Защита населения и объектов в чрезвычайных ситуациях (основы гражданской обороны) - Учебно-методическое пособие (Чутков А.И.)

4.1. явление радиоактивности. закон радиоактивного распада

Явление самопроизвольного (спонтанного) изменения структуры ядра атома одного элемента и превращение его в более устойчивое ядро атома другого элемента называется радиоактивностью, а само неустойчивое ядро – радиоактивным.

Каждый отдельный акт самопроизвольного превращения ядер с испусканием элементарных частиц или их групп называется радиоак- тивным распадом. Возникающие при этих превращениях ядер атомов

элементарные частицы или их группы являются ИИ.

Закон радиоактивного распада для любых превращений ядер ус- танавливает, что за единицу времени распадается всегда одна и та же

 

 
доля нераспавшихся ядер данного радионуклида. Эту долю называют

постоянной распада и обозначают . В общем виде этот закон выра- жается экспоненциальной зависимостью

 

 

 
N         N0  e

 

t ,         (1)

 

 

 
где N – число ядер, нераспавшихся за время t; N0  – начальное число ядер радионуклида; е = 2,718 (основание натурального логарифма);

– постоянная распада.

Для характеристики устойчивости ядер радиоактивного вещества используется понятие период полураспада, т. е. промежуток времени,

в течение которого количество ядер данного вещества уменьшается в два раза:

 

Т1 / 2

 

ln 2

 

0,693

.           (2)

 

 

 
Величина,  обратная  постоянной  распада,  называется  средним временем жизни   радиоактивного ядра

 

1          Т1/ 2

0,693

 

 
1,443

 

 
Т1/ 2

.           (3)

 

Период полураспада для различных радионуклидов имеет протя- женность от долей секунды до миллиардов лет. Соответственно и ра- диоактивные вещества разделяют на короткоживущие (часы, дни) и долгоживущие (многие годы).

Например:

214

Po

 
84

238 U

имеет Т1/2 = 1,6 · 10–4с;

10

92        имеет Т1/2 = 4,47 · 10

лет.

4.1.1. Активность и единицы измерения. Активность – мера интенсивности распада радионуклида, определяется как количество распадов ядер атомов радиоактивного вещества в единицу времени, т. е. как скорость распада ядер.

 

 
Если радиоактивное вещество содержит N атомов и его постоян-

ная распада    , которая выражает долю распадающихся атомов в еди- ницу времени, то активность будет равна

 

 

 

 
dN       t

Аn                   N 0     e dt

N .       (4)

 

Активность радионуклида выражается формулой

 

А

 
ln 2

n

 

6,02

A

 

1023

T

 

m ,       (5)

 

где Аn  – активность радионуклида, Бк; m – масса радионуклида, г; А – массовое число радионуклида; Т – период полураспада радионуклида, с. Чем меньше период полураспада, тем выше будет активность.

Единицей измерения активности в Международной системе еди-

ниц (СИ) является Беккерель (Бк), 1 Бк = 1 расп/с (табл. 2).

 

 

 

 
Внесистемная единица измерения активности – Кюри (Ки).

1 Ки = 3,7  1010 Бк. 1 Бк = 1 расп/с = 2,703  10–11 Ки, такой актив- ностью обладает 1 г радия.

 

Единицы измерения активности

Таблица 2

 

 

Величина

Название и обозначение

 

Соотношение между единицами

единица СИ

внесистемная

Активность

А

Бк

А

Ки

1 Бк = 1расп/с =

= 2,703  10–11 Ки,

1 Ки = 3,7  1010 Бк

Удельная актив-

ность

Аm

Бк/кг

Ауд

Ки/кг

1 Бк/кг = 0,27  10–10 Kи/кг

1 Kи/кг = 3,7  1010 Бк/кг

Объемная актив-

ность

Аv

Бк/м3

Аоб

Ки/л

1 Бк/м3 = 0,27  10–7 Kи/л,

1 Ки/л = 3,7  107 Бк/м3

Поверхностная

активность (сте- пень загрязнения)

Аs

Бк/м2

Апов

Ки/км2

1 Бк/см2 = 104 Бк/м2 = 0,27 Ки/км2,

1 Ки/км2 = 3,7  104 Бк/м2 =

= 3,7 Бк/см2

 

 

 
4.1.2. Виды и характеристики ионизирующих излучений и их взаимодействие с веществом. ИИ – излучение, которое образуется при радиоактивном распаде, ядерных превращениях и образует при взаимодействии со средой ионы разных знаков. По природе происхо- ждения ИИ бывают электромагнитные и корпускулярные.

