Реферат: Врезультате катастрофы на Чернобыльской аэс радиоактивному загрязнению подверглось более 1,8 млн га сельхозугодий, т е

ВВЕДЕНИЕ


В результате катастрофы на Чернобыльской АЭС радиоактивному загрязнению подверглось более 1,8 млн. га сельхозугодий, т.е. около 20% их общей площади, из которых 106 тыс. га были исключены из землепользования в первый год после катастрофы. Всего за период с 1986 по 1989 годы из оборота было выведено 256,7 тыс. га сельхозугодий. С 1990 года земли с плотностью загрязнения Cs-137 более 1480 кБк/м2 полностью исключены из землепользования.

Основные массивы загрязненных пахотных земель и луговых угодий сосредоточены в Гомельской (66%) и Могилевской (24%) областях. В Брестской, Гродненской и Минской областях их доля от общей площади загрязненных земель в республике составляет 4,5; 3,0 и 2,5 % соответственно.

Несмотря на то, что после катастрофы на ЧАЭС прошло более 19 лет, проблема получения сельскохозяйственной продукции с допустимым содержанием радионуклидов по-прежнему актуальна. Это обусловлено тем, что радионуклиды цезий-137 и стронций-90 являются долгоживущими, их периоды полураспада составляют около 30 лет, и основная часть этих радионуклидов до настоящего времени находится в верхних слоях почвы, т.е. самоочищение почвы за счет вертикальной миграции почти не происходит. Влиять на снижение содержания радионуклидов в продуктах питания можно на трех этапах: 1 – почва-растение; 2 – корм-животное; 3 – доработка и переработка сельскохозяйственного сырья. Ключевым в трофической цепи является звено почва-растение. Связав радионуклиды в почве, мы останавливаем их миграцию. Контрмеры, применяемые на данном этапе, являются наиболее рациональными и оправданными.

По предварительным и, возможно, заниженным оценкам ущерб, нанесенный Беларуси чернобыльской катастрофой в расчете на 30-летний период ее преодоления, оценивается в 235 млрд. долларов США. В структуре общего ущерба наибольшую долю (81,6 %) занимают затраты, связанные с поддержанием функционирования производства и осуществлением защитных мер, которые составляют 191,7 млрд. долларов. На долю прямых и косвенных потерь приходится около 30 млрд. долларов (12,6 %). Прямые потери включают стоимость выведенной из использования составной части национального богатства нашей страны. К косвенным отнесены потери, обусловленные влиянием экономических и социальных факторов. Упущенная выгода оценивается в 13,7 млрд. долларов.

Деятельность по преодолению последствий катастрофы на Чернобыльской АЭС в Беларуси осуществляется на программной основе. В настоящее время действует Государственная программа по преодолению последствий катастрофы на Чернобыльской АЭС на 2001–2005 гг. и на период до 2010 года. Ей предшествовали две национальные государственные программы. В действующей Государственной программе предусматривается решение следующих основных задач:

 развитие и совершенствование системы медицинской диспансеризации пострадавшего населения на основе научно-практических рекомендаций;

 реализация защитных мероприятий на наиболее загрязненных территориях;

 обеспечение в полном объеме мер по социальной защите граждан, пострадавших от катастрофы на Чернобыльской АЭС;

 снижение социально-психологических последствий воздействия на население чернобыльской катастрофы;

 получение исчерпывающей объективной информации о радиоактивном загрязнении объектов окружающей среды и уровнях радиационного воздействия на население для обоснования и корректировки принимаемых решений;

 обеспечение производства сельскохозяйственной продукции с содержанием радионуклидов, не превышающим допустимых уровней, и снижения радиационного воздействия на население;

 повышение степени благоустройства загрязненных населенных пунктов, создание нормальных условий проживания;

 проведение научных исследований, обеспечивающих обоснованное планирование и реализацию комплекса проводимых мероприятий;

 организация международного сотрудничества по проблемам последствий катастрофы.


