1   2   3   4
Ім'я файлу: Модуль 1. Физика ИИ.pdf
Розширення: pdf
Розмір: 3082кб.
Дата: 12.02.2024
скачати

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования
Первый Московский государственный медицинский университет имени И.М. Сеченова
Министерства здравоохранения Российской Федерации
(Сеченовский Университет)
Методическое пособие
Введение в физику ионизирующих излучений
Составитель: старший преподаватель
кафедры общей гигиены
Сухов В.А.
Москва, 2024

Ионизирующие излучения — это излучения, вызывающие ионизацию и возбуждение атомов и молекул в веществе. Ионизирующее излучение образуется в результате различных видов радиоактивных распадов, ядерных реакций и взаимодействия заряженных частиц с электрическим полем.
Использование термина «радиация» в значении «ионизирующее излучение» возможно,
но нежелательно. Радиация (лат. radio – испускать лучи) — это излучение в широком смысле:
тепловая радиация, ультрафиолетовая радиация и т.п.
1. ВИДЫ РАДИОАКТИВНОГО РАСПАДА
Радиоактивный распад (радиоактивность) — процесс спонтанного изменения состава или энергетического состояния нестабильных атомных ядер путём испускания элементарных частиц, квантов электромагнитного излучения и/или ядерных фрагментов.
Нуклиды, ядра которых испытывают радиоактивный распад, называют радионуклидами, а вещества, имеющие в своём составе радионуклиды, называются радиоактивными.
Изменение нуклонного состава ядра сопровождается испусканием α- и β- частиц либо захватом орбитального электрона. Радиоактивный распад — процесс всегда экзотермический,
энергия распада равна разности масс покоя исходного ядра и продуктов распада. Энергия распада высвобождается в виде электромагнитного излучения и кинетической энергии продуктов.
Альфа-распад — это процесс, характерный для ядра в целом: оно испускает небольшой фрагмент — ядро дважды ионизированного атома гелия (
4
He) — α-частицу.
После потери α-частицы масса ядра уменьшается на 4, а заряд — на 2.
Рис. 1. Схема α-распада.
Альфа-распад становится энергетически возможным для ядер, содержащих не менее
60 протонов, поэтому этот вид распада характерен для тяжёлых ядер, начиная с полония. У
более лёгких он практически не встречается (исключение — «остров» относительно лёгких
α-радиоактивных ядер в области А = 140 - 150, например
140
Nd,
146, 147, 148, 149
Sm и др.).
88 226
�� →
86 222
�� +
2 4
��.

Поток α-частиц, возникающий при распаде, называется α-излучением.
Испускание α-частиц разной энергии ядрами одного и того же вида может происходить с различных энергетических уровней. Поэтому при распаде могут возникать возбуждённые ядра, которые, переходя в основное состояние, испускают γ-кванты.
Процессы радиоактивного распада часто изображают в виде схем распада, на которых горизонтальными линиями отмечаются уровни энергии ядер, а стрелками — характер и направление ядерного перехода. Альфа-распад изображают стрелкой, направленной влево.
Направление стрелки соответствует смещению в Периодической системе дочернего нуклида относительно материнского. Около стрелок указывается энергия испускаемого излучения в
МэВ и процент данного пути распада к общему числу переходов.
Рис 2. Схема распада
226
Ra.
Энергии в мире элементарных частиц слишком малы, чтоб измерять их в джоулях. Вместо этого используют единицу энергии электронвольт (эВ). 1 эВ, по определению, это энергия, которую приобретает электрон в электрическом поле при прохождении разности потенциалов в 1 В. 1 эВ примерно равен 1,6·10
–19
Дж.
Электронвольт удобен для описания атомных и оптических процессов. Например, молекулы газа при комнатной температуре имеют кинетическую энергию примерно 1/40 электронвольта. Кванты света, фотоны, в оптическом диапазоне имеют энергию около 1 эВ. Явления, происходящие внутри ядер и внутри элементарных частиц,
сопровождаются гораздо большими изменениями энергии.
Здесь уже используются мегаэлектронвольты (МэВ) и гигаэлектронвольты (ГэВ).
Альфа-частицы имеют дискретный энергетический спектр, энергии частиц для большинства тяжёлых ядер лежат в области 4-9 МэВ.

Рис 3. Спектр α-частиц от источника
212
Bi.
В отличие от альфа-распада,
бета-распад — это самопроизвольный распад не ядра в целом, а одного отдельного нуклона (протона или нейтрона).
Если в радионуклиде существует избыток нейтронов по сравнению с устойчивым стабильным ядром, то нейтрон распадается и происходит испускание β
-
-частицы
электрона — электронный β-распад.
Рис 4. Схема электронного β-распада
При β
-
-распаде нейтрон распадается с образованием протона, который остаётся в ядре,
испускаемого электрона и антинейтрино (ν

), не имеющего заряда и уносящего из ядра часть энергии.
Нейтрино и антинейтрино — это нейтральные элементарные частицы, масса и размеры которых крайне малы. Не имеющее заряда, они практически не взаимодействуют с веществом и имеют чрезвычайно высокую проникающую способность. Ионизирующая способность нейтрино и антинейтрино столь мала, что один акт ионизации в воздухе приходится приблизительно на 500 км пути частицы. Считается, что нейтринное излучение не представляет опасности для живых организмов.
19 40
� →
20 40
�� + �

+ �



Причиной позитронного β-распада и электронного захвата является избыток в радионуклиде протонов.
При позитронном бета-распаде один из протонов в ядре распадается с образованием нейтрона и, покидающих ядро, β
+
-частицы позитрона
+
) — античастицы электрона,
отличающейся от первого только зарядом, и нейтрино (ν
е
).
Рис 5. Схема позитронного β-распада
Подобный тип распада встречается гораздо реже, чем электронный β-распад и наблюдается преимущественно у синтезированных искусственных радионуклидов.
9 18
� →
8 18
� + �
+
+ �

Поток β-частиц (электронов или позитронов), возникающий при β-распаде,
называется β-излучением.
Ещё один вид β-распада — это электронный захват, когда энергии радионуклида недостаточно для испускания позитрона, и ядро захватывает электрон, с ближайшей оболочки (обычно с К-оболочки), поэтому электронный захват часто называют К-захватом.
Рис 6. Схема электронного захвата.

При электронном захвате протон преобразуется в нейтрон и испускается нейтрино, то есть образуются те же продукты, что и при β
+
-распаде. Испускание позитрона и электронный захват часто конкурируют друг с другом.
28 59
�� + �


27 59
�� + �

Многие радионуклиды могут распадаться по пути каждого β-распада.
Рис 7. Схема распада
40
К.
На схемах электронный β-распад изображается стрелкой, направленной вправо а позитронный β-распад и электронный захват изображаются стрелками, направленными влево.
Если говорят о бета-распаде и о бета-излучателях, обычно имеют в виду именно испускание электронов.
В отличие от дискретного спектра α-излучения, энергия β-частиц распределена от нуля до максимального значения энергии радиоактивного распада. β-спектры имеют различную форму, общей их чертой является плавность и наличие максимальной энергии.
Рис 8. Энергетический спектр β-частиц
40
K.

Распространённым явлением является изомерный переход, который наблюдается при наличии в ядре избытка энергии.
Иногда изомерный переход называют гамма-распадом, хотя он не приводит к изменению состава ядра — ядро лишь переходит при этом с одного энергетического уровня на другой.
Ядра, которые состоят из одинакового числа протонов и одинакового числа нейтронов,
но тем не менее различаются своими радиоактивными свойствами (прежде всего периодом полураспада) называются изомерными. Изомерные ядра находятся на различных энергетических уровнях. Ядро-изомер, которое находится на более высоком энергетическом уровне, принято называть возбуждённым, или метастабильным, и обозначать звёздочкой или индексом m возле массового числа, например:
99*
Tc или
99m
Tc. Переход ядра из метастабильного в основное состояние называют изомерным переходом. Обычно время жизни возбуждённых состояний невелико — часто менее 10
-12
с. Большинство ядер в природе находится в основном состоянии, возбуждённое является результатом радиоактивного α- или β-распада. Возбуждённые состояния имеют свойство самопроизвольно переходить в состояния с более низкой энергией (не обязательно сразу в основное, возможно, через ряд промежуточных возбуждённых состояний), испуская γ-лучи
— коротковолновое электромагнитное излучение. Энергия испускаемого γ-кванта равна разности энергетических уровней ядра.
Рис 9. Схема измерного перехода.
Испускание γ-квантов на схемах распада изображается вертикальной стрелкой.

