Закон радиоактивного распада

3. Закон радиоактивного распада

Свойства радиактивного излучения были изучены вскоре после открытия Беккерелем радиоактивности в 1896 г. Оказалось, что существуют три различных вида ядерного излучения (альфа, бета и гамма). После многолетних исследований было обнаружено, что а- излучение состоит из ядер гелия ⁴₂He,   б- излучение - фотоны с очень высокой энергией, г- излучение, как правило, состоит из электронов.

Образец урана ²³⁸U испускает а-частицы по следующей схеме:

238U --> 234Th + 4He + 4,2МэВ.

Спустя 4,5·10⁹лет половина ядер образца ²³⁸U распадётся.

Теория альфа-распада построена Г.А. Гамовым в 1928 г.

В случае бета-распада более тщательные исследования показали, что некоторые ядра вместо электронов испускают их античастицы - позитроны, кроме того, испускание электронов или позитронов всегда сопровождается излучением нейтрино или антинейтрино. (Нейтрино - это элементарная частица с электрическим зарядом равным нулю, полуцелым спином 1/2 и нулевой (или очень малой) массой покоя.

Первая теория бета-распада была построена Э. Ферми в 1931 г.

Кроме хорошо известных альфа, бета и гамма - распадов в 1940 г. советскими физиками Г.Н. Флеровым и К.А. Петржаком открыт четвертый тип распада: самопроизвольное деления ядер урана на две примерно равные части. В 1970 была обнаружена протонная радиоактивность: выброс протона из ядра. Еще один вид распада - двухпротонную и двухнейтронную радиоактивность, предсказан в 1960 г. советским физиком-теоретиком В.И. Гольданским. Экспериментально этот вид распада еще не обнаружен.

Радиоактивное излучение воздействует на вещество и, передавая веществу энергию, вызывает в нем электронное возбуждение, ионизацию и разрыв химических связей. Особенно опасно радиоактивное излучение для биологических объектов, поскольку оно может нарушить нормальное функционирование клеток, приводя к необратимым последствиям и даже к летальным исходам. Воздействие радиоактивного излучения на организм зависит от проникающей способности излучения. Из трех видов внешнего радиоактивного излучения наименьшей проникающей способностью обладает α-излучение, которое практически полностью поглощается кожным покровом. Бета-излучение способно проникать под кожный покров на глубину до 1 см. Попадание в организм носителей этих радиоактивных излучений весьма опасно. Наибольшую опасность представляет собой гамма-излучение, поскольку оно обладает весьма высокой проникающей способностью.

Большие надежды ученые возлагают на реакцию управляемого термоядерного синтеза. Надежды на практическую реализацию управляемого термоядерного синтеза продолжают оставаться "умеренно оптимистическими" на протяжении более 40 лет.

Если бы удалось осуществить управляемые термоядерные реакции в промышленных условиях, то это дало бы доступ к практически неисчерпаемым источникам энергии и избавило бы человечество от угрозы энергетического кризиса. С другой стороны, если взорвутся те огромные запасы водородных бомб, которые накоплены (и продолжают накапливаться многими странами, несмотря на окончание т.н. холодной войны), то человечество и большая часть всего живого на Земле будет уничтожено.

4. http://www.college.ru/chemistry/course/design/images/Fwd_h.gifhttp://www.college.ru/chemistry/course/design/images/Bwd_h.gifИзмерение радиоактивности и радиационная защита

Степень облучения определяется энергией, переданной живой ткани. Единица поглощенной дозы в СИ называется грей (Гр): 1 Гр = 1Дж/кг. Значение дозы, от которой в течение 30 суток погибает 50% живых существ, обозначают LD₅₀(30). Для человека эта величина равна 3 Гр.

Биологическая эффективность воздействия поглощенной дозы характеризуется эквивалентной дозой (ЭД),равной произведению D на коэффициент, зависящий от типа излучения и характера ткани. Единица ЭД - зиверт (Зв). Предельно допустимая средняя индивидуальная ЭД равна 350 мЗв: максимальное годовое облучение не должно превышать 5 мЗв, а мощность дозы - 0,6 мкЗв/час. Природный радиационный фон 0,28 мЗв/год. Внесистемная единица - бэр: 1 Зв = 100 Бэр.

