Строение атома и изотопы

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Строение атома и изотопы

Для того чтобы лучше понять, что такое изотопы и почему возникает радиоактивность, напомним основные сведения о строении атома.

Мы знаем теперь, что атом похож на Солнечную систему в миниатюре: вокруг крошечного ядра движутся по орбитам «планеты» - электроны.

Размеры ядра в сто тысяч раз меньше размеров самого атома, но плотность его очень велика, поскольку масса ядра почти равна массе всего атома. Ядро, как правило, состоит из нескольких более мелких частиц (протонов и нейтронов), которые плотно сцеплены друг с другом.

Атом состоит из положительно заряженного ядра и оболочки из отрицательно заряженных электронов, которые могут располагаться только на определенных, «разрешенных» орбитах: К (ближайшая к ядру), далее -- L, М, N, О, Р, Q.

1. Электроны на внутренних оболочках связаны с ядром наиболее прочно, на внешней (валентной) оболочке прочность связи наименьшая. Емкость каждой из орбит ограничена; структура орбит и особенно количество электронов на внешней оболочке определяют химическую индивидуальность элемента -- его валентность, степень окисления и другие свойства.

2. Один электрон несет единичный (элементарный) электрический заряд, а общий отрицательный заряд электронной оболочки атома равен числу электронов.

3. Атомы электронейтральны, поэтому ядро в целом должно численно иметь тот же заряд, но со знаком (+).

4. Носителями заряда в ядре являются протоны, каждый из которых обладает одним элементарным положительным зарядом, следовательно, число протонов в ядре должно быть равно числу электронов на оболочках атома.

5. Кроме того, в ядре содержатся нейтроны -- частицы примерно той же массы, что и протоны, но не имеющие заряда. Протоны и нейтроны имеют общее название -- нуклоны. Все, что будет далее касаться радиоактивности, относится только к атомному ядру.

Итак, в каждом атоме число электронов в точности равно числу протонов в ядре; каждый электрон несет отрицательный заряд, равный по абсолютной величине заряду протона, так что в целом атом нейтрален.

Присутствие в ядре того или иного числа нейтронов отражается на общей массе атома, но не на его химических свойствах.

Ядра атомов одного и того же элемента всегда содержат одно и то же число протонов, но число нейтронов в них может быть разным. Атомы, имеющие ядра с одинаковым числом протонов, но различающиеся по числу нейтронов, относятся к разновидностям одного и того же химического элемента, называемым изотопами данного элемента. Структура электронной оболочки у изотопов одинакова, так как она определяется зарядом ядра и все они занимают общее место в периодической системе элементов.

Чтобы отличить их друг от друга, к символу элемента приписывают число, равное сумме всех частиц в ядре данного изотопа. Так уран-238 содержит 92 протона и 146 нейтронов. В уране-235 тоже 92 протона, 143 нейтрона. Понятия изотоп и радиоизотоп применимы лишь для обозначения разновидностей атомов одного элемента. Если атомы отличаются друг от друга не только массовым числом, но и химическими свойствами, то их называют нуклидами, а в том случае, если они обладают свойствами радиоактивности - радионуклидами. Некоторые нуклиды стабильны, т. е. в отсутствие внешнего воздействия никогда не претерпевают никаких превращений.

Большинство нуклидов нестабильны, они все время превращаются в другие нуклиды. В качестве примера возьмем хотя бы атом урана-238 (92 протона и 146 нейтронов), в ядре которого протоны и нейтроны едва удерживаются вместе силами сцепления. Время от времени из него вырывается компактная группа из четырех частиц: двух протонов и двух нейтронов (Ь-частица). Уран-238 превращается, таким образом, в торий-234, в ядре которого содержится 90 протонов и 144 нейтрона. Но торий-234 также нестабилен. Его превращение происходит, однако, не так, как в предыдущем случае: один из его нейтронов превращается в протон, и торий-234 превращается в протактиний-234, в ядре которого содержатся 91 протон и 143 нейтрона. Эта метаморфоза, произошедшая в ядре, сказывается и на движущихся по своим орбитам электронах: один из них становится неспаренным и вылетает из атома.

