Радиоактивност
Серия статии на тема Ядрена физика |
Радиоактивност Ядрено делене Термоядрен синтез Радиоактивност
Емисии
|
Радиоактивността(отлатински:radio– „излъчвам “иactivus– „действен “), наричана същорадиоактивен разпад,е процес, при който нестабилноатомно ядрогуби енергия (изразена в маса в неговатаотправна инерциална система) чрез излъчване нарадиация,катоалфа-частица,бета-частицаснеутриноили само неутрино (приелектронен захват) илигама-лъчиилиелектрон(привътрешна конверсия). Някои силно възбудени ядрени състояния с кратък живот могат да се разпадат и чрезнеутронен разпад,а в по-редки случаи – и чрезпротонен разпад.Веществата, съдържащи нестабилни ядра, сарадиоактивни.
Радиоактивният разпад е стохастичен процес на нивото на отделния атом. Съгласноквантовата теорияне е възможно да се предвиди кога конкретен атом ще се разпадне,[1][2][3]независимо от колко време съществува. В същото време за група от еднакви атоми очакваната скорост на разпада се характеризира с измеримиконстанта на разпадилипериод на полуразпад.Това е основата на метода нарадиоизотопното датиране.Периодът на полуразпад на радиоактивните атоми няма известна горна граница, обхващайки времеви диапазон от над 55порядъка– от почти мигновен до много по-дълъг отвъзрастта на Вселената.
Радиоактивните ядра с нулевспиннямат определена ориентация и затова излъчват пълнияимпулсна продуктите от своя разпадизотропно– равномерно във всички посоки. Когато при единичен разпад се образуват няколко частици, както при бета-разпада, тяхното относително ъглово разпределение или посоката на техния спин може да не са изотропни. Продуктите на разпада от ядра със спин могат да бъдат разпределение анизотропно спрямо посоката на техния спин. В резултат на външно въздействие, катоелектромагнитно поле,или когато ядрото е създадено при динамичен процес (предишен разпад илиядрена реакция), който ограничава посоката на неговия спин, такава анизотропия може да бъде измерима.[4][5][6]
Радиоактивно разпадащите се ядра се наричатизходнирадионуклиди(илиизходни радиоизотопи), а разпадът създава поне единпроизводен нуклид.С изключение на гама-разпада и вътрешната конверсия отвъзбудено състояниена ядрото, радиоактивният разпад представляваядрена трансмутация,като производните нуклиди имат различен бройпротониилинеутрониот изходните. При промяна в броя на протоните се създава атом на другхимичен елемент.
Първите открити от хората процеси на радиоактивен разпад са алфа-разпадът, бета-разпадът и гама-разпадът.Алфа-разпадсе получава, когато ядрото отделя алфа-частица (хелиевоядро). Това е най-често срещания процес на излъчване нануклеони,но силно възбудените ядра могат да отделят както единични нуклеони, така и, в случая наклъстерен разпад,определени леки ядра на други елементи.Бета-разпадътможе да протича по два начина: бета минус-разпад, когато ядрото излъчва един електрон и едно антинеутрино, при което един неутрон се превръща в протон, или бета плюс-разпад, при който ядрото излъчва един позитрон и едно неутрино, превръщайки протон в неутрон. Силно възбудените богати на неутрони ядра, образувани в резултат на други видове разпад, понякога губят енергия чрез излъчване на неутрони, при което се получават различниизотопина същия химичен елемент. Ядрото може да прихване електрон, превръщайки протон в неутрон, като този процес се нарича електронен захват. Всички тези процеси водят до добре определена ядренатрансмутация.
За разлика от тези процеси, някои форми на радиоактивен разпад не водят до трансмутация. Енергията на възбуденото ядро може да се излъчи като гама-лъчи при процеса нагама-разпадили да се изгуби при взаимодействие на ядрото с орбитален електрон, изхвърляйки го от атома в процеса навътрешна конверсия.
Друг вид радиоактивен разпад води до появата на продукти, които са променливи – представляват два или повече фрагмента от първоначалното ядро с няколко възможни маси. Такъв разпад, наричан спонтанноядрено делене,се наблюдава, когато голямо нестабилно ядро спонтанно се разцепва на две (понякога и три) по-малки производни ядра, което обикновено води до излъчването на гама-лъчи, неутрони или други частици.
