Радиоактивность и ее свойства: Радиоактивность

Радиоактивность

5. Радиоактивность     Все атомные ядра можно разделить на две группы – стабильные и радиоактивные (нестабильные) ядра. Число стабильных изотопов и изотопов, имеющих период полураспада, сравнимый с временем существования Земли, ~ 350. Большинство ядер является нестабильными изотопами. Чтобы радиоактивное вещество удалось обнаружить в природе период полураспада должен быть не намного меньше возраста Земли или оно должно образовываться в результате распада другого радиоактивного вещества или в ядерной реакции. Наряду с α-, β-, γ-радиоактивностью, делением атомных ядер были открыты новые типы радиоактивного распада.     К более редким типам радиоактивного распада относятся двойной β-распад, протонная и двухпротонная радиоактивности, нейтронная радиоактивность, кластерная радиоактивность.     Во всех видах радиоактивности (кроме гамма-радиоактивности) изменяется состав ядра – число протонов Z, массовое число А или и то и другое.     На характеристики радиоактивного распада оказывают существенное влияние взаимодействия, вызывающие распад. α-распад вызывается сильным взаимодействием. β-распад вызывается слабым взаимодействием, а гамма-распад – электромагнитным.     Существуют различные причины, в силу которых времена жизни нестабильных ядер могут изменяться на несколько порядков.     а) Испускание тяжелых положительно заряженных частиц сильно подавляется потенциальным (кулоновским) барьером.     б) Причиной больших времен жизни радиоактивных ядер может быть малая интенсивность взаимодействия, за счет которого происходит распад.     в) Время жизни радиоактивного ядра сильно зависит от энергии, выделяющейся при распаде. Если эта энергия мала, то время жизни резко возрастает. Особенно резкой зависимостью от энергии распада Q характеризуется слабое взаимодействие: τ ~ 1/Q 5.     г) Время жизни радиоактивного ядра сильно зависит и от разности значений спинов исходного и конечного ядер.     Альфа-распад. Явление α-распада состоит в том, что тяжелые ядра самопроизвольно испускают α-частицы. При этом массовое число ядра уменьшается на четыре единицы, а атомный номер на две: (A,Z) → (A-4,Z-2) + 4He.     Перечислим характерные эмпирические особенности α-распада:     а) α-распад происходит на тяжелых ядрах с Z > 60.     б) Периоды полураспада известных α-радиоактивных ядер варьируются в широких пределах. Так, изотоп вольфрама 182W имеет T1/2 > 8.3·1018 лет, а изотоп протактиния 219Pa имеет T1/2 = 5.3·10-8 c.     Для четно-четных изотопов зависимость периода полураспада от энергии α-распада Q α хорошо описывается эмпирическим законом Гейгера-Неттола lg T1/2 = A + B/√Qα, где A и B константы, слабо зависящие от Z. С учётом заряда конечного ядра Z связь между периодом полураспада T1/2 и энергией α-распада может быть представлена в виде lg T1/2 = 9. 54·Z0.6/√Qα − 51.37, где период полураспада T1/2 выражен в секундах, а Qα в МэВ. На рисунке показаны экспериментальные значения периодов полураспада для a радиоактивных четно-четных ядер (Z изменяется от 74 до 106) и их описание с помощью соотношения Гейгера-Неттола.     Для нечетно-четных, четно-нечетных и нечетно-нечетных ядер общая тенденция сохраняется, но периоды полураспада в 2-1000 раз больше, чем для четно-четных ядер с теми же Z и Q α.     Э. Резерфорд, 1936 г. «В 1919 г. я показал, что при бомбардировке α-частицами легкие элементы могут разрушаться с испусканием протона, т. е. ядра водорода. Поэтому мы предположили, что протон должен быть одной из структурных единиц, из которых состоят ядра других атомов, а теоретики старались объяснить свойства ядра комбинациями протонов и отрица­тельных электронов. Однако очень трудно объединить медленный и тяжеловесный протон с легким и подвижным электроном в таком ограниченном пространстве, как ядро, и, когда Чедвик открыл существование незаряженной частицы — нейтрона, этот вопрос нашел, по-видимому, свое тео­ретическое решение. Тогда стало возможным предположить, что ядра всех атомов состоят из комбинации протонов и нейтронов, так что, например, кислород с зарядом 8 и массой 16 обладает 8 протонами и 8 нейтронами. Это была очень простая идея, значение которой состояло в том, что сос­тавляющие ядро частицы обладали одинаковой массой. Однако встал вопрос, как объяснить тот факт, что отрицательный электрон часто вылетает из ядра при радиоактивных превращениях и что положительный электрон проявляется при некоторых искусственных превращениях? В ответ на это теоретики предположили, что в ограниченном пространстве ядра, где силы взаимодействия между частицами огромны, протоны превращаются в нейтроны, и наоборот. Например, если нейтрон теряет отрицательный электрон, он переходит в протон, а если протон теряет положительный электрон, он становится нейтроном, так что в первом случае может испускаться отрицательная частица, а во втором — положительная. Электроны и позитроны не существуют в свободном состоянии в ядре, они связаны с нейтроном или протоном в зависимости от обстоятельств и могут высвобождаться лишь при определенных условиях, когда происходят большие изменения энергии внутри ядра». N-Z диаграмма атомных ядер. Тёмным цветом показаны стабильные изотопы.     Г. Гамов, 1930 г.: «Уже открытое в конце прошлого века явление радиоактивности указывало на то, что ядро атома не есть простая единица, но имеет весьма сложную структуру. Частицы α и β, наблюдаемые при радиоактивном распаде элементов, были истолкованы Резерфордом, как составные части ядра, выбрасываемые из неустойчивых ядер тяжелых атомов, а наблюдаемое при распаде весьма жесткое излучение, γ-лучи – как электромагнитные возмущения, вызванные перестройкой ядер после распада. Дальнейшие опыты Резерфорда показали также возможность искусственного расщепления ядер обычно устойчивых элементов под влиянием внешних энергичных воздействий.     Открытие изотопов и исследования Астона, показавшего, что атомные веса их выражаются числами, весьма близкими к целым, сделало более чем вероятным предположение, что ядра всех элементов построены из протонов и электронов, причем весьма большую роль в строении ядра имеют образования, состоящие из четырех протонов и двух электронов (α-частицы) и обладающие весьма большой устойчивостью.     Весьма точное измерение атомных весов изотопов обнаружило небольшие отклонения от целых чисел (дефект массы), что привело к возможности определения полной энергии, связывающей отдельные структурные элементы ядра в одно целое.     Детальные исследования спектров γ-лучей, показавшие их линейчатую структуру – исследования, которыми мы обязаны главным образом Эллису и Мейтнер, – привели к заключению, что в ядре атома мы имеем дело с существованием определенных квантовых уровней энергии, вполне аналогичных тем, которые мы встречаем в электронной системе атома.     Наиболее удивительный факт, с которым мы сталкиваемся в, теории самопроизвольного распада ядер, это – те, зачастую неимоверно длинные, промежутки времени в течение которых неустойчивое ядро остается in statu quo, прежде чем выбросить α-или β-частицу. Средняя продолжительность жизни радиоактивных элементов варьирует от ничтожной доли секунды до необычайно длинных периодов во много миллионов лет и, для каждого данного элемента, является величиной вполне определенной.     