Файл: ЧС и радбез. Курс лекций 2014.pdf

Самопроизвольные превращения радиоактивных ядер приводят к непрерывному уменьшению числа ядер атомов исходного радионуклида и образованию дочерних продуктов.

Для определенного радиоактивного вещества вероятность распада каждого ядра одинакова в любой момент времени, т. к. ядра распадаются независимо друг от друга.

Закон радиоактивного распада для любых превращений ядер устанавливает, что за единицу времени распадается всегда одна и та же доля нераспавшихся ядер данного радионуклида. Эту долю называют постоянной распада и обозначают . В общем виде этот закон выражается экспоненциальной зависимостью:

где N – число ядер, распавшихся за время t; N0 – начальное число ядер

радионуклида; е = 2,718; – постоянная распада, и соответствующий ей период полураспада зависит только от устойчивости ядер.

Этот закон, выражающий уменьшение количества ядер атомов радиоактивного вещества во времени, называется законом радиоактивного распада (рис. 4).

Рис. 4. График радиоактивного распада:

N0 – исходное количество радиоактивного вещества; Т1/2 – период полураспада вещества

Радионуклид может превращаться в другой радионуклид, что приводит к образованию так называемых радиоактивных цепочек.

45

Для любого момента времени

где N1 и N2 – число ядер материнского и дочернего радионуклидов; N0 – число ядер материнского радионуклида в начальный момент времени; 1 и 2 – постоянные распада материнского и дочернего радионуклидов.

Для характеристики устойчивости ядер радиоактивного вещества относительно распада используется понятие «период полураспада». Период полураспада радиоактивных веществ – промежуток времени, в течение которого в результате радиоактивного распада количество ядер данного радиоактивного вещества уменьшается в два раза. Соответственно вдвое уменьшается интенсивность ионизирующего излучения, испускаемого этим радиоактивным веществом. Между постоянной

распада ( ) и периодом полураспада (Т1/2) существует соотношение

Период полураспада для различных радионуклидов имеет протяженность от долей секунды до миллиардов лет. Соответственно, и радиоактивные вещества разделяют на короткоживущие (часы, дни) и долгоживущие (многие годы).

Например: 21484 Po (Т1/2 = 1,6 10–4с); 23892 U (Т1/2 = 4,47 1010 лет).

Период полураспада – одна из основных характеристик радиоактивных веществ, которую учитывают при их практическом применении. Так, при гамма-терапии предпочтение отдают радиоактивным веществам с большим периодом полураспада.

Например: 13755 Cs (Т1/2 = 30 лет); 2760 Co (Т1/2 = 5,25 года).

При введении радиоактивных веществ в организм с диагностической целью стремятся свести к минимуму дозу облучения органов и

46

тканей, поэтому используют радиоактивные вещества, период полураспада которых невелик.

Например: 2411 Na (Т1/2 = 14,9 ч), 13253 I (Т1/2 = 2,3 ч).

3.4. Активность и единицы измерения

Активность есть мера интенсивности распада радионуклида, она определяется как количество распадов ядер атомов радиоактивного вещества в единицу времени, т. е. как скорость распада ядер.

Если радиоактивное вещество содержит N атомов и – его постоянная распада, выражающая долю распадающихся атомов в единицу времени, то активность будет равна

Известно, что постоянная радиоактивного распада и период полураспада Т1/2 связаны соотношением

T1/ 2

Моль вещества содержит 6,02 1023 атомов. В массе m вещества с массовым числом А число атомов N равно

Тогда активность источника выражается формулой

где Аn – активность радионуклида, Бк; m – масса радионуклида, г; А – массовое число радионуклида; Т – период полураспада радионуклида, с.

Активностьисточника, в котором содержатся радиоактивные ядра одного вида, уменьшается во времени по экспоненциальному закону:

t – текущее время, которому соответствует активность вещества An.

