Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

• 1. Строение вещества. Электронная оболочка
• 2. Аварии на промышленных реакторах и атомных электростанциях как источники загрязнения внешней среды радионуклидами
• 3. Радиоактивное равновесие
• Список литературы

1. Строение вещества. Электронная оболочка

Все в природе состоит из простых и сложных веществ. К простым веществам относят химические элементы, к сложным -- химические соединения. Мельчайшую частицу химического элемента, которая является носителем его химических свойств, называют атомом (от греч. utomos -- неделимый). Мельчайшая частица сложного вещества -- молекула; она состоит из атомов одного или нескольких элементов.

В природе только инертные газы обнаруживаются в виде атомов, так как их внешние оболочки замкнутые; все остальные вещества существуют в виде молекул.

Атом любого элемента можно разделить на субатомные (элементарные) частицы, и в этом случае он утратит свойства, характерные для данного элемента. К элементарным частицам относят электроны, протоны, нейтроны, мезоны, нейтрино и ряд других. Однако определение "элементарные" не означает, что эти частицы простейшие, бесструктурные элементы материи. Электрон, например, так же многообразен, как и атом.

Вместе с тем изучение атомов всех элементов, входящих в периодическую систему, в конечном итоге сводится к изучению свойств и взаимодействию трех частиц -- электронов, протонов и нейтронов. Один элемент отличается от другого только числом и расположением этих частиц. В начале XX в. было выдвинуто несколько теорий строения атома, которые называли моделями атома. При помощи моделей ученые пытались объяснить различные физические свойства атомов -- линейность спектра излучения газов при высокой температуре, электрическую нейтральность и устойчивость атома и многие другие явления. В 1911 г. Э. Резерфорд предложил планетарную модель атома, которая была развита Н. Бором (1913 г.). Согласно этой модели в центре атома расположено ядро, имеющее положительный электрический заряд. Вокруг ядра перемещаются по эллиптическим орбитам электроны, образующие электронную оболочку атома.

Электронная оболочка

В зависимости от энергии, которая удерживает электроны при вращении вокруг ядра, они группируются на той или иной электронной орбите. Иначе электронную орбиту называют уровнем или слоем. Число слоев у различных атомов неодинаковое. В атомах с большой атомной массой число орбит достигает семи. Их обозначают либо цифрами, либо буквами латинского алфавита: К, L, M, N, О, Р, Q; ближайший к ядру -- К-слой. Число электронов в каждом слое строго определенное. Так, А-слой имеет не более двух электронов, Х-слой -- до 8, М-слой-- до 18, N-слой -- 32 электрона и т.д. (рис. 1).

Электроне -- устойчивая элементарная частица с массой покоя^** Масса покоя (собственная масса) -- масса частицы, скорость которой равна 0., равной 0,000548 атомной единицы массы (а.е.м.)^*** а.е.м. -- это относительная (безразмерная) величина атомной массы, которая показывает, во сколько раз атом данного элемента тяжелее ¹/₁₂ части атома изотопа углерода ¹²С. Энергетический эквивалент 1 а.е.м. составляет 931 МэВ.^*, а в абсолютных единицах массы 9,1 * 10^-28г. Энергетический эквивалент электрона составляет 0,000548*931 = 0,511 МэВ^**** В ядерной физике энергию частиц выражают в электронвольтах (эВ). Электронвольт -- энергия, которую приобретает электрон, проходящий в электрическом поле с разностью потенциалов в 1 В. Величина энергии, равная 1 тыс. эВ, называется килоэлектронвольтом (кэВ), а равная 1 млн эВ -- мегаэлектронвольтом (МэВ).^**. Электрон несет один элементарный отрицательный заряд электричества, т. е. наименьшее количество электричества, встречающееся в природе, 1,6*10^-19 Кл (4,8 * 10^-10 ед. СГСЭ). Поэтому в ядерной физике заряд электрона принят за единицу.

