4 практические работы.Радиационная безопасность рабочей среды

4 практические работы

Все студенты делают расчет по одному варианту.

Задания для выполнения практических работ:

ПР №1: задачи 1; 2.1; 3.2; 4.2. (4 задачи)

ПР №2: задачи 1, 4, 5, 6, 10 (с) (5 задач)

ПР№3: задачи 1, 2, 7 (3 задачи)

ПР№4: задачи 1, 3 задача взять вещество кобальт, персонал А, расстояние до источника ионизирующего излучения – 10 см.

(2 задачи).

Практическая работа №1

РАДИОАКТИВНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ

Радиоактивностью называется способность атомных ядер к самопроизвольному превращению в другие ядра с ис- пусканием одной или нескольких заряженных частиц и фо- тонов. Ядра, обладающие свойством самопроизвольно рас- падаться, называются радиоактивными, а ядра, не имеющие таких свойств, – стабильными. Из более чем 1700 известных в настоящее время нуклидов только 200 стабильны. Боль- шинство радионуклидов получено искусственно.

Все встречающиеся в природе элементы с атомными номерами > 83 (висмут) радиоактивны. Они представляют собой отдельные звенья последовательных превращений – радиоактивные ряды. Существует четыре ряда радиоактив- ных превращений: три естественных (ряды урана-235, урана- 238 (актиноурана, AcU), тория-232) и один искусственный (ряд нептуния). Характерной особенностью трёх естествен- ных семейств является наличие в ряду превращений газооб- разных радиоактивных продуктов – изотопов радона. Как видно из схем превращений, в некоторых случаях возможны два пути перехода одного и того же изотопа в два новых эле- мента с одной и той же скоростью в результате альфа- и бе- та-распада. Это так называемые «вилки» – одни и те же ядра с разными вероятностями претерпевают различные типы ра- диоактивного распада. Более вероятен тот процесс, по кото- рому осуществляется превращение большей доли ядер. Обычно на схемах радиоактивных семейств в случае «вилок»

под типом распада в скобках обозначена доля (%) превра- щающихся ядер.

Существуют также радиоактивные элементы, не входя- щие в ряды. Одним из наиболее важных радиоактивных изо- топов, не связанных ядерными превращениями с другими, является калий-40 (Т1/2= 1,3·109; β-, k-захват). Несмотря на низкую активность и малую распространённость изотопа (около 0,0119%), калий-40 играет не менее важную роль в тепловом балансе Земли, чем уран и торий. Элементов с Т1/2<108 лет на Земле не существует: они давно «вымерли». Их следы можно обнаружить по стабильным продуктам рас- пада.

Атомное ядро содержит более 99,95% всей массы атома, имеет размеры порядка 10-12 – 10-13 см. Атомные ядра состоят из элементарных частиц – протонов и нейтронов, их массы близки между собой. Протон электрически положителен (его заряд равен заряду электрона), нейтрон – электрически ней- трален. Протон и нейтрон, входящие в состав атомного ядра, объединяются под общим названием нуклон. Общее число нуклонов в ядре называется массовым числом и обознача- ется через А. Число протонов в ядре называется атомным номером химического элемента (Z, зарядное число). Число нейтронов в ядре обозначается через N. В нормальном со- стоянии атом электрически нейтрален. Химические свойства атома определяются особенностями структуры его электрон- ных оболочек и числом электронов.

Тип атомного ядра обозначают:

A X ,

где А – массовое число; Z – атомный номер химического элемента; N – число нейтронов.

Следовательно:

N + Z = A.

Ядра с одним и тем же числом Z, но различным числом А называются изотопами химического элемента с атомным номером Z, например изотопы водорода:

 1 H (Z=1, N=0) – обычный водород, или протий;

 2 H (Z=1, N=1) – тяжёлый водород, или дейтерий;

 3 H (Z=1, N=2) – радиоактивный водород, тритий. Ядра с одинаковыми величинами А, но разным Z назы-

ваются изобарами. Пример триады изобаров: аргон 40 Ar ,

калий 40 K, кальций 40 Ca .

