывают, что для ядер с Z 2 /А >= 49 деление происходит практически мгновенно, за время порядка 10 ~23 с.

Это означает, что спонтанное деление определяет предел существования стабильных ядер, т. е. у ядер с Z >= 120 отсутствует энергетический барьер, препятствующий спонтанному делению. Характер изменения барьера деления E f и энергии Q f , выделяющейся при делении ядра, по мере деформации ядра ε. При разных значениях параметра делимости показан на рис. 10.19, а на рис. 10.20 приведены времена жизни для спонтанного деления четно-четных ядер. Ядра с нечетными N или Z имеют на несколько порядков больший период полураспада для спонтанного деления, чем соседние четно-четные ядра.

На основе приведенных выше рассуждений легко предсказать следующие основные свойства процесса деления.

1 . При делении тяжелого ядра должна освобождаться большая энергия Q, поскольку энергия связи, приходящаяся на один нуклон в тяжелых ядрах ε тяж примерно на 0,8 МэВ меньше сответствующей энергии ε ср для средних ядер; так, например, для ядра 238 U

Q f ~ А(ε тяж - ε ср) ~ 238 0,8 ~ 200 МэВ. (10.59)

2. Подавляющая часть энергии деления освобождается в форме кинетической энергии осколков деления Ек, так как ядра-осколки неизбежно должны разлетаться под действием кулоновского отталкивания. Кулоновская энергия двух осколков с зарядами Z 1 и Z 2 , находящихся на расстоянии δ, равна

. (10.60)

где R 1 , R 2 - радиусы ядер осколков, которые

могут быть вычислены по формуле

R = 1,23 10 ~13 А 1/3 см,

a Z 1 = Z 2 = Z 0 /2 ~ 46

(считая, что ядро урана делится пополам), то получим

т. е. значение такого же порядка, что и Q f

3 . Образующиеся при делении осколки должны быть β-радиоактивными и могут испускать нейтроны. Причина заключается в том, что, по мере увеличения заряда ядра, отношение числа нейтронов в ядре к числу протонов растет из-за увеличения кулоновской энергии протонов. Поэтому ядра-осколки будут иметь при делении такое же отношение N/Z, как, скажем, у урана, т. е. будут перегружены нейтронами, а подобные ядра испытывают β-распад (ввиду большой перегрузки нейтронами продукты этого распада также β-активны, так что осколки деления дают начало достаточно длинным цепочкам из радиоактивных ядер). Кроме того, часть энергии может уноситься путем непосредственного испускания нейтронов деления или вторичных, т. е. испускаемых из осколков деления, нейтронов. Средняя энергия нейтронов деления составляет около 2 МэВ.

Среднее число нейтронов ν, испускаемых за один акт деления, зависит от массового числа делящегося ядра и растет с ростом Z. Если для ядра 240 Рu ν ~ 2,2, то уже для 252 Cf ν ~ 3,8. Так как 252 Cf к тому же достаточно быстро распадается (по отношению к спонтанному делению Т 1/2 = 85 лет; реально его время жизни определяется α-распадом и составляет 2,64 г.), то он является интенсивным источником нейтронов.

В настоящее время его рассматривают как один самых перспективных радиоактивных источников нейтронов.

Большое энерговыделение и испускание вторичных нейтронов в процессе деления ядер имеют огромное практическое значение. На этом процессе основана работа ядерных реакторов, которые будут рассматриваться в следующей главе.

Радиоактивность - это способность некоторых химических элементов (урана, тория, радия, калифорния) самопроизвольно распадаться и испускать невидимые излучения.

Радиоактивные вещества (РВ) распадаются со строго определённой скоростью, измеряемой периодом полураспада, т.е. временем, в течение которого распадается половина всех атомов. Радиоактивный распад не может быть остановлен или ускорен каким-либо способом.

Пучок излучений в магнитном поле разделяется на три вида излучения:

б-излучение - поток положительно заряженных частиц представляющих собой ядро гелия, движущийся со скоростью около 20 000 км /с, т.е. в 35 000 раз быстрее, чем современные самолёты. Альфа-частица относится к тяжелым частицам, она в 7300 раз тяжелее электрона. В животных тканях её проникающая способность ещё меньше и измеряется микронами. Альфа- частицы входят в состав космических лучей у Земли (6%).

