Теоретическое введение. 1. Ознакомиться с основными радиационными величинами и единицами их измерения.

Лабораторная работа № КСЕ-06

РАДИОАКТИВНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ,

ДОЗИМЕТРИЯ, РАДИАЦИОННАЯ ЗАЩИТА

 

Цель работы:

1. Ознакомиться с основными радиационными величинами и единицами их измерения.

2. Изучить правила пользования прибором РКСБ-104 для измерения ионизирующих излучений.

3. Изучить влияние толщины защиты из алюминия на мощность эквивалентной дозы излучения радиоактивного препарата.

 

Теоретическое введение

Не всякое атомное ядро, состоящее из нуклонов, удерживаемых ядерными силами притяжения, может существовать неограниченно долго. Многие атомные ядра оказываются способными к превращениям в ядра других химических элементов. Такое явление получило название радиоактивности и было открыто в 1896 году французским физиком А. Беккерелем.

Радиоактивность - способность некоторых атомных ядер самопроизвольно (спонтанно) превращаться в другие ядра с испусканием α, β-частиц и γ-квантов. Атомное ядро, испытывающее радиоактивный распад, называется материнским,возникающее ядро - дочерним. Различают

– естественную радиоактивность (наблюдается у неустойчивых изотопов, существующих в природе; ею обладают все химические элементы, начиная с порядкового номера Z = 83, А ≈ 208 а.е.м;

– искусственную радиоактивность (наблюдается у изотопов, полученных посредством ядерных реакций).

Нестабильность ядер возникает вследствие конкуренции между ядерными силами притяжения между нуклонами (протонами и нейтронами) и кулоновскими силами отталкивания между протонами:

1) если ядро содержит значительно больше протонов, чем нейтронов, то нестабильность обуславливается избытком энергии кулоновского взаимодействия;

2) если ядро содержит значительно больше нейтронов, чем протонов, то нестабильность является следствием того, что масса нейтрона превышает массу протона (увеличение массы ядра приводит к увеличению его энергии);

3) устойчивыми являются лёгкие ядра, у которых Z ≈ А /2, то есть число протонов и нейтронов в ядре примерно одинаково.

В результате опытов было выяснено, что радиоактивность сопровождается испусканием излучений трех видов, отличающихся по способности ионизировать атомы вещества и, следовательно, по проникающей способности:

1) α -излучение - поток ядер атомов гелия (скорость движения ≈ 10⁷ м/с);

2) β- излучение - поток быстрых электронов (скорость движения от 10⁸м/с до 0,999 с, где с, м/с – скорость света;);

3) γ - излучение - электромагнитное излучение с длиной 10^-10 - 10^-13 м (γ-лучи не отклоняются электрическим и магнитным полями).

По характеру взаимодействия с веществом ионизирующие излучения, возникающие в процессе распада атомных ядер, делятся на излучения прямого и косвенного действия. К первым относятся заряженные α- и β - частицы, которые при прохождении через вещество вызывают возбуждение и ионизацию атомов. Заряженные частицы при этом быстро теряют свою энергию, поэтому не могут глубоко проникать в ткани организмов, и по этой причине их называют слабо проникающими излучениями. Так, например, α - частицы поглощаются листом бумаги. Проникающая способность β - частиц несколько выше – они поглощаются слоем алюминия толщиной ~3,0 мм. К излучениям косвенного действия, проникающими в ткани на большую глубину, относятся излучения без электрического заряда: нейтроны, рентгеновское излучение и γ-кванты. Эти частицы при взаимодействии с веществом могут создавать вторичные источники ионизирующего излучения.

Степень воздействия источников ионизирующего излучения на различные объекты характеризуется дозой излучения. Различают следующие дозы излучения.

Экспозиционная доза Х характеризует степень радиационного воздействия электромагнитных излучений и численно равна заряду, образующемуся за счёт излучателя в единице массы сухого воздуха в результате его полной ионизации:

 

.

 

В СИ за единицу экспозиционной дозы принята величина 1 Кл/кг, т.е. такая доза излучения, которая образует в 1 кг сухого атмосферного воздуха число ионов одного знака с общим зарядом 1 Кл. Более известна внесистемная единица - рентген (Р) - это такая доза рентгеновского и гамма-излучения, при которой в 1 см³ сухого воздуха при 0 ^оС и давлении 760 мм рт. ст. образуется 2,08 ∙10⁹ пар ионов (1 Р = 2,6∙10^-4 Кл/кг).

Однако экспозиционная доза правомерна только для рентгеновского и γ-излучений и определяет лишь число пар ионов в воздухе, являясь приблизительной оценкой степени облучения.

