Физическая природа и источники радиационной опасности для человека, объектов и природной среды

Например,

16 17 18

изотопы О 2 8 О 2, 8 О 2, 8 О 2.

Первый из них в природе представлен на 99,7575 %, второй – на 0,0392 %, третий – на 0,2033 %. Природный калий представлен тремя изотопами: 39 К, 40 К и 41 К, соответственно 93,08, 0,0119 и 6,91 %.

Причина явления радиоактивности, как уже говорилось, находится в строении ядер. Если рассчитать отношение числа протонов к числу нейтронов в ядрах изотопов химических элементов, то нетрудно убедиться, что с увеличением массового числа нейтроны начинают преобладать над протонами. Так, у скандия (заряд 21, массовое число 45) нейтронов на 3 больше, чем протонов, а у 238 U при 92 протонах 146 нейтронов. Это относится и к искусственным радионуклидам ( 131I, 137Cs, 90Sr и др.) по сравнению с их стабильными изотопами. Причем для искусственных и некоторых естественных радиоизотопов отмечается и обратное явление, когда количество нейтронов меньше по сравнению с количеством протонов.

Очевидно, при нарушении отношения протонов и нейтронов в ядре изотопа по сравнению с оптимальным для данного химического элемента массовым числом может наступить вероятность такого расклада внутриядерных сил, при котором ядро не может существовать и должно потерять часть своей массы для возврата в устойчивое состояние. Потеря этой массы происходит обычно в виде испускания элементарной частицы или легкого ядра и выброса энергии в виде кванта электромагнитного излучения. Это явление носит название радиоактивного распада ядер. Характерной его особенностью является отсутствие факторов, способных повлиять на данный процесс.

По соотношению суммы масс протонов и нейтронов к измененной массе ядра рассчитывается дефект массы – показатель устойчивости ядер. Он как раз и зависит от соотношения числа протонов и нейтронов в ядре. По нему установлено, а экспериментально подтверждено, что с 83-го порядкового номера элементов таблицы Менделеева (висмута) в природе нет стабильных химических элементов.

Явление радиоактивности. Виды радиоактивного распада

Радиоактивность – самопроизвольное превращение одних атомных ядер в другие, сопровождаемое испусканием одной или нескольких частиц. Таким превращениям подвержены только нестабильные, радиоактивные ядра (радионуклиды). Самопроизвольное превращение ядра называют также радиоактивным распадом. Радиоактивный распад сопровождается выделением энергии и возбуждением в веществе других процессов, при этом выполняются законы сохранения энергии, импульса, момента импульса и электрического заряда. В процессе радиоактивного распада у ядра могут изменяться как массовое число А, так и атомный номер Z, но полное число нуклонов остается неизменным, хотя нуклоны одного вида способны превращаться в нуклоны другого вида (протоны – в нейтроны и наоборот).

Различают естественную и искусственную радиоактивность. Естественная радиоактивность наблюдается у существующих в природе изотопов, а искусственная – у изотопов, полученных в результате ядерных реакций.

Ядра, претерпевающие радиоактивные превращения, называют материнскими, а образующиеся в процессе радиоактивного распада – дочерними.

Радиоактивность – явление статистическое. Одинаковые радионуклиды распадаются независимо друг от друга за разное время. Однако наблюдение очень большого числа одинаковых радионуклидов показывает, что хотя нельзя указать, какие именно ядра распадаются за рассматриваемый промежуток времени, можно практически с полной достоверностью предсказать число ядер, которые испытают радиоактивный распад за этот промежуток времени. Чем больше исходное число радионуклидов, тем точнее это вероятностное предсказание.

Закон радиоактивного распада

Время, в течение которого претерпевает радиоактивный распад половина ядер данного радиоактивного элемента от первоначального его количества, называется периодом полураспада.

Для разных радионуклидов период полураспада различен, например для

238U – 4,5 млрд. лет, 14 С - 5730 лет,

232 Th - 13 млрд. лет, 226 Ra - 1620 лет,

214 Po – 160 мкс.

Закон радиоактивного распада записывается следующей формулой

N = N 0 * е (- 0,693 t/Т),

где N – количество ядер по истечении времени t; N0 – начальное количество ядер; t – время, в течение которого определяется количество распавшегося вещества; T – период полураспада данного радиоактивного элемента.

Если в начальный момент времени t=0 в радиоактивном препарате содержалось большое число N0 радионуклидов данного типа, то спустя некоторое время t их число уменьшится и станет равным

N = N0 e – lt,

где l - постоянная распада, характеризующая вероятность распада ядра за единицу времени. Эта формула также выражает основной закон радиоактивного распада. Время t можно отсчитать от любого момента, принимаемого за начальный.

Время Т1/2, в течение которого первоначальное число радиоактивных ядер (N0) уменьшается в два раза (N = 1/2N0), называется периодом полураспада. Величины Т ½ и l связаны соотношением

ln 0,693

Т 1/2 = ------ = --------- .

l l

Периоды полураспада у различных радионуклидов изменяются в очень широком интервале: от долей секунды до миллиардов лет. Очевидно, что спустя время Т1/2, 2Т1/2, 3Т1/2, 4Т1/2 и т.д. в радиоактивном препарате будет оставаться соответственно 1/2, 1/4, 1/8, 1/16 и т.д. часть первоначального числа радионуклидов (рис. 1).

N

0

Т1/2 2Т1/2 3Т1/2 4Т1/2 t

Рис. 1. Кривая радиоактивного распада.

Отметим, что для каждого радионуклида и постоянная распада l, и период полураспада Т1/2 всегда имеют одно и то же значение. Это связано с тем, что процесс радиоактивного распада не зависит от способа получения радиоактивных ядер и от их общего количества, а также от внешних физических и химических условий (давления, температуры, химических реакций и т.д.).