НаЗемятасе срещат в природата 28 радиоактивни химични елемента с 34 радионуклида (6 от елементите имат по два различни радионуклида), формирани още преди образуването наСлънчевата система.Тези 34 нуклида се наричатестествени изотопи.Известни примери сауранътиторият,но между тях има и изотопи с дълъг живот, катокалий-40.Други около 50 радионуклида с кратък живот, каторадиятирадонът,които се срещат на Земята, са продукт на вериги на радиоактивен разпад, в началото на които е естествен изотоп, или на продължаващикосмогеннипроцеси, като формирането в атмосферата навъглерод-14отазот-14под действието накосмически лъчи.Радионуклидите могат и да сесъздават изкуственовускорители на частициилиядрени реактори– по този начин са получени към 650 изотопа с период на полуразпад повече от час и няколко хиляди с по-кратък период на полуразпад.
История на изследванията
[редактиране|редактиране на кода]Откриване на радиоактивността
[редактиране|редактиране на кода]Явлението радиоактивност е открито за първи път от френския ученАнри Бекерелпрез 1896 година при изучаване нафлуоресценцията.[7]Флуоресцентните вещества излъчват светлина на тъмно, след като са изложени на светлина, и Бекерел предполага, че излъчването, създавано отрентгеновите лъчивелектроннолъчева тръба,може да е свързано с флуоресценцията. Той завива в черна хартияфотографска плакаи поставя върху нея различни флуоресцентни соли. Изображение върху плаката се получава само при използване на уранова сол, чието излъчване успява да премине през черната хартия. Това ново излъчване е нареченобекерелови лъчи.На 23 ноември 1896 година Бекерел докладва за резултатите от своите изследвания във Френската академия на науките.
Не след дълго става ясно, че бекереловото излъчване няма нищо общо с флуоресценцията, тъй като се наблюдава и при нефлуоресцентни уранови соли, както и при чистия уран. Направените експерименти показват, че това е неизвестен дотогава вид невидимо лъчение, което може да преминава през хартията и да предизвиква в плаката реакция, аналогична на излагането на видима светлина.
Първоначално изглежда, че новото лъчение е подобно на откритите рентгенови лъчи. Последвалите изследвания на Анри Бекерел,Ърнест Ръдърфорд,Пол Вияр,Пиер Кюри,Мария Кюрии други учени показват, че то е много по-сложен процес. Пръв Ръдърфорд осъзнава, че всички радиоактивни елементи се разпадат, следвайки един и същекспоненциалензакон. Заедно със своя студентФредерик Соди,той установява, че много от процесите на разпад водят до трансмутация на един елемент в друг. Впоследствие Соди иКазимеж Фаянсформулиратзакона за радиоактивното изместване,описващ продуктите на алфа-разпада и бета-разпада.[8][9]
Ранните изследователи установяват също, че много други химични елементи, освен урана, имат радиоактивни изотопи. Систематичното търсене на общата радиоактивност на урановите руди насочват Пиер и Мария Кюри към изолирането на два нови елемента –полонийирадий.Радият ибариятса много сходни в химическо отношение и именно изследванията на радиоактивността прави разграничението им възможно, тъй като радият е радиоактивен, а барият не.
