Радиоактивност

от Уикипедия, свободната енциклопедия
Направо към: навигация, търсене
Серия статии на тема

Ядрена физика

Deuterium-tritium fusion.svg
Радиоактивност
Ядрено делене
Термоядрен синтез
Международният знак за радиоактивност

Радиоактивност, или още радиоактивен разпад (от латински radio — излъчвам, и activus — действен), се нарича способността на атомните ядра на нестабилни изотопи на химични елементи да се превръщат спонтанно в ядра на други химични елементи, при което се излъчва енергия във формата на електромагнитно лъчение или частици - например алфа-частици, бета-частици или гама-лъчи.

Установено е, че радиоактивни са всички химични елементи с атомен номер, по-голям от 82 (започвайки с бисмута), и много от по-леките елементи. Енергийните спектри на алфа- и гама- излъчването са дискретни, докато този на бета- е непрекъснат. Радиоактивно излъчване от нестабилно атомно ядро, при което се отделят алфа-частици, се нарича алфа-разпад, а при отделяне на бета-частици — бета-разпад. Бета-разпадът винаги се съпровожда с изпускане на неутрино или антинеутрино. Изразът гама-разпад се използва много рядко. Днес се знае, че освен алфа-, гама- и бета-, съществуват и протонен, неутронен, позитронен и други разпади.

Основни видове[редактиране | edit source]

  • Естествена (наричана още спонтанна) - получава се при взаимодействия на космическото лъчение със земната атмосфера, или просто произволен разпад на ядрата на елементи, съществуващи в природата (като най-разпространеният е 222Rn получен при разпад на 226Ra)
  • Изкуствена радиоактивност - получава се в резултат на човешката дейност, по-точно при ядрени реакции.

Единици[редактиране | edit source]

Единицата за измерване на радиоактивност в Международната система единици е бекерел с означение Bq и размерност 1/s. Други единици са рад (rad), кюри (Ci) и Грей (Gy).

1 Ci = 3,7 1010Bq
1 Bq = 0,027 nCi
1 rad = 0,01 Gy = 10 mGy
1 Gy = 100 rad

Откритие[редактиране | edit source]

Явлението радиоактивност е открито за първи път от френския учен Анри Бекерел през 1896 при изучаване на флуоресценцията и действието на уранови соли върху фотоплаки. Той взима фотографска плака, завива я в черна хартия, облъчва кристалите на урановата сол със слънчева светлина, след което завива солите също с черна хартия, поставя ги върху фотоплаката и ги оставя на тъмно. След като промива фотоплаката няколко дни по-късно, той забелязва изображение на нея. Тъй като луминесцентното излъчване не може да мине през черната хартия, единственият извод, който се налага е съществуването на друг вид излъчване. На 23 ноември 1896 г. Бекерел докладва за резултатите от своите изследвания във Френската академия на науките.

През 1886 г. Мария Кюри започва изследване на уранови руди и тяхната способност да йонизират въздуха. Тя освен че констатира присъствието на лъчението, измерва и интензивността му. Пиер и Мария Кюри, които наричат това свойство радиоактивност, откриват, че не само уранът притежава това свойство, но също така и торият. Двамата съпрузи откриват и други радиоактивни елементи, между които радий и полоний. През 1903 г. те са удостоени с нобелова награда по физика, а през 1911 г. след смъртта на Пиер Кюри, на Мария Кюри се присъжда втора такава награда - нобелова награда по химия.

През 1900 г. Ръдърфорд достига до извода, че радиоактивността е разпадане на ядрото на атома. Той въвежда понятието период на полуразпад - това е времето, за което се разпада половината от изходното количество радиоактивно вещество. Този период е различен за различните елементи и е в порядъка от няколко милисекунди до милиони години. Разпадането на ядрото на радиоактивен елемент не зависи от външни фактори и е случаен процес.

Петнадесет години след откриването на радиоактивността са изследвани над 30 радиоактивни елемента, но е трудно да се работи с тях поради малките количества. Първа Мария Кюри успява да отдели чист радий след като обработва огромни количества радиоактивни вещества и с това доказва, че радиоактивността не изменя химическите свойства на елементите. Записките, които е водела и до днес са заразени с радиоактивност и дори съдържат радиоактивен отпечатък от пръста на Пиер Кюри. Откритията на Ръдърфорд и Кюри водят до изясняване на понятието радиоактивен изотоп през 1932 година. Скоро след това се установява, че всички познати тогава радиоелементи се групират в три семейства - това на урана, на тория и на актиния, като всеки следващ елемент се образува от предишния чрез отделяне на алфа или бета частица.

Видове радиоактивност според частиците[редактиране | edit source]

Алфа-разпад[редактиране | edit source]

α-разпад се нарича спонтанното разпадане на атомното ядро, вследствие на което се получават дъщерно ядро и α-частица (ядро на 4He). Алфа частиците се състоят от два протона и два неутрона. Алфа разпадът е характерен за тежките ядра, с масово число А≥140. {}^{A}_{Z}\textrm{X}\rightarrow {}^{A-4}_{Z-2}\textrm{Y} + {}^{4}_{2}\textrm{He}. Алфа лъчите проникват само няколко хилядни от сантиметъра в алуминиево фолио и трудно проникват през лист хартия. Притежават значителна йонизираща способност и са особено опасни при вътрешно облъчване, ако попаднат в меките тъкани на организма с храна или въздух.

