Ce este radiația alfa? Tipuri de radiații

Navigare articol:

Radiații și tipuri radiatii radioactive, compoziția radiațiilor radioactive (ionizante) și principalele sale caracteristici. Efectul radiațiilor asupra materiei.

Ce este radiația

Mai întâi, să definim ce este radiația:

În procesul de dezintegrare a unei substanțe sau sinteza acesteia, elementele unui atom (protoni, neutroni, electroni, fotoni) sunt eliberate, altfel putem spune apar radiatii aceste elemente. O astfel de radiație se numește - radiatii ionizante sau ce este mai comun radiatii radioactive, sau chiar mai simplu radiatii . Radiațiile ionizante includ, de asemenea, razele X și radiațiile gamma.

Radiația este procesul de emisie a particulelor elementare încărcate de către materie, sub formă de electroni, protoni, neutroni, atomi de heliu sau fotoni și muoni. Tipul de radiație depinde de ce element este emis.

Ionizare este procesul de formare a ionilor încărcați pozitiv sau negativ sau a electronilor liberi din atomi sau molecule încărcate neutru.

Radiații radioactive (ionizante). poate fi împărțit în mai multe tipuri, în funcție de tipul de elemente din care constă. Diferite tipuri radiațiile sunt cauzate de diferite microparticule și, prin urmare, au efecte energetice diferite asupra materiei, abilități diferite de a pătrunde prin ea și, în consecință, efecte biologice diferite ale radiațiilor.

Radiația alfa, beta și neutronă- Acestea sunt radiații formate din diferite particule de atomi.

Gamma și raze X este emisia de energie.

Radiația alfa

• sunt emise: doi protoni și doi neutroni
• putere de penetrare: scăzut
• iradiere de la sursa: până la 10 cm
• viteza de emisie: 20.000 km/s
• ionizare: 30.000 de perechi de ioni pe 1 cm de călătorie
• ridicat

Radiația alfa (α) apare în timpul dezintegrarii instabilului izotopi elemente.

Radiația alfa- aceasta este radiația particulelor alfa grele, încărcate pozitiv, care sunt nucleele atomilor de heliu (doi neutroni și doi protoni). Particulele alfa sunt emise în timpul dezintegrarii nucleelor ​​mai complexe, de exemplu, în timpul dezintegrarii atomilor de uraniu, radiu și toriu.

Particulele alfa au o masă mare și sunt emise la o viteză relativ scăzută de 20 de mii de km/s, în medie, care este de aproximativ 15 ori mai mică decât viteza luminii. Deoarece particulele alfa sunt foarte grele, la contactul cu o substanță, particulele se ciocnesc cu moleculele acestei substanțe, încep să interacționeze cu ele, pierzându-și energia și, prin urmare, capacitatea de penetrare a acestor particule nu este mare și chiar o simplă foaie de hârtie le poate reține.

Cu toate acestea, particulele alfa transportă multă energie și, atunci când interacționează cu materia, provoacă ionizare semnificativă. Și în celulele unui organism viu, pe lângă ionizare, radiația alfa distruge țesutul, ducând la diferite daune celulelor vii.

Dintre toate tipurile de radiații, radiația alfa are cea mai mică putere de penetrare, dar consecințele iradierii țesuturilor vii cu acest tip de radiații sunt cele mai severe și semnificative în comparație cu alte tipuri de radiații.

Expunerea la radiațiile alfa poate apărea atunci când elementele radioactive pătrund în corp, de exemplu prin aer, apă sau alimente, sau prin tăieturi sau răni. Odată ajunse în organism, aceste elemente radioactive sunt transportate prin fluxul sanguin în tot organismul, se acumulează în țesuturi și organe, exercitând asupra lor un efect energetic puternic. Deoarece unele tipuri de izotopi radioactivi care emit radiații alfa au o durată de viață lungă, atunci când intră în organism, ei pot provoca modificări grave în celule și pot duce la degenerarea țesuturilor și mutații.

Izotopii radioactivi nu sunt de fapt eliminați din organism pe cont propriu, așa că odată ce ajung în interiorul corpului, ei vor iradia țesuturile din interior timp de mulți ani până când vor duce la schimbări grave. Corpul uman nu este capabil să neutralizeze, să proceseze, să asimileze sau să utilizeze majoritatea izotopilor radioactivi care intră în organism.

Radiația neutronică

• sunt emise: neutroni
• putere de penetrare: ridicat
• iradiere de la sursa: kilometri
• viteza de emisie: 40.000 km/s
• ionizare: de la 3000 la 5000 de perechi de ioni pe 1 cm de rulare
• Efectele biologice ale radiațiilor: ridicat

Radiația neutronică- aceasta este radiația creată de om care apare în diferite reactoare nucleare și în timpul exploziilor atomice. De asemenea, radiația neutronică este emisă de stele în care au loc reacții termonucleare active.

Neavând încărcătură, radiația neutronică care se ciocnește cu materia interacționează slab cu elementele atomilor la nivel atomic și, prin urmare, are o putere mare de penetrare. Puteți opri radiația neutronică folosind materiale cu un conținut ridicat de hidrogen, de exemplu, un recipient cu apă. De asemenea, radiația neutronică nu penetrează bine polietilena.

Radiația neutronică, atunci când trece prin țesuturile biologice, provoacă daune grave celulelor, deoarece are o masă semnificativă și o viteză mai mare decât radiația alfa.