Казалось весьма трудным найти причины, задерживающие вылет частицы на столь долгие промежутки времени, если частица имеет достаточно энергии, чтобы .покинуть ядро, – а между тем выбрасываемые из ядра α- и β-частицы несут весьма и весьма солидные запасы энергии.     Уже давно был известен факт существования вполне определенной зависимости между энергией выбрасываемой частицы и средним периодом ее пребывания в ядре в неустойчивом состоянии (периодом распада ядра). В 1912 г. Гейгер и Нэттол заметили, что если для элементов, обладающих распадом, мы будем откладывать на оси абсцисс энергию α-частиц, а на оси ординат логарифм соответствующей константы распада, то для данного радиоактивного семейства точки будут лежать приблизительно на прямой линии. Три известных нам радиоактивных семейства урана, тория и актиния представляются тремя параллельными прямыми.     Опыты Резерфорда и Чедвика показали, что в случае весьма близких столкновений α-частиц с ядрами легких элементов наблюдаются отклонения числа рассеянных частиц от формулы, выведенной в предположении Кулоновского взаимодействия. Наблюденные отклонения могут быть объяснены предположением существования указанных притягательных сил, – таким образом мы можем составить себе представление об области действия и законах этих сил. К сожалению, в настоящее время не имеется достаточно детального исследования аномального рассеяния α-частиц, и теоретические заключения сводятся, примерно, к следующему. Для легких элементов (Mg, A1) аномальные силы притяжения начинают сказываться на расстояниях порядка 10 -12 см, варьируя примерно обратно пропорционально четвертной или пятой степени расстояния и пересиливают Кулоновские отталкивания на расстоянии около 3∙10-13 см от центра ядра, – на меньших расстояниях α-частица находится, очевидно, уже под влиянием суммарных притягательных сил. Для интересующих нас ядер тяжелых радиоактивных элементов, в виду их большого заряда, имеющиеся в нашем распоряжении α частицы не могут подойти на столь близкие расстояния и достигнуть области аномальных сил. Резерфорд и Чедвик в опытах с рассеянием α частиц в уране могли достигнуть (употребляя самые быстрые α-частицы) лишь расстояния 3∙10 -12 см и никаких отклонений от нормального рассеяния не было замечено— область притягательных сил, очевидно, лежит здесь гораздо ближе к ядру, чем 3∙10-12 см.     Казалось бы, что результаты этих опытов с ураном весьма мало могут нам помочь – поскольку область притягательных сил не могла быть достигнута; в этих опытах и заключался ключ к разгадке явления α-распада.     При сопоставлении с данными о распаде самих ядер урана опыты эти приводят к парадоксу, совершенно необъяснимому с точки зрения классической механики. В самом деле: ядра атомов урана являются неустойчивыми и выбрасывают α-частицы с энергией около 6,8.10–6 эрг. Согласно нашему предположе­нию о существовании притягательных сил вблизи ядра, α-частица, сидящая в ядре радиоактивного элемента, окружена своего рода потенциальным барьером, как показано на рисунке. Тот факт, что еще на расстояниях 3∙10–12 см мы имеем лишь Кулоновские силы, указывает, что максимальная вышина барьера во всяком случае больше, чем     Как может α-частица урана с энергией всего лишь 6,8.10–6 эрг „перекатиться» через такой барьер? Другими словами: если α-частицы RaG’, употребляемые в опытах рассеяния в уране, «вкатываясь» по внешнему откосу барьера, далеко еще не могли достигнуть его вершины, как могут α-частицы урана, обладающие значительно меньшей энергией, перекатиться через барьер и вылететь наружу? С точки зрения классической механики α-частица, проходя через такой барьер, более высокий, чем ее полная энергия, должна была бы обладать внутри барьера «отрицательной кинетической энергией» и следовательно «мнимой скоростью».     Однако возможность такого явления, находящегося в резком противоречии с классической механикой, есть прямое следствие современной волновой механики. Подобно тому как в волновой оптике свет, падая на границу раздела двух сред под углом большим, чем угол полного внутреннего отражения, отчасти проникает во вторую среду – так же точно в волновой механике волны де Бройля-Шредингера могут отчасти проникать в область «мнимой скорости», давая возможность частицам «перекатиться» через барьер.     Переходя к вопросу о вылете α-частицы из ядра, окруженного некоторым потенциальным барьером, мы прежде всего должны знать форму этого барьера. Мы уже видели, что ход потенциала аномальных притягательных сил вблизи и внутри ядра (внутренний скат) точно неизвестен; с другой стороны, легко видеть, что точный ход потенциала на внутреннем крутом спуске барьера сравнительно мало влияет на его проницаемость. В этом случае. является самым рациональным сделать наиболее простые предположения о его форме; для последующих вычислений мы примем модель барьера, даваемую формулами     Эта модель характеризуется двумя неизвестными величинами: радиусом ядра r0 и внутренним потенциалом U. Вопрос о вылете α-частицы из пространства, окруженного потенциальным барьером, сводится к реше­нию волнового уравнения, дающего вне ядра разбегающуюся сферическую волну. Эта задача приводит к ряду дискретных (квантовых) энергий α частицы, сидящей внутри барьера, и к ряду соответствующих вероятностей вылета.     В настоящем очерке мы, однако, не будем останавливаться на точном решении задачи и удовлетворимся приближенным выводом, вполне однако достаточным для сравнения с опытными данными. Ввиду большой высоты барьера мы можем в первом приближении рассматривать движение частицы внутри ядра, как заключенной между бесконечно высокими стенками, забывая о том, что через миллиона два лет частица все же вылетит. Нас будет интересовать лишь состояние наименьшей энергии (основная орбита), так как сейчас можно считать более чем вероятным, что все α-частицы в ядре имеют квантовое число – единицу.     Вероятность вылета λ может быть вычислена приближенно, как произведение числа столкновений α-частицы с барьером на его проницаемость .     Казалось бы, что явление β-распада должно быть легко объяснено на тех же общих основаниях, как и α-распад.     В самом деле, явление выбрасывания ядерного электрона во многих отношениях аналогично выбрасыванию α-частицы. Мы встречаемся здесь с теми же весьма длинными периодами и с количественно той же зависимостью между энергией и периодом распада: более медленным β частицам соответствуют более долгие периоды жизни ядра.     Существенным отличием, однако, является факт размытости спектра β-частиц.     Исследованиями Эллиса вполне достоверно установлено, что β частицы покидают ядра со скоростями, варьирующими в весьма широких пределах; с другой стороны, совершенно отсутствует какой-либо процесс, могущий скомпенсировать эту размытость энергий и подвести баланс общей энергии ядра. Согласно закону сохранения энергии, ядра, получающиеся после β-распада, должны были бы иметь самый разнообразный запас энергии, а между тем дискретность скоростей -частиц и линейчатость γ-спектров указывает на вполне определенную дискретную энергию ядер.     Мы приходим, таким образом, к заключению, что для находящихся внутри ядра и вылетающих из него электронов закон сохранения энергии оказывается неприложимым.     