Бета-разпад[редактиране | edit source]

Бета-лъчите са ускорени потоци от високоенергийни електрони или позитрони. Бета-активността е съпроводена с излъчване на неутрино (антинеутрино), което обяснява непрекъснатия енергиен спектър при този тип разпад. Бета лъчите имат по-голяма проникваща способност и за разлика от алфа-лъчите представляват опасност и при външно облъчване. При (β-) разпад се осъществява ядрен процес на превръщане на ядрен неутрон в протон, който остава в ядрото и повишава поредния номер с единица (в пространството се излъчват електрон и антинеутрино). При (β+) се извършва аналогичен процес: ядрен протон се превръща в неутрон (поредния номер се понижава с едно) и ядрото излъчва позитрон и неутрино. Позитроните анихилират мигновено след излъчването си, което е причина за съпътстващо гама-лъчение.

Гама-лъчение[редактиране | edit source]

Гама лъчите са поток от високоенергийни електромагнитни вълни с много малка дължина на вълната (намират се най-ляво в спектъра). Поради това, че не притежават маса, проникващата им способност е по-голяма спрямо алфа и бета лъченията. Това ги прави изключително опасни както при вътрешно, така и при външно облъчване. На практика могат да изминат стотици метри във въздуха. Сравнително добра защитна роля от гама лъчения могат да окажат екраниращи материали от тежки метали (предимно олово) в съчетание с дебели бетонни прегради. ....

Характеристики на радионуклеидите[редактиране | edit source]

  • Период на полуразпад —t1/2 — времето, за което се разпада половината от изходното количество радиоактивно вещество, с други думи, радиоактивността намалява наполовина.
  • Средно време на живот —τ — средното време на живот на радиоактивна частица.
  • Константа на разпад —λ — реципрочната стойност на средно време на живот - статистическата вероятност за протичане на разпад.

Променливи:

  • Активност A — брой разпаднали се ядра за единица време, Bq.
  • Брой ядра — N — общият брой ядра в зададено време.
  • Специфична активност — As — повърхностна, масова или обемна: активността съпоставена към единица повърхност, маса или обем.

Връзката между тези величини се дава с:

 t_{1/2} = \frac{\ln(2)}{\lambda} = \tau \ln(2)
 A =  - \frac{dN}{dt} =  \lambda N

Активността е количествена характеристика за определена проба от даден материал. Тя няма абсолютна стойност, както константата на разпад и периода на полуразпад.

Приложения[редактиране | edit source]

Източници на радиоактивност се използват за диагностика, терапия и обработка на материали

Мерки за безопасност при работа[редактиране | edit source]

Работата с радиоактивни вещества може да бъде и безопасна, ако са взети необходимите предохранителни мерки. При работа с радиоактивни източници погълнатата доза е правопропорционална на времето на облъчване и обратно пропорционална на квадрата от разстоянието до източника. Това налага следните предпазни мерки:

  • Да се работи с минимално количество радиоактивни изотопи, най-малко токсични, като се работи по възможност на максимално разстояние и се намали до минимум времето на престоя близо до тях
  • Да се използва необходимата защита между източника и работника
  • Да се провежда необходимия дозиметричен контрол на помещението, въздуха, водата и работниците
  • Всички работи с открити радиоактивни изотопи да се провеждат в защитени места
  • В случай на разливане на радиоактивен разтвор да се вземат веднага необходимите мерки, за да не се замърси въздухът от изпаренията на разтвора, да не се замърсява водата, да се ограничи по-нататъшното разпространение по околната повърхност

Защита от лъчения[редактиране | edit source]

За предпазване на хората от вредното действие на лъченията в близост до ядрени съоръжения и други източници се прилага екраниране, т.е. между източника на лъчението и хората се поставя преграда (екран). Екранът е от подходящ материал, който поглъща лъчението и зад екрана то отслабва до допустимото равнище. Материалът и неговата дебелина се избират според вида на лъчението.

Алфа-частици[редактиране | edit source]

Като се има предвид, че алфа-частиците губят бързо своята енергия, в резултат на което тяхната проникваща способност е малка, то за защита от тях се взема какъв да е твърд или течен материал с дебелина, не по-малка от 1 mm . Тънко органическо стъкло, пласт от каучук, дебела хартия или картон поглъщат изцяло алфа-частиците. Основен момент за безопасността при боравенето с тях е недопускането да навлязат в организма, чрез вдишване или храна съдържащи алфа-активни източници.

Бета-частици[редактиране | edit source]

Проникващата способност на бета-частиците е много по-голяма и отслабването на потока зависи от атомния номер на поглъщащото вещество, но за атомен номер на “поглъщателя” до 30 отслабването е приблизително еднакво.Бета-частиците са опасни именно защото могат да йонизират кръвта на човек. Подходящи материали за поглъщане на бета-частици са стъкло, алуминий, каучук и др. Например органическото стъкло с дебелина 25 mm поглъща всички бета-частици с енергия до 4 MeV.

Гама-лъчение[редактиране | edit source]

Отслабването на гама-лъчението при преминаване през различни материали става в резултат на неговото взаимодействие с веществото. Понеже взаимодействието с веществото расте с увеличаване на атомния номер, най-подходящи материали за защита са олово, стомана и бетон. Обаче за фотони с енергия 0,5-0,75 MeV плътността на материала е от по-съществено значение, отколкото атомния номер.