Radiația beta

• sunt emise: electroni sau pozitroni
• putere de penetrare: medie
• iradiere de la sursa: pana la 20 m
• viteza de emisie: 300.000 km/s
• ionizare: de la 40 la 150 de perechi de ioni pe 1 cm de călătorie
• Efectele biologice ale radiațiilor: medie

Radiația beta (β). apare atunci când un element se transformă în altul, în timp ce procesele au loc chiar în nucleul atomului substanței cu o modificare a proprietăților protonilor și neutronilor.

Cu radiația beta, un neutron este transformat într-un proton sau un proton într-un neutron în timpul acestei transformări, este emis un electron sau pozitron (antiparticulă de electroni), în funcție de tipul de transformare. Viteza elementelor emise se apropie de viteza luminii și este aproximativ egală cu 300.000 km/s. Elementele emise în timpul acestui proces se numesc particule beta.

Având o viteză inițial mare de radiație și dimensiuni reduse ale elementelor emise, radiația beta are o capacitate de penetrare mai mare decât radiația alfa, dar are o capacitate de sute de ori mai mică de a ioniza materia în comparație cu radiația alfa.

Radiația beta pătrunde cu ușurință în îmbrăcăminte și parțial prin țesutul viu, dar atunci când trece prin structuri mai dense ale materiei, de exemplu, prin metal, începe să interacționeze cu ea mai intens și își pierde cea mai mare parte a energiei, transferându-l elementelor substanței. Tabla metalica câțiva milimetri pot opri complet radiația beta.

Dacă radiația alfa prezintă un pericol numai în contact direct cu un izotop radioactiv, atunci radiația beta, în funcție de intensitatea sa, poate provoca deja un prejudiciu semnificativ unui organism viu la o distanță de câteva zeci de metri de sursa de radiație.

Dacă un izotop radioactiv care emite radiații beta pătrunde într-un organism viu, acesta se acumulează în țesuturi și organe, exercitând asupra acestora un efect energetic, ducând la modificări ale structurii țesutului și, în timp, provocând daune semnificative.

Unii izotopi radioactivi cu radiații beta au o perioadă lungă de dezintegrare, adică odată ce intră în organism, îl vor iradia ani de zile până duc la degenerarea țesuturilor și, în consecință, la cancer.

Radiația gamma

• sunt emise: energie sub formă de fotoni
• putere de penetrare: ridicat
• iradiere de la sursa: până la sute de metri
• viteza de emisie: 300.000 km/s
• ionizare:
• Efectele biologice ale radiațiilor: scăzut

Radiație gamma (γ). este radiația electromagnetică energetică sub formă de fotoni.

Radiația gamma însoțește procesul de dezintegrare a atomilor materiei și se manifestă sub formă de energie electromagnetică emisă sub formă de fotoni, eliberată atunci când starea energetică a nucleului atomic se modifică. Razele gamma sunt emise din nucleu cu viteza luminii.

Când are loc dezintegrarea radioactivă a unui atom, dintr-o substanță se formează alte substanțe. Atomul substanțelor nou formate este într-o stare instabilă energetic (excitat). Prin influențarea reciprocă, neutronii și protonii din nucleu ajung într-o stare în care forțele de interacțiune sunt echilibrate, iar excesul de energie este emis de atom sub formă de radiație gamma.

Radiația gamma are o capacitate mare de penetrare și pătrunde cu ușurință în îmbrăcăminte, țesut viu și puțin mai dificil prin structuri dense de substanțe precum metalul. Pentru a opri radiațiile gamma, va fi necesară o grosime semnificativă de oțel sau beton. Dar, în același timp, radiația gamma are un efect de o sută de ori mai slab asupra materiei decât radiația beta și de zeci de mii de ori mai slab decât radiația alfa.

Principalul pericol al radiațiilor gamma este capacitatea sa de a parcurge distanțe semnificative și de a afecta organismele vii la câteva sute de metri de sursa de radiații gamma.

radiații cu raze X

• sunt emise: energie sub formă de fotoni
• putere de penetrare: ridicat
• iradiere de la sursa: până la sute de metri
• viteza de emisie: 300.000 km/s
• ionizare: de la 3 la 5 perechi de ioni pe 1 cm de călătorie
• Efectele biologice ale radiațiilor: scăzut

radiații cu raze X- aceasta este radiația electromagnetică energetică sub formă de fotoni care apar atunci când un electron din interiorul unui atom se deplasează de pe o orbită pe alta.

Radiația de raze X este similară ca efect cu radiația gamma, dar are o putere de penetrare mai mică, deoarece are o lungime de undă mai mare.

După ce am examinat diferitele tipuri de radiații radioactive, este clar că conceptul de radiație include tipuri complet diferite de radiații care au efecte diferite asupra materiei și țesuturilor vii, de la bombardarea directă cu particule elementare (radiații alfa, beta și neutroni) până la efecte energetice. sub formă de cura gamma și cu raze X.

Fiecare dintre radiațiile discutate este periculoasă!

Tabel comparativ cu caracteristicile diferitelor tipuri de radiații

După cum se poate observa din tabel, în funcție de tipul de radiație, radiația la aceeași intensitate, de exemplu 0,1 Roentgen, va avea un efect distructiv diferit asupra celulelor unui organism viu. Pentru a lua în considerare această diferență, a fost introdus un coeficient k, care reflectă gradul de expunere la radiații radioactive asupra obiectelor vii.

Cu cât „coeficientul k” este mai mare, cu atât efectul unui anumit tip de radiație este mai periculos asupra țesuturilor unui organism viu.