Это и целый ряд других затруднений, связанных с вопросом о движении электронов внутри ядра, указывают, что здесь мы натолкнулись на что-то совершенно новое, не могущее быть объясненным на основании современных теоретических представлений. Несомненно, что все эти трудности квантования частиц, двигающихся со скоростью весьма близкой к скорости света, находятся в непосредственной связи с теми фундаментальными противоречиями, которые встретила современная теоретическая физика в попытках обобщения волновой механики на случаи релятивистского движения. Исследование свойств электронов в ядре является в настоящее время единственной областью, могущей дать экспериментальный материал для дальнейшего развития основных принципов теоретической физики».     β-распад. Упомянутая проблема несохранения энергии при β-распаде была решена Паули, предположившим, что в β-распад одновременно с электроном образуется нейтрино. Общая энергия β-распада распределяется между электроном и нейтрино Поэтому регистрация энергии только электрона приводит к кажущемуся несохранению энергии β-распада. Недостающую энергию уносит нейтрино, регистрация которого представляет собой чрезвычайно сложную проблему.     Изучение β-распада сыграло чрезвычайно большую роль в понимании процессов, происходящих в атомных ядрах. Явление β-распада состоит в том, что ядро (A,Z) самопроизвольно испускает лептоны 1-го поколения – электрон (позитрон) и электронное нейтрино (электронное антинейтрино), переходя в ядро с тем же массовым числом А, но с атомным номером Z, на единицу бòльшим или меньшим. При e-захвате ядро поглощает один из электронов атомной оболочки (обычно из ближайшей к нему K-оболочки), испуская нейтрино. В литературе для e-захвата часто используется термин EC (Electron Capture).     Существуют три типа β-распада β—-распад, β+-распад и е-захват.     β—:(A, Z) → (A, Z+1) + e— + e,     β+: (A, Z) → (A,Z-1) + e+ + νe,     е: (A, Z) + e— → (A,Z-1) + νe.     Главной особенностью β-распада является то, что он обусловлен слабым взаимодействием. Бета-распад − процесс не внутриядерный, а внутринуклонный. В ядре распадается одиночный нуклон. Происходящие при этом внутри ядра превращения нуклонов и энергетические условия β-распада имеют вид (массу нейтрино полагаем нулевой):     β— (n → p + e— + e), M(A, Z) > M(A, Z+1) + me,     β+ (p → n + e+ + νe), M(A, Z) > M(A, Z-1) + me,     e-захват (p + e— → n + νe), M(A, Z) + me > M(A, Z-1).     β-Распад, так же как и α-распад, происходит между дискретными состояниями начального (A,Z) и конечного (A,Z±1) ядер. Поэтому долгое время после открытия явления β-распада было непонятно, почему спектры электронов и позитронов, вылетающих из ядра при β-распаде были непрерывными, а не дискретными, как спектры α-частиц.     Экспериментальные факты казались несовместимыми с законами сохранения энергии, импульса, момента количества движения. Так, суммарная энергия электрона и ядра, образовавшегося в результате распада, была меньше энергии начального ядра. Для того чтобы спасти законы сохранения В.Паули в 1930 г. в письме участникам физической конференции в г. Тюбингене высказал предположение, что в процессе β–-распада наряду с электроном должна рождаться еще одна очень легкая (неуловимая) частица с нулевым электрическим зарядом и спином J = 1/2.     В.Паули, 1930 г.: «Дорогие радиоактивные дамы и господа. Имея в виду … непрерывный β спектр, я предпринял отчаянную попытку спасти обменную статистику и закон сохранения энергии. Именно, имеется возможность того, что в ядрах существуют электрически нейтральные частицы, которые я буду называть «нейтронами» и которые обладают спином 1/2. Масса «нейтрона» по порядку величины должна быть сравнимой с массой электрона и во всяком случае не более 0,01 массы протона. Непрерывный β-спектр тогда стал бы понятным, если предположить, что при распаде вместе с электроном испускается ещё и «нейтрон» таким образом, что сумма энергий «нейтрона» и электрона остаётся постоянной».     После открытия в 1932 г. нейтрона Э. Ферми предложил называть частицу В.Паули «нейтрино». В 1933 г. на Сольвеевском конгрессе В.Паули выступил с докладом о механизме β-распада с участием нейтральной частицы со спином J = l/2. Гипотеза Паули спасла не только закон сохранения энергии, но и законы сохранения момента количества движения и импульса. Были отвергнуты последние сомнения в том, что надежно зарекомендовавшие себя в классической физике законы сохранения в квантовых процессах нарушаются. В 1934 г. Э. Ферми построил теорию β-распада, основанную на законе сохранения энергии и предположении, что из ядра одновременно вылетают электрон и нейтрино. Ферми объяснил наблюдаемый энергетический спектр электронов и связал скорость β-распада с максимальной энергией электронов, вылетающих при β-распаде. Наиболее важным элементом теории β-распада Ферми было утверждение, что в ядре нет электронов. Электрон и нейтрино возникают в момент β-распада атомного ядра.     Этот распад аналогичен испусканию света атомом. Световой квант не существует в атоме, а возникает в результате изменения состояния атома. Нейтрино было экспериментально обнаружено в 1956 г. в экспериментах Ф.Райнеса и К.Коэна. Основные характеристики электрона Характеристика Численное значение Спин J, ћ 1/2 Масса mec2, МэВ 0.51099892±0.00000004 Электрический заряд, Кулон (1.60217653±0.00000014)·1019 Магнитный момент, eћ/2mec 1. 001159652187±0.000000000004 Время жизни τ, лет > 4.6·1026 Лептонное число Le 1 Лептонные числа Lμ, Lτ 0 Основные характеристики электронного нейтрино Характеристика Численное значение Спин J, ћ 1/2 Масса mνc2, эВ  < 3 Электрический заряд, Кулон 0 Магнитный момент, eћ/2mec < 10-10 Время жизни / Масса, сек/эВ > 7·109 (солнечные нейтрино) > 300 (реакторные нейтрино) Лептонное число  Le +1 Лептонные числа Lμ, Lτ 0   1924 г. В. Паули предложил принцип Паули     Принцип Паули — фундаментальный закон природы для системы частиц с полуцелым спином, заключающийся в том, что два фермиона не могут одновременно находиться в одном квантовом состоянии. Паули обосновал свой принцип на основе анализа экспериментальных данных.     В соответствии с принципом Паули происходит заполнение электронных оболочек атома, одночастичных оболочек атомного ядра. Вольфганг Паули (1900-1958)   1931 г.  В. Паули выдвинул гипотезу о существовании нейтрино для объяснения спектра электронов β-распада. Нобелевская премия по физике 1945 г. В. Паули За открытие принципа Паули Типы радиоактивного распада ядер Тип радиоактивного распада ядер Тип испускаемых частиц. Реакция, в которой обнаружен радиоактивный распад Год открытия Авторы открытия Радиоактивность атомных ядер Излучение, вызвавшее потемнение фотопластинок 1896 A. Becquerel Альфа-распад 4He,  1898 Е. Rutherford β–-распад e—e,  1898 Е. Rutherford β+-распад e+νe,  1934 I. et F.Joliot-Curie е-захват νe   протон ядра захватывает электрон атомной оболочки 1938 L. Alvarez Гамма-распад γ-квант, α-, β-распад на возбужденные состояния ядра 1900 P.Villard Ядерная изомерия γ-квант,   1921 O.Hahn Спонтанное деление два осколка сравнимой массы, 238U, 235U, 234U 1940 Г. Н.Флеров, К.А.Петржак Двойной β-распад e—e—ee,  1950 M.G. Ingram, J.H. Reynolds Протонная радиоактивность p,     1981 S. Hofmann Кластерная радиоактивность 14C,   1984 H.Rose, G.Jones, Д.В.Александров Двухпротонная радиоактивность 2p,    2002 J. Giovinazzo, B. Blank et al. M. Pfutzner, E. Badura et al.

