IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Радиоактивность. Закон радиоактивного распада

Почти 90 % из 2500 известных атомных ядер нестабильны. Нестабильное ядро самопроизвольно превращается в другие ядра с испусканием частиц. Это свойство ядер называется радиоактивностью. У больших ядер нестабильность возникает вследствие конкуренции между притяжением нуклонов ядерными силами и кулоновским отталкиванием протонов. Стабильных ядер с зарядовым числом Z > 83 и массовым числом A > 209 не существует. Но радиоактивными могут оказаться и ядра атомов с существенно меньшими значениями чисел Z и A. Если ядро содержит значительно больше протонов, чем нейтронов, то нестабильность обуславливается избытком энергии кулоновского взаимодействия. Ядра, которые содержат избыток нейтронов, оказываются нестабильными вследствие того, что масса нейтрона превышает массу протона. Увеличение массы ядра приводит к увеличению его энергии.

Явление радиоактивности было открыто в 1896 году французским физиком А. Беккерелем, который обнаружил, что соли урана испускают неизвестное излучение, способное проникать через непрозрачные для света преграды и вызывать почернение фотоэмульсии. Через два года французские физики М. и П. Кюри обнаружили радиоактивность тория и открыли два новых радиоактивных элемента – полоний и радий

В последующие годы исследованием природы радиоактивных излучений занимались многие физики, в том числе Э. Резерфорд и его ученики. Было выяснено, что радиоактивные ядра могут испускать частицы трех видов: положительно и отрицательно заряженные и нейтральные. Эти три вида излучений были названы α-, β- и γ-излучениями. В магнитном поле α- и β-лучи испытывают отклонения в противоположные стороны, причем β-лучи отклоняются значительно больше. γ-лучи в магнитном поле вообще не отклоняются.

Эти три вида радиоактивных излучений сильно отличаются друг от друга по способности ионизировать атомы вещества и, следовательно, по проникающей способности. Наименьшей проникающей способностью обладает α-излучение. В воздухе при нормальных условиях α-лучи проходят путь в несколько сантиметров. β-лучи гораздо меньше поглощаются веществом. Они способны пройти через слой алюминия толщиной в несколько миллиметров. Наибольшей проникающей способностью обладают γ-лучи, способные проходить через слой свинца толщиной 5–10 см.

Во втором десятилетии XX века, после открытия Э. Резерфордом ядерного строения атомов было твердо установлено, что радиоактивность – это свойство атомных ядер. Исследования показали, что α-лучи представляют поток α-частиц – ядер гелия , β-лучи – это поток электронов, γ-лучи представляют собой коротковолновое электромагнитное излучение с чрезвычайно малой длиной волны λ < 10^–10 м и вследствие этого – ярко выраженными корпускулярными свойствами, т. е. является потоком частиц – γ-квантов.

Альфа-распад. Альфа-распадом называется самопроизвольное превращение атомного ядра с числом протонов Z и нейтронов N в другое (дочернее) ядро, содержащее число протонов Z – 2 и нейтронов N – 2. При этом испускается α-частица – ядро атома гелия . Примером такого процесса может служить α-распад радия:

Альфа-частицы, испускаемые ядрами атомов радия, использовались Резерфордом в опытах по рассеянию на ядрах тяжелых элементов. Скорость α-частиц, испускаемых при α-распаде ядер радия, измеренная по кривизне траектории в магнитном поле, приблизительно равна 1,5·10⁷ м/с, а соответствующая кинетическая энергия около 7,5·10^–13 Дж (приблизительно 4,8 МэВ). Эта величина легко может быть определена по известным значениям масс материнского и дочернего ядер и ядра гелия. Хотя скорость вылетающей α-частицы огромна, но она все же составляет только 5 % от скорости света, поэтому при расчете можно пользоваться нерелятивистским выражением для кинетической энергии.

Исследования показали, что радиоактивное вещество может испускать α-частицы с несколькими дискретными значениями энергий. Это объясняется тем, что ядра могут находиться, подобно атомам, в разных возбужденных состояниях. В одном из таких возбужденных состояний может оказаться дочернее ядро при α-распаде. При последующем переходе этого ядра в основное состояние испускается γ-квант. Схема α-распада радия с испусканием α-частиц с двумя значениями кинетических энергий приведена на рис. 6.7.2.

