2 Основы ядерной физики, необходимые для курса радиационной экологии

3. Понятие о строении атомного ядра. Изотопы

Атом является наименьшей частицей химического элемента, которая несет все физико-химические свойства данного вещества, поэтому каждому элементу соответствует свой определенный вид атомов. В природе обнаружены 94 химических элемента и еще 24 получены в результате ядерных реакций.

Атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, которые формируют его электронную оболочку. Принадлежность атома к данному химическому элементу определяет величина электрического заряда ядра – атомный номер Z. Обычно атом электронейтрален, т.к. положительный заряд ядра компенсируется соответствующим числом отрицательно заряженных электронов. При отрыве электронов атом превращается в положительно заряженный ион. Величина заряда соответствует числу потерянных электронов.

Основная масса атома сосредоточена в ядре (99,9%), при этом оно занимает ничтожный объем и имеет чрезвычайно высокую плотность (примерно 10¹⁷кг/м³). Ядро состоит из частиц двух видов: положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов. Общее название ядерных частиц нуклоны. Число протонов равно заряду атома, т.е. атомному номеру Z. Число общее число нуклонов в ядре равно атомному или массовому числу атома А. Таким образом, А = Z(число протонов)+N( число нейтронов). Атомный номер и массовое число входят в обозначение элемента в Периодической таблице Менделеева в качестве верхнего и нижнего индекса соответственно(67).

Нуклоны в ядре удерживаются вместе очень мощными ядерными силами взаимного притяжения, которое преодолевает электростатическое отталкивание между одноименно заряженными протонами. Каждое ядро можно охарактеризовать числом протонов и нейтронов, входящий в его состав. Пока число протонов относительно невелико, т. е. в области легких элементов наиболее стабильны ядра с равным количеством протонов и нейтронов. С возрастанием атомного номера число нейтронов увеличивается, и для тяжелых элементов их количество в полтора раза превышает число протонов.

Ядра с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов называются изотопами одного элемента. По химико-физическим показателям изотопы практически одинаковы, но их ядерные свойства могут отличаться очень сильно. Легкие элементы имеют мало изотопов, в середине периодической таблицы изотопов особенно много, к концу – их вновь становится меньше. В земной коре преобладают изотопы с четным числом протонов и четным числом нейтронов (около87% атомов). Известно лишь четыре стабильных элемента с нечетным числом протонов и нечетным числом нейтронов – водород, литий, бор и азот.

Все ядра делятся на стабильные и радиоактивные. Стабильные могут неограниченно долго существовать, сохраняя неизменным свой нуклонный состав и все свойства. Радиоактивные ядра с течением времени распадаются, т.е. происходит изменение их нуклонного состава, как правило, с испусканием частицы. При α-распаде испускается α-частица, которая содержит 2 протона и 2 нейтрона (ядро атома гелия), и «дочернее» ядро смещается на клетки периодической таблицы влево. При β-распаде либо 1 протон превращается в нейтрон, либо нейтрон – в протон и соответственно испускается позитрон или электрон, а «дочернее» ядро смещается на одну клетку вправо. Самопроизвольный распад атомных ядер происходит всегда с одинаковой скоростью. Никакими доступными методами невозможно ни ускорить, ни замедлить этот процесс. Каждый радиоактивный элемент характеризуется периодом полураспада – это промежуток времени, за которое распадается половина начального числа атомов. Эта величина варьирует от долей секунды до миллиардов лет. Предполагают, что в процессе формирования Земли равновероятно возникали и стабильные и радиоактивные ядра, однако к настоящему времени большинство радиоактивных уже распалось, поэтому сейчас преобладают стабильные ядра. Из естественных изотопов до современности сохранились только самые долгоживущие изотопы: торий-232, уран-235, уран-238, калий-40.

---

Атомное ядро является сложным объектом для теоретического описания, поэтому при изучении атомных свойств прибегают к упрощенным моделям. Наибольшее распространение получили 2 модели: модель жидкой капли и оболочечная модель.