Радиоактивность вокруг нас: естественная и искусственная радиоактивность

Когда мы слышим слово «радиация», то сразу представляем себе атомные электростанции, оружие массового поражение или радиоактивные отходы. Однако, это однобокое видение. Радиация, как правило, незаметна, и встречается она везде. Вопрос только в каких количествах? В целом, все источники радиации на планете можно разделить на естественные (космическое излучение, газы, радиоизотопы) и искусственные (причиной появления которых стал человек).

Естественная радиоактивность

Естественная радиация была всегда: до появления человека, и даже нашей планеты. Радиоактивно всё, что нас окружает: почва, вода, растения и животные. В зависимости от региона планеты уровень естественной радиоактивности может колебаться от 5 до 20 микрорентген в час. По сложившемуся мнению, такой уровень радиации не опасен для человека и животных, хотя эта точка зрения неоднозначна, так как многие ученые утверждают, что радиация даже в малых дозах приводит к раку и мутациям. Правда, в связи с тем, что повлиять на естественный уровень радиации мы практически не можем, нужно стараться максимально оградить себя от факторов, приводящих к значительному превышению допустимых значений.

Откуда же берется естественная радиоактивность? Существует три основных источника:

1. Космическое излучение и солнечная радиация — это источники колоссальной мощности, которые в мгновение ока могут уничтожить и Землю, и всё живое на ней. К счастью, от этого вида радиации у нас есть надёжный защитник — атмосфера. Впрочем, интенсивная человеческая деятельность приводит к появлению озоновых дыр и истончению естественной оболочки, поэтому в любом случае следует избегать воздействия прямых солнечных лучей. Интенсивность влияния космического излучения зависит от высоты над уровнем моря и широты. Чем выше Вы над Землей, тем интенсивнее космическое излучение, с каждой 1000 метров сила воздействия удваивается, а на экваторе уровень излучения гораздо сильнее, чем на полюсах.