19 20

Возбуждённое ядро может находиться в метастабиль- ном состоянии. Это объясняет существование изомеров – ядер с одинаковыми А и Z, но с различным запасом энергии. Наиболее часто явление ядерной изомерии встречается у ис- кусственно радиоактивных изотопов.

Нуклиды – группы атомов с одинаковыми значениями А и Z. Радиоактивные нуклиды называются радионукли- дами.

К числу радиоактивных явлений относят:

 α-распад;

 β-превращение;

 γ-излучение;

 нейтронное излучение;

 протонную и двухпротонную радиоактивность;

 кластерную радиоактивность и др.

Альфа-излучение – поток ядер гелия или, иначе, α- частиц. Альфа-частица состоит из двух протонов p и двух нейтронов n:

4 He  21p 2 1n .

2 1 0

Следовательно:

 электрический заряд α-частицы равен двум элемен- тарным электрическим зарядам со знаком (+);

 масса равна 4 атомным единицам массы (масса этих частиц превышает массу электрона в 7300 раз);

 энергия α-частиц колеблется в пределах 211 МэВ (индивидуальная и постоянная для каждого изотопа). В ядерной физике энергию частиц выражают в электронволь- тах [эВ]. Электронвольт – энергия, которую приобретает электрон, проходящий в электрическом поле с разностью по- тенциалов в 1 В.

Возникают α-частицы при распаде тяжёлых ядер. Ядра с порядковым номером Z больше 82 (82Pb), за редким исклю- чением, альфа-активны. В настоящее время известно более 160 альфа-активных видов ядер.

Процесс альфа-распада схематично можно представить

так:

A X  A4Y  4 He Q,

Z Z 2 2

где Х – символ исходного ядра; Y – символ дочернего; Q – излучаемый избыток энергии; А – массовое число; Z – поряд- ковый номер элемента.

Например:

238 U  234 Th 4 He Q.

При альфа-распаде дочерний элемент смещается на две клетки влево относительно материнского в периодической системе Д.И. Менделеева.

Бета-излучение представляет собой поток электронов или позитронов ядерного происхождения. Позитрон – эле- ментарная частица, подобная электрону, но с положитель- ным знаком заряда (античастица электрона). Физические па- раметры электронов ядерного происхождения (масса, заряд) такие же, как и у электронов атомной оболочки. Обознача- ются бета-частицы символами β- или е-, β+ или е+.

Бета-частицы возникают внутри ядер при превращении нейтронов в протоны или протонов в нейтроны. В 1932 г. для объяснения исчезновения энергии Вольфганг Паули (1900– 1958) предложил считать, что при β-распаде вместе с элек- троном (позитроном) вылетает ещё одна частица. Итальян- ский физик Энрико Ферми (1901–1954) назвал ее нейтрино

~

( ) – маленький нейтрон (или антинейтрино ( ) – в случае

β+-распада). Экспериментальное доказательство существова- ния этих частиц было выполнено в 1953-1954 гг.

Характеристики нейтрино и антинейтрино:

1) нейтральные частицы (Z=0);

2) масса покоя равна нулю;

3) нейтрино от антинейтрино отличается направлением спина по отношению к импульсу.

Рис. 1.1. Распределение бета-частиц по энергиям:

N – число бета-частиц; Е – их энергия (МэВ)

Таким образом, внутриядерные превращения имеют следующий вид:

(_0^1)(n→(_1^1)p ) + e^- +ϑ

(_1^1)(p→(_0^1)n ) + e^+ + ϑ̃

Энергия, освобождаемая при каждом акте распада, распределяется между бета-частицей и нейтрино. Поэтому, в отличие от альфа-частиц, бета-частицы одного и того же радиоактивного элемента обладают различным запасом энергии (от нуля до некоторого максимального значения). Если бета-частица вылетает из ядра с большим запасом энергии, то нейтрино испускается с малым количеством энергии, и наоборот. Поэтому энергетический спектр бета- излучения сплошной и непрерывный. Средняя энергия бета- частиц в спектре равна примерно ⅓ их максимальной энер- гии (рис. 1.1). Максимальная энергия бета-частиц различ- ных элементов имеет широкие пределы: от 0,015÷0,05 МэВ (мягкое бета-излучение) до 3÷12 МэВ (жёсткое бета- излучение). Электронный (бета-минус) распад описывается уравнением

A X  AY     .