Изследванията на Пиер и Мария Кюри изиграват важна роля в развитието на науката и медицината. След като откриват радия и полония, те първи въвеждат термина „радиоактивност “.[10]Техните проучвания на радия откриват пътя за нови форми на третиране нарака,които стават първото невоенно приложение на ядрената енергия и поставят началото на съвременнатаядрена медицина.[10]
Откриване на рисковете за здравето
[редактиране|редактиране на кода]Рисковете за здравето отйонизиращата радиацияи рентгеновите лъчи не са установени веднага. Откриването на рентгеновите лъчи отВилхелм Рьонтгенпрез 1895 година води до масови експерименти от учени, лекари и изобретатели. Още през 1896 година в техническите списания се появяват множество съобщения за изгаряния, падане на коса и по-лоши увреждания. През февруари учени отВандербилтовия университетправят експеримент с рентгенова снимка на главата на един от тях, в резултат на което косата му опада. В „Електрикал Ревю “се съобщава за тежки изгаряния на ръцете и гърдите при демонстрация на рентгеноскопия.[11]
Други експериментатори, сред коитоИлайхю ТомсъниНикола Тесла,също съобщават за изгаряния. Томсън умишлено облъчва пръста си с рентгенови лъчи за известно време и регистрира наблюдаваните болка, подуване и образуване на мехури. Въпреки това понякога тези ефекти са приписвани на други явления, като ултравиолетовите лъчи илиозона,[12]а много лекари продължават да твърдят, че рентгеновите лъчи нямат никакви вредни ефекти.
През следващите години се появяват първите системни изследвания на здравните рискове и още през 1902 годинаУилям Хърбърт Ролинспише, почти с отчаяние, че предупрежденията му за опасностите от непредпазливата употреба на рентгеновите лъчи остават без последствия. По това време Ролинс е доказал, че рентгеновите лъчи могат да убият опитни животни, да предизвикат аборт при бременни морски свинчета и да убиятфетус.[13]Той също подчертава, че „животните се различават по податливостта на външно действие на рентгенова светлина “и предупреждава, че тези разлики трябва да се отчитат при третирането на пациентите.
В сравнение с рентгеновите лъчи, биологичните ефекти на радиоактивните вещества са по-трудни за установяване. Това дава възможност на много лекари и производители да предлагат на пазара радиоактивни препарати като лекарствени средства, напримерклизмис радий и тонизиращи напитки с водни разтвори на радий. Мария Кюри публично се противопоставя на такива терапии, предупреждавайки, че действието на радиацията върху човешкото тяло не е добре проучено. По-късно тя умира отапластична анемия,вероятно предизвикана от излагане на йонизираща радиация. До 1930-те години, след множество случаи на костна некроза и смърт на ентусиасти на радиевите терапии, съдържащите радий медицински препарати са като цяло премахнати от пазара.
Радиационна защита
[редактиране|редактиране на кода]Само година след откриването на рентгеновите лъчи американският инженер Волфрам Фукс създава вероятно първото защитно устройство, но едва през 1925 година първият Международен конгрес по радиология предвижда създаването на международни стандарти зазащита от радиация.Въздействието на радиацията върхугените,включително върху риска от заболяване отрак,са изяснени значително по-късно. През 1927 годинаХерман Джоузеф Малърпубликува резултати от изследванията си, демонстриращи генетичното въздействие на радиацията, за което през 1946 година получаваНобелова награда за физиология и медицина.
Вторият Международен конгрес по радиология вСтокхолмпрез 1928 година предлага въвеждането на единицата за облъчване с йонизираща радиациярентгени е създаден Международен комитет за рентгенова и радиева защита, който е оглавен отРолф Сиверти се събира през 1931, 1934 и 1937 година.
СледВтората световна войнанарастващото количество и разнообразие на радиоактивни вещества в резултат на военните и граждански ядрени програми по света излага големи групи работници и външни лица на възможен риск от облъчване с опасни нива на йонизираща радиация. Този проблем е разглеждан на първия следвоенен Международен конгрес по радиология вЛондонпрез 1950 година, където е създадена сегашнатаМеждународна комисия по радиологична защита.[14]Оттогава тя разработва съвременната международна система за защита от радиация, покриваща всички аспекти на радиационните рискове.
Единици за измерване на радиация
[редактиране|редактиране на кода]Единицата за измерване на радиоактивност вМеждународната система единициебекерел,наречена в чест наАнри Бекерел,с означение Bq и размерност 1/s. Един бекерел се дефинира като една трансформация (или разпад) за секунда.
