19910

Физическая природа и источники радиационной опасности для человека, объектов и природной среды

Лекция

Физика

PAGE 7 Тема 1 Физическая природа и источники радиационной опасности для человека объектов и природной среды Вопросы: 1. Общие сведения. 2. Изотопы и радионуклиды. Радиоактивность. 3. Виды радиоактивных излучений. 4. Единицы активности радионуклидо...

Русский

2013-08-13

81.5 KB

25 чел.

PAGE  7

Тема 1 Физическая природа и источники радиационной опасности для человека, объектов и природной среды

Вопросы:

1. Общие сведения.

2. Изотопы и радионуклиды. Радиоактивность.

3. Виды радиоактивных излучений.

4. Единицы активности радионуклидов.

1.1. Общие сведения

Одним из основных вопросов, представляющим научный практический интерес, является вопрос о действии радиации на человека и окружающую среду.

К  сожалению, достоверная научная информация по этому вопросу часто не доходит до населения, которое пользуется по этому поводу всевозможными слухами.

Радиация действительно смертельно опасна. При больших дозах оказывает серьезнейшие поражения тканей а при малых может вызвать рак и инициировать генетические дефекты, которые возможно появятся у детей и  внуков человека, подвергшегося облучению или у его более отдаленных потомков. Но для основной массы населения самые опасные источники радиации – это не те, о которых больше всего говорят. Наибольшую дозу человек получает от естественных источников радиации. Радиация, связанная с развитием атомной энергетики, составляет лишь малую долю радиации порождаемой деятельностью человека, значительно большие дозы мы получаем от других, вызываемых гораздо меньше нареканий, форм этой деятельности (например: применение рентгеновских лучей в медицине). Кроме того, такие формы повседневной деятельности, как сжигание угля и использование воздушного транспорта, в особенности же постоянное пребывание в хорошо герметезированных помещениях могут привести к значительному увеличению уровня облучения за счет естественной радиации. Резерв уменьшения радиационного облучения – уменьшение этой деятельности, а не огульная радиофобия.

  1.  Историческая справка

Рентгеновское излучение было открыто в 1895 году немецким ученым Вильямом Рентгеном.

В 1896г. французский ученый Анри Беккерель открыл излучение урана( положил в ящик стола фотопластинки и придавил их породой, содержащей уран, затем проявил.

В 1898г. польские ученые Мария Складовская-Кюри и ее муж Пьер Кюри установили, что уран после излучения превращается в другие элементы: полоний и радий («испускающий лучи»). Этими учеными и было введено понятие радиоактивности.

Радиоактивность – самопроизвольное превращение ядер изотопов одного химического элемента в другие, при этом происходит испускание определенных частиц или электромагнитного излучения. Иначе, это процесс самопроизвольного превращения одних радионуклидов в другие нуклиды, который сопровождается излучением.

В 1911г. – Э.Резерфорд установил строение атома ( «атамос» - по гр. неделимый). До XIX века атом считался неделимым. Однако, строение атома подобно строению солнечной системы: вокруг ядра, состоящего из протонов и нейтронов движутся электроны. Резерфорд считал ядро неделимым, однако в последствии было установлено, что не только ядро состоит из протонов и нейтронов, но и они в свою очередь делятся на более мелкие частицы – кварки.

Общее название протонов и нейтронов – нуклоны. Ядро размещается в центре атома и в 100 000 раз меньше размеров самого атома, но ядра значительно больше общей плотности атома, поэтому ядраатома, хотя dядра=10-15м, а dатома=10-10м. Протоны и нейтроны относятся к разряду элементарных частиц, их основные характеристики: q, m, устойчивость. Mя и элементарных частиц измеряют в атомных единицах массы (а.е.м.). Принято, что 1а.е.м.= 1/12изотопаС12=1,66710-27кг. (ранее эталоном был О8).

Протоны – принадлежат к классу устойчивых стабильных частиц. Число протонов в ядре определяет к какому химическому элементу относится данный атом: Н - 1; О – 8; U92. В каждом атоме число электронов в точности равно числу протонов в ядре. Каждый электрон несет отрицательный заряд, равный по абсолютной величине заряду протона, так что в целом атом нейтрален.

Нейтроны – незаряженные частицы в свободном состоянии неустойчивы (существуют 11-16сек). В ядре делаются устойчивыми, число их может быть различно ( в отличии от протонов ядре). N=1,00897 а.е.м.  Р=1,00758 а.е.м. и в 1840 раз больше е (массы электрона).

Сумма всех протонов и нейтронов в ядре – это целое число и называется – массовое число.  Массовое число записывают слева вверху, а заряд ядра слева внизу Пример: 1122Na – это значит у натрия массовое число 22, а заряд 11, т.е. в нем 11 протонов и 11 нейтонов.