Video:

Radiația ionizantă (denumită în continuare IR) este radiația a cărei interacțiune cu materia duce la ionizarea atomilor și moleculelor, adică. această interacțiune duce la excitarea atomului și la separarea electronilor individuali (particule încărcate negativ) de învelișurile atomice. Drept urmare, lipsit de unul sau mai mulți electroni, atomul se transformă într-un ion încărcat pozitiv - are loc ionizarea primară. II include radiația electromagnetică (radiația gamma) și fluxurile de particule încărcate și neutre - radiația corpusculară (radiația alfa, radiația beta și radiația neutronică).

Radiația alfa se referă la radiația corpusculară. Acesta este un flux de particule alfa grele încărcate pozitiv (nuclee de atomi de heliu) care rezultă din degradarea atomilor elementelor grele precum uraniu, radiu și toriu. Deoarece particulele sunt grele, intervalul de particule alfa dintr-o substanță (adică calea pe care produc ionizarea) se dovedește a fi foarte scurt: sutimi de milimetru în mediul biologic, 2,5-8 cm în aer. Astfel, o foaie obișnuită de hârtie sau stratul exterior mort al pielii poate prinde aceste particule.

Cu toate acestea, substanțele care emit particule alfa sunt de lungă durată. Ca urmare a pătrunderii unor astfel de substanțe în organism cu alimente, aer sau prin răni, ele sunt transportate în tot organismul de către fluxul sanguin, depuse în organele responsabile cu metabolismul și protecția organismului (de exemplu, splina sau ganglionii limfatici), astfel provocând iradierea internă a corpului . Pericolul unei astfel de iradieri interne a corpului este mare, deoarece aceste particule alfa creează foarte număr mare ioni (până la câteva mii de perechi de ioni pe cale de 1 micron în țesuturi). Ionizarea, la rândul său, determină o serie de caracteristici ale acestora reactii chimice, care apar în materie, în special în țesutul viu (formarea de agenți oxidanți puternici, hidrogen și oxigen liber etc.).

Radiația beta(razele beta sau fluxul de particule beta) se referă și la tipul corpuscular de radiație. Acesta este un flux de electroni (radiația β, sau, cel mai adesea, doar radiația β) sau pozitroni (radiația β+) emise în timpul dezintegrarii beta radioactive a nucleelor ​​anumitor atomi. Electronii sau pozitronii sunt produși în nucleu atunci când un neutron se transformă într-un proton sau, respectiv, un proton în neutron.

Electronii sunt mult mai mici decât particulele alfa și pot pătrunde cu 10-15 centimetri adâncime într-o substanță (corp) (cf. sutimi de milimetru pentru particulele alfa). Când trece prin materie, radiația beta interacționează cu electronii și nucleii atomilor săi, cheltuind energia pe aceasta și încetinind mișcarea până când se oprește complet. Datorita acestor proprietati, pentru a proteja impotriva radiatiilor beta, este suficient sa ai un ecran de sticla organica de grosime corespunzatoare. Utilizarea radiațiilor beta în medicină pentru radioterapia superficială, interstițială și intracavitară se bazează pe aceleași proprietăți.

Radiația neutronică- un alt tip de radiație corpusculară. Radiația neutronică este un flux de neutroni (particule elementare care nu au sarcină electrică). Neutronii nu au efect ionizant, dar un efect ionizant foarte semnificativ are loc datorită împrăștierii elastice și inelastice pe nucleele materiei.

Substanțele iradiate de neutroni pot dobândi proprietăți radioactive, adică pot primi așa-numita radioactivitate indusă. Radiația neutronică este generată în timpul funcționării acceleratoarelor de particule, în reactoare nucleare, instalații industriale și de laborator, când explozii nucleare etc Radiația neutronică are cea mai mare putere de penetrare. Cele mai bune materiale pentru protecția împotriva radiațiilor neutronice sunt materialele care conțin hidrogen.

Raze gamma și raze X aparțin radiațiilor electromagnetice.

Diferența fundamentală dintre aceste două tipuri de radiații constă în mecanismul apariției lor. Radiația cu raze X este de origine extranucleară, radiația gamma este un produs al dezintegrarii nucleare.

Radiația cu raze X a fost descoperită în 1895 de către fizicianul Roentgen. Aceasta este radiație invizibilă capabilă să pătrundă, deși în grade diferite, în toate substanțele. Este o radiație electromagnetică cu o lungime de undă de ordinul - de la 10 -12 la 10 -7. Sursa de raze X este un tub de raze X, unii radionuclizi (de exemplu, emițători beta), acceleratori și dispozitive de stocare a electronilor (radiația sincrotron).

Tubul cu raze X are doi electrozi - catodul și anodul (electrozi negativi și, respectiv, pozitivi). Când catodul este încălzit, are loc emisia de electroni (fenomenul de emisie de electroni de către suprafața unui solid sau lichid). Electronii care ies din catod sunt accelerați de câmpul electric și lovesc suprafața anodului, unde sunt decelerati brusc, rezultând radiații cu raze X. La fel ca lumina vizibilă, razele X fac ca filmul fotografic să devină negru. Aceasta este una dintre proprietățile sale, fundamentale pentru medicină - că este radiație pătrunzătoare și, în consecință, pacientul poate fi iluminat cu ajutorul său și, deoarece țesuturile de diferite densități absorb razele X în mod diferit - putem diagnostica acest lucru singuri stadiu incipient multe tipuri de boli ale organelor interne.