Рисунок 6.7.2. Энергетическая диаграмма α-распада ядер радия. Указано возбужденное состояние ядра радона Переход из возбужденного состояния ядра радона в основное сопровождается излучением γ-кванта с энергией 0,186 МэВ

Таким образом, α-распад ядер во многих случаях сопровождается γ-излучением.

В теории α-распада предполагается, что внутри ядер могут образовываться группы, состоящие из двух протонов и двух нейтронов, т. е. α-частица. Материнское ядро является для α-частиц потенциальной ямой, которая ограничена потенциальным барьером. Энергия α-частицы в ядре недостаточна для преодоления этого барьера (рис. 6.7.3). Вылет α-частицы из ядра оказывается возможным только благодаря квантово-механическому явлению, которое называется туннельным эффектом. Согласно квантовой механике, существуют отличная от нуля вероятность прохождения частицы под потенциальным барьером. Явление туннелирования имеет вероятностный характер.

Рисунок 6.7.3. Туннелирование α-частицы сквозь потенциальный барьер

Бета-распад. При бета-распаде из ядра вылетает электрон. Внутри ядер электроны существовать не могут (см. § 6.5), они возникают при β-распаде в результате превращения нейтрона в протон. Этот процесс может происходить не только внутри ядра, но и со свободными нейтронами. Среднее время жизни свободного нейтрона составляет около 15 минут. При распаде нейтрон превращается в протон и электрон

Измерения показали, что в этом процессе наблюдается кажущееся нарушение закона сохранения энергии, так как суммарная энергия протона и электрона, возникающих при распаде нейтрона, меньше энергии нейтрона. В 1931 году В. Паули высказал предположение, что при распаде нейтрона выделяется еще одна частица с нулевыми значениями массы и заряда, которая уносит с собой часть энергии. Новая частица получила название нейтрино (маленький нейтрон). Из-за отсутствия у нейтрино заряда и массы эта частица очень слабо взаимодействует с атомами вещества, поэтому ее чрезвычайно трудно обнаружить в эксперименте. Ионизирующая способность нейтрино столь мала, что один акт ионизации в воздухе приходится приблизительно на 500 км пути. Эта частица была обнаружена лишь в 1953 г. В настоящее время известно, что существует несколько разновидностей нейтрино. В процессе распада нейтрона возникает частица, которая называется электронным антинейтрино. Она обозначается символом Поэтому реакция распада нейтрона записывается в виде

Аналогичный процесс происходит и внутри ядер при β-распаде. Электрон, образующийся в результате распада одного из ядерных нейтронов, немедленно выбрасывается из «родительского дома» (ядра) с огромной скоростью, которая может отличаться от скорости света лишь на доли процента. Так как распределение энергии, выделяющейся при β-распаде, между электроном, нейтрино и дочерним ядром носит случайный характер, β-электроны могут иметь различные скорости в широком интервале значений.

При β-распаде зарядовое число Z увеличивается на единицу, а массовое число A остается неизменным. Дочернее ядро оказывается ядром одного из изотопов элемента, порядковый номер которого в таблице Менделеева на единицу превышает порядковый номер исходного ядра. Типичным примером β-распада может служить превращение изотона тория возникающего при α-распаде урана в протактиний

Наряду с электронным β-распадом обнаружен так называемый позитронный β⁺-распад, при котором из ядра вылетают позитрон и нейтрино . Позитрон – это частица-двойник электрона, отличающаяся от него только знаком заряда. Существование позитрона было предсказано выдающимся физиком П. Дираком в 1928 г. Через несколько лет позитрон был обнаружен в составе космических лучей. Позитроны возникают в результате реакции превращения протона в нейтрон по следующей схеме:

Гамма-распад. В отличие от α- и β-радиоактивности, γ-радиоактивность ядер не связана с изменением внутренней структуры ядра и не сопровождается изменением зарядового или массового чисел. Как при α-, так и при β-распаде дочернее ядро может оказаться в некотором возбужденном состоянии и иметь избыток энергии. Переход ядра из возбужденного состояния в основное сопровождается испусканием одного или нескольких γ-квантов, энергия которых может достигать нескольких МэВ.