Согласно модели жидкой капли атомное ядро является сгустком очень плотного, положительно заряженного вещества (ядерная материя), которое ведет себя в ядерных реакциях подобно капли жидкости, т.е. может нагреваться, колебаться, вращаться и даже разрываться надвое. Эта модель как раз наилучшим образом объясняет такое явление как деление ядра (16).

Оболочечная модель основана на представлении, что нуклоны движутся внутри ядра по определенным орбитам (оболочкам) подобно движению электронов в атоме. Каждый нуклон движется в поле, создаваемом остальными нуклонами. Эта модель была призвана объяснить существование магических ядер – это ядра с максимальной энергией связи нуклонов, поскольку в них содержится определенное число нуклонов. Числа нуклонов, соответствующие полностью заполненным оболочкам протонов или нейтронов, называют магическими числами. Это числа 2,8,20,28,50,82 и 126. Если число протонов или нейтронов соответствует одному из магических чисел, то ядро называется магическим, когда и Z и N – равно магическим числа, то ядро является наиболее прочным дважды магическим (гелий, кислород и кальций) (44) .

2. 2 Типы ионизирующего излучение и его взаимодействие с веществом

Ионизирующее излучение – это поток заряженных или нейтральных частиц, а также квантов электромагнитного излучения, которые проходя через вещество, способны вызывать возбуждение или ионизацию атомов или молекул среды. Все излучения делят на фотонные или корпускулярные. В фотонных – энергию переносят кванты электромагнитного излучения. К нему относят γ-излучение, рентгеновское излучение и некоторые другие. В корпускулярном излучении энергию переносят заряженные или нейтральные частицы. К этому типу излучений относят α-излучение, β-излучение, нейтронное излучение (Рис.2).

Рисунок 2. Виды ионизирующих излучений (116)

Заряженные частицы с достаточно высокой энергией способны вызывать непосредственную ионизацию атомов при столкновении, поэтому такие излучения относят к классу непосредственно ионизирующих излучений. Нейтральные частицы и кванты излучений сами не способны вызвать ионизацию и в процессе продвижения через среду могут высвобождать электроны, которые способны вызвать ионизацию атомов среды. Такие излучения относят к косвенно ионизирующим.

Различные типы атомных излучений, при прохождении через вещество передают ему энергию различными путями. Относительно крупная α–частица имеет большую вероятность столкнуться с электронами атомов. Поэтому она неглубоко проникает в вещество, быстро теряет энергию, оставляет в поверхностном слое сгусток ионов и относится к плотноионизирующей радиации. Такой тип ионизирующего излучения задерживается поверхностными слоями кожи или одеждой, но может представлять угрозу при воздействии на поверхность легких или внутренних органов при инкорпорированном воздействии. γ-кванты обладают высокой энергией и очень малой длиной волны, поэтому они редко взаимодействуют с электронами атомов, т.е. одна ионизация будет образовываться на значительном расстоянии от другой, поэтому γ- излучение относится к редкоинизирующему. Такое излучение очень незначительно рассеивается в веществе и поэтому обладает большой проникающей способностью и легко пронизывает любой организм, независимо от его размеров ( 38).

---

β-излучение занимает промежуточное положение. Чем выше энергия β–частиц, тем глубже они проникают в вещество и тем меньше плотность ионизации. В конце движения, когда значительная часть энергии уже потеряна, они дают большую плотность ионизации.

К α-излучателям относят около 160 природных и искусственных радионуклидов, расположенных в конце периодической системы и имеющих атомный номер более 82. β-излучателей значительно больше, около 700. Как было сказано выше, и α-, и β- распад сопровождается γ- излучением.

При взаимодействии с атомами твердого тела ионизирующее излучение вызывает смещение атомов из устойчивых положений в решетке, ионизацию и, в некоторых слу­чаях, появление в решетке примесей за счет деления и ядерных реакций. Облучение вы­зывает более или менее устойчивые изме­нения свойств твердого тела — радиацион­ное повреждение, характер которого зависит от типа связей в об­лучаемом теле, вида и условий облучения (37).

При взаимодействии с веществом любой частицы ионизирующего излучения возможны упругое и неупругое рассеяние. Упругое рассеяние происходит по правилам ньютоновской (классической) механики, т.е. суммарная кинетическая энергии частиц до и после столкновения одинакова, но частицы изменяют направление движения. При неупругом рассеянии часть кинетической энергии налетающей частицы расходуется на ионизацию, возбуждение атомов среды и тормозное излучение.