В атоме суммарное количество электронов на орбитах всегда равно сумме протонов, находящихся в ядре. Например, атом гелия содержит два протона в ядре и имеет два электрона на орбите, атом натрия -- 11 протонов в ядре и 11 электронов на орбитах, атом свинца -- 82 протона в ядре и 82 электрона на орбитах и т. д. Вследствие равенства суммы положительных и отрицательных зарядов атом представляет собой электрически нейтральную систему. На каждый из движущихся вокруг ядра электронов действуют две равные, противоположно направленные силы: кулоновская сила притягивает электроны к ядру, а равная ей центробежная сила инерции стремится вырвать электрон из атома. Кроме того, электроны, вращаясь по орбите, одновременно имеют собственный момент количества движения, т. е., подобно волчку, вращаются вокруг собственной оси. Собственный момент количества движения носит название "спин". Спины отдельных электронов могут быть ориентированы параллельно или антипараллельно друг другу. Все это обеспечивает устойчивое движение электронов в атоме.

Однако на связь электрона с ядром действуют не только кулоновская сила притяжения и центробежная сила инерции, но и сила отталкивания других электронов. Этот эффект называют экранировкой. Чем дальше электронная орбита от ядра, тем сильнее экранировка электронов и тем слабее энергетическая связь этих электронов с ядром. На внешних орбитах энергия связи электронов не превышает 1.. .2 эВ, тогда как у электронов А-слоя она во много раз больше и возрастает с увеличением атомного номера элемента (так, у углерода энергия связи электронов К-слоя составляет 0,28 кэВ, у стронция -- 16 кэВ, у цезия -- 36 кэВ, у урана -- 280 кэВ). Поэтому электроны внешней орбиты больше подвержены воздействию излучений низкой энергии. При сообщении электронам извне дополнительной энергии они могут переходить с одного энергетического уровня (орбиты) на другой или даже покидать пределы данного атома. Так, если воздействие будет слабее энергии связи электрона с ядром, то электрон перейдет лишь с одного энергетического уровня на другой. Такой атом остается нейтральным, однако он отличается от остальных нейтральных атомов этого химического элемента избытком энергии. Атомы, обладающие избытком энергии, называют возбужденными, а переход электронов с одного энергетического уровня на другой, более удаленный от ядра, -- процессом возбуждения. Поскольку в природе всякая система стремится перейти в положение, при котором ее энергия будет наименьшей, то и атом из возбужденного состояния переходит в первоначальное. Возвращение атома в обычное состояние сопровождается выделением избыточной энергии. Переход электронов с внешних орбит на внутренние сопровождается рентгеновским излучением с длиной волны, характерной для каждого энергетического уровня данного атома (рис. 2).

Переходы электронов в пределах наиболее удаленных от ядра орбит дают оптический спектр, который состоит из ультрафиолетовых, световых и инфракрасных лучей. При сильных электрических воздействиях электроны вырываются из атома и удаляются за его пределы. Атом, лишившийся одного или нескольких электронов, превращается в положительный ион, а присоединивший к себе один или несколько электронов -- в отрицательный. Следовательно, на каждый положительный ион образуется один отрицательный ион, т. е. возникает пара ионов. Процесс образования ионов из нейтральных атомов называют ионизацией. Атом в состоянии иона существует в обычных условиях чрезвычайно короткий промежуток времени. Свободное место на орбите положительного иона заполняется свободным электроном, и атом вновь становится электрически нейтральной системой. Этот процесс носит название рекомбинации ионов (деионизации) и сопровождается выделением избыточной энергии в виде излучения. Энергия, выделяющаяся при рекомбинации ионов, количественно примерно равна затраченной на ионизацию. Процесс ионизации атомов имеет важное практическое значение для обнаружения и дозиметрии излучений, а также для понимания биологического действия ионизирующей радиации.