1. Радиоактивные превращения ядер


1.1. Строение вещества


Все в природе состоит из простых и сложных веществ. К простым веществам относятся химические элементы, к сложным – химические соединения. Известно, что вещества в окружающем нас мире состоят из атомов, которые являются наименьшей частью химического элемента. Атом – это мельчайшая частица вещества, определяющая его химические свойства, он имеет сложное внутреннее строение. В природе только инертные газы обнаруживаются в виде атомов, так как их внешние оболочки замкнутые, все остальные вещества существуют в виде молекул.

В 1911 г. Э. Резерфорд предложил планетарную модель атома, которая была развита Н Бором (1913 г.). По общепринятой модели строения атома в нем различают две области: тяжелое, положительно заряженное ядро, находящееся в центре, в котором сосредоточена почти вся масса атома, и легкую электронную оболочку, состоящую из отрицательно заряженных частиц – электронов, с огромной скоростью вращающихся вокруг ядра.

Электрон (е–) – устойчивая элементарная частица с массой покоя равной 9,1·10-31 кг или 0,000548 а.е.м. (атомная единица массы – это безразмерная величина атомной массы, которая показывает, во сколько раз атом данного элемента или частица тяжелее 1/12 части атома изотопа углерода-12; энергетический эквивалент 1 а.е.м. составляет 931 МэВ). Электрон несет один элементарный отрицательный заряд электричества (q=1,6·10-19 Кл), т. е. наименьшее количество электричества, встречающееся в природе. Исходя из этого заряд электрона принят за одну элементарную единицу электрического заряда.

В зависимости от энергии, которая удерживает электроны при вращении вокруг ядра, они группируются на разных орбитах (уровнях или слоях). Число слоев у различных атомов неодинаковое. В атомах с большой массой число орбит достигает семи. Их обозначают цифрами, или буквами латинского алфавита, начиная обозначение от ядра: K, L, M, N, O, P, Q. Число электронов в каждом слое строго определенное. Так, К-слой имеет не более 2 электронов, L-слой – до 8, M-слой – до 18, N-слой – 32 электрона и т. д.

Размеры атома определяются размерами его электронной оболочки, которая не имеет строго определенных границ. Приблизительно линейные размеры атома составляют 10-10 м.

Ядро – центральная массивная часть атома, состоящая из протонов и нейтронов, которая заряжена положительно. В ядре сосредоточена почти вся масса атома (более 99,95 %). Суммарное количество электронов на орбитах всегда равно сумме протонов в ядре. Например, атом кислорода содержит 8 протонов в ядре и имеет 8 электронов на орбитах, атом свинца – 82 протона в ядре и 82 электрона на орбитах. 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, двигаясь (вращаясь) вокруг ядра по орбите, одновременно обладают собственным моментом движения, который называют спином, упрощенно представляемый как вращение подобное волчку вокруг собственной оси. Спины отдельных электронов могут быть ориентированы параллельно (вращение в одну и ту же сторону) и антипараллельно (вращение в разные стороны). В упрощенном виде все это обеспечивает устойчивое движение электронов в атоме.

Известно, что на связь электрона с ядром действует не только кулоновская сила притяжения и центробежная сила инерции, но и сила отталкивания других электронов. Данный эффект называют экранировкой. Чем дальше электронная орбита от ядра, тем сильнее экранировка находящихся на ней электронов и тем слабее энергетическая связь ядро–электрон. На внешних орбитах энергия связи электронов не превышает 1-2 эВ, тогда как у электронов К-слоя она во много раз больше и возрастает с увеличением атомного номера элемента. Например, 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 внешних факторов, в частности, излучений низкой энергии. При сообщении электронам извне дополнительной энергии они могут переходить из одного энергетического уровня на другой или даже покидать пределы данного атома. Если энергия внешнего воздействия будет слабее энергии связи электрона с ядром, то электрон может только перейти с одного энергетического уровня на другой. Такой атом остается нейтральным, однако он отличается от остальных 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 любая система стремится перейти в устойчивое состояние при котором энергия ее будет наименьшей, то и атом через некоторое время переходит из возбужденного состояния в основное (первоначальное). Возвращение атома в основное состояние сопровождается выделением избыточной энергии. Переход электронов с внешних орбит на внутренние сопровождается излучением с длиной волны, характерной только для данного перехода с одного энергетического уровня на другой. Переходы электронов в пределах наиболее удаленных от ядра орбит дают излучение, состоящее из ультрафиолетовых, световых и инфракрасных лучей. При сильных внешних воздействия, когда энергия превышает энергию связи электронов с ядром, 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 ион. Следовательно, на каждый положительный ион образуется один отрицательный ион, т. е. возникает пара ионов. Процесс образования ионов из нейтральных атомов называется ионизацией. Атом в состоянии иона существует в обычных условиях чрезвычайно короткий промежуток времени. Свободное место на орбите положительного иона заполняется свободным электроном (электроном, не связанным с атомом), и атом вновь становится нейтральной системой. Этот процесс носит название рекомбинации ионов (деионизация) и сопровождается выделением избыточной энергии в виде излучения. Энергия, выделяющаяся при рекомбинации ионов, численно приблизительно равна энергии, затраченной на ионизацию.