Radiațiile gamma sunt de origine intranucleară. Are loc în timpul dezintegrarii nucleelor ​​radioactive, trecerii nucleelor ​​de la starea excitată la starea fundamentală, în timpul interacțiunii particulelor încărcate rapid cu materia, anihilarea perechilor electron-pozitron etc.

Puterea mare de penetrare a radiațiilor gamma se explică prin lungimea sa de undă scurtă. Pentru a slăbi fluxul de radiații gamma, se folosesc substanțe cu un număr de masă semnificativ (plumb, wolfram, uraniu etc.) și tot felul de compoziții de înaltă densitate (diverse betoane cu umpluturi metalice).

Radioactivitatea este transformarea spontană a unor nuclee atomice în altele, însoțită de emisia de particule elementare. Doar nucleele instabile suferă astfel de transformări. Procesele radioactive includ: 1) α - dezintegrare, 2) β - dezintegrare (inclusiv captarea electronilor), 3) γ - radiația nucleară, 4) fisiunea spontană a nucleelor ​​grele, 5) radioactivitatea protonilor.

Procesul de transformare radioactivă a nucleelor ​​existente în natură și a nucleelor ​​obținute prin reacții nucleare respectă aceleași legi.

Legea transformării radioactive . Nucleele radioactive individuale suferă o transformare independent unul de celălalt. Prin urmare, putem presupune că numărul de nuclee dN care se descompun într-o perioadă scurtă de timp dt este proporțional atât cu numărul de nuclee disponibile N cât și cu intervalul de timp dt:

Aici λ este o caracteristică constantă a fiecărei substanțe radioactive, numită constantă de dezintegrare. Semnul minus este luat astfel încât dN poate fi considerat ca o creștere a numărului de nuclee nedegradate N.

Integrarea expresiei duce la relație

N = N 0 e -λt ,

unde N 0 este numărul de nuclee la momentul inițial, N este numărul de nuclee nedegradate la momentul t. Formula exprimă legea transformării radioactive. Această lege este foarte simplă: numărul de nuclee nedezintegrate scade exponenţial în timp.

Numărul de nuclee care se descompun în timpul t este determinat de expresie

N0 - N = N0 (1 - e -λt).

Se numește timpul în care jumătate din numărul inițial de nuclee se descompune timpul de înjumătățire T. Acest timp este determinat de condiție

Timpul de înjumătățire pentru nucleele radioactive cunoscute în prezent variază de la 3,10 -7 s la 5,10 15 ani.

Să aflăm durata medie de viață a unui nucleu radioactiv. Numărul de nuclee dN(t) supuse transformării în intervalul de timp de la t la (t + dt) este determinat de modulul expresiei: dN(t) = λN(t)dt. Durata de viață a fiecăruia dintre aceste nuclee este t. În consecință, suma duratelor de viață ale tuturor N 0 nucleelor ​​disponibile inițial este obținută prin integrarea expresiei tdN(t). Împărțind această sumă la numărul de nuclee N 0 obținem durata medie de viațăτ nucleu radioactiv:

Să înlocuim expresia pentru N(t) aici:

(trebuie să mergeți la variabila x = λt și să integrați pe părți). Astfel, durata medie de viață este inversul constantei de dezintegrare λ:

.

Comparația cu arată că timpul de înjumătățire T diferă de τ printr-un factor numeric egal cu ln2.

Se întâmplă adesea ca nucleele care apar ca urmare a transformării radioactive, la rândul lor, să fie radioactive și să se descompună cu o viteză diferită, caracterizată printr-o constantă de dezintegrare diferită. Noile produse de degradare se pot dovedi, de asemenea, radioactive etc. Ca urmare, are loc o serie întreagă de transformări radioactive. În natură, există trei serii (sau familii) radioactive, ai căror strămoși sunt
(seria uraniu),
(seria toriu) și
(seria actinouranium). Produsele finite în toate cele trei cazuri sunt izotopi de plumb - în primul caz
, în al doilea
, și în cele din urmă, în al treilea
.

Radioactivitatea naturală a fost descoperită în 1896 de omul de știință francez A. Becquerel. Pierre Curie și Maria Sklodowska-Curie au avut o mare contribuție la studiul substanțelor radioactive. S-a descoperit că există trei tipuri de radiații radioactive. Una dintre ele, numită raze α, este deviată sub influența unui câmp magnetic în aceeași direcție în care ar fi deviat fluxul de particule încărcate pozitiv. Cele doua, numite raze β, sunt deviate de câmpul magnetic în direcția opusă, adică. la fel cum fluxul de particule încărcate negativ ar fi deviat. În cele din urmă, a treia radiație, care nu reacționează în niciun fel la acțiunea unui câmp magnetic, a fost numită raze γ. Ulterior, s-a dovedit că razele γ sunt radiații electromagnetice cu o lungime de undă foarte scurtă (de la 10 -3 la 1 Å).

Dezintegrarea alfa . Razele alfa sunt un flux de nuclee de heliu
. Dezintegrarea are loc după următoarea schemă:

Litera X desemnează simbolul chimic al nucleului (mamă) în descompunere, iar litera Y reprezintă simbolul chimic al nucleului (fiică) rezultat. Dezintegrarea alfa este de obicei însoțită de emisia de raze γ de către nucleul fiu. Din diagrama de dezintegrare este clar că numărul atomic al substanței fiice este de 2 unități, iar numărul de masă este cu 4 unități mai mic decât cel al substanței părinte. Un exemplu este dezintegrarea izotopului de uraniu
, procedând cu formarea toriumului:

.

Vitezele cu care particulele α (adică nucleele
) zboară din

nucleele degradate sunt foarte mari (~ 10 9 cm/s; energie cinetică de ordinul mai multor MeV). Zburând prin materie, o particulă α își pierde treptat energia, cheltuind-o pentru ionizarea moleculelor substanței și în cele din urmă se oprește. O medie de 35 eV este cheltuită pentru formarea unei perechi de ioni în aer. Astfel, o particulă α formează aproximativ 105 perechi de ioni de-a lungul traseului său. Desigur, cu cât densitatea substanței este mai mare, cu atât intervalul de particule α este mai scurt înainte de oprire. Astfel, în aer la presiune normală intervalul este de câțiva centimetri, într-o substanță solidă intervalul este de ordinul a 10 -3 cm (particulele α sunt complet reținute de o foaie obișnuită de hârtie).

Energia cinetică a particulelor α apare din cauza excesului de energie de repaus a nucleului mamă față de energia de repaus totală a nucleului fiică și a particulei α. Această energie în exces este distribuită între particula α și nucleul fiu într-un raport invers proporțional cu masele lor. Energiile (vitezele) particulelor α emise de o anumită substanță radioactivă se dovedesc a fi strict definite. În cele mai multe cazuri, o substanță radioactivă emite mai multe grupuri de particule α de energii similare, dar diferite. Acest lucru se datorează faptului că nucleul fiică poate apărea nu numai în stare normală, ci și în stări excitate.

În fig. Figura 4 prezintă o diagramă care explică apariția diferitelor grupuri de particule α (apariția structurii fine a spectrului α) emise în timpul dezintegrarii nucleelor
(bismut-212).

Diagrama din stânga arată nivelurile de energie ale nucleului fiu
(taliu-208). Energia stării fundamentale este considerată zero. Excesul de energie de repaus a nucleului mamă față de energia de repaus a particulei α și a nucleului fiu în stare normală este de 6,203 MeV. Dacă nucleul fiică apare într-o stare neexcitată, toată această energie este eliberată sub formă de energie cinetică, iar particula α reprezintă

(acest grup de particule este desemnat în diagramă prin α 0). Dacă nucleul fiică apare în a cincea stare excitată, a cărei energie este cu 0,617 MeV mai mare decât energia stării normale, atunci energia eliberată va fi de 6,203-0,617 = 5,586 MeV, iar ponderea particulei α va fi de 5,481 MeV (grup de particule α 5). Numărul relativ de particule este de ~27% pentru α0, ~70% pentru α1 și doar ~0,01% pentru α5. Cantitățile relative de α 2 , α 3 și α 4 sunt de asemenea foarte mici (de ordinul a 0,1-1%).

Durata medie de viață τ a stărilor excitate pentru majoritatea nucleelor ​​se află în intervalul de la 10 -8 la 10 -15 s. Într-un timp egal în medie cu τ, nucleul fiică intră într-o stare excitată normală sau inferioară, emițând un foton γ. În fig. Figura 4 arată apariția γ – fotoni a șase energii diferite.

Energia de excitație a nucleului fiică poate fi eliberată în alte moduri. Un nucleu excitat poate emite orice particulă: un proton, neutron, electron sau particulă α. În cele din urmă, nucleul excitat format ca urmare a dezintegrarii α poate da energie în exces direct (fără emisia prealabilă a unui cuantum γ) unuia dintre electronii învelișului K-, L- sau chiar M- al atomului, ca rezultatul căruia electronul zboară din atom. Acest proces se numește conversie internă. Rezultate de la plecare

electron, poziția liberă va fi umplută cu electroni de la niveluri mai mari de energie. Prin urmare, conversia internă este întotdeauna însoțită de emisia de raze X caracteristice.

Așa cum un foton nu există într-o formă gata făcută în adâncurile unui atom și apare doar în momentul radiației, o particulă α apare și în momentul dezintegrarii radioactive a unui nucleu. Părăsind nucleul, particula α trebuie să depășească o barieră de potențial, a cărei înălțime depășește energia totală a particulei α, care este în medie de 6 MeV (Fig. 5). Partea exterioară a barierei, care scade asimptotic la zero, este cauzată de repulsia coulombiană a particulei α și a nucleului fiu. Partea interioară a barierei se datorează forțelor nucleare. Experimentele privind împrăștierea particulelor α de către nucleele α-radioactive grele au arătat că înălțimea barierei depășește semnificativ energia particulelor α emise în timpul dezintegrarii. Conform conceptelor clasice, este imposibil ca o particulă să depășească o barieră potențială în condițiile specificate. Cu toate acestea, conform mecanicii cuantice, există o probabilitate diferită de zero ca o particulă să se scurgă prin barieră, ca și cum ar trece printr-un tunel din barieră. Acest fenomen, numit efect de tunel, a fost discutat mai devreme. Teoria α - dezintegrare, bazată pe conceptul de efect de tunel, conduce la rezultate care sunt în bună concordanță cu datele experimentale.

Dezintegrarea beta . Există trei tipuri de β - dezintegrare. Într-un caz, nucleul care trece printr-o transformare emite un electron, în altul - un pozitron, în al treilea caz, numit captura electronică(e-apuca), nucleul absoarbe unul dintre electronii învelișului K, mult mai rar fie învelișul L - sau M - (în consecință, în loc de e - captare se vorbește de K - captare, L - captare sau M - captare).

