Радиационная безопасность. От теории к практике

Число распадов в одном грамме радия (атомный вес 226 и период полураспада 1620 лет) составляет 3,7х10

 распадов в секунду. Это число распадов в одну секунду принято за единицу радиоактивности – кюри или 3,7х10

Бк.

Характеристикой скорости распада является также среднее время жизни радиоактивного изотопа – среднее значение промежутка времени от момента образования ядра до момента его распада. Среднее время жизни изотопа может быть определено путем сложения времени жизни всех радиоактивных атомов и деления этой суммы на первоначальное число радиоактивных атомов.

Характеристика радиоактивного изотопа, представляющая собой скорость (интенсивность) распада его атомов, называется активностью. Она определяется числом ядер вещества, распадающихся в единицу времени.

Единицами измерения радиоактивности в системе СИ является 1 беккерель (Бк), который равен 1 распаду в секунду. Широко используются в настоящее время внесистемные единицы: кюри (1 Кu=3,7х10

 Бк (расп./с)), милликюри (1 мKu=3,7х10

 Бк (расп./с)) и микрокюри (1 мкKu=3,7х10

 Бк (расп./с)).

Кюри (Ku) – единица активности радионуклида, в котором происходит 3,7х10

 актов распада в секунду, что соответствует числу распадов в секунду 4 г радия-226.

Важными для практики являются понятия: удельной активности радиоактивных веществ, под которой понимается их активность, отнесенная к единице массы и объемной активности-активности, отнесенной к единице объема среды (например, Бк/кг (мKu/г), Бк/л (мKu/л) воды, Бк/м

(мкKu/м

) воздуха и т. д.).

1.1.4. Энергия связи и дефект массы атомных ядер

Для уяснения физического процесса и закономерностей выделения ядерной энергии необходимо рассмотреть взаимодействие сил между нуклонами ядра, энергию связи ядра и условия ее освобождения.

Атомы всех элементов обладают определенными значениями массы и энергии, основная часть которых сосредоточена в ядрах. Определенным количеством энергии обладают и ядра атомов, находящихся в нормальном (невозбужденном) состоянии, равновесие нуклонов в которых поддерживается действием ядерных и кулоновских сил. Изменение равновесия этих сил в ядре приводит к изменению его энергетического уровня.

Чтобы удалить друг от друга («растащить») в пределах действия ядерных сил взаимно притягивающиеся нуклоны ядра, необходимо затратить работу. При этом, энергия нуклонов в новом состоянии будет больше их энергии в прежнем состоянии. Если удаленные в пределах радиуса ядра нуклоны предоставить самим себе, то под действием ядерных сил они вернутся в прежнее положение, при этом согласно закону сохранения энергии выделится определенное количество энергии. Однако, энергия всех нуклонов ядра после их сближения будет меньше энергии в положении, когда они были удалены друг от друга.

Аналогично, при образовании ядра происходит «стягивание» ядерными силами его протонов и нейтронов, сопровождающееся выделением энергии. Энергия образовавшегося ядра будет меньше на определенную величину энергии свободных нуклонов этого ядра.

Для разрушения атомного ядра, т. е. для полного выведения всех его нуклонов за пределы действия ядерных сил, нужно затратить энергию, соответствующую работе преодоления ядерных сил. Количество энергии, требующейся для разделения ядра на отдельные нуклоны, называется энергией связи ядра.

Количественно энергия связи ядра равна энергии, освобождающейся при образовании этого ядра из свободных нуклонов. Энергия связи ядра характеризует силы, связывающие его нуклоны, подобно энергии связи молекулы, характеризующей силы химических связей атомов. Как при образовании из атомов молекулы связь между атомами тем сильнее, чем больше выделяется тепловой энергии, так и при образовании из свободных нуклонов атома связь нуклонов тем прочнее (энергия связи ядра тем больше), чем больше выделяется энергии. Ядерные силы в миллионы раз превышают силы химических связей молекул, поэтому энергия связи атомных ядер несоизмеримо больше энергии связи молекул.

Энергия связи является мерой устойчивости ядра: чем она больше, тем ядро устойчивее, тем больше требуется энергии для его разрушения.

Количественные значения энергии связи атомных ядер различных элементов зависят главным образом от количества нуклонов в ядре (массового числа А) и соотношения числа нейтронов и протонов в нем. Чем больше массовое число ядра, тем больше энергия связи ядра.

С уменьшением энергии ядра при образовании его из свободных нуклонов соответственно уменьшается и масса образовавшегося ядра по сравнению с массой всех нуклонов, его образовавших. Эту убыль массы при ядерных превращениях называют дефектом массы. Ее количественное значение для ядра данного изотопа точно соответствует значению энергии связи этого же ядра.

Дефект массы ядра является мерилом энергии связи, по его значению можно определить количество энергии, выделяющейся при образовании ядра из свободных нуклонов.

Удельная энергия связи ядер различных элементов различна. На рис. 1.5 приведены значения удельной энергии связи устойчивых атомных ядер в зависимости от значений их массового числа. Из рисунка видно, что в области малых массовых чисел с возрастанием их значений удельная энергия связи ядер вначале быстро возрастает, достигает максимальных значений (около 8,7 МэВ) при массовых числах равных 60…80, а затем медленно уменьшается. Следовательно, ядра со средней массой являются наиболее устойчивыми.

Этот факт определил два пути выделения ядерной энергии для практического использования:

реакции синтеза наиболее легких ядер (термоядерные реакции);

реакции деления наиболее тяжелых атомных ядер.

Предлагается рассмотреть определение дефекта масс на примере ядра гелия.

Рис. 1.5. Средняя энергия связи ядра на один нуклон

Ядро гелия

He состоит из двух протонов и двух нейтронов.

Масса его равна 4,003 а.е.м., масса протона равна 1,00758 а.е.м., а масса нейтрона 1,00893 а.е.м.

При образовании (синтезе) одного ядра гелия

He из двух атомных ядер тяжелого водорода

H (дейтронов) дефект массы ядра составляет 0,02559 а.е. м. При образовании одного грамм-атома гелия, т. е. 4,004 г (6,02х10

 атомов), выделится энергия в количестве 5,45х10

 кал, что соответствует количеству тепла, выделяющемуся при сжигании около 78000 кг каменного угля с теплотворной способностью 7000 ккал/кг.

1.2. Ядерные реакции. Взаимодействие ИИ с веществом

1.2.1. Ядерные реакции с нейтронами

Процессы, происходящие при внешнем воздействии на атомные ядра элементарных частиц или других ядер, в результате которых ядра претерпевают какие-либо превращения, называются ядерными реакциями. Процессы радиоактивности, при которых соответствующие превращения происходят внутри самих ядер в силу их внутренней неустойчивости (без внешнего воздействия), к ядерным реакциям не относятся.

При исследованиях в современной ядерной физике часто прибегают к «бомбардировке» атомных ядер-мишеней элементарными частицами. Взаимодействия между ядрами и частицами очень разнообразны.

В результате ядерных реакций изменяется состав ядер, что нередко приводит к превращению одних химических элементов в другие; во всех случаях изменяется энергетическое состояние ядер, вступающих в реакцию. Впервые реакция искусственного превращения одного элемента в другой была осуществлена в 1919 г. известным английским физиком Э. Резефордом.

Эта реакция проходит в две стадии:

N+

He->

F*

Знак * указывает, что ядро находится в возбужденном состоянии. В результате на этой стадии получается радиоактивный изотоп фтора, ядро которого через очень короткий промежуток времени (около 10

 с), называемый временем жизни возбужденного ядра, теряет избыточную энергию, испуская протон (ядро атома водорода), и превращается в устойчивый изотоп кислорода: