Все известные радиоактивные элементы разделяют на две группы: естественные и искусственные (техногенные).

Внутреннее облучение.

Земная радиация.

В природе существует три ряда (семейства) радиоактивных веществ: ряд урана-радия, ряд тория и ряд актиния. В каждом ряду с течением времени атомы претерпевают последовательные радиоактивные распады, испуская на каждой ступени α- или β- частицы (с сопровождением γ- излучения или без него) и превращаясь в атомы других химических элементов.

Существование в природе этих трех рядов определяется наличием в каждом случае родоначального нуклида, период полураспада которого сравним с возрастом Земли. В уран-радиевом ряду родоначальником является изотоп урана -238 (238 U) с периодом полураспада 4,5 · 10 9 лет. Актиноуран (235 U) служит родоначальником ряда урана с периодом полураспада 7,1 · 10 8 лет. Изотоп тория-232 (232 Th) с периодом полураспада 1,4 · 10 10 лет является исходным элементом в ториевом ряду. Стабильными конечными продуктами каждого ряда превращений являются изотопы свинца - соответственно 206 Pb, 207 Pb, 208 Pb.

В настоящее время на Земле сохранилось 23 долгоживущих радиоактивных элемента с периодами полураспада от 10 7 лет и выше. Физические характеристики некоторых из них представлены в таблице 11.1.

Таблица 11.1.

Физические характеристики некоторых долгоживущих радиоактивных элементов.

Радиоактивные изотопы, изначально присутствующие на Земле.
Радионуклид	Весовое содержание в земной коре	Период полураспада, лет:	Тип распада:
Уран -238	3 · 10 -6	4.5 · 10 9	-распад
Торий-232	8 · 10 -6	1.4 · 10 10	-распад, -распад
Калий-40	3 · 10 -16	1.3 · 10 9	( - распад, -распад
Ванадий -50	4.5 · 10 -7	5 · 10 14	-распад
Рубидий -87	8.4 · 10 -5	4.7 · 10 10	-распад
Индий-115	1 · 10 -7	6 · 10 14	-распад
Лантан-138	1.6 · 10 -8	1.1 · 10 11	-распад, -распад
Самарий -147	1.2 · 10 -6	1.2 · 10 11	-распад
Лютеций-176	3 · 10 -8	2.1 · 10 10	-распад, -распад

В трех радиоактивных семействах: урана (238 U), тория (232 Th) и актиния (235 Ас) в процессах радиоактивного распада постоянно образуется 40 радиоактивных изотопов. Средняя эффективная эквивалентная доза внешнего облучения, которую человек получает за год от земных источников, составляет около 0.35 мЗв, т.е. чуть больше средней индивидуальной дозы, обусловленной облучением из-за космического фона на уровне моря.

Однако уровень земной радиации неодинаков в различных районах. Так, например, в 200 километрах к северу от Сан-Пауло (Бразилия) есть небольшая возвышенность, где уровень радиации в 800 раз превосходит средний и достигает 260 мЗв в год. На юго-западе Индии 70 000 человек живут на узкой прибрежной полосе, вдоль которой тянутся пески, богатые торием. Эта группа лиц получает в среднем 3.8 мЗв в год на человека. Как показали исследования, во Франции, ФРГ, Италии, Японии и США около 95% населения живут в местах с дозой облучения от 0.3 до 0.6 мЗв в год. Около 3% получает в среднем 1 мЗв в год и около 1.5% более 1.4 мЗв в год.

Структура и величины средних за год эффективных доз облучения населения Украины от природных источников ионизирующего излучения приведены на рисунке 11.1.

Средняя годовая доза облучения составляет 4,88 мЗв, а с учетом последних данных по содержанию радона - 220 (220 Rn) в воздухе жилых помещений значение средней годовой дозы облучения составляет 5,3 мЗв в год.

В разных странах мира величины средних доз различаются от 2,0 мЗв/год (Англия) до ~ 7,8 мЗв/год (Финляндия). Но общим является то, что наибольший вклад в дозу вызван наличием радона, радиоактивного газа, продукта распада природного радия.

Космические лучи.

Космическое излучение складывается из частиц, захваченных магнитным полем Земли, галактического космического излучения и корпускулярного излучения Солнца. В его состав входят в основном электроны, протоны и альфа-частицы. Это первичное космическое излучение. При взаимодействуя с атмосферой Земли образуется вторичное излучение.

Доза облучения от первичного космического излучения на уровне моря составляет 2.4 нЗв/час, при этом большинство населения получает дозу, равную около 0.35 мЗв в год.

Интенсивность космического излучения зависит от солнечной активности, географического положения объекта и возрастает с высотой над уровнем моря. Наиболее интенсивно оно на Северном и Южном полюсах, менее интенсивно в экваториальных областях. Причина этого - магнитное поле Земли, отклоняющее заряженные частицы космического излучения.

Величина дозы радиоактивного облучения, получаемая человеком, зависит от географического местоположения, образа жизни и характера труда. Например на высоте 8 км мощность эффективной дозы составляет 2 мкЗв/час, что приводит к дополнительному облучению при авиаперевозках.

При вторичном облучении, в результате ядерных реакций образуются радиоактивные ядра - космогенные радионуклиды.

Например, n + 14 N 3 H + 12 C , p + 14 N n + 14 C

В создание дозы наибольший вклад вносят 3 H, 7 Be, 14 C и 22 Na которые поступают вместе с пищей в организм человека (табл.11.2.)

Таблица 11.2.

Среднее годовое поступление космогенных радионуклидов в организм человека.

Взрослый человек потребляет с пищей 95 кг углерода в год при средней активности на единицу массы углерода 230 Бк/кг. Суммарный вклад космогенных радионуклидов в индивидуальную дозу составляет около 15 мкЗв/год.

Радон.