Протактиний очень нестабилен и ему требуется совсем немного времени на превращение. Далее следуют иные превращения, сопровождаемые излучениями, и вся эта цепочка в конце концов оканчивается стабильным нуклидом свинца.

Уран- 238>Торий- 234>Протоактиний- 234>Уран- 234>Торий- 230 > Радий- 226> Радон- 222> Полоний -218> Свинец- 214> Висмут- 214> Полоний- 214> Свинец- 210> Висмут- 210> Полоний- 210> Свинец- 206 (стабильный)

Разумеется, существует много таких цепочек самопроизвольных превращений (распадов) разных нуклидов по разным схемам превращений и их комбинациям. При каждом таком акте распада высвобождается энергия, которая передается дальше в виде излучения.

2. Виды излучений и их проникающая способность

Можно сказать (хотя и это не совсем строго), что испускание ядром частицы, состоящей из двух протонов и двух нейтронов, - это альфа-излучение; испускание электрона, как в случае распада тория-234, - это бета-излучение. Часто нестабильный нуклид оказывается настолько возбужденным, что испускание частицы не приводит к полному снятию возбуждения; тогда он выбрасывает порцию чистой энергии, называемую гамма-излучением (гамма-квантом). Как в случае рентгеновских лучей (во многом подобных гамма-излучению), при этом не происходит испускания каких-либо частиц.

Весь процесс самопроизвольного распада нестабильного нуклида называется радиоактивным распадом, а сам такой нуклид - радионуклидом.

Но хотя все радионуклиды нестабильны, одни из них более нестабильны, чем другие. Например, протактиний-234 распадается почти моментально, а уран-238 - очень медленно. Половина всех атомов протактиния в каком-либо радиоактивном источнике распадается за время, чуть больше минуты, в то же время половина всех атомов урана-238 превратится в торий-234 за четыре с половиной миллиарда лет.

Период полураспада. Время, за которое распадается в среднем половина радионуклидов данного типа в любом радиоактивном источнике, называется периодом полураспада соответствующего изотопа. Этот процесс продолжается непрерывно.

Закон распада. За время, равное одному периоду полураспада, останутся неизменными каждые 50 атомов из 100, за следующий аналогичный промежуток времени 25 из них распадутся, и т. д. по экспоненциальному закону.

Число распадов в секунду в радиоактивном образце называется его активностью. Единицу измерения активности (в системе СИ) назвали беккерелем (Бк) в честь ученого, открывшего явление радиоактивности. Один беккерель равен одному распаду в секунду (1 Бк = I рас/с).

Проникающая способность излучений. Разные виды излучений сопровождаются высвобождением разного количества энергии и обладают проникающей способностью, поэтому они оказывают неодинаковое воздействие на ткани живого организма.

Альфа-излучение, которое представляет собой поток тяжелых частиц, состоящих из протонов и нейтронов, задерживается, например, листом бумаги и практически неспособно проникнуть через наружный слой кожи, образованный отмершими клетками. В соответствии с наибольшей плотностью ионизации Ь-частиц пробег их во всех средах очень невелик: даже в воздухе Ь-излучение распространяется на расстояние, не превышающее 3--7 см, а в плотных средах длина пробега еще меньше. Так, в биотканях пробег Ь-частицы редко превышает 40--60 мкм, т. е. действие ее обычно ограничено размерами одной клетки. Малая проникающая способность Ь-излучения делает практически ненужной какую-либо защиту от внешнего облучения такими источниками.

Поэтому оно не представляет опасности до тех пор, пока радиоактивные вещества, испускающие частицы, не попадут внутрь организма через открытую рану, с пищей или вдыхаемым воздухом; тогда они становятся чрезвычайно опасными.