При этом распаде заряд ядра и, соответственно, атом- ный номер элемента увеличиваются на единицу, а массовое число остаётся неизменным. То есть в периодической систе- ме химических элементов дочерний элемент сдвигается на одну позицию вправо относительно исходного. Примером бета-минус распада может служить распад естественного ра- диоактивного изотопа калия:

40 K  40 Ca    .

Позитронный (бета-плюс) распад имеет вид:

A X 

~

AY     .

При этом заряд ядра и, соответственно, атомный номер элемента уменьшаются на единицу, а массовое число остаёт-

ся неизменным. В периодической системе химических эле- ментов дочерний элемент сдвигается на одну позицию влево относительно материнского.

Позитронный распад типичен для искусственно полу- ченных изотопов. Например:

(_(15)^(30))P → (_(14)^(30))(Si+β^+ +ϑ̃)

Электронный захват (К-захват). Превращение ядра может быть осуществлено путём электронного захвата, когда один из протонов ядра захватывает электрон с одной из обо- лочек атома, чаще всего, с ближайшего к нему К-слоя или, реже, с L-слоя и превращается в нейтрон:

(_1^1)p + (_(-1)^0)(e→(_0^1)(n+ϑ̃) )

1

Порядковый номер нового ядра становится на единицу меньше порядкового номера исходного ядра, а массовое чис- ло не меняется. Превращение при К-захвате записывают сле- дующим образом:

A X 0 e

~ A Y  .

Например:

(_(19)^(40))K + (_(-1)^0)(e→(_(18)^(40))(Ar+ϑ̃) )

Освободившееся место, которое занимал в К- или L- слое захваченный электрон, заполняется электроном из более удалённых от ядра слоев оболочки атома. Избыток энергии, освободившейся при таком переходе, испускается атомом в

виде характеристического рентгеновского излучения. Атом по-прежнему сохраняет электрическую нейтральность, так как количество протонов в ядре при электронном захвате также уменьшается на единицу.

Позитронный распад и электронный захват, как прави- ло, наблюдают только у искусственно-радиоактивных изо- топов.

Гамма-излучение – это поток квантов электромагнит- ной энергии (волн) высокой частоты (рис. 1.2). Физическая природа этих волн такая же, как и у радиоволн, видимого света, ультрафиолетовых и инфракрасных лучей, рентгенов- ского излучения.

При различных переходах атомов и молекул из возбуж- денного состояния в стабильное может также происходить испускание видимого света, инфракрасных и ультрафиолето- вых лучей.

Рис. 1.2. Спектр электромагнитного излучения

Гамма-кванты испускаются ядрами атомов при альфа- и бета-распаде природных и искусственных радионуклидов в тех случаях, когда в дочернем ядре оказывается избыток энергии, не захваченный корпускулярным излучением (аль- фа- или бета-частицей). Этот избыток мгновенно высвечива- ется в виде гамма-квантов (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Образование γ-квантов при радиоактивном распаде

 Гамма-кванты лишены массы покоя. Это значит, что фотоны существуют только в движении.

 Они не имеют заряда, поэтому в электрическом и магнитном полях не отклоняются.

 Скорость распространения гамма-квантов в вакууме равна скорости света (3•1010 см/с).

Частота колебаний гамма-квантов связана с длиной их волны. Чем больше длина волны, тем меньше частота коле- баний, и наоборот, т. е. частота колебаний обратно пропор- циональна длине волны. Чем меньше длина волны и больше частота колебаний излучения, тем больше его энергия и, следовательно, проникающая способность. Энергия гамма- излучения естественных радиоактивных элементов колеб- лется от нескольких килоэлектронвольт до 23 МэВ и редко достигает 56 МэВ.

Гамма-излучатели редко имеют однозначную энергию квантов (моноэнергетический или монохроматический спектр). В состав потока гамма-излучения чаще входят кван- ты различной энергии. Однако «набор» их для каждого изо- топа постоянен и образует линейчатый спектр излучения.

Гамма-кванты, не имея заряда и массы покоя, вызывают слабое ионизирующее действие, но обладают большой про- никающей способностью. Путь пробега в воздухе достигает 100150 м.