Primul tip de dezintegrare (β - – dezintegrare sau dezintegrarea electronilor) procedează conform următoarei scheme:

Pentru a sublinia conservarea sarcinii și a numărului de nucleoni în procesul de dezintegrare β, i-am atribuit electronului β un număr de sarcină Z = -1 și un număr de masă A = 0.

Din diagramă se poate observa că nucleul fiică are un număr atomic cu unu mai mare decât cel al nucleului părinte, numerele de masă ale ambelor nuclee sunt aceleași. Odată cu electronul, este emis și un antineutrin .Întregul proces decurge ca și cum unul dintre neutronii nucleului
transformat în proton, suferind o transformare conform schemei. În general, un proces este un caz special al unui proces. Prin urmare, ei spun că un neutron liber β este radioactiv.

Dezintegrarea beta poate fi însoțită de emisia de raze γ. Mecanismul apariției lor este același ca și în cazul α - dezintegrare - nucleul fiică apare nu numai în stare normală, ci și în stări excitate. Trecând apoi într-o stare cu energie mai mică, nucleul emite un foton γ.

Un exemplu de degradare β este transformarea toriului
la protactiniu
cu emisie de electroni și antineutrino:

Spre deosebire de particulele α, care au o energie strict definită în cadrul fiecărui grup, electronii β au o mare varietate de energii cinetice de la 0 la E max. Figura 6 prezintă spectrul energetic al electronilor emiși de nuclee în timpul dezintegrarii β. Aria acoperită de curbă va da numărul total de electroni emiși pe unitatea de timp, dN - numărul de electroni a căror energie este conținută în intervalul dE. Energia E max corespunde diferenței dintre masa nucleului mamă și masele electronului și nucleului fiu. În consecință, dezintegrari în care energia electronului E este mai mică decât E max apar cu o aparentă încălcare a legii conservării energiei.

Pentru a explica dispariția energiei (E max - E), Pauli a sugerat în 1932 că în timpul dezintegrarii beta, o altă particulă este emisă împreună cu electronul, care transportă energia (E max - E). Deoarece această particulă nu se dezvăluie în niciun fel, trebuie recunoscut că este neutră și are o masă foarte mică (a fost stabilit acum că masa în repaus a acestei particule este zero). La sugestia lui E. Fermi, această particulă ipotetică a fost numită neutrin (care înseamnă „neutron mic”).

Mai există un motiv pentru presupunerea neutrinilor (sau antineutrini). Spinul neutronului, protonului și electronului este același și egal cu 1/2. Dacă scriem o schemă fără antineutrini, atunci spinul total al particulelor rezultate (care pentru două particule cu s = 1/2 poate fi fie zero, fie unul) va diferi de spinul particulei originale. Astfel, participarea unei alte particule la dezintegrarea β este dictată de legea conservării momentului unghiular, iar acestei particule trebuie să i se atribuie un spin egal cu 1/2 (sau 3/2). S-a stabilit că spin-ul neutrinilor (și al antineutrinilor) este egal cu 1/2.

Dovada experimentală directă a existenței neutrinilor a fost obținută abia în 1956.

Deci, energia eliberată în timpul dezintegrarii beta este distribuită între electron și antineutrin (sau între pozitron și neutrin, vezi mai jos) într-o mare varietate de proporții.

Al doilea tip de dezintegrare (β + – dezintegrare sau dezintegrarea pozitronilor) decurge conform schemei

Un exemplu este conversia azotului
în carbon
:

Din diagramă se poate observa că numărul atomic al nucleului fiu este cu unul mai mic decât cel al nucleului mamă. Procesul este însoțit de emisia unui pozitron e + (în formulă este indicat prin simbolul ) și neutrino ν, este posibilă și apariția razelor γ. Pozitronul este antiparticula pentru electron. Prin urmare, ambele particule emise în timpul dezintegrarii sunt antiparticule în raport cu particulele emise în timpul dezintegrarii

Procesul de dezintegrare β + - decurge ca și cum unul dintre protonii nucleului original s-ar transforma într-un neutron, emițând un pozitron și un neutrin:

Pentru un proton liber, un astfel de proces este imposibil din motive energetice, deoarece masa protonului este mai mică decât masa neutronului. Cu toate acestea, un proton din nucleu poate împrumuta energia necesară de la alți nucleoni care formează nucleul.

Al treilea tip de β - dezintegrare ( captura electronică) este că nucleul absoarbe unul dintre electronii K (mai rar unul dintre electronii L sau M) atomului său, în urma căruia unul dintre protoni se transformă într-un neutron, emițând un neutrin:

Nucleul rezultat poate fi într-o stare excitată. Trecând apoi în stări de energie inferioară, emite fotoni γ. Diagrama procesului arată astfel:

Spațiul din învelișul de electroni eliberat de electronul capturat este umplut cu electroni din straturile de deasupra, ducând la formarea de raze X. Captarea electronilor este ușor de detectat prin emisia de raze X însoțitoare. În acest fel a fost descoperit K - capturarea de către Alvarez în 1937.

Un exemplu de captare a electronilor este conversia potasiului

la argon
:

Fisiunea spontană a nucleelor ​​grele . În 1940, fizicienii sovietici N.G. Flerov și K.A. Petrzak a descoperit procesul de fisiune spontană a nucleelor ​​de uraniu în două părți aproximativ egale. Ulterior, acest fenomen a fost observat pentru multe alte nuclee grele. În trăsăturile sale caracteristice, diviziunea spontană este apropiată de diviziunea forțată, care este discutată în paragraful următor.