Протон (р) – стабильная элементарная частица с массой равной 1,6725·10-27 кг или 1,00758 а.е.м., которая примерно в 1840 раз больше массы электрона. Заряд протона положите­лен и по величине равен заряду электрона. Атом водорода представляет собой ядро, содержащее один протон, вокруг которого вращается один электрон. Если “сорвать” этот электрон, то оставшаяся часть атома и будет протоном, поэтому протон часто определяют как ядро водорода.

Каждый атом любого элемента содержит в ядре определенное число протонов, которое постоянно и определяет физические и химические свойства элемента. Например, в ядре атома серебра их 47, в ядре урана – 92. Число протонов в ядре (Z) называют атомным номером или зарядовым числом, оно соответствует порядковому номеру элемента в периодической системе Д. И. Менделеева.

Нейтрон (n) – электрически нейтральная элементарная частица с массой незначительно превышающей массу протона и равной 1,6749•10-27 кг или 1,00898 а.е.м. Нейтроны устойчивы только в составе стабильных атомных ядер. Свободные нейтроны распадаются на протоны и электроны.

Нейтрон, вследствие своей электрической нейтральности, не отклоняется под действием магнитного поля, не отталкивается атомным ядром и, следовательно, обладает большой проникающей способностью, что создает серьезную опасность как фактор биологического действия излучения. Число нейтронов, находящихся в ядре, дает только в основном физическую характеристику элемента, так как в разных ядрах одного и того же химического элемента может быть разное число нейтронов (от 1 до 10). В ядрах легких устойчивых элементов число протонов относится к числу нейтронов как 1:1. С увеличением атомного номера элемента (начиная с 21-го элемента – скандия) в его атомах число нейтронов превышает число протонов. В самых тяжелых ядрах число нейтронов в 1,6 раза больше числа протонов.

Протоны и нейтроны – составные части ядра, поэтому для удобства их называют нуклонами. Нуклон (от лат. nucleus – ядро) – общее наименование для протонов и нейтронов ядра. Также, когда говорят о конкретном атомном ядре, используют термин нуклид. Нуклид – любое атомное ядро с заданным числом протонов и нейтронов.

Обозначая нуклиды или атомы, пользуются символом элемента, которому принадлежит ядро, и указывают сверху массовое число – А, внизу – атомный (порядковый) номер – Z в форме индексов , где Э – символ химического элемента. А показывает число нуклонов, из которых состоит ядро атома (A = Z + N). Z показывает не только заряд ядра и порядковый номер, но и число протонов в ядре и соответственно число электронов в атоме, т.к. атом в целом нейтрален. N – число нейтронов в ядре, которое чаще всего не указывается. Например, – радиоактивный изотоп цезия, А = 137, следовательно ядро состоит из 137 нуклонов; Z = 55, значит в ядре 55 протонов и, соответственно, 55 электронов в атоме; N = 137  55 = 82 – это число нейтронов в ядре. Порядковый номер иногда опускают, так как символ элемента вполне определяет его место в периодической системе (например, Cs-137, Не-4). Линейные размер ядра атома равны 10-15-10-14 м, что составляет 0,0001 диаметра всего атома.

Протоны и нейтроны удерживаются внутри ядра силами, называемыми ядерными. По своей интенсивности они намного мощнее электрических, гравитационных и магнитных сил. Ядерные силы являются короткодействующими с радиусом действия 10-14–10-15 м. Они проявляются одинаково между протоном и нейтроном, протоном и протоном, нейтроном и нейтроном. С увеличением расстояния между нуклонами 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 число протонов и нейтронов.