2. Аварии на промышленных реакторах и атомных электростанциях как источники загрязнения внешней среды радионуклидами

Многолетний опыт эксплуатации реакторов в различных странах показывает, что при нормальном режиме их работы выброс радиоактивных продуктов деления ядерного горючего в окружающую среду сравнительно невелик. Считается, что при безаварийной работе ядерных энергетических установок проектной мощностью к 2000 г. (2*10⁶ мегаватт) в. результате поступления искусственных радионуклидов в биосферу радиационный фон, обусловленный природными источниками радиации, увеличится приблизительно на 4 %. Эта усредненная для всего мира величина, конечно, будет несколько выше вблизи реакторов и АЭС.

К сожалению, хотя предпринимаются, казалось бы, все необходимые меры для обеспечения безопасной и безаварийной работы реакторов, число "незапланированных" утечек продуктов ядерного деления в атмосферу, различного рода происшествий и аварий на этих объектах по-прежнему остается весьма значительным. По неполным данным, только на атомных электростанциях за время их эксплуатации произошло свыше 300 аварий и большое число утечек радионуклидов в атмосферу. К числу наиболее крупных аварий, приведших к серьезному загрязнению окружающей среды радионуклидами, относятся аварии в Уиндскейле (Англия) и Чернобыле (СССР).

Авария реактора в Уиндскейле. Авария произошла на одном из двух реакторов завода по производству плутония из естественного урана. В результате пожара, возникшего в активной зоне реактора и продолжавшегося в течение 4 сут (8--12 октября 1957 г.), были повреждены 150 технологических каналов, что повлекло за собой выброс радионуклидов через трубу высотой 125 м.

Рис. 2. Уровни г-радиации во внешней среде в районе Уиндскейла спустя 5 дней после аварии (Эйзенбад 1967)

Во время аварии в атмосферу поступило в общей сложности (Ки): ¹³¹I -- 20 000, ¹³²Те--12 000, ¹³⁷Cs --600, ⁸⁹Sr -- 80 и ⁹⁰Sr -- 9. Из-за метеорологических условий радионуклиды рассеялись на большой территории юго-восточной части Англии (наиболее интенсивное загрязнение) и сопредельных государствах (Бельгии, ФРГ, Голландии, Норвегии, Дании). Уровни радиации в районе, прилегающем к Уиндскейлу, показаны на рисунке 2.

В первые же дни после аварии были предприняты энергичные меры по оценке радиационной обстановки в прилегающих районах. На основании данных об измерении уровня г-радиации, концентрации радионуклидов в воздухе, траве, молоке и других продуктах питания был сделан вывод о том, что основным поражающим фактором в данной ситуации является загрязнение коровьего молока радиоактивным йодом. В связи с высокой концентрацией ¹³¹I в молоке (свыше 0,1 мкКи/л) был введен запрет на использование молока, получаемого на фермах, находящихся на территории площадью приблизительно 500 км². Всего было изъято около 3 млн л молока, запрет на использование молока в этом районе был снят через 6 нед после происшедшей аварии. Уровни загрязнения продуктов питания другими радионуклидами не превышали предельно допустимых.

Расчеты показали, что максимальные поглощенные дозы от внешнего г-излучения, которые могли бы получить люди на следе радиоактивного облака (в 5 км от реактора), были равны 30--50 мрад, т. е. примерно 10 % допустимого облучения за год. Дозы облучения щитовидной железы у людей, проживающих в районе с высокими плотностями загрязнения территории радиойодом, оказались значительно выше. Так, у детей, находившихся на расстоянии 9,6 км от источника выброса, максимальная поглощенная доза облучения в щитовидной железе была равна 16,1 рад, а на расстоянии 37 км--11,4 рад; у взрослых поглощенная доза облучения в щитовидной железе не превышала 4 рад (предельно допустимая доза облучения щитовидной железы у взрослых и детей составляет соответственно 3 и 1,5 рад).

Авария реактора на Чернобыльской АЭС. Авария, происшедшая на четвертом энергоблоке Чернобыльской АЭС (26 апреля 1986 г.), сопровождалась частичным разрушением активной зоны реактора, продолжительным горением графита и выбросом в атмосферу огромного количества радиоактивных продуктов деления. Характерная особенность этой аварии в том, что поступление в атмосферу газообразных, летучих и аэрозольных продуктов продолжалось на протяжении нескольких недель.

