ЛЕКЦИЯ №1. Физические основы. Строение вещества

К … Ахмедзянов В.Р.

РАДИОЭКОЛОГИЯ

По курсу

учебное пособие для студентов экологических специальностей

Москва

Издательство Российского университета дружбы народов

ББК … К …

Утверждено РИС Ученого совета Российского университета дружбы народов

Конспект лекций по курсу «Радиоэкология» / под ред. Касьяненко А.А. – М.: Изд-во РУДН, 2006. – 170 с.

ISBN …

Настоящее учебное пособие подготовлено на основе лекций, читаемых студентам экологического факультета РУДН.

Пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальностям 013100 – «Экология» и 013400 – «Природопользование», направлению 511100 – «Экология и природопользование» и другим.

ISBN … ББК …

© Ахмедзянов В.Р., Касьяненко А.А., 2006

© Издательство Российского университета дружбы народов, 2006

СОДЕРЖАНИЕ

ЛЕКЦИЯ №1. Физические основы. Строение вещества.. 5

ЛЕКЦИЯ №2. Виды радиоактивных распадов и излучений.. 11

ЛЕКЦИЯ №3. Активность радионуклидов.. 19

Основной закон радиоактивного распада. 19

Закон накопления радионуклидов. 22

ЛЕКЦИЯ №4. Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом 29

Взаимодействие альфа- и бета-излучения с веществом.. 30

Взаимодействие нейтронов с веществом.. 33

Взаимодействие гамма-излучения с веществом.. 35

ЛЕКЦИЯ №5. Дозы радиоактивного облучения.. 41

ЛЕКЦИЯ №6. Детекторы ионизирующих излучений.. 49

Ионизационные детекторы.. 51

Сцинтилляционные детекторы.. 55

Полупроводниковые детекторы.. 58

ЛЕКЦИЯ №7. Воздействие радиации на биологическую ткань.. 59

Теории прямого действия радиации. 59

Теории непрямого действия ионизирующих излучений. 63

Радиочувствительность животных. 67

ЛЕКЦИЯ №8. Воздействие радиации на организм человека. Лучевая болезнь 69

Острая лучевая болезнь. 71

Хроническая лучевая болезнь. 75

ЛЕКЦИЯ №9. Факторы облучения населения.. 77

Космическое излучение. 78

Естественно-радиоактивные элементы.. 79

Радон. 84

Техногенное воздействие. 91

ЛЕКЦИЯ №10. Расчет доз от внешнего ионизирующего излучения 100

Точечный источник. 100

Радиационное загрязнение местности (плоскостной источник) 103

ЛЕКЦИЯ №11. Расчет доз от внутреннего ионизирующего излучения 108

ЛЕКЦИЯ №12. Ядерная энергетика.. 115

ЛЕКЦИЯ №13. Радиоактивные отходы... 128

ЛЕКЦИЯ №14. Радиоэкологическая оценка территорий.. 140

ЛЕКЦИЯ №15 Радиоэкология и закон.. 146

Нормативно-правовое обеспечение радиационной безопасности. 146

Нормативно-методическое обеспечение радиационной безопасности. 151

ЛЕКЦИЯ №16 Аварийные ситуации и оценка риска.. 155

Литература.. 164

Физическая материя состоит из элементарных частиц. Но что означает «элементарная частица»? Термин «элементарная» скорее относится к уровню наших знаний.

Если бы сто лет назад у химика или у физика спросили, можно ли рассматривать атом как элементарную частицу, то, вероятно, большинство ответило бы утвердительно, поскольку тогдашняя наука не знала строения атома и даже не предполагала, что атом имеет какое-либо строение.

Позднее, когда выяснилось, что строение атома сложно, понятие элементарности перенесли на ядра. Однако теперь мы знаем, что и ядра обладают сложным строением. Вообще можно сказать, что на каждом этапе развития науки мы называем элементарными те частицы, строения которых не знаем и которые рассматриваем как точечные.

Следует привести еще одно соображение общего порядка, относящееся к числу частиц. Если бы химик или физик, ничего не зная об атомной природе вещества, начал изучать химические явления и открыл первый атом, например атом железа, он мог бы предположить, что имеет дело с элементарной частицей. Но если после атома железа будет открыт атом другого вещества, например атом серы, потом кислорода и т.д. (разумеется, приведенная мною последовательность совершенно произвольна), то уверенность исследователя в элементарности атома уменьшится, поскольку наличие такого большого числа частиц противоречит самому понятию элементарности. Для элементарных частиц, известных в настоящее время, положение не отличается существенным образом от только что обрисованного.

Первой элементарной частицей, как известно, является электрон, открытый приблизительно сто лет назад. Потом был открыт протон; некоторое время были известны только эти две элементарные частицы. Затем открыли нейтрон, и элементарных частиц стало уже три.

«Самыми элементарными» частицами в настоящее время считаются кварки, которые составляют основу нуклонов (Рис. 0.1).

Далее, есть значительно более второстепенная частица, так называемый гравитон, являющийся квантом гравитационного поля. Эта частица, по всей вероятности, существует, если только наши представления о гравитации правильны. Во всяком случае, гравитон весьма трудно обнаружить непосредственно, потому что он почти так же ненаблюдаем, как и нейтрино.

Однако, в курсе радиоэкологии мы остановимся только на общепринятых представлениях о строении материи и не будем рассматривать гипотетические точки зрения, поскольку они уже относятся к области ядерной физики.

Известно, что атом похож на Солнечную систему в миниатюре (Рис. 2). Вокруг крошечного по размерам ядра (Солнца) движутся по орбитам электроны (планеты). Размеры ядра в 100 000 раз меньше размера атома, но плотность его так велика, что фактически масса атома сосредоточена в его ядре.

Диаметр ядра атома равен примерно 10^-13…10^-12 см и составляет 0,0001 диаметра всего атома. Однако практически вся масса атома (99,95…99,98 %) сосредоточена в его ядре. Рассчитано, что если бы удалось получить 1 см ³ чистого ядерного вещества, то масса его составила бы 100…200 млн. т.

Электроны вращаются вокруг ядра внутри электронных оболочек 1, 2, 3,…, которым соответствуют буквенные обозначения K, L, M … Электронные оболочки, в свою очередь состоят из подгрупп (подуровней), определяющих орбитальную конфигурацию электронов: s, p, d и т.д. Электронное состояние атома обозначают комбинациями из этих двух параметров с верхними индексами, которые указывают на количество электронов. Например, для кислорода (в основном состоянии) 1 s ², 2 s ², 2 p ⁴.

Ядро атома состоит из мелких частиц – положительно заряженных протонов p и нейтральных нейтронов n (Рис. 3). Протон имеет один положительный элементарный электрический заряд и массу равную одной атомной единице.

1 элементарный электрический заряд = 1,6·10^-19 Кл (самый маленький заряд, который существует в природе).

1 атомная единица массы (а.е.м.) – это относительная (безразмерная) величина атомной массы, которая численно равна 1/12 массы атома углерода ^12С (1,6599·10^-24 г).

Нейтрон не обладает зарядом, но масса у него также равна единице (слева вверху пишется атомная масса, внизу – заряд). Заряд электрона (-1), а масса очень маленькая ( а.е.м.), поэтому ею часто пренебрегают .

Число протонов в ядре определяет, к какому химическому элементу относится данный атом: атом водорода содержит только один протон (атомный номер равен единице), атома кислорода – 8, атома стронция – 38, атома урана – 92. По количеству протонов в ядре (заряду ядра) упорядочены все элементы в таблице Д.И. Менделеева (Ошибка! Источник ссылки не найден.).

Если ядра атомов состоят только из нуклонов (протонов и нейтронов), то как объяснить устойчивость этих ядер?