Вспышки на солнце — один из источников «естественного» радиационного фона.

Ученые отмечают, что именно с проявлением космической радиации связаны частые случаи бесплодия у стюардесс, которые основное рабочее время проводят на высоте более десяти тысяч метров. Впрочем, обычным гражданам, не увлекающимися частыми перелетами, волноваться о космическом излучении не стоит.

Уровень радиации в салоне самолета на высоте 10 000 метров превышает естественный в 10 раз.

2. Излучение земной коры. Помимо космического излучения радиоактивна и сама наша планета. В её поверхности содержится много минералов, хранящих следы радиоактивного прошлого Земли: гранит, глинозём и т. п. Сами по себе они представляют опасность лишь вблизи месторождений, однако человеческая деятельность ведёт к тому, что радиоактивные частицы попадают в наши дома в виде стройматериалов, в атмосферу после сжигания угля, на участок в виде фосфорных удобрений, а затем и к нам на стол в виде продуктов питания. Известно, что в кирпичном или панельном доме уровень радиации может быть в несколько раз выше, чем естественный фон данной местности. Таким образом, хоть здание и может в значительной мере уберечь нас от космического излучения, но естественный фон легко превышается от использования опасных материалов. Уберечься от таких «сюрпризов» можно, только используя дозиметры. По мнению специалистов www.dozimetr.biz, это единственный способ померить уровень радиации в бытовых условиях и не приобретать опасные с радиационной точки зрения материалы.

Соотношение естественных источников радиации.

3. Радон — это радиоактивный инертный газ без цвета, вкуса и запаха. Он в 7,5 раз тяжелее воздуха, и, как правило, именно он становится причиной радиоактивности строительных материалов. Радон имеет свойство скапливаться под землей в больших количествах, на поверхность же он выходит при добыче полезных ископаемых или через трещины в земной коре.

Источники попадания радона в дома и квартиры.

Радон активно поступает в наши дома с бытовым газом, водопроводной водой (особенно, если её добывают из очень глубоких скважин), или же просто просачивается через микротрещины почвы, накапливаясь в подвалах и на нижних этажах. Снизить содержание радона, в отличие от других источников радиации, очень просто: достаточно регулярно проветривать помещение и концентрация опасного газа уменьшится в несколько раз.

Накопление радона в разных комнатах.

Искусственная радиоактивность

В отличие от естественных источников радиации, искусственная радиоактивность возникла и распространяется исключительно силами людей. К основным техногенным радиоактивным источникам относят ядерное оружие, промышленные отходы, АЭС,  медицинское оборудование, предметы старины, вывезенные из «запретных» зон после аварии Чернобыльской АЭС, некоторые драгоценные камни.

Источники попадания радиации в организм человека.

Радиация может попадать в наш организм как угодно, часто виной этому становятся предметы, не вызывающие у нас никаких подозрений. Единственный способ обезопасить себя — купить дозиметр радиации. Этот миниатюрный прибор окажет Вам неоценимую услугу: Вы всегда сможете самостоятельно контролировать безопасность членов своей семьи, не доверяя «уловкам» продавцов стройматериалов, антиквариата или торговцам на рынке, ручающимся за безопасное происхождение и экологическую чистоту своего товара. Мы сами ответственны за свою жизнь и здоровье. Защитите себя от радиации!

Источники радиоактивного облучения среднестатистического россиянина за год.

3.2.2. Общая характеристика радиоактивности — Энергетика: история, настоящее и будущее

Явление радиоактивности было открыто в 1896 г А. Беккерелем, который обнаружил проникающее излучение соединений урана, действующее на эмульсию фотопластинки. При этом он установил, что интенсивность излучения определяется только количеством урана в препарате и совершенно не зависит от того, в какие соединения он входит. То есть это свойство присуще не соединениям, а конкретному химическому элементу – урану.

Явление самопроизвольного испускания химическими элементами излучения, обладающего значительной проникающей способностью и ионизирующими свойствами, получило название естественной радиоактивности. Элементы, испускающие такое излучение, называются радиоактивными. Радиоактивными являются все элементы с порядковым номером более 83 в таблице Менделеева (Z>83), а также отдельные изотопы более легких элементов.

Радиоактивность заключается в том, что ядра радиоактивных элементов самопроизвольно распадаются с испусканием α-,β-частиц и γ-квантов или путем деления; при этом исходное ядро превращается в ядро другого элемента.

Уже в первых исследованиях было обнаружено, что α-,β-лучи отклоняются магнитным полем в разные стороны, а γ-лучи не отклоняются совсем. Результаты исследования свойств излучения приведены в табл. 3.1.

Естественная радиоактивность – самопроизвольный распад ядер элементов, встречающихся в природе. Сейчас насчитывается около 70 радионуклидов естественного происхождения. Последовательность нуклидов, каждый из которых самопроизвольно благодаря радиоактивному распаду переходит в следующий до тех пор, пока не будет получен стабильный изотоп, называется радиоактивным рядом. Исходный нуклид называется материнским, а все остальные нуклиды в ряду называют дочерними. Все они генетически связаны между собой и находятся в определенном соотношении.

Радиоактивные элементы природного происхождения условно могут быть разделены на три группы: радиоактивные изотопы, входящие в состав радиоактивных семейств, родоначальниками которых являются уран U, торий Th и актиноуран AcU; отдельные радионуклиды, не имеющие  генетической связи между собой: калий К, кальций Са, рубидий Rb и др. ; радиоактивные изотопы, непрерывно возникающие на Земле в результате ядерных реакций, под воздействием космических лучей, в первую очередь углерод С, бериллий Ве и тритий Н.

