Радиоактивность и сопутствующие ей ионизирующие излучения существовали на Земле до зарождения на ней жизни и присутствовали в космосе до возникновения самой Земли. Даже человек слегка радиоактивен, так как в любой живой ткани присутствуют в следовых количествах радиоактивные вещества. Однако, с момента открытия явления радиоактивности прошло немногим более ста лет.

В конце 1895 г. в печати появилось сообщение об открытии профессором Вильгельмом Конрадом Рентгеном лучей, обладавших необычными свойствами. Эти лучи, которые Рентген назвал Х-лучами, свободно проходили сквозь дерево, картон и другие предметы, не прозрачные для видимого света. Впоследствии они получили название рентгеновских лучей - в часть открывшего их ученого. Это открытие стало сенсационным в научном мире.

В 1896 г. французским ученым Анри Беккерелем было открыто явление радиоактивности. На заседании Академии наук Анри Беккерель сообщил, что наблюдавшиеся им излучения, проникавшие аналогично рентгеновским лучам через непрозрачные для света предметы и вызывавшие почернение фотопластинок, самопроизвольно, без вмешательства извне, излучаются некоторыми веществами. Так было установлено, что неизвестные излучения испускаются веществами, в состав которых входит уран. Беккерель их назвал урановыми.

Дальнейшая история новооткрытых лучей тесно связана с именами Марии Складовской и ее мужа Пьера Кюри. В 1898 г. они провели исследование и обнаружили, что уран после излучения превращается в другие химические элементы. Один из них они назвали полонием, а другой радием. Супругам Кюри наука обязана глубоким всесторонним изучением нового явления, которое по предложению Марии Складовской-Кюри было названо радиоактивностью.

Радиоактивность - это способность некоторых атомных ядер самопроизвольно распадаться и испускать различные виды излучений. При этом происходит превращение атомов одних элементов в атомы других. Радиоактивные превращения свойственны лишь отдельным веществам. Вещество считается радиоактивным, если в нем идет процесс радиоактивного распада.

Радиоактивное излучение, встречающихся в природе веществ называется естественной или природной радиоактивностью, а испускаемое искусственно полученными изотопами - искусственной. Для получения искусственных радиоактивных веществ необходимо запустить реакцию деления атомного ядра. Все искусственные ядерные реакции происходят при столкновении ядра-мишени с элементарной частицей.

Поскольку все химические элементы состоят из атомов, то объектом исследования ученых многие годы был сам атом, а точнее его строение. В настоящее время известно, что атом - наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств. Атомы существуют в свободном и связанном состоянии. Размеры атома очень малы и составляют 10Ї№є м (на 1см можно разместить 100 млн. атомов), а его масса - 10Ї²⁷ кг. Изучение свойств радиоактивных элементов привело к созданию так называемой планетарной модели строения атома, предложенной английским физиком Э. Резерфордом в 1911 г. Затем она была усовершенствована датским ученым Нильсом Бором. Согласно данной модели атом похож на солнечную систему в миниатюре: вокруг крошечного ядра движутся по орбитам крошечные "планеты" - отрицательно заряженные электроны (рис. 1.1.). Размеры ядра в 100 тыс. раз меньше размеров самого атома, но плотность его очень велика, поскольку масса ядра почти равна массе всего атома. Ядро состоит из более мелких частиц, которые плотно сцеплены друг с другом. Одни из этих частиц имеют положительный заряд и называются протонами. Число протонов в ядре определяет к какому химическому элементу относится данный атом, например, ядро атома водорода содержит всего один протон, атома кислорода - 8, урана - 92. В каждом атоме число электронов равно числу протонов в ядре, а масса протона больше массы электрона.

Рис.1.1 Строение атома. А - электрон; Б - протон; В - нейтрон.

Поскольку каждый электрон несет отрицательный заряд, равный по абсолютной величине заряду протона, то в целом атом электрически нейтрален.

В ядре присутствуют и другие электрически нейтральные частицы, называемые нейтронами. Протоны и нейтроны в ядре называются нуклонами (от лат. nucleus) и имеют близкие по значению массы, поэтому масса ядра определяется, в основном, массой нуклонов в ядре. Масса атома, ядра и его составных частей измеряется в атомных единицах массы (АЕМ).1 АЕМ = 1\12 массы атома углерода-12, что составляет 1,66х10Ї²⁷ кг.

Нуклоны в ядре связаны между собой определенными силами взаимодействия. И чем сильнее взаимодействуют нуклоны между собой в данном ядре, тем большую работу нужно совершить для его разрушения. В связи с этим, энергия, которую необходимо затратить для разрушения ядра и разделения его на свободные нуклоны, названа энергией связи ядра.