Бета-излучение обладает большей проникающей способностью: оно проходит в ткани организма на глубину один-два сантиметра. Пробег в-частиц существенно зависит от их энергии. В этой связи различают «мягкие» излучения, с энергией менее 0,5 МэВ, и «жесткие», с энергией более 1 МэВ. Пробег в воздухе «жестких» излучений (от таких изотопов, как 32Р или 90Y) достигает 10 и более метров, но в плотных средах он невелик, всего несколько миллиметров. Реальный пробег еще меньше из-за зигзагообразных траекторий движения в-частиц. Поэтому в случае радионуклидного загрязнения (в-излучение не представляет серьезной опасности при внешнем облучении от поверхности земли: даже небольшого перемещения нуклидов с поверхности земли в глубь почвы оказывается достаточно для поглощения в-излучения почвенным материалом. При исследовательской работе с в -излучающими изотопами применяют экраны из органического стекла толщиной до 10 мм. Для работы с мягкими в-излучателями и такая защита излишня, так как максимальный пробег излучения, например от 14С (энергия 0,156 МэВ), -- 15 см в воздухе, а от сверхслабого излучения трития (3Н, энергия 0,019 МэВ) -- менее 5 мм в воздухе и всего 6 мкм в воде.

Гамма-излучение. Проникающая способность гамма-излучения, которое распространяется со скоростью света» очень велика: его может задержать лишь толстая свинцовая или бетонная плита. С учетом фактора геометрического рассеяния реальный радиус действия г-лучей составляет -200--300 м от источника. С помощью летательных аппаратов, оснащенных чувствительной аппаратурой, можно достаточно надежно выявлять и наносить на карты уровни загрязнения земель по пролетам на высотах от 25--50 до 200--250 м (метод аэрогамма-съемки).

В плотных средах у излучение проходит толщу в десятки и даже сотни сантиметров. Для надежного экранирования г-излучения требуются защитные материалы с высокой плотностью, например из свинца, толщиной до 5--20 см и даже больше (при очень высокой активности источника).

Нейтронное излучение. Оно относится к излучениям с высокой плотностью ионизации и обладает, соответственно, не очень большой проникающей способностью: в воде быстрые нейтроны замедляются на расстояниях порядка 8 см, в грунтах или строительных конструкциях -- до 20--40 см. Вместе с тем механизмы поглощения нейтронов весьма специфичны, что требует особого подбора материалов для защиты от быстрых или медленных нейтронов.

3. Дозы радиационного облучения

Повреждений, вызванных в живом организме излучением, будет тем больше, чем больше энергии оно передаст тканям. Количество такой переданной организму энергии называется дозой (термин не слишком удачный, поскольку первоначально он относился к дозе лекарственного препарата, т. е. дозе, идущей на пользу, а не во вред организму).

Дозу излучения организм может получить от любого радионуклида или их смеси независимо от того, находятся ли они вне организма или внутри его (в результате попадания с пищей, водой, воздухом). Дозы можно рассчитать по-разному, с учетом того, каков размер облученного участка и где он расположен, один ли человек подвергся облучению или группа людей, и в течение какого времени это происходило.

Количество энергии излучения, поглощенное единицей массы облучаемого тела (тканями организма), называется поглощенной дозой и измеряется в системе СИ в греях (Гр). Но эта величина не учитывает того, что при одинаковой поглощенной дозе альфа-излучение гораздо опаснее бета- или гамма-излучений.

Если принять во внимание этот факт, то дозу следует умножить на коэффициент, отражающий способность излучения данного вида повреждать ткани организма: альфа-излучение считается при этом в двадцать раз опаснее других видов излучений. Пересчитанную таким образом дозу называют эквивалентной дозой, ее измеряют в системе СИ (единицах, называемых зивертами (Зв).

Следует учитывать также, что одни части тела (органы, ткани) более чувствительны, чем другие; например, при одинаковой эквивалентной дозе облучения возникновение рака в легких более вероятно, чем в щитовидной железе, а облучение половых желез особенно опасно из-за риска генетических повреждений.

Поэтому дозу облучения органов и тканей также следует учитывать с разными коэффициентами. Умножив эквивалентные дозы на соответствующие коэффициенты и просуммировав по всем органам и тканям, получим элективную (избирательную) эквивалентную дозу, отражающую суммарный эффект облучения для организма, она также измеряется в зивертах.