Чтобы разделить ядро на составляющие его протоны и нейтроны и удалить их из поля действия ядерных сил, необходимо совершить работу, т.е. затратить энергию. Эта энергия называется энергией связи ядра. При образовании ядра из нуклонов наоборот выделяется энергия связи.

Если рассчитать массу ядра, например гелия, по формуле

mя = mpNp + mnNn,

где mя – масса ядра; mp– масса протона; Np – число протонов; mn– масса нейтрона; Nn – число нейтронов, то она будет равна 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. и в этом случае говорят, что ядро имеет дефект массы (недостаток массы). Разницу между расчетной и фактической массой ядра называют дефектом массы (m). Дефект массы показывает, насколько прочно связаны частицы в ядре, а также сколько энергии выделилось при образовании ядра из отдельных нуклонов. Связать массу с энергией можно с помощью уравнения, выведенного А. Эйнштейном:

Е = mс2,

где Е – изменение энергии; m – дефект массы; с – скорость света.

Учитывая, что 1 а.е.м. = 1,661 • 10-27 кг, а в ядерной физике за единицу энергии принят электрон-Вольт (эВ), причем 1 а.е.м. эквивалентна 931 МэВ, то энергия, которая выделится при образовании ядра гелия будет равна 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.

Энергия связи ядер соразмерно возрастает с увеличением числа нуклонов, однако не строго пропорционально их числу. Например, энергия связи ядра азота – 104,56 МэВ, а урана – 1800 МэВ.

Средняя энергия связи, приходящаяся на один нуклон, называется удельной энергией связи. Для гелия она составит 28:4 = 7 МэВ. Если не считать самых легких ядер (дейтерий, тритий), то энергия связи на один нуклон составляет для всех ядер примерно 8 МэВ.

Большинство химических элементов в природе представляют собой определенные смеси атомов с ядрами различных масс. Различие масс обусловлено наличием в ядрах разного числа нейтронов.

Изотопы (от греч. isos – одинаковый и topos – место) – разновидности атома одного и того же химического элемента, которые имеют одинаковое число протонов (Z) и различное число нейтронов (N). У них практически одинаковые физические и химические свойства, разделить их в природной смеси очень сложно. Число изотопов эле­ментов варьирует от 3 – у водорода до 27 – у полония. Изотопы бывают стабильные и нестабильные. Стабильные изотопы со временем не претерпевают никаких изменений, если нет воздействия из вне. Нестабильные или радиоактивные изотопы за счет процессов, протекающих внутри ядра, со временем превращаются в изотопы других химических элементов. Стабильные изотопы встречаются только у элементов с порядковым номером Z≤83. В настоящее время известно около 300 стабильных и более 2000 радиоактивных изотопов. Для всех элементов периодической системы Д. И. Менделеева синтезированы радиоактивные изотопы, называемые искусственными.


^ 1.2. Явление радиоактивности


Все химические элементы стабильны лишь в узком интервале соотношения числа протонов к числу нейтронов в ядре. В легких ядрах должно быть примерно поровну протонов и нейтронов, т. е. величина соотношения n:p близка к 1, для тяжелых ядер это соотношение снижается до 0,7. Если в ядре слишком много нейтронов или протонов, то такие ядра становятся неустойчивыми (нестабильными) и претерпевают самопроизвольные радиоактивные превращения, в результате которых изменяется состав ядра и при этом испускаются заряженные или нейтральных частицы. Явление самопроизвольного излучения было названо радиоактивностью, а вещества, испускающие излучения, – радиоактивными.

Радиоактивность (от лат. radio – излучаю, radius – луч, aktivus – действенный) – это самопроизвольные превращения (распады) атомных ядер некоторых химических элементов в атомные ядра других элементов с испусканием особого рода излучения. Радиоактивность приводит к изменению атомного номера и массового числа исходного химического элемента.

