Величины и единицы измерения радиоактивности

ПОГЛОЩЕННАЯ ДОЗА - единица измерения - 1Гр (грей). 1Гр=100рад.

ЭКВИВАЛЕНТНАЯ ДОЗА - это величина поглощенной дозы (в греях или радах), умноженная на переводной «коэффициент качества», отражающий эффективность воздействия конкретного вида радиации. Единица измерения -1 Зв (зиверт) в системе СИ; 1 бэр - внесистемная единица (биологический эквивалент рентгена), 100 бэр = 1 Зв.

МОЩНОСТЬ ЭКВИВАЛЕНТНОЙ ДОЗЫ - это приращение эквивалентной дозы за малый промежуток времени, деленное на этот промежуток времени. Единица измерения - 1 Эв/час - (в системе СИ), 1 бэр/час - (внесистемная единица). 1 Эв/час = 100 бэр/час.

ФЛЮЕНС - число частиц, проникающих в сферу малого сечения, деленное на это сечение. Единица измерения - 1см.

ПЛОТНОСТЬ ПОТОКА ЧАСТИЦ - флюенс частиц за малый промежуток времени, деленный на этот промежуток времени. Единица измерения - част/см*мин.

АКТИВНОСТЬ - это число распадов в секунду в радиоактивном образце. Единица измерения - 1Бк (беккерель). Внесистемная единица измерения - Кu (кюри).

УДЕЛЬНАЯ АКТИВНОСТЬ - это число распадов в секунду в радиоактивном образце на единицу массы образца. Единица измерения - 1 Бк/кг.

Равные дозы различных видов излучения не обязательно должны вызывать одинаковые биологические эффекты. Например, поглощенная доза нейтронного излучения 0,5Гр будет приводить к более тяжелым последствиям, чем такая же доза рентгеновского излучения. Обычно при одинаковой величине поглощенной дозы рентгеновские лучи, γ- и электронное излучение вызывают наименьшие повреждения по сравнению с излучением тяжелых ионов. Нейтронное излучение занимает промежуточное положение.

Распад

α-распад характерен для атомов тяжелых элементов, α-частица представляет собой ядро атома гелия ⁴₂Не, поэтому при испускании α-частицы образуется ядро с зарядом Z на 2 единицы меньше и массой А на 4 единицы меньше, чем у исходного радиоактивного изотопа:

²³⁸₉₂U = ²³⁴₉₀Th + ⁴₂He (α-частица),

α-частицы радиоактивных элементов имеют большую энергию, достигающую 9 МэВ. Часто спектр α-частиц состоит из нескольких групп (зон), каждая из которых включает α-частицы определенной энергии. Наличие α-частиц различных энергий при распаде одного и того же изотопа указывает на то, что α-распад сопровождается γ-излучением. α-частицы, образующиеся при распаде, вступают во взаимодействие с веществом среды. Это взаимодействие сопровождается рассеиванием энергии α-частиц и превращением их атомы гелия. При этом энергия расходуется главным образом на взаимодействие с электронами атомов и молекул среды, что приводит к их ионизации и возбуждению. Так, например, α-частица, имеющая энергию 3,4 МэВ, может образовать 10⁵ пар ионов, на образование 1 пары ионов необходимо около 34 эВ. Проникающая способностью α-частиц мала. Они поглощаются листом писчей бумаги, тканью одежды. Средние пробеги в воздухе не превышают 10 см.

Превращения

β-превращение включает три вида распада:

испускание электронов – β^--распад,

испускание позитрона - β⁺-распад,

электронный захват.

Испускание электронов - -распад - характерен для ядер, имеющих относительный избыток нейтронов. При этом один из нейтронов распадается, давая протон, электрон и антинейтрино по схеме:

¹_рn → ¹₁p + ē_-1 + ΰ.

Этот процесс сопровождается образованием ядра нового элемента, находящегося на клеточку правее в периодической таблице Д.И.Менделеева, например, _β-

⁹⁰₃₈Sr → ⁹⁰₃₉Y

Как и α -частицы, β^--частицы расходуют свою энергию в основном на ионизацию и возбуждение атомов и молекул вещества среды. При замедлении в поле ядер β^--частицы могут терять часть своей энергии на тормозное излучение. В силу меньшего заряда и незначительной массы удельная ионизационная способность β^--частиц примерно в 1000 раз меньше, чем у α-частиц, а проникающая способность соответственно значительно больше. Так, например, максимальный пробег для такого жесткого β^--излучателя, как 90Y(E_max = 2,26 МэВ), составляет приблизительно 9м в воздухе, 0,4см в алюминии, и ≈ 1см в биологической ткани. При испускании отрицательно заряженной β⁺-частицы порядковый номер элемента возрастает на единицу, а атомная масса практически не меняется. При позитронном β⁺-распаде из атомного ядра выделяется позитрон β⁺-частица, а протон внутри ядра превращается в нейтрон. Например, ²²₁₁Nа — ²²₁₁Ne + β⁺.

