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

* 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:

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.