В докладе советской делегации на совещании экспертов в МАГАТЭ (25--29 августа 1986 г.) так характеризовалось формирование радиоактивного загрязнения (Израэль и др., 1987): "В момент аварии образовалось облако, сформировавшее затем радиоактивный след на местности в западном и северном направлениях в соответствии с метеорологическими условиями переноса воздушных масс. В дальнейшем из зоны аварии в течение длительного времени продолжала истекать струя газообразных, летучих и аэрозольных продуктов. Наиболее мощная струя наблюдалась в течение первых 2--3 сут после аварии в северном направлении, где уровни радиации 27 апреля достигали 1000 мР/ч, а 28 апреля -- 500 мР/ч на удалении 5--10 км от места аварии (на высоте 200 м). Высота струи 27 апреля, по данным, полученным с помощью авиации, превышала 1200 м в северо-западном направлении на удалении 30 км от места аварии. В последующие дни высота струи не превышала 200--400 м².

Неблагоприятные погодные условия и сравнительно большая высота подъема радиоактивных выбросов были причиной достаточно интенсивного загрязнения ряда районов Украинской ССР, Белорусской ССР и РСФСР (рис. 3). Сильный северо-западный ветер в первой половине дня аварии обусловил выпадение радиоактивных осадков на территории Финляндии и Центральной Швеции (27--28 апреля 1986 г.), а во второй половине дня ветер сменил направление и подул на запад и юго-запад, что привело к увеличению концентрации радиоактивных веществ в воздухе и выпадению радионуклидов в некоторых районах Польши, ФРГ, Швейцарии, Италии и других стран.

По расчетам в ближней и дальней зонах радиоактивного следа суммарная величина выпадений оценивается в 31 000 000 Ки (на 5 мая 1986 г.), или приблизительно 3,5 % радиоактивных продуктов деления, находившихся в реакторе к моменту аварии. На ближнем участке следа (до 40 км от места аварии) на 10 мая

1986 г. количество выпавших радионуклидов составляло 11000 000 Ки. Большая часть радиоактивного выброса падает на короткоживущие радиоактивные продукты деления. Так, из суммарного количества радионуклидов, выпавших на ближнем участке следа, на долю ¹³²Te_1/2(T_1/2 =77,7 ч) приходится 22,7%, ¹³¹I (T_1/2 =8,05 дня) --11,8, ¹⁴¹Се (T_1/2 = 31,7 дня) -- 15,4, ⁹⁵Zr (Т_1/2 =65 дней)-16,3, ¹⁰³Ru (T_1/2 =39,8 дня) -13,6 %. Особо опасных радионуклидов в радиологическом плане выпало меньше: ¹³⁷Cs --280 000 Ки (2,5 %), ⁹⁰Sr -- 85 000 Ки (0,8 % суммарного количества).

Рис. 3. Распределение г-поля на территории СССР по изоуровню мощности дозы 0,05 мР/ч на 10 июня 1986 г (Израэль и др., 1987)

Плотности выпадений радионуклидов и уровень радиации на территории, находящейся вблизи места аварии, были высоки (в первые дни после аварии уровень радиации достигал 10--15 мР/ч), но в последующем они быстро снижались в связи с распадом короткоживущих радионуклидов. Однако в целях безопасности жителей была осуществлена эвакуация всего населения из 30-километровой зоны, прилегающей к Чернобыльской АЭС. Одновременно из этой зоны был вывезен в экстренном порядке весь скот. В последующем в связи с уточнением радиационной обстановки, проведением ряда защитных мероприятий оказалось возможным провести реэвакуацию жителей в ряд населенных пунктов, безопасных для проживания и трудовой деятельности.

