Основи ядерної фізики
ОСНОВИ ЯДЕРНОЇ ФІЗИКИ ОСНОВИ ЯДЕРНОЇ ФІЗИКИ
ОСНОВИ ЯДЕРНОЇ ФІЗИКИ
Радіоактивність - це властивість ядер атомів певних елементів мимовільно (тобто без будь-яких зовнішніх впливів) перетворюватися в ядра атомів інших елементів з випусканням при цьому іонізуючих випромінювань. Перетворення елементів в таких випадках називається радіоактивним розпадом. Радіоактивні явища, що зустрічаються у природних ізотопів, називаються природною радіоактивністю, а що відбуваються в штучно отриманих ізотопів хімічних елементів - штучної радіоактивністю.
Для розуміння явища радіоактивності необхідно згадати будову атома. Він складається з позитивно зарядженого ядра і що обертаються навколо нього негативно заражених електронів.
Ядро складається з протонів і нейтронів, які об'єднуються загальним поняттям - нуклони. У нейтральному атомі кількість протонів в ядрі дорівнює числу електронів в оболонці. Нуклони в ядрі безперервно обмінюються особливими частинками, які називаються π-мезонами, або квантами ядерної поля.
Атомний номер Z дорівнює числу протонів в ядрі, а отже, і заряду ядра. Атоми одного і того ж хімічного елемента мають
однаковий атомний номер і масу. Маса нуклона приблизно в 1840 разів більше маси електрона. У зв'язку з незначністю маси електрона його масу прийнято вважати рівною нулю, тому маса атома визначається масою ядра. Масове число А дорівнює числу нуклонів в ядрі.
Масове число атома вказується вгорі зліва від символу хімічного елемента. Атомний номер (заряд) елемента записується внизу зліва від символу елемента.
Атоми, ядра яких складаються з однакового числа протонів, але різного числа нейтронів, називаються ізотопами (з. + Гр. Topos - місце).
Розрізняють декілька видів радіоактивних перетворень ядер, що супроводжуються різними видами іонізуючих випромінювань.
Альфа-розпад. Характерний для ядер важких елементів з малими енергіями зв'язку. В процесі внутрішньоядерних перетворень з ядра атома викидається альфа-частинки. Заряд ядра зменшується на 2 одиниці, а атомна маса - на 4 одиниці.
Альфа-частинка являє собою ядро атома гелію. Її атомна маса становить 4 одиниці. Заряд дорівнює +2. При відносно великих розмірах і великому заряді частка має високу енергією (3-10 МеВ), для неї характерні велика лінійна передача енергії (ЛПЕ) і значна лінійна щільність іонізації (ЛПІ).
Розмір, заряд і енергія альфа-частинки обумовлюють її численні зіткнення з атомами речовини. При збільшенні щільності і атомної маси речовини підвищується ЛПЕ. Одночасно збільшується сила гальмування частинок і підвищується ЛПІ. Вона максимальна в кінці шляху пробігу частинки. Природно, володіючи великою масою, зарядом і енергією, альфа-частинки не може мати значної проникаючої здатності, так як швидко гальмується речовиною.
Так, в залежності від енергії, пробіг альфа-частинок в різних середовищах невеликий: в повітрі він становить 2-10 см, в алюмінії - 15-70 мкм, в воді і біологічних тканинах - 30-130 мкм, тобто в шкірі альфа-частинки
затримуються епідермісом, не досягаючи глибоких шарів епітелію. Звичайний лист паперу є для них абсолютним екраном. Тому зовнішній вплив альфа-випромінювання на людину практично безпечно. Однак надходження альфа-частинок всередину організму, наприклад з їжею і, особливо, з повітрям у вигляді радону - вкрай небезпечно, оскільки значно підвищується ризик канцерогенної дії. Альфа-частинки в таких умовах легко проникають через слизові оболонки і створюють всередині тканин і органів високу щільність іонізації, чим і обумовлений виражений патогенний ефект.
Електронний бета-розпад характерний для перетворень природних і штучних радіонуклідів. При такій схемі розпаду бета-випромінювання - це потік електронів. Електронний бета-розпад виникає в тих випадках, коли в ядрі нестійкість викликана перевищенням кількості нейтронів над числом протонів. При цьому в ядрі з'являється електрон, а один з нейтронів перетворюється в протон. Електрон викидається з ядра, заряд ядра збільшується на одиницю, а масове число залишається без зміни.
Бета-випромінювання одного і того ж елемента містить електрони різної енергії - від найменшої до деякої максимальної величини. Тому спектр випромінювання безперервний або суцільний. Встановлено, що разом з бета-частинкою з ядра викидаються нейтральні частинки мізерно малу масу, складові з електронами якусь постійну величину. Ці частинки носять назву антинейтрино. Повернення порушеної ядра в основний стан супроводжується випусканням гамма-квантів.
Позитронний fi-розпад спостерігається у деяких штучних радіонуклідів. Позитрон - це елементарна частинка, подібна електрону, але вона володіє позитивним зарядом. При викиді позитрона один з протонів в ядрі перетворюється в нейтрон. Разом з позитронами викидаються нейтрино, які разом з позитроном становлять деяку постійну величину енергії. Спектр випромінювання, як і при електронному розпаді, суцільний.
Позитронний бета-розпад також супроводжується гамма-випромінюванням. Питома щільність іонізації для бета-частинок - в кілька сотень разів менше, ніж у альфа-частинок. При цьому за рахунок меншої маси, заряду і енергії у бета-частинок в 100 і більше разів збільшується довжина пробігу в речовині. Так, в повітрі вона становить від кількох метрів до кількох десятків метрів, а в біологічних тканинах - декількох десятків сантиметрів.