Открытию явления радиоактивности способствовали два крупнейших открытия ХIХ века. В 1895 г. В. Рентген обнаружил лучи, которые возникали при пропускании тока высокого напряжения между электродами, помещенными в запаянную стеклянную трубку, из которой был откачан воздух. Лучи были названы рентгеновскими. А в 1896 г. А. Беккерель обнаружил, что соли урана самопроизвольно испускают невидимые лучи, обладающие большой проникающей способностью, вызывающие почернение фотопластинки и свечение некоторых веществ. Это излучение он назвал радиоактивным. В 1898 г. Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри открыли два новых радиоактивных элемента – полоний и радий, которые испускали подобные излучения, но интенсивность их во много раз превышала интенсивность излучения урана. Кроме того было обнаружено, что радиоактивные вещества непрерывно выделяют энергию в виде теплоты.

Радиоактивные излучения также называют ионизирующими, так как они могут ионизиро­вать среду, или ядерными, подчеркивая то, что излучение испускается ядром, а не атомом.

Радиоактивный распад связан с изменениями в атомных ядрах и выделением энергии, величина которой, как правило, на несколько порядков выше энергии химических реакций. Так, при полном радиоактивном распаде 1 г-атома 14С выделяется 3.109 калорий, тогда как при сгорании этого же количества 14С до углекислого газа выделяется лишь 9,4.104 калорий.

В качестве единицы энергии радиоактивного распада принимается 1 электрон-Вольт (эВ) и производные от него 1 кэВ = 103 эВ и 1 МэВ = 106 эВ. 1 эВ = 1,6.10-19 Дж. 1 эВ соответствует энергии, приобретаемой электроном в элек­трическом поле при прохождении пути, на котором разность потенциалов со­ставляет 1 Вольт. При распаде большинства радиоактивных ядер высвобождаемая энергия составляет от нескольких кэВ до нескольких МэВ.

Радиоактивные явления, происходящие в природе, называют естественной радиоактивностью; аналогичные процессы, протекающие в искусственно полученных веществах (через соответствующие ядерные реакции), – искусственной радиоактивностью. Однако оба вида радиоактивности подчиняются одним и тем же законам.


^ 1.3. Активность, единицы измерения


Активность (А) — мера радиоактивности какого-либо количества ра­дионуклида, находящегося в данном энергетическом состоянии в данный момент времени:



где dN — ожидаемое число спонтанных ядерных превращений из данного энергетического состояния, происходящих за промежуток времени dt. Единицей активности в СИ является обратная секунда (с-1), называемая беккерель (Бк).

Использовавшаяся ранее внесистемная единица активности кюри (Ки) составляет 3,7x1010 Бк.

Активность является мерой количества радиоактивного изотопа. Она прямо пропорциональна числу радионуклидов, содержащихся в данном образце, т. е. количеству радиоактивного вещества. В определениях активности и единиц измерения активности говорится о числе распадов радионуклидов, а не о числе вылетающих из источника (образца) частиц. Как установлено в настоящее время, при одном акте рас­пада может вылетать как одна, так и несколько частиц. Таким образом, ак­тивность не характеризует количество вылетающих частиц при распаде, а лишь констатирует количество самих распадов нуклидов. С течением времени активность убывает согласно основному закону радиоактивного распада.

Отметим, что величина активности характеризует лишь количественное наличие радионуклида и интенсивность испускаемого излучения, не определяя ни тип радионуклидов, ни вид излучения.

^ Активность удельная (объемная) — отношение активности А радио­нуклида в веществе к массе т (объему V) вещества:



Единица удельной активности — беккерель на килограмм, Бк/кг. Единица объемной активности — беккерель на метр кубический, Бк/м3.

Поверхностная активность As - активность, отнесенная к единице по­верхности:



где S - площадь поверхности.

Данная величина встречается и под другими названиями - плотность за­грязнения поверхности радионуклидами или поверхностная концентрация. Основная единица измерения – кБк/м2, внесистемная – Ки/м2.

Активность радиоактивного вещества непосредственно не характеризует ионизирующее воздействие излучения, так как при одной и той же активности ио­низирующее воздействие зависит от вида и энергии излучения, физических свойств облучаемой среды и других факторов. Ионизирующее действие излучений, а следовательно, и их поражающее воздействие на организм харак­теризуется дозой излучения (облучения).