Передача энергии заряженной частицей вещест­ву осуществляется в основном, посредством возбуждения и ионизации атомов. Однако, чтобы осуществить ионизацию, квант или частица должны непосредственно столкнуться, попасть в ядро или электрон атома. Если мы примем во внима­ние ничтожно малую длину волны или размер ионизи­рующей частицы, то такое попадание будет очень ред­ким явлением. Наименьшей проникающей способностью обладает α-частица, однако при прохождении ее через вещество образуется цепочка ионов с максимумом в конце пути. Кроме того, тяжелая α-частица, способна вызывать смещение атомов из узлов кристаллической решетки. Эти смещенные атомы обладают значительной энергией, чтобы также вызывать ионизацию. Таким образом, α-частица будет неглубоко проникать в вещество, но при этом вызывать в поверхностном слое массированное радиационное повреждение (19).

При прохождении через вещество γ- излучения возможны три типа взаимодействия с атомами: фотоэлектричес­кий эффект (фотоэффект), эффект Комптона и образование электрон-позитронных пар.

Ф отоэффект процесс взаимодействия фотона с электроном, связанным с атомом, при ко­тором электрону передается вся энергия фо­тона. При этом электрон выбрасывается за пределы атома (рис.3). Фотоэффект на свободном электроне невозможен.

Рисунок 3 Фотоэффект (117)

Э ффект Комптона представляет собой рассеяние фотона. Фотон при этом не поглощается, а лишь теряет часть энергии и изменяет направление движения. Избыток его энергии передается комптоновскому электро-ну. При комптоновском рассеянии угол между направлением движения пер­вичного и рассеянного фотонов может из­меняться от нуля до180°.

---

Рисунок 4. Эффект Комптнона (117)

Образование электрон-позитронной па­ры — третий вид взаимодействия фотонов с веществом, который может происходить при достаточно высокой энергии фотонов в поле атомного ядра. Образованные электрон и позит­рон производят ионизацию среды.

Рисунок 5. Образование электрон-позитронной пары (117)

3. Единицы измерения радиоактивности и доз ионизирующего излучения

В соответствии с Международной систе­мой единиц с 1 июля 1964 г. в СССР введе­ны единицы измерения в области радиоак­тивности и ионизирующего излучения, ко­торые должны применяться во всех областях науки и техники. До 1980 г. ГОСТ допускал применение внесистемных единиц. В науч­но-технической литературе эти единицы встречаются до сих пор, поэтому необходимо знать и те и другие, а также соотношения между ними (31).

Количество радиоактивного вещества из­меряется не только единицами массы, но и активностью, кото­рая равна числу ядерных рас­падов в единицу времени. Поскольку скорость распада ра­дионуклидов различна, одинаковое весовое количество радиоактивных изотопов имеет разную активность.

Беккерель (Бк) - единица активности нуклида в радиоактивном источнике. Один беккерель соответствует одному распаду в секунду для любого радионуклида (31).

Наиболее употребительной внесистемной международной единицей является кю­ри - Ки (Сi), 1 Ки = 3,7-Ю¹⁰ Бк, что соответствует активности 1 г радия.

Кюри очень большая величина, поэтому обычно употребляют дольные единицы, а Беккерель, напротив, очень маленькая ве­личина, поэтому часто употребляют кратные единицы.

Концентрация радиоактивного вещества обычно характеризуется величиной удельной активности, т. е. активностью, приходящей­ся на единицу массы. Единицами концентрации являются Ки/т, мКи/г, кБк/кг и т. п. Объемная концентрация в жидких или га­зообразных веществах обычно выражается в Ки/м³, Бк/л.

Для характеристики радиоактивного за­грязнения территории используют основные единицы активности, отнесенные к единице площади: Ки/км² или Бк/м²,

Этими единицами измеряют плотность радиоактивного загрязнения (112).

