Размещено на http://www.allbest.ru/

10

СОДЕРЖАНИЕ

• 1. Ионизирующее излучение 2
• 2. Радиоактивные аэрозоли в стратосфере и тропосфере 10
• 3. Ядерные силы, дефект массы 12
• Список литературы 16

1. Ионизирующее излучение

Во время радиоактивного распада ядер испускаются ?-, ?- и ?- лучи, обладающие ионизационной способностью. Облучаемая среда частично ионизируется поглощаемыми лучами. Эти лучи взаимодействуют с атомами облучаемого вещества, что приводит к возбуждению атомов и вырыванию отдельных электронов из их электронных оболочек. В результате атом превращается в положительно заряженный ион (первичная ионизация). Выбитые электроны, в свою очередь, сами взаимодействуют со встречными атомами, вызывая вторичную ионизацию. Электроны, затратившие всю энергию, «прилипают» к нейтральным атомам, образуя отрицательно заряженные ионы. Число пар ионов, создаваемых в веществе ионизирующими лучами на единице длины пробега, называется удельной ионизацией, а расстояние, пройденное ионизирующей частицей от места ее образования до места потери энергии движения, называется длиной пробега.

Ионизирующая способность различных лучей неодинакова. Она наиболее высока у альфа-лучей. Бета-лучи вызывают меньшую ионизацию вещества. Самой низкой ионизационной способностью обладают гамма-лучи. Проникающая же способность наивысшая у гамма-лучей, а наинизшая - у альфа-лучей.

Не все вещества одинаково поглощают лучи. Высокой поглощающей способностью обладают свинец, бетон и вода, которые чаще всего и используют для защиты от ионизирующих излучений.

Альфа-лучи представляют собой положительно заряженные частицы - ядра атомов гелия (⁴₂Не), движущиеся со скоростью около 20 000 км/с.

При альфа-распаде из ядра выбрасывается альфа-частица. Вследствие того, что массовое число ее равно 4, а порядковый номер - 2, ядро, образовавшееся после распада, имеет порядковый номер на 2 единицы, а массовое число на 4 единицы меньше, чем до распада. В периодической системе элементов такой элемент перемещается на 2 клетки влево. Эта закономерность носит название правила сдвига, сформулированного в 1910 году английским физиком Содди. Например, при распаде естественного ядра урана-238 испускается альфа-частица и образуется ядро тория-234:

²³⁸₉₂U > ⁴₂He + ²³⁴₉₀Тh

Как видно из приведенной атомной реакции, суммы верхних и нижних чисел справа и слева от стрелки равны.

Альфа-частицы имеют большие размеры, по сравнению с другими элементарными частицами. Обладая энергией 4-9 МэВ, они вылетают из распавшегося ядра с огромной скоростью, пробегая в воздухе 8-9 см и ионизируя его. В мягкую биологическую ткань альфа-частицы проникают лишь на глубину в несколько десятков микрон. Их можно остановить листком бумаги. Однако, замедляя движение и теряя свою энергию, они вызывают сильную ионизацию. Поэтому альфа-частицы особенно опасны при попадании внутрь организма.

Бета-лучи представляют собой поток быстрых электронов или позитронов, несущихся со скоростью, приближающейся к скорости света. Они возникают при бета-распаде ядер, который существует в трех вариантах.

В первом случае внутри ядра нейтрон превращается в протон. В результате из ядра вылетает быстрый электрон и нейтральная частица очень малой массы - антинейтрино. Заряд ядра увеличивается на одну единицу, а массовое число не меняется (массой нейтрино можно пренебречь). Вновь образовавшийся элемент перемещается в периодической таблице на одну клетку вправо. Например:

Во втором случае бета-распада ядро испускает позитрон, который является античастицей электрона. В результате один из протонов превращается в нейтрон. Процесс сопровождается испусканием нейтрино. Атомный номер дочернего ядра на единицу меньше, чем материнского.