^ 1.4. Закон радиоактивного распада


Количество любых радионуклидов со временем уменьшается вследствие радиоактивного распада. Особенность радиоактивного распада состоит и в том, что нуклиды одного и того же элемента распадаются не все сразу, а постепенно, в различное время. Каждое ядро обязательно распадется, только момент распада конкретного ядра предсказать невозможно. Можно лишь указать, что за определенный промежуток времени распадется такое-то количество радионуклидов. Поэтому говорят, что радиоактивный распад носит вероятностный характер.

Скорость распада определяется строением ядра, и поэтому на этот процесс невозможно повлиять никакими обычными физическими или химическими способами.

Кроме того, если мы будем наблюдать за малым количеством радионуклидов (например, 5 или 25 нуклидов), то мы не заметим никаких закономерностей радиоактивного распада. Малое число ядер может распасться сразу в момент начала наблюдения, а может не распадаться довольно большое время, или распад может идти неравномерно: то большими, то меньшими порциями. Закономерности распада проявляются для большого числа радионуклидов, как правило, более чем 100 ядер. Такие закономерности, характерные для большого количества данных, описываются математически с помощью статистики. Исходя из этого говорят, что радиоактивный распад носит статистический характер, т. е. справедлив для большого количества нуклидов.

Все указанные выше особенности радиоактивного распада позволяют определить его как статистический вероятностный процесс, т.е. вероятность распада для данного радионуклида постоянна и не зависит от присутствия или отсутствия других радиоактивных ядер. Скорость распада зависит только от числа радиоактивных ядер в данный момент вре­мени. Такие процессы описываются экспоненциальным соотношением. Мате­матически закон радиоактивного распада выражается следующим уравнением и устанавливает, что за единицу времени распадается всегда одна и та же доля имеющихся в наличии ядер:

Nt = N0e-t,

где Nt– количество атомных ядер, оставшихся через промежуток вре­мени t; N0 – начальное количество атомных ядер, т. е. количество ядер в момент наблюдения при t =0; е = 2,72 - основание натурального логарифма, которое указывает на графический вид математической зависимости (графически распад выражается не прямой линией, а экспонентой);  - постоянная радиоактивного распада, показывающая какая доля радионуклидов распадается в единицу времени; t – время распада.

Постоянная радиоактивного распада является справочной величиной и строго определенной для каждого типа радионуклидов; она также характеризует относительную скорость распада. Размерность постоянной распада выражают в обратных единицах времени: с-1, мин-1, ч-1 и т. д., чтобы показать, что количество радионуклидов не растет, а убывает. Величину, обратную постоянной радиоактивного распада  = 1/, называют средней продолжительностью жизни ядра.

Графически закон радиоактивного распада выражается экспоненциаль­ной кривой (рис. 1).





Рис.1. Кривая радиоактивного распада.

Для характеристики скорости распада радиоактивных элементов в прак­тике пользуются вместо постоянной распада периодом полураспада.

^ Период полураспада – это время, в течение которого распадается поло­вина исходного количества радиоактивных ядер. Он обозначается буквой Т1/2 и выражается в единицах времени. Для различных радиоактивных изотопов пе­риод полураспада имеет значения от долей секунды до миллиардов лет. причем у одного и того же элемента могут быть изотопы с различными периодами полураспада. По­этому радиоактивные изотопы разделяются на короткоживущие (часы, дни) и долгоживущие (годы). Период полураспада, также как и постоянная распада, является ядерной постоянной, строго определенной для каждого типа радионуклидов и справочной величиной. Только случайно два периода полураспада могут оказаться одинаковыми или очень близкими для того, чтобы их можно было отличить. Так, марганец-56 и никель-65 имеют периоды полураспада 2,58 и 2,56 ч соответственно.

Зная период полураспада или постоянную распада, всегда можно произвести идентификацию радионуклида, т. е. указать, какой именно радионуклид присутствует в данном образце или продукте. Период полураспада связан с постоянной радиоактивного распада соотношением:

 = 0,693/Т1/2 или Т1/2 = 0,693/.


