Лабораторный практикум

по радиационной безопасности

Краткая теория.

1. 1. Общие сведенья об атомах и атомных ядрах.

В 1911 году, английский учёный Эрнест Резерфорд предложил "планетарную" модель атома, согласно которой в центре атома расположено крохотное, но очень плотное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома, а электроны вращаются вокруг него по определённым орбитам, как планеты вокруг Солнца (рис.1). Именно этой моделью пользуются до сегодняшнего дня.

В ядре сосредоточена практически вся масса атома (99,95%). При Рис.1 обычных условиях атом является электрически нейтральным, так как положительный заряд ядра компенсируется отрицательным зарядом электронов.

Размеры атомов, так же как и их масса, чрезвычайно малы, и составляют около 1 нм (1·10^-9 м). Электроны очень лёгкие, почти невесомые, имеют отрицательный заряд (заряд электрона условно равен -1, соответствует элементарному заряду q_e=).

Атомное ядро любого химического элемента состоит из положительно заряженных протонов и не имеющих электрического заряда нейтронов. Заряд протона по абсолютной величине равен заряду электрона. Протон и нейтрон являются двумя зарядовыми состояниями ядерной частицы, которая называется нуклоном. Внутри ядра протоны и нейтроны способны к взаимному превращению, однако количество протонов и нейтронов в ядре всегда величина постоянная для данного нуклида и является его важной характеристикой. Массовым числом А называется общее число нуклонов в ядре. Массовые числа нейтрона и протона одинаковы и равны 1 а.е.м..

Число протонов в ядре равно числу электронов и называется зарядовым числом Z, оно совпадает с порядковым номером (атомным номером) атома данного химического элемента в периодической системе Менделеева:

№_пор= Z .

Чтобы определить число нейтронов N надо от массового числа A отнять атомный номер Z (или зарядовое число):

N = A − Z.

Нуклиды обозначаются в общем виде следующим образом: или , где Х – символ химического элемента, А – массовое число, Z - зарядовое число или атомный номер. Например, , , и т.д.

Электроны, движущиеся вокруг ядра, сгруппированы в электронные слои, каждый из которых содержит электроны с близкими значениями энергии.

Ядра элементов весьма устойчивы. Это значит, что кроме кулоновских сил отталкивания между протонами в ядре действуют и значительные силы притяжения, которые называют ядерными. Ядерные силы имеют следующие основные особенности:

1. Они действуют только на очень коротких расстояниях порядка размера самого ядра и за его пределами равны нулю.

2. Ядерные силы в сотни и тысячи раз превышают все другие известные в природе взаимодействия.

3. Они действуют независимо от заряда нуклона.

4. Они имеют свойства насыщения: каждый нуклон взаимодействует только с соседним с ним нуклонами, и при увеличении количества нуклонов в ядре, ядерные силы не возрастают.

---

5. Ядерные силы обладают особой обменной природой, не имеющей аналогий в классической физике. Согласно теории, нуклоны в ядре удерживаются вместе путем непрерывного обмена особыми элементарными частицами, которые называются квантами ядерного поля или -мезонами. Время обмена составляет~10^–23 с.

        Устойчивость атомных ядер, изотопы.

Химические свойства любого элемента не зависят от массового числа; т. к. они определяются строением электронных оболочек атома (следовательно, и Z). С другой стороны, массовое число имеет решающее значение для ядерной стабильности радиоактивных свойств атома. Для стабильных ядер отношение количества нейтронов N к количеству протонов Z равно единице: N / Z = 1, ядра для которых N / Z больше или равно 1,5 являются нестабильными.

Так, например, для изотопа отношение =1,271, а для изотопа данное отношение уже равно 1,598. Такая перегруженность ядер нейтронами и возрастание сил кулоновского отталкивания приводит к потере прочности ядра и поэтому все известные изотопы химических элементов с Z являются радиоактивными.

Для радиоактивных изотопов элементов, находящихся в начале и середине таблицы Менделеева, такой закономерности не обнаружено. Вместе с тем, для таких достаточно широко распространенных радионуклидов как , , , , и др. соотношение нейтронов к протонам колеблется в пределах от 1,1 для до 2 для .