Например:

В периодической таблице вновь образованный элемент перемещается на одну клетку влево.

При третьем варианте бета-распада ядро поглощает один электрон из электронных орбит своего атома (К- L- или М-захват), в результате чего один из протонов превращается в нейтрон. При этом испускается нейтрино. Атомный номер дочернего ядра уменьшается на одну единицу.

Например:

При электронном и позитронном распаде выделяются гамма-фотоны (гамма-лучи), а электронный захват сопровождается рентгеновскими лучами.

Таким образом бета-лучи возникают лишь в случае первого и второго вариантов бета-распада и представляют собой поток электронов и позитронов. Энергия бета-лучей находится в пределах от десятков кэВ до 3,5 МэВ. Размер этих частиц очень мал, длина их пробега в воздухе составляет несколько метров, а в ткани - 1-2 сантиметра. Свою энергию они отдают на протяжении более длинного следа, чем альфа-частицы. Бета-частицы вызывают ожоги.

Гамма-излучение (ионизирующее коротковолновое электромагнитное излучение) имеет различную природу. Прежде всего это гамма-излучение, испускаемое радионуклидами при альфа- и бета-распаде. Испускаемые кванты имеют строго определенную энергию, зависящую от энергии возбужденных состояний ядер. При гамма-излучении превращения элементов не происходит, поскольку заряд и масса ядра не изменяются.

Гамма-кванты получают также в электронных ускорителях, когда пучок ускоренных электронов тормозится мишенью из тугоплавкого металла (вольфрама, тантала). Энергия этого гамма-излучения равна энергии ускоренных электронов.

Гамма-излучение сходно со световым, но отличается от него длиной волны (менее 10 нм). Оно проходит в воздухе большие расстояния со скоростью света и глубоко проникает в живые ткани, ионизируя их на протяжении длинного следа. Действие гамма-лучей зависит от их числа и энергии, а также от расстояния между организмом и источником излучения.

Таким образом, наибольшей проникающей способностью обладают гамма-лучи, а наименьшей - альфа-лучи. Ионизирующая способность альфа-лучей очень высокая, а гамма-квантов - низкая. Бета-лучи занимают в этом отношении промежуточное положение. Исходя из указанных свойств легко заключить, что радиоактивные вещества, испускающие альфа- и бета-частицы, наиболее опасны при попадании внутрь организма. Гамма-лучи оказывают разрушающее действие при нахождении источника радиации как внутри организма, так и вне его (рис. 1). Альфа- и бета-лучи отклоняются в магнитном поле, а гамма-лучи - нет (рис. 2).

Кроме альфа-, бета- и гамма-лучей существуют другие типы излучения, в частности, рентгеновское, космическое и нейтронное.

Рентгеновские лучи. Открыты немецким физиком В.К. Рентгеном. Они имеет электромагнитную природу. Длина волны рентгеновских лучей 10⁵-10² нм. Они возникают при торможении быстрых электронов мишенями из тяжелых металлов (например платины). Длина волны рентгеновских лучей тем меньше, чем больше скорость тормозимых мишенью электронов. Проникающая способность коротковолновых рентгеновских лучей особенно велика, а ионизирующие свойства - минимальны. Рентгеновские лучи получают искусственно в рентгеновских трубках, электронных ускорителях. Они испускаются также космическими телами и некоторыми радионуклидами. Ввиду малой ионизирующей способности, рентгеновские лучи широко применяют в медицине, науке и технике.

Рис. 1. Характер действия ионизирующего излучения.

А - источник излучения снаружи объекта. Б - источник излучения внутри объекта.

Рис. 2. Поведение радиоактивных лучей в магнитном поле.

Космические лучи. Различают первичное и вторичное космическое излучение. Первичные космические лучи представляют собой поток частиц высоких энергий, приходящих на Землю из космоса и возникающих в процессе термоядерных реакций в недрах Солнца и звезд. Среди них преобладают протоны (ядра водорода) - около 85% и альфа-частицы (ядра гелия) - около 13%. Кроме того в состав космического излучения входят электроны, позитроны, гамма-кванты и нейтрино.