Другая единица - рентген - связана с оценкой числа ионов, образующихся в результате облучения. При поглощении в биологической ткани 1 Бэр = 1 рентген

______window.top.document.title = "11.4. Измерение радиоактивности и радиационная защита"; _____  

Активность источника радиоактивности измеряется в кюри (Ku); активность в 1 Ku соответствует 3,7∙10¹⁰ ядерных распадов, которые происходят в 1 г радия за 1 с. Поскольку радиационное воздействие зависит не только от активности источника, но также от энергии и проникающей способности излучения, то для измерения дозы излучения используют еще две единицы – рад и бэр^*). Рад – аббревиатура английского radiation absorbed dose (поглощенная доза излучения) – соответствует поглощению 1 кг вещества энергии излучения 0,01 Дж. Поскольку разные виды излучения неодинаково воздействуют на организм, то действие излучения оценивают в бэрах (биологический эквивалент рентгена), представляющих собой произведение поглощенной дозы излучения (в радах) на коэффициент качества излучения (КК):

^*) Еще одна единица – рентген, по сути, соответствует раду.

эквивалентная доза излучения (в бэрах) = поглощенная доза излучения (в радах)∙КК.

КК принят равным единице для бета- и γ-лучей и десяти для альфа-лучей.

В среднем ежегодно на человека приходится 0,1–0,2 бэр фонового излучения Земли и космических лучей. В зависимости от места жительства это фоновое излучение может заметно меняться. Как уже упоминалось, наиболее опасными оказываются источники внутреннего облучения, основными из которых являются ¹⁴C, ⁹⁰Sr, ⁹⁰Y и ¹³⁷Cs, а наиболее вредным – ⁹⁰Sr, поскольку заметная его часть концентрируется в скелете и медленно выводится из организма.

Использование радиоактивных материалов требует определенной системы радиационной защиты персонала и населения. Проблема усугубляется тем, что радиоактивные материалы и радиоактивные отходы невозможно ликвидировать, их необходимо складировать. Особые трудности создают жидкие радиоактивные отходы, образующиеся при обработке судовых ядерных двигателей и переработке ядерного горючего. До сих пор экологические службы не признали надежным ни один из разработанных способов длительного хранения радиоактивных отходов, включая наиболее перспективное складирование в виде стеклообразных и керамических блоков в специально оборудованных подземных хранилищах.

Работать с радиоактивными препаратами можно только в специально оборудованных радиохимических лаборатория

Необходимость защиты окружающей среды от опасных техногенных воздействий промышленности на экосистемы

Характерные антропогенные радиационные воздействия на окружающую среду -

·  загрязнение атмосферы и территорий продуктами ядерных взрывов при испытаниях ядерного оружия в 60-тые годы,

·  отравление воздушного бассейна выбросами пыли, загрязнение территорий шлаками, содержащими радиоактивные вещества при сжигании ископаемых топлив в котлах электростанций,

·  загрязнение территорий при авариях на атомных станциях и предприятиях.

Более локальные, но не менее неприятные последствия - гибель озер, рек из-за неочищенных радиоактивных сбросов промышленных предприятий.

Значительную опасность для живых существ, для популяций организмов в экосистемах представляют аварии на предприятиях химической, атомной промышленности, при транспортировании опасных и вредных веществ. Известные аварии на химическом заводе в Бхопале (Индия), на 4-ом блоке Чернобыльской АЭС, аварии с нефтеналивными судами, да и результаты скоротечной войны в Персидском заливе показывают масштабы экологических бедствий современного общества. Очевидно, что необходим радикальный пересмотр наших отношений с природой, нужны решительные шаги по защите окружающей среды, в частности многократное усиление мер воздействия нормативных рычагов на хозяйственную практику. Совершенно недопустимо, чтобы установленные нормативами предельные концентрации вредных веществ в воздухе, воде реально превышались в сотни раз. Нужно сделать невыгодным или даже разорительным пренебрежение к охране окружающей среды. Право людей на чистый воздух, чистые реки и озера должно не только декларироваться, но и реально обеспечиваться всеми доступными для государства средствами.

Какой же диапазон концентраций вредных веществ надлежит контролировать? Приведем примеры предельно допустимых концентраций вредных веществ, которые будут служить ориентирами в анализе возможностей радиационального мониторинга окружающей среды.

В основном нормативном документе по радиационной безопасности - Нормах радиационной безопасности (НРБ-76/87) даны значения предельно-допустимых концентраций радиоактивных веществ в воде и воздухе для профессиональных работников и ограниченной части населения. Данные по некоторым важным, биологически активным радионуклидам приведены в Таблице 1.

Таблица 1 Значения допустимых концентраций для радионуклидов.