Наиболее весомым из всех естественных источников радиации (рис. 11.2.) является невидимый, не имеющий вкуса и запаха тяжелый газ (в 7,5 раза тяжелее воздуха) — радон - 222 (222 Rn). Человек подвергается воздействию радона и продуктов его распада в основном за счет внутреннего облучения при поступлении радионуклидов в организм через органы дыхания и, в меньшей мере, с продуктами питания. Поступив в организм при вдохе, он вызывает облучение слизистых тканей легких. При длительном поступлении радона и его продуктов в организм человека многократно возрастает риск возникновения рака легких.

Человек получает 3,8 мЗв в год за счет внутреннего облучения радоном, что составляет 77, 9% среднегодовой дозы облучения от естественных источников радиации.

Основным источником этого радиоактивного инертного газа является земная кора. Проникая через трещины и щели в фундаменте, полу и стенах, радон задерживается в помещениях. Другой источник радона в помещении - это сами строительные материалы (бетон, кирпич, пемза, гранит и другие.), содержащие естественные радионуклиды, которые являются источником радона. Радон может поступать в дома также с водой (особенно если она подается из артезианских скважин), при сжигании природного газа и других источников.

Сравнить мощность излучения различных источников радона поможет следующая диаграмма

Рис. 11.2. Диаграмма мощности излучения различных источников радона.

Внутреннее облучение от радионуклидов земного происхождения.

В организме человека постоянно присутствуют радионуклиды земного происхождения, поступающие через органы дыхания и пищеварения. Наибольший вклад в формирование дозы внутреннего облучения вносят 40 К, 87 Rb, и нуклиды рядов распада 238 U и 232 Th (табл.11.3.).

Таблица 11.3.

Среднегодовая эффективная эквивалентная доза внутреннего облучения

Для Украины средняя годовая доза внутреннего облучения составляет 200мкЗв, что составляет 4,1% от суммарной дозы природных источников.

Искусственная радиоактивноть.

Врезультате деятельности человека во внешней среде появились искусственные радионуклиды и источники излучения.

В природную среду стали поступать в больших количествах естественные радионуклиды, извлекаемые из недр Земли минеральные и органические природные ресурсы :

Геотермические электростанции, создающие в среднем выброс около 4 · 10 14 Бк изотопа 222 Rn на 1 ГВт выработанной электроэнергии;

Фосфорные удобрения, содержащие 226 Ra и 238 U (до 70 Бк/кг в Кольском апатите и 400 Бк/кг в фосфорите);

Сжигаемый в жилых домах и электростанциях газ и уголь, содержит естественные радионуклиды 40 К, 232 U и 238 U в равновесии с их продуктами распада.

За последние несколько десятилетий человек создал несколько тысяч радионуклидов и начал использовать их в научных исследованиях, в технике, медицинских целях и других целях. Это приводит к увеличению дозы облучения, получаемой как отдельными людьми, так и населением в целом. Иногда облучение за счет источников, созданных человеком, оказывается в тысячи раз интенсивнее, чем от природных источников.
В настоящее время основной вклад в дозу от источников, созданных человеком, вносит внешнее радиактивное облучение при диагностике и лечении.

Средняя эффективная эквивалентная доза, получаемая от всех источников облучения в медицине, в промышленно развитых странах составляет 1 мЗв в год на каждого жителя, т.е. примерно половину средней дозы от естественных источников.

Роль различных искусственных источников излучений в создании радиационного фона иллюстрируется таблице 11.4.

Таблица 11.4.

Среднегодовые дозы, получаемые от естественного радиационного фона и различных искусственных источников излучения.

Испытания ядерного оружия.

Радиологические последствия испытаний ядерного оружия определяются количеством испытаний, суммарными энерговыделением и активностью осколков деления, видами взрывов (воздушные, наземные, подводные, надводные, подземные) и геофизическими факторами окружающей среды в период испытаний (район, метеообстановка, миграция радионуклидов и другие.). Испытания ядерного оружия, которые особенно интенсивно проводились в период 1954-1958 и 1961-1962 гг. стали одной из основных причин повышения радиационного фона Земли и, как следствие этого, глобального повышения доз внешнего и внутреннего облучения населения.

В США, СССР, Франции, Великобритании и Китае в общей сложности проведено не менее 2060 испытаний атомных и термоядерных зарядов в атмосфере, под водой и в недрах Земли, из них непосредственно в атмосфере 501 испытание.

По оценкам международных организаций во второй половине 20-го века за счет ядерных испытаний во внешнюю среду поступило 1.81 · 10 21 Бк продуктов ядерного деления (ПЯД), из них на долю атмосферных испытаний приходится 99.84 %. Распространение радионуклидов приняло планетарные масштабы (рис. 11.3.-11.4.).

Продукты ядерного деления представляют собой сложную смесь более чем 200 радиоактивных изотопов 36 элементов (от цинка до гадолиния). Большую часть активности составляют короткоживущие радионуклиды. Так, через 7, через 49 и через 343 суток после взрыва активность ПЯД снижается соответственно в 10, 100 и 1000 раз по сравнению с активностью через час после взрыва. Выход наиболее биологически значимых радионуклидов приведен в таблице 11.5.

Экологическое значение разных радиоактивных изотопов совершенно различно. Радиоактивные вещества с коротким периодом полураспада менее (2 суток) не представляют большой опасности, так как они сохраняют высокий уровень радиации в зараженном биотопе непродолжительное время. Вещества с очень длинным периодом полураспада, например 238 U, также почти безопасны, поскольку они в единицу времени испускают очень слабое излучение.

Наиболее опасными радионуклидами являются те, у которых период полураспада изменяется от нескольких недель до нескольких лет (таблица 11.5.). Этого времени достаточно для того, чтобы упомянутые элементы смогли проникнуть р различные организмы и накопиться в пищевых цепях.

Следует также отметить высокую радиотоксичность для тех элементов, которые являются аналогами биогенных элементов.

