Радиоактивность

Радиоактивность (от лат. Radio – «излучаю» radius – «луч» и activus – «действенный») – явление спонтанного превращения неустойчивого изотопа химического элемента в другой изотоп (обычно другого элемента) (радиоактивный распад) путем излучения гамма-квантов, элементарных частиц или ядерных фрагментов.
Символ, используемый для обозначения радиоактивных материалов Радиоактивность открыл в 1896 г. Антуан Анри Беккерель. Произошло это случайно. Ученый работал с солями урана и завернул свои образцы вместе с фотопластинки в непрозрачный материал. Фотопластинки оказались зажженными, хотя доступа света к ним не было. Беккерель сделал вывод о невидимом глазу излучение солей урана. Он исследовал это излучение и установил, что интенсивность излучения определяется только количеством урана в препарате и совершенно не зависит от того, в какие соединения он входит. То есть это свойство присуще не соединениям, а химическому элементу урана.
В 1898 г. Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри открыли излучения тория, позднее были открыты полоний и радий. в 1903 году супругам Кюри была присуждена Нобелевская премия. На сегодня известно около 40 природных элементов, обладающих радиоактивностью.
Установлено, что все химические элементы с порядковым номером, большим 83 – радиоактивные.
Естественная радиоактивность – спонтанный распад ядер элементов, встречающихся в природе.
Искусственная радиоактивность – спонтанный распад ядер элементов, полученных искусственным путем, через соответствующие ядерные реакции.
Эрнест Резерфорд экспериментально установил (1899), что соли урана излучают 3 типа лучей, которые по-разному отклоняются в магнитном поле:
Спектры ?-и ?-излучений прерывистые («дискретные»), а спектр ?-излучения – непрерывный.
?-распад
Беккерель доказал, что ?-лучи представляют собой поток электронов. ?-распад – проявление слабого взаимодействия.
?-распад – внутришньонуклонний процесс, т.е. происходит превращение нейтрона в протон с вылетом электрона и антинейтрино с ядра:

+ ?.

Пример:

+ ?.

После ?-распада атомный номер элемента меняется и он смещается на одну клетку в таблице Менделеева.
?-распад
?-распадом называют самопроизвольный распад атомного ядра на ядро-продукт и ?-частицу (ядро атома ).
?-распад является свойством тяжелых ядер с массовым числом А >= 200. Внутри таких ядер за счет свойства насыщения ядерных сил образуются обособления ?-частицы, состоящие из двух протонов и двух нейтронов. Образована таким образом ?-частица сильнее ощущает кулоновское отталкивание от других протонов ядра, чем отдельные протоны. Одновременно на ?-частицу меньше влияет ядерное мижнуклонне притяжения за счет сильного взаимодействия, чем на остальные нуклонов.
Правило смещения Содди для ?-распада:

.

Пример:

.

В результате ?-распада элемент смещается на 2 клетки к началу таблицы Менделеева. Дочернее ядро, образовавшееся в результате ?-распада, обычно также оказывается радиоактивным и через некоторое время тоже распадается. Процесс радиоактивного распада будет происходить до тех пор, пока не появится стабильное, то есть нерадиоактивные ядро, которым чаще всего является ядра свинца или висмута.
?-распад
Гамма лучи это электромагнитные волны с длиной волны, меньше размеры атома. Они образуются обычно при переходе ядра атома из возбужденного состояния в основное состояние. При этом количество нейтронов или протонов в ядре не меняется, а значит ядро остается прежним элементом. Однако излучение гамма-лучей может сопровождать и другие ядерные реакции.
При радиоактивном распаде происходят превращения ядер атомов. Энергии частиц, которые при этом образуются, намного больше энергии, выделяемых в типичных химических реакциях. Поэтому эти процессы практически не зависят от химического окружения атома и от соединений, в которые этот атом входит. Радиоактивный распад происходит спонтанно. Это означает, что невозможно определить момент, когда распадется то или иное ядро. Однако для каждого типа распада является характерное время, за которое распадается половина всех радиоактивных ядер. Это время называется периодом полураспада. Для разных радиоактивных изотопов период полураспада может лежать в очень широких пределах – от наносекунд до миллионов лет. Изотопы с малым периодом полураспада очень радиоактивны, но быстро исчезают. Изотопы с большим периодом полураспада слабо радиоактивные, но эта радиоактивность сохраняется очень долгое время.