Продолжительность жизни позитрона невелика, так как при столкновении его с электроном происходит аннигиляция, сопровождающаяся испусканием γ-квантов.

При электронном захвате (или называют еще К-захват) ядро атома захватывает электрон из ближайшей электронной оболочки (К-оболочки), и один из протонов ядра превращается в нейтрон. Например, ⁴⁰₁₉К+ ē = ⁴⁰₁₈Ar+hv.

На свободное место в К-оболочке переходит один из электронов внешней оболочки, что сопровождается испусканием жесткого рентгеновского излучения.

Излучение

γ-излучение может сопровождать различные виды распада, а при изомерном переходе будет единственным видом излучения.

Ядро одного и того же элемента может существовать и в основном и в возбужденном (метастабильном) состояниях. Ядра, находящиеся в возбужденном состоянии, называют изомерными и обозначают буквой т, поставленной после массового числа. Переход ядра с возбужденного уровня на основной, называют изомерным переходом, который сопровождается, как правило, испусканием γ-кванта (фотона): _γ

^80mBr → ⁸⁰Br.

В отличие от α-, β^- и β⁺-частиц, которые непосредственно ионизируют вещество среды (ионизирующее излучение), γ-кванты вызывают ионизацию в вещества за счет вторичных электронов, образующихся в результате первичных процессов взаимодействия γ-квантов с веществом среды. К таким процессам относятся: фотоэффект, комптоновское рассеивание с образованием пар электрон-позитрон.

Фотоэффект заключается в том, что γ-квант, взаимодействуя с атомами или молекулой, выбивает из них электрон. При этом γ-квант полностью поглощается, а вся его энергия передается электрону (фотоэлектрон). В процессе комптоновского рассеивания γ-квант передает лишь часть своей энергии электрону, а вместо первичного γ-кванта появляется рассеянный, с меньшей энергией. При энергиях γ-квантов более 1,02 МэВ (такая энергия, эквивалентная массе покоя пары электрон-позитрон) взаимодействие с силовым полем ядер может привести к образованию пары электрон-позитрон с полным поглощением γ-кванта. Позитроны замедляются веществом и могут взаимодействовать с электронами среды, давая аннигиляционное γ-излучение.

Относительный вклад каждого из трех процессов в ослабление γ-излучения зависит от энергии фотона и порядкового номера вещества поглотителя. По мере возрастания энергии γ-квантов резко уменьшается вероятность комптоновского рассеивания, а вероятность эффекта образования пар возрастает с увеличением энергии фотонов, начиная с энергии равной 1,02 МэВ.

В результате взаимодействия радиоактивного излучения с веществом происходит ионизация и возбуждение атомов и молекул вещества, через которое оно проходит. Излучение производит также световое, фотографическое, химическое и биологическое действие. Например, первичным результатом действия радиоактивного излучения на воздух является появление ионов:

О₂ + hv = О⁺₂ + ē О₂ + ē = О^-₂

N₂ + hv = N⁺₂ + ē N₂ + ē = N^-₂

Н₂О + hv = Н₂О^- + ē Н₂О + ē = Н₂О^-

Н₂О = Н⁺ + ОН* Н₂О^- = Н* + ОН"

Образующиеся при протекании этих процессов радикалы Н и ОН обладают сильным физиологическим действием - при больших дозах они являются одной из причин лучевой болезни, малокровия и т.д., так как они энергично взаимодействуют с ферментами и составными частями крови.

При бомбардировке вещества потоком α-частиц, протонов, нейтронов и т.д. происходит превращение атомов. Ядерные превращения можно представить с помощью уравнений следующего вида. Например, изотоп ²⁷Аl под действием протонов превращается в изотоп ²⁴Mq:

²⁷Аl + ΄р = ²⁴Mg + ⁴α.

Под действием нейтронов в изотоп ²⁷Mg:

²⁷Al + ΄n = ²⁷Mg + ΄р.

Часто используется краткая запись этих уравнений, соответственно:

27А1 (р, a)^{24 27}Mq Al (n, p) ²⁷Mg

При такой записи сначала указывают символ исходного атома, далее в скобках через запятую приводят бомбардирующую и выбиваемую частицы, после чего записывают символ образующегося атома.

Радиоактивное излучение вызывает большое число химических реакций в газах, растворах, твердых веществах. Их обычно объединяют в группу радиационно-химических реакций. Радиоактивное излучение вызывает разнообразные радиохимические превращения различных органических соединений - аминокислот, кислот, спиртов, эфиров и т.д. Интенсивное радиоактивное излучение с веществом вызывает свечение стеклянных трубок и ряд других эффектов в твердых телах. На взаимодействии радиоактивного излучения с веществом основаны различные способы обнаружения и измерения радиоактивности.