Radioactivitatea protonilor . După cum sugerează și numele, cu radioactivitatea protonilor, nucleul suferă o transformare, emitând unul sau doi protoni (în acest din urmă caz ​​vorbim de radioactivitate cu doi protoni). Acest tip de radioactivitate a fost observat pentru prima dată în 1963 de un grup de fizicieni sovietici condus de G.N. Flerov.

Activitatea substanțelor radioactive . Activitatea unui medicament radioactiv este numărul de descompuneri care apar în medicament pe unitatea de timp. Dacă în timpul dt dN dezintegrarea nucleelor ​​se descompun, atunci activitatea este egală cu dN decay /dt. Conform

dN disp = |dN| = λNdt.

Rezultă că activitatea medicamentului radioactiv este egală cu λN, adică. produsul constantei de dezintegrare cu numărul de nuclee nedegradate prezenți în preparat.

În Sistemul Internațional de Unități (SI), unitatea de activitate este dis/s. Este permisă utilizarea unităților nesistemice de dispersie/min și curie (Ci). Unitatea de activitate, numită curie, este definită ca fiind activitatea unui astfel de medicament în care au loc 3.700·10 10 evenimente de dezintegrare pe secundă. Se folosesc unități fracționale (milicuri, microcurii etc.), precum și unități multiple (kilocurii, megacurii).

Radiații corpusculare - radiatii ionizante formate din particule cu masa diferita de zero.

Radiația alfa - un flux de particule încărcate pozitiv (nuclee de atomi de heliu - 24He), care se deplasează cu o viteză de aproximativ 20.000 km/s. Razele alfa se formează în timpul dezintegrarii radioactive a nucleelor ​​elementelor cu numere atomice mari și când reactii nucleare, transformări. Energia lor variază de la 4-9 (2-11) MeV. Gama de particule a dintr-o substanță depinde de energia lor și de natura substanței în care se mișcă. În medie, distanța în aer este de 2-10 cm, în țesutul biologic - câțiva microni. Deoarece particulele a sunt masive și au energie relativ mare, calea lor prin materie este direct , ele provoacă un efect puternic de ionizare. Ionizarea specifică este de aproximativ 40.000 de perechi de ioni pe 1 cm de călătorie în aer (pot fi create până la 250 de mii de perechi de ioni pe toată lungimea călătoriei). În țesutul biologic, până la 40.000 de perechi de ioni sunt, de asemenea, create pe o cale de 1-2 microni. Toată energia este transferată către celulele corpului, provocându-i mare rău.

Particulele alfa sunt prinse de o foaie de hârtie și practic nu pot pătrunde în stratul exterior (exterior) al pielii, sunt absorbite de stratul cornos al pielii. Prin urmare, radiațiile a nu reprezintă un pericol până când substanțele radioactive care emit particule a intră în organism printr-o rană deschisă, cu alimente sau aer inhalat - apoi devin extrem de periculos .

Radiația beta - un flux de particule b format din electroni (particule încărcate negativ) și pozitroni (particule încărcate pozitiv) emiși de nucleele atomice în timpul dezintegrarii lor b. Masa particulelor beta în termeni absoluti este de 9,1x10-28 g. în funcţie de energia radiaţiei. Energia particulelor b variază foarte mult. Acest lucru se explică prin faptul că în timpul fiecărei dezintegrare b a nucleelor ​​radioactive, energia rezultată este distribuită între nucleul fiu, particule b și neutrini în proporții diferite, iar energia particulelor b poate fluctua de la zero la o valoare maximă. . Energia maximă variază de la 0,015-0,05 MeV (radiație moale) la 3-13,5 MeV (radiație tare).

Deoarece particulele b au o sarcină, sub influența câmpurilor electrice și magnetice, acestea se abat de la direcția rectilinie. Având o masă foarte mică, particulele b, atunci când se ciocnesc cu atomi și molecule, se abat ușor de la direcția lor inițială (adică sunt puternic împrăștiate). Prin urmare, este foarte dificil să se determine lungimea căii particulelor beta - această cale este prea sinuoasă. Kilometraj
Particulele b, datorită faptului că au rezerve de energie diferite, suferă și ele vibrații. Lungimea alergării în aer poate ajunge
25 cm și uneori câțiva metri. În țesuturile biologice, traseul particulelor este de până la 1 cm. Calea de mișcare este, de asemenea, afectată de densitatea mediului.

Capacitatea de ionizare a particulelor beta este semnificativ mai mică decât cea a particulelor alfa. Gradul de ionizare depinde de viteza: viteza mai mica - mai multa ionizare. La 1 cm de distanță de călătorie în aer, se formează o particulă b
50-100 de perechi de ioni (1000-25 mii de perechi de ioni pe tot parcursul aerului). Particulele beta de înaltă energie, care zboară pe lângă nucleu prea repede, nu au timp să provoace același efect ionizant puternic ca și particulele beta lente. Când se pierde energia, aceasta este captată fie de un ion pozitiv pentru a forma un atom neutru, fie de un atom pentru a forma un ion negativ.