92238U – массовое число 238, заряд 92 92 протона и 146 нейтронов.

92235U – массовое число 235, заряд 92 92 протона и 235-92=143 нейтрона.

Ядерные протоны и нейтроны  мощно связаны один с одним ядерными силами притяжения, удерживающие нуклоны в ядрах. Энергия связи частиц в ядрах составляет несколько Мега Э-в. Установлено, что ядерные силы, действующие в парах ядерных частиц (протон-протон, протон-нейтрон, нейтрон-протон) -  равны и не зависят от заряда частиц. Характерная особенность ядерных сил заключается в том, что они достигают очень большой величины на малых удалениях от ядра (размер 910-15м). При увеличении расстояния ядерные силы резко уменьшаются. При этом, одноименно заряженные протоны отталкиваются, однако, в большинстве элементов силы притяжения больше сил отталкивания.

Однако, у тяжелых элементов, например торий-234 (90234Тh – 90 протонов, 144 нейтрона) - электростатические силы отталкивания больше сил притяжения. В этом случае начинаются процессы самопроизвольного распада ядер с менее устойчивого положения в более устойчивое: - это и есть радиоактивность.

Вокруг ядра по замкнутым орбитам движутся электроны, которые имеют отрицательный заряд. Возможные орбиты электронов объединяются в систему оболочек, каждая из которых удерживает определенное количество орбит:  1. К – 2 орбиты (2 электрона); 2. L – 8; 3.М – 18; N – 32 и т.д. (N=2n2, где n – номер уровня, Nчисло электронов).

Электроны внешней оболочки наименее связаны с ядром – их называют валентными. Размеры электронных оболочек определяются размерами атома. qвсех электронов=qядра , т.е. Nэл=Nпр, т.е. порядковый номер элемента обозначает количество электронов (или протонов). Электроны вращаются по круговым эллиптическим орбитам вокруг ядра.  

Итак: атом – это наимельчайшая частица химического элемента, которая сохраняет все его свойства.

1.2. Изотопы и радионуклиды. Радиоактивность

При всех химических реакциях происходит перестройка только электронных оболочек, причем внешних, на которых электроны наиболее слабо связаны с ядром. Само ядро не участвует в химических реакциях.

Изменение количества протонов в атомном ядре вызывает изменение химического состава элемента – т.е. образуется новый элемент с новым порядковым номером.

Атомы которые имеют ядра с одинаковым количеством протонов но с разным числом нейтронов (т.е. атомная единица разная а заряд один) являются разновидностями одного и того же элемента – изотопы.

Примеры: а)11Н –водород (протий); 12Н – тяжелый водород(дейтерий); 13Н – тритий (сверх. тяжелый).

б) кислород в атмосфере 816О (99,76%); 817О (0,04%);818О (0,2%).

Различают: 1)устойчивые (нерадиоактивные, стабильные); 2) неустойчивые (радиоактивные, нестабильные) изотопы. Вторые могут распадаться и превращаться в другие элементы.

Нуклид – это ядро атома с определенным количеством протонов и нейтронов, которые характеризуются массовым числом и порядковым атомным номером. Термин «нуклид» обычно используют в тех случаях. Когда рассматриваются атомы разных химических элементов (Ce-137, U-235, I-131)/ «Нуклиды» записываются двумя любыми параметрами из трех: A=Z+N (атомная масса= заряд ядра + число нейтронов) или Z=A-N (90234Th  - торий 90=234-144).

Для освобождения внутриядерной энергии необходимо создать такие реакции, при которых будет изменяться структура самих атомных ядер, т.е. образуются ядра новых химических элементов.

Под ядерной энергией требуется понимать внутреннюю энергию ядер, которая освобождается при ядерных реакциях.

Радионуклиды – это неустойчивые нуклиды, способные к самопроизвольным ядерным реакциям. Иначе радионуклид, это нуклид, обладающий радиоактивностью.

Радиоактивность – самопроизвольное преобразование радионуклидов в другие нуклиды, которое сопровождается ионизирующим излучением вместе с переносом энергии. Иначе радиация это ионизирующее излучение плюс перенос энергии.

Если поместить радиоактивное вещество в свинцовый контейнер с отверстием вверху, который находится между полюсами магнита, то положительно заряженные частицы (+) отклоняются на север (-) – протоны + нейтроны (-частицы ядра), а отрицательно заряженные на юг – электроны (- - частицы). Радиоактивному веществу обычно присущ только один вид излучения: Th-234 (), U-238(), U-234(), Th-230(), Pb-214(). Излучение неотклоняющееся в магнитном поле (нейтральное) - -излучение.

