Понятие о радиоактивности и видах радиоактивных излучений.

КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИХ СВОЙСТВАХ ЯДЕРНОГО ОРУЖИЯ (ЯО)

Во все времена технический прогресс нуждался и будет нуждаться в источниках энергии. Огромными потенциальными возможностями располагает ядерная энергетика. Энергия, освобождаемая при ядерных превращениях может быть использована как в мирных целях, например при создании атомных электростанций (АЭС), так и в военных целях при создании оружия, обладающего колоссальной мощностью, во много раз (сотни и тысячи) превосходящей поражающее действие обычных взрывчатых веществ. Поэтому ядерному оружию как одному из самых разрушительных и эффективных средств ведения войны придается особое значение. Одной из особенностей американской внешней политике последних лет является резкий крен в сторону использования силовых методов обеспечения национальной безопасности, в т.ч. с применением ядерного оружия. Президент США Джордж Буш отказался от Договора по противоракетной обороне (ПРО). Для этой администрации стало характерным уходить от вопросов контроля над ядерным оружием. В связи с чем вероятность применения ядерного оружия становится реальностью. Что же следует считать ЯО? Ядерным оружием называется оружие массового поражения (ОМП), поражающее действие которого обусловлено энергией, освобождающейся при ядерном взрыве.

Если в обычных взрывчатых веществах (ВВ) энергия взрыва образуется в результате химических реакций превращения менее стойких молекул ВВ в более стойкие молекулы продуктов взрыва, при ядерном взрыве энергия выделяется при ядерных реакциях превращения атомов одних химических элементов в атомы совсем других элементов. В результате ядерных реакций или радиоактивного распада при ядерных превращениях образуются потоки частиц или электромагнитных квантов, которые принято называть атомной радиацией или ионизирующим излучением. Таким образом, ядерный взрыв характеризуется способностью образовывать химические вещества, испускающие невидимые радиоактивные излучения.

Понятие о радиоактивности и видах радиоактивных излучений.

Из курса физики известно, что атом состоит из положительно заряженного ядра и электронной оболочки вокруг него. В состав ядра входит частица протон, имеющий заряд 1 и массу единицу и нейтрон, не имеющий заряда. Масса же нейтрона примерно такая же как масса протона. Общее наименование протонов и нейтронов – нуклоны. Суммарное число протонов и нейтронов в ядре составляет массовое число количество протонов соответствует порядковому номеру элементов в таблице Д.И. Менделеева и определяет заряд ядра. Количество электронов, вращающихся вокруг ядра равно числу протонов, поэтому в обычном состоянии атом нейтрален. Существуют элементы обладающие одним и тем же зарядом, т.е. одинаковым количеством протонов, но разными массовыми числами из-за различия в количестве нейтронов. Химические элементы с одинаковыми свойствами, но имеющие разные массовые числа называются изотопами. Большинство химических элементов являются смесью нескольких элементов. Например, водород на 99,98% состоит из легкого изотопа – протия ¹₁Н и на 0,02 % из тяжелого изотопа – дейтерия ²₁Н, ядро которого состоит из протона и нейтрона. Существует и третий изотоп водорода – тритий ³₁Н, ядро которого содержит один протон и два нейтрона. Дейтерий и тритий могут обозначаться символами Д и Т.

Изотопы урана, имеющие одинаковый заряд 92 и такое же количество протонов отличаются между собой содержанием в ядре нейтронов. Соответственно уран – 238 содержит 146 нейтронов, уран – 235 – 143 и уран – 234 - 142 нейтрона.

Частицы, входящие в состав ядра подвержены воздействию огромных ядерных сил притяжения. Однако, кроме ядерных сил притяжения между одноименно заряженными протонами действуют Кулоновские силы отталкивания. У тяжелых элементов Кулоновские силы отталкивания преобладают над ядерными силами притяжения. При этом происходит внутренняя перестройка ядер, в результате которой вещество из менее устойчивого состояния переходит в более устойчивое состояние. Процесс ядерных превращений сопровождается одновременным испусканием невидимых радиоактивных излучений. Такое явление самопроизвольного (спонтанного) изменения структуры ядра атома одного элемента и превращение его в более устойчивое ядро атома другого элемента называется радиоактивностью. Наблюдающаяся в природных условиях радиоактивность изотопов называется естественной, а радиоактивность изотопов, полученных искусственным путем на ускорителях, в ядерных реакторах называется искусственной. В настоящее время насчитывается свыше 40 естественных радиоактивных элементов и более 1200 искусственных радиоактивных изотопов. При ядерных взрывах образуется большое количество искусственных радиоактивных изотопов.