Это соотношение показывает, что между этими двумя постоянными существует обратная зависимость, т. е. чем больше значение , тем меньше величина Т1/2 и, соответственно, распад протекает быстрее; и, наоборот, чем меньше , тем больше Т1/2 и распад идет медленнее. Заменив  в формуле на Т1/2, получим

Nt = N0e-0,693t/Т

Чтобы узнать полное время жизни данных радионуклидов, необходимо увеличить Т1/2 в 10 раз. Например, у стронция-90 Т1/2  29 лет, следовательно, через 290 лет данный искусственный радионуклид практически полностью распадется с момента его образования. Однако, исходя из вида экспоненциальной кривой, которая всегда стремится к нулю, но его не достигает, всегда есть вероятность, что хотя бы мизерное количество данных радионуклидов может через 10Т1/2 не распасться.

Радиоактивное превращение одного из ядер никак не влияет на пре­вращение соседних ядер, т.е. процессы распада различных ядер протекают абсолютно независимо друг от друга. Радиоактивный распад нельзя замедлить или ускорить действием температуры, давления, изменением химического состояния ато­мов или каким-либо другим способом. Поэтому, в отличие от химических от­равляющих веществ, радиоактивные вещества нельзя обезопасить ни какой-либо химической реакцией, ни физической обработкой.

Также бессмысленно говорить о времени полураспада или времени жизни одного радиоактивного ядра. При использовании этих терминов подразумевают усредненные величины, справедливые при наличии достаточного большого числа ядер данного изотопа. Когда говорят о среднем времени жизни радиоактивного ядра, то понимают под этим среднее время жизни ядер в каком-либо образце, содержащем эти радиоактивные ядра.


^ 1.5. Виды радиоактивного распада


Ядра атомов устойчивы, но изменяют свое состояние при нарушении определенного соотношения протонов и нейтронов. В легких ядрах должно быть примерно поровну протонов и нейтронов. Если в ядре слишком много протонов или нейтронов, то такие ядра неустойчивы и претерпевают самопроизвольные радиоактивные превращения, в результате которых изменяется состав ядра и, следовательно, ядро атома одного элемента превращается в ядро атома другого элемента. При этом процессе испускаются ядерные излучения.

Существуют следующие основные типы ядерных превращений или виды радиоак­тивного распада: альфа-распад и бета-распад (электронный, позитронный и К-захват), внутренняя конверсия.

Альфа-распад – это испускание ядром радиоактивного изотопа альфа-частиц. Вследствие потери с альфа-частицей двух протонов и двух нейтронов распадающееся ядро превращается в другое ядро, в котором число протонов (заряд ядра) уменьшается на 2, а число частиц (массовое число) на 4. Следовательно, при данном радиоактивном распаде в соответствии с правилом смещения (сдвига), сформулированным Фаянсом и Содди (1913 г.), образующийся (дочерний) элемент смещен влево относительно исходного (материнского) на две клетки влево в периодической системе Д. И. Менделеева. Процесс альфа-распада в общем виде записывается так:

,

где X – символ исходного ядра; Y – символ ядра продукта распада; 42He – альфа-частица, Q – освобожденный избыток энергии.

Например, распад ядер радия-226 сопровождается испусканием альфа-частиц, при этом ядра радия-226 превращаются в ядра радон-222:



Энергия, выделяющаяся при альфе-распаде, делится между альфа-частицей и ядром обратно пропорционально их массам. Энергия альфа-частиц строго связана с периодом полураспада данного радионуклида (закон Гейгера-Неттола). Это говорит о том, что, зная энергию альфа-частиц, можно установить период полураспада, а по периоду полураспада идентифицировать радионуклид. Например, ядро полония-214 характеризуется значениями энергии альфа-частиц Е = 7,687 МэВ и Т1/2 = 4,510-4 с, тогда как для ядра урана-238 Е = 4,196 МэВ и Т1/2 = 4,5109 лет. Кроме того, установлено, что чем больше энергия альфа-распада, тем быстрее он протекает.

Альфа-распад – достаточно распространенное ядерное превращения тяжелых ядер (уран, то­рий, полоний, плуто­ний, и др. с Z > 82); в настоящее время известно более 160 альфа-излучающих ядер.