Радиация заполняет всю Вселенную. Радиоактивные вещества вошли в состав Земли с самого ее зарождения. Они находятся в горных породах, воде, растениях и животных. Даже в органах человека всегда присутствует определенное незначительное количество радиоактивных элементов.

Основную часть облучения население земного шара получает от естественных источников радиации. Большинство из них таковы, что избежать облучения от них совершенно невозможно. Радиоактивные вещества могут находиться вне организма и облучать его снаружи (внешнее облучение). Они также могут оказаться в воздухе, в пище или в воде и попасть внутрь организма (внутреннее облучение).

Искусственная радиоактивность – самопроизвольный распад ядер элементов, полученных искусственным путем через соответствующие ядерные реакции, – открыта французскими физиками Фредериком и Ирен Жолио-Кюри в 1934 г. В настоящее время известно свыше 1500 искусственно-радиоактивных изотопов, тогда как естественно-радиоактивных изотопов существует лишь около 40, а число устойчивых (нерадиоактивных) изотопов равно 260.

Принципиальной разницы между естественной и искусственной радиоактивностью нет, так как ядерные превращения можно вызывать с помощью заряженных частиц (протонов, α-частиц и др.), фотонного излучения или нейтронов. Однако среди искусственно-радиоактивных веществ часто встречается еще иной тип распада, не свойственный естественно-радиоактивным элементам. Это распад с испусканием позитронов – частиц, обладающих массой электрона, но несущих положительный заряд (е⁺). По абсолютной величине заряды позитрона и электрона равны.

Таблица 3.1 Основные характеристики свойств излучения вещества

Обозначение	Природа	Зарядовое и массовое число	Энергия	Скорость
α–лучи	поток полностью ионизированных атомов гелия		4–9 МэВ	107 м/с
β–лучи	поток быстрых электронов	или	непрерывный спектр энергий от 0 до 782 кэВ	108 м/с
γ–лучи	жесткое электро- магнитное излу- чение (λ=10-2 нм)	–	линейчатый спектр энергий	3·108 м/с

Основная масса радиоактивных изотопов получена искусственно в ядерных реакторах и ускорительных установках в результате взаимодействий ионизирующих излучений со стабильными изотопами.

радиоактивность | Определение, типы, приложения и факты

распад бериллия-7

Смотреть все СМИ

Ключевые люди:

Эрнест Резерфорд Энрико Ферми Мари Кюри Анри Беккерель Отто Хан

Похожие темы:

бета-распад радиоактивный ряд выпадать радиоактивный изотоп гамма-распад

Просмотреть весь соответствующий контент →

Резюме

Прочтите краткий обзор этой темы

радиоактивность , свойство некоторых видов материи спонтанно излучать энергию и субатомные частицы. Это, по существу, свойство отдельных атомных ядер.

Нестабильное ядро ​​спонтанно распадается или распадается до более стабильной конфигурации, но только несколькими специфическими способами, испуская определенные частицы или определенные формы электромагнитной энергии. Радиоактивный распад является свойством нескольких встречающихся в природе элементов, а также искусственно полученных изотопов элементов. Скорость распада радиоактивного элемента выражается его периодом полураспада; т. е. время, необходимое для распада половины любого заданного количества изотопа. Периоды полураспада составляют более 10 ²⁴ лет для некоторых ядер до менее чем 10 ⁻²³ секунд ( см. ниже Скорость радиоактивных переходов). Продукт процесса радиоактивного распада, называемый дочерним элементом родительского изотопа, может сам быть нестабильным, и в этом случае он тоже распадется. Процесс продолжается до тех пор, пока не образуется устойчивый нуклид.

Природа радиоактивных выбросов

Наиболее распространенными формами спонтанного радиоактивного распада являются альфа-(α)-частицы, бета-(β)-частицы, гамма-(γ)-лучи и нейтрино. Альфа-частица на самом деле является ядром атома гелия-4 с двумя положительными зарядами 9.0029 4 / ₂ He. Такие заряженные атомы называются ионами. Нейтральный атом гелия имеет два электрона вне ядра, уравновешивающих эти два заряда. Бета-частицы могут быть заряжены отрицательно (бета минус, символ e ^— ) или положительно заряжены (бета плюс, символ e ⁺ ). Частица бета-минус [β ^— ] на самом деле представляет собой электрон, созданный в ядре во время бета-распада без какой-либо связи с орбитальным электронным облаком атома. Бета плюс частица, также называемая позитроном, является античастицей электрона; при сближении две такие частицы взаимно аннигилируют друг друга. Гамма-лучи — это электромагнитные излучения, такие как радиоволны, свет и рентгеновские лучи. Бета-радиоактивность также производит нейтрино и антинейтрино, частицы, которые не имеют заряда и имеют очень маленькую массу, обозначенные буквами ν и ν соответственно.

При менее распространенных формах радиоактивности могут испускаться осколки деления, нейтроны или протоны. Осколки деления сами по себе представляют собой сложные ядра, обычно имеющие заряд от одной трети до двух третей заряда Z и массы A родительского ядра. Нейтроны и протоны, конечно, являются основными строительными блоками сложных ядер, имеющих приблизительно единицу массы в атомном масштабе и обладающих нулевым зарядом или единичным положительным зарядом соответственно. Нейтрон не может долго существовать в свободном состоянии. Он быстро захватывается ядрами вещества; в противном случае в открытом космосе он подвергнется бета-минус-распаду на протон, электрон и антинейтрино с периодом полураспада 12,8 минуты. Протон является ядром обычного водорода и стабилен.

Типы радиоактивности

Ранние исследования естественной радиоактивности, связанной с урановыми и ториевыми рудами, выявили два различных типа радиоактивности: альфа- и бета-распад.