Альфа - распад представляет собой самопроизвольное превращение ядер, сопровождающееся испусканием двух протонов и двух нейтронов, образующих ядро Не 4 2.

В результате альфа-распада заряд ядра уменьшается на 2, а массовое число на 4 единицы. Например: кинетическая энергия вылетающей б- частицы определяется массами исходного и конечного ядра б - частицы. Известно более 200 б- активных ядер, расположенных в основном в конце периодической системы. Известно также около 20 б-радиоактивных изотопов редкоземельных элементов. Здесь б -распад наиболее характерен для ядер с числом нейтронов N=84, которые при испускании б-частиц превращаются в ядра с заполненной ядерной оболочкой (N=82). Время жизни б-активных ядер колеблются в широких пределах: от 3*10 -7 сек (для Po 212) до (2-5)*10 15 лет (природные изотопы Ce 142, 144, 176) Энергия наблюдаемого б-распада лежит в пределах 4-9 Мэв (за исключением длиннопробежных б-частиц) для всех тяжелых ядер и 2-4.5 Мэв для редкоземельных элементов.

в- излучение - поток заряженных отрицательно заряженных частиц (электронов). Их скорость 200 000-300 000 км/с приближается к скорости света. Масса бета- частиц равна 1/1840 массы водорода. Бета- частицы относятся к лёгким частицам.

г-излучение - представляет собой коротковолновое электромагнитное излучение. По свойствам оно близко к рентгеновскому излучению, но обладает значительно большей скоростью и энергией, но распространяется со скоростью света. В спектре электромагнитных волн эти лучи занимают почти крайнее справа место. За ними следуют лишь космические лучи. Энергия гамма- лучей в среднем составляет около 1,3 Мэв (мегаэлектроновольт). Это очень большая энергия. Частота колебаний волн гамма лучей равна, 10 20 раз/сек, то есть гамма лучи относятся к очень жёстким лучам, и проникающая способность велика. Через тело человека они проходят беспрепятственно.

При некоторых ядерных реакциях возникает сильно проникающее излучение, не отклоняющееся электрическим и магнитным полями. Эти лучи проникают через слой свинца толщиной в несколько метров. Это излучение представляет собой поток частиц, заряженных нейтрально. Эти частицы названы нейтронами.

Масса нейтрона равна массе протона. Нейтроны обладают различной скоростью, в среднем меньше скорости света. Быстрые нейтроны развивают энергию порядка 0,5 Мэв и выше, медленные - от долей до нескольких тысяч электроновольт. Нейтроны, являясь электрически нейтральными частицами, обладают, как и гамма- лучи, большой проникающей способностью. Ослабление потока нейтронов в основном происходит за счет столкновения с ядрами других атомов и за счет захвата нейтронов ядрами атомов. Так при столкновении с легкими ядрами нейтроны в большей степени теряют свою энергию, но легкие водородосодержащие вещества такие как: вода, парафин, ткани тела человека, сырой бетон, почва, являются лучшими замедлителями и поглотителями нейтронов.

В природе многие химические элементы выделяют излучения. Эти элементы называются радиоактивными элементами, а сам процесс получил название естественной радиоактивности. На процессы радиоактивного излучения не оказывают никакого действия ни огромные давления и температуры, ни магнитные и электрические поля. Радиоактивное излучение связано с превращением ядер элемента. Существует два вида естественного радиоактивного распада.

Альфа-распад, при котором ядро испускает альфа- частицу. При этом виде распада всегда из одного ядра получается ядро другого элемента, у которого заряд меньше на две единицы, а масса меньше на четыре единицы. Так, например, распадается радий, превращаясь в радон:

Ra 88 226 > He 2 4 + Rn 86 222

Бета-распад, при котором из ядра вылетает бета-частица. Так как бета-частица может быть различно заряженной, то бета-распад может быть или электронный, или позитронный.

При электронном распаде образуется элемент с той же массой, но с зарядом, большим на единицу. Так торий превращается в протактиний:

Th 90 233 >Pa 91 233 + e -1 + г - квант.

При позитронном распаде радиоактивный элемент теряет положительную частицу и превращается в элемент с той же массой, но с зарядом меньшим на единицу. Так изотоп магния, превращается в натрий:

Mg 12 23 > Na 11 23 + e +1 + г- квант.