К электромагнитным (фотонным) ИИ относят рентгеновское и гамма-излучения, представляющие собой поток электромагнитной энергии с преимущественно короткой длиной волны. Корпускулярное ИИ – поток элементарных частиц. К ним относятся: альфа-частицы (ядра атома гелия), бета-частицы (электроны и позитроны), нейтроны и протоны.

 

 

 

 

 

 

2

 
Альфа-излучения – это поток частиц, ядер атома гелия ( 4 He ). Мас- са альфа-частицы m  = 6,64  10–27 кг, заряд dQ = 3,204  10–19 Кл. Радио- активное превращение атомного ядра, сопровождающееся вылетом из него  альфа-частиц,  называется  альфа-распадом.  При  этом  зарядовое

Z

 

Z

 
число Z распадающегося ядра A

уменьшается на две единицы, мас-

совое число A – на четыре единицы. Примером альфа-распада может

служить  радиоактивное  превращение

239

Pu

 
94

с  испусканием  альфа-

частиц энергий (5,11; 5,14; 5,16 МэВ) и гамма-квантов (0,02; 0,05 МэВ).

Скорость перемещения альфа-частиц – около 20 000 км/с. Альфа- частицы обладают наиболее высокой ионизирующей способностью и наименьшей проникающей способностью. Их линейная плотность ио- низации изменяется от 25 до 60 тыс. пар ионов на 1 см пути в воздухе. Длина пробега этих частиц в воздухе при нормальных условиях – от

2,5 до 8,6 см; в биологических средах – не превышает 70 мкм.

Кожа  человека  полностью  задерживает  альфа-частицы.  Однако при попадании альфа-частиц внутрь организма (с воздухом, пищей, водой или через открытую рану) из-за сильной ионизирующей спо- собности они становятся опасными и вызывают в местах контакта не-

обратимые повреждения биологической ткани.

В числе природных наиболее значимых альфа-излучателей встре-

чаются изотопы урана

235

U ,

 
92

238

U ,

 
92

220 Ra ,

232 Th ,

218 Po ,

222 Ru . В ре-

88

 

90

 

84

 

86

 
зультате аварии на ЧАЭС выброшены искусственные альфа-излуча-

тели: изотопы плутония

238 Pu ,

239 Pu ,

240 Pu ,

241 Pu .

 

 

 

 

 

 

 

 

94

 

94

 

94

 

94

 
Бета-излучение – поток электронов или позитронов, испускаемых ядрами радиоактивных элементов при бета-распаде. Электрон ( –- частица)  имеет  массу  me = 9,109  10–31 кг  и  отрицательный  заряд e = 1,6  10–19 Кл. Позитрон (  +-частица) – элементарная частица с по- ложительным электрическим зарядом, античастица по отношению к электрону.

Существует три вида бета-распада: бета-электронный, бета-позит- ронный распад и К-захват (электронный захват). Бета-распад – про- цесс изобарный, при котором массовое число атома остается без из- менения, а зарядовое число изменяется на единицу.

В результате бета-электронного распада исходное ядро превра- щается в новое ядро, заряд увеличивается на единицу, при этом появ- ляется частица – антинейтрино.

Бета-позитронный    распад приводит        к          образованию  ядра     с

уменьшенным заряда на единицу, при этом образуется нейтрино.

При электронном захвате (К-захвате) ядро притягивает к себе один из электронов, расположенных на внутренних орбитах атома. Место захваченного электрона сразу же заполняется электроном с бо- лее высокого уровня, при этом испускается рентгеновское излучение.

Средняя величина удельной ионизации – линейная плотность ио- низации – в воздухе зависит от энергии бета-частиц и составляет 100–

300 пар ионов на 1 см пути, а максимальный пробег в воздухе дости- гает нескольких метров, в биологической ткани – сантиметры, в ме- таллах – десятки мкм. Скорость движения бета-частиц в воздухе близ- ка к скорости света (250 000–270 000 км/с).

Для защиты от бета-излучения используются: стекло, алюминий, плексиглас, полимеры – материалы, состоящие из элементов с малым

порядковым номером.

Гамма-излучение – коротковолновое электромагнитное излучение,

испускаемое возбужденными атомными ядрами. Гамма-излучение на- блюдается при радиоактивном распаде атомных ядер и реакциях де- ления тяжелых ядер. Гамма-кванты не обладают ни зарядом, ни мас- сой покоя.

Среди  процессов  взаимодействия  гамма-квантов  с  веществом

наибольшую вероятность имеют: фотоэффект, комптоновское рассея- ние и образование пары электрон-позитрон.

4.1.3. Дозиметрические величины и единицы их измерения. Действие ИИ на вещество проявляется в ионизации и возбуждении атомов и молекул, входящих в состав вещества. Количественной ме-

рой воздействия излучений на вещество является доза излучения. До-

за излучения – это количество энергии ИИ, поглощенного единицей массы облучаемой среды. Различают поглощенную, экспозиционую и эквивалентную дозы излучения.