Закон радиоактивного распада. В любом образце радиоактивного вещества содержится огромное число радиоактивных атомов. Так как радиоактивный распад имеет случайный характер и не зависит от внешних условий, то закон убывания количества N (t) нераспавшихся к данному моменту времени t ядер может служить важной статистической характеристикой процесса радиоактивного распада.

Пусть за малый промежуток времени Δt количество нераспавшихся ядер N (t) изменилось на ΔN < 0. Так как вероятность распада каждого ядра неизменна во времени, что число распадов будет пропорционально количеству ядер N (t) и промежутку времени Δt:

ΔN = –λN (t) Δt.

Коэффициент пропорциональности λ – это вероятность распада ядра за время Δt = 1 с. Эта формула означает, что скорость изменения функции N (t) прямо пропорциональна самой функции.

Подобная зависимость возникает во многих физических задачах (например, при разряде конденсатора через резистор). Решение этого уравнения приводит к экспоненциальному закону:

N (t) = N0 e–λt,

где N₀ – начальное число радиоактивных ядер при t = 0. За время τ = 1 / λ количество нераспавшихся ядер уменьшится в e ≈ 2,7 раза. Величину τ называют средним временем жизни радиоактивного ядра.

Для практического использования закон радиоактивного распада удобно записать в другом виде, используя в качестве основания число 2, а не e:

N (t) = N0 · 2–t/T.

Величина T называется периодом полураспада. За время T распадается половина первоначального количества радиоактивных ядер. Величины T и τ связаны соотношением

Рис. 6.7.4 иллюстрирует закон радиоактивного распада.

Рисунок 6.7.4. Закон радиоактивного распада

Период полураспада – основная величина, характеризующая скорость процесса. Чем меньше период полураспада, тем интенсивнее протекает распад. Так, для урана T ≈ 4,5 млрд лет, а для радия T ≈ 1600 лет. Поэтому активность радия значительно выше, чем урана. Существуют радиоактивные элементы с периодом полураспада в доли секунды.

При α- и β-радиоактивном распаде дочернее ядро также может оказаться нестабильным. Поэтому возможны серии последовательных радиоактивных распадов, которые заканчиваются образованием стабильных ядер. В природе существует несколько таких серий. Наиболее длинной является серия состоящая из 14 последовательных распадов (8 α-распадов и 6 β-распадов). Эта серия заканчивается стабильным изотопом свинца (рис. 6.7.5).

Рисунок 6.7.5. Схема распада радиоактивной серии Указаны периоды полураспада

В природе существуют еще несколько радиоактивных серий, аналогичных серии . Известна также серия, которая начинается с нептуния не обнаруженного в естественных условиях, и заканчивается на висмуте Эта серия радиоактивных распадов возникает в ядерных реакторах.

Интересным применением радиоактивности является метод датирования археологических и геологических находок по концентрации радиоактивных изотопов. Наиболее часто используется радиоуглеродный метод датирования. Нестабильный изотоп углерода возникает в атмосфере вследствие ядерных реакций, вызываемых космическими лучами. Небольшой процент этого изотопа содержится в воздухе наряду с обычным стабильным изотопом Растения и другие организмы потребляют углерод из воздуха, и в них накапливаются оба изотопа в той же пропорции, как и в воздухе. После гибели растений они перестают потреблять углерод и нестабильный изотоп в результате β-распада постепенно превращается в азот с периодом полураспада 5730 лет. Путем точного измерения относительной концентрации радиоактивного углерода в останках древних организмов можно определить время их гибели.

Радиоактивное излучение всех видов (альфа, бета, гамма, нейтроны), а также электромагнитная радиация (рентгеновское излучение) оказывают очень сильное биологическое воздействие на живые организмы, которое заключается в процессах возбуждения и ионизации атомов и молекул, входящих в состав живых клеток. Под действием ионизирующей радиации разрушаются сложные молекулы и клеточные структуры, что приводит к лучевому поражению организма. Поэтому при работе с любым источником радиации необходимо принимать все меры радиационной защиты людей, которые могут попасть в зону действия излучения.