Направляя, пучок альфа- частиц на пластинку алюминия, впервые получили искусственный радиоактивный изотоп фосфора Р 15 30:

Al 13 27 + He 2 4 > P 15 30 + n 0 1

Полученные таким образом изотопы были названы искусственно радиоактивными, а их способность распадаться получила название искусственной радиоактивности. В настоящее время получено свыше 900 искусственных радиоактивных изотопов.

Они широко используются в медицине и в биологии для изучения химических превращений в организме. Этот метод называется методом меченых атомов.

ГОУ Гимназия № 1505.

Реферат по физике на тему:

«Естественная и искусственная радиоактивность»

(адаптированный текст)

Ученицы 10 «Б» класса

Кравцовой Галины.

Руководитель:

Дмитриев Геннадий Владимирович.

2009 год, Москва.

Введение.

Часть 1.История открытия радиоактивности.

Часть 2. Физика ядра.

Глава 1 .

Строение атомного ядра.

Ядерные силы.

Энергия связи ядра.

Изотопы.

Глава 2.

Закон радиоактивного распада.

Виды радиоактивных излучений и распадов.

Глава 3.

Естественная радиоактивность.

Искусственная радиоактивность.

Ядерное оружие.

Ядерный реактор.

Часть 3. Воздействие малых доз радиации на живой организм.

Часть 4. Методы регистрации частиц.

Газоразрядный счетчик.

Счетчик Гейгера - Мюллера.

Пузырьковая камера.

Камера Вильсона.

Дозиметр и радиометр.

Заключение.

Список используемой литературы.

Введение.

Тема моей работы - измерение радиоактивного фонового излучения на территории гимназии. Я, конечно, сомневаюсь, что мы занимаемся в помещениях, в которых радиоактивный фон сильно превышает санитарные нормы. Но механизмы воздействия малых доз радиации на человеческий организм мало изучены. Это как с солнцем: свети оно чуть меньше - мы все замерзнем насмерть, а не будь хоть части озонового слоя - мы умрём от повышенного количества излучения. Слишком много, как и слишком мало - не к добру. Но где начинается много и заканчивается мало? Я не ставлю себе задачу проверить это. В мои цели входит более подробно познать материал, связанный с радиацией (которая делится на естественную и искусственную), с помощью радиометра измерить уровень радиации в разных диапазонах частот, составить таблицы и сравнить их результаты с санитарными нормами. Насколько я знаю, СНИПы – часто изменяемые нормы и сравнивать с ними результаты будет довольно сложно, но я хочу это сделать и постараюсь получить наиболее точные результаты сравнения. Я планирую составить несколько таблиц. Их количество зависит от того, насколько чувствительный радиометр я смогу достать и от того, хватит ли мне времени исследовать помещения гимназии с включенной и выключенной аппаратурой. Сам же реферат я представляю как текст, не сильно выходящий за рамки школьного курса и наиболее понятно, на мой взгляд, объясняющий основные вопросы темы.

Часть 1.

История открытия радиоактивности.

Французский физик А. Беккрель 1 марта 1896 года обнаружил по почернению фотопластинки испускание солью урана невидимых лучей сильной проникающей способности. Вскоре он выяснил, что свойством лучеиспускания обладает и сам уран. Затем такое свойство им было обнаружено и у тория.

Радиоактивность (от латинского radio – излучаю, radus – луч и activus – действенный), такое название получило открытое явление, которое оказалось привилегией самых тяжелых элементов периодической системы Д.И.Менделеева.