На орбите Земли скорость космических частиц примерно равна 300 км/с, т.е. около 0,001 с (где с - скорость света). Плотность космических частиц на орбите Земли зависит от интенсивности термоядерных реакций на Солнце. В спокойные периоды деятельности Солнца плотность первичных космических частиц на орбите Земли на высоте 50 км от ее поверхности равна 1-2 част./см² с. В периоды усиления активности Солнца количество их может достигать 100 част./см² с.

Первичные космические частицы, обладая огромной энергией (в среднем 10 ГэВ) и скоростью, взаимодействуют с ядрами атомов, составляющих атмосферу, и рождают вторичное излучение, состоящее из всех известных элементарных частиц (электронов, нейтронов, фотонов, позитронов, мезонов и др.). На высоте ниже 20 км космические лучи почти полностью носят вторичный характер.

Элементарные частицы, составляющие вторичное космическое излучение, под действием магнитного поля Земли образуют вокруг нее два радиационных пояса - внешний и внутренний. На широте экватора внешний пояс расположен на расстоянии 20-60 тыс. км, а внутренний - на расстоянии 600-6000 км от поверхности Земли. На некоторых участках внутренний пояс может опускаться на расстояние до 300 км от поверхности Земли.

Поскольку среди элементарных частиц радиационных поясов преобладают электроны и позитроны, то плотность частиц измеряется количеством электронно-позитронных пар на квадратный сантиметр в секунду. Плотность потока частиц во внешнем и внутреннем радиационных поясах равны соответственно 2107 и 1105 электрон/см² с.

Заряженные частицы вторичного космического излучения движутся вдоль силовых линий магнитного поля Земли, которое является для них ловушкой. В итоге в радиационных поясах нашей планеты потоки заряженных частиц в сотни миллионов раз превышают потоки солнечного ветра в космическом пространстве. На поверхность Земли попадает главным образом вторичное космическое излучение, которое создает ионизацию компонентов атмосферы. Интенсивность ионизации возрастает с увеличением высоты. На уровне моря она минимальна, а на высоте 12-16 км достигает максимума. Ионизация, вызываемая космическими лучами, возрастает в направлении от экватора к полюсам, что является следствием отклонения первично заряженных космических частиц магнитным полем Земли.

У космических частиц есть так называемые мягкая и жесткая компоненты (составные части). Мягкая компонента состоит из электронов, позитронов и фотонов. По своей проникающей способности она близка к гамма-излучению. Жесткая компонента состоит из мю-мезонов и нейтрино. Жесткая компонента космического излучения обладает очень высокой проникающей способностью. Мю-мезоны могут проникать в толщу литосферы до 3 км, а нейтрино пронизывают Землю насквозь, улетая далее в космос.

Космические лучи и ионизирующее излучение, испускаемое природными радиоактивными веществами, содержащимися в воде, почве и горных породах, образуют фоновое излучение, к которому адаптирована ныне существующая биота. Выдающийся русский радиобиолог А.М.Кузин полагает, что атомная радиация природного радиоактивного фона явилась одним из главных факторов происхождения жизни на Земле и необходима для нормального существования современных живых организмов.

Обычно интенсивность гамма-излучения на высоте 1 метр от поверхности Земли колеблется от 10 до 15 мкР/ ч, иногда достигая 25 мкР/ч. В разных частях биосферы естественный фон различается в 2-3 раза. Например, в горах на высоте 3 км он в 3 раза выше, чем на уровне моря. Однако есть районы, где радиационный фон превышает обычный в десятки и сотни раз. Например, в Бразилии, к северу от Сан-Паулу, есть возвышенность с уровнем радиационного фона в 800 раз выше среднего. Доза годового облучения там составляет 250 мЗв. Подобные районы есть в Индии (г. Коччи в штате Керала), Китае (округ Яйцюань), Нигерии, на Мадагаскаре, в Австрии и во многих других регионах. Повышенный радиационный фон в этих участках планеты обусловлен выходом на поверхность горных пород, содержащих аномально высокое количество радионуклидов семейств урана и тория. К таким петрографическим ассоциациям относятся щелочные граниты, сиениты, фосфориты, битуминозные осадочные породы. Человек, фауна и флора этих районов в течение длительного времени приспособились к высокому естественному фону и никаких негативных отклонений в развитии живых организмов там не наблюдается.