Однако человек может подвергаться действию ионизирующей радиации и в бытовых условиях. Серьезную опасность для здоровья человека может представлять инертный, бесцветный, радиоактивный газ радон Как видно из схемы, изображенной на рис. 6.7.5, радон является продуктом α-распада радия и имеет период полураспада T = 3,82 сут. Радий в небольших количествах содержится в почве, в камнях, в различных строительных конструкциях. Несмотря на сравнительно небольшое время жизни, концентрация радона непрерывно восполняется за счет новых распадов ядер радия, поэтому радон может накапливаться в закрытых помещениях.

Взаимодействие α-частиц с веществом

При взаимодействии α-частиц с веществом их энергия расходуется на возбуждение и ионизацию атомов среды. Эти процессы происходят в результате неупругих столкновений частиц с орбитальными электронами атомов. В отдельных (довольно редких) случаях α-частица может проникать в ядро, вызывая ядерную реакцию (α, n). Длина пробега α-частиц в веществе зависит от их начальной энергии, а также от порядкового номера, атомной массы и плотности материала. При расчетах длина пробега α-частиц определяется из экспериментальных формул.

Длина пробега α-частиц в других средах может быть определена по формуле Брэгга и Глессена:

где Е - энергия α-частиц, МэВ; А - атомная масса, г; Z - порядковый номер; ρ - плотность поглощающего вещества, г/см3.

Обладая относительно большой массой и зарядом, α-частицы имеют незначительную проникающую способность. Так, для α-частиц с энергией 4 МэВ длина пробега в воздухе составляет 2,5 см, в биологической ткани - 31 мкм, в алюминии - 16 мкм. Вместе с тем для α-частиц характерны высокие показатели линейной передачи энергии.

Взаимодействие β-частиц с веществом

При прохождении β-частиц через вещество возможны упругие и неупругие взаимодействия с атомами поглощающей среды. Упругие взаимодействия заключаются в том, что сумма кинетических энергий взаимодействующих частиц после взаимодействия остается неизменной. При неупругом взаимодействии часть энергии взаимодействующих частиц передается образовавшимся свободным частицам или квантам (неупругое рассеяние, ионизация и возбуждение атомов, возбуждение ядер, тормозное излучение). Линейная передача энергии β-частиц при их взаимодействии с веществом пропорциональна плотности атомов в 1 см3 вещества n, порядковому номеру вещества Z и коэффициенту В - линейной функции 1ηΕβ, т.е.:

При проникновении заряженной частицы в кулоновское поле ядра атома скорость ее меняется как по величине, так и по направлению. Ускорение частицы с зарядом zE и массой m в поле ядра с зарядом ZE пропорционально zZE, а энергия тормозного излучения, определяемая квадратом ускорения, будет пропорциональна z2Z2E2/m2. Следовательно, энергия тормозного излучения тем больше, чем больше порядковый номер тормозящего вещества и чем меньше масса бомбардирующей частицы. Для относительно малых энергий β-частиц ионизационные потери невелики. Так, при энергии β-частиц или электронов около 1 МэВ ионизационные потери составляют примерно 95%, потери энергии на упругое соударение - 5%, потери на тормозное излучение ничтожны. Для свинца потери энергии на ионизацию и тормозное излучение

становятся равными при Εβ - 6,9 МэВ. Для алюминия даже при Εβ - 10 МэВ потеря энергии на излучение составляет около 10% потерь энергии на столкновение с ядрами. Для определения пробега β-частиц в различных средах используется эмпирическая формула.

Удельная плотность ионизации, создаваемая β-частицами, примерно в 1000 раз меньше, чем для α-частиц той же энергии. Для β-частиц с энергией 4 МэВ длина пробега в воздухе составляет 17,8 м, в воде - 2,6 см, в алюминии - 9,8 мм.

При расчете защиты от β-излучения малых энергий, для которых ионизационные потери несущественны, необходимо, чтобы толщина защитного экрана была равна или больше максимального пробега частицы в данном материале. При этом следует использовать материалы с малым Z. При высоких энергиях β-частиц часто необходимо осуществлять защиту от тормозного рентгеновского излучения.