Казалось бы, одноименно заряженные протоны согласно закону Кулона, отталкиваясь друг от друга, должны были бы разлететься в разные стороны. Однако в действительности ядра атомов очень прочные образования.

Считают наиболее вероятным, что ядерные силы возникают в процессе непрерывного обмена между нуклонами особыми частицами (квантами ядерного поля), которые называют π-мезонами или пионами. Ядерные силы короткодействующие. Они значительны только на очень малых расстояниях, сравнимых с поперечником самих ядерных частиц (10^-13 см).

Ядра атомов одного и того же элемента содержат одинаковое количество протонов, но число нейтронов может различаться. Атомы, имеющие ядра с одинаковым количеством протонов, но с различным числом нейтронов, относятся к различным модификациям одного и того же химического элемента и называются изотопами (Рис. 4). Чтобы отличить изотопы друг от друга, к символу элемента приписывают число, равное сумме всех частиц в ядре данного изотопа. Так, стронций-90 () содержит 38 протонов и 52 нейтрона; стронций-89 () содержит 38 протонов и 51 нейтрон; цезий-137 () – 55 протонов и 82 нейтрона; цезий-134 () – 55 протонов и 79 нейтронов. Ядра различных изотопов одного и того же химического элемента называют нуклидами.

Если ядра какого-либо элемента находятся в метастабильных (возбужденных) энергетических состояниях, то они называются изомерами. Время жизни в таких состояниях обычно невелико и составляет доли секунды – нуклиды быстро переходят в стабильное энергетическое состояние с выделением энергии (гамма-кванта). Символически такое метастабильное состояние обозначается буквой m, поставленной рядом с массовым числом (^80mBr).

В природе существуют атомные ядра с одинаковым массовым числом, но с различным атомным номером. Такие атомы называют изобарами (например, ).

Атомные ядра разных элементов с равным числом нейтронов называют изотонами (например, и в ядре первого шесть протонов и семь нейтронов, в ядре второго семь протонов и семь нейтронов тоже).

Некоторые нуклиды стабильны. Это означает, что эти ядра в обычных условиях не претерпевают никаких превращений. Большая же часть нуклидов нестабильна – они без всякого внешнего воздействия (спонтанно) излучают энергию и превращаются в другие нуклиды. Это связано с тем, что внутриядерные силы обладают свойством насыщения, т. е. каждый нуклон взаимодействует только с ограниченным числом соседних нуклонов (из-за того, что ядерные силы короткодействующие). Поэтому при увеличении числа нуклонов в ядре ядерные силы значительно ослабевают. Этим объясняется меньшая устойчивость ядер тяжелых элементов, в которых содержится значительное количество протонов и нейтронов.

Процесс распада ядер идет до тех пор, пока не возникнут стабильные нуклиды. При каждом акте распада высвобождается энергия в виде радиоактивного излучения. В природе существуют три основных типа излучений: альфа-излучение (поток ядер гелия), бета-излучение (поток электронов-позитронов) и гамма-излучение (поток жесткого электромагнитного излучения). Весь процесс самопроизвольного распада нестабильного нуклида называется радиоактивным распадом, а сам нуклид – радионуклидом. В настоящее время известно около 300 стабильных изотопов и более 1500 радиоактивных.

Контрольные вопросы

1. Свойства нейтрона: заряд, масса?
2. Свойства протона: заряд, масса?
3. Свойства электрона: заряд, масса?
4. Что такое изотопы?
5. Что такое изотоны?
6. Что такое изомеры?
7. Что такое изобары?
8. Чем отличается нуклид от радионуклида?
9. Что такое элементарный электрический заряд и чему он равен?
10. Что такое атомная единица массы и чему она равна?
11. Что такое явление радиоактивного распада?
12. Почему ядра некоторых изотопов нестабильны?

Рекомендуемая литература

1. Ферми Энрико. Лекции по атомной физике. Пер. А.С. Компанейца, изд. второе. – Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2001. С. 144.

Дата добавления: 2014-01-05