Искусственная радиоактивность - это радиоактивность, добавленная к фону и возникает она за счет техногенных факторов. Крупные аварии на ядерных установках приводят к местным или глобальным вспышкам радиационного фона. Так, во время аварии на Чернобыльской АЭС радиационный фон в Киеве превышал естественный в десятки раз.

Нейтронное излучение. Как и космическое излучение, оно представляет собой косвенный интерес для эколога.

Нейтроны - крупные незаряженные частицы, которые сами по себе не вызывают ионизации, но выбивая атомы из их стабильных состояний, создают наведенную радиоактивность в нерадиоактивных материалах или тканях организма. Нейтроны бывают быстрые и медленные. Быстрые нейтроны вызывают в 10, а медленные - в 5 раз большие поражения, чем гамма-лучи. Энергия быстрых нейтронов может достигать 20 МэВ. Быстрые нейтроны эффективно замедляются водосодержащими веществами (вода, бетон, пластмассы). С этим излучением можно встретиться вблизи атомных реакторов и в местах ядерных взрывов.

2. Радиоактивные аэрозоли в стратосфере и тропосфере

радиоактивный нуклид фракционирование

Радиоактивные аэрозоли в атмосфере. Основным источником загрязнения объектов внешней среды являются радиоактивные аэрозоли, вносимые в атмосферу в результате ядерных взрывов, а также аварий и разрушений атомных электростанций и предприятий ядерно-топливного цикла. Радиоактивные аэрозоли, инжектированные в атмосферу, постепенно осаждаются и загрязняют биосферу. Так как растения выращивают на открытой местности, они оказываются практически не защищенными от радиоактивных осадков. Растения могут загрязняться двумя путями: первый -- аэральный, или некорневой, путь, рассмотрению которого посвящена данная глава, и второй -- корневой, или почвенный, путь поступления. Аэральное радиоактивное загрязнение растений происходит в результате выпадения радиоактивных осадков из атмосферы.

В зависимости от источника и условий формирования радиоактивных осадков характер выпадений и их физико-химические свойства сильно различаются, что сказывается на степени и размерах загрязняемой территории. Радиоактивные вещества могут выпасть в течение первых суток вблизи места взрыва, образуя так называемые локальные выпадения, или, поступив в верхние слои атмосферы, задержаться в стратосферных и тропосферных резервуарах. В результате наземных ядерных взрывов мощностью менее 1 мегатонны доля локальных выпадений составляет 80 %, а от воздушных взрывов такой же мощности все 100 % представлены тропосферными выпадениями. При мощности более 1 мегатонны значительная часть радиоактивных аэрозолей попадает в стратосферный резервуар (от воздушного взрыва 99 % и от наземного -- 20 %). Радиоактивные выпадения от наземных ядерных взрывов представляют собой оплавленные частицы грунта, на котором произведен взрыв. При проведении взрывов на почвах, сформированных на подстилающих силикатных породах, образуются крупнодисперсные остеклованные частицы, практически нерастворимые. При проведении взрывов на почвах, образовавшихся на карбонатных почвообразующих породах, формируются хорошо растворимые радиоактивные частицы независимо от их дисперсности.

Фракционирование радионуклидов. В период формирования аэрозольных частиц в стратосфере и тропосфере происходит так называемое фракционирование радионуклидов, т. е. в период конденсации испарившегося во время взрыва вещества имеет место избирательный захват изотопов формирующимися частицами. Фракционирование радионуклидов определяется мощностью ядерного взрыва и местом его проведения.