Рис. 11.3. Содержание стронция-90 и цезия-137 в продуктах питания и суммарная годовая мощность ядерных взрывов атмосфере.
Рис.11.4. Содержание цезия-137 в различных продуктах питания: А - зерновые продукты, Б - мясо, В - молоко, Г - фрукты, Д - овощи.
Таблица 11.5. Выход некоторых продуктов деления при ядерном взрыве.
Элемент	Заряд	Период полураспада	Выход на одно деление,%	Активность на 1 Мт, (10 15 Бк)
Стронций-89		50.5 сут	2.56
Стронций-90		28.6 лет	3.5	3.9
Цирконий-95		64 сут	5.07
Рутений-103		39.5 сут	5.2
Рутений-106		368 сут	2.44
Иод-131		8 сут	2.90
Цезий-136		13.2 сут	0.036
Цезий-137		30.2 лет	5.57	5.9
Барий-140		12.8 сут	5.18
Церий-141		32.5 сут	4.58
Церий-144		284 сут	4.69
Водород-3		12.3 лет	0.01	2.6 · 10 -2

Атомная энергетика.

Источником облучения, вокруг которого ведутся наиболее интенсивные споры, являются атомные электростанции. Преимущество атомной энергетики состоит в том, что она требует существенно меньших количеств исходного сырья и земельных площадей, чем тепловые станции (таблица 11.6.), не загрязняет атмосферу дымом и сажей.

Опасность состоит в возможности возникновения катастрофических аварий реактора, а также в реально не решенной проблеме утилизации радиоактивных отходов и утечке в окружающую среду небольшого количества радиоактивности.

Таблица 11.6.

Расход природных ресурсов для производства 1 ГВт в год электроэнергии в угольном и ядерном топливных циклах

При прямоточном охлаждении.

К концу 1984 г. в 26 странах работало 345 ядерных реакторов, вырабатывающих электроэнергию. Их мощность составляла 220 ГВт или 13% суммарной мощности всех источников электроэнергии. К 1994 году в мире работало 432 атомных реактора, их суммарная мощность составила 340 ГВт.

Прогнозируемые перспективы развития ядерной энергетики мире показаны в таблице 11.7.

Таблица 11.7.

Перспективы развития ядерной энергетики в мире.

В условиях нормальной эксплуатации АЭС выбросы радионуклидов во внешнюю среду незначительны и состоят в основном из радионуклидов йода и инертных радиоактивных газов (Хе, Сг), периоды полураспада которых в основном не превышают нескольких суток. 90% всей дозы облучения, возможной в результате выброса на атомной станции и обусловленной короткоживущими изотопами, население получает в течение года после выброса, 98% - в течение 5 лет. Почти вся доза приходится на людей, живущих вблизи АЭС. Дозы облучения обычно значительно ниже установленных пределов для отдельных лиц из населения (0.5 бэр/год).

Долгоживущие продукты выброса (137 Сз, 90 Ce, 85 Кг и другие.) распространяются по всему земному шару. Оценка ожидаемой коллективной эквивалентной дозы от облучения такими изотопами составляет 670 чел-Зв на каждый ГигаВатт вырабатываемой электроэнергии.

Приведенные выше оценки получены в предположении, что ядерные реакторы работают нормально. Вклады различных источников облучения в этом случае приведены на рисунке 11.5.

Рис.11.5. Вклады различных источников радиации

Количество радиоактивных веществ, поступивших в окружающую среду при аварии, существенно больше. Известно, что за период с 1971 по 1984 гг. в 14 странах мира произошла 151 авария на АЭС.

26 апреля 1986 г. на Чернобыльской атомной электростанции произошла авария с разрушением активной зоны реактора, что привело к выбросу части накопившихся в активной зоне радиоактивных продуктов в атмосферу .

В результате аварии в окружающую среду было выброшено от5 до 30 % ядерного топлива. Кроме того, часть содержимого реактора расплавилась и переместилась через разломы внизу корпуса реактора за его пределы.

Кроме топлива, в активной зоне в момент аварии содержались продукты деления и трансурановые элементы — различные радиоактивные изотопы, накопившиеся во время работы реактора. Именно они представляют наибольшую радиационную опасность.

Большая их часть осталась внутри реактора, но наиболее летучие вещества были выброшены наружу, в том числе:

Все благородные газы, содержавшиеся в реакторе;

Примерно55 % йода в виде смеси пара и твёрдых частиц, а также в составе органических соединений;

Цезий и теллур в виде аэрозолей.

Суммарная активность веществ, выброшенных в окружающую среду, составила, по различным оценкам, до 14Ч 1018 Бк (14 ЭБк), в том числе:

1,8 ЭБк йода-131,

0,085 ЭБк цезия-137,

0,01 ЭБк стронция-90 и

0,003 ЭБк изотопов плутония;

На долю благородных газов приходилось около половины от суммарной активности (Рис. 11. 6.).

Рис.11.6 Доза внешнего гамма - облучения , получаемого человеком около Чернобыльской станции.

Загрязнению подверглось более 200 тыс. км², примерно 70 % — на территории Белоруссии, России и Украины. Радиоактивные вещества распространялись в виде аэрозолей, которые постепенно осаждались на поверхность земли. Большая часть стронция и плутония выпала в пределах 100 км от станции, так как они содержались в основном в более крупных частицах. Иод и цезий распространились на более широкую территорию.

С точки зрения воздействия на население в первые недели после аварии наибольшую опасность представлял радиоактивный иод, имеющий сравнительно малый период полураспада (восемь дней) и теллур. В настоящее время (и в ближайшие десятилетия) наибольшую опасность представляют изотопы стронция и цезия с периодом полураспада около 30 лет. Наибольшие концентрации цезия-137 обнаружены в поверхностном слое почвы, откуда он попадает в растения и грибы. Загрязнению также подвергаются насекомые и животные, которые ими питаются. Радиоактивные изотопы плутония и америция сохранятся в почве в течение сотен, а возможно и тысяч лет.