Нуклид, N	Период полураспада, Т1/2 лет	Выход при делении урана, %	Допустимая концентрация, Ku/л		Допустимая концентрация
			в воздухе	в воздухе	в воздухе, Бк/м3	в воде, Бк/кг
Тритий-3 (окись)	12,35	-	3*10-10	4*10-6	7,6*103	3*104
Углерод-14	5730	-	1,2*10-10	8,2*10-7	2,4*102	2,2*103
Железо-55	2,7	-	2,9*10-11	7,9*10-7	1,8*102	3,8*103
Кобальт-60	5,27	-	3*10-13	3,5*10-8	1,4*101	3,7*102
Криптон-85	10,3	0,293			3,5*102	2,2*103
Стронций-90	29,12	5,77	4*10-14	4*10-10	5,7	4,5*101
Иод-129	1,57*10+7	-	2,7*10-14	1,9*10-10	3,7	1,1*101
Иод-131	8,04 сут	3,1	1,5*10-13	1*10-9	1,8*101	5,7*101
Цезий-135	2,6*10+6	6,4			1,9*102	6,3*102
Свинец-210	22,3	-	2*10-15	7,7*10-11	1,5*10-1	1,8
Радий-226	1600	-	8,5*10-16	5,4*10-11	8,6*10-3	4,5
Уран-238	4,47*10+9	-	2,2*10-15	5,9*10-10	2,8*101	7,3*10-1
Плутоний-239	2,4*10+4	-	3*10-17	2,2*10-9	9,1*10-3	5

Реальные выбросы и сбросы радиоактивных веществ при нормальной эксплуатации АЭС обычно много ниже допустимых, так что нормы по концентрация радионуклидов в окружающей среде вблизи АЭС безусловно выполняются.

Воздействие атомных станций на окружающую среду Источники радиации

Техногенные воздействия на окружающую среду при строительстве и эксплуатации атомных электростанций многообразны. Обычно говорят, что имеются физические, химические, радиационные и другие факторы техногенного воздействия эксплуатации АЭС на объекты окружающей среды.

Отметим наиболее существенные факторы -

·  локальное механическое воздействие на рельеф - при строительстве,

·  повреждение особей в технологических системах - при эксплуатации,

·  сток поверхностных и грунтовых вод, содержащих химические и радиоактивные компоненты,

·  изменение характера землепользования и обменных процессов в непосредственной близости от АЭС,

·  изменение микроклиматических характеристик прилежащих районов.

Возникновение мощных источников тепла в виде градирен, водоемов- охладителей при эксплуатации АЭС обычно заметным образом изменяет микроклиматические характеристики прилежащих районов. Движение воды в системе внешнего теплоотвода, сбросы технологических вод, содержащих разнообразные химические компоненты оказывают травмирующее воздействие на популяции, флору и фауну экосистем.

Особое значение имеет распространение радиоактивных веществ в окружающем пространстве. В комплексе сложных вопросов по защите окружающей среды большую общественную значимость имеют проблемы безопасности атомных станций (АС), идущих на смену тепловым станциям на органическом ископаемом топливе. Общепризнанно, что АС при их нормальной эксплуатации намного - не менее чем в 5-10 раз "чище" в экологическом отношении тепловых электростанций (ТЭС) на угле. Однако при авариях АС могут оказывать существенное радиационное воздействие на людей, экосистемы. Поэтому обеспечение безопасности экосферы и защиты окружающей среды от вредных воздействий атомных электростанций - крупная научная и технологическая задача ядерной энергетики, обеспечивающая ее будущее.

Отметим важность не только радиационных факторов возможных вредных воздействий АС на экосистемы, но и тепловое и химическое загрязнение окружающей среды, механическое воздействие на обитателей водоемов-охладителей, изменения гидрологических характеристик прилежащих к АС районов, т.е. весь комплекс техногенных воздействий, влияющих на экологическое благополучие окружающей среды.

Ограничение опасных воздействий АС на окружающую среду

Атомные станции и другие промышленные предприятия региона оказывают разнообразные воздействия на совокупность природных экосистем, составляющих экосферный регион АС. Под влиянием этих постоянно действующих или аварийных воздействий АС, других техногенных нагрузок происходит эволюция экосистем во времени, накапливаются и закрепляются изменения состояний динамического равновесия. Людям совершенно небезразлично в какую сторону направлены эти изменения в экосистемах, насколько они обратимы, каковы запасы устойчивости до значимых возмущений. Нормирование антропогенных нагрузок на экосистемы и предназначено для того, чтобы предотвращать все неблагоприятные изменения в них, а в лучшем варианте направлять эти изменения в благоприятную сторону. Чтобы разумно регулировать отношения АС с окружающей средой нужно конечно знать реакции биоценозов на возмущающие воздействия АС. Выше весьма схематично были обрисованы задачи моделирования таких воздействий. Ясно, что критические значения экологических факторов должны быть предметом специальных исследований биологов.