Детектирования радиоактивных излучения основано на его действия на вещество, в частности ее ионизации. Исторически впервые радиация была зарегистрирована благодаря почернение облученной фотопластинки. Фотоэмульсии, в которых под действием радиации происходят химические реакции, до сих пор остаются одним из методов детектирования. Другой принцип детектирования используется в счетчиках Гейгера – возникновение несамостоятельного электрического разряда в облученном газе. Дозиметры, которые регистрируют не отдельные акты пролета быстрой заряженной частицы, часто используют изменение свойств, например проводимости, облученного материала
Радиоктивнисть зависит от количества нестабильных изотопов и времени их жизни. Система СИ определяет единицей измерения активности Беккерель – такое количество радиоактивного вещества, в которой за секунду происходит один акт распада. Практически эта величина не очень удобна, поэтому чаще используют внесистемные единицы – Кюри. Иногда употребляется единица Резерфорд.
Относительно воздействия радиоактивного излучения на облученные вещества, то используются те же единицы, что и для рентгеновского излучения. Единицей измерения дозы поглощенного йонизуючи излучения в системе Си является Грей – такая доза, при которой в килограмме вещества выделяется один Джоуль энергии. Единицей биологического действия облучения в системе СИ является Зиверт. Внесистемная единица выделенной при облучении энергии – советов.
Такая единица, как рентген является мерой не выделенной энергии, а ионизации вещества при радиоактивном облучении. Для вимирювавння биологически действия облучения используется биологический эквивалент рентгена – бэр.
Для характеристики интенсивности облучения используют единицы, описывающие скорость набора дозы, например, рентген в час.
Радиоактивное облучение приводит к значительному повреждению ткани. Ионизация химических веществ в биологической ткани создает возможность химических реакций, которые несвойственны для биологических процессов, и к образованию вредных веществ. Повреждения радиацией ДНК вызывает мутации. Работа с радиоактивными веществами требует тщательного соблюдения правил техники безопасности. Радиоактивные вещества помечаются специальным символом, приведенным вверху страницы.
Радиоактивные вещества хранятся в специальных контейнерах, сконструированных таким образом, чтобы поглощать радиоактивное излучение. Большой проблемой является захоронение радиоактивных отходов атомной энергетики.
Радиоактивные вещества можно использовать для получения энергии в условиях, когда другие источники энергии недоступны, например, на космических аппаратах, предназначенных для полетов в отдаленных планет Солнечной системы. Энергия, выделяемая при радиоактивном распаде в таких устройствах может быть преобразована в электрическую с помощью термоэлементов.
В медицине радиоактивное облучение используется при лечении некоторых форм рака, рассчитывая на то, что раковые клетки, которые быстро делятся, чувствительны к облучению, а потому вражатимуться быстрее.
Метод меченых атомов позволяет провести анализ обмена веществ в организме и помогает при диагностике заболеваний.
Датировка за радиоактивными изотопами помогает установить возраст предметов и пород и применяется в геологии, археологии, палеонтологии.
Радиоактивность и радиоактивные вещества также широко используются в различных областях научных исследований.
Все виды радиоактивных излучений, сопровождающих радиоактивность, называют йонизуючи излучениями. Йонизуючи излучения – процесс возбуждения и ионизации атомов вещества при прохождении через них гамма-квантов и частиц, образовавшихся вследствие ?-и ?-распада. При прохождении, например, гамма-квантов сквозь вещество, кванты превращаются в пар электрон-позитрон при условии, что энергия гамма-кванта превышает энергию этих двух частиц (> 1 МэВ). ?-частицы быстро теряют всю энергию, поскольку возбуждают все атомы, которые встречаются на их пути (1-10 см на воздухе, 0,01-0,2 мм в жидкостях). ?-частицы менее эффективно взаимодействуют с веществами (2-3 м на воздухе, 1-10 мм в жидкостях). ?-кванты обладают наибольшей проникающей способностью. Нейтроны, не имеющие электрического заряда, непосредственно не йонизують атомы. Однако в результате взаимодействия нейтронов с ядрами возникают быстрые заряженные частицы и гамма-кванты, которые являются йонизуючи частицами. При длительному пребыванию человека в зоне радиоактивного излучения происходит ионизацию и возбуждение ее клеток. В результате клетки вступают в новые химические реакции и образуют новые химические вещества, нарушающие нормальное функционирование организма. Мерой действия йонизуючи излучений является поглощенная доза излучения (Грей), равный отношению переданной йонизуючи излучениями энергии к массе вещества (D = E / m). Мощность дозы излучения измеряется отношение поглощенной дозы излучения до времени (Pв = D / t). Радиоактивное излучение используют при рентгенологическом обследовании.