Значительному загрязнению подверглись леса. Из-за того, что в лесной экосистеме цезий постоянно рециркулирует, а не выводится из неё, уровни загрязнения лесных продуктов, таких как грибы, ягоды и дичь, остаются опасными. Уровень загрязнения рек и большинства озёр в настоящее время низкий. Однако в некоторых «замкнутых» озёрах, из которых нет стока, концентрация цезия в воде и рыбе ещё в течение десятилетий может представлять опасность.

Загрязнение не ограничилось 30-километровой зоной. Было отмечено повышенное содержание цезия-137 в лишайнике и мясе оленей в арктических областях России, Норвегии, Финляндии и Швеции.

Естественная называют радиоактивность изотопов, существующих в природе, или радиоактивность изотопов, образующихся в результате природных процессов (все изотопы полученные естественно).

Искусственной называют радиоактивность изотопов, которые возникают в результате деятельности человека (изотопы, полученные и получаемые на ускорителях частиц).

Использование радионуклидов в медицине.

В диагностических и терапевтических целях в медицине широко используют радионуклиды.В природе их нет. Получают искусственно.

Радионуклидами называют изотопы с малым периодом полураспада.

Диагностическое применение основано на избирательном накоплении химических элементов отдельными органами (йод, кальций, железо и др.). Введение в организм радиоизотопов позволяет определить области их концентрации и получить важную диагностическую информацию. Такой метод называется метод меченых атомов.

Терапевтическое использование радионуклидов основано на разрушающем действии ионизирующего излучения на клетки опухолей.

1. Гамма –терапия – для разрушения …
глубоко расположенных опухолей облучают гамма — лучами источника излучения радиоизотопа 60 Со.

В целях защиты здоровых клеток в разных направлениях облучают по разному.

2. Альфа – терапия – лечебное использование альфа – частиц возможно при непосредственном контакте с поверхностью органа, т.к., альфа – частицы обладают значительной линейной плотностью ионизации и поглощается небольшим слом воздуха.

Контрольные вопросы по разделу

1. Каково строение ядер атомов? Каковы свойства ядерных сил? От чего зависит устойчивость ядер?

2. В чем состоит радиоактивный распад ядер? Каковы виды радиоактивного распада? Назовите правила смещения. Какие законы сохранения выполняются при радиоактивном распаде?

3. Каковы энергетические спектры альфа-частиц и гамма-излучений, сопровождающих распад? Какую информацию они дают?

4. Расскажите о естественной и искусственной радиоактивности и методах получения радионуклидов. Ч такое нейтронная активация?

5. Приведите примеры распада основных радионуклидов, определяющих характер радиоактивного заражения после аварии на ЧАЭС.

6. В чем состоит основной закон радиоактивного распада? Каков смысл входящих в него величин? Приведите его график. Какова связь между постоянной радиоактивного распада, периодом полураспада и средней продолжительностью жизни нуклидов?

7. Что такое активность? В каких единицах она измеряется? Какова связь между системными и внесистемными единицами активности? Что такое удельная объемная, массовая и поверхностная активность? Назовите единицы их измерения.

8. Какая связь между активностью и массой радионуклидов?

9. Каковы основные параметры, характеризующие взаимодействие ионизирующего излучения с веществом? Охарактеризуй те из (линейная плотность ионизации, линейная передача энергии, средний линейный пробег).

10. Каковы особенности взаимодействия с веществом, альфа- и бета-частиц, нейтронов и гамма-излучений? Укажите принципы защиты от ионизирующих излучений.

11. Каковы физические основы радионуклидных методов диагностики? Охарактеризуйте гамма-хронографию и гамма-топографию.

12. На каких физических явлениях основана работа позитронно-эмиссионного томографа (ПЭТ)? Каковы его возможности?

13. Каковы физические принципы и возможности лучевой терапии?

Дозиметрия

Необходимость количественной оценки действия ионизирующего излучения на различные вещества живой и неживой природы привела к появлению дозиметрии.

Дозиметрия — раздел ядерной физики и измерительной техники, в котором изучают величины, характеризующие действие ионизирующего излучения на вещества, а также методы и приборы для их измерения.

Процессы взаимодействия излучения с тканями зависят от вида ткани. Для различных типов излучений она протекает не одинаково. Но во всех случаях происходит преобразование энергии излучения в другие виды энергии. В результате часть энергии излучения поглощается веществом.

Поглощенная энергия — первопричина всех последующих процессов, которые в конечном итоге приводят к биологическим изменениям в живом организме. Количественно действие ионизирующего излучения (независимо от его природы) оценивается по энергии, переданной веществу. Для этого используется специальная величина — доза излучения (доза — порция).

Поглощенная доза(D) — величина, равная отношению энергии ΔΕ, переданной элементу облучаемого вещества, к массе Δm этого элемента:

D = ∆E/ m∆

В СИ единицей поглощенной дозы является грей (Гр), в честь английского физика-радиобиолога Луи Гарольда Грея. 1 Гр= Дж/кг -это поглощенная доза ионизирующего излучения любого вида, при которой в 1 кг массы вещества поглощается энергия 1 Дж энергии излучения.

В практической дозиметрии обычно пользуются внесистемной единицей поглощенной дозы — рад (1 рад = 10 -2 Гр).

Величина поглощенной дозыучитывает только энергию, переданную облучаемому объекту, но не учитывает «качество излучения». Понятие качества излученияхарактеризует способность данного вида излучения производить различные радиационные эффекты. Для оценки качества излучения вводят параметр — коэффициент качества (quality factor). Он является регламентированной величиной, его значения определены специальными комиссиями и включены в международные нормы, предназначенные для контроля над радиационной опасностью.