Поглощённая доза D характеризует количество поглощённой веществом при торможении заряженных частиц энергии радиоактивного излучения, отнесённого к единице массы вещества:

 

.

 

В СИ за единицу поглощённой дозы принят 1 грей (Гр) = 1 Дж/кг. 1 грей - это такая доза излучения, при котором облучаемому веществу массой 1 кг передаётся энергия излучения в 1 Дж. Часто используется внесистемная единица - рад (1 рад = 0,01 Гр).

Однако поглощённая доза является энергетической характеристикой излучения и не учитывает биологическое воздействие.

Эквивалентная доза Н характеризует реальное воздействие радиоактивного излучения на живую ткань, т.е. учитывает качество излучения, поскольку разные виды излучений неравноценны по радиобиологическому воздействию на живые организмы. Для количественной оценки этого фактора введён коэффициент качества излучений (КК), называемый «относительной биологической эффективностью». Произведение коэффициента качества на поглощённую дозу определяет эквивалентную дозу:

 

.

 

В СИ эквивалентная доза измеряется в зивертах (Зв). Внесистемной единицей эквивалентной дозы является бэр - биологический эквивалент рентгена (1 бэр = 0,01 Зв).

Мощность дозы - это отношение дозы излучения ко времени облучения вещества.

Теория радиоактивного распада строится на предположении о том, что радиоактивный распад является спонтанным процессом, подчиняющимся законам статистики. При этом выполняется закон радиоактивного распада,согласно которому число нераспавшихся ядер убывает со временем по экспоненте (рисунок 6.1):

 

N = N₀·e^{– λ; t},

 

где N ₀ - начальное число нераспавшихся ядер (в момент времени t = 0);

N - число нераспавшихся ядер в момент времени t;

l, с^-1 - постоянная радиоактивного распада (постоянная для данного радиоактивного вещества величина).

Время τ; = 1 / λ;, за которое количество нераспавшихся ядер уменьшится в e ≈ 2,7 раза называют средним временем жизни радиоактивного ядра.

Период полураспада Т_1/2 - это время, за которое распадается половина первоначального количества радиоактивных ядер.

Величины T_1/2, λ и τ; связаны соотношением:

 

, .

 

Периоды полураспада для естественно-радиоактивных элементов колеблются от десятимиллионных долей секунды до многих миллиардов лет. Период полураспада – основная величина, характеризующая скорость радиоактивного распада. Чем меньше период полураспада, тем интенсивнее протекает распад. Так, для урана T ≈ 4,5 млрд. лет, а для радия T ≈ 1600 лет. Поэтому активность радия значительно выше, чем урана.

Активностью А радиоактивного изотопа называется число распадов, происходящих в 1 с:

 

, [ A ] = 1 Бк(беккерель).

 

Чаще используются внесистемная единица радиоактивности - кюри (Ки).

(1 Ки = 3,7 ∙10¹⁰ Бк).

Удельная активность изотопа (плотность радиоактивности)

 

, [ a ] = 1 ,

 

где А, Бк - активность изотопа;

m, кг - масса изотопа.

Радиоактивный распад происходит в соответствии с так называемыми правилами смещения (правилами Содди-Фаянса),основанными на законах сохранения заряда (зарядового числа Z) и массы (массового числа А) и позволяющими установить, какое ядро возникает в результате распада данного материнского ядра.

 

α-распад: Заряд ядра исходного химического элемента уменьшается на 2е, масса убывает на 4 а.е.м., при этом испускается α-частица – ядро атома гелия .

 

.

 

α-радиоактивны ядра химических элементов с Z >83, например, .

β-распад: Заряд ядра исходного химического элемента увеличивается на 1е, масса остаётся неизменной, при этом испускается β-частица.

 

.

В основе β-распада лежит способность протонов и нейтронов к взаимным превращениям. Ядра, в которых происходит превращение нейтрона в протон, испытывают β^--распад: , где - антинейтрино, например, . Ядра, в которых происходит превращение протона в нейтрон, испытывают β⁺-распад: , где - нейтрино, например, .

γ-излучение: Сопровождает α- и β-распады. В отличие от α- и β-радиоактивности γ-радиоактивность ядер не связана с изменением внутренней структуры ядра и не сопровождается изменением зарядового или массового чисел. γ-излучение испускается (как при α-, так и при β-распаде) дочерним ядром, находящимся в возбужденном состоянии и имеющем избыток энергии. Переход ядра из возбужденного состояния в основное сопровождается испусканием одного или нескольких γ-квантов, энергия которых может достигать нескольких МэВ.