Поглощенной дозой излучения (D) называется количество энергии любого вида, поглощенное единицей массы любого вещества. За еди- ницу измерения поглощенной дозы принят грей (Гр). 1 Гр = 1 Дж/кг.

На  практике применяется  внесистемная  единица  –  рад.  Доза в

1 рад означает, что в каждом грамме вещества, подвергшегося облу- чению, поглощено 100 эрг энергии. 1 рад = 100 эрг/г = 0,01 Дж/кг =

= 0,01 Гр, т. е. 1 Гр = 100 рад (1 эрг = 10 Дж).

Для характеристики рентгеновского и гамма-излучений по эффек- ту ионизации используют экспозиционную дозу.

Экспозиционной дозой (Х) называется количественная характери-

стика излучений, основанная на их ионизирующем действии в сухом атмосферном воздухе и выраженная отношением суммарного элек- трического заряда ионов одного знака, образованных излучением, по- глощенным в некоторой массе воздуха, к этой массе.

За        единицу         экспозиционной       дозы    рентгеновского         и          гамма-

излучений принят кулон на килограмм (Кл/кг). Внесистемная единица экспозиционной дозы – рентген (Р). 1 Кл/кг = 3876 Р.

 

 
Рентген – экспозиционная доза фотонного излучения, при кото- рой в 1 см3  воздуха при нормальных условиях (t = 0 С и давление

 

 
101 кПа) образуется 2,08  109 пар ионов.

Эквивалентная доза (Н) служит для характеристики биологиче- ского действия различных видов ИИ. Альфа-, бета- и гамма-излучения при одинаковой поглощенной дозе оказывают разное поражающее действие из-за различной ионизирующей способности. Различие в ве- личине радиационного воздействия можно учесть, приписав каждому виду  излучений  свой  коэффициент  качества  (табл. 3),  характери-

зующий степень разрушительного действия на биологический объект и показывает, во сколько раз данный вид излучения по биологической эффективности больше, чем рентгеновское излучение при одинаковой поглощенной дозе.

Таблица 3

Значения взвешивающих коэффициентов для различных видов излучений

 

Вид излучения

Взвешивающий коэффициент

Гамма-, рентгеновское- и бета-излучение

1

Нейтроны с энергиями до 10 кэВ

5

Нейтроны с энергией от 10 кэВ до 100 кэВ

10

Нейтроны с энергией от 100 кэВ до 2 МэВ

20

Нейтроны с энергией от 2 МэВ до 20 МэВ

10

Нейтроны с энергией более 20 МэВ

5

Протоны с энергией более 20 МэВ

5

Альфа-частицы, тяжелые ядра отдачи

20

 

В качестве системной единицы эквивалентной дозы использует- ся зиверт (Зв). Зиверт – единица эквивалентной дозы в биологиче- ской ткани, которая создает такой же биологический эффект, как и поглощенная доза в 1 Гр рентгеновского или гамма-излучения. Вне- системная единица эквивалентной дозы – бэр (биологический экви- валент рада). 1 бэр = 0,01 Зв; 1 3в = 100 бэр.

Бэр – доза любого вида ионизирующего излучения, производящая такое же биологическое действие, как и доза рентгеновских или гам- ма-лучей в 1 рад.

Эквивалентная доза рассчитывается для средней ткани человече- ского тела. Органы и биологические ткани имеют разную радиочувст-

вительность. В первую очередь поражаются красный костный мозг, половые железы. Учет радиочувствительности производят с помощью взвешивающих коэффициентов для тканей и органов (табл. 4).

 

 
Взвешивающий коэффициент – это эквивалентная доза облучения всего организма в зивертах, которая приводит к тем же последствиям, что и облучение данного органа эквивалентной дозой в 1 Зв. Если для

всего организма в целом   т = 1, то каждый орган имеет свой взвеши- вающий коэффициент.

Умножив эквивалентную дозу на соответствующие взвешиваю- щие коэффициенты и просуммировав по всему организму, органу или группе органов, получим эффективную эквивалентную дозу, отра- жающую суммарный эффект облучения.

Таблица 4

Взвешивающие коэффициенты для отдельных органов и тканей

 

 

Орган или ткань

Взвешивающий коэффициент

Поверхности костных тканей, кожа

0,01

Молочные железы

0,05

Щитовидная железа, печень, пищевод, мочевой пузырь

0,05

Остальные ткани

0,05

Красный костный мозг

0,12

Легкие, толстый кишечник, желудок

0,12

Половые железы

0,20

Организм в целом

1