Взаимодействие рентгеновского и γ-излучений с веществом

При прохождении через различные среды пучка рентгеновского или γ-излучения в результате взаимодействия квантов с веществом отмечается уменьшение его интенсивности. Взаимодействие же квантов излучения при этом характеризуется тем, что каждый фотон выбывает из пучка в результате одиночного акта. .

Изменение интенсивности излучения в отдельных случаях выражают не через коэффициент ослабления, а через слой половинного ослабления. Слоем половинного ослабления называется такая толщина поглощающей среды, при прохождении которой интенсивность излучения уменьшается в 2 раза. Этот показатель можно рассчитать по следующему соотношению:

В области энергии квантов от 60 кэВ до 50 МэВ имеют место главным образом следующие процессы их взаимодействия с веществом:

• фотоэлектрический эффект, при котором фотон передает всю свою энергию связанному электрону, причем часть энергии расходуется на преодоление связи электрона с атомом, а остальная превращается в кинетическую энергию электрона; этот эффект преобладает при энергиях 1-500 кэВ и уменьшается с увеличением Е;

• рассеяние атомными электронами, в результате которого фотон отклоняется от своего первоначального направления с потерей или без потери энергии; при энергиях, значительно превышающих энергию связи электронов, фотоны рассеиваются так, как если бы электроны были свободны и покоились; в этом случае имеет место эффект Комптона; в области около 1 МэВ он является преобладающим видом взаимодействия;

• образование пар, при котором фотон в поле ядра атома или электрона исчезает и рождается пара электрон-позитрон, полная кинетическая энергия которой равна энергии фотона, уменьшенной на энергию покоя двух появившихся частиц; этот процесс наблюдается при энергии более 1 МэВ и становится преобладающим видом взаимодействия при возрастании энергии.

Указанные три процесса могут происходить независимо друг от друга, поэтому полный коэффициент ослабления μ можно разбить на три части: τ - для фотоэлектрического эффекта, δ - для рассеяния и κ - для образования пар; коэффициент ослабления равен сумме указанных коэффициентов:

На рис. 2 представлены кривые, показывающие изменения τ, δ, κ и μ в зависимости от энергии γ-излучения для вещества с малым Z (А1) и большим Z (РЬ). На рисунке видно, что при небольших энергиях преобладает фотоэлектрическое поглощение, а при больших энергиях ослабление полностью определяется образованием пар. Однако относительное значение каждого из указанных видов взаимодействия меняется в зависимости от атомного номера поглощающего вещества. Для Al (Z = 13) в интервале между 0,3 и 3 МэВ ослабление почти полностью связано с комптоновским рассеянием, а для РЬ (Z = 82) в интервале от 3 до 5 МэВ все три главных процесса играют существенную роль.

По формуле dI = - μΤ-dx можно определять только интенсивность первичного излучения. Однако пренебречь квантами, испытавшими одно- и многократное рассеяние, можно лишь при коллимации пучка излучения, т.е. в случае «узкого пучка». Если в пучке квантов роль рассеянного излучения велика, такой пучок будет называться «широким пучком». Для этого случая интенсивность излучения параллельного пучка за защитой определяется по формуле:

где I0 - интенсивность излучения в той же точке без защиты; Вэ (hv, Z, μχ) - энергетический фактор накопления, который зависит от энергии квантов, порядкового номера поглощающего вещества и величины свободного пробега.

Численные значения энергетических факторов накопления, а также кратность ослабления различных по толщине материалов с учетом этого показателя, которые используются при расчете защиты, можно найти в ряде справочников по защите от ионизирующих излучений.

Рентгеновское и γ-излучения обладают высокой проникающей способностью, и длина пробега их в воздухе достигает сотен метров.

Рис. 2. Изменение τ, δ, κ и μ в зависимости от энергии γ-излучения для вещества с малым Z (а - алюминий) и большим Z (б - свинец)

Механизм радиолиза воды (общая схема окислительного стресса):

1. При воздействии ионизирующего излучения в воде идут процессы Ионизации или Возбуждения.

