Реферат на тему:
Радіонукліди та іонізуюче випромінювання
Термін “радіонуклід” порівняно молодий. Він замінив і для фахівців, і
для широкого загалу довші терміни типу “радіоактивне ядро” чи
“радіоактивний ізотоп” і означає “ядро (від лат. nucleus), що здатне до
випромінювання” (від лат. radius — промінь). Отже, вважатимемо, що
нуклід означає стійке ядро, радіонуклід — нестійке, здатне до
самовільної трансформації, яка супроводжується викиданням назовні
утворених чи вилучених з його складу частинок (або “проміння”).
Хоча великі нестійкі ядра можуть виділяти з себе “багато чого” (що саме,
показано на рис. 4), та природні радіонукліди найчастіше виділяють у- і
[3-випромінювання, значно рідше — а-частинки. Такий самий комплект
випромінюють і радіонукліди, які забруднюють територію України після
катастрофи в Чорнобилі (рис. 36). Значно рідше найважчі з природних ядер
(це може бути уран-235) діляться на дві великі частини з одночасним
звільненням кількох нейтронів.
Важливо мати правильне уявлення про природу й особливості найпоширеніших
видів випромінювання (а, (3 і у).
у-промені (у-кванти, у-фотони) є маленькими цугами електромагнітних
хвиль дуже високої частоти і, відповідно, малої довжини хвилі. Лише цими
характеристиками вони й відрізняються від звичних нам фотонів (цугів
хвиль) видимого світла, які мають набагато більші розміри і, відтак,
меншу енергію. Як і світло, у-промені не мають електричного заряду й
існують тільки в русі, а народжуються під час перебудови взаємного
розташування заряджених частинок у ядрах.
Відомо, що світло може відбиватися від полірованих металів чи білих тіл
і поглинатися темними, нагріваючи їх. Світло проходить лише крізь
прозорі тіла, які не поглинають і не відбивають фотонів. Внаслідок надто
високої частоти своїх хвиль у-кванти не відбиваються, тому для них усі
речовини більшою чи меншою мірою проникні. Коли їх енергія велика, то,
потрапивши у речовину, вони спочатку навіть не поглинаються, а
зіштовхують електрони з орбіт, відриваючи їх від молекул і надаючи їм
чималої швидкості. Нагадаємо, що це явище називають іонізацією молекул
чи атомів, бо після відриву електрона ці молекули перетворюються на
позитивно заряджений іон.
Відірваний електрон забирає від у-кванта частину його енергії. Вона
цілком достатня для того, щоб цей електрон сам став іонізатором,
зриваючи з місця інші електрони чи розбиваючи молекули на частини з
утворенням іонів обох знаків, доки не втратить швидкість. Отже,
випромінені радіонуклідами у-кванти іонізують молекули живої речовини,
утворюючи з них іони обох знаків, звільняючи електрони, збуджуючи
молекули. Саме цими процесами спричинюється радіаційне ураження живих
істот.
Лише втративши більшу частину енергії, у-кванти поглинаються і зникають.
Випромінювання є потоком викинутих радіонуклідами швидких електронів з
негативними зарядами. Спочатку їхня швидкість лише трохи менша за
швидкість світла у порожнечі, що становить майже 300 тис. км/с.
Рухаючись у речовині, вони також іонізують її, утворюючи іони, нові
електрони і збуджуючи вцілілі молекули. Втрачаючи енергію, pi-частинки
гальмуються і приєднуються до якоїсь з мо-
Рис. Іонізуючі частинки — продукти розпаду чорнобильських викидів
молекул. Надалі вони вже нешкідливі. Маючи заряд, pi-частинки сильніше
за pi-кванти взаємодіють з речовиною, швидше втрачають енергію.
а-частинки найважчі і, хоч їх швидкість у десять разів менша за
швидкість а-частинок, енергія їх більша. Кожна така частинка є дуже
міцним агрегатом з двох нейтронів (без електричного заряду) і двох
позитивно заряджених протонів. Маючи великий заряд, а-частинки
примудряються утворювати іони буквально “на кожному кроці”, лишаючи
позаду густий ланцюг пошкоджених, розірваних на частини, збуджених
молекул. Втративши швидкість, а-частинки приєднують два електрони і
стають нешкідливим і хімічно інертними атомами гелію. Шкодять а-частинки
живому також тільки під час швидкого руху.
