Виктор Михайлов - Физические основы получения атомной энергии

Радиоактивные вещества обладают различными периодами полураспада: от малых долей секунды до многих миллиардов лет.

Период полураспада урана 238 составляет 4,5 млрд. лет, радия — около 1590 лет, кобальта 60 — 5,2 года, радона — менее четырех дней. Если взять, например, 1 г радия, то через 1590 лет его останется полграмма, а вторые полграмма распадутся, превращаясь в конечном счете в ядра атомов свинца 206. Еще через 1590 лет радия останется четверть грамма и т. д.

Поскольку количество радиоактивного вещества за один период полураспада уменьшается до половины, постольку очевидно, что по истечении, например, пяти периодов количество вещества уменьшится до 1/2 5=0,03, что составит 3% начального количества.

Количество атомов, распадающихся за одну секунду, называется активностьюрадиоактивного вещества. Чем больше имеется атомов радиоактивного вещества, то есть чем больше количество этого вещества, тем больше активность. Если имеется N 0радиоактивных атомов и известна постоянная распада λ, то активность а определится произведением

Вследствие распада число нераспавшихся атомов радиоактивного вещества непрерывно уменьшается. Соответственно этому происходит уменьшение активности вещества. Распад атомов с испусканием альфа- и бета-частиц сопровождается в большинстве случаев гамма-излучением.

Один грамм радия испускает в секунду 37 млрд. альфа-частиц, так как за это время в нем совершается 37 млрд. распадов. С уменьшением количества радия уменьшается и число альфа-частиц, происходит, следовательно, ослабление радиоактивного излучения, испускаемого веществом. После пяти периодов активность становится равной 3% первоначальной. По истечении десяти периодов активность снижается до 1/2 10=0,001, что составляет 0,1% первоначальной величины. Следовательно, по истечении достаточно большого числа периодов полураспада можно считать, что распад фактически закончился.

Уменьшение количества радиоактивного вещества, или его активности, с течением времени можно изобразить графически с помощью кривой (рис. 10). Здесь для простоты начальная активность принята за единицу, а время отложено по горизонтальной оси в периодах полураспада.

Обычно при измерении активности пользуются единицей кюри, установленной по чистому радию.

Активность данного количества радиоактивного вещества равна 1 кюри , если в нем, как и в 1 г радия, происходит 37∙10 9распадов в 1 секунду.

По активности того или другого препарата можно судить о количестве (точнее массе) радиоактивного вещества, находящегося в нем. Единица активности— кюри — служит в то же время единицей для измерения количества радиоактивного вещества.Под кюри понимают в этом случае такое количество радиоактивного вещества, в котором происходит 37 млрд. распадов в секунду.

Активность вещества тем больше, чем меньше период его полураспада. В атомной физике доказывается, что период полураспада Т и постоянная распада λ связаны между собой простым соотношением

Тогда вышеприведенная формула для активности примет следующий вид:

Чем меньше период полураспада Т , тем больше активность а. Например, для бета-активной сурьмы 131, образующейся наряду с другими элементами при атомном взрыве, период полураспада Т =21,3 минуты=1278 секунд. Поэтому активность одного грамма этой сурьмы, в котором содержится N 0=4,6∙10 21атомов, будет равна атомов в секунду.

Таково же будет число бета-частиц, испускаемых в секунду.

Сравнивая это число с числом альфа-частиц, испускаемых таким же количеством радия, имеющего большой период полураспада (1590 лет), найдем:

Таким образом, за одно и то же время при одинаковой первоначальной массе в сурьме распадается атомов в 67 млн. раз больше, чем у радия. Соответственно этому активность 1 г сурьмы 131 составит 67 млн. кюри , то есть будет такой же, как и у 67 т радия.

Из естественно радиоактивных веществ наиболее активным элементом является полоний, активность одного грамма которого составляет около 4,4 тыс. кюри .

При радиоактивном распаде из атомных ядер непрерывно выделяется энергия, носителем которой являются радиоактивные лучи. Поэтому температура радиоактивных веществ всегда несколько выше температуры окружающего воздуха. Как показал еще Пьер Кюри, один грамм радия в течение часа выделяет около 140 кал (калорий) тепла. Это, конечно, немного. Таким количеством тепла можно нагреть 100 г воды всего лишь на 1,4 градуса. Однако следует иметь в виду, что теплота выделяется радием непрерывно в течение тысяч лет. Поэтому общее количество энергии, которое освободится за время распада, оказывается большим.

Один грамм радия при полном распаде (превращении в радон) выделяет около 490 тыс. ккал (килокалорий) энергии, что примерно равно тому количеству энергии, которое получается при сжигании 70 кг хорошего каменного угля. Обнаружение того, что радиоактивные вещества непрерывно выделяют энергию, впервые показало, что внутри атомных ядер заключены огромные запасы энергии. Поэтому открытие и изучение радиоактивности справедливо считают первым шагом на пути овладения ядерной энергией.

К сожалению, промышленное использование энергии, выделяющейся при радиоактивном распаде, невозможно в силу того, что активность любого радиоактивного вещества со временем падает, вследствие чего средний выход энергии в единицу времени оказывается ничтожным. Так, например, среднечасовой выход энергии при распаде одного грамма радия составляет всего 0,025 калорий.

Радиоактивные излучения обладают биологическим действием. Вызываемая ими ионизация в живых тканях оказывает вредное влияние на живой организм и может привести к заболеванию. Биологическое действие радиоактивных излучений качественно одинаково с действием рентгеновских лучей. Однако в количественном отношении действие различных видов излучения различно. При одинаковом количестве энергии, поглощенной живой тканью, биологическая эффективность альфа-частиц в 10–20 раз больше, чем у бета-частиц и гамма-лучей, обладающих примерно одинаковой эффективностью воздействия на живой организм.