Атомы с определенными числами протонов и нейтронов в ядре называются нуклидами. Ядра атомов одного и того же элемента всегда содержат одинаковое число протонов и разное число нейтронов. Атомы, имеющие ядра с одинаковым числом протонов, но различающиеся по числу нейтронов, относятся к разным разновидностям одного и того же химического элемента, называемым изотопами данного элемента. Чтобы отличить их друг от друга, к символу элемента добавляют число, равное сумме всех частиц в ядре данного изотопа. Например, уран-238 содержит 92 протона и 146 нейтронов, а уран-235 тоже 92 протона, но 143 нейтрона.

Некоторые нуклиды стабильны, то есть они никогда не претерпевают никаких превращений в отсутствие внешнего воздействия. Другие из них нестабильны, они все время превращаются в другие нуклиды. Причем этот процесс не может быть прекращен или ускорен каким либо физическим или химическим воздействием. При каждом акте распада нуклида высвобождается энергия, которая и передается дальше в виде радиоактивного излучения.

Проиллюстрируем сказанное на следующем примере: в ядре урана-238 протоны и нейтроны недостаточно прочно удерживаются силами сцепления. И периодически из ядра вырываются четыре частицы: два протона и два нейтрона (так называемая б-частица), уран-238 превращается в другой элемент - торий-234, в ядре которого содержатся 90 протонов и 144 нейтрона. Однако торий-234 также нестабилен и после определенного процесса распада ядра образуется другой элемент протактиний-234, в ядре которого содержатся 91 протон и 143 нейтрона. Далее следуют другие ядерные превращения, сопровождаемые выделением энергии и излучениями. В конечном итоге вся цепочка распада урана-238 заканчивается образованием стабильного нуклида свинца. Довольно часто нестабильный нуклид оказывается настолько возбужденным, что испускание частицы не приводит к полному снятию возбуждения. Тогда он выбрасывает порцию чистой энергии, называемую гамма-излучением.

Процесс самопроизвольного распада нестабильного нуклида называется радиоактивным распадом, а изотопы, ядра которых способны самопроизвольно распадаться называются радионуклидами. Все радионуклиды нестабильны, но одни из них более нестабильны, чем другие. Например, половина всех атомных ядер протактиния-234 в каком-либо радиоактивном источнике распадется за время, немногим больше минуты, а урана-238 за 4,5 млрд. лет. Период времени, в течение которого, в результате самопроизвольных ядерных превращений, распадается половина радиоактивных ядер, называется периодом полураспада радионуклида (ТЅ). Этот процесс продолжается непрерывно. За время, которое равно одному периоду полураспада распадутся 50 атомных ядер из 100, за следующий аналогичный промежуток времени - 25, и так далее по экспоненциальному закону.

Как уже было сказано, период полураспада у разных радионуклидов различен и колеблется в широких пределах - от долей секунды до тысяч и более лет.

Периоды полураспада некоторых радионуклидов:

Йод-131 - 8,04 суток

Йод-134 - 52,6 мин

Цезий-134 - 2,06 года

Цезий - 137 - 30,17 лет

Стронций-90 - 29,12 лет

Калий-40 - 1,4·10 лет

Плутоний-239 - 24065 лет

Радон - 222 - 3,825 суток

Радон - 220 - 51,4 сек

Уран - 238 - 4,5· 10і лет

радиоактивность ионизирующее излучение атомное ядро

Каждый радионуклид распадается с определенной скоростью. Поэтому для количественной характеристики радиоактивных распадов используется физическая величина, называемая активностью радионуклида, которая характеризуется числом распада радиоактивных ядер в единицу времени. В системе СИ за единицу измерения активности принят беккерель (Бк), в честь ученого, открывшего явление радиоактивности. Один беккерель равен одному распаду в секунду. На практике и в литературе используется и внесистемная единица измерения активности - кюри (Кu). За 1 Кu принята активность 1г радия-226.

1 Кu = 3,7 · 10№є Бк; 1 Бк = 2,7· 10Ї№№ Кu.

В дозиметрической практике используют величину удельной, поверхностной и объемной активности, которую можно записать в следующем виде: Аm (Бк/кг; Кu/кг), Аs (Бк/ мІ; Кu/ мІ), Аv (Бк/мі; Кu/ мі), где m - масса вещества; s - площадь поверхности вещества; v - объем вещества.

2. Виды ионизирующих излучений, их основные свойства