Бета-распад – самопроизвольные превращения нейтрона в протон или протона в нейтрон внутри ядра, сопровождающиеся испусканием электронов или позитронов и антинейтрино или нейтрино е.

Если в ядре имеется излишек нейтронов (“нейтронная перегрузка” ядра), то происходит электронный бета-распад, при котором один из нейтронов превращается в протон, испуская при этом электрон и антинейтрино:

.

При этом распаде заряд ядра и, соответственно, атомный номер дочернего ядра увеличивается на 1, а массовое число не изменяется, т. е. дочерний элемент сдвинут в периодической системе Д. И. Менделеева на одну клетку вправо от исходного. Процесс бета-распада в общем виде записывается так:

.

Таким способом распада­ются ядра с избытком нейтронов. Например, распад ядер стронция-90 сопровождается испусканием электронов и превращением их в иттрий-90:



Часто ядра элементов, образующихся при бета-распаде, имеют из­быточную энергию, которая высвобождается испусканием одного или не­скольких гамма-квантов. Например:



Электронный бета-распад характерен для многих естественных и искусственно полученных радиоактивных элементов.

Если неблагоприятное соотношение нейтронов и протонов в ядре обусловлено излишком протонов, то происходит позитронный бета-распад, при котором ядро испускает позитрон и нейтрино в результате превращения протона в нейтрон внутри ядра:



Заряд ядра и, соответственно, атомный номер дочернего элемента уменьшается на 1, массовое число не изменяется. Дочерний элемент будет занимать место в периодической системе Д. И. Менделеева на одну клетку влево от материнского:



Позитронный распад наблюдается у некоторых искусственно полученных изотопов. Напри­мер, распад изотопа фосфора-30 с образованием кремния-30:



Позитрон, вылетев из ядра, срывает с оболочки атома “лишний” электрон (слабо связанный с ядром) или взаимодействует со свободным электроном, образуя пару “позитрон-электрон”. Вследствие того, что частица и античастица мгновенно взаимоуничтожаются с выделением энергии, то образованная пара превращается в два гамма-кванта с энергией, эквивалентной массе частиц (e+ и e-). Процесс превращения пары “позитрон-электрон” в два гамма-кванта носит название аннигиляции (уничтожения), а возникающее электромагнитное излучение называется аннигиляционным. В данном случае происходит превращение одной формы материи (частиц вещества) в другую (излучение). Это подтверждается существованием обратной реакции – реакции образования пары, при которой электромагнитное излучение достаточно высокой энергии, проходя вблизи ядра под действием сильного электрического поля атома, превращается в пару “электрон-позитрон”.

Таким образом, при позитронном бета-распаде в конечном результате за пределы материнского ядра вылетают не частицы, а два гамма-кванта, обладающие энергией в 0,511 МэВ каждый, равной энергетическому эквиваленту массы покоя частиц – позитрона и электрона E = 2mec2 = 1,022 МэВ.

Превращение ядра может быть осуществлено путем электронного за­хвата, когда один из протонов ядра самопроизвольно захватывает электрон с одной из внутренних оболочек атома (K, L и т. д.), чаще всего с К-оболочки, и превращается в нейтрон. Такой процесс на­зывают также К-захватом. Протон превращается в нейтрон согласно следующей реакции:



При этом заряд ядра уменьшается на 1, а массовое число не изменяется:



Например,



При этом место, освобожденное электроном, занимает электрон с внеш­них оболочек атома. В результате перестройки электронных оболочек испус­кается квант рентгеновского излучения. Атом по-прежнему сохраняет электрическую нейтральность, т. к. количество протонов в ядре при электронном захвате уменьшается на единицу. Таким образом, этот тип распада приводит к тем же результатам, что и позитронный бета-распад. Характерен он, как правило, для искусственных радионуклидов.

Энергия, выделяемая ядром при бета-распаде конкретного радионуклида, всегда постоянна, но ввиду того, что при этом типе распада образуется не две, а три частицы: ядро отдачи (дочернее), электрон (или позитрон) и нейтрино, то энергия по-разному в каждом акте распада перераспределяется между электроном (позитроном) и нейтрино, т. к. дочернее ядро всегда уносит одну и ту же порцию энергии. В зависимости от угла разлета нейтрино может уносить большую или м