Такие изотопы тугоплавких элементов, как ⁹⁵Zr, ¹⁴⁴Ce, ¹⁸¹W, ¹⁸⁵W, ⁹¹V, в результате конденсации и коагуляции включаются в состав крупных твердых частиц. Радиоактивные изотопы стронция и цезия не принимают участия в процессе конденсации, они адсорбируются на поверхности мелких твердых частиц и в парах влаги, образуя таким образом мелкодисперсные аэрозоли.

Фракционирование радионуклидов в радиоактивных выпадениях приводит к неравномерному очищению атмосферы от продуктов деления. Это прежде всего обусловлено тем, что скорость оседания частиц различного размера неодинакова. Крупные частицы выпадают быстрее, мелкие -- медленнее. Период полувыведения из стратосферы крупнодисперсных частиц, обогащенных сравнительно короткоживущими радионуклидами (⁹⁵Zr, ¹⁴¹Се, ¹⁴⁴Се, ¹⁸¹W, ¹⁸⁵W, ⁹¹V), примерно в 2 раза короче периода полувыведения долгоживущих радионуклидов ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs. Это различие определяется эффектом фракционирования в процессе формирования аэрозольных частиц.

Стратосферный и тропосферный резервуары -- источник повсеместных (глобальных) выпадений радиоактивных веществ. Тропосферный резервуар сравнительно быстро очищается, период полуочищения его колеблется в пределах 2--3 нед. Пребывание в тропосфере долгоживущих радионуклидов обычно не превышает 30 сут. В ряде случаев наблюдается более высокая скорость выведения ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs из нижних слоев атмосферы -- в течение 5 сут.

Стратосферный резервуар очищается гораздо медленнее. Среднее время пребывания радиоактивных веществ в стратосфере зависит от высоты и мощности взрыва, географической широты места проведения взрыва, времени года и метеорологических условий. При проведении взрывов в полярных широтах Северного полушария среднее время пребывания в нижних слоях атмосферы обычно составляет примерно 6 мес, а при проведении ядерных взрывов в средних широтах увеличивается до 2--3 лет.

3. Ядерные силы, дефект массы

Если ядра атомов состоят только из нуклонов (протонов и нейтронов), то как объяснить устойчивость этих ядер? Казалось бы, одноименно заряженные протоны согласно закону Кулона, отталкиваясь друг от друга, должны были бы разлететься в разные стороны. Однако в действительности ядра атомов очень прочные образования. Следовательно, внутри ядра должны действовать большие силы сцепления как между протонами и нейтронами, так и между одноименными частицами. Расчеты показывают, что ими не могут быть гравитационные силы, действующие в соответствии с законом всемирного тяготения, так как их величина во много раз меньше сил электрического отталкивания протонов. Значит, ядерные силы представляют собой новый вид сил, природа которых изучена еще недостаточно. Считают наиболее вероятным, что ядерные силы возникают в процессе непрерывного обмена между нуклонами и особыми частицами (квантами ядерного поля), которые называют пи-мезонами или пионами. Ядерные силы короткодействующие. Они значительны только на очень малых расстояниях, сравнимых с поперечником самих ядерных частиц (10^-13 см). С увеличением расстояния между ядерными частицами ядерные силы очень быстро уменьшаются и становятся практически равными нулю. Ядерные силы обладают свойством насыщения, т. е. каждый нуклон взаимодействует только с ограниченным числом соседних нуклонов. Поэтому при увеличении числа нуклонов в ядре ядерные силы значительно ослабевают. Этим объясняется меньшая устойчивость ядер тяжелых элементов, в которых содержится значительное количество протонов и нейтронов. Чтобы разделить ядро на составляющие его протоны и нейтроны и удалить их из поля действия ядерных сил, надо совершить работу, т. е. затратить энергию. Эту энергию называют энергией связи ядра. При образовании ядра из нуклонов выделяется энергия связи.