Одновременно -  , и бывают только если вместе находятся сразу несколько радиоактивных веществ.

По своей природе различают два вида радиоактивных излучений:

-волновое (квантовое) - (ЭМИ длинноволновое); рентгеновское излучение (ЭМИ коротковолновое).

- корпускулярное - ,-частицы.

Радиоактивное излучение бывает:

  •  естественное (солнечная радиация, космическое излучение – частично поглощается атмосферой);
  •  искусственное.

Виды излучений отличаются по: - проникающей способности; - ионизирующей способности.

Проникающая способность  излучения определяется по проникновению в массу (на глубину).

Ионизирующая способность излучения – обусловлена ионизацией атомов и молекул в результате взаимодействия частиц со средой  (ионизирующее излучение).

1.3.Виды радиоактивных излучений

1.3.1. - излучение

Возникает при самопроизвольной ядерной реакции. В результате этой реакции от атомного ядра отщепляется частица ядерного вещества, которая состоит из двух протонов и двух нейтронов – ядро Не (гелия). Это получается следующим образом, например, внутри атомного ядра с массовым числом 92 2 протона и 2 нейтрона за очень короткое время взаимодействия (10-21с) объединяются и образуют -частицу. Если энергии  -частицы хватает, чтобы преодолеть ядерные силы, то она вылетает из ядра – получается -излучение.

При -распаде исходное (материнское) ядро радионуклидов преобразуется в дочернее ядро новых элементов, атомный номер (заряд) которых меньше, чем в исходном элементе на 2 единицы, а массовое число на 4 единицы (это обычно элементы конца таблицы Менделеева): 88226Ra24He + 86222Rn.

Скорость вылета -частиц 10 000 – 25 000км/с, а длина пробега 3-7см (воздух), 0,05мм (в биотканях). Защита от них лист бумаги – 0,1мм. -частицы, вылетающие из ядер попадают в окружающее их вещество и их энергия идет  на ионизацию атомов этого вещества. При этом атомы возбуждаются, это значит электроны атома переходят с более близкой от ядра оболочки на более далекую атом превращается в положительно заряженный ион. Оторванный от атома электрон присоединяется к внешней оболочке другого атома – получается отрицательно заряженный ион.

Удельная ионизация – это количество пар ионов, которые возникают на 1см  пути пробега -частицы.

Длина пробегаэто расстояние, которое проходит частица от места образования, до места потери ею энергии (или глубина проникновения).

-частицы имеют большую ионизирующую способность. На пути пробега их в воздухе образуется 100-300тыс. пар ионов. Энергия -частиц радионуклидов составляет 3-9МэВ, а для образования 1 пары ионов требуется 30эВ  -частица с энергией 6МэВ на своем пути образует 200000пар ионов в воздухе.

1.3.2. - излучение

- Является потоком электронов -- или позитронов - + (похож на электрон, но со знаком «+» - возникает при позитронном распаде m+ =me).

При - распаде из ядра вылетает электрон или позитрон. Электроны и позитроны не входят в состав ядра, а образуются при распаде ядра.

Так при электронном - - распаде один из нейтронов ядра превращается в протон, электрон и нейтральную частицу (антинейтрино). Протон остается в ядре, а электрон и антинейтрино вылетают из него. При этом общая численность нуклонных частиц (массовое число) в новом ядре остается тоже, как и в исходном, а количество протонов, т.е. заряд и номер увеличивается на 1ед.

Примеры:  83209Vi(висмут)= 84209Po(полоний)+ -+(антинейтрино);

1532Р(фосфор)= 1632S(сера)+ -+ (антинейтрино) 01n11p+-10e+.

При позитронном +распаде один из ядерных протонов преобразуется в нейтрон, позитрон и нейтрино. Нейтрон остается в ядре, а позитрон и нейтрино вылетают из него, т.е. заряд уменьшается на 1 единицу.

Примеры: изотоп 1530Р(фосфор) = 1430Si(кремний) + + +(нейтрино); 11р→01n++10e+.

изотоп углерода 611С(углерод) = 511В(бор) + + +(нейтрино).

Длина пробега -частиц в воздухе достигает 1м и больше (до 20м), проникают в ткани организма на глубину 0,3-0,5см. v=100000-250000 (300000)км/с.

Защита: достаточно зимней одежды. Но есть опасность для глаз(хрусталик), поэтому необходимо для защиты применять очки с толщиной стекла 6мм. Однако, ионизирующая способность -частиц значительно меньше, чем : от 1000 до 5000пар ионов. -частицы относятся к классу легких ядерных частиц, масса их примерно в 7000раз массы -частиц.