Явление радиоактивности было открыто в 1896 г. французским физиком Анри Беккерелем. Он обнаружил, что содержащие уран вещества испускают невидимые лучи, вызывающие потемнение фотопластинки и способные проникать через бумагу, дерево и другие плотные среды. Некоторое время спустя знаменитые французские физики Мария Склодовская-Кюри и Пьер Кюри установили, что способностью испускать такие лучи обладают, кроме урана, еще торий и полоний. Немного позднее (1898) ими был открыт радий. Супруги Кюри выделили радий в чистом виде, который представлял собой мягкий серебристо-белый металл, похожий по своим свойствам на барий. Исследования показали, что интенсивность излучения, испускаемого радием, в миллионы раз больше, чем у урана. Беккерель и супруги Кюри показали сильное действие излучения радия на человеческий организм.

Способность некоторых элементов испускать открытые Беккерелем лучи супруги Кюри назвали радиоактивностью, а вещества, обладающие этой способностью, -- радиоактивными веществами.

В настоящее время излучения, возникающие при радиоактивном распаде, называют ионизирующими или ядерными, излучениями. Первое из этих названий связано с одним из главных свойств данных излучений -- способностью производить ионизацию в окружающей среде. Однако этой способностью обладают также и рентгеновские лучи и отчасти ультрафиолетовые. Поэтому более точным является название «ядерные излучения».

Естественные радиоактивные элементы

Природными, или естественными, излучателями называются все радиоактивные изотопы, встречающиеся в природе и не созданные человеком. Явление естественной радиоактивности, как было сказано ранее, открыто в самом конце XIX века. Следы естественной радиоактивности можно обнаружить во всех веществах живой и неживой природы.

Открытие естественной радиоактивности оказало глубокое влияние на многие фундаментальные понятия науки. Явление естественной радиоактивности было использовано для создания эффективных методов изучения микроскопической структуры веществ и их свойств. Радиоактивность естественных излучателей начали использовать при изучении строения атомных ядер для оценки возраста земли и измерения скорости образования осадков на дне океанов.

В настоящее время в природе обнаружено около 340 изотопов, причем 70 из них являются радиоактивными, это в основном изотопы тяжелых металлов.

Основное количество естественных радиоактивных изотопов относится к тяжелым элементам. Все элементы, имеющие атомный номер больше 80, имеют радиоактивные изотопы. Изотопы элементов с атомным номером больше 82 в стабильном состоянии вообще неизвестны, все они являются радиоактивными. Кроме естественно возникших радиоактивных излучателей земного происхождения, имеются некоторые изотопы, образованные в процессе взаимодействия космических лучей с газами земной атмосферы и отдельными элементами земной коры. Наиболее важными из них являются углерод (С 14) и тритий (Н 3).

Естественные радиоактивные изотопы, встречающиеся в природе, можно разбить на три группы. В первую группу входят естественные радиоактивные элементы, известные изотопы которых радиоактивны. К этой группе относятся три семейства последовательно превращающихся изотопов: ряды урана -- радия, тория и актиния. Промежуточными продуктами распада этих радиоактивных семейств являются как твердые, так и газообразные изотопы (эманации). Наибольшее значение из этой группы имеют уран (U 235), торий (Тh 232), радий (Rа 226) и радон (Rn 222 , Rn 220). Во вторую группу входят изотопы химических элементов, связанных генетически, т. е. не образующие семейства. К этой группе относятся калий (К 40), кальций (Са 48), рубидий (RЬ 87), цирконий (Zг 96), лантан (Lа 138), самарий (Sm 147), лютеций (Lu 176). Основное значение из этой группы имеет калий: он обусловливает наибольшую величину естественной радиоактивности.

В третью группу входят так называемые космогенные изотопы, которые образуются в стратосфере под действием космических лучей, захватываются атмосферными осадками и в их составе выпадают на земную поверхность. К этой группе относятся тритий (Н 3), бериллий (Ве 7 , Ве 10) и углерод (С 14).

Естественные излучатели в основном являются долгоживущими изотопами, с периодом полураспада 10 8 --10 16 лет. В процессе распада они испускают б- и в-частицы, а также г-лучи. Обычно эти естественные радиоактивные изотопы находятся в очень рассеянном состоянии.

Искусственные радиоактивные изотопы

Кроме естественных радиоактивных изотопов, существующих в природной смеси элементов, известно много искусственных радиоактивных изотопов. Искусственные радиоактивные изотопы получаются в результате различных ядерных реакций. Изучение естественной радиоактивности показало, что превращение одного химического элемента в другой обусловлено изменениями, происходящими внутри атомных ядер, т.е. внутриядерными процессами. В связи с этим были предприняты попытки искусственного превращения одних химических элементов в другие путем воздействия на атомные ядра.

Для превращения одних химических элементов в другие необходимо было атомные ядра подвергать таким воздействиям, которые бы приводили к изменению ядер и связанному с этим превращению одних элементов в другие. Следовательно, нужны были ис-точники энергии того же порядка, как энергия внутриядерных связей. Эффективным средством воздействия на атомные ядра оказалась бомбардировка их частицами высокой энергии (от нескольких миллионов до десятков миллиардов электрон-вольт).

В первое время в качестве бомбардирующих частиц применяли б-частицы радиоактивного излучения.

В 1919 г. Резерфорд впервые осуществил искусственное расщепление ядер азота, бомбардируя их б-частицами полония. Затем стали применять и другие заряженные частицы, предварительно сообщая им очень большую скорость (кинетическую энергию) в специальных ускорителях. Кроме того, в настоящее время применяются потоки заряженных и нейтральных частиц, создаваемые ядерными реакторами. Процесс превращения атомных ядер, обусловленный воздействием на них быстрых элементарных частиц (или ядер других атомов), называется ядерной реакцией. Например, после пропускания б-лучей через слой азота образуются атомы изотопа кислорода и атомные ядра водорода, т.е. протоны. Эта ядерная реакция протекает следующим образом: б-частица попадает в ядро азота и поглощается им. Образуется промежуточное ядро изотопа фтора 9 F 18 , которое оказывается неустойчивым, оно мгновенно выбрасывает из себя один протон и превращается в изотоп кислорода.

