Радиоактивность и радиация

Ядерные технологии стали возможны после открытия явления радиоактивности, овладения ядерными реакциями, изучения свойств радионуклидов и испускаемых ими ионизирующих излучений, элементарных частиц (в первую очередь — нейтрона).

В данной главе приведена некоторая информации по радиоактивности и радиации, необходимая для понимания физических процессов, на которых основаны методы ядерной технологии.

Явление радиоактивности

Начнём с некоторых определений.

Атомное ядро — положительно заряженная центральная часть атома, в которой сосредоточена практически вся масса атома. Состоит из протонов и нейтронов (нуклонов). Число протонов определяет электрический заряд атомного ядра и порядковый номер Z атома в периодической системе элементов. Число нейтронов равно разности массового числа и числа протонов. Объём атомного ядра пропорционален числу нуклонов в ядре.

Зарядовое число атомного ядра, Z (атомный номер, порядковый номер химического элемента) — количество протонов в атомном ядре Массовое число атомного ядра, А — суммарное количество протонов и нейтронов (называемых общим термином «нуклоны») в ядре. Массовое число близко к атомной массе изотопа, выраженной в атомных единицах массы, но совпадает с ней только для ¹²С, т.к. атомная единица массы (а. е. м.) определяется сейчас как /₂ массы атома ^{, 2}С. В остальных случаях атомная масса не является целым числом, в отличие от массового числа.

Атомная масса, относительная атомная масса — значение массы атома, выраженное в атомных единицах массы. В настоящее время атомная единица массы принята равной 1/12 массы нейтрального атома наиболее распространённого изотопа углерода ^{, 2}С, поэтому атомная масса этого изотопа по определению равна точно 12. Разность между атомной массой изотопа и его массовым числом называется избытком массы (обычно его выражают в МэВ). Он может быть как положительным, так и отрицательным; причина его возникновения — нелинейная зависимость энергии связи ядер от числа протонов и нейтронов, а также различие в массах протона и нейтрона.

Фотон — элементарная частица, квант электромагнитного излучения. Это безмассовая частица, способная существовать, только двигаясь со скоростью света. Электрический заряд фотона равен нулю. Фотон может находиться только в двух спиновых состояниях с проекцией спина на направление движения ±1. Фотону, как и другим элементарным частицам, свойственен корпускулярноволновой дуализм, он проявляет одновременно свойства частицы и волны. Электрон — стабильная отрицательно заряженная частица со спином ½, с массой около gio²⁸ г и магнитным моментом равным магнетону Вора. Позитрон — античастица электрона. Относится к антивеществу, имеет электрический заряд +1, спин ½, лептонный заряд -1 и массу, равную массе электрона. При аннигиляции позитрона с электроном их масса превращается в энергию в форме двух (и гораздо реже — трёх и более) гамлю-квантов.

Нуклон — общее название протона и нейтрона, являющихся составными частями атомных ядер.

Протон — стабильная элементарная частица с зарядом ⁺е, со спином ½, магнитным моментом р=2,удрв и массой 1838,5 электронных масс (ю²⁴ г). Положителъный заряд протона равен элементарному заряду е=1,6 021 773 ^{10, 9} Ел, масса протона равна т_Р=1,6 726 231-ш²? кг=1,726 470 а.е.м.=9з8,27 231 МэВ. Масса легкого изотопа атома водорода (протия). m_Um (iH^l)=i, 814 а.е.м.=9з8,7 МэВ=1837т_е, т_Р=1,759 а.е.м.=9з8,7 МэВ=1839т

Нейтрон — электрически нейтральная элементарная частица со спином V2, магнитным моментом р=-1,91рв и массой, превышающей массу протона на 2,5 электронных масс. М" = 1,8 986 а.е.м. = 939,5 МэВ = 1838,5 т,>. В свободном состоянии нейтрон нестабилен: он распадается с периодом полураспада T=io, i8 мин (время жизни нейтрона t=88i.5±i.5 с), образуя протон и испуская электрон и антинейтрино, v ((Г-распад). Вместе с протонами нейтроны образуют атомные ядра; в ядрах нейтрон стабилен.

Нейтрино (у) — стабильная незаряжеююя элементарная частица со спином ½ и нулевой массой покоя. Чрезвычайно слабо взаимодействуют с веществом. Изотопы — нуклиды с одинаковым числом протонов, но различным количеством нейтронов (Z=const). Все изотопы принадлежат одному и тому же химическому элементу.

Изобары — разновидноспт атомов или атомных ядер (нуклидов), отличающиеся числом протонов, т. е. зарядом ядра (порядковым номером элемента в таблице Менделеева), при одинаковом массовом числе.

