протонов, а А - число нуклонов в ядре, то число нейронов в атомном ядре N=A-
Z. Атомные ядра с одинаковыми Z, но различными А называются изотопами. В
среднем на каждое значение Z приходится около трех стабильных изотопов.
Например, 28Si, 29Si, 30Si являются стабильными изотопами ядра Si. Кроме
стабильных изотопов, большинство элементов имеют и нестабильные изотопы,
для которых характерно ограниченное время жизни.
Ядра с одинаковым массовым числом А называются изобарами, а с
одинаковым числом нейтронов—изотонами.
Все атомные ядра разделяются на стабильные и нестабильные. Свойства
стабильных ядер остаются неизменными неограниченно долго. Нестабильные же
ядра испытывают различного рода превращения.
ЭНЕРГИЯ СВЯЗИ АТОМНЫХ ЯДЕР
Экспериментальные измерения масс атомных ядер, выполненные с большой
точностью, показывают, что масса ядра всегда меньше суммы масс составляющих
его нуклонов.
Энергия связи - это энергия, которую необходимо затратить, чтобы
разделить ядро на составляющие его нуклоны. Энергия связи, отнесенная к
массовому числу А, называется средней энергией связи нуклона в атомном ядре
(энергия связи на один нуклон). Энергия связи приблизительно постоянна для
всех стабильных ядер и примерно равна 8 МэВ. Исключением является область
легких ядер, где средняя энергия связи растет от нуля (А=1) до 8 МэВ для
ядра 12С. Аналогично энергия связи на один нуклон можно ввести энергию
связи ядра относительно других составных его частей. В отличие от средней
энергии связи нуклонов количество энергии связи нейрона и протона
изменяется от ядра к ядру. Часто вместо энергии связи используют величину,
называемую дефектом массы и равную разности масс и массового числа
атомного ядра.
РАДИОАКТИВНОСТЬ
1 Общие сведения.
Явление радиоактивности, или спонтанного распада ядер, была открыта
французским физиком А. Беккерелем в 1896 г. Он обнаружил, что уран и его
соединения испускают лучи или частицы, проникающие сквозь непрозрачные
тела и способные засвечивать фотопластинку, Беккерель установил, что
интенсивность излучения пропорциональна только концентрации урана и не
зависит от внешних условий (температура, давление) и от того, находится ли
уран в каких-либо химических соединениях.
Английскими физиками Э. Резерфордом и Ф. Содди было доказано,
что во всех радиоактивных процессах происходят взаимные превращения
атомных ядер химических элементов. Изучение свойств излучения,
сопровождающего эти процессы в магнитном и электрическом полях, показало,
что оно разделяется на ( - частицы (ядра гелия), (- частицы (электроны) и
(- лучи (электромагнитное излучение с очень малой длиной волны).
Атомное ядро, испускающее (-кванты, (-, (- или другие частицы,
называется радиоактивным ядром. В природе существует 272 стабильных атомных
ядра. Все остальные ядра радиоактивны и называются радиоизотопами.
2 Влияние радиации на человека
Влияние радиации на человека определяется как искусственной, так и
естественной радиоактивностью окружающей среды, а именно, радиоактивностью
атмосферы, вод и горных пород, составляющих почву.
1 Радиоактивность атмосферы.
Радиоактивность атмосферы обусловлена присутствием в атмосфере
радиоактивных газов и аэрозолей, попадающих в неё в результате процессов,
происходящих в природе, и деятельности человека. Соответственно различают
естественную и искусственную радиоактивность атмосферы.
1 Естественная радиоактивность атмосферы.
Естественные радиоактивные газы являются изотопами радона: 222Rn — радон,
220Rn — торон, 219Rn — актинон, и образуются вследствие радиоактивного
распада 238U, 232Th и 235U. Они поступают в атмосферу с почвенным воздухом
при обмене его с атмосферным (эксхаляция) или путём диффузии. При
радиоактивном распаде изотопов Rn образуются аэрозольные продукты их
распада, так как возникающие при этом химические элементы относятся к
металлам и не летучи при обычных условиях (полоний, висмут и другие). При
этом 222Rn распространяется в пределах тропосферы, а его долгоживущие
продукты распада 210Pb(RaD), 210Bi(RaE), 210Po(RaF) обнаружены в
стратосфере. Содержание 222Rn в воздухе над океанами на два порядка ниже,
чем над материками, а концентрация над земной поверхностью уменьшается
примерно вдвое на каждый километр высоты. Торон и актинон вследствие малого
значения периода полураспада (в пределах одной минуты) присутствуют только
у земной поверхности. Продукт распада торона 212Pb обнаруживается в нижней
тропосфере. В воздухе над океанами 220Rn, 219Rn и их продукты распада
практически отсутствуют.
Основная масса естественных радиоактивных изотопов (7Be, 10Be, 35S, 32P,
33P,22Na, 14C,3H), возникающих при взаимодействии космического излучения с
ядрами атомов химических элементов, входящих в состав воздуха, образуется в
стратосфере, где и отмечаются наибольшие их концентрации.
2 Искусственная радиоактивность атмосферы.
Искусственные радиоактивные аэрозоли образуются при ядерных взрывах, а
также при технологических или аварийных выбросах на предприятиях атомной
промышленности. Через несколько десятков секунд после взрыва они содержат
около 100 различных радиоактивных изотопов; наиболее токсичными из них
считаются 90Sr, 137Cs, 14C, 131I. Высота заброса в атмосферу радиоактивных
аэрозолей зависит от мощности и высоты ядерного взрыва, а характер
распространения — от размеров частиц и от высоты заброса их в атмосферу.
