Изотопы и радионуклиды. Радиоактивность

 При всех химических реакциях происходит перестройка только электронных оболочек, причем внешних, на которых электроны наиболее слабо связаны с ядром. Само ядро не участвует в химических реакциях.

Изменение количества протонов в атомном ядре вызывает изменение химического состава элемента – т.е. образуется новый элемент с новым порядковым номером.

Атомы которые имеют ядра с одинаковым количеством протонов но с разным числом нейтронов (т.е. атомная единица разная а заряд один) являются разновидностями одного и того же элемента – изотопы.

Примеры: а)₁¹Н –водород (протий); ₁²Н – тяжелый водород(дейтерий); ₁³Н – тритий (сверх. тяжелый).

б) кислород в атмосфере ₈¹⁶О (99,76%); ₈¹⁷О (0,04%);₈¹⁸О (0,2%).

Различают: 1)устойчивые (нерадиоактивные, стабильные); 2) неустойчивые (радиоактивные, нестабильные) изотопы. Вторые могут распадаться и превращаться в другие элементы.

Нуклид – это ядро атома с определенным количеством протонов и нейтронов, которые характеризуются массовым числом и порядковым атомным номером. Термин «нуклид» обычно используют в тех случаях. Когда рассматриваются атомы разных химических элементов (Ce-137, U-235, I-131)/ «Нуклиды» записываются двумя любыми параметрами из трех: A=Z+N (атомная масса= заряд ядра + число нейтронов) или Z=A-N (₉₀²³⁴Th - торий 90=234-144).

Для освобождения внутриядерной энергии необходимо создать такие реакции, при которых будет изменяться структура самих атомных ядер, т.е. образуются ядра новых химических элементов.

Под ядерной энергией требуется понимать внутреннюю энергию ядер, которая освобождается при ядерных реакциях.

Радионуклиды – это неустойчивые нуклиды, способные к самопроизвольным ядерным реакциям. Иначе радионуклид, это нуклид, обладающий радиоактивностью.

Радиоактивность – самопроизвольное преобразование радионуклидов в другие нуклиды, которое сопровождается ионизирующим излучением вместе с переносом энергии. Иначе радиация это ионизирующее излучение плюс перенос энергии.

Если поместить радиоактивное вещество в свинцовый контейнер с отверстием вверху, который находится между полюсами магнита, то положительно заряженные частицы (+) отклоняются на север (-) – протоны + нейтроны (a-частицы ядра), а отрицательно заряженные на юг – электроны (b^- - частицы). Радиоактивному веществу обычно присущ только один вид излучения: Th-234 (b), U-238(a), U-234(a), Th-230(a), Pb-214(b). Излучение неотклоняющееся в магнитном поле (нейтральное) - g-излучение.

Одновременно - a,b и g бывают только если вместе находятся сразу несколько радиоактивных веществ.

По своей природе различают два вида радиоактивных излучений:

-волновое (квантовое) - g (ЭМИ длинноволновое); рентгеновское излучение (ЭМИ коротковолновое).

- корпускулярное - a,b-частицы.

Радиоактивное излучение бывает:

- естественное (солнечная радиация, космическое излучение – частично поглощается атмосферой);

- искусственное.

Виды излучений отличаются по: - проникающей способности; - ионизирующей способности.

Проникающая способность излучения определяется по проникновению в массу (на глубину).

Ионизирующая способность излучения – обусловлена ионизацией атомов и молекул в результате взаимодействия частиц со средой (ионизирующее излучение).

1.3.Виды радиоактивных излучений

A - излучение

 Возникает при самопроизвольной ядерной реакции. В результате этой реакции от атомного ядра отщепляется частица ядерного вещества, которая состоит из двух протонов и двух нейтронов – ядро Не (гелия). Это получается следующим образом, например, внутри атомного ядра с массовым числом > 92 2 протона и 2 нейтрона за очень короткое время взаимодействия (10^-21с) объединяются и образуют a-частицу. Если энергии a-частицы хватает, чтобы преодолеть ядерные силы, то она вылетает из ядра – получается a-излучение.

При a-распаде исходное (материнское) ядро радионуклидов преобразуется в дочернее ядро новых элементов, атомный номер (заряд) которых меньше, чем в исходном элементе на 2 единицы, а массовое число на 4 единицы (это обычно элементы конца таблицы Менделеева): ₈₈²²⁶Ra®₂⁴He + ₈₆²²²Rn.

Скорость вылета a-частиц 10 000 – 25 000км/с, а длина пробега 3-7см (воздух), 0,05мм (в биотканях). Защита от них лист бумаги – 0,1мм. a-частицы, вылетающие из ядер попадают в окружающее их вещество и их энергия идет на ионизацию атомов этого вещества. При этом атомы возбуждаются, это значит электроны атома переходят с более близкой от ядра оболочки на более далекую ® атом превращается в положительно заряженный ион. Оторванный от атома электрон присоединяется к внешней оболочке другого атома – получается отрицательно заряженный ион.

