по физике на тему: «Естественная и искусственная радиоактивность» (стр. 5 из 9)

Сопровождающее распад радиоактивных ядер, гамма-излучение, испускается при переходах ядра из более возбужденного энергетического состояния в менее возбужденное или в основное.

В межзвёздном пространстве гамма-излучение возникает в результате соударений квантов более мягкого длинноволнового электромагнитного излучения, например света, с электронами, ускоренными магнитными полями космических объектов. При этом быстрый электрон передает свою энергию электромагнитному излучению и видимый свет превращается в более жесткое гамма-излучение.

Подобное явление встречается и на Земле при столкновении электронов большой энергии, получаемых на ускорителях, с фотонами видимого света в интенсивных пучках света, создаваемых лазерами. Электрон передает энергию световому фотону, который превращается в γ-квант. Можно на практике превращать отдельные фотоны света в кванты гамма-излучения высокой энергии.

Гамма-излучение не отклоняется электрическим и магнитным полями, обладает относительно слабой ионизирующей способностью и очень большой проникающей способностью (например, проходит через слой свинца толщиной 5 см). Основные процессы, происходящие при взаимодействии гамма-излучения с веществом, – фотоэлектрическое поглощение (фотоэффект*) и образование пар электрон-позитрон.

Примеры распадов: 1) α-распад ²³⁵ ₉₂ U- ²³¹₉₀ Th + ⁴₂He

2) β-распад ¹⁴ ₆ С - ¹⁴ ₇ N + ⁰_-1e

3) γ-распад ¹ ₀ n + ²³⁸ ₉₂ U - ²³⁹ ₉₂ U + γ

*Внутренний фотоэффект – это процесс, при котором атом поглощает гамма-квант и испускает электрон. Так как электрон выбивается из одной из внутренних оболочек атома, то освобождающееся место заполняется электронами из вышележащих оболочек. И фотоэффект сопровождается характеристическим рентгеновским излучением.

Таблица1. Параметры излучений

Тип	При-рода	За-ряд	Один из источ-ников	Погло-щается	Иони-зация *	Отклонение в электрич. и магнитном поле	Опасность для здоровья
Аль-фа 42Не	ядро гелия (2прото-на, 2нейтро-на)	+2	Амери-ций-241	листом бумаги	сильная	очень слабое	низкая, пока не внутри тела
Бета 0-1e	Элект-рон высо-кой энергии	-1	Строн-ций-90	5-мм листом алюминия	слабая	сильное	Повреждает клетки и ДНК
Гам-ма γ	Элект-ромагнитные волны	нет	кобальт-60	25-мм листом свинца (уменьш. интенсив-ность вдвое)	очень слабая	нет	опасно при высокой интенсив-ности

*Ионизация – процесс образования отрицательных и положительных ионов и свободных электронов из электрически нейтральных атомов и молекул.

Глава 3.

Естественная радиоактивность.

Естественная радиоактивность (или фоновое излучение) — следствие спонтанного распада естественных радиоизотопов, имеющихся в скальных породах и живой материи. Она растет с глубиной из-за окружающих скальных пород и с высотой под воздействием космических лучей. Некоторые области могут иметь высокую природную радиоактивность из-за скальных пород (например, изверженных скальных пород, таких как гранит), испускающих газ радон.

Природные радионуклиды можно разделить на две большие группы - первичные, т. е. те, которые образовались одновременно со стабильным веществом Земли, и космогенные, которые образуются постоянно в результате ядерных реакций под действием космического излучения или поступают с внеземным веществом. Очевидно, к настоящему моменту в окружающей среде присутствуют только те первичные радионуклиды, период полураспада которых соизмерим с возрастом Земли.

Таблица2. Основные первичные радионуклиды

Радионуклид	T1/2, лет	Доля в природной смеси изотопов, %
238U	4,5 • 109	99,27
235U	7,0 • 108	0,72
232Th	1,4 • 1010	100
40K	1,3 • 109	0,0117
87Rb	4,9 • 1010	27,8
150Nd	5 • 1010	5,6
147Sb	1,6 • 1011	15,07
176Lu	3,6 • 1010	2,6
138La	1 • 1011	0,089

Три первичных радионуклида — ²³⁸U, ²³⁵U и ²³²Th — являются родоначальниками естественных радиоактивных рядов*. С течением времени в естественных радиоактивных рядах установилось вековое равновесие — состояние, в

Рис.4 Пример образования естественных радиоактивных рядов. Котором радиоактивности (!но не количества ядер!) всех членов ряда равны между собой.