В настоящее время запись ядерных реакции производят более сокращенно. После символа атомного ядра, подвергающегося, бомбардировке указывают в скобках бомбардирующую частицу и другие частицы, появляющиеся в результате реакции; за скобкой ставят символ атомного ядра -- продукта. Этот способ записи к рассматриваемой реакции может выглядеть следующим образом. Первая искусственная ядерная реакция, проведенная Резерфордом, подтвердила возможность осуществления искусственных ядерных реакций и непосредственно показала, что протоны входят в состав атомных ядер и могут быть выбиты из этих ядер.

Все ядерные реакции сопровождаются испусканием тех или иных элементарных частиц (в том числе и г-квантов) . Продукты многих ядерных реакций оказываются радиоактивными. Явление искусственной радиоактивности было открыто известными французскими физиками Ирэн и Фредериком Жолио-Кюри в 1934 г. Они впервые искусственным путем получили радиоактивные изотопы элементов, встречающихся в природе в виде устойчивых изотопов. Такие изотопы были названы искусственно радиоактивными изотопами.

Первые искусственно радиоактивные изотопы были получены при бомбардировке б-частицами элементов бора, магния, алюминия. При бомбардировке алюминия вылетают нейтроны и получался изотоп фосфора, испускающий позитроны. Изотоп фосфора оказался радиоактивным, его атомные ядра испускали позитроны и превращались в ядра кремния. реакция бомбардировки алюминия б-частицами, открытая супругами Жолио-Кюри, показала новый вид радиоактивного распада-позитронный распад, который не наблюдается у естественно биоактивных изотопов.

В дальнейшем было показано, что искусственные радиоактивные изотопы можно получить, бомбардируя стабильные изотопы не только б-частицами, но нейтронами и другими ядерными частицами.

В настоящее время радиоактивные изотопы известны почти для всех элементов и их можно получить, при самых разнообразных ядерных реакциях. Так, даже один и тот же изотоп может быть получен в результате совсем различных ядерных реакций. После открытия искусственной радиоактивности стало возможным нанесение «метки» на атомы почти каждого химического элемента. Искусственные радиоактивные изотопы стали применяться в качестве меченых атомов. Метод меченых атомов в настоящее время имеет большое значение в самых разнообразных науки областях и практики.

Следует отметить, что методом меченых атомов называют работу как со стабильными, так и с радиоактивными изотопами, если эти изотопы используются как индикаторы. Радиоактивные изотопы применяются в качестве меченых атомов чаще, чем стабильные потопы.

В настоящее время для получения искусственных радиоактивных изотопов в промышленности применяют три основных метода: 1) бомбардировка химических соединений и элементов ядерными частицами; 2) химическое разделение смеси изотопов; 3) выделение продуктов распада естественных радиоактивных изотопов.

Для биологических и сельскохозяйственных работ имеют значение в основном изотопы, полученные двумя первыми методами. В промышленном масштабе искусственные радиоактивные изотопы получают путем облучения (преимущественно нейтронного) соответствующих химических элементов в ядерном реакторе. В результате ядерной реакции типа (n, г) получается изотоп того элемента, который облучается. При реакциях типа (n, б) и (n, p) образуются изотопы других элементов.

Радиоактивностью называется превращение неустойчивых изотопов одного химического элемента в изотопы другого элемента , сопровождающееся испусканием некоторых частиц .

Естественной радиоактивностью называется радиоактивность , наблюдающаяся у существующих в природе неустойчивых изотопов .

Искусственной радиоактивностью называется радиоактивность изотопов , полученных в результате ядерных реакций .

На рис. 9.3 показан классический опыт, позволивший обнаружить сложный состав радиоактивного излучения.

Радиоактивный препарат помещался на дно узкого канала в свинцовом контейнере. Против канала помещалась фотопластинка. На выходившее из канала излучение действовало сильное магнитное поле, перпендикулярное к лучу. Вся установка размещалась в вакууме.

Обычно все типы радиоактивности сопровождаются испусканием гамма-излучения – жесткого , коротковолнового электромагнитного излучения . Гамма-излучение является основной формой уменьшения энергии возбужденных продуктов радиоактивных превращений. Ядро, испытывающее радиоактивный распад, называется материнским ; возникающее дочернее ядро, как правило, оказывается возбужденным, и его переход в основное состояние сопровождается испусканием γ-фотона.

В табл. 1 приведены основные типы радиоактивности.

Таблица 1

Тип радиоактивности	Изменение заряда ядра Z	Изменение массового числа А	Характер процесса
			Вылет α-частицы – системы двух протонов и двух нейтронов, соединенных воедино
			Взаимные превращения в ядре нейтрона () и протона ()
β – -распад
β + -распад
Электронный захват (е – -или К-захват)			И – электронное нейтрино и антинейтрино
Спонтанное деление	Z – (1/2)A	A – (1/2)A	Деление ядра обычно на два осколка, имеющих приблизительно равные массы и заряды

Самопроизвольный распад атомных ядер подчиняется закону радиоактивного распада :

,

(9.4.1)

где N 0 – количество ядер в данном объеме вещества в начальный момент времени t = 0, N – число ядер в том же объеме к моменту времени t , λ – постоянная распада , имеющая смысл вероятности распада ядра за 1 секунду и равная доле ядер, распадающихся за единицу времени.

Закон самопроизвольного радиоактивного распада основывается на двух предположениях:

· постоянная распада не зависит от внешних условий;

· число ядер, распадающихся за время dt, пропорционально наличному количеству ядер. Эти предположения означают, что радиоактивный распад является статистическим процессом и распад данного ядра является случайным событием, имеющим определенную вероятность.