а) ионизация — из молекулы воды выбивается электрон и образуется положительно заряженная молекула воды:

б) возбуждение — если энергии для ионизации недостаточно, образуется возбужденная молекула воды:

2. Освободившийся при ионизации молекулы воды электрон [1] постепенно теряет свою энергию и может быть захвачен другой молекулой воды, которая превращается в отрицательно заряженную молекулу воды:

3. Все перечисленные первичные продукты взаимодействия молекулы воды с излучением (H2O+,H2O-,H2O*) являются нестабильными и могут распадаться с образованием ионов и свободных радикалов:

4. Выбитый электрон может окружить себя четырьмя молекулами воды и превратиться в гидратированный электрон E—Aq, а затем может быть захвачен молекулой H2O+ С образованием возбужденной молекулы воды:

Возбуждённая молекула воды распадается на атомарный водород H· и гидроксильный радикал OH·, которые далее могут реагировать друг с другом. Это, в первую очередь, касается радикалов H· И OH·, Образующихся при распаде H2O*, после реакции [2]:

5. Образовавшиеся радикалы могут:

а) вступать в реакцию с другими молекулами воды:

Б) вырывать атом водорода из органических молекул, превращая их в радикалы:

В) реагировать с молекулами растворенного кислорода с образованием перекисных радикалов, обладающих высокой реакционной способностью.

В целом для продуктов радиолиза воды наиболее характерны реакции окисления или восстановления субстрата, образования радиотоксинов. Образование радиотоксинов происходит в результате реакции с хиноном и убихиноном.

Действие ионизирующих излучений на белки.

До 20% поглощенной энергии связано с повреждением белков.

Механизм повреждения белков:

А) При прямом действии ионизирующих излучений: из молекулы белка выбивается электрон и образуется дефектный участок, который мигрирует по полипептидной цепи за счет переброски соседних электронов до тех пор, пока не достигнет участка с повышенными электрон-донорными свойствами. В этом месте в боковых цепях аминокислот возникают свободные радикалы.

Б) При косвенном действии ионизирующих излучений: образование свободных радикалов происходит при взаимодействии белковых молекул с продуктами радиолиза воды, что влечет за собой изменение структуры белка:

— разрыв водородных, гидрофобных, дисульфидных связей;

— модификация аминокислот в цепи;

— образование сшивок и агрегатов;

— нарушение вторичной и третичной структуры белка.

Такие нарушения в структуре белка приводят к нарушению его функций (ферментативной, гормональной, рецепторной и др.).

Действие ионизирующих излучений на липиды.

Под влиянием облучения происходит процесс Перекисного окисления липидов — образование свободных радикалов ненасыщенных жирных кислот, которые при взаимодействии с кислородом образуют перекисные радикалы, а они, в свою очередь, реагируют с нативными жирными кислотами.

Действие ионизирующих излучений на мембранные структуры клетки.

Так как Липиды — основа биомембран, то перекисное окисление повлечет за собой изменение их свойств. Клетка — система взаимосвязанных мембран и многие процессы клеточного метаболизма проходят именно на мембранах, поэтому при повреждении мембран в клетке нарушаются биохимические процессы и энергетический обмен (из-за повреждения митохондрий), происходит сдвиг ионного баланса клетки (выравнивание концентраций натрия и калия вследствие сдвига ионного баланса клетки).

Действие ионизирующего излучения на углеводы.

Углеводы в целом достаточно устойчивы к действию ионизирующего излучения: окислительный распад, укорочение цепи и отщепление альдегидов от простых сахаров наблюдаются при дозах порядка 1000 Гр. Из продукта распада углеводов — глицеринового альдегида — синтезируется Метилглиоксаль — вещество, ингибирующее синтез ДНК и белка, и подавляющее деление клеток. Чувствительна к облучению и гиалуроновая кислота, являющаяся составным элементом соединительной ткани: уже при дозе облучения около 10 Гр наблюдается значительное снижение ее вязкости, а при больших дозах – изменение структуры, связанное с отщеплением гексозамина и гексуроновых кислот.

Список литературы:

1. http://yamedik.org/?c=gigiena/gig_rad_il&p=5

2. http://www.physics.ru/courses/op25part2/content/chapter6/section/paragraph7/theory.html#.WIIw1PVOKyI

3. http://uchenie.net/9-radioliz-vody-obshhaya-sxema-okislitelnogo-stressa/

Код для цитирования: Скопировать