Изотопы – атомы, которые имеют одинаковый атомный номер Z (одинаковый заряд ядер) и разные массовые числа. Они идентичны по химическим свойствам, но различаются по характеру радиоактивности. В таблице Менделеева более 100 химических элементов. Почти каждый из них представлен смесью стабильных и радиоактивных атомов, которые называют изотопами данного элемента. Известно около 2000 изотопов, из которых около 300 - стабильных.

Например, углерод встречается в виде смеси трех изотопов - , , , ядра которых содержат 6 протонов и, соответственно, 6, 7 и 8 нейтронов.

Изотопы имеют одинаковый символ и определяются общим названием элемента с добавлением к нему массового числа. Например, углерод – 12, калий – 40, уран – 235 и т.д.

Радиоактивные изотопы обычно называют радионуклидами.

1.2. Явление радиоактивности. Виды радиоактивных

излучений.

Радиоактивность самопроизвольное превращение атомов одного элемента в атомы других элементов, сопровождающееся испусканием частиц и жесткого электромагнитного излучения (называемое радиоактивным). (Рис. 2)

Р адиоактивные элементы испускают три вида излучений: альфа, бета и гамма. В 1899 Резерфорд идентифицировал альфа- и бета-излучения; спустя год П.Вийар открыл гамма-излучение.

Альфа-излучение - представляет собой ядро гелия, состоящее из двух протонов и двух нейтронов. Имеет статический электрический заряд равный +2, массовое число равно 4.
Альфа-излучение обладает малой проникающей способностью (всего несколько сантиметров в воздухе и десятки микрон в биологической ткани). Поток альфа-частиц легко остановит даже лист бумаги. Символ - частиц - .

---

Бета-излучение является потоком заряженных частиц малой массы электронов или позитронов. Позитрон - элементарная частица, имеющая массу электрона, но имеющая положительным элементарным зарядом. Символы электрона - , позитрона - .

Гамма-излучение было идентифицировано как жесткое (т.е. имеющее очень высокую энергию и короткую длину волны ) электромагнитное излучение.

Все радиоактивные превращения всегда сопровождаются испусканием того или иного вида излучения, причем один акт распада дает только одну частицу – либо , либо , в результате чего данное ядро становиться ядром другого элемента. Образовавшееся ядро так же может быть радиоактивным и распадаться по тому или иному типу. Процесс последовательных ядерных превращений всегда заканчивается образованием стабильных изотопов.

Радионуклиды, имеющие - тип распада, называются - активными, а - тип распада - - активными.

- излучение является сопутствующим - и - распаду излучением. Само по себе - излучение не вызывает ядерных превращений, а является результатом удаления избыточной энергии образовавшегося ядра. При этом дочернее ядро просто переходит в более выгодное энергетическое состояние испуская один или несколько - квантов с различной энергией.

Схематически этот процесс можно представить следующим образом:

Ядро А, испуская частицу, превращается в ядро В*, обладающее избытком энергии, а уже за тем происходит выделение - излучения, а ядро переходит в основное состояние В.

Радионуклиды, не дающие - излучения при своем распаде, называются чистыми - и - излучателями, например, , , и некоторые другие. Однако они встречаются очень редко.

2.1. Природный радиационный фон и искусственные

источники ионизирующих излучений.

Все существующие источники ионизирующих излучений разделяются на две группы: естественные или природные, возникшие независимо от деятельности человека, и искусственные, появление которых связано с производственной и научной деятельностью человека.

К естественным источникам излучения относится космические лучи и природные радиоактивные вещества, воздействию которых в той иди иной степени подвергается каждый житель нашей планеты.

К искусственным источникам относятся продукты добычи и переработки различных полезных ископаемых, отходы производства ядерного топлива, продукты ядерных испытаний, выбросов атомных реакторов, отработанное ядерное топливо, тепловые электростанции, работающие на каменном угле, приборы медицинской рентгенодиагностики и лучевой терапии, строительные материалы и удобрения, содержащие природные радионуклиды, экраны телевизоров и ряд других.