Природні та штучні радіонукліди
Радіонукліди бувають як природного (їх порівняно мало), так і штучного
походження. Останніх (для всіх елементів таблиці Менделєєва) фізики
отримали вже понад 2000. Десятки видів подібних активних ядер
утворюються під час роботи ядерних дослідних чи енергетичних реакторів.
До найголовніших характеристик радіонуклідів належать:
• кількість Z протонів (заряд ядра), яка й визначає, ізотопом якого
хімічного елементу є цей радіонуклід. Спираючись на дані хімії і знаючи
Z, можна багато що сказати про хімічні властивості атомів з
радіоактивними ядрами;
• кількість нейтронів N і атомне число А (загальна кількість частинок у
радіоактивному ядрі). Ядра з однаковими Z і різними N (їх називають
ізотопами) мають різну стійкість;
• види їх випромінювання та енергії частинок;
• час напіврозпаду Г1/2 — кількість років (діб чи й годин), за які
половина початкової кількості радіонуклідів розпадається з виділенням
іонізуючого випромінювання.
Стійкість ядер тим вища, чим більший час напіврозпаду. Останній для
різних нестійких ядер може дуже відрізнятися. Для одних час напіврозпаду
може бути значно менший за секунду, для інших (як для урану чи торію)
він може перевищувати мільярд років. У табл. 31 наведено деякі
радіонукліди, які мають певне екологічне значення, а також зазначено
періоди напіврозпаду і типи їх випромінювання.
У цій таблиці значком (+) позначено випромінювання з малою енергією.
Частинка з такою енергією до зупинки іонізує 500-1500 молекул живої
речовини. Знак (++) відповідає більшій енергії й утворенню до 6 тис. пар
іонів кожною частинкою з такою енергією. А от для енергії (+++)
кількість іонізованих молекул досягає 10 тис. і більше. Найбільшу
енергію (++++) мають а-частинки, які до зупинки можуть створити аж 100
тис. пар іонів.
Таблиця 31 Характеристики екологічно важливих радіонуклідів
Радіонукліди Період піврозпаду Тип випромінювання
а Р Y
1 Трітш (^НО 12,4р.
+
2 Вуглець- 1 4 (С) 5569 р.
+
3 Натрш-24 (Na) 15 год.
+++ +++
4 Фосфор-32 (Р) 14,5 дн.
+++
5 СІрка-35 (S) 87,1 дн.
+
6 Аргон-41 (Аг) 2год.
++
7 Калш-40 (К) 1 ,3 млрд р.
++ ++
8 Калш-42 (К) 12,4год.
+++ ++
9 Кальцш-45 (Са) ІбОдн.
++
10 Марганець-54 (Мп) 300 дн.
++ ++
11 ЗалІзо-59 (Fe) 45 дн.
++ +++
12 Криптон-85 (Кг) 10р.
+
13 Стронцш-90 (Sr) 27,7 р.
++
14 Ітрш-91 (Yt) 61 дн.
+++ ++
15 Рутеній- 106 (Ru) 1р.
+
16 Иод- 131 (J) 8дн.
++ ++
17 Ксенон-133 (Хе) 5 дн.
+++
18 Цезш-137 (Cs) 32р.
++ +
19 Церій- 144 (Се) 285 дн.
++ +
20 Радон-222 (Rn) 3,8 дн. ++++
21 Радш-226 (Ra) 1600р. ++++
22 Уран-238 (U) 4,5 млрд р. ++++
23 Плутонш-239 (Ри) 24 000 р. ++++
++
24 Торш-232 (Th) 13,9 млрд р. ++++
Якщо кількість іонізованих молекул безпосередньо свідчить про рівень
шкідливості для живого певного випромінювання, то цього не можна сказати
про його “довжину пробігу” (відстань гальмування). Відстань пробігу в
м’яких тканинах людини а-частинок найменша
(приблизно ЗО мкм = 0,03 мм), кількість пошкоджених молекул найбільша. У
pi-частинок середня відстань пробігу становить 2-3 мм, у у-променів —
30-50 см.
Якщо джерело іонізуючого випромінювання розташоване всередині нас,
найбільшою буде шкода саме від а-частинок, у 10-12 разів меншою — від
(3-частинок і ще меншою (бо вони частково вилетять з нас, не
поглинувшись) — від у-променів.