При альфа-распаде выбрасывается энергичный ион гелия (альфа-частица), оставляя дочернее ядро ​​с атомным номером на два меньше, чем у родительского, и с атомной массой на четыре меньше, чем у родительского. Примером может служить распад (обозначенный стрелкой) распространенного изотопа урана ²³⁸ U, дочке тория плюс альфа-частица:

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Для этой и последующих реакций дана выделяемая энергия ( Q ) в миллионах электрон-вольт (МэВ) и период полураспада ( t _1/2 ). Следует отметить, что при альфа-распаде заряды или количество протонов, показанные в нижнем индексе, находятся в равновесии по обе стороны от стрелки, как и атомные массы, показанные в верхнем индексе.

При бета-минус-распаде испускается энергичный отрицательный электрон, образуя дочернее ядро ​​с одним более высоким атомным номером и таким же массовым числом. Примером может служить распад дочернего продукта урана тория-234 в протактиний-234:

В приведенной выше реакции бета-распада ν представляет антинейтрино. Здесь количество протонов в реакции увеличивается на один, но общий заряд остается прежним, потому что также создается электрон с отрицательным зарядом.

Что такое радиоактивность?

Отчет ACHRE Введение Атомный век До атомной эры: «теневые картины», радиоизотопы и начало Эксперименты с радиацией человека Манхэттенский проект: новый и тайный мир человеческих экспериментов Комиссия по атомной энергии и послевоенным биомедицинским радиационным исследованиям Преобразование в правительстве — спонсируемое исследование Последствия Хиросимы и Нагасаки: появление радиации времен холодной войны Исследовательская бюрократия Новые этические вопросы для медицинских исследователей Заключение Основы радиационной науки Что такое ионизирующее излучение? Что такое радиоактивность? Что такое атомный номер и атомный вес? Радиоизотопы: что это такое и как они производятся? Как радиация влияет на человека? Как мы измеряем биологические эффекты внешнего излучения? Как мы измеряем биологические эффекты внутренних излучателей? Как ученые определяют долгосрочные риски радиации?

Причины радиоактивность ? Как следует из названия, радиоактивность — это акт испускания радиации. спонтанно. Это делает атомное ядро, которое по какой-то причине нестабильный; он «хочет» отказаться от некоторой энергии, чтобы перейти к более стабильному конфигурация. В первой половине ХХ века многие современные физики были посвящены изучению того, почему это происходит, в результате чего ядерная распад был довольно хорошо понят 1960. Слишком много нейтронов в ядре свинца испускать отрицательную частицу бета , которая изменяет один из нейтронов в протон. Слишком много протонов в ядре приводит к тому, что оно испускает позитрон (положительно заряженный электрон), превращая протон в нейтрон. Слишком много энергия заставляет ядро ​​излучать гамма-лучей , которые отбрасывают большую энергию без изменения каких-либо частиц в ядре. Слишком большая масса приводит к ядро излучает альфа , отбрасывая четыре тяжелые частицы (две протоны и два нейтрона). Как измеряется радиоактивность? Радиоактивность — это физическое, а не биологическое явление. Проще говоря, радиоактивность образца можно измерить, подсчитав, как каждую секунду спонтанно распадается множество атомов. Это можно сделать с приборы, предназначенные для обнаружения определенного типа испускаемого излучения с каждым «распадом» или распадом. Фактическое количество распадов за второй может быть довольно большим. Ученые договорились об общих единиц до использовать как форму сокращения. Так, кюри (сокращенно «Ci» и названная в честь Пьер и Мария Кюри, первооткрыватели радия[87]) — это просто стенографический способ записи «37 000 000 000 распадов в секунду», скорость распада содержится в 1 грамме радия. Более современная Международная система Единицей измерения (СИ) для того же типа измерения является беккерель . (сокращенно «Бк» и назван в честь Анри Беккереля, первооткрывателя радиоактивность), что является просто сокращением от «1 распад на второй.» Что такое радиоактивный период полураспада ? Нестабильность не приводит к немедленному излучению атомного ядра. Вместо этого вероятность распада атома постоянна, как если бы она была нестабильной. ядра постоянно участвуют в своего рода лотерее со случайными розыгрышами решить, какой атом следующим излучит излучение и распадется до более стабильного государство. Время, которое требуется половине атомов данной массы, чтобы «выиграть «лотерея» — то есть испускать излучение и переходить в более стабильное состояние — называется период полураспада . Периоды полураспада сильно различаются между типами атомов, от менее от секунды до миллиардов лет. Например, потребуется около 4,5 миллиардов лет, когда половина атомов в массе урана-238 спонтанно распадаться, но только 24 000 лет для половины атомов в массе плутоний-239 самопроизвольно распадается. Йод 131, обычно используемый в медицины, имеет период полураспада всего восемь дней. Что такое цепочка радиоактивного распада ? Стабильность может быть достигнута за один распад, или ядро ​​может распасться за ряд состояний, прежде чем он достигнет действительно стабильной конфигурации, немного похожей на Обтягивающая игрушка спускается по лестнице. Каждое состояние или шаг будет иметь свое собственное уникальные характеристики периода полураспада и типа излучения, испускаемого в качестве выполняется переход в следующее состояние. Много научных усилий было направлено на распутывая эти цепочки распада, не только для достижения базового понимания природы, но и для разработки ядерного оружия и ядерных реакторов. необычно например, сложный распад урана-238 — основного источника природного радиоактивность на Земле — происходит следующим образом:[88] U-238 испускает альфа-излучение Торий-234 испускает бета-излучение Протактиний 234 испускает бета-излучение Уран-234 испускает альфа-излучение Торий 230 испускает альфа-излучение Радий 226 испускает альфа-излучение Радон-222 испускает альфа- Полоний-218 испускает альфа-излучение Свинец 214 испускает бета-излучение Висмут-214 испускает бета-излучение Полоний-214 испускает альфа-излучение Свинец 210 испускает бета-излучение Висмут-210 испускает бета-излучение Полоний-210 испускает альфа- Свинец 206, стабильный Как искусственно вызвать радиоактивность? Радиоактивность может возникать как естественным образом, так и в результате вмешательства человека. Ан Примером искусственно вызванной радиоактивности является нейтронная активация . А нейтрон, запущенный в ядро, может вызвать ядерное деление (расщепление атомы). Это основная концепция атомной бомбы. Нейтронная активация также является основополагающим принципом бор-нейтронозахватной терапии для некоторых раки головного мозга. Больному вводят раствор, содержащий бор. поглощается раком больше, чем другими клетками. Нейтроны обстреляли территорию опухоли головного мозга легко поглощаются (захватываются) ядрами бора. Эти Затем ядра становятся нестабильными и испускают излучение, которое атакует раковые клетки. Простая в своей основе физика, лечение было сложным и противоречивым. на практике и спустя полвека по-прежнему считается высоко экспериментальный.