Существует три вида радиоактивных излучений в зависимости от их поведения в магнитном поле:

- альфа-лучи - лучи, отклоняющиеся как положительно заряженные частицы;

- бета-лучи - лучи, ведущие как отрицательно заряженные частицы при электронном распаде и как положительно заряженные частицы при позитронном распаде. Позитрон положительно заряженная частица, масса ее равна массе электрона.

- гамма - излучение не отклоняется в магнитном поле.

При радиоактивном распаде, как правило, радиоактивный изотоп испускает частицы одного рода либо альфа-, либо бета- частицы.

Альфа – излучение – это поток положительно заряженных альфа-частиц, состоящих из ядер атомов гелия. Ядро альфа-частицы состоит из 2-х протонов и двух нейтронов. Поэтому альфа-излучатель, превращаясь в процессе радиоактивного распада в другой химический элемент снижает свой положительный заряд на две единицы, а массовое число на четыре единицы. При таком превращении из плутония -239 образуется уран-235. Первоначально альфа-частицы двигаются со скоростью 10-20тыс. км/сек, теряя свою энергию, ионизирую атомы среды. Ионизирующая способность альфа-частиц очень велика. Одна альфа-частица в воздухе способна образовать на 1 см пути от 30 до 65 тыс. пар ионов. Большой ионизирующей способностью альфа-частицы объясняется очень малая длина ее пробега. Так пробег альфа-частиц в воздухе от 2 до 10 см, в мягких биологических тканях – несколько десятков микрометров (мкм). Затратив свою энергию на ионизацию вещества, альфа-частицы, присоединив свободные электроны, превращаются в атомы гелия. Опасность альфа-излучение представляет только тогда, когда альфа-излучатели проникают внутрь организма, т.е. при инкорпорировании РВ. Внешне альфа-облучение не опасно, т.к. оно поглощается верхним слоем кожи, а сама одежда является надежной защитой от альфа-частиц.

Бета-излучение – представляет собой поток бета частиц, т.е. отрицательно заряженных электронов (электронный бета-распад) или положительно заряженных позитронов (позитронный бета-распад). В результате электронного бета-распада масса ядра не меняется, один из нейтронов превращается в протон, поэтому заряд ядра увеличивается на единицу:

¹₀n → ¹₁p + e^-

нейтрон протон электрон

При позитронном бета-распаде происходит одновременное превращение одного из протонов в нейтрон и вылет позитрона. Образующееся ядро будет иметь порядковый номер на единицу меньше, а массовое число останется прежним.

¹₁p → ¹₀n + e⁺

протон нейтрон позитрон

Однако позитронный бета-распад бывает редко и в основном у искусственных радиоактивных изотопов. Начальная скорость движения бета-частиц может достигать скорости света 300 тыс. км/сек. Ионизирующая способность бета-частиц всего 50-100 пар ионов на 1 см пути, длина пробега в воздухе до 20 м, в воде и живых тканях до 3-х см, в металле – 1 см. Бета-излучение ПЯВ наполовину ослабляется летней одеждой, на 50-60% индивидуальными средствами защиты кожи, поглощается автомобильными стеклами.

Гамма-излучение подобно рентгеновскому изучению представляет собой поток электромагнитных волн, которые распространяются со скоростью света 300 тыс. км/сек.

При радиоактивном распаде или ядерных реакциях, при переходе из одного возбужденного энергетического состояния в другое невозбужденное состояние избыток энергии испускается в виде гамма-квантов. Ядро может последовательно испускать гамма-кванты, производя так называемое каскадное излучение, пока не станет стабильным. Гамма-излучение по сравнению с рентгеновским излучением обладает большей энергией. Если альфа- и бета –частицы непосредственно ионизируют атомы, гамма-кванты, проникая в вещество, вызывают образование в нем вторичных электронов и позитронов, которые и производят ионизацию. Ионизирующая способность гамма- излучения – всего несколько пар ионов на 1 см. Например, в воздухе линейная плотность гамма-квантов 2-3 пары на 1 см пути. В воздухе гамма-излучение может распространяться сотни метров. Вследствие большой проникающей способности гамма-излучение не задерживается защитной одеждой, для защиты используются материалы, обладающие высокой удельной плотностью.