Если рассчитать массу ядра, например атома гелия, по формуле

m_я = m_рN_р + m_nN_n,

где т_я -- масса ядра; т_p -- масса протона; N_p -- число протонов; т_п -- масса нейтрона; N_n -- число нейтронов,

то она будет равна

т_я = 1,0076 * 2 + 1,0089 * 2 = 4,033 а.е.м.

Вместе с тем фактическая масса ядра гелия равна 4,003 а.е.м. Таким образом, фактическая масса ядра гелия оказывается меньше расчетной на величину 0,03 а.е.м. В этом случае говорят, что ядро имеет дефект массы (недостаток массы). Разницу ?m между расчетной и фактической массой ядра называют дефектом массы.

Дефект массы показывает, насколько прочно связаны частицы в ядре, а также сколько энергии выделилось при образовании ядра из отдельных нуклонов. Этот расчет можно провести на основании уравнения взаимосвязи между массой и энергией, выведенного А. Эйнштейном:

Е = тс²,

где Е-- энергия, эрг; т -- масса, г; с -- скорость света, равная 3 * 10¹⁰ см/с.

В соответствии с этим законом масса и энергия представляют собой разные формы одного и того же явления. Ни масса, ни энергия не исчезают, а при соответствующих условиях переходят из одного вида в другой, т. е. любому изменению массы ?m системы соответствует эквивалентное изменение ее энергии ?Е:

?Е=?тс².

Учитывая, что 1 а.е.м. = 1,6 * 10^-24г, подсчитаем по этому уравнению энергию, которая выделится при образовании ядра гелия из отдельных нуклонов:

?Е= 0,03 * 1,6 * 10^-24 (3 * 10^-10)² = 4,5 * 10^-5 эрг.

Как уже отмечалось, в ядерной физике за единицу энергии принят электронвольт, поэтому энергию связи ядра можно выразить в электронвольтах, исходя из того, что энергетический эквивалент 1 а.е.м. составляет 931 МэВ:

?Е= 0,03 * 931 = 27,93 МэВ = 28 МэВ.

Если бы существовал способ разделения ядра атома гелия на два протона и два нейтрона, то для этого потребовалось бы затратить не менее 28 МэВ энергии.

Среднюю энергию связи, приходящуюся на один нуклон, называют удельной энергией связи. Для гелия она составляет 28 :4 = 7 МэВ. Следовательно, зная дефект массы, можно легко вычислить энергию связи ядра. Энергия связи ядер соразмерно возрастает с увеличением числа нуклонов, однако нестрого пропорционально их числу. Например, энергия ядра дейтерия составляет 2,2 МэВ, азота -- 104,56, а урана-- 1800 МэВ. Если не считать самых легких ядер (дейтерий, тритий), то энергия связи на один нуклон составляет для всех ядер примерно 8 МэВ.

Для сравнения необходимо напомнить, что химическая энергия связи атомов в молекулах в расчете на один атом равна нескольким электронвольтам (2...5 эВ). Именно этим объясняется, что ядерные реакции характеризуются в миллион раз большими энергиями, чем обычные химические реакции.

Таким образом, закон взаимосвязи массы и энергии показывает, откуда возникает та колоссальная энергия, которая выделяется при синтезе и делении ядер.

Список литературы

1. Анненков Б.Н., Юдиннева Е.В. Основы сельскохозяйственной радиологии.-- М.: Агропромиздат, 1991. -- 287 с: ил.

2. Радиобиология/ А.Д. Белов, В.А. Киршин, Н.П. Лысенко, В.В. Пак и др.; Под ред. А.Д. Белова. -- М.: Колос, 1999. -- 384 с: ил.

3. Старков В.Д., Мигунов В.И. Радиационная экология. Тюмень: ФГУ ИПП «Тюмень», 2003, 304 с.

Размещено на Allbest.ru