Величина 1/λ равна средней продолжительности жизни (среднее время жизни ) радиоактивного изотопа . Действительно, суммарная продолжительность жизни dN ядер равна: . Средняя продолжительность τ жизни всех первоначально существовавших ядер:

.

(9.4.2)

Характеристикой устойчивости ядер относительно распада служит период полураспада Т 1/2 . Так называется время , в течение которого первоначальное количество ядер данного радиоактивного вещества уменьшается наполовину . Связь λ и Т 1/2:

.

(9.4.3)

Естественная радиоактивность наблюдается у ядер атомов химических элементов, расположенных за свинцом в периодической системе Менделеева. Естественная радиоактивность легких и средних ядер наблюдается лишь у ядер , , , , , , .

При радиоактивном распаде ядер выполняется закон сохранения электрического заряда:

,

(9.4.4)

где Z яд e – заряд материнского ядра, Z i е – заряды ядер и частиц, возникших в результате радиоактивного распада. Этот закон применяется при исследовании всех ядерных реакций.

Правило сохранения массовых чисел при явлениях естественной радиоактивности:

,

(9.4.5)

где A яд – массовое число материнского ядра, A i – массовые числа ядер или частиц, получившихся в результате радиоактивного распада.

Правила смещения (правила Фаянса и Содди ) при радиоактивных распадах:

при α-распаде ;

при β – -распаде .

Здесь – материнское ядро, Y – символ дочернего ядра, – ядро гелия, – символическое обозначение электрона, для которого A = 0 и Z = –1.

Первые сведения об атомной энергии были получены в конце прошлого столетия, когда ученые обнаружили, что некоторые химические элементы (уран, радий и др.) испускают в окружающее пространство не видимые гла­зом излучения. Это явление, т. е. испускание частиц и электромагнитного излучения атомами некоторых элемен­тов, происходящее вследствие ядерных превращений, стали называть радиоактивностью (от латинского слова «радиус» - луч). Ядерные превращения, т. е. самопроиз­вольные превращения ядер атомов одних элементов в ядра атомов других элементов, называются радиоак­тивным распадом .

Рис 8. Схема опыта по разделению радиоактивных лучей

Различают естественную и искусственную радиоактив­ность . Естественной называют радиоактивность естествен­ных изотопов, т. е. химических элементов, которые встре­чаются в природе. Искусственной называют радиоактив­ность изотопов, получаемых искусственным путем. Есте­ственная радиоактивность наблюдается у таких изотопов химических элементов, как, например, радий, ypart , торий и другие.

Достижения современной физики позволили получить очень большое количество искусственных радиоактивных изотопов. В настоящее время получены радиоактивные изотопы всех известных на сегодня химических элемен­тов, начиная от водорода, самого легкого химического элемента, занимающего первое место в таблице Менде­леева, и кончая центурием - самым тяжелым элементом, занимающим последнее, сотое место в этой таблице. При­чем для многих химических элементов получены не­сколько изотопов. Например, известны такие изотопы водорода: легкий водород - 1 протий 1 ,тяжелый водород - 1 дейтерий 2 и сверхтяжелый водород - 1 тритий 3 . Далее известны также несколько изотопов урана, например: 92 уран 233 , 92 уран 234 , 92 уран 235 , 92 уран 238 , 92 уран 239 . В пос­ледние годы было получено более 700 искусственных ра­диоактивных изотопов всех химических элементов, встре­чающихся в природе.

Какие же частицы испускают радиоактивные химиче­ские элементы при своем распаде? Как их можно обна­ружить?

Для этой цели крупинку радиоактивного препарата вкладывали в свинцовую коробку (рис. 8). Такую уста­новку помещали в сильное магнитное поле. Испускаемые этой крупинкой излучения, выходя через узкое отверстие, в магнитном поле раскладываются на три отдельных луча: вправо, влево и прямо, не отклоняясь. Этот опыт указывает, что некоторые вылетающие частицы имеют электрический заряд. Эти составляющие были названы соответственно альфа (α )-, бета (β )- и гамма (γ ) - лучами. Дальнейшим исследованием было установлено, что альфа-частицы несут положительный заряд и являются ядрами атома гелия (2 гелий 4). Они вылетают из ядра радиоактивного элемента со скоростью, достигающей примерно 20 000 километров в секунду.

Отрицательно заряженные бета-частицы (β ) представ­ляют собой электроны, которые движутся с различными скоростями, достигающими примерно 250 000 километров в секунду.

Альфа- и бета-распад зачастую сопровождается неви­димым электромагнитным излучением, получившим на­звание гамма-излучения . Гамма-излучение, испускаемое ядрами отдельными порциями, или, как говорят, кван­тами, представляет собой поток материальных электри­чески нейтральных частиц, называемых фотонами, и рас­пространяется со скоростью света, т. е. 300 000 километров в секунду.

Естественно, что не все радиоактивные изотопы явля­ются альфа- и бета-активными. Некоторые химические элементы испускают только альфа-частицы, другие эле­менты испускают только бета-частицы; существуют и та­кие элементы, которые испускают альфа- и бета-частицы одновременно.

Выше уже отмечалось, что в результате радиоактив­ного распада ядер образуются ядра новых химических элементов. Какие же это элементы?

Испускание альфа-частиц характерно для атомов тя­желых химических элементов. Очевидно, что заряд ядра, испускающего альфа-частицу, должен как-то измениться, ибо альфа-частица, являясь ядром атома гелия, уносит часть положительного заряда распадающегося ядра. В действительности так и происходит.

В результате альфа-распада получается ядро нового химического элемента, заряд ядра которого будет меньше заряда распавшегося ядра на две единицы, ибо альфа - частица, т. е. ядро атома гелия, несет положительный за­ряд в 2 элементарные единицы заряда. А так как место любого химического элемента в таблице Менделеева определяется зарядом ядра, то новый химический эле­мент, полученный в результате альфа-распада, будет на­ходиться на 2 клеточки левее исходного. Массовое число ядра нового элемента также уменьшится на 4 единицы (т. е. на величину- массового числа альфа-частицы). На­пример, радий, испуская альфа-частицу, превращается в радиоактивный газ - радон. Эта ядерная реакция альфа- распада может быть записана следующим образом:

88 радий 226 -> 86 радон 222 + 2 гелий 4 .

Другим видом радиоактивности является испускание бета-частиц, характерное для значительного числа есте­ственных и искусственных радиоактивных изотопов. Испускание ядром бета-частицы происходит вследствие того, что один из нейтронов ядра превращается в протон. Следовательно, в этом случае заряд нового ядра увели­чится на единицу. Так как вес электрона ничтожно мал, то потерей веса ядра вследствие испускания бета-частицы можно пренебречь. Поэтому в случае бета-распада принимается, что массовое число ядра остается прежним.

Пример такого бета-распада может быть записан так:

89 актиний 227 -> 90 торий 227 + -1 β 0

т. е. актиний, испуская бета-частицу, превращается в изотоп тория.

Возникает вопрос: какая же дальнейшая судьба альфа- и бета-частиц, испускаемых ядрами радиоактивных изо­топов?

Эти частицы, вылетая с большой скоростью, сталки­ваются с атомами окружающей среды. Сталкиваясь, они выбивают электроны из электронной оболочки атомов окружающей среды (воздуха, металлов и т. д.), в резуль­тате чего эти атомы превращаются в ионы.

Ионизирующую способность частиц оценивают удель­ной ионизацией, т. е. числом пар ионов, образующихся на одном сантиметре пути пробега частицы. В результате столкновения альфа-частицы с атомами окружающей среды она постепенно теряет скорость, а ее энергия посте­пенно уменьшается. Потеряв энергию, альфа-частица, т. е. ядро атома гелия, в конце концов присоединяет к себе свободные электроны, находящиеся всегда в любой среде, и таким образом превращается в атом гелия.

Бета-частица, т. е. быстро движущийся электрон, дви­гаясь, на своем пути также вызывает ионизацию атомов.

Замедленная бета-частица будет находиться в про­странстве до тех пор, пока не будет присоединена ядром или атомом какого-либо элемента.

Распространение в любой среде гамма-излучения также сопровождается ионизацией атомов. В этом случае степень ионизации характеризуется числом пар ионов, об­разовавшихся под воздействием гамма-излучения в одном кубическом сантиметре среды. Эта степень ионизации и является мерой интенсивности гамма-излучения. Степень ионизации является также мерой поглощенной энергии гамма-лучей.

Альфа- и бета-частицы, а также гамма-кванты, рас­пространяясь в любой среде (воздух, металл), взаимо­действуют с атомами этой среды. В результате такого взаимодействия они теряют свою энергию и ослабляются. Путь, пройденный альфа- и бета-частицами, а также гамма-квантами в веществе, получил название длины про­бега . Максимальной длиной пробега обладают гамма- лучи.

Длина пробега будет тем меньше, чем больше плот­ность материала, через который проникает излучение. Это видно из таких данных.

Длина пробега альфа-частицы, обладающей энергией в 8 мегаэлектрон-вольт, в такой среде, как воздух, со­ставляет 7,3 сантиметра, в воде - всего 0,06 миллиметра, в железе - 0,02 миллиметра.

Бета-частицы обладают большей длиной пробега. На­пример, бета-частица с энергией в 3 мегаэлектрон-вольта в воздухе имеет длину пробега 14,5 метра, в воде - 12,5 миллиметра, в алюминии - 4,9 миллиметра.

Гамма-излучение в воздухе распространяется на сотни метров без существенного ослабления. Даже очень плот­ные вещества слабо задерживают гамма-излучение. На­пример, слой железа толщиной 7 сантиметров ослабляет гамма-излучение, обладающее энергией в 1 мегаэлектрон­вольт, в 10 раз. Для ослабления гамма-излучения, обла­дающего той же энергией в 1 мегаэлектрон-вольт, в 10 раз требуется слой бетона около 25 сантиметров, а грунта - 30-35 сантиметров.

Из приведенных данных можно сделать вывод, что для защиты от альфа- и бета-излучения могут быть использованы простейшие средства, в то время как для защиты от гамма-лучей требуются специальные инже­нерные сооружения.

Итак, мы рассмотрели радиоактивные излучения хи­мических элементов. Однако процесс радиоактивного рас­пада у разных химических элементов протекает с различ­ными скоростями.

Для характеристики распада ядер во времени принят так называемый период полураспада . Периодом полу­распада называется промежуток времени, в течение кото­рого распадается половина атомов этого вещества. Пе­риоды полураспада для различных химических элемен­тов колеблются в очень широких пределах - от мил­лиардных долей секунды до многих миллиардов лет. Так, период полураспада радия составляет 1590 лет, урана-238 - 4 500 000 000 лет. Это значит, что если взять один грамм, например, радия, то через 1590 лет от него останется полграмма, а через следующие 1590 лет - четверть грамма и т. д.

При распаде ядер большинства естественных и неко­торых искусственных радиоактивных элементов образу­ются также радиоактивные ядра, в свою очередь, претер­певающие радиоактивный распад. Таким образом, в ре­зультате ряда превращений, сопровождающихся испусканием альфа- или бета-частиц, образуется целая цепочка радиоактивных элементов. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не образуется конечный нерадиоактивный элемент. Совокупность всех продуктов последовательных радиоактивных распадов образует радиоактивное семей­ство , т. е. ряд данного элемента. В настоящее время таких радиоактивных семейств известно четыре; родоначальни­ками этих семейств являются: 92 уран 238 , 90 торий 232 , 92 уран 235 и 94 плутоний 241 .