Рис 10. Изомерный переход
99m
Tc.
43 99�
�� →
43 99
�� + �.
Переход ядра из метастабильного состояния в основное не обязательно происходит с испусканием γ-кванта. Метастабильное ядро может распадаться с образованием другого нуклида, испуская, предположим, β-частицы. Например,
95m
Tc (T
1/2
=61 сут.), распадается большей частью в
95
Mo (96,1%) и лишь частично (3,9%) — основное состояние
95
Tc (T
1/2
=20
ч).
Рис 11. Энергетический спектр γ-излучения
137
Cs и
60
Co.
Для многих ядерных изомеров наблюдается так называемая внутренняя электронная конверсия: возбуждённое ядро, не излучая γ-квантов, передаёт свою избыточную энергию электронным оболочкам, обычно из К- или L-оболочки, вследствие чего один из электронов вылетает из атома. Это процесс называется внутренней конверсией.
На схеме распада
137
Cs видно, что в 15% случаев энергия ядра
137m
Ba не испускается с фотоном, а передаётся одному из орбитальных электронов.

Рис 12. Схема распада
137
Cs.
Важно понимать принципиальное различие между конверсионными электронами и β-частицами. β- частица — это электрон, который образуется при распаде нуклона в ядре, и β-частицы имеют непрерывный спектр, тогда как конверсионные электроны вылетают из оболочки и имеют строго определённую энергию,
равную разности энергии ядерных уровней за вычетом энергии связи электрона в атоме.
Электронный захват и внутренняя конверсия приводят к образованию вакансии во внутренней электронной оболочке. Вакансия стремится заполниться, и электроны в атоме перераспределяются. Переход электрона с более высокой оболочки на более низкую сопровождается выделением энергии. Она испускается в виде кванта характеристического
излучения или передаётся орбитальному электрону, который покидает атом (Оже-эффект).
Для лёгких элементов преобладает Оже-процесс, для тяжёлых — испускание характеристического излучения.
Энергия фотонов характеристического излучения характерна для типа атома, испускающего их. Чем тяжелее атом и чем глубже расположены электронные оболочки, тем выше энергия характеристических фотонов.
Рис 13. Ионизация внутренней оболочки атома и сопутствующие процессы.

Таким образом, происходит постепенное перемещение вакансии из внутренней оболочки на внешнюю, оно сопровождается испусканием каскада характеристичееских квантов и низкоэнергетических (единицы кэВ и меньше) электронов. В результате атом сильно ионизируется.
Из более редких видов радиоактивного распада следует упомянуть спонтанное
деление. Этот вид распада характерен для многих тяжёлых ядер (с зарядовым числом 90 и выше), обычно он конкурирует с α-распадом. Эти ядра способны спонтанно расщепляться на два крупных фрагмента, которые называются осколками деления, с одновременным выделением двух-трёх нейтронов и большого количества энергии (до 200 МэВ на одно деление). Один акт спонтанного деления
238
U происходит в среднем на 2 миллиона распадов.
Ядра урана могут делиться случайным образом, давая два осколка:
56
Ba-
26
Kr,
54
Xe-
38
Sr и тп.
Наиболее вероятное соотношение масс осколков составляет 3:2, т.е. один из них примерно в
1,5 раза крупнее, чем другой. Вероятность спонтанного деления природных радионуклидов очень невелика. Для ядер типа
250
Cm,
254
Cf спонтанное деление является основным видом распада.
252
�� →
104
�� +
148
��.
Сегодня известны и такие виды радиоактивного распада как испускание кластеров,
протона, двух протонов, нейтрона, двух β-частиц.
223
�� →
209
�� +
14
�,
53�
�� →
52
�� + �.
2. РАДИОАКТИВНЫЙ РАСПАД
Радиоактивный распад атомных ядер происходит самопроизвольно и приводит к непрерывному уменьшению числа атомов исходного радиоактивного изотопа и накоплению атомов продукта распада.
Скорость, с которой распадаются радионуклиды, определяется только степенью нестабильности их ядер и не зависит от любых факторов, обычно влияющих на скорость физических и химических процессов (давления, температуры и др.). Распад каждого отдельного атома — событие совершенно случайное, вероятностное и независимое от поведения других ядер. Однако при наличии в системе достаточно большого числа радиоактивных атомов проявляется общая закономерность, состоящая в том, что количество атомов данного изотопа, распадающихся в единицу времени, всегда составляет определённую, характерную для данного изотопа долю от полного числа ещё не распавшихся атомов. Число атомов ∆N, претерпевших распад за малый промежуток времени