Как показывают приведенные примеры, промышленные реакторы и реакторы атомных электростанций могут стать дополнительным источником загрязнения биосферы искусственными радионуклидами. Загрязнение территории может быть особенно значительным в районах, непосредственно прилегающих к АЭС или промышленным реакторам. Катастрофическое загрязнение окружающей среды продуктами ядерного деления будет иметь место в том случае, если ядерный реактор окажется целью атомного удара. По расчетам американских ученых при попадании термоядерной бомбы в атомный реактор будет выброшено такое количество радионуклидов, что на, территории площадью 1200 км² все живое погибнет и здесь будет "зона смерти". Кроме того, в течение месяца после этого события на территории площадью 150 тыс. км² проживание окажется невозможным из-за высокого уровня радиации.

В течение 100 лет будет непригодной для поселения людей территория размером 500 км².

Подводя итоги, можно сказать, что все живое на Земле подвергается непрерывному воздействию природного радиационного фона. Уровень естественной радиации варьирует в широких пределах и в некоторых районах в десятки -- сотни раз превышает средние значения. Дополнительное облучение от радионуклидов, выпавших после испытаний ядерного оружия, не превышает 10 % природного радиационного фона. Загрязнение внешней среды радионуклидами при работе ядерных реакторов в нормальном режиме невелико, но может стать весьма значительным при авариях.

3. Радиоактивное равновесие

Допустим, что имеются два последовательно распадающиеся радиоактивных вещества - первое (материнское) и второе (дочернее). Предположим, что в момент времени t имеются N₁ атомов первого вещества и N₂ атомов второго вещества. Постоянные распада первого и второго вещества обозначим соответственно как л₁ и л₂. Из каждого распадающегося атома первого вещества образуется один атом второго вещества. В этом случае число атомов второго вещества, образующихся за единицу времени из первого вещества, для момента t будет равно: л₁xN₁

Однако, наряду с образованием атомов второго вещества из первого, происходит распад атомов второго вещества. Число атомов второго вещества, распадающихся за единицу времени, будет равно: xN₂

Отсюда число атомов второго вещества для момента t определится выражением: л₁xN₁-л₂xN₂

Это и есть скорость накопления дочернего элемента за счет распада материнского. В этом процессе различают два варианта:

Первое (материнское) вещество распадается быстрее второго (дочернего), т.е. л₁> л₂. В этом случае по истечении определенного отрезка времени остается только второе вещество.

Материнское вещество распадается медленнее, чем дочернее, т.е. л₁< л₂. В этом случае оба вещества сосуществуют вплоть до полного их распада, причем их количественное соотношение стремится к некоторому постоянному пределу, которое носит название радиоактивного равновесия.

При малых периодах полураспада последующие продукты весьма быстро достигают состояния радиоактивного равновесия с предыдущими продуктами. Так например, радон приблизительно за три часа достигает радиоактивного равновесия со своими последующими короткоживущими продуктами распада. Другой радиоактивный газ торон (Т = 54,5 с) практически мгновенно приходит в равновесие со своим дочерним веществом - полонием-216 (Т = 0,16 с).

Если материнское вещество распадается чрезвычайно медленно, то во всем ряду последовательно превращающихся элементов, представляющих собой радиоактивное семейство, наступает состояние радиоактивных изотопов, называемое устойчивым радиоактивным равновесием. В этом случае убыль в числе атомов какого-либо дочернего вещества будет восполняться прибылью его в результате распада предыдущего продукта. По достижении в радиоактивном ряду состояния устойчивого радиоактивного равновесия числа распадающихся в единицу времени атомов всех элементов ряда одинаковы, т.е.

атом оболочка радиоактивный равновесие

л₁N₁ = л₂N₂ = л₃N₃ = ...-л_nN_n = const

Например, в урановой руде всегда присутствуют кроме материнского вещества (урана) все дочерние элементы, в том числе радий. На один килограмм урана приходится всего 0,34 миллиграмма радия. Радиоактивное равновесие между ураном и радием наступает по истечении длительного промежутка времени и наблюдается в древних горных породах. Соотношение количества атомов двух последовательно распадающихся элементов вычисляется по формуле:

где

N₁ и N₂ - количество атомов двух радиоактивных элементов, находящихся в равновесии.

Т₁ и Т₂ - периоды полураспада этих элементов.

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