14. ИОНИЗИРУЮЩЕЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ПРИ РАДИОАКТИВНОМ РАСПАДЕ

14. ИОНИЗИРУЮЩЕЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ПРИ РАДИОАКТИВНОМ РАСПАДЕ

Частицы и излучение, испускаемые при радиоактивном распаде несут достаточно энергии для того, чтобы выбить электрон из вещества, через которое они проходят. Другими словами, это излучение классифицируется как ионизирующее излучение (ионизирующее излучение – это любая частица или электромагнитное излучение, которые имеют достаточную энергию для выбивания электронов из атомов, молекул или ионов). Хотя основным источником ионизирующего излучения является радиоактивный распад, существуют и другие источники, подробное обсуждение которых проводится в разделе 5 этого модуля.

Следует отметить, что эффекты, вызванные ионизирующим излучением от любого источника, являются предметом особого рассмотрения для тела человека, в котором оно может взаимодействовать с биологическими клетками и могут вызвать повреждение тканей и органов.

2.1.      Единицы и величины

Энергия ионизирующего излучения измеряется в электронвольтах (эВ). 1 эВ это энергия, которую приобретает электрон при прохождении разности потенциала в 1 вольт и равна 1.6 x 10-19 Дж. На практике, энергия ионизирующего излучения обычно дается в единицах производных от электронвольта, таких как килоэлектронвольт (кэВ или 103 эВ) или мегаэлектронвольт (МэВ или 106 эВ).

2.2.      Виды ионизирующего излучения

Как уже было отмечено, чаще всего при радиоактивном распаде испускаются альфа-частицы, бета-частицы и гамма-кванты. Другие возможные виды испускания частиц включают позитроны, рентгеновское излучение, и очень редко - нейтроны.

2.2.1       Альфа-частицы

Альфа-частицы состоят из двух протонов и двух нейтронов, сильно связанных друг с другом. По сути это ядро гелия (He) с атомной массой 4 а.е.м. и зарядом +2e. Альфа-частицы обозначаются символом a.

2.2.2       Бета-частицы

Бета-частицы представляют собой электроны, которые испускаются ядром радионуклида. Они образуются, когда нейтрон в ядре распадается на протон и электрон. Протон остается в ядре, а электрон испускается в качестве бета-частицы. Бета-частица имеет маленькую массу (примерно 1/1820 а.е.м.) и единичный отрицательный заряд (т.е. заряд –1e). Бета-частицы обозначаются символом b, но иногда пишут b-, обозначая тем самым отрицательный заряд испускаемого электрона.

2.2.3       Гамма-кванты

Гамма кванты являются электромагнитным излучением, которое испускается ядром атома. Электромагнитное излучение состоит из пакетов (квантов) энергии, называемых фотонами, которые передаются в форме волн со скоростью света. гамма излучение не обладает массой и зарядом и обозначается символом g.

2.2.4       Позитроны

Позитроны возникают при распаде протона в ядре, который превращается в нейтрон и положительный электрон (позитрон). Нейтрон остается в ядре, а позитрон испускается с большой скоростью. Позитроны подобны бета-частицам по большинству свойств, но главное отличие это – положительный заряд. Поэтому позитроны обозначаются символом b+, указывающему на сходство и отличие от бета-частиц.

2.2.5       Рентгеновское излучение

Подобно гамма квантам рентгеновское излучение также является электромагнитным излучением, не обладающим массой и зарядом. Однако рентгеновское излучение отличается от гамма-излучения тем, что гамма-кванты испускаются при переходах в ядре атома, тогда как рентгеновское излучение испускается при переходах электрона между энергетическими уровнями в атоме. Рентгеновское излучение не имеет символьного обозначения, но вы можете встретить символ X, используемый для обозначения рентгеновского излучения (X-лучи).

2.2.6       Нейтроны

Как Вы уже узнали из модуля 1.1 Структура материи, нейтроны (символ n) представляют собой нейтральные частицы, находящиеся в ядре атома, масса которых примерно равна 1а.е.м.

2.2.7       Сводка  каждого вида ионизирующего излучения

Таблица 1 суммирует свойства каждого вида ионизирующего излучения, которое может быть испущено при радиоактивном распаде.