Вековое равновесие между радионуклидами устанавливается в том случае, если период полураспада материнского радионуклида велик по сравнению с периодом полураспада дочернего.

Накопление дочернего радионуклида подчиняется закону

А=А₀(1-е^-λt) ⁽¹⁴⁾

где А — активность дочернего радионуклида, А₀ — активность материнского радионуклида, λ — постоянная радиоактивного распада дочернего радионуклида, t — время, прошедшее с начала накопления дочернего радионуклида (предполагается, что в начальный момент присутствует только материнский нуклид).

Искусственная радиоактивность.

В природе не встречаются изотопы, распадающиеся с испусканием позитрона. Такие

*Радиоактивные ряды (радиоактивные семейства) - ряды генетически связанных радиоактивных нуклидов, в которых каждый последующий возникает в результате α- или β- распадов предыдущего.

изотопы впервые получили искусственно в 1934 г. Ф. и И. Жолио-Кюри. Они обнаружили, что при облучении потоком альфа-частиц ядра изотопа алюминия ²⁷₁₃ Al превращаются в ядра изотопа фосфора ³⁰₁₅P, при этом испускаются свободные нейтроны:

²⁷₁₃ Al + ⁴₂He = ³⁰₁₅P + ¹₀n ⁽¹⁵⁾

Искусственно полученный изотоп фосфора ³⁰₁₅P оказался радиоактивным; его ядро распадается с испусканием позитрона:

³⁰₁₅P = ³⁰₁₄Si + ⁰₁e +⁰₀ν_e ⁽¹⁶⁾

Последующие опыты по бомбардировке атомных ядер стабильных изотопов альфа-частицами, протонами, нейтронами и другими частицами показали, что искусственные радиоактивные изотопы могут быть получены практически у всех элементов.

Среди изотопов легких элементов (до кальция) стабильными являются те, в которых содержание протонов и нейтронов примерно одинаково. Нестабильными по отношению к электронному бета-распаду оказываются ядра, в которых число нейтронов заметно больше числа протонов. Изотопы с избытком протонов над числом нейтронов в ядре испытывают позитронный бета-распад.

Искусственные радионуклиды поступают в окружающую среду в результате испытаний ядерного оружия, ядерных взрывов, проводившихся в мирных целях, а также деятельности предприятий ЯТЦ. Локальными источниками служат аварии самолетов с ядерным оружием на борту, гибель подводных лодок, оснащенных атомными силовыми установками и ядерным оружием. В течение ряда лет многие страны, в том числе и СССР, сбрасывали в моря и реки жидкие радиоактивные отходы и затапливали отработавшие ядерные установки. Вклад в техногенную радиоактивность окружающей среды вносят и аварии искусственных спутников Земли с ядерными источниками энергии. Развитие атомной энергетики также привело к тому, что радионуклиды поступали и продолжают поступать в окружающую среду, как при штатной работе АЭС, так и в результате аварийных ситуаций, из которых наиболее серьезные последствия имела авария на Чернобыльской АЭС 26 апреля 1986 г.

Ядерное оружие.

Любой из нейтронов, вылетающих из ядра в процессе деления, может в свою очередь вызвать деление соседнего ядра, которое также испускает нейтроны, способные вызвать дальнейшее деление. В результате число делящихся ядер очень быстро увеличивается. Возникает цепная реакция. Ядерной цепной реакцией называется реакция, в которой частицы, вызывающие ее (нейтроны), образуются как продукты этой реакции.

Рис.5 Цепная ядерная реакция. Цепная реакция сопровождается выделением огромной энергии. При делении каждого ядра выделяется около 200 МэВ. При полном же делении всех ядер, имеющихся в 1 г урана, выделяется энергия 2,3 • 10⁴ кВт•ч. Это эквивалентно энергии, получаемой при сгорании 3 т угля или 2,5 т нефти.