По ранна единица за радиоактивност екюри(Ci), първоначално дефинирана като „количеството или масата нарадиева еманациявравновесиес един грам радий “.[15]Днес кюри се дефинира като 3,7 × 1010разпада в секунда, така че 1 Ci = 3,7 × 1010Bq. Макар в Съединените щати двете единици да продължават да се използват в контекста на радиационната защита,[16]в Европейския съюз използването на кюри е прекратено в средата на 80-те години на XX век.[17]
Вредното въздействие на йонизиращата радиация обикновено се измерва с единицитегрей(Gy) за механично увреждане исиверт(Sv) за увреждане на тъканите. Други единици са рад (rad),рентген(R) и еман (Em).
- 1 Ci = 3,7.1010Bq
- 1 Bq = 0,027 nCi
- 1 rad = 0,01 Gy = 10 mGy
- 1 Gy = 100 rad
- 1 Sv = 1Gy*w[18]
- 1 R = 0.0098 Sv = 0.88 rad
- 1 Em = 3,7 Bq = 10-10Ci
Видове радиоактивност според частиците
[редактиране|редактиране на кода]Алфа-разпад
[редактиране|редактиране на кода]α-разпадсе нарича спонтанното разпадане на атомното ядро, вследствие на което се получават дъщерно ядро и α-частица (ядро на4He). Алфа частиците се състоят от два протона и два неутрона. Алфа разпадът е характерен за тежките ядра, с масово число А≥140. .Алфа лъчите проникват само няколко хилядни от сантиметъра в алуминиево фолио и трудно проникват през лист хартия. Притежават значителна йонизираща способност и са особено опасни при вътрешно облъчване, ако попаднат в меките тъкани на организма с храна или въздух.
Бета-разпад
[редактиране|редактиране на кода]Бета-лъчите са ускорени потоци от високоенергийни електрони или позитрони. Бета-активността е съпроводена с излъчване на неутрино (антинеутрино), което обяснява непрекъснатия енергиен спектър при този тип разпад. Бета лъчите имат по-голяма проникваща способност и за разлика от алфа-лъчите представляват опасност и при външно облъчване. При (β-) разпад се осъществява ядрен процес на превръщане на ядрен неутрон в протон, който остава в ядрото и повишава поредния номер с единица (в пространството се излъчват електрон и антинеутрино). При (β+) се извършва аналогичен процес: ядрен протон се превръща в неутрон (поредния номер се понижава с едно) и ядрото излъчва позитрон и неутрино. Позитроните анихилират мигновено след излъчването си, което е причина за съпътстващо гама-лъчение.
Гама-лъчение
[редактиране|редактиране на кода]Гама лъчите са поток от високоенергийни електромагнитни вълни с много малка дължина на вълната (намират се най-ляво в спектъра). Поради това, че не притежават маса, проникващата им способност е по-голяма спрямо алфа и бета лъченията. Това ги прави изключително опасни както при вътрешно, така и при външно облъчване. На практика могат да изминат стотици метри във въздуха. Сравнително добра защитна роля от гама лъчения могат да окажат екраниращи материали от тежки метали (предимноолово) в съчетание с дебелибетоннипрегради. ....
Характеристики на радионуклидите
[редактиране|редактиране на кода]- Период на полуразпад—t1/2– времето, за което се разпада половината от изходното количество радиоактивно вещество, с други думи, радиоактивността намалява наполовина.
- Средно време на живот—τ– средното време на живот на радиоактивна частица.
- Константа на разпад—λ– реципрочната стойност на средно време на живот – статистическата вероятност за протичане на разпад.
Променливи:
- АктивностA– брой разпаднали се ядра за единица време, Bq.
- Брой ядра –N– общият брой ядра в зададено време.
- Специфична активност –As– повърхностна, масова или обемна: активността съпоставена към единица повърхност, маса или обем.
Връзката между тези величини се дава с:
Активността е количествена характеристика за определена проба от даден материал. Тя няма абсолютна стойност, както константата на разпад и периода на полуразпад.
Приложения
[редактиране|редактиране на кода]Източници на радиоактивност се използват за диагностика, терапия и обработка на материали
- Медициназа радиотерапия наонкологичнизаболявания.
- Радиационнадефектоскопия.
- Радиационно съшиване наполимери.
- Радиационно пречистване на леярни газове и отпадни води.
