Виды излучений. Закон радиоактивного распада

ВВЕДЕНИЕ
Целью данной работы является рассмотрение основных видов излучений, в частности, ионизирующих излучений, а также закона радиоактивного распада.
Излучение (англ. radiation, emanate; нем. Strahlung) - лучевая энергия электромагнитных волн, которые излучает (выпускает) материальное тело. Излучение различается по мощности (количественная характеристика) и по спектральному составу (качественная характеристика).
Различают ионизирующее излучение и неионизирующее излучение.
Неионизирующие излучения – это электромагнитные излучения различной частоты, не вызывающие ионизацию атомов и молекул вещества.
Ионизирующее излучение, или ионизирующая радиация, - потоки электромагнитных волн или частиц вещества, способные при взаимодействии с веществом создавать в нем ионы. К ионизирующему излучению относят альфа-, бета-, гамма-лучи, рентгеновское излучение, а также другие высокоэнергетические заряженные частицы. Следует отметить, что при прохождении через вещество нейтроны не ионизируют его атомы, однако ионизация происходит в результате вторичных процессов при поглощении нейтронов ядрами, выбивании протонов или при распаде нейтронов в протон и электрон или на антипротон и позитрон.
В повседневных условиях одним из источников ионизации являются космические лучи.
С ионизирующим излучением непосредственно связано явление радиоактивности - явление превращения неустойчивого изотопа химического элемента в другой изотоп (обычно другого элемента) (радиоактивный распад) путем излучения гамма-квантов, элементарных частиц или ядерных фрагментов. Такие сильно проникающие потоки частиц иногда называют ядерным излучением. Радиоактивность примером экспоненциального распада и её можно описать определенной математической зависимостью.
1. Виды излучений
Излучение часто классифицируется как ионизирующее или неионизирующее в зависимости от энергии излучаемых частиц.
Неионизирующее излучение (излучение с энергией, недостаточной для ионизации) включает в себя:
неионизирующее электромагнитные поля (ЭМП) и излучения - это особая форма материи, посредством которой осуществляется воздействие между электрическими заряженными частицами. Физические причины существования ЭМП связаны с тем, что изменяющееся во времени электрическое поле порождает магнитное поле, а изменяющееся магнитное - вихревое электрическое поле. Обе компоненты, непрерывно изменяясь, возбуждают друг друга.
акустическое излучение — ультразвуковые, звуковые и сейсмические волны (в зависимости от физической среды передачи);
гравитационное излучение — излучение, которое принимает форму гравитационных волн, или рябь в кривизне пространства-времени.
Ионизирующее излучение - поток заряженных или нейтральных частиц и квантов электромагнитного излучения, прохождение которых через вещество приводит к ионизации и возбуждению атомов или молекул среды. Они возникают в результате естественных или искусственных радиоактивных распадов веществ, ядерных реакций деления в реакторах, ядерных взрывов и некоторых физических процессов в космосе.
К ионизирующим излучениям относятся фотоны или гамма- кванты электромагнитного излучения с энергиями, превышающими примерно 34 эВ - энергию ионообразования в воздухе. К ионизирующим излучениям относится и корпускулярное излучение: электроны, позитроны, протоны и другие заряженные частицы, нейтроны с широким диапазоном энергий, способные в результате ядерных реакций создавать заряженные частицы и фотоны.
По способу ионизации среды все виды ионизирующих излучений можно разделить на две группы: непосредственно ионизирующие и косвенно ионизирующие излучения. Обе группы ионизирующих излучений присутствуют в окружающей среде и оказывают воздействие на биологические объекты.
К группе непосредственно ионизирующих излучений относят заряженные частицы: электроны, позитроны, бета-частицы, протоны, альфа-частицы, более тяжелые ядра, которые при прохождении через вещество при взаимодействии с атомами сами непосредственно создают положительные и отрицательные ионы. Эти частицы с массой, отличной от нуля, относят к корпускулярному ионизирующему излучению.
В группу косвенно понтирующих излучений включают фотоны п нейтроны. Они сами не образуют ионов при взаимодействии со средой, но в результате взаимодействия с атомами либо ядрами среды создают заряженные частицы, которые и вызывают ионизацию.
Ионизирующее излучение, состоящее из различного вида частиц или фотонов, что часто имеет место в практике, называют смешанным ионизирующим излучением.
В решениях задач защиты от излучений принято различать первичное и вторичное ионизирующее излучение Под первичным обычно понимают излучение источника, которое при взаимодействии со средой рассматривают как исходное. Вторичное ионизирующее излучение возникает в процессе взаимодействия первичного излучения с атомами или ядрами среды, через которую оно проходит

. Это вторичное излучение может создