Радиация и физика : :

Что такое радиоактивность?

Радиоактивность - это процесс самопроизвольного выделения энергии с постоянной скоростью, присущей данному виду ядер. Такое определение радиоактивности дала Мария Кюри - знаменитый физик. Она была одной из тех ученых, кто впервые начал изучать радиоактивность.

История открытия

Впервые радиоактивность обнаружил Беккерель, когда во время своих экспериментов он увидел, что, соли урана самопроизвольно, без предварительного воздействия на них света, испускают лучи неизвестного происхождения. В то время природа лучей была еще не совсем понятна. Однако эксперименты продолжались. И вскоре были обнаружены другие элементы способные самопроизвольно испускать лучи - торий, радий.

В 1934 году Ирен и Фредерик Жолио-Кюри открывают явление искусственной радиоактивности: определенные вещества, например, алюминий, подвергнутые облучению альфа-частицами, превращаются в новые, неизвестные в природе радиоактивные изотопы, которые сами становятся источниками излучения. Это открытие стало толчком к развитию атомной физики. Постепенно ученые нашли применение новому физическому явлению - энергию атомов можно использовать для получения электрической энергии. Однако есть и другое применение данной энергии - в военных целях. Были созданы атомные бомбы с огромной разрушительной мощностью, способные разрушить целый город. Однако применение атомного оружия сейчас запрещено и все страны отказались от его использования.

Немного физики

У химических эелементов есть изотопы. Разные изотопы имеют равные количества протонов и электронов на околоядерных орбитах. Основное их отличие в том, что у изотопов различное количество нейтронов. Это приводит к различиям в атомных весах и в физических свойствах.

Каждый радиоактивный элемент теряет половину своей массы за одно и то же время - период полураспада. За это время половина ядер претерпевает радиоактивный распад, превращаясь в другой химический элемент. Масса урана уменьшится наполовину за несколько миллиардов лет, радия - за 1600 лет, масса газа радона - за 4 дня. Вы можете посмотреть таблицу основных физических характеристик естественных радионуклидов.

Ионизирующее излучение. Ионизирующее излучение - это любое излучение, взаимодействие которого со средой приводит к образованию в ней электрических зарядов разных знаков. Какие же детали в устройстве атома ответственны за появление излучения?

Переход между двумя энергетическими уровнями в спектре сопровождается поглощением или излучением строго фиксированной порции энергии - кванта энергии. Величина этой порции равна расстоянию между ступеньками-уровнями "энергетической лестницы" микрочастицы. Переходы же со ступеньки на ступеньку неизбежно происходят, поскольку атомы взаимодействуют с внешней средой, обмениваясь энергией.

Чем на более высокой орбите, т.е. чем дальше от ядра, находится электрон, тем слабее он связан с ядром. При получении атомом дополнительной энергии - при электромагнитном облучении электрон с нижней орбиты, получив порцию энергии, переходит на орбиту, более удаленную от центра атома - ядра. И у него появляется возможность оторваться от ядра. Если энергия, полученная электроном, превысит энергию его связи с ядром, атом лишается одного электрона, превращаясь в положительно заряженную частицу - положительный ион. Масса такого иона практически точно равна массе исходного нейтрального атома. Напомним, что альфа-частица - это результат двукратной ионизации атома гелия, когда оба электрона отрываются от первоначального атома.

Атом в целом или его ядро могут поглощать энергию отдельными порциями, двигаясь при этом вверх по "энергетической лестнице" - спектру энергий, атом при переходе с верхнего энергетического уровня на более низкий - излучает порцию энергии. Электромагнитное излучение атома оказывается квантованным, проявляющим в определенных условиях свойства потока частиц. Кванты электромагнитного излучения называют фотонами или гамма-квантами.

Физики пользуются специальной единицей измерения энергий: 1 электрон-Вольт - это энергия, получаемая электроном, когда он проходит ускоряющую разность потенциалов в 1 Вольт. Теперь можно сравнить возможности ионизации различных атомов. Так, для того, чтобы ионизовать атом цезия, достаточно придать электрону на его внешней оболочке энергию в 3,9 эВ. Для ионизации же атома гелия необходимо, как минимум, 24,6 эВ. Ионизация различных газов требует еще большей энергии: от 26 эВ для метана до 34 эВ для воздуха. Энергии рентгеновских квантов могут достигать десятков ( до 100) кэВ (1 кэВ = 103 эВ), так что ионизация атомов внешней среды этим излучением возможна. Именно поэтому гамма- и рентгеновское излучения называют ионизирующими излучениями.

Поток энергии, переносимой различными компонентами излучения, движется во внешней среде и взаимодействует с ней. Как? Альфа-частицы несут на себе заряд, равный двум зарядам электрона. Поэтому им приходится с большим трудом протискиваться сквозь чащу атомов вещества, на которое налетает этот поток ионов гелия. Взаимодействуя с атомами, альфа-частицы быстро раздают свою энергию на освобождение электронов из атомов среды, т.е. на многократные акты ионизации. Поэтому пробеги ионов гелия в среде очень малы максимум 10 см. Бета-частицы - электроны - реже взаимодействуют с атомами среды, их электрический заряд меньше, они намного легче, так что пробег в воздухе для них возможен около метра. Еще меньше вероятность столкновения с атомами среды и потеря энергии на их ионизацию у гамма-квантов, они пробегают в воздухе десятки метров, пока не растратят всю свою энергию. Поэтому это излучение и называют проникающим. Посмотрите сравнительную таблицу свойств радиоактивного природного излучения

Чем измерять лучи?

Облучение - это процесс взаимодействия излучения со средой. В мире существует далеко не только ионизирующее излучение, энергии которого достаточно для образования ионов в облучаемой среде, гораздо чаще вещество находится под воздействием иных типов радиации.

Одной из характеристик воздействия радиоактивных излучений на окружающее вещество является степень ионизации. Экспозиционная доза определяет энергетические возможности ионизирующего излучения. Когда эта единица вводилась в обиход, ее использовали для оценки эффективности генератора рентгеновского излучения. Но эта мера ионизирующего излучения перестала быть удобной, когда применение рентгеновских лучей в медицинской практике стало повсеместным. Дело в том, что понятие экспозиционной дозы опирается на способность ионизировать сухой воздух. На практике же понадобилась характеристика, показывающая насколько эффективно излучение ионизирует ткани человеческого организма. Поэтому было предложено измерять степень воздействия проникающего излучения на вещество количеством энергии, поглощаемой облучаемым материалом. Поглощенная доза.

Для учета дополнительной характеристики облучения - плотности ионизации атомов на своем пути - используется специальный коэффициент относительной биологической эффективности.