Повреждений, вызванных в живом орга­низме излучением, будет тем больше, чем больше энергии оно передаст тканям. Для характеристики этого показателя использу­ется понятие поглощенной дозы, т. е. вели­чины энергии, поглощенной единицей мас­сы (объема) облучаемого вещества.

, где - средняя энергия, переданная ионизирующим излучением веществу, находящемся в объеме массой .

Грей (Гр) - единица поглощенной дозы в системе СИ. Представляет собой количество энергии ионизирующего излучения, поглощенной единицей массы какого-либо физического тела, например, тканями организма. 1 Гр - 1 Дж/кг. В физической системе единицей поглощенной дозы является рад. 1Гр=100 рад.

Доза, учитывающая био­логическую эффективность ионизирующего излучения, называется эквивалентной по­глощенной дозой и равна поглощенной до­зе, умноженной на соответствующий коэф­фициент качества (112).

---

Зиверт (Зв) — единица эквивалентной дозы в системе СИ. Представляет собой единицу поглощенной дозы, умноженную на коэффициент, учитывающий неодинаковую радиационную опасность для организма разных видов ионизирующего излучения. Зиверт — это количество энергии, поглощённое килограммом биологической ткани, равное по воздействию поглощённой дозе гамма-излучения в 1 Гр .Один зиверт соответствует поглощенной дозе в 1 Дж/кг также для рентгенов­ского, и бета-излучения. Для альфа-излучения - 20, для нейтронного излучения – 10 (83). Внесистемной единицей является бэр (биологический эквивалент рентгена). 100 бэр = 1 Зв. При действии фотонного излучения (рентгеновского или гамма-излучения) используют также такую величину эквивалентной дозы как рентген. 100 рентген = 1 Зв.

Как правило, эквивалентную дозу исполь­зуют только для целей радиационной безопасности до значений, не превышающих 0,25 Зв (25 бэр), при кратковременном воздействии излучения на биологический объект. Если рассматриваемый организм облучается несколькими видами излучения, то эквивалентные дозы суммируются.

Следует учитывать также, что одни части тела (органы, ткани) более чувствительны к излучению, чем другие. Поэтому дозы облуче­ния органов и тканей также следует рассчитывать с разными коэффициентами (0,12 — для красного костного мозга, легких, желудка, кишечника; 0,05 — для пищевода, щитовидной же­лезы, ; 0,15 — для молочной железы; 0,25 — для гонад(половые клетки) ; 0,01 — для кожи, костных поверхностей, 0,05 - других тканей).

Умножив эквивалентные дозы всех ор­ганов и тканей на соответствующие коэффициенты и просуммировав их, получим эффективную эквивалентную дозу, отра­жающую суммарный эффект облучения для организма, которая также измеряется в зивертах (112).

Приведенные выше понятия описывают дозу, получаемую человеком индивидуально. Коллективная эффективная эквивалентная доза — эффективная эквивалентная доза, полученная группой людей от какого-либо источника радиации, которая измеряется в человеко-зивертах (чел-Зв).

2. Биологическое действие ионизирующей радиации

3.1 Понятие радиочувствительности

Р адиочувствительность – это мера чувствительности живых организмов к действию ионизирующей радиации. Вскоре после открытия биологического действия ионизирующих излучений было установлено, что любой живой объект может быть убит этим агентом. Однако летальные дозы излучения различаются в очень широких пределах: от нескольких десятков до тысяч грей. Мерой радиочувствительности, как правило, является доза вызывающая гибель 50% особей за 30 суток (ЛД 50/30). Например, для разных видов млекопитающих этот параметр колеблется в пределах от 1,5 до 10 Гр, для птиц и рыб– от 8 до 20 Гр, для змей – от 80 до 200 Гр, для растений - от 10 до 1500 Гр, для простейших – от 1000 до 3000 Гр. Бактерии обладают еще большей радиоустойчивостью. Выявлен вид Micrococcus radiodurens — микрококк радиоустойчивый, который обитает в каналах реактора АЭС и в сутки получает поглощенную дозу около 10⁶ Гр.

---

Смотрите также файлы

• таможня вопрос-ответ.docx

• Восточно-Европейская платформа.docx

• Проблема урбанизации.docx

• Istoria.docx

• МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ.docx