Ситуація стає протилежною, якщо джерело випромінювання поза нами і
віддалене на відстань кількох десятків сантиметрів чи 1-2 метри. Такий
шар повітря майже не поглинає у-променів, вони стають найнебезпечнішими.
Значно краще поглинаються (3-частинки, інтенсивність потоку зменшується
(помірна небезпека). Повітря не пропустить до нас а-частинок, виключаючи
небезпеку з їхнього боку.
Якщо джерело випромінювання розташоване на шкірі чи близько від неї, то
мертві клітини верхнього шару (чи одяг) поглинають всі а-частинки (ті
виявляються нешкідливими). Тіло поглинає майже всі pi-частинки
(найшкідливіші у цій ситуації) і значну частину у-квантів (дещо менша
шкідливість, ніж у (3).
Доведено, що багато радіонуклідів Земля успадкувала від залишків
наднових зірок. Вибух однієї з них міг бути поштовхом до початку
утворення Сонячної системи з хмари космічного пилу. З того віддаленого
на мільярди років часу збереглися і не розпалися лише поодинокі види
ретрорадіонуклідів: калій-40, уран-238, уран-235 і торій-232. Вони та
продукти розпаду важких ядер і становлять більшість природних
радіонуклідів, формують природне поле радіації.
Друга (менша) частина природних радіонуклідів з невеликою масою ядер
безперервно народжується (переважно у верхній атмосфері) як продукти
зіткнення потоку космічних частинок з ядрами атомів атмосфери і ґрунту
(вуглець-14, тритій та інші), їхній внесок у природний радіаційний фон
незначний, та нехтувати його, звичайно, не можна, їх мало, але вони
належать до тих елементів, які входять до складу живої речовини. Тому
вони легше, ніж важкі елементи, “вбудовуються” в молекули білків, ДНК і
шкодять, наче диверсанти.
З усіх природних і штучних радіонуклідів до групи екологічно суттєвих
(див. табл. 31) увійшли:
• ті, що є ізотопами “елементів життя”, — члени групи елементів з малими
і середніми масами ядер, з яких побудована жива речовина (в тому числі й
тіло людини): 1-5, 7-11;
• продукти штучного поділу найважчих і нестійких ядер на дві частини
близьких мас у процесі роботи всіх ядерних реакторів і
під час випробування ядерної зброї: 13-15, 18, 19, 23. Вони потрапляють
у довкілля під час ядерних вибухів у повітрі чи воді і внаслідок
серйозних аварій на ядерних реакторах всіх видів і конструкцій (приклад
— вибух реактора на Чорнобильській ЛЕС у 1986 p.);
група радіоактивних інертних газів, які виділяють у повітря всі ядерні
реактори у процесі їх нормальної роботи: 6, 7, 12. Не беруть участь у
хімічних реакціях, не можуть ввійти до складу живої речовини, але
опромінюють наші тканини, коли потрапляють у легені разом з повітрям;
група важких ретрорадіонуклідів (22, 24) та продуктів їх розпаду (20,
21), яким належить невелика частка природного фону радіації.
Характеристики джерел випромінювання
Джерелом іонізуючого випромінювання загалом вважається будь-яке тіло чи
об’єкт, які містять радіонукліди. Оскільки останні входять до складу і
неживої, і живої речовини, то “джерелом”, строго кажучи, є і тіло
людини, і граніт, і повітря.
Тому надалі вважатимемо “джерелом” той об’єкт, для якого вміст і
випромінювання радіонуклідів перевищує природне (загалом, дуже мале)
значення. Тоді в природі з більш-менш концентрованих джерел лишаться
лише руди урану і торію, з малоконцентрованих — граніти й інші породи з
дещо підвищеним вмістом цих елементів і продуктів їх розпаду (радію,
радону та інших). А от штучних джерел іонізуючого випромінювання існує
дуже багато. Це безліч приладів, що містять радіонукліди, всі типи й
види ядерних реакторів, рентгенівські апарати тощо.
Найголовнішою характеристикою джерела іонізуючого випромінювання є його
активність А, що визначається відношенням кількості розпадів dN до часу
dt:
А = dN/dt (lie).
Одиницею активності у міжнародній системі одиниць (СІ) є бекке-рель
(Бк), названий ім’ям першовідкривача радіоактивності француза
А. Беккереля (1852-1908). У джерелі з активністю 1 Бк відбувається один
розпад щосекунди, 1 кБк — тисячу, 1 МБк — мільйон і т. д.
