Радиационная безопасность. От теории к практике

Y +4

He + Q, где Q – выделившаяся при распаде энергия, эВ.

Например, ядро плутония

Pu, излучив альфа-частицу, превращается в ядро урана

U. Общая схема этого альфа-распада приведена на рис. 1.3. Процесс альфа-распада принято представлять следующим образом. В результате взаимодействия ядерных и кулоновских сил в некоторый момент ядро отделяет альфа-частицу, которая вскоре оказывается под действием только отталкивающих кулоновских сил. Эти силы разгоняют альфа-частицу до скорости, достигающей на периферии атома 20000 км/с. Отдельная частица приобретает большую кинетическую энергию. Таким образом, выбрасыванием из ядра альфа-частицы осуществляется превращение скрытой энергии ядра в энергию движения частицы.

Рис. 1.3. Схема альфа-распада

Энергия испускаемых альфа-частиц составляет 4…10 МэВ; при прохождении через вещество альфа-частицы теряют свою энергию, главным образом, в результате взаимодействия с электронами атомов вещества.

Длина пробега альфа-частиц в веществе невелика; например, в воздухе она составляет 2…12 см в зависимости от вида радиоактивного изотопа. Проникающая способность альфа-частиц незначительна: они легко задерживаются тонкой металлической фольгой.

Для ряда изотопов вылет альфа-частицы сопровождается излучением гамма-кванта.

При бетта – распаде (электронном распаде) радиоактивного ядра излучаются две частицы: отрицательно заряженная – электрон и нейтральная – нейтрино.

Этот вид распада характерен для ядер с избыточным числом нейтронов и в большинстве случаев сопровождается гамма-излучением.

Поскольку нейтрино имеет ничтожную массу покоя и не обладает зарядом, то заряд образовавшегося при бетта – распаде ядра увеличивается на единицу, а атомный вес остается прежним.

Иными словами, новый элемент будет обладать тем же массовым числом, что и исходный элемент, но иметь на единицу больший заряд и располагаться в таблице Менделеева на одно место правее исходного.

Общая схема бетта-распада приведена на рис. 1.4.

Таким образом, бетта – распад является превращением нейтрона в протон с выделением электрона (бетта – частицы) и нейтрино. В этом виде распада ядра проявляется одно из любопытных явлений атомной физики – способность одной элементарной материальной частицы превращаться в другую.

Формула превращения нейтрона в протон может быть представлена в следующем виде:

n –

H +0

e + v.

Такое превращение сопровождается выделением энергии (0,76 МэВ).

Позитронный (бетта

– распад)распад характерен для ядер с избыточным числом протонов (недостаточным числом нейтронов). При нем в определенных энергетических условиях излучается позитрон и нейтрино. Излучение позитрона может происходить только в том случае, если разность энергий (уменьшение массы) материнского и дочернего ядер превышает 1,02 МэВ.

Рис. 1.4. Схема бетта-распада

При столкновении испущенного позитрона с электроном обе частицы исчезают (аннигилируют), превращаясь в кванты света, при этом вся энергия частиц переходит в энергию гамма-квантов по формуле

e+

e -> 2бетта+2x0,51МэВ

При излучении позитрона образуется ядро с тем же массовым числом, но с зарядом на единицу меньшим, т. е. ядро элемента, расположенного в таблице Менделеева на одно место левее исходного.

Например

Si ->

e+

Al+v

При этом виде распада происходит превращение одного протона ядра в нейтрон, позитрон и нейтрино:

p ->

e+

n+v

Такое превращение протекает с поглощением энергии (1,8 МэВ), так как масса нейтрона больше массы протона.

Процесс К-захвата (электронного захвата) происходит при условии, если избыточная энергия возбужденного ядра с избыточным числом протонов не превышает 1,02 МэВ. То есть, когда в ядре не хватает энергии для излучения позитрона, бетта

-распада (позитронного) не произойдет. Переход ядра в устойчивое состояние в этом случае может произойти путем захвата одного из орбитальных электронов из К-слоя (редко из L-слоя) электронной оболочки атома. В результате этого превращения, так же как при излучении позитрона, образуется ядро элемента с атомным номером на единицу меньшим, чем у исходного ядра (материнского).

Ввиду того, что после электронного захвата в К-оболочке атома образуется вакантное место, один из электронов внешней оболочки занимает его, в результате происходит перестройка в атомных оболочках. Атом из возбужденного состояния переходит в нормальное; переход сопровождается испусканием рентгеновского излучения дочернего атома.

Следовательно, К-захват также связан с превращением протона в нейтрон.

В результате нейтронного распада (n-распада) ядро испускает нейтрон, что в большинстве случаев происходит в цепочке распада, в которой энергия возбуждения дочернего ядра превышает энергию связи нейтрона, равную примерно 8 МэB. Испускание нейтрона приводит к уменьшению массового числа на единицу.

Спонтанное деление ядер характерно для ядер очень тяжелых элементов. При нем ядро атома вещества делится на два осколка со средними массовыми числами. У тяжелых ядер больший избыток нейтронов над протонами, чем у устойчивых ядер с массой средней величины, поэтому при спонтанном делении испускается два-три нейтрона.

Радиоактивный распад зависит только от внутреннего энергетического состояния ядра. Интенсивность радиоактивного распада различных изотопов различна, с течением времени она уменьшается. Скорость распада является величиной, характерной для данного изотопа и не зависящей от внешних воздействий температуры, давления, магнитных сил и пр.

Для всех видов радиоактивных распадов существует общая закономерность, состоящая в том, что количество ядер данного радиоактивного изотопа, распадающихся за единицу времени (в среднем), всегда составляет определенную, характерную для данного радиоактивного изотопа, долю полного числа еще не распавшихся атомов.

На практике пользуются характеристикой скорости радиоактивного распада, называемой периодом полураспадаТ

 – временем, в течение которого распадается половина имевшихся вначале ядер.

Период полураспада различных радиоактивных изотопов исчисляется временем от долей секунды до миллиардов лет.

К примеру, в одном килограмме урана за одну секунду распадается 2х10

 атомов; это означает, что за секунду его масса уменьшается приблизительно на 8х10

 часть.