Радиоактивный распад: виды и свойства

Автор: Роберт Хазен, доктор философии. , Университет Джорджа Мейсона

Исследования радиоактивных элементов для минералов привели к важному открытию трех различных видов радиоактивного распада. Эти типы называются альфа, бета и гамма — в порядке их открытия. Все три вида излучения обладают проникающей способностью, имеют энергию и могут передавать энергию, например, биологическим системам. Радиоактивный распад подразделяется на три основных вида. (Изображение: gstraub/Shutterstock)

Альфа-распад

При альфа-распаде атом самопроизвольно высвобождает быстро движущуюся частицу, состоящую из двух протонов и двух нейтронов.

Эрнест Резерфорд получил Нобелевскую премию за открытие альфа-излучения. (Изображение: Unknown/Public domain)

Подумайте о частице, состоящей из двух протонов и двух нейтронов: она выглядит точно так же, как ядро. На самом деле это ядро ​​атома гелия-4; два протона — это гелий, плюс два нейтрона, что дает гелий-4. По сути, вы испускаете ядро ​​гелия, которое затем быстро становится атомом гелия и парит в атмосфере в виде газа.

Эрнест Резерфорд открыл это альфа-излучение, запечатав небольшое количество радиоактивного материала в трубку. Вернувшись через несколько месяцев, он обнаружил, что трубка была обогащена гелием, которого раньше там не было. За эту работу Резерфорд получил Нобелевскую премию. Интересно, что альфа-частицы были его атомными пулями в экспериментах, в которых он открыл ядро.

После альфа-распада атом имеет на два протона и два нейтрона меньше; эта частица вылетает из ядра и должна превратиться в другой элемент. Вы теряете два протона, поэтому вам нужно опуститься на две позиции в таблице Менделеева. Например, радий-226 распадается до радия-222. Итак, вы видите элемент, радий, трансформирующийся, опускающийся на две позиции назад и проходящий через периодическую таблицу до радона.

Альфа-частицы несут много энергии, и эта энергия преобразуется в тепло, когда частицы сталкиваются с окружающей средой. Действительно, большая часть геотермального тепла Земли обеспечивается за счет альфа-излучения, выделяемого радиоактивными изотопами глубоко в земле. Альфа-частицы также несут достаточно энергии, чтобы повредить биологические материалы, поэтому они довольно опасны.

Это стенограмма из серии видео Радость науки . Смотрите прямо сейчас на Wondrium.

Бета-излучение и открытие нейтрино

Второй вид излучения — это бета-излучение, и бета-излучение производит электроны высокой энергии, которые называются бета-лучами. Это гораздо более легкий вид радиоактивных частиц.

В этом процессе нейтрон спонтанно превращается в протон, а также в этот быстро движущийся электрон, удаляющийся от атома.

Когда этот процесс распада был впервые изучен, исследователи обнаружили, что энергия продуктов распада не совсем складывается, и это привело к еще одному важному открытию. Другими словами, общей массы протона и последующего электрона по сравнению с нейтроном и высвобожденной энергией было недостаточно, чтобы компенсировать уравнение Эйнштейна, согласно которому энергия равна массе, умноженной на квадрат скорости света [E=mc ² ]. Должен быть другой источник энергии; должна была быть другая частица, и именно так было открыто нейтрино. Нейтрино — важный вид частиц, испускаемых главным образом Солнцем.

Узнайте больше о свойствах взаимодействия света с материей.

Гамма-излучение: самая высокая энергия из всех

Некоторые изотопы подвергаются гамма-распаду; они спонтанно излучают высокоэнергетическое электромагнитное излучение. В электромагнитном спектре присутствуют все длины волн электромагнитных волн, а волны с самой высокой энергией называются гамма-излучением. Это потому, что ядерные процессы очень энергичны.

В данном конкретном случае электромагнитное излучение испускается в результате возбужденного состояния протона. В атоме Бора есть центральное массивное положительное ядро, ядро, содержащее положительные протоны, и вокруг этого ядра вращаются электроны. Электрон находится в основном состоянии. Если вы возбудите этот электрон до возбужденного состояния, и он снова упадет, вы излучаете фотон — обычно видимый свет, поэтому многие материалы в нашем повседневном мире окрашены.

Энергии ядра намного выше, чем когда протон находится в своем основном состоянии, переходит в возбужденное состояние, а затем снова падает в основное состояние; энергия высвобождаемого электромагнитного излучения намного выше, и это гамма-излучение.

Гамма-излучение, поскольку это всего лишь испускание фотона, совершенно не меняет изотоп. Количество протонов то же, количество нейтронов то же, но тем не менее гамма-излучение является высокоинтенсивным, очень потенциально опасным излучением.

Радиоактивный распад может нанести вред организму при поглощении энергии. (Изображение: Comaniciu Dan/Shutterstock)

Узнайте больше о периодической таблице элементов.

Виды радиоактивности

Подводя итог, можно сказать, что существует три вида радиоактивности. Есть альфа-излучение; испускание альфа-частицы, двух протонов и двух нейтронов, и элемент опускается на две позиции в таблице Менделеева. Затем идет бета-излучение; переход нейтрона в протон плюс электрон, так что вы подпрыгиваете на одну позицию вверх в таблице Менделеева. И вот, наконец, гамма-излучение, испускание фотона.

Альфа-частица — большая массивная частица; это все равно, что ударить кого-то большим кулаком, и в результате он не проникает очень далеко.