Человек подвергается облучению двумя способами. Если радиоактивные вещества находятся вне организма, то он подвергается внешнему облучению. В том случае, когда они попадают внутрь организма и там распадаются, то речь идет уже о внутреннем облучении.

---

Естественные источники излучений.

Космическое излучение

Радиационный фон, создаваемый космическими лучами, дает чуть меньше половины внешнего облучения, получаемого населением от естественных источников радиации.

Космические лучи представляют собой поток частиц чрезвычайно высокой энергии, попадающих на Землю из космического пространства и поверхности Солнца, которые рождается во время солнечных вспышек, (первичное космическое излучение). В состав космического излучения входят протоны, нейтроны, - частицы, а также атомные ядра различных химических элементов. Все они обладают достаточно большой энергией (до 10⁹ МэВ).

Космические лучи могут достигать поверхности Земли или взаимодействовать с ее атмосферой, порождая вторичное излучение, и приводят к образованию ряда газообразных радионуклидов, которые называются космогенными. Состав вторичного космического излучения очень многообразен и содержит все известные в настоящее время элементарные частицы и излучения.

К космогенным радионуклидам относятся: тритий ( ), углерод - 14 ( ), бериллий (⁷Ве, ¹⁰Ве), натрий – 22 ( ), фосфор ( , ), сера – 35 ( ), хлор ( , ), аргон - 41 ( ), которые постоянно образуются в стратосфере под действием космического излучения, а затем с атмосферными осадками выпадают на поверхность Земли.

Так, например, тритий и углерод -14 образуются под действием свободных нейтронов по следующим схемам:

,

.

Ha 1 см² поверхности Земли за каждые (5 – 10) с образуется 1 атом трития. В результате его реакции с кислородом воздуха образуется окись трития , выпадающая с осадками. Углерод - 14 также вступает в реакцию с кислородом воздуха и образует СО₂. Углекислый газ усваивается растениями, в результате чего поступает в организм человека и животных.

Тритий и углерод - 14 самопроизвольно превращаются в ядра стабильных элементов по следующим схемам:

(Т = 12,3 лет),

(Т = 5730 лет).

Суммарная радиоактивность атмосферного воздуха оценивается в пределах от (2^.10^-14 – 4,4^.10^-13) Ки/л и зависит от места расположения на планете, времени года, погодных условий, а также от состояния магнитного поля Земли.

Одни участки земной поверхности более подвержены его действию, чем другие. Северный и Южный полюсы получают больше радиации, чем экваториальные области, из-за наличия у Земли магнитного поля, отклоняющего заряженные частицы (из которых в основном и состоят космические лучи). Существеннее, однако, то, что уровень облучения растет с высотой, поскольку при этом над нами остается все меньше воздуха, играющего роль защитного экрана. Еще более интенсивному, хотя и относительно непродолжительному облучению, подвергаются экипажи и пассажиры самолетов.

Естественные радиоактивные элементы.

В настоящее время известно более 300 природных радионуклидов, которые образовались одновременно с Солнеч­ной системой или, по крайней мере, с образованием Земли и постоян­но образуются в результате естественного распада долгоживущих ра­дионуклидов или ядерных превращений под действием космического из­лучения в атмосфере.

---

Среди десятков естественных радиоактивных элементов встречаются элементы, имеющие периоды полураспада от миллиардных долей секунды (дочерние продукты) до миллиардов лет (родоначальники семейств). Все элементы, расположенные в периодической таблице за висмутом (т.е. с Z больше 83), являются радиоактивными. Долгоживущие уран-238 ( ), уран-235 ( ) и торий-232 ( ) возглавляют соответственно урановое, актиниевое и ториевое радиоактивные семейства. В естественных условиях встречаются уран, торий и их дочерние радиоактивные продукты. Это обусловлено тем, что периоды полураспада у родоначальников семейств сравнимы с возрастом Земли, и они пока еще не распались полностью. Продукты распада могут быть, в свою очередь, радиоактивными. Это приводит к появлению радиоактивных цепочек или рядов, в которых один элемент порождает другой (или другие). Совокупность элементов, образующих такую цепочку, называется радиоактивным семейством. Схемы образования радиоактивных семейств приведены ниже.