Изотоны — атомы различных химических элементов с одинаковым числом нейтронов в ядрах.

Изомер — нуклид в возбужденном ядерном состоянии, с измеримой продолжительностью жизни (>ю ⁹ с). Изомерные нуклиды различаются не числом протонов или числом нейтронов, а энергией связи ядра. Чдерные изомеры находятся в различных энергетических состояниях, причём каждое состояние ядра имеет определенное измеримое время жизни. Состояние нуклида с минимальным значением энергии является основным состоянием. Высокоэнергетическое состояние называется «возбужденным состоянием».

Энергия связи — разность между энергией связанной системы частиц и суммарной энергией этих частиц в свободном состоянии. Для устойчивых систем энергия связи отрицательна и тем больше, чем прочнее система.

Дефект массы — разность Ат между массой М системы взаимодействующих тел (частиц) и суммой их масс ?т в свободном состоянии и определяется полной энергией их взаимодействия, т. е. энергией их связи Ес_в: Ат=Е_Со/с². Дефект массы позволяет определить величину энергии, выделяющейся в ядерныхреакциях. Ядерные силы — силы, связывающие нуклоны (протоны и нейтроны) в ядре, одно из проявлений сильных взаимодействий. Они являются короткодействующими, радиус их действия порядка ю^т12+10^т1з см, не зависят от заряда нуклонов. Радиоактивность — самопроизвольное (спонтанное) превращение неустойчивого изотопа одного химического элемента в изотоп другого элемента, сопровождающееся испусканием элементарных частиц, ядер и жёсткого электромагнитного излучения.

Масса частицы, ш, связана с ее полной энергией, Е, соотношением Эйнштейна

где с — скорость света.

Одна атомная единица массы, 1 а.е.м.=931 МэВ.

Масса покоя ядра меньше суммы масс составляющих его нуклонов, т.к. при объединении нуклонов в ядро выделяется энергия образования ядра. Эта энергия численно равна энергии связи ядра Е_св, которая измеряется минимальной работой, необходимой для того, чтобы полностью расщепить ядро на составляющие его нуклоны. Энергия ядра меньше энергии системы невзаимодействующих нуклонов на величину, равную Е_сь. Согласно соотношению Эйнштейна, уменьшений энергии тела на АЕ сопровождается эквивалентным уменьшением массы тела на Ат=АЕс², где.

Энергию связи, приходящуюся на один нуклон, называют удельной энергией связи

Спонтанный распад ядра возможен в том случае, если масса продуктов распада меньше массы первичной частицы. Разность масс первичной частицы и продуктов распада распределяется среди продуктов распада в виде их кинетических энергий.

Рис. 1. Зависимость энергии связи нуклона от числа нуклонов в ядре.

Зависимость удельной энергии связи от массового числа А приведена на рис. 1. Удельная энергия связи для лёгких ядер (А< 12) быстро возрастает с.

1.1 МэВ для до ~6 МэВ, претерпевая при этом ряд скачков, затем наблюдается более медленный рост до максимального значения 8.8 МэВ при А=56 (железо). С дальнейшим ростом массового числа А удельная энергия связи плавно уменьшается, для убрана она составляет 7.5 МэВ. Наиболее устойчивыми являются ядра средней части периодической таблицы элементов. Тяжёлые и лёгкие ядра менее устойчивы. Энергетически выгодны два процесса: 1) деление тяжёлых ядер на несколько более легких; 2) слияние (синтез) легких ядер в одно более тяжёлое. Оба процесса сопровождаются выделением большого количества энергии. Так деление одного ядра с А-240 (Е_уд=7.5 МэВ) на два ядра с А=120 (Е_уд=8.5 МэВ) приводит к высвобождению энергии в 240 МэВ. Слияние двух ядер тяжёлого водорода в ядро гелия приводит к выделению энергии, равной 24 МэВ.

Как известно, почти все элементы с числом протонов Z<83 имеют хотя бы один стабильный изотоп. Обычно наибольшее число изотопов наблюдается у элементов с чётными значениями Z, тем более — с магическими числами.

Магические числа — ряд натуральных чётных чисел, соответствующих количеству нуклонов в атомном ядре, при котором становится полностью заполненной какая-либо его оболочка. Известно 7 таких чисел: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 (последнее число — только для нейтронов). Атомные ядра, содержащие магическое число протонов и/или нейтронов, отличаются большей энергией связи, а потому и большей стабильностью, чем их близкие соседи в таблице нуклидов. Особой стабильностью характеризуются дважды магические ядра, в которых количества и протонов, и нейтронов составляют магические числа. В природе

* Не «О ⁴⁰Са ^ШРЬ

существуют следующие дважды магические ядра: ² ' ⁸ ' ²⁰ ' ⁸². Ещё не

сколько короткоживущих дважды магических нуклидов получены искусственно: «Не, ²*0, ₂>/, ₂>/, '₅°>, f₀Sn.