1.3.3.Нейтронное излучение

 - Нейтроны вылетают из ядер в момент ядерных реакций, например при делении ядер U или Pu (плутония).  Нейтроны имеют наибольшую проникающую способность в вещество.

Длина пробега n-частицы несколько километров. Электронейтральные нейтроны при прохождении через вещество (через тело человека) взаимодействуют не с заряженными электронами, а с ядрами атомов вещества, передавая им энергию. Таким образом, образуются заряженные частицы, которые осуществляют ионизацию среды. Характерной особенностью нейтронного излучения является его его способность преобразовывать атмы устойчивых элементов в их радиоактивные изотопы – что увеличивает опасность нейтронного заражения.

Средства защиты: применяются массивные железобетонные стены и защитные экраны из кадмия и бора.

1.3.3.4 Электромагнитные излучения (ЭМИ - различаются по своему происхождению, энергии и длине волны).

К ЭМИ относятся: р.и., - излучение и тормозное излучение (возникает при прохождении через вещество сильно ускоренных заряженных частиц). Видимый свет и радиоволны – тоже ЭМИ, но они не ионизируют вещество, ибо характеризуются большой длиной волны (меньшей жесткостью). Энергия ЭМ-поля излучается не непрерывно, а отдельными порциями – квантами (фотонами). Поэтому ЭМИ – это поток квантов или фотонов.

1.3.3.4.1 - излучение

- Является потоком электромагнитных волн (ЭМВ) – квантов, которые излучаются в процессе радиоактивного распада при изменении энергетического состояния атомных ядер. Энергия - излучения находится в пределах от 10кэВ до 10МэВ. -лучи не имеют заряда в электрическом и магн. поле не откланяются. - излучение распространяется прямолинейно и равномерно во все стороны от источника со скоростью света в вакууме (300000км/с). Может вызвать излучение непосредственно или передавая энергию электронам. Энергетический спектр дискретен.  Длина пробега  - излучения более 100метров и в отличие от и -частиц проходит сквозь тело человека.

Защита: Бетонные стены толщиной 1,5-2м или перекрытия из свинца. Для ослабления - излучения в 2раза требуется: при его энергии 0,1МэВ – 0,12мм Рв, а при 2МэВ – 1,4ммРв.

1.3.3.4.2 Рентгеновское излучение (р.и.)

- это квантовые ЭМИ с  =10-9-10-12м. Излучение с >0,210-9м – условно называют «мягким» р.и. , а с <0,210-9м  - «жестким» р.и. Длина волны () – расстояние, на которое излучение распространяется за один период колебания. Р.И., как и всякое ЭМИ распространяется со скоростью света (300 000км/с). Энергия р.и. обычно не превышает 500кэВ.

1.4.Единицы активности радионуклидов

1.4.1.Активность радионуклидов (А)

- это количество их ядер, распадающихся в единицу времени А=N/t.

В системе СИ: 1Бк (беккерель) = 1расп/сек – это такая активность при которой за 1с. распадается 1 ядро.

Внесистемная единица: Ки (в честь Марии и Пьера Кюри). 1Ки=37млрд.расп./с (3,7∙1010 расп/с)= 37млрдБк.

Значению 1Ки примерно соответствует 1г чистого Ra (радия) в котором за 1с распадается 37 млрд. ядер или 3тонны U-238 или 0,08мг I-131.

1мКи= 0,001Ки. 1мкКи=0,000001Ки. 1нКи=10-9Ки.

При определении средства защиты: определяют не только активность (А), но и удельную активность (Аv=A/v -объемная – Ки/л, Ки/м3; Аs=A/s - поверхностная, линейная Ки/м2, Ки/км2; Аm=A/m – массовая Ки/кг).

1.4.2.Период полураспада (Т1/2)  Т1/2=ln2/=0,693//

- время за которое первоначальное количество атомов радиоактивного вещества уменьшается в 2 раза.

Примеры: Р-49 – 4,5с; I-131 – 8суток; Се-137 – 30 лет. U-238 – 4,5млрд.лет. Ra-226 – 1590 лет.

Для Се-137: 1Ки/км2 – соответствует 50 000млрд./м2; 5Ки/км2 – соответствует 253 000млрд./м2 .

Чем меньше период полураспада радиоактивного изотопа, тем больше его радиоактивность, т.е. тем больше атомных ядер будет распадаться за единицу времени.

1.4.3.Закон радиоактивного распада

- определяет соотношение времени и количества тех радиоактивных атомов, которые до этого времени еще не успели распасться (действует для всех радионуклидов). N(t)=N0e-t,

где - постоянная распада;  No - число нераспавшихся ядер в момент времени to;  Nt -число нераспавшихся ядер в момент времени t.