Cхемы радиоактивного распада ядер урана и тория

( на схемах указаны виды распада ядер и периоды

их полураспада Т)

Урановое семейство

U (α) Th (β^-) Pa( β^-) U(β^-)Th (α ) Ra(α)

Rn (α) Po(α)

Pb(β^-) Bi (β^-) Po (α ) Pb (β^-) Bi (β^-) Po(α) Pb (стабильный)

Уран- актиниевое семейство.

U (α)Th (β ^-) Pa (α) Ас (β) Th (α)Ra (α)(α) Rn(α) Po(α)

Pb(β) Bi(α) Tl(β)

Pb( стабильный)

Ториевое семейство.

Тh(α) Ra(β^- ) Ac(β^- ) Th(α) Ra(α) Rn (α) Po (α) Pb (β ^-)

Bi (β) Po

α α

Tl(β ^-) Pb (cтабильный)

Среди более легких элементов лишь немногие обладают естественной радиоактивностью. Периоды полураспада у них столь велики, что они до сих пор существуют на Земле в заметных количествах. Радиоактивный калий-40, испуская бета-частицы, превращается в стабильный кальций-40 ( ) (T ~10⁹ лет). Однако он может распадаться и путем захвата электрона, превращаясь в аргон-40. Бета-активный рубидий-87 ( ), распадаясь (T ~6 10¹⁰ лет), переходит в стабильный стронций-87. Встречающийся в природе самарий-152 – единственный более легкий, чем висмут, радиоактивный элемент, испускающий альфа-частицы. Его период полураспада – 10¹² лет.

Химический элемент уран широко представлен в земной коре, хотя встречаются и рудные аномалии, из которых он сейчас и добывается.

Наиболее широко известен из уранового семейства газообразный радиоактивный радон-222, который легко выходит из недр. Газ радон в 7,5 рада тяжелее воздуха, не имеет запаха и вкуса. В окружающей среде радон встречается в двух формах: в виде радона - 222, образующегося из продуктов распада урана - 238, и в виде радона - 220, возникающего при распаде продуктов тория – 232 ( иногда называют тороном). Присутствие радона в воздухе и в воде вносит ~ 50% вклад в эквивалентную дозу, получаемую человеком от всех природных источников радиации. Превращение радона идет по следующим схемам:

(Т = 3,82 суток),

(Т = 54,5 суток).

Образующиеся при этом изотопы полония также являются - активными и имеют периоды полураспада 3,05 мин и 0,15 с, соответственно. Основная доля облучения приходится на дочерние продукты распада радона, а не от него самого. Радон высвобождается из земной коры повсеместно, и может достигать высокой концентрации внутри помещений в тех случаях, когда они в достаточной мере изолированы от внешней среды. Основную часть дозы облучения от радона человек получает находясь в закрытом, непроветриваемом помещении, в особенности подвальном, полуподвальном или в шахте. Радон поступает в помещении из грунта под зданием, просачиваясь через фундамент и пол. Другим источником радона в помещениях являются стены зданий и другие строительные конструкции, изготовленные из материалов, содержащих природные радионуклиды (граниты, глиноземы, фосфогипс, кальций - силикатный шлак и ряд других). Герметизация помещений с целью их утепления только ухудшает положение. С этой проблемой уже столкнулись в некоторых странах мира, особенно в Швеции, Финляндии, Великобритании и США, где концентрация радона в ряде обследованных зданий в (500 – 5000) раз превышала среднюю его концентрацию в наружном воздухе.

---

Смотрите также файлы

• методичка ознакомительная практика.doc

• Положение Отечество 2015.doc

• Грамматический справочник.doc

• godovoy_otchet_2011god_izmenenny.doc

• Testy_Det_Khirurgia_6kurs_Interny_kaz.doc