У больших ядер нестабильность возникает вследствие конкуренции между притяжением нуклонов ядерными силами и кулоновским отталкиванием протонов. Не существует стабильных ядер с зарядовым числом Z>8з и массовым числом А>209. Но радиоактивными могут оказаться и ядра атомов с существенно меньшими значениями чисел Z и А.

Рис. 2. Z-N диаграмма известных нуклидов. Стабильные ядра представлены черными квадратами.

Для описания устойчивости изотопов в зависимости от числа протонов и нейтронов в ядре используют диаграмму Z-N (рис. 2). Наиболее стабильными являются ядра с близким числом нейтронов и протонов, т. к. в них осуществляется максимальное число (п-р)-взаимодействий. Чистые (п-п)-системы являются нестабильными (за исключением нейтронных звезд, где стабилизирующими силами являются гравитационные силы). Нестабильны и системы, состоящие из малого числа протонов и большого числа нейтронов, и наоборот.

Для стабильных ядер характерно вполне определенное значение N/Z, определяемое равновесием ядерных и кулоновских сил в ядре. Лёгкие стабильные ядра (Л<40) имеют приблизительно равные числа нейтронов и протонов. В области более тяжёлых ядер отношение числа нейтронов к числу протонов начинает возрастать и достигает величины 1,6 в районе ^=250. Для ядер с массой больше 40 (N=Z= 20) кулоновские силы сдвигают линию стабильности в сторону нейтроноизбыточных ядер (больших ДО. Кулоновские силы также ограничивают область существования тяжелых ядер, для которых короткодействующие ядерные силы не могут компенсировать кулоновские силы отталкивания, и тяжелые ядра с числом протонов Z>90 распадаются путем спонтанного деления с образованием двух более стабильных кусков — осколков деления. Этим же объясняется и то, что ядра тяжелее урана (Z>92) в природе пока не обнаружены.

Тяжелые ядра оказываются энергетически более устойчивыми, если содержат большее число нейтронов N по сравнению с числом протонов Z. С левой стороны от линии стабильности находятся ядра, перегруженные протонами (протоноизбыточные ядра), справа — ядра, перегруженные нейтронами (нейтроноизбыточные ядра). Пунктирная линия очерчивает об;

пяртк ипчмлиснлгл тирггипиания атпмнму «прг)_#.

Рис. 3. Нейтроннопротонная карта изотопов. Зачернёнными квадратами представлены ядра стабильные или долгоживущие. Ломаной

сплошной кривой представлена область известных ядер, испытывающих электронный распад ри р⁺-распады). Двумя сплошными линиями вблизи области а-распада показаны границы известных в настоящее время ядер. Внешние сплошные кривые ограничивают предполагаемую область стабильных ядер. За этими линиями начинается «море» нестабильности. Нижняя линия определяет нейтронную границу стабильности, верхняя — протонную. Штрихпунктирной линией ограничена ожидаемая область стабильности сверхтяжелых ядер.

Область расположения стабильных ядер обычно называют долиной стабильности. Для ядер долины стабильности характерно следующее отношение числа нейтронов к числу протонов:

где А= iv iz, — массовое число.

Уравнение радиоактивного распада (основной закон радиоактивного распада в дифференциальной форме) имеет вид:

где N — число атомов, не претерпевших распад к моменту времени t, X — некоторая константа, а — радиоактивность радионуклида, расп/с.

Параметр X [с¹] - константа радиоактивного распада (радиоактивная постоянная — равен вероятности распада каждого отдельного ядра за единицу времени. Константа X характеризует неустойчивость ядер радиоактивного изотопа.

Закон радиоактивного распада описывает убывание со временем среднего числа радиоактивных ядер:

Ь качестве меры устойчивости радиоактивного нуклида используют период полураспада T_t/₂, т. е. промежуток времени, в течение которого распадается половина данного количестварадиоактивного нуклида:

тогда

В течение времени т=г/Х активность уменьшается до величины, составляющей l/e от начального значения.

Единица активности в системе СИ — Беккерель (Бк, Bq). Внесистемная единица — Кюри (Ки). 1 Ки=з, 7-ю¹⁰ Бк; 1 Бк=1 расп/с; 1 Бк=2,7−10 ^п Ки.

Беккерель — единица активности радиоактивных изотопов в системе СИ, названа по имени А. Беккереля, обозначается 1 Бк и соответствует 1 распаду в секунду.