Ядерной реакцией называется процесс взаимодействия ядра с другим ядром, элементарной частицей или фотоном, в результате которого образуется одно или несколько новых ядер. Кроме того, ядерная реакция сопровождается излуче- нием фотонов или некоторых элементарных частиц. Первой ядерной реакцией, осуществленной человеком, было пре- вращение азота в кислород (Э. Резерфорд, 1919 г.):

14 N 4 He  17 O 1 H .

Сокращенно эту реакцию можно записать так:

14 N( , p) 17 O .

Вопросы для самоконтроля

1. Что такое радиоактивность?

2. Каких нуклидов больше – стабильных или радиоак- тивных?

3. Что такое радиоактивные ряды? Приведите примеры.

4. Существуют ли радиоактивные элементы, не входя- щие в ряды?

5. Что такое нуклон?

6. Как схематически обозначают тип атомного ядра?

7. Что такое изотопы, изобары и изомеры?

8. Что такое нуклиды?

9. Что представляет собой альфа-излучение, бета- излучение, гамма-излучение?

10. Какую роль в бета-превращениях играет нейтрино?

11. Что такое ядерная реакция?

Задачи

1. Объясните, что изображено на рисунке:

2. Найдите элементы:

      

2.1. 218 Po .....................

     

2.2. 225 Ac ..................

         

2.3. 230 Th ..............................

 α …

 α … 

… …

2.4.

220 Rn ...  … α

 … α

      

2.5. 223 Fr .....................

3. Определите число α- и β-частиц (Nα и Nβ), образую- щихся при следующих переходах:

3.1. (_(89)^(228))(Ac→(_(83)^(212))(Bi) )

3.2. (_(88)^(226))(Ra→(_(84)^(214))(Po) )

3.3. (_(89)^(227))(Ac→(_(85)^(215))(At) )

4. Найдите частицу (элемент) х в следующих реакциях:

4.1. 68 Zn 1 n65 Ni  x

30 0 28

4.2. 30 P30 Si  x

15 14

4.3. 214 Pb214 Bi  x

82 83

4.4. 235 U 1 n72 Zn  4( 1n)  x

92 0 30 0

4.5. 130 Te 2 H131 I  x

52 1 53

4.6. 64 Cu  x64 Ni

29 28

Практическая работа №2

ОСНОВНОЙ ЗАКОН РАДИОАКТИВНОГО РАСПАДА И АКТИВНОСТЬ РАДИОНУКЛИДОВ

Скорость распада радионуклидов различна – одни рас- падаются быстрее, другие – медленнее. Показателем скоро- сти радиоактивного распада является постоянная радиоак- тивного распада, λ [сек-1], которая характеризует вероят- ность распада одного атома за одну секунду. Для каждого радионуклида постоянная распада имеет своё значение: чем оно больше, тем быстрее распадаются ядра вещества.

Число распадов, регистрируемых в радиоактивном об- разце за единицу времени, называют активностью (a), или радиоактивностью образца. Значение активности прямо пропорционально количеству атомов N радиоактивного ве- щества:

a=λ•N, (2.1)

где λ – постоянная радиоактивного распада, [сек-1].

В настоящее время, согласно действующей Междуна- родной системе единиц СИ, за единицу измерения радиоак- тивности принят беккерель [Бк]. Своё название эта единица получила в честь французского учёного Анри Беккереля, от- крывшего в 1896 г. явление естественной радиоактивности урана. Один беккерель равен одному распаду в секунду

1 Бк = 1

расп .

сек

Однако до сих пор достаточно часто применяется вне- системная единица активности – кюри [Ки], введённая супру- гами Кюри как мера скорости распада одного грамма радия (в котором происходит 3,7·1010 распадов в секунду), поэтому принято считать

1 Ки = 3,7·1010 Бк.

Эта единица удобна для оценки активности больших количеств радионуклидов.

Снижение концентрации радионуклида во времени в ре- зультате распада подчиняется экспоненциальной зависимо- сти:

N  N et , (2.2)

где Nt – количество атомов радиоактивного элемента остав- шихся через время t после начала наблюдения; N0 – количе- ство атомов в начальный момент времени (t=0); λ – постоян- ная радиоактивного распада.