В 1898 году другие французские ученые Мария Склодовская-Кюри и Пьер Кюри выделили из уранового минерала два новых вещества, радиоактивных в гораздо большей степени, чем уран и торий Так были открыты два неизвестных ранее радиоактивных элемента - полоний и радий, а Мария, кроме того обнаруживает (независимо от немецкого физика Г.Шмидта) явление радиоактивности у тория. Кстати, она первой и предложила термин радиоактивность. Ученые пришли к выводу, что радиоактивность представляет собой самопроизвольный процесс, происходящий в атомах радиоактивных элементов. За 10 лет совместной работы они сделали очень многое для изучения этого явления. Это был беззаветный труд во имя науки – в плохо оборудованной лаборатории и при отсутствии необходимых средств. Пьер установил самопроизвольное выделение тепла солями радия. Этот препарат радия исследователи получили в 1902 году в количестве 0,1 гр. Для этого им потребовалось 45 месяцев напряженного туда и более 10000 химических операций обогащения и очистки. В 1903 году за открытие в области радиоактивности супругам Кюри и А.Беккерелю была присуждена Нобелевская премия по физике. Всего за работы, связанные с исследованием и применением радиоактивности, было присуждено более 10 Нобелевских премий по физике и химии (А.Беккерелю, П. и М. Кюри, Э.Ферми, Э.Резерфорду, Ф. и И. Жолио-Кюри, Д.Хэвиши, О.Гану, Э.Макмиланн и Г.Сиборгу, У.Либби и др.). В честь супругов Кюри получил свое название искусственно полученный трансурановый элемент с порядковым номером 96 – кюрий.

В начале ХХ века ученые уже знали, что атом содержит отрицательно заряженные электроны. Однако преобладало представление, что атом представляет собой что-то похожее на положительно заряженную тонкую сетку, заполненную отрицательно заряженными электронами-изюминами, - модель так и называлась «модель сетки с изюмом» (Модель Томпсона).

В 1898 году английский ученый Э.Резерфорд (ученик Томпсона) приступил к изучению явления радиоактивности. В 1903 году Э.Резерфорд доказывает ошибочность предположения своего учителя Томпсона о его теории строении атома и в 1908-1911 г.г. проводит опыты по рассеянью частиц (ядер гелия) металлической фольгой. Используя естественный источник радиоактивного излучения, Резерфорд построил “пушку”, дававшую направленный и сфокусированный поток частиц. Пушка представляла собой свинцовый ящик с узкой прорезью, внутрь которого был помещен радиоактивный материал. Благодаря этому частицы (в данном случае альфа-частицы, состоящие из двух протонов и двух нейтронов), испускаемые радиоактивным веществом во всех направлениях, кроме одного, поглощались свинцовым экраном, и лишь через прорезь вылетал направленный пучок альфа-частиц. Далее на пути пучка стояло еще несколько свинцовых экранов с узкими прорезями, отсекавших частицы, отклоняющиеся от строго заданного направления. В результате к мишени подлетал идеально сфокусированный пучок альфа-частиц, а сама мишень представляла собой тончайший лист золотой фольги. В нее-то и ударял альфа-луч. После столкновения с атомами фольги альфа-частицы продолжали свой путь и попадали на люминесцентный экран, установленный позади мишени, на котором при попадании на него альфа-частиц регистрировались вспышки. По ним экспериментатор мог судить, в каком количестве и насколько альфа-частицы отклоняются от направления прямолинейного движения в результате столкновений с атомами фольги.

Резерфорд заметил, что никто из его предшественников даже не пробовал проверить, не отклоняются ли некоторые альфа-частицы под очень большими углами. Модель сетки с изюмом просто не допускала существования в атоме столь плотных и тяжелых элементов структуры, что они могли бы отклонять быстрые альфа-частицы на значительные углы, поэтому никто и не озадачивался тем, чтобы проверить такую возможность. Резерфорд попросил одного из своих студентов переоборудовать установку таким образом, чтобы можно было наблюдать рассеяние альфа-частиц под большими углами отклонения, чтобы окончательно исключить такую возможность.

В качестве детектора использовался экран с покрытием из сульфида натрия - материала, дающего флуоресцентную вспышку при попадании в него альфа-частицы. Каково же было удивление не только студента, непосредственно проводившего эксперимент, но и самого Резерфорда, когда выяснилось, что некоторые частицы отклоняются на углы вплоть до 180°!

В рамках устоявшейся модели атома полученный результат не мог быть истолкован: в сетке с изюмом попросту нет ничего такого, что могло бы отразить мощную, быструю и тяжелую альфа-частицу. Резерфорд вынужден был заключить, что в атоме большая часть массы сосредоточена в невероятно плотном веществе, расположенном в центре атома. А вся остальная часть атома оказывалась на много порядков менее плотной, нежели это представлялось раньше. Из поведения рассеянных альфа-частиц вытекало также, что в этих сверхплотных центрах атома, которые Резерфорд назвал ядрами, сосредоточен также и весь положительный электрический заряд атома, поскольку только силами электрического отталкивания может быть обусловлено рассеяние частиц под углами больше 90°.