- Радиовъглеродно датиране
- Детектори на дим в алармени системи
Доза на йонизиращите лъчения
[редактиране|редактиране на кода]Количествотоенергия,погълнато от тела и предмети, които са били изложени найонизиращо лъчение,се нарича „доза на йонизиращите лъчения “. Разделът отфизиката,занимаващ се с определянето (измерването) на дозата на йонизиращите лъчения, се наричадозиметрия,а измервателните уреди –дозиметри.
Ефекти от радиация върху хората
[редактиране|редактиране на кода]Радиация при екстремна интензивност от 6сивертасе счита за фатална. Човешкото тяло няма рецептори за радиоактивност, а когато се появят симптоми, увреждането вече е настъпило.[19]Определени организми могат да понесат големи дози радиация, като краткотрайният живот на тези организми не позволява да настъпят увреждания или мутации.[20][21]
Мерки за безопасност при работа
[редактиране|редактиране на кода]Работата с радиоактивни вещества може да бъде и безопасна, ако са взети необходимите предохранителни мерки. При работа с радиоактивни източници погълнатата доза е правопропорционална на времето на облъчване и обратно пропорционална на квадрата от разстоянието до източника. Това налага следните предпазни мерки:
- Да се работи с минимално количество радиоактивни изотопи, най-малко токсични, като се работи по възможност на максимално разстояние и се намали до минимум времето на престоя близо до тях
- Да се използва необходимата защита между източника и работника
- Да се провежда необходимия дозиметричен контрол на помещението, въздуха, водата и работниците
- Всички работи с открити радиоактивни изотопи да се провеждат в защитени места
- В случай на разливане на радиоактивен разтвор да се вземат веднага необходимите мерки, за да не се замърси въздухът от изпаренията на разтвора, да не се замърсява водата, да се ограничи по-нататъшното разпространение по околната повърхност
Защита от лъчения
[редактиране|редактиране на кода]За предпазване на хората от вредното действие на лъченията в близост до ядрени съоръжения и други източници се прилага екраниране, т.е. между източника на лъчението и хората се поставя преграда (екран). Екранът е от подходящ материал, който поглъща лъчението и зад екрана то отслабва до допустимото ниво. Материалът и неговата дебелина се избират според вида на лъчението.
Алфа-частици
[редактиране|редактиране на кода]Като се има предвид, че алфа-частиците губят бързо своята енергия, в резултат на което тяхнатапроникваща способносте малка, то за защита от тях се взема какъв да е твърд или течен материал с дебелина, не по-малка от 1 mm. Тънко органическостъкло,пласт откаучук,дебелахартияиликартонпоглъщат изцяло алфа-частиците. Основен момент за безопасността при боравенето с тях е недопускането да навлязат в организма, чрез вдишване или храна съдържащи алфа-активни източници.
Бета-частици
[редактиране|редактиране на кода]Проникващата способност на бета-частиците е много по-голяма и отслабването на потока зависи от атомния номер на поглъщащото вещество, но за атомен номер на „поглъщателя “до 30 отслабването е приблизително еднакво. Бета-частиците са опасни именно защото могат да йонизират кръвта на човек. Подходящи материали за поглъщане на бета-частици са стъкло, алуминий, каучук и др. Например органическото стъкло с дебелина 25 mm поглъща всички бета-частици с енергия до 4 MeV.
Гама-лъчение
[редактиране|редактиране на кода]Отслабването на гама-лъчението при преминаване през различни материали става в резултат на неговото взаимодействие с веществото. Понеже взаимодействието с веществото расте с увеличаване на атомния номер, най-подходящи материали за защита саолово,стоманаибетон.Обаче зафотонис енергия 0,5 – 0,75 MeV плътността на материала е от по-съществено значение, отколкото атомния номер.
Бележки
[редактиране|редактиране на кода]- ↑Stabin 2007.
- ↑Best 2013.
- ↑Loveland 2006,с. 57.
- ↑Litherland 788 – 824.
- ↑Academic Press 1976,с. 115 – 346.
- ↑Martin 2011,с. 240.
- ↑Mould 1995,с. 12.
- ↑Fajans 1913,с. 422 – 439.
- ↑Soddy 1913,с. 97 – 99.
- ↑абL'Annunziata 2007,с. 2.
