Радиоактивност

1. Видове радиоактивни лъчи

     Спонтанното разпадане на нестабилните атомни ядра се нарича радиоактивност. При радиоактивното разпадане ядрата излъчват три вида лъчи: алфа (α) лъчите са поток от хелиеви ядра, бета (β) лъчите- поток от електрони, а гама (γ) лъчите- фотони с голяма енергия (табл. 5-1).

   Алфа- лъчи Бета- лъчи Гама- лъчи
Същност поток от хелиеви ядра поток от електрони поток от фотони
Електричен заряд +2e -e нямат
Маса 4u me = 0,0005486u нямат маса в покой
Скорост 20 000 km/s ≈c c
Енергия 4 - 8,8.106 eV 0,01- 10.106 eV 0,2- 3.106 eV
Проникваща способност във въздух- няколко cm; в метали- mm във въздух - до 1 m; в олово- до 1 mm във въздух до 300 m; в олово- до 1,6 cm намалява интензитетът наполовина

Радиоактивните лъчения са невидими за човешкото око, но могат да се разделят и регистрират например с опита, показан на фиг. 5-1а и фиг. 5-1б. Радиоактивно вещество, излъчващо и трите вида лъчи (например радий ), се поставя на дъното на оловен контейнер, който поглъща  радиоактивното лъчение. През тесния канал на контейнера излиза сноп от лъчи и се насочва перпендикулярно на индукционните линии на еднородно магнитно поле. В магнитното поле снопът се разделя на три части: две от тях се отклоняват в противоположни посоки, а третата не променя посоката си на разпространение. От опитът следва изводът, че снопът, който не се отклонява в магнитно поле, е съставен от електронеутрални (γ- лъчи). Наляво се отклоняват частиците с положителен заряд (α- частици), а надясно- частиците с отрицателен заряд (β- частиците).

Фиг.5-1б. Три вида радиоактивни лъчи

    Трите вида радиоактивни лъчения имат различна проникваща способност- разстоянието, което една частица изминава в дадено вещество до спирането си:  α- лъчите трудно преминават през лист хартия, β- лъчите могат да изминат няколко милиметра в алуминий, а за да се осигури надеждна защита от γ- лъчите, необходима е оловна преграда с дебелина няколко сантиметра (фиг. 5-2).

Фиг. 5-2. Трите вида радиоактивни лъчения имат различна проникваща способност.

2. Закон за радиоактивното разпадане

    Образец от радиоактивно вещество съдържа голям брой нестабилни ядра. Независимо че всички ядра са еднакви, някои от тях се разпадат почти веднага, а други "живеят" дълго. Разпадането на едно или друго ядро е случаен процес. Съществува определена вероятност в даден момент да се разпадне всяко едно от ядрата, но не е възможно предварително да се определи кои конкретни ядра действително ще се разпаднат в този момент. Опитът показва, че за всеки радиоактивен изотоп е характерен точно определен интервал от време, наречен период на полуразпадане T1/2, в който се разпадат половината от наличните в началото ядра. Периодът на полуразпадане не зависи нито от началния брой N0 на ядрата, нито от външни фактори (температура, налягане и др.). Периодите на полуразпадане на различните радиоактивни изотопи са различни и имат стойности от милионни части от секундата до милиарди години.

    За време T1/2 броят на ядрата в образеца намаляват наполовина и става . За още един период T1/2 се разпадат половината от тези ядра и в момента t = 2T1/2 в образеца остават неразпаднали се ядра. След изтичане на n интервала T1/2 ,т.е. в момента t = nT1/2 в образеца ще останат 

(5.1)   ;       закон за радиоактивното разпадане

неразпаднали се ядра. Получената формула изразява закона за радиоактивно разпадане. Ако са известни периодът на полуразпадане T1/2 и началният брой на ядрата N0, по формула (5.1) може да се пресметне броят на неразпадналите се ядра в произволен момент от времето. Най- лесно е това да се направи за периоди от време, които са целочислено кратни на T1/2, т.е. за цели стойности на числото n. На фиг. 5-3а е представена зависимостта на броя на неразпадналите се ядра от времето, а на фиг. 5-3б- графиката на закона за радиоактивно разпадане на изотопа въглерод-14.