Картина атома, нарисованная Резерфордом по результатам опыта, нам сегодня хорошо знакома. Атом состоит из сверхплотного, компактного ядра, несущего на себе положительный заряд, и отрицательно заряженных легких электронов вокруг него. Позже ученые подвели под эту картину надежную теоретическую базу, но началось всё с простого эксперимента с маленьким образцом радиоактивного материала и куском золотой фольги.

Опыты по рассеянью частиц убедительно показали, что почти вся масса атома сосредоточена в очень малом объеме – атомном ядре, диаметр которого примерно в 100000 раз меньше диаметра атома.

Большинство частиц пролетает мимо массивного ядра, не задевая его, но изредка происходит столкновение частицы с ядром и тогда она может отскочить назад.

Таким образом, первым его фундаментальным открытием в этой области было обнаружение неоднородности излучения, испускаемого ураном. Так в науку о радиоактивности впервые вошло понятие о лучах. Он также предложил и названия: распад и частица. Немного позже была обнаружена еще одна составляющая часть излучения, обозначенная третьей буквой греческого алфавита: гамма-лучи. Это произошло вскоре после открытия радиоактивности. На долгие годы эти частицы стали для Э.Резерфорда незаменимым инструментом исследований атомных ядер. В 1903 году он открывает новый радиоактивный элемент – самопроизвольный распад тория. В 1901-1903 годах он совместно с английским ученым Ф.Содди проводит исследования, которые привели к открытию естественного превращения элементов (например радия в радон) и разработке теории радиоактивного распада атомов.В 1903 году немецкий физик К.Фаянс и Ф.Содди независимо друг от друга сформулировали правило смещения, в котором описывается поведение ядра при альфа-распаде. Весной 1934 года в «Докладах Парижской академии наук» появилась статья под названием «Новый тип радиоактивности». Ее авторы Ирен Жолио-Кюри и ее муж Фредерик Жолио-Кюри обнаружили, что бор, магний, и алюминий, облученные альфа–частицами, становятся сами радиоактивными и при своем распаде испускают позитроны. Так была открыта искусственная радиоактивность. В результате ядерных реакций (например, при облучении различных элементов альфа–частицами или нейтронами) образуется радиоактивные изотопы элементов, в природе не существующие. Во многих случаях продукты радиоактивного распада сами оказываются радиоактивными и, тогда образованию стабильного изотопа предшествует цепочка из нескольких актов радиоактивного распада. Так из общего числа известных ныне около 2000 радиоактивных изотопов около 300 – природные, а остальные получены искусственно, в результате ядерных реакций. Между искусственной и естественной радиацией нет принципиального различия.

Первые сведения об атомной энергии были получены в конце прошлого столетия, когда ученые обнаружили, что некоторые химические элементы (уран, радий и др.) испускают в окружающее пространство не видимые гла­зом излучения. Это явление, т. е. испускание частиц и электромагнитного излучения атомами некоторых элемен­тов, происходящее вследствие ядерных превращений, стали называть радиоактивностью (от латинского слова «радиус» - луч). Ядерные превращения, т. е. самопроиз­вольные превращения ядер атомов одних элементов в ядра атомов других элементов, называются радиоак­тивным распадом .

Рис 8. Схема опыта по разделению радиоактивных лучей

Различают естественную и искусственную радиоактив­ность . Естественной называют радиоактивность естествен­ных изотопов, т. е. химических элементов, которые встре­чаются в природе. Искусственной называют радиоактив­ность изотопов, получаемых искусственным путем. Есте­ственная радиоактивность наблюдается у таких изотопов химических элементов, как, например, радий, ypart , торий и другие.

Достижения современной физики позволили получить очень большое количество искусственных радиоактивных изотопов. В настоящее время получены радиоактивные изотопы всех известных на сегодня химических элемен­тов, начиная от водорода, самого легкого химического элемента, занимающего первое место в таблице Менде­леева, и кончая центурием - самым тяжелым элементом, занимающим последнее, сотое место в этой таблице. При­чем для многих химических элементов получены не­сколько изотопов. Например, известны такие изотопы водорода: легкий водород - 1 протий 1 ,тяжелый водород - 1 дейтерий 2 и сверхтяжелый водород - 1 тритий 3 . Далее известны также несколько изотопов урана, например: 92 уран 233 , 92 уран 234 , 92 уран 235 , 92 уран 238 , 92 уран 239 . В пос­ледние годы было получено более 700 искусственных ра­диоактивных изотопов всех химических элементов, встре­чающихся в природе.