- ↑Sansare 2011,с. 123 – 125.
- ↑Hrabak 2008,с. 1189 – 1192.
- ↑Meggitt 2008.
- ↑Clarke 2009,с. 75 – 110.
- ↑Rutherford 1910,с. 430 – 431.
- ↑US Nuclear Regulatory Commission 2009.
- ↑The Council of the European Communities 1979.
- ↑wетегловен коефициент,специфичен за определен вид радиация (wR) и определен вид тъкан (wT).
- ↑Д-р Ралица Правова.Радиоактивност – човешкият организъм не разполага с рецептори за йонизиращите лъчения// 11 юни 2011 г.
- ↑Съществува бактерия, устойчива на радиация// 27 юни 2017 г.
- ↑Darik.News.Kои живи същества могат да преживеят ядрена война
- Цитирани източници
- 3. Nuclear and Atomic Spectroscopy //Spectroscopy Part A.Academic Press, 1976.ISBN 9780124759138.DOI:10.1016/S0076-695X(08)60643-2.p. 115 – 346.(на английски)
- Best, Lara et al. 1.3 // Radiation Oncology Primer and Review. Demos Medical Publishing, 2013.ISBN 978-1-62070-004-4.(на английски)
- Clarke, R.H. et al.The History of ICRP and the Evolution of its Policies//Annals of the ICRP39 (1). 2009. DOI:10.1016/j.icrp.2009.07.009.p. 75 – 110. Посетен на 2012-05-12.(на английски)
- Fajans, Kasimir. Radioactive transformations and the periodic system of the elements //Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft(46). 1913. p. 422 – 439.(на английски)
- M. Hrabak et al. Nikola Tesla and the Discovery of X-rays //RadioGraphics28 (4). July 2008. DOI:10.1148/rg.284075206.p. 1189 – 1192.(на английски)
- L'Annunziata, Michael F. Radioactivity: Introduction and History. Amsterdam, Netherlands, Elsevier Science, 2007.ISBN 9780080548883.(на английски)
- Litherland, A. E. et al. Gamma-Ray Angular Correlations from Aligned Nuclei Produced by Nuclear Reactions //Canadian Journal of Physics39 (6). 1961. DOI:10.1139/p61-089.p. 788 – 824.(на английски)
- Loveland, W et al. Modern Nuclear Chemistry. Wiley-Interscience, 2006.ISBN 978-0-471-11532-8.(на английски)
- Martin, B. R. Nuclear and particle physics: An introduction. 2nd. John Wiley & Sons, 31 August 2011.ISBN 978-1-1199-6511-4.(на английски)
- Meggitt, Geoff. Taming the Rays. Lulu.com, 2008.ISBN 9781409246671.(на английски)
- Mould, Richard F. A century of X-rays and radioactivity in medicine: with emphasis on photographic records of the early years. Reprint. with minor corr. Bristol, Inst. of Physics Publ., 1995.ISBN 978-0-7503-0224-1.(на английски)
- Rutherford, Ernest.Radium Standards and Nomenclature//Nature84 (2136). 6 October 1910. DOI:10.1038/084430a0.p. 430 – 431.(на английски)
- Sansare, K. et al. Early victims of X-rays: a tribute and current perception //Dentomaxillofacial Radiology40 (2). 2011. DOI:10.1259/dmfr/73488299.p. 123 – 125.(на английски)
- Soddy, Frederick.The Radio Elements and the Periodic Law//Chemistry News(107). 1913. p. 97 – 99.(на английски)
- Stabin, Michael G. 3 // Radiation Protection and Dosimetry: An Introduction to Health Physics. Springer, 2007.ISBN 978-0-387-49982-6.DOI:10.1007/978-0-387-49983-3.(на английски)
- Council Directive 80/181/EEC of 20 December 1979 on the approximation of the laws of the Member States relating to Unit of measurement and on the repeal of Directive 71/354/EEC// The Council of the European Communities, 1979-12-21. Посетен на 2012-05-19.(на английски)
- 10 CFR 20.1005.US Nuclear Regulatory Commission, 2009. Посетен на 2019-10-20.(на английски)