Коэффициенты радиоактивного риска для разных тканей (органов) (человека при равномерном облучении всего тела, рекомендованы международной комиссией по радиационной защите для вычисления эффективной эквивалентной дозы. Эти три понятия описывают только индивидуально получаемые дозы. Просуммировав индивидуальные эффективные эквивалентные дозы, полученные группой людей, мы придем к коллективной, эффективной эквивалентной дозе, которая измеряется в человеко-зивертах (чел.-Зв).

Следует ввести, однако, еще одно определение, поскольку многие радионуклиды распадаются очень медленно и останутся радиоактивными и в отдаленном будущем. Коллективную эффективную эквивалентную дозу, которую получат многие поколения людей от кого-либо радиоактивного источника за все время его дальнейшего существования, называют ожидаемой (полной) коллективной эффективной эквивалентной дозой.

Такая иерархия понятий на первый взгляд может показаться слишком сложной, но тем не менее она представляет собой логически последовательную систему и позволяет рассчитать согласующиеся или сопоставимые друг с другом дозы облучения. Все вышесказанное о дозах облучения кратко резюмируется ниже.

Дозы радиационного облучения:

Поглощенная доза - энергия ионизирующего излучения, поглощенная облучаемым телом (тканями организма), в пересчете на единицу массы.

Эквивалентная доза - поглощенная доза, умноженная на коэффициент, отражающий способность данного вида излучения повреждать ткани организма.

Эффективная эквивалентная доза - эквивалентная доза, умноженная на коэффициент, учитывающий разную чувствительность разных тканей к облучению.

Несистемная единица - рентген в 1 с (Р/с; 1 Р/с = 2,58-Ю4 А/кг).

Мощность дозы, измеренную в данной точке называют радиационным фоном.

Мощность дозы, измеренную на расстоянии 1 м от поверхности зараженного объекта, называют уровнем радиации,

Полевые приборы отградуированы либо в рентгенах в час (Р/ч), либо в миллирентгенах в час (мР/ч), либо в микрорентгенах в час (мкР/ч). Если уровень радиации во времени не изменяется, то произведение величины уровня радиации на продолжительность облучения дает дозу облучения.

Несистемной единицей поглощенной дозы является рад (1 рад = 100 эрг/г= 10-2Дж/кг),

Грей (Гр) - единица поглощенной дозы в системе СИ. Представляет собой количество энергии ионизирующего излучения, поглощенной единицей массы какого-либо физического тела, например тканями организма.

I Гр = 1 Дж/кг.

3иверт (Зв) - единица эквивалентной дозы в системе СИ. Представляет собой единицу поглощенной дозы, умноженную на коэффициент, учитывающий неодинаковую, радиационную опасность для организма разных видов ионизирующего излучения.

Один зиверт соответствует поглощенной дозе в 1 Дж/кг (для рентгеновского и г излучений).

Определение радиации и ее разновидности

Радиация -- это все виды электромагнитного излучения: свет, радиоволны, энергия солнца и множество иных излучений вокруг нас.

Источниками проникающей радиации, создающими природный фон облучения, являются галактическое и солнечное излучение, наличие радиоактивных элементов в почве, воздухе и материалах, используемых в хозяйственной деятельности, а также изотопов, главным образом, калия, в тканях живого организма. Одним из наиболее весомых естественных источников радиации является радон -- газ, не имеющий вкуса и запаха.

Интерес представляет не любая радиация, а ионизирующая, которая, проходя сквозь ткани и клетки живых организмов, способна передавать им свою энергию, разрывая химические связи внутри молекул и вызывая серьезные изменения в их структуре. Ионизирующее излучение возникает при радиоактивном распаде, ядерных превращениях, торможении заряженных частиц в веществе и образует при взаимодействии со средой ионы разных знаков.