Какие же частицы испускают радиоактивные химиче­ские элементы при своем распаде? Как их можно обна­ружить?

Для этой цели крупинку радиоактивного препарата вкладывали в свинцовую коробку (рис. 8). Такую уста­новку помещали в сильное магнитное поле. Испускаемые этой крупинкой излучения, выходя через узкое отверстие, в магнитном поле раскладываются на три отдельных луча: вправо, влево и прямо, не отклоняясь. Этот опыт указывает, что некоторые вылетающие частицы имеют электрический заряд. Эти составляющие были названы соответственно альфа (α )-, бета (β )- и гамма (γ ) - лучами. Дальнейшим исследованием было установлено, что альфа-частицы несут положительный заряд и являются ядрами атома гелия (2 гелий 4). Они вылетают из ядра радиоактивного элемента со скоростью, достигающей примерно 20 000 километров в секунду.

Отрицательно заряженные бета-частицы (β ) представ­ляют собой электроны, которые движутся с различными скоростями, достигающими примерно 250 000 километров в секунду.

Альфа- и бета-распад зачастую сопровождается неви­димым электромагнитным излучением, получившим на­звание гамма-излучения . Гамма-излучение, испускаемое ядрами отдельными порциями, или, как говорят, кван­тами, представляет собой поток материальных электри­чески нейтральных частиц, называемых фотонами, и рас­пространяется со скоростью света, т. е. 300 000 километров в секунду.

Естественно, что не все радиоактивные изотопы явля­ются альфа- и бета-активными. Некоторые химические элементы испускают только альфа-частицы, другие эле­менты испускают только бета-частицы; существуют и та­кие элементы, которые испускают альфа- и бета-частицы одновременно.

Выше уже отмечалось, что в результате радиоактив­ного распада ядер образуются ядра новых химических элементов. Какие же это элементы?

Испускание альфа-частиц характерно для атомов тя­желых химических элементов. Очевидно, что заряд ядра, испускающего альфа-частицу, должен как-то измениться, ибо альфа-частица, являясь ядром атома гелия, уносит часть положительного заряда распадающегося ядра. В действительности так и происходит.

В результате альфа-распада получается ядро нового химического элемента, заряд ядра которого будет меньше заряда распавшегося ядра на две единицы, ибо альфа - частица, т. е. ядро атома гелия, несет положительный за­ряд в 2 элементарные единицы заряда. А так как место любого химического элемента в таблице Менделеева определяется зарядом ядра, то новый химический эле­мент, полученный в результате альфа-распада, будет на­ходиться на 2 клеточки левее исходного. Массовое число ядра нового элемента также уменьшится на 4 единицы (т. е. на величину- массового числа альфа-частицы). На­пример, радий, испуская альфа-частицу, превращается в радиоактивный газ - радон. Эта ядерная реакция альфа- распада может быть записана следующим образом:

88 радий 226 -> 86 радон 222 + 2 гелий 4 .

Другим видом радиоактивности является испускание бета-частиц, характерное для значительного числа есте­ственных и искусственных радиоактивных изотопов. Испускание ядром бета-частицы происходит вследствие того, что один из нейтронов ядра превращается в протон. Следовательно, в этом случае заряд нового ядра увели­чится на единицу. Так как вес электрона ничтожно мал, то потерей веса ядра вследствие испускания бета-частицы можно пренебречь. Поэтому в случае бета-распада принимается, что массовое число ядра остается прежним.

Пример такого бета-распада может быть записан так:

89 актиний 227 -> 90 торий 227 + -1 β 0

т. е. актиний, испуская бета-частицу, превращается в изотоп тория.

Возникает вопрос: какая же дальнейшая судьба альфа- и бета-частиц, испускаемых ядрами радиоактивных изо­топов?

Эти частицы, вылетая с большой скоростью, сталки­ваются с атомами окружающей среды. Сталкиваясь, они выбивают электроны из электронной оболочки атомов окружающей среды (воздуха, металлов и т. д.), в резуль­тате чего эти атомы превращаются в ионы.