Radiația neutronică - radiatii formate din neutroni, i.e. particule neutre. Neutronii se formează în timpul reacțiilor nucleare (o reacție în lanț de fisiune a nucleelor ​​elementelor radioactive grele, în timpul reacțiilor de sinteză a elementelor mai grele din nucleele de hidrogen). Radiația neutronică este ionizabilă indirect; formarea ionilor are loc nu sub influența neutronilor înșiși, ci sub influența particulelor grele secundare încărcate și a cuantelor gamma, cărora neutronii își transferă energia. Radiația neutronică este extrem de periculoasă datorită capacității sale mari de penetrare (raza în aer poate ajunge la câteva mii de metri). În plus, neutronii pot provoca radiații induse (inclusiv în organismele vii), transformând atomii elementelor stabile în cei radioactivi. Materialele care conțin hidrogen (grafit, parafină, apă etc.) sunt bine protejate de iradierea cu neutroni.

În funcție de energie, se disting următorii neutroni:

1. Neutroni ultrarapidi cu o energie de 10-50 MeV. Ele se formează în timpul exploziilor nucleare și al funcționării reactoarelor nucleare.

2. Neutroni rapizi, energia lor depășește 100 keV.

3. Neutroni intermediari - energia lor este de la 100 keV la 1 keV.

4. Neutroni lenți și termici. Energia neutronilor lenți nu depășește 1 keV. Energia neutronilor termici ajunge la 0,025 eV.

Radiația neutronică este utilizată pentru terapia cu neutroni în medicină, determinând conținutul elementelor individuale și izotopii acestora în mediile biologice etc. Radiologia medicală folosește în principal neutroni rapidi și termici, folosind în principal californiul-252, care se dezintegrează pentru a elibera neutroni cu o energie medie de 2,3 MeV.

Radiația electromagnetică diferă prin origine, energie și lungime de undă. Radiația electromagnetică include raze X, radiații gamma de la elementele radioactive și bremsstrahlung, care apare atunci când particulele încărcate foarte accelerate trec prin materie. Lumina vizibilă și undele radio sunt, de asemenea, radiații electromagnetice, dar nu ionizează materia, deoarece se caracterizează printr-o lungime de undă mare (rigiditate mai mică). Energie câmp electromagnetic nu este emis continuu, ci în porțiuni separate - cuante (fotoni). Prin urmare, radiația electromagnetică este un flux de cuante sau fotoni.

radiații cu raze X. Razele X au fost descoperite de Wilhelm Conrad Roentgen în 1895. Razele X sunt radiații electromagnetice cuantice cu o lungime de undă de 0,001-10 nm. Radiația cu o lungime de undă care depășește 0,2 nm este în mod convențional numită radiație cu raze X „moale”, iar până la 0,2 nm - „dure”. Lungimea de undă este distanța pe care parcurge radiația într-o perioadă de oscilație. Radiația de raze X, ca orice radiație electromagnetică, se deplasează cu viteza luminii - 300.000 km/s. Energia razelor X de obicei nu depășește 500 keV.

Există bremsstrahlung și raze X caracteristice. Radiația Bremsstrahlung apare atunci când electronii rapidi sunt decelerati în câmpul electrostatic al nucleelor ​​atomice (adică atunci când electronii interacționează cu nucleele atomice). Când un electron de mare energie trece în apropierea nucleului, se observă împrăștierea (decelerația) a electronului. Viteza electronului scade, iar o parte din energia acestuia este emisă sub forma unui foton de raze X bremsstrahlung.

Razele X caracteristice apar atunci când electronii rapizi pătrund adânc într-un atom și sunt scoși din nivelurile interne (K, L și chiar M). Atomul este excitat și apoi revine la starea fundamentală. În acest caz, electronii de la nivelurile externe umplu spațiile libere din nivelurile interne și, în același timp, fotoni de radiații caracteristice sunt emiși cu o energie egală cu diferența de energie a atomului în starea excitată și fundamentală (fără a depăși 250 keV). Aceste. radiația caracteristică apare atunci când învelișurile electronice ale atomilor sunt rearanjate. În timpul diferitelor tranziții ale atomilor de la o stare excitată la o stare neexcitată, excesul de energie poate fi emis și sub formă de lumină vizibilă, raze infraroșii și ultraviolete. Deoarece raze X Dacă au lungimi de undă scurte și sunt mai puțin absorbite în substanță, au o putere de penetrare mai mare.

Radiația gamma - Aceasta este radiație de origine nucleară. Este emis de nucleele atomice în timpul dezintegrarii alfa și beta a radionuclizilor artificiali naturali în cazurile în care nucleul fiică conține energie în exces care nu este captata de radiația corpusculară (particule alfa și beta). Această energie în exces este emisă instantaneu sub formă de raze gamma. Aceste. Radiația gamma este un flux de unde electromagnetice (quanta) care este emis în timpul procesului de dezintegrare radioactivă atunci când starea energetică a nucleelor ​​se schimbă. În plus, cuante gamma se formează în timpul antihilației unui pozitron și a unui electron. Proprietățile radiațiilor gamma sunt apropiate de razele X, dar au viteză și energie mai mari. Viteza de propagare în vid este egală cu viteza luminii - 300.000 km/s. Deoarece razele gamma nu au sarcină, electrice și câmpuri magnetice nu deviați, răspândindu-se drept și uniform în toate direcțiile de la sursă. Energia radiațiilor gamma variază de la zeci de mii la milioane de electron volți (2-3 MeV), atingând rar 5-6 MeV (energia medie a razelor gamma produse în timpul dezintegrarii cobalt-60 este de 1,25 MeV). Fluxul de radiații gamma include cuante de diferite energii. În timpul decăderii 131