Основной механизм очищения атмосферы от радиоактивных аэрозолей — выпадение
осадков. Среднее время ( пребывания радиоактивного аэрозоля в нижней
тропосфере (до момента его выпадения на земную поверхность) порядка
несколько суток, а в верхней тропосфере 20-40 суток. Радиоактивные
аэрозоли, попавшие в нижние слои стратосферы, имеют ( около года и выше.
Радиоактивное загрязнение атмосферы от предприятий атомной промышленности
имеет чаще всего локальный характер; однако, 85Kr распределён по всей
тропосфере.
Изучение распространения естественных радиоактивных аэрозолей, а также
продуктов ядерных взрывов позволило получить некоторые характеристики
физики атмосферы, например, скорости обмена между атмосферами полушарий, а
также между стратосферой и тропосферой.
2 Радиоактивность вод.
Радиоактивность вод обусловлена присутствием в водах радиоактивных
веществ, поступающих из атмосферы и вымываемых из почв и горных пород. В
водах присутствуют как естественные природные изотопы (40K, 222Rn, 226Ra,
238U и другие), так и искусственные (в основном 90Sr, 90Y и 137Cs),
возникшие вследствие ядерных взрывов и ядерных аварий. Как видно из таблицы
1, содержание естественных радиоактивных веществ в водах в зависимости от
их происхождения колеблется в значительной степени.
Таблица 1.
|Происхождение воды |Концентрация в 10-12 кюри/л |
| |40К |226Ra |222Rn |238U |
|Подземные воды |0 |4(до 26) |до 200|2.4 (до |
| | | | |40) |
|Источники и ручьи |0 |до 140 |до |до 4 |
| | | |3(104 | |
|Речные воды |8 |0.2 (до |0.2-0.|0.2 (до |
| | |0.8) |3 |20) |
|Озёрные воды |13 |1 (до 8) |0 |3 |
|Морская вода |300 |0.08 (до |0 |0.7 |
| | |45) | | |
Искусственные радиоактивные вещества в воды поступают вместе с осадками
из атмосферы. Так, в результате активных испытаний ядерного оружия
концентрация 90Sr в природных водах до 1968 непрерывно возрастала, достигая
в отдельных случаях 1(10-11 кюри/л. Другой основной источник попадания
искусственных радиоактивных веществ в водоёмы — сбросные воды предприятий
по производству ядерного топлива.
3 Радиоактивность горных пород.
Радиоактивность горных пород определяется содержанием в них радиоактивных
элементов 238U, 235U, 232Th и 40K. Содержание других радиоактивных изотопов
(87Rb, 150Nd и другие) существенно не влияет на общую радиоактивность, так
как скорость их радиоактивного распада крайне мала. Среднее содержание
изотопов урана в земной коре (до глубины 16 километров) составляет около
2,5*10-4 %, тория 1,3*10-3%, радиоактивного изотопа калия 0,029%. Кроме
того, в горных породах присутствуют продукты распада радиоактивных
элементов, которые иногда мигрируют в окружающие породы и образуют в земной
коре струи подземных газов (гелий, аргон и т.д.). В почвах накапливается
радон, имеющий радиогенное происхождение.
Среди извержённых горных пород наибольшей радиоактивностью обладают кислые
(U—3.5*10-4; Th—1.8*10-3), наименьшей — ультраосновные породы (U—3*10-7;
Th—5*10-7). В кристаллических горных породах радиоактивные элементы
частично входят в состав ортита, циркона, монацита, апатита, сфена и
других, а также частично присутствуют в форме окислов, химически не
связанных с определёнными минералами.
Содержание радиоактивных элементов в осадочных горных породах
определяется их происхождением; максимальные концентрации в органогенных
осадках обусловлены присутствием углерода органического происхождения,
фосфатов и других веществ, являющихся важными осадителями урана (напротив,
хемогенные осадки — гипс, каменная соль — отличаются низкой
радиоактивностью).
3 Альфа-распад.
Энергия связи ядра характеризует его устойчивость к распаду на
составные части. Если энергия связи ядра меньше энергии связи продуктов его
распада, то это означает, что ядро может самопроизвольно (спонтанно)
распадаться. При альфа-распаде альфа-частицы уносят почти всю энергию и
только 2 % ее приходится на вторичное ядро. При альфа-распаде массовое
число изменяется на 4 единицы, а атомный номер на две единицы.
Начальная энергия альфа-частицы составляет 4-10 МэВ. Поскольку альфа-
частицы имеют большую массу и заряд, длина их свободного пробега в воздухе
невелика. Так, например, длина свободного пробега в воздухе альфа-частиц,
испускаемых ядром урана, равна 2,7 см, а испускаемых радием, - 3,3 см.
4 Бета-распад.
Это процесс превращения атомного ядра в другое ядро с изменением
порядкового номера без изменения массового числа. Различают три типа (-
распада: электронный, позитронный и захват орбитального электрона атомным
ядром. Последний тип распада принято также называть К-захватом, поскольку
при этом наиболее вероятно поглощение электрона с ближайшей к ядру К
оболочки. Поглощение электронов с L и М оболочек также возможно, но менее
вероятно. Период полураспада ( -активных ядер изменяется в очень широких
пределах.
Число бета-активных ядер, известных в настоящее время, составляет
около полутора тысяч, но только 20 из них являются естественными бета-
радиоактивными изотопами. Все остальные получены искусственным путем.