1.4.4.Природная радиоактивность

- это радиоактивность природных элементов (уран, торий, радий, полоний и др.) ядра всех элементов с порядковым номером более 92 радиоактивны.

Космическая радиоактивность.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

52167. Населення та політична карта Північної Америки. Українська діаспора 69.5 KB
  Міхелі фізична карта світу політична карта світу атласи таблиці картини про США та Канаду. Найбільші країни – це США Канада Мексика а також на крайньому півдні та островах Карибського моря багато дрібних за площею держав та залежних територій.197 Виписати країни та їх столиці учні виписують к стовпчик за зразком США Вашингтон Канада – Оттава...
52168. Геологічна будова та рельєф Північної Америки. Корисні копалини 50 KB
  Мета: сформувати нові поняття; дати знання про особливості будови земної кори Північної Америки та залежність рельєфу від геологічної будови материки; сформувати знання про вплив на рельєф материка ендогенних і екзогенних сил; закріпити знання про зв'язок між складом гірських порід і розміщенням родовищ...
52169. Геологічна будова та рельєф Північної Америки. Корисні копалини 310.5 KB
  Мета: сформувати нові поняття; дати знання про особливості будові земної кори Північної Америки та залежність рельєфу від геологічної будови материка; ; сформувати знання про впив на рельєф материка ендогенних та екзогенних сил; закріпити знання про зв`язок між складом гірських пород і розміщення родовищ корисних копалин; продовжувати формування навичок аналізу тематичних карт; розвивати увагу спостередливість творчі здібності. Обладнання: фізична карта Північної Америки атлас підручник. Географічне положення Північної Америки.
52170. Население и политическая карта Северной Америки 121.5 KB
  Цель: дать характеристику населения Северной Америки численность неравномерность размещения по территории расовый состав и политической карты материка. Прерии Северной Америки расположены: а в Кордильерах; б на Великих и Центральных равнинах; в на побережье Атлантического океана; г на севере материка. Какие факторы нарушают зональность природы материка а морские течения; б рельеф; в изрезанность береговой линии. Кем и в каком году была открыта Америка Колонизация материка изменила состав населения.
52171. Географічне положення Північної Америки. Історія відкриття та освоєння материка 31 KB
  Історія відкриття та освоєння материка. Практична робота №8 продовження Мета: cформувати в учнів знання про основні риси географічного положення материка удосконалювати роботу з картами; розвивати пізнавальний інтерес вміння працювати в колективі аналізувати робити висновки; виховувати культуру спілкування самостійність розширювати кругозір дітей щодо історії відкриття та освоєння материка. Колумба план вивчення материка відео...
52172. Нові індустріальні країни Латинської Америки 667.5 KB
  Мета: узагальнення і систематизація знань по темі: Латинська Америка методом формування географічного мислення і творчих здібностей шляхом розвитку умінь самостійно працювати з географічним матеріалом; вирішення проблеми відторгнутих в класному колективі підвищення їх соціального статусу методом зацікавленості особи в участі в ігрових видах діяльності; виховання пізнавального інтересу пошани до народів інших країн самостійності і цивільної...
52173. Природні зони Північної Америки. Висотна поясність 1.25 MB
  Мета уроку: сформувати в учнів систему знань про особливості природних комплексів Північної Америки рослинний та тваринний світ кожної з природних зон; закріпити навички учнів складати характеристики природних зон; розвивати вміння працювати з додатковою пізнавальною літературою; удосконалити вміння учнів працювати з картографічним матеріалом; виховувати в учнів зацікавленість до вивчення природи різних материків світу. Обладнання: карта природних зон світу фізична карта Північної Америки атласи підручники картини тварин та рослин...
52174. Південна Америка 1.28 MB
  Обладнання: фізична карта Південної Америки атласи підручники комп'ютерна презентація інтерактивна дошка або проектор. Отже вирушаємо до Південної Америки. Подорож до Амазонії Настав час нашої подорожі до Південної Америки найбільшого материка планети що лежить у східній півкулі яку Гумбольдт назвав Новий Світ. Вологі екваторіальні ліси Південної Америки називають: пампа; сельва; гілея; льянос.
52175. Amazing America 389.5 KB
  Knowing that the earth was round he decided to reach India by sailing to the west. It was very difficult for him to organize an expedition as nobody wanted to help him. At last the Spanish king gave him some money. In the 1492 he sailed with 3 small ships in to the Atlantic Ocean. They had been sailing for more than 2 months and at last they saw land.