Удельная ионизация – это количество пар ионов, которые возникают на 1см пути пробега a-частицы.

Длина пробега – это расстояние, которое проходит частица от места образования, до места потери ею энергии (или глубина проникновения).

a-частицы имеют большую ионизирующую способность. На пути пробега их в воздухе образуется 100-300тыс. пар ионов. Энергия a-частиц радионуклидов составляет 3-9МэВ, а для образования 1 пары ионов требуется 30эВ Þa-частица с энергией 6МэВ на своем пути образует 200000пар ионов в воздухе.

B - излучение

- Является потоком электронов -b^- или позитронов - b⁺ (похож на электрон, но со знаком «+» -возникает при позитронном распаде m_b+ =m_e).

При b - распаде из ядра вылетает электрон или позитрон. Электроны и позитроны не входят в состав ядра, а образуются при распаде ядра.

Так при электронном b^- - распаде один из нейтронов ядра превращается в протон, электрон и нейтральную частицу (антинейтрино). Протон остается в ядре, а электрон и антинейтрино вылетают из него. При этом общая численность нуклонных частиц (массовое число) в новом ядре остается тоже, как и в исходном, а количество протонов, т.е. заряд и номер увеличивается на 1ед.

Примеры: ₈₃²⁰⁹Vi(висмут)= ₈₄²⁰⁹Po(полоний)+ b^-+ (антинейтрино);

₁₅³²Р(фосфор)= ₁₆³²S(сера)+ b^-+  (антинейтрино) ₀¹n→₁¹p+_-1⁰e+ .

При позитронном b⁺распаде один из ядерных протонов преобразуется в нейтрон, позитрон и нейтрино. Нейтрон остается в ядре, а позитрон и нейтрино вылетают из него, т.е. заряд уменьшается на 1 единицу.

Примеры: изотоп₁₅³⁰Р(фосфор) = ₁₄³⁰Si(кремний) + b⁺ +n(нейтрино); ₁¹р→₀¹n+₊₁⁰e+n.

изотоп углерода ₆¹¹С(углерод) = ₅¹¹В(бор) + b⁺ +n(нейтрино).

Длина пробегаb-частиц в воздухе достигает 1м и больше (до 20м), проникают в ткани организма на глубину 0,3-0,5см. v=100000-250000 (300000)км/с.

Защита: достаточно зимней одежды. Но есть опасность для глаз(хрусталик), поэтому необходимо для защиты применять очки с толщиной стекла ³6мм. Однако, ионизирующая способность b-частиц значительно меньше, чем a: от 1000 до 5000пар ионов. b-частицы относятся к классу легких ядерных частиц, масса их примерно в 7000раз < массы a-частиц.

Нейтронное излучение

- Нейтроны вылетают из ядер в момент ядерных реакций, например при делении ядер U или Pu (плутония). Нейтроны имеют наибольшую проникающую способность в вещество.

Длина пробегаn-частицы несколько километров. Электронейтральные нейтроны при прохождении через вещество (через тело человека) взаимодействуют не с заряженными электронами, а с ядрами атомов вещества, передавая им энергию. Таким образом, образуются заряженные частицы, которые осуществляют ионизацию среды. Характерной особенностью нейтронного излучения является его его способность преобразовывать атмы устойчивых элементов в их радиоактивные изотопы – что увеличивает опасность нейтронного заражения.

Средства защиты: применяются массивные железобетонные стены и защитные экраны из кадмия и бора.

1.3.3.4 Электромагнитные излучения (ЭМИ- различаются по своему происхождению, энергии и длине волны).

К ЭМИ относятся: р.и., g - излучение и тормозное излучение (возникает при прохождении через вещество сильно ускоренных заряженных частиц). Видимый свет и радиоволны – тоже ЭМИ, но они не ионизируют вещество, ибо характеризуются большой длиной волны (меньшей жесткостью). Энергия ЭМ-поля излучается не непрерывно, а отдельными порциями – квантами (фотонами). Поэтому ЭМИ – это поток квантов или фотонов.

G - излучение

 -Является потоком электромагнитных волн (ЭМВ) – квантов, которые излучаются в процессе радиоактивного распада при изменении энергетического состояния атомных ядер. Энергия g - излучения находится в пределах от 10кэВ до 10МэВ. g -лучи не имеют заряда Þ в электрическом и магн. поле не откланяются. g - излучение распространяется прямолинейно и равномерно во все стороны от источника со скоростью света в вакууме (300000км/с). Может вызвать излучение непосредственно или передавая энергию электронам. Энергетический спектр дискретен.       Длина пробегаg - излучения более 100метров и в отличие от b и a-частиц проходит сквозь тело человека.

Защита: Бетонные стены толщиной 1,5-2м или перекрытия из свинца. Для ослабления g - излучения в 2раза требуется: при его энергии 0,1МэВ – 0,12мм Рв, а при 2МэВ – 1,4ммРв.