∆t, пропорционально общему числу нераспавшихся радиоактивных атомов N и величине интервала ∆t:
−∆N = λ ∙ N ∙ ∆t.
Знак минус указывает, что число радиоактивных атомов N убывает. Коэффициент пропорциональности λ носит название постоянной распада и является константой,
характерной для данного радиоактивного изотопа. Закон радиоактивного распада обычно записывают в виде дифференциального уравнения:

dN
dt = λ ∙ N.
Закон радиоактивного распада может быть сформулирован следующим образом: за
единицу времени распадается всегда одна и та же часть имеющихся в наличии ядер
радиоактивного вещества.
Постоянная распада имеет размерность обратного времени (1/с или с
-1
). Чем больше λ,
тем быстрее происходит распад радиоактивных атомов, т.е. λ характеризует относительную скорость распада для каждого радиоактивного изотопа или вероятность распада атомного ядра в 1 с. Постоянная распада — это доля атомов, распадающихся в единицу времени,
показатель нестабильности радионуклида.
Величина dN
dt
— абсолютная скорость распада — называется активностью.
Активность радионуклида (А) — это количество распадов атомов, происходящих в единицу времени. Она зависит от количества радиоактивных атомов в данный момент времени (N
t
) и от степени их нестабильности:
А = N
t
∙ ∆t.
Единицей измерения активности в СИ является беккерель (Бк); 1 Бк — активность,
при которой происходит одно ядерное превращение в секунду, независимо от типа распада.
Иногда используется внесистемная единица измерения активности - кюри (Ки):
1 Ки = 3,7·10 10
Бк (количество распадов атомов в 1 г
226
Ra за 1 с).
Поскольку активность зависит от числа радиоактивных атомов, то эта величина служит количественной мерой содержания радионуклидов в изучаемом образце.
На практике удобнее пользоваться интегральной формой закона радиоактивного распада, которая имеет следующий вид:
N
t
= N
0
∙ e
−λt
,
где N
0
- число радиоактивных атомов в начальный период времени (t = 0);
N
t
- число радиоактивных атомов, оставшихся к моменту времени t.
Для характеристики радиоактивного распада часто вместо постоянной распада λ
используют величину, производную от неё, — период полураспада (Т
1/2
). Период

полураспада — это промежуток времени, в течение которого распадается половина начального количества радиоактивных атомов.
Период полураспада и постоянная распада связаны следующим соотношением:
T
1/2
=
ln2
λ .
Используя эту зависимость, закон радиоактивного распада можно представить в другом виде:
N
t
= N
0
∙ e
−ln2∙t/T
1/2
А поскольку активность пропорциональна количеству ядер, то значит, и активность убывает соответствующим образом:
А
t
= А
0
∙ e
−ln2∙t/T
1/2
Из этой формулы следует, что чем больше период полураспада, тем медленнее происходит радиоактивный распад. Периоды полураспада характеризуют степень стабильности радиоактивного ядра и для разных изотопов меняются в широких пределах —
от долей секунды до миллиардов лет. Период полураспада, наряду с типом распада и энергией излучения, является важнейшей характеристикой любого радионуклида. В
зависимости от периода полураспада радионуклиды условно делятся на долгоживущие и
короткоживущие.
Рис 14. График полураспада радионуклидов.
Кривая распада является экспонентной и асимптотически приближается к оси времени, никогда не пересекая её. Теоретически совокупность атомов с нестабильными ядрами будет уменьшаться до бесконечности. Однако с практической точки зрения следует обозначить некий предел, когда условно все радионуклиды распались. Считается, что для
этого необходим отрезок времени протяжённостью 10Т
1/2
, по истечении которого от исходного количества останется менее 0,1% радиоактивных атомов.
3. ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ
Ядерные реакции, в отличие от самопроизвольного радиоактивного распада,
происходят только при взаимодействии двух частиц. При ядерной реакции происходит активный обмен энергией и импульсом между частицами, в результате чего образуются одна или несколько частиц. В результате ядерной реакции происходит сложный процесс перестройки атомного ядра. Механизм протекания ядерной реакции зависит от нескольких факторов — от типа налетающей частицы, её энергии, типа «мишени» и от ряда других факторов.

  1   2   3   4

скачати

© Усі права захищені
написати до нас