Фиг.5-3б- Графика на закона за радиоактивно разпадане на изотопа въглерод-14

3. Датиране с въглерод- 14

    Радиоактивният изотоп (въглерод- 14), чийто период на полуразпадане е 5730 години, се създава в горните слоеве на атмосферата под действие на космичните лъчи. Установено е, че концентрацията му във въглеродния диоксид от земната атмосфера не се е изменила в продължение на хилядолетия. (На всеки 8.1011  молекули CO2 със стабилния изотоп се пада средно по една молекула CO2 с .) Във всички живи организми съотношението между и е същото, както в атмосферата, защото при жизнените процеси непрекъснато се обменя въглерод с околната среда. Когато обаче организмът умре, този обмен се прекратява и броят на ядрата , които са се съдържали в него, започва да намалява в съответствие със закона за радиоактивното разпадане. По броя на останалите неразпаднали се ядра може приблизително да се определи датата на смъртта на съответния организъм. С помощта на въглеродния метод в археологията се определя възрастта на останки от дърво, кости и черупки, принадлежащи на растителни и животински видове, живели преди хиляди години.

4. Биологично действие на радиацията

    Радиоактивните лъчения предизвикват йонизация на атомите и молекулите и увреждат клетките на живите организми. Лъчевите увреждания се разделят на две групи:

  1. засягащи самия облъчен индивид;
  2. генетични (или наследствени), отнасящи се за поколението.

    Пораженията зависят от продължителността на облъчване и от количеството погълната радиация, наречено  D. В Si единицата за погълната доза се нарича грей (Gy) :

Погълнатата доза е един грей, ако в 1 kg от облъченото вещество се поглъща йонизиращо лъчение с енергия 1 J:  1 Gy = 1 J/kg

    При една и съща погълната доза биологичният ефект от облъчването зависи от вида на лъчението и от неговата енергия. Количествена мярка за очакваната радиационна опасност при облъчване на живи организми е величината еквивалентна доза H. По определение еквивалентната доза H и погълната доза D са свързани със съотношението

(5.2)  ,

където k е безразмерен коефициент, наречен качествен фактор. Качественият фактор k изразява биологичния ефект от облъчването на даден организъм или орган. Еквивалентната доза се измерва с единицат сиверт (SV): 1 Sv = 1 J/kg

    Например за β- лъченията качественият фактор е около единица (k = 1), докато за α- лъчите k = 15. Това означава, че на погълната доза 1 Gy  β- лъчение съответства 1 Sv еквивалентна доза, докато еквивалентната доза, отговаряща на 1 Gy  α- лъчение, е 15 Sv. Следователно радиационната опасност от α- лъчението е много по- голяма.

    Поради естествения радиационен фон, създаден от космичното лъчение и радиоактивността на околната среда, средната еквивалентна доза, която човешкият организъм поглъща за една година, е около 1,5.10-3 Sv. Съгласно с международните стандарти за радиационна безопасност максималната допустима годишна еквивалентна доза за лица, работещи с радиоактивни източници, е 50.10-3 Sv. За бозайниците и птиците еквивалентна доза 10 Sv е смъртоносна, докато за унищожаване на някои вируси са необходими над 10 000 Sv.

 

Изтегли в .pdf         Изтегли в .docx
   

Дали научихме всичко?

Проверете със следния тест!

Любопитно


Относително участие на различни съставни части на естествения радиоактивен фон при облъчване на населението: лъчения на радона и торона (46%), гама- лъчи от земен произход (26%), космически лъчения (16%) и вътрешни източници (19%).

Източник

Антоан Анри Бекерел (1852-1908), френски физик, носител на Нобелова награда за физика от 1903, откривател на естествената радиоактивност.

 

Фиг. 5-1а. В магнитно поле алфа- и бета- частиците се отклоняват в противоположни посоки.

Мария Склодо̀вска-Кюрѝ (1867-1934), френски физик и химик от полски произход, пионер в областта на радиологията и първият носител на две Нобелови награди, както и единствената жена носител на Нобелова награда в две различни области на науката - физика и химия. През 1898 година Мария Кюри и нейният съпруг Пиер Кюри откриват в урановата руда два неизвестни дотогава радиоактивни елемента. Единият от тях е наречен полоний (Po) в чест на родината на Мария Кюри, а другият- радий (Ra), което означава лъчист.

Фиг. 5-3а. Закон за радиоактивното разпадане: зависимост на броя на неразпадналите N се ядра от времето t.

Един филм по темата "Биологично действие на радиацията" - https://www.youtube.com/watch?v=-2IcRpBqQeo&feature=player_embedded#at=482https://www.youtube.com/watch?v=-2IcRpBqQeo&feature=player_embedded#at=482