47

Чем меньше период полураспада, тем большая доля ядер атомов радионуклида распадается в единицу времени. Число распадов в единицу времени в данном количестве радиоактивного вещества выражает активность вещества. Поэтому количество радиоактивного вещества удобнее выражать не в весовых единицах, а в единицах активности.

Единицей измерения активности в Международной системе единиц (СИ) является Беккерель (Бк). Единица названа в честь первооткрывателя радиоактивности французского ученого Анри Беккереля. Беккерель равен активности нуклида в радиоактивном источнике, в котором за время 1 с происходит 1 распад, т. е. 1 Бк = 1 расп./с.

В практике применяется и внесистемная единица измерения активности – Кюри (Ки). Кюри равен активности нуклида в радиоак-

тивном источнике, в котором за время 1 с происходит 3,7 1010 распа-

дов, т. е. 1 Ки = 3,7 1010 Бк, такой активностью обладает 1 г радия, и радиоактивность 1 г Rа была принята за единицу измерения Кюри.

1 Бк = 1 расп./с = 2,703 10–11 Ки.

Вес радионуклида активностью 1 Ки тем больше, чем медленнее распадается вещество, т. е. чем больше период его полураспада. Так,

для 1124 Nа (Т1/2 = 15 ч) масса = 0,1 г; для 23994 Рu (Т1/2 = 24,4 тыс. лет) мас-

са = 16 г; для 23892 U (Т1/2 = 4,5 млрд. лет) масса = 3 т.

Для характеристики загрязненности продуктов питания, воды, строительных материалов, почвы и т. д. используются: удельная активность Аm = Аn / m, объемная активность АV = Аn / V и поверхностная активность Аs = Аn / S, где m и V – соответственно масса и объем препарата пробы с активностью Аn, а S – площадь загрязненной поверхности.

Удельная активность Аm измеряется в единицах СИ в Бк/кг, объемная активность АV – в Бк/м3, поверхностная активность – в Бк/м2. На практике такжеиспользуютсявнесистемныеединицыактивности(табл. 4).

Таблица 4

Единицы измерения радиоактивности

Выбор единиц этих величин определяется конкретной задачей. Например, допустимую концентрацию радионуклидов в воде

(объемную активность) удобнее выражать Бк/л, а в воздухе – в Бк/м3.

Если плотность пробы = 1 кг/л (например, воды), измеренные значения объемной активности АV, Бк/л, численно совпадают с удельной активностью Аm, Бк/кг.

Если плотность пробы отличается от 1 кг/л, удельную активность пробы можно найти по формуле

3.5. Деление тяжелых ядер и цепная реакция деления

В настоящее время многие природные легкодоступные ресурсы планеты исчерпываются. Добывать сырье приходится на большой глубине или на морских шельфах. Ограниченные мировые запасы нефти и газа, казалось бы, ставят человечество перед перспективой энергетического кризиса. Однако использование ядерной энергии и угля дает человечеству возможность избежать этого. Результаты фундаментальных исследований физики атомного ядра позволяют отвести угрозу энергетического кризиса путем использования энергии, выделяемой при некоторых реакциях деления атомных ядер.

Между нуклонами, составляющими ядро атома, действуют особого рода силы, называемые ядерными. Они действуют на очень малых расстояниях – только между соседними нуклонами – и по величине намного больше гравитационных и электромагнитных сил, поэтому ядра большей части химических элементов чрезвычайно прочны.

Прочность ядер характеризуется энергией связи, которая зависит от общего числа нуклонов в ядре, а также от количественного соот-

ношения в нем протонов и нейтронов. Например, 23892 U содержит в ядре 92 протона и 146 нейтронов, 23592 U – 92 протона и 143 нейтрона. Известно, что 23592 U делится в ядерных реакторах под действием медленных и быстрых нейтронов, а 23892 U не делится.

Чем больше по абсолютной величине удельная энергия связи, тем прочнее ядро. Поэтому всякое превращение одних атомов в другие, связанное с изменением числа нуклонов в их ядрах, должно сопровождаться выделением энергии, если ядра получаются более прочные (с большей энергией связи), или поглощением энергии, если

49