Фізичні основи радіоактивності

Лекція 7.

Основи радіаційної безпеки

1. Фізичні основи радіоактивності

2. Джерела радіоактивності. Радон в повітрі приміщень

3. Дози радіації. Ефекти радіації

4. Дія радіації на людину

5. Радіаційні ризики

6. НРБУ-97

7. Клініка променевої хвороби

Фізичні основи радіоактивності

Радіація (від лат. radiatio — випромінювання) — випромінювання, променевисилання, зокрема викидання частинок (або квантів) ядрами атомів деяких хімічних елементів.

Радіоактивне випромінювання — один із видів іонізуючого випромінювання (поряд із космічними променями, рентгенівським випромінюванням).

Людство постійно перебувало і перебуває під дією іонізуючих випромінювань, у тому числі й радіації. Іонізуюче випромінювання — фактор, який постійно супроводжував еволюцію людини.

Будь-який потік частинок, під час взаємодії якого із речовиною відбувається іонізація (утворюються електричні заряди протилежного знака), може називатися іонізуючими променями.

Повітря, яким ми дихаємо, є іонізованим: кожний 1 см³ повітря містить від 10³ до 10⁵ іонів (іон — електрично заряджена частинка, що утворюється при отриманні або втраті електрона атомом чи молекулою).

Основними видами радіоактивних випромінювань є потоки частинок (альфа α-, бета β-, гамма γ-), утворених унаслідок перетворень ядер атомів.

Для того, щоб пояснити природу альфа α-, бета β-, гамма γ-випромінювань, згадаємо, що атом будь-якого елемента схожий на Сонячну систему в мініатюрі: навколо крихітного ядра рухаються по орбітам "планети" - електрони. Розміри ядра в сотні тисяч разів менше за розміри самого атома, але щільність останнього дуже велика, оскільки маса ядра майже дорівнює масі всього атома. Ядро, як правило, складається із кількох дрібніших частинок, котрі щільно зціплені один з одним.

Деякі з цих частинок мають плюсовий заряд і їх називають протонами. Саме кількість протонів у ядрі і визначає, до якого хімічного елементу відноситься даний атом: ядро атома водню, наприклад, містить всього один протон, атома кисню - 8, урана - 92. В кожному атомі кількість електронів в точності дорівнює кількості протонів у ядрі; кожен електрон несе від'ємний заряд, рівний за абсолютною величиною заряду протона, таким чином в цілому атом нейтральний.

В ядрі, як правило, містяться і частинки іншого типу, що називаються нейтронами, оскільки вони електрично нейтральні. Ядро атомів одного і того ж елемента завжди містить однакову кількість протонів, але кількість нейтронів у ньому може бути різною. Атоми, що мають ядра з однаковою кількістю протонів, але відрізняються за кількістю нейтронів, відносяться до різновидів одного й того ж хімічного елемента, і називаються ізотопами цього елемента.

Щоб відрізнити їх один від одного, до символу елемента приписують число, що дорівнює сумі всіх частинок у ядрі даного ізотопу. Так, уран-238 містить 92 протона і 146 нейтронів; в урані-235 теж 92 протона, але 143 нейтрона.

U²³⁵=92p+143n; U²³⁸=92p+146n.

Ядра всіх ізотопів хімічних елементів утворюють групу нуклідів.

Більшість нуклідів нестабільні, вони весь час перетворюються в інші нукліди. За приклад візьмемо хоча б атом урана-238, в ядрі якого протони і нейтрони ледве утримуються разом силами зчеплення. Час від часу з нього виривається компактна група з чотирьох частинок: двох протонів і двох нейтронів (α-частинка). Уран-238 перетворюється, таким чином, у торій-234, в ядрі якого містяться 90 протонів і 144 нейтрона:

U²³⁸ - (2р+ 2n)→Th²³⁴ =90р+144п

Але й торій-234 також нестабільний. Його перетворення проходить таким чином: один з його нейтронів стає протоном, і торій-234 перетворюється у протактиній-234, в ядрі якого містяться 91 протон і 143 нейтрона. Ця метаморфоза, що відбувається у ядрі, позначається і на електронах, що рухаються своїми орбітами: один з них стає неспареним і вилітає з атома. Протактиній дуже нестабільний, і йому потрібно зовсім небагато часу на перетворення в інший елемент -- уран-234. Далі ідуть інші перетворення і весь цей ланцюжок перетворень наприкінці закінчується стабільним нуклідом свинця-206.

При кожному такому акті розпаду вивільнюється енергія, яка передається далі у вигляді випромінювання. Можна сказати, що випускання ядром частинки, що складається з 2-х протонів і 2-х нейтронів (ядро атома гелія) - це α-випромінювання; випускання електрона – це β-випромінювання.

Проте часто нестабільний нуклід стає настільки збудженим, що випускання частинки не призводить до повного зняття збудження, і тоді він викидає порцію "чистої" енергії, яка називається γ-випромінюванням (γ-квантом).

γ-випромінювання являє собою надкороткохвильове електромагнітне випромінювання. За своїми властивостями воно наближається до рентгенівського, але має значно більшу швидкість і енергію. Його швидкість дорівнює швидкості світла (300 тис. км/с).

Швидкість β-випромінювання становить 200-300 тис. км/с. Швидкість α-випромінювання - 20 тис. км/с.

Іонізуючі випромінювання мають ряд спільних властивостей, два із яких - здатність проникати крізь матеріали різної товщини і іонізувати повітря та живі клітини організму - заслуговують особливо детального вивчення.

Радіоактивні речовини розпадаються із певно визначеною швидкістю. Час, за який розпадається половина всіх атомів радіоактивного елемента, називається періодом напіврозпаду. Цей процес продовжується безперервно. За час, що дорівнює одному періоду напіврозпаду, залишаються незмінними кожні 50 атомів із 100, за наступний аналогічний період часу 25 з них розпадуться і так далі за експоненціальним законом.

Кількість розпадів за секунду в радіоактивному зразку називається його активністю. Одиниця виміру активності речовини - Бк (беккерель):

1Бк=1 розп/с.

Несистемна одиниця активності - Ки (кюрі). Кюрі - це активність такої кількості речовини, в якій відбувається 3,7·10¹⁰ (37 млрд.) розпадів за секунду:

1Ки = 3,7·10¹⁰Бк.

Саме стільки розпадів випромінює 1 г радію за секунду.