Подход к нормированию антропогенных воздействий может быть основан на эколого-токсикогенной концепции, т.е. необходимости предотвратить "отравление" экосистем вредными веществами и деградацию из-за чрезмерных нагрузок. Другими словами нельзя не только травить экосистемы, но и лишать их возможности свободно развиваться, нагружая шумом, пылью, отбросами, ограничивая их ареалы и пищевые ресурсы.

Чтобы избежать травмирования экосистем должны быть определены и нормативно зафиксированы некоторые предельные поступления вредных веществ в организмы особей, другие пределы воздействий, которые могли бы вызвать неприемлемые последствия на уровне популяций. Другими словами должны быть известны экологические емкости экосистем, величины которых не должны превышаться при техногенных воздействиях. Экологические емкости экосистем для различных вредных веществ следует определять по интенсивности поступления этих веществ, при которых хотя бы в одном из компонентов биоценоза возникнет критическая ситуация, т.е. когда накопление этих веществ приблизится к опасному пределу, будет достигаться критическая концентрация. В значениях предельных концентраций токсикогенов, в том числе радионуклидов, конечно, должны учитывать и синергетические, т.е. перекрестные эффекты. Однако этого, по-видимому, недостаточно. Для эффективной защиты окружающей среды необходимо законодательно ввести принцип ограничения вредных техногенных воздействий, в частности выбросов и сбросов опасных веществ. По аналогии с принципами радиационной защиты человека, упомянутыми выше, можно сказать, что принципы защиты окружающей среды состоят в том, что

·  должны быть исключены необоснованные техногенные воздействия,

·  накопление вредных веществ в биоценозах, техногенные нагрузки на элементы экосистем не должны превышать опасные пределы,

·  поступление вредных веществ в элементы экосистем, техногенные нагрузки должны быть настолько низкими, насколько это возможно с учетом экономических и социальных факторов.

Вредные факторы и мониторинг окружающей среды

Важным элементов охраны окружающей среды является мониторинг экосистем, контроль состояния "здоровья" биоценозов. Задачи мониторинга состоят в том,[5] чтобы

·  получить комплексную информацию о концентрациях вредных веществ в различных компонентах экосистем,

·  сопоставить результаты измерений с нормативными показателями содержания веществ в компонентах экосистем,

·  оценить состояние экосистем и возможные последствия техногенных воздействий,

·  использовать результаты измерений для совершенствования расчетного моделирования процессов в экосистемах и оценок последствий техногенных воздействий,

·  использовать результаты анализа для разработки "обратных связей" и управления состоянием системы" АЭС + окружающая среда".

Заключение

Развитие знаний и представлений об окружающем мире шло и идет от открытия одного класса многообразий структурных объектов к другому, более сложному для восприятия на данном историческом этапе. От атомов неразрезаемых - к атому в виде некоторой системы, структурными элементами которой являются электроны оболочки и центральное (неделимое) ядро.

Затем вскрывается нуклонная структура ядра, а в дальнейшем - и структура самих нуклонов .... И каждый раз человеческий разум ищет то внутреннее единство, которое позволяет охватить новое многообразие.

Для эпохи Аристотеля достаточно было четырех первоэлементов, для времени Д. И. Менделеева многообразие атомов занимало примерно 120 клеток его таблицы.
В середине 60х годов нашего столетия число открытых элементарных частиц превысило 350. Современная таблица фундаментальных структурных элементов содержит три поколения элементарных частиц. Это в общем счете 12 кварков и антикварков, 8 глюонов, 6 лептонов с их античастицами, фотоны и гравитоны.

Некоторое время назад казалось, что достаточно будет трех кварков, чтобы построить все остальное. Но открываются новые составляющие и идея малого числа фундаментальных основ не подтверждается. В последнее время в современном естествознании все больше вырисовывается другой подход. Он основан на признании принципа обязательной вариативности структурных элементов для сложных природных систем, будь то система элементарных частиц, или биоценоз.

Только при наличии некоторого минимального, но разнообразного набора можно построить функционально и структурно сложные системы. Само осознание принципа допустимости и необходимости, обязательности разнообразия элементов становится достоянием общей культуры человечества.