Все ионизирующие излучения делятся на фотонные и корпускулярные. К фотонному ионизирующему излучению относятся:

а) г-излучение, испускаемое при распаде радиоактивных изотопов или аннигиляции* частиц. Гамма-излучение по своей природе является коротковолновым электромагнитным излучением, т.е. потоком высокоэнергетических квантов электромагнитной энергии, длина волны которых значительно меньше межатомных расстояний, т.е. л 10-8 см. Не имея массы, г-кванты двигаются со скоростью света, не теряя ее в окружающей среде. Они могут лишь поглощаться ею или отклоняться в сторону, порождая пары ионов: частица-античастица, причем последнее наиболее значительно при поглощении г-квантов в среде. Таким образом, г-кванты при прохождении через вещество передают энергию электронам и, следовательно, вызывают ионизацию среды. Благодаря отсутствию массы, г-кванты обладают большой проникающей способностью (до 4-5 км в воздушной среде);

6) рентгеновское излучение, возникающее при уменьшении кинетической энергии заряженных частиц и/или при изменении энергетического состояния электронов атома.

Корпускулярное ионизирующее излучение состоит из потока заряженных частиц (альфа-, бета- частиц, протонов, электронов), кинетическая энергия которых достаточна для ионизации атомов при столкновении. Нейтроны и другие элементарные частицы непосредственно не производят ионизацию, но в процессе взаимодействия со средой высвобождают заряженные частицы (электроны, протоны), способные ионизировать атомы и молекулы среды, через которую проходят:

а) нейтроны - единственные незаряженные частицы, образующиеся при некоторых реакциях деления ядер атомов урана или плутония. Поскольку эти частицы электронейтральны, они глубоко проникают во всякое вещество, включая живые ткани. Отличительной особенностью нейтронного излучения является его способность превращать атомы стабильных элементов в их радиоактивные изотопы, т.е. создавать наведенную радиацию, что резко повышает опасность нейтронного излучения. Проникающая способность нейтронов сравнима с г-излучением. В зависимости от уровня носимой энергии условно различают нейтроны быстрые (обладающие энергией от 0,2 до 20 МэВ) и тепловые (от 0,25 до 0,5 МэВ). Это различие учитывается при проведении защитных мероприятий. Быстрые нейтроны замедляются, теряя энергию ионизации, веществами с малым атомным весом (так называемыми водородсодержащими: парафин, вода, пластмассы и др.). Тепловые нейтроны поглощаются материалами, содержащими бор и кадмий (борная сталь, бораь, борный графит, сплав кадмия со свинцом).б-, в частицы и г-кванты обладают энергией всего в несколько мегаэлектронвольт и создавать наведенную радиацию не могут;

6) в-частицы -- электроны, испускаемые во время радиоактивного распада ядерных элементов с промежуточной ионизирующей и проникающей способностью (пробег в воздухе до 10--20 м).

в) б-частицы -- положительно заряженные ядра атомов гелия, а в космическом пространстве и атомов других элементов, испускаемые при радиоактивном распаде изотопов тяжелых элементов -- урана или радия. Они обладают малой проникающей способностью (пробег в воздухе - не более 10 см), даже человеческая кожа является для них непреодолимым препятствием. Опасны они лишь при попадании внутрь организма, так как способны выбивать электроны из оболочки нейтрального атома любого вещества, в том числе и тела человека, и превращать его в положительно заряженный ион со всеми вытекающими последствиями, о которых будет сказано далее. Так, б-частица с энергией 5 МэВ образует 150 000 пар ионов.

Количественное содержание радиоактивного материала в организме человека или веществе определяется термином «активность радиоактивного источника» (радиоактивность). За единицу радиоактивности в системе СИ принят беккерель (Бк), соответствующий одному распаду в 1 с. Иногда на практике применяется старая единица активности - кюри (Ки). Это активность такого количества вещества, в котором за 1 с происходит распад 37 млрд атомов. Для перевода пользуются зависимостью: 1 Бк = 2,7 х 10-11 Ки или 1 Ки = 3,7 х 1010 Бк.

Каждый радионуклид имеет неизменный, присущий только ему период полураспада (время, необходимое для потери веществом половины активности). Например, у урана-235 он составляет 4 470 лет, тогда как у иода-131 -- всего лишь 8 суток.

химический валентность изотоп нуклид

Размещено на Allbest.ru