Бета-частинки мають різну енергію, тому при захисті від зовнішнього впливу бета-випромінювання слід використовувати екран, який поглинає бета-частинки з максимальною енергією. Застосовуються екрани з легких матеріалів з малим атомним номером, наприклад зі скла, полімерних матеріалів, алюмінію. При виготовленні екранів з важких металів бета-частинки будуть генерувати гальмівне рентгенівське випромінювання, від якого також необхідний захист.
К-захоплення є ще одним видом радіоактивних перетворень. При надлишку протонів в ядрі атома ядро захоплює електрон з найближчої до ядра К-оболонки, а на його місце переходить електрон з більш далеких оболонок. Утворюється частинка нейтрино, яка є єдиною часткою, що вилітає з ядра атома при К-захоплення.
Оскільки енергія генерується на електронних оболонках при переходах електронів, то виникає характеристичне рентгенівське випромінювання з дискретним лінійчатим спектром, властивим для тих рівнів, на яких відбуваються переходи електронів в атомі даного речовини.
Розподіл ядер важких елементів. Цей процес характерний для ядер атомів елементів з великою атомною масою, таких як 235U, 239Pu і ін. В результаті ядерного перетворення утворюються ядра легких елементів з великими енергіями зв'язку та надмірна кількість нейтронів. Нові ядра нестабільні і можуть перетворюватися в ядра більш легких елементів. При цьому виділяється велика кількість енергії.
Утворені нейтрони використовуються в подальших повторних перетвореннях ядер важких елементів. Подібний принцип отримання енергії за допомогою керованої ланцюгової реакції поділу ядер важких елементів лежить в основі роботи енергетичних ядерних реакторів. Якщо ж ця реакція стає некерованою, то збільшення числа нейтронів і кількості енергії відбувається в геометричній прогресії. Така ланцюгова реакція призводить до ядерного вибуху.
Термоядерні реакції. Крім природних ядерних перетворень, можливо також штучне перетворення ядер легких елементів (ізотопів водню дейтерію і тритію) в ядра більш важких елементів. Така реакція використовується при вибуху термоядерної (водневої) бомби, де роль пускового механізму створення вихідної високої температури, необхідної для додання великий кінетичної енергії і зближення ядер легких елементів, належить
плутонієвої запалу. Після запуску плутонієвого запала створюються умови некерованою термоядерної реакції. Слід зазначити, що і розпад ядер важких елементів, і термоядерні реакції супроводжуються виділенням потужних потоків гамма-випромінювання.
Питома щільність іонізації у гамма-квантів мінімальна, заряд і маса відсутні, тому довжина пробігу у них досить велика і може досягати в повітрі декількох сотень метрів. Біологічні тканини практично не є екранами. Тому гамма-випромінювання є дуже небезпечним джерелом зовнішнього опромінення для людини. У зв'язку з цим екрани для захисту від гамма-випромінювання повинні бути з матеріалів з високою щільністю, з великою кількістю ядер і великими електронними оболонками атомів.
Кількісна характеристика радіоактивності. Вивчення швидкості радіоактивного розпаду ядер радіонуклідів дозволило виявити певну закономірність. Встановлено, що розпаду піддаються в повному обсязі атоми одночасно, а за кожен проміжок часу розпадається строго постійна частка атомів радіоактивного ізотопу. Ця величина індивідуальна і постійна для кожного радіоактивного елемента. Вона називається постійної розпаду і позначається λ (1 / сек = сек-1).
Постійна розпаду показує частку атомів, які розпадаються в масі радіоактивної речовини за одиницю часу. Відповідно, закон радіоактивного розпаду може бути сформульовано таким чином: за рівні проміжки часу відбувається перетворення рівних часток радіоактивних атомів ізотопу. Математично його вираз виглядає наступним чином:
де N - кількість активних атомів в ізотопі через проміжок часу t; No - кількість активних атомів в ізотопі в початкових умовах; λ - постійна розпаду ізотопу; e - основа натуральних логарифмів.
Знаючи постійну розпаду, можна розрахувати час, за який розпадеться половина атомів ізотопу, тобто період напіврозпаду (Т):
зменшаться вдвічі, а сама експонента нескінченно наближається до горизонтальної лінії, але ніколи її не перетинає. В радіаційної гігієни прийнято, що активність радіоактивного елемента стає незначною через 8-10 періодів напіврозпаду.
Періоди напіврозпаду значно різняться у різних ізотопів. Короткоживущими вважаються такі ізотопи, які мають період напіврозпаду становить від часток секунди до декількох діб, довгоживучими - у яких цей період коливається від декількох місяців до мільярдів років. Наприклад: для Т 24Na = 15,06 год, 131I - 8,06 доби, 60З - 5,3 року, 90Sr - 29 років, 129I - 15,7 млн років.
Активність радіоактивної речовини показує швидкість розпаду ядер в ізотопі за одиницю часу. Тому активність радіоактивної речовини зростає зі збільшенням маси ізотопу, а також зі зменшенням атомної маси і періоду напіврозпаду.
За одиницю активності радіоактивної речовини в системі СІ прийнятий бекерель (Бк) - така активність, при якій в джерелі відбувається одне перевтілення ядра за 1 с. Щоб уявити величину даної одиниці, слід зазначити, що допустима радіоактивність питної води по бета-випромінювання становить 1 Бк / л, а по альфа-випромінювання - 0,1 Бк / л. Однак історично склалося так, що першою встановленої одиницею активності є кюрі (Кі) 1.
Вона була вперше запропонована Марією Кюрі і названа на честь П'єра і Марії Кюрі. Кюрі - це дуже велика одиниця за величиною активності:
1 Ки = 3,7 х 1010 Бк.