Опыт развития естествознания от классического к современному показал, что изучение иерархии структурных уровней частиц вещества неизбежно приводит к более глубокому пониманию свойств пространства и времени. И к осознанию того факта, что геометрические свойства пространственно-временного континиума могут определять численные значения фундаментальных констант нашего мира - гравитационной постоянной, заряда электрона, спектра масс-энергий элементарных частиц.

Ещё одно важное положение современного естествознания заключается в признании принципиальной невозможность изолировать отдельную частицу-объект в микромире, выделить полностью её из "контекста" процессов виртуальных взаимопревращений. Здесь только факт наличия наблюдателя - соучастника позволяет реализоваться одному из многих вероятных путей дальнейшей истории микрочастицы и исследуемого процесса в целом. По этой же причине следует считать грубым приближением выделение субъекта - человека из объективной реальности, в которой он существует.

Большинство явлений в окружающем человека мире относятся к процессам в открытых динамических системах, в противоположность представлениям классического естествознания об определяющей роли замкнутых или изолированных систем. Это понимание чрезвычайно важно в связи с явлениями самоорганизации в неживой и живой Природе. И о взаимосвязи двух компонент культуры - естественнонаучной и гуманитарной. А. Эйнштейн говорил, что Достоевский дал ему больше, чем все изучение математики. С другой стороны, по нашему мнению, феномен абстракционизма и авангардизма не мог бы состояться вне атмосферы влияния на гуманитарную культуру специальной теории относительности и идей квантовой физики. В частности, с его искажениями перспективы и форм, изогнутыми циферблатами часов, определенно несет отпечаток времени становления СТО и проникновения идей относительности в общую культуру. Теории, в которой пространство "сжимается", а временные интервалы "растягиваются" в зависимости от условий движения.

Литература

1.  Д. Никитин, Ю. Новиков "Окружающая среда и человек", Изд. 2-ое, М., Изд. Высш. школа, 1986 г.

2.  А.М. Букринский, В.А. Сидоренко, Н.А. Штейнберг "Безопасность атомных станций и ее государственное регулирование", Атомная энергия, том 68, вып. 5, май 1990 г.

3.  Публикация МКРЗ N 26, "Радиационная защита", Москва, Атомиздат, 1978 г.

4.  Р.М. Алексахин, И.И. Крышев, С.В. Фесенко, Н.И. Санжарова Радиоэкологические проблемы ядерной энергетики", Атомная энергия, том 68, вып. 5, май 1990 г.

5.  НТД МХО Интератомэнерго 38.220.56-84 "Методы расчета распространения радиоактивных веществ с АЭС и облучения окружающего населения", Москва, Энергоатомиздат, 1984 г.

6.  Л.В. Тарасов, Этот удивительно симметричный мир. Пособие для учащихся. М.: Просвещение. 1982.

7.  Дж. Фейнберг, Из чего сделан мир? Атомы, лептоны, кварки и другие загадочные частицы. М.: Мир, 1981.

8.  Л.Б. Окунь, Элементарное введение в физику элементарных частиц. М.: Наука. 1985.

9.  О.П. Спиридонов, Фундаментальные физические постоянные. М.: Высшая школа, 1991.

10.  Горохов А.В. "Физика атомного ядра. Физика элементарных частиц"

11.  И. Р. Пригожин "От существующего к возникающему", М., 1994.

12.  А. П. Пурмаль "Как превращаются вещества", Наука,1989.

13.  М. Д. Франк-Каменецкий "Самая главная молекула", Наука, 1989.

14.  Григорьев В.И., Мякишев Г.Я. Силы в природе. // М., Наука, 1983 г.

15.  Кудрявцев П.С. Курс истории физики. // М., Просвещение, 1982 г.

16.  Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. // М., Наука, 1990 г.

[1] Дж. Фейнберг, Из чего сделан мир? Атомы, лептоны, кварки и другие загадочные частицы. М.: Мир, 1981

[2] О.П. Спиридонов, Фундаментальные физические постоянные. М.: Высшая школа, 1991. с. 68

[3] Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. // М., Наука, 1990 г с. 135

[4] О.П. Спиридонов, Фундаментальные физические постоянные. М.: Высшая школа, 1991. с. 46-49

[5] А.М. Букринский, В.А. Сидоренко, Н.А. Штейнберг "Безопасность атомных станций и ее государственное регулирование", Атомная энергия, том 68, вып. 5, май 1990 г.