Не вийшла з ужитку й застаріла одиниця активності, запроваджена на
початку XX ст. і названа “кюрі” (Кі) на честь подружжя Кюрі, піонерів
вивчення природних радіонуклідів. Активність 1 Кі має грам радію, в
якому щосекунди відбувається 37 млрд розпадів ядер з виділенням чималої
енергії.
Отже, 1 Кі = 37 млрд Бк.
Поряд з “просто” активністю часто використовуються її похідні варіанти:
• об’ємна активність Av — активність одиниці об’єму (Бк/л чи Бк/м3, а
також Кі/л чи Кі/м3 );
• питома активність Ат — активність одиниці маси (Бк/кг);
• поверхнева активність As — активність одиниці поверхні тіла
(вимірюється в Бк/м2 чи Кі/км2) та інші.
Спричинену людиною появу “надлишкової” активності ґрунту, води, повітря,
нарешті, живої речовини називають “радіонуклідним (чи радіаційним)
забрудненням”. Очевидно, що активність забруднених об’єктів вимірюється
наведеними одиницями.
Зокрема, для характеристики забруднення ґрунтів “чорнобильськими”
радіонуклідами часто вживають Кі/км2 (зверніть увагу на те, що у
беккерелях числове значення видаватиметься дуже великим і значно
“страшнішим”).
Поряд з активністю важливими характеристиками джерел іонізуючого
випромінювання є його склад, енергія окремих частинок чи квантів, повна
потужність джерела, просторовий розподіл потоків випромінювання, розміри
і форма джерела тощо.
Наприклад, великого поширення набули запроваджені на початку вивчення
іонізуючого випромінювання такі характеристики його дії та інтенсивності
потоку, як рентген (Р) і рентген за годину (Р/год). Назва, як відомо,
походить від імені німецького фізика В. Рентгена, відкривача першого
виду іонізуючого проміння (рентгенівських променів), здатних проходити
крізь речовину.
Вони є варіантом у-променів, але мають трохи меншу енергію й утворюються
найчастіше під час зіткнення попередньо прискорених електронів з твердим
тілом. Типовим (але дуже слабким) випромінювачем таких променів є екран
великого телевізора з вакуумною трубкою. Небезпеку для глядачів
ліквідовано завдяки додаванню значної кількості свинцю до скла трубок,
який повністю поглинає рентгенівські у-кванти. Екологічно більш
безпечними й значно меншими за масою є плоскі рідкокристалічні екрани,
що постійно вдосконалюються і використовуються дедалі частіше.
Співвідношення рентгена та рентгена за годину з сучасними дозиметричними
одиницями розглянуто далі.
Список використаної літератури
Акимова Т. А., Хаскин В. В. Экология: Учеб, для вузов. — М.: ЮНИТИ,
1998.
Білявський Г. О., Падун М. М., Фурдуй P. C. Основи екологічних знань. —
К.: Либідь, 2000.
Білявський Г. О., Падун М. М., Фурдуй P. C. Основи загальної екології:
Підруч. — К.: Либідь, 1993.
Дерій С. І., Ілюха В. О. Екологія. — К.: Вид-во фітосоціолог. центру,
1998.
Джигирей В. С. Екологія та охорона навколишнього природного середовища:
Навч. посіб. — К.: Знання, 2000.
Екологія людини: Підруч. для вищ. навч. закл. / О. М. Микитюк, О. З.
Злотін, В. М. Бровдій та ін. — X.: Ранок, 1998.
Злобін Ю. А. Основи екології. — К.: Лібра, 1998.
КолотилоД. М. Екологія і соціологія: Навч. посіб. — К.: КНЕУ, 1999.
Крисаченко В. С. Людина і біосфера: основи екологічної антропології:
Підручник. — К.: Заповіт, 1998.
Кучерявий В. 77. Екологія. — Львів.: Світ, 2000.
Петров К. М. Общая экология: Взаимодействие общества и природы: Учеб.
пособие для вузов. — 2-е изд., стер. — СПб.: Химия, 1998.
Чернова Н. М., Былова А. М. Экология.— М.: Просвещение, 1988.
Чистик О. В. Экология: Учеб. пособие. — Минск.: “Новое знание”, 2000.
Шилов П. А. Экология: Учеб. для биол. и мед. спец. вузов. — М.: Высш.
шк., 1998.
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