Ионизирующую способность частиц оценивают удель­ной ионизацией, т. е. числом пар ионов, образующихся на одном сантиметре пути пробега частицы. В результате столкновения альфа-частицы с атомами окружающей среды она постепенно теряет скорость, а ее энергия посте­пенно уменьшается. Потеряв энергию, альфа-частица, т. е. ядро атома гелия, в конце концов присоединяет к себе свободные электроны, находящиеся всегда в любой среде, и таким образом превращается в атом гелия.

Бета-частица, т. е. быстро движущийся электрон, дви­гаясь, на своем пути также вызывает ионизацию атомов.

Замедленная бета-частица будет находиться в про­странстве до тех пор, пока не будет присоединена ядром или атомом какого-либо элемента.

Распространение в любой среде гамма-излучения также сопровождается ионизацией атомов. В этом случае степень ионизации характеризуется числом пар ионов, об­разовавшихся под воздействием гамма-излучения в одном кубическом сантиметре среды. Эта степень ионизации и является мерой интенсивности гамма-излучения. Степень ионизации является также мерой поглощенной энергии гамма-лучей.

Альфа- и бета-частицы, а также гамма-кванты, рас­пространяясь в любой среде (воздух, металл), взаимо­действуют с атомами этой среды. В результате такого взаимодействия они теряют свою энергию и ослабляются. Путь, пройденный альфа- и бета-частицами, а также гамма-квантами в веществе, получил название длины про­бега . Максимальной длиной пробега обладают гамма- лучи.

Длина пробега будет тем меньше, чем больше плот­ность материала, через который проникает излучение. Это видно из таких данных.

Длина пробега альфа-частицы, обладающей энергией в 8 мегаэлектрон-вольт, в такой среде, как воздух, со­ставляет 7,3 сантиметра, в воде - всего 0,06 миллиметра, в железе - 0,02 миллиметра.

Бета-частицы обладают большей длиной пробега. На­пример, бета-частица с энергией в 3 мегаэлектрон-вольта в воздухе имеет длину пробега 14,5 метра, в воде - 12,5 миллиметра, в алюминии - 4,9 миллиметра.

Гамма-излучение в воздухе распространяется на сотни метров без существенного ослабления. Даже очень плот­ные вещества слабо задерживают гамма-излучение. На­пример, слой железа толщиной 7 сантиметров ослабляет гамма-излучение, обладающее энергией в 1 мегаэлектрон­вольт, в 10 раз. Для ослабления гамма-излучения, обла­дающего той же энергией в 1 мегаэлектрон-вольт, в 10 раз требуется слой бетона около 25 сантиметров, а грунта - 30-35 сантиметров.

Из приведенных данных можно сделать вывод, что для защиты от альфа- и бета-излучения могут быть использованы простейшие средства, в то время как для защиты от гамма-лучей требуются специальные инже­нерные сооружения.

Итак, мы рассмотрели радиоактивные излучения хи­мических элементов. Однако процесс радиоактивного рас­пада у разных химических элементов протекает с различ­ными скоростями.

Для характеристики распада ядер во времени принят так называемый период полураспада . Периодом полу­распада называется промежуток времени, в течение кото­рого распадается половина атомов этого вещества. Пе­риоды полураспада для различных химических элемен­тов колеблются в очень широких пределах - от мил­лиардных долей секунды до многих миллиардов лет. Так, период полураспада радия составляет 1590 лет, урана-238 - 4 500 000 000 лет. Это значит, что если взять один грамм, например, радия, то через 1590 лет от него останется полграмма, а через следующие 1590 лет - четверть грамма и т. д.

При распаде ядер большинства естественных и неко­торых искусственных радиоактивных элементов образу­ются также радиоактивные ядра, в свою очередь, претер­певающие радиоактивный распад. Таким образом, в ре­зультате ряда превращений, сопровождающихся испусканием альфа- или бета-частиц, образуется целая цепочка радиоактивных элементов. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не образуется конечный нерадиоактивный элемент. Совокупность всех продуктов последовательных радиоактивных распадов образует радиоактивное семей­ство , т. е. ряд данного элемента. В настоящее время таких радиоактивных семейств известно четыре; родоначальни­ками этих семейств являются: 92 уран 238 , 90 торий 232 , 92 уран 235 и 94 плутоний 241 .