Ян Мархоцкий - Радиационная и экологическая безопасность атомной энергетики

В центре расположено ядро, состоящее из протонов (черные кружки) и нейтронов (белые кружки). Вокруг ядер вращаются электроны. Число протонов в ядрах определяет, какой это элемент.

Изотопы – это разновидности одного и того же химического элемента. Их название (от греч. isos — одинаковый и topos – место) в дословном переводе означает «из одного места», иными словами – вещества, занимающие одно место в Периодической системе элементов Д.И. Менделеева.

Атомы как материальные частицы обладают микроскопической массой. Поэтому физики выражают массу атомов не в единицах массы, а в числах протонов и нейтронов, составляющих ядро данного атома, и называют массовым числом.

Атомы, имеющие ядра с одинаковым числом протонов, но различающихся по числу нейтронов, являются разновидностями одно и того же химического элемента и называются его изотопами. На рис. 3 представлены изотопы водорода.

Рис. 3. Изотопы водорода

В ядре его атома либо вообще нет нейтронов, либо есть один или два. Это значит, что водород существует в виде трех изотопов, т. е. в виде трех атомов различной массы, но с одинаковым зарядом ядра. Следовательно, для того чтобы различать изотопы, их обозначают числом, равным сумме входящих в ядро протонов и нейтронов. Для водорода это соответственно водород-1 (обычный), водород-2 (дейтерий), водород-3 (тритий). В ядре цезия-137 содержится 55 протонов и 82 нейтрона (Cs 1 5 3 5 7), в радии-226 содержится 88 протонов и 138 нейтронов (Ra 2 8 2 8 6). Оказалось, что 106 элементов имеют 1600 разновидностей. Из этого числа около 365 изотопов существуют в природе, а свыше 1250 получены искусственно.

Ядра изотопов химических элементов называют нуклидами. Радионуклиды – это радиоактивные атомы с данным массовым числом и атомным номером. Большинство нуклидов нестабильно, они превращаются в другие нуклиды.

Радиоактивность – это самопроизвольное превращение (распад) атомных ядер некоторых химических элементов, приводящее к изменению их атомного номера и массового числа. Распад радиоактивных ядер сопровождается ионизирующим излучением и высокой энергией.

Ионизирующие излучения получили свое название благодаря способности вызывать ионизацию атомов и молекул в облучаемом веществе. Ионизирующие излучения подразделяются по своей природе на электромагнитные и корпускулярные.

Электромагнитное излучение – это рентгеновское излучение, γ-излучение радиоактивных элементов и тормозное излучение, возникающее при прохождении частиц. Видимый свет и радиоволны относятся также к электромагнитным излучениям. Однако они ионизирующей способностью не обладают, так как характеризуются большой длиной волны.

Корпускулярные излучения – это все остальные виды ионизирующих излучений: β-частицы (электроны, позитроны), протоны (ядра водорода), дейтроны (ядра дейтерия), α-частицы (ядра гелия), тяжелые ионы (ядра других элементов), тг-мезоны.

Радиоактивность изотопов, существующих в природе, называют естественной , а радиоактивность изотопов, полученных в результате различных ядерных реакций, – искусственной.

В процессе радиоактивного распада ядра атомов радиоактивных элементов в большинстве случаев испускают α-части-цы, β-частицы, γ-излучение.

Английскими физиками Э. Резерфордом и Ф. Содди было доказано, что во всех радиоактивных процессах происходят взаимные превращения атомных ядер химических элементов. Изучение свойств излучения, сопровождающего эти процессы в магнитном и электрическом полях, показало, что оно разделяется на α-частицы (ядра гелия), β-частицы (электроны, позитроны) и γ-лучи (электромагнитные излучения с очень малой длиной волны):

• α-излучение – поток положительно заряженных частиц. При распаде тяжелых ядер, например урана или радия, испускаются α-частицы – ядра гелия, состоящие из двух протонов и четырех нейтронов, т. е. несут два положительных электрических заряда ( 4 2Не). Бывают и другие виды радиоактивных превращений. При этом важно, что соответствующий радионуклид преобразуется в изотоп другого химического элемента, испуская частицу, а часто и избыток энергии в виде γ-кванта; α-частицы движутся со скоростью 14–20 тыс. км/с в веществе прямолинейно, вызывая при этом ионизацию всех атомов на своем пути. Они обладают высокой ионизирующей способностью, т. е. на 1 см пробега образуют от 30 до 100 тыс. пар ионов. Пробег в воздухе составляет около 10 см, в биологической среде (вода, ткань) – до 0,1 мм.

Защитой от α-частиц служит тонкий слой любого вещества (одежда, лист бумаги, 10-сантиметровый слой воздуха); α-частицы обладают энергией 2–9 МэВ (за 1 эВ принимается энергия, которой обладает электрон, прошедший разность потенциалов в 1 В). В таких единицах свет, возникающий при взаимодействии молекул и воспринимаемый нами с помощью зрения, имеет энергию 2 эВ. Энергия ядерных излучений при превращениях атомных ядер в сотни тысяч и даже в миллионы раз больше. Наши органы чувств не воспринимают такие излучения, т. е. для человека они остаются невидимыми и неощутимыми;

• β-излучение – поток отрицательно заряженных частиц (электронов) или заряженных положительно (позитронов). Позитрон – элементарная частица, имеющая массу электрона, но обладающая положительным элементарным зарядом; β-частицы, испускаемые при ядерных распадах естественных и искусственных радионуклидов, например 40 19K → 40 20Ca т. е. ядро испускает электрон, при этом возникает ядро нового элемента при неизменном массовом числе. К β-излучателям относятся фосфор-32, стронций-90, иттрий-90 и др.

Скорость движения β-частиц составляет 250–300 тыс. км/с, их масса в 1840 раз легче протонов, поэтому они испытывают многократное отклонение от первоначального направления движения и вызывают ионизацию только отдельных атомов, пробегая путь в воздухе до 15 м, а в биосреде – до нескольких сантиметров.

На 1 см пробега β-частицы могут образовывать 20—300 пар ионов. Защитой от β-частиц служит слой вещества толщиной 1–2 см;

• γ-излучение – коротковолновое электромагнитное излучение с длиной волны 0,001—0,1 λ (λ ≈ 10 -10м) очень высокой энергии; γ-лучи не отклоняются в электрическом и магнитном полях. Это излучение близко к рентгеновскому, но обладает большими скоростью (300 тыс. км/с) и энергией. Ионизирующая способность γ-излучения малая – 2–3 пары ионов на 1 см, но высока проникающая способность. Пробег в воздухе γ-квантов может достигать более 100 м, в мягких тканях – до 1 м. Защитой от γ-излучений могут служить слой свинца не менее и 1 см, толстые слои бетона, земли или воды.