Таблица 1

Свойства видов ионизирующего излучения

Вид излучения Символ Масса,а.е.м.* Заряд,e#
Альфа a 4 +2
Бета b- 1/1820 -1
Гамма g 0 0
Позитрон b+ 1/1820 +1
Рентгеновские лучи X 0 0
Нейтрон n 1 0

* в а.е.м.

# в единицах элементарного заряда

Вопросы для самопроверки 1

Теперь посмотрите, как много Вы усвоили из прочитанного, ответив на следующие вопросы в Вашей рабочей тетради:

1.             Соотнесите понятия радиоактивный материал, радиоактивный распад, ионизирующее излучение, электронвольт, альфа-частица, бета-частица, гамма кванты, позитрон, рентгеновское излучение и нейтрон со следующими определениями:

a)       Частица, подобная электрону, но положительно заряженная.

b)       Превращение ядра атома в стабильное.

c)        Частица, состоящая из двух протонов и двух нейтронов.

d)       Вещество, которое подвергается спонтанному изменению своей структуры, приводящему к его стабильному состоянию.

e)       Частица, подобная электрону, испускаемая ядром с большой скоростью.

f)          Нейтральная частица, очень редко испускаемая при радиоактивном распаде.

g)       Величина, численно равная 1,6 x 10-19 Дж, которая используется для обозначения энергии ионизирующего излучения

h)        Электромагнитное излучение, испускаемое при переходе электрона из состояния с высокой энергией в состояние с более низкой энергией .

i)          Любая частица или излучение, обладающее достаточной энергией для выбивания электрона из атомов, молекул и ионов.

j)          Электромагнитное излучение, испускаемое ядром атома.

2.      Заполните следующую таблицу:

Вид излучения Символ Масса,а.е.м. Заряд,e
Альфа
Бета
Гамма
Позитрон
Рентгеновское излучение
Нейтрон

3.      Какие два вида ионизирующего излучения чаще связывают с другими источниками, нежели радиоактивный распад?

Теперь сверьте Ваши ответы с модельными ответами в рабочей тетради.

2.3.      Использование диаграммы нуклидов для определения формы распада

Как уже было отмечено, когда радионуклиды подвергаются радиоактивному распаду, атом испускает частицы и излучение. Путь, по которому происходит распад, различен для каждого конкретного радионуклида, и их распад отличается как видом испускаемых частиц, так и энергиями частицы или излучения. Таблица  нуклидов предоставляет полезную информацию касательно форм радиоактивного распада и энергии продуктов распада, и важно, чтобы Вы научились использовать эту информацию правильно.

Как Вы уже узнали из модуля 1.1 «Структура материи», диаграмму нуклидов можно использовать для нахождения как стабильных, так и нестабильных нуклидов. Запомните, что стабильные нуклиды образуют неровную полосу, проходящую диагонально в верх к правой стороне диаграммы. В основном, стабильные нуклиды имеют немного больше нейтронов, чем протонов, и это особенно справедливо для нуклидов с большой атомной массой. Также, чем ближе нуклид к линии стабильности, тем он стабильнее. Это отображается в том, что эти нуклиды имеют большой период полураспада.

К тому же кроме получения информации о стабильности, диаграмма нуклидов может использоваться для определения, каким образом определенный радионуклид будет распадаться. По диаграмме можно определить вид и энергию испускаемого излучения.

Взгляните на Вашу диаграмму нуклидов. Около центра каждой ячейки малыми буквами указаны формы распада радионуклида и энергия излучения. Моды распада даны в порядке распространенности, так что первая мода показывает наиболее вероятную моду распада радионуклида. Энергия излучения дана в МэВ для альфа- и бета-частиц и в кэВ для гамма или рентгеновского излучения. Найдите на диаграмме радионуклид йод-131. Какой вид излучения испускается и какова его энергия для наиболее вероятной моды распада этого радионуклида?

Наиболее вероятной модой распада йод-131 является испускание бета-частицы с энергией 0,606 МэВ.

Обратите внимание, что хотя наиболее вероятные моды распада приведены на диаграмме нуклидов, могут быть и другие более редкие  моды распада, которые не перечислены. Также иногда две различные  моды распада связаны друг с другом и это не обязательно отображено на диаграмме. Поэтому диаграмма нуклидов должна использоваться как путеводитель для определения  мод распада, а не как источник полной информации.

Таблицу нуклидов можно использовать для предсказания вида продуктов распада. В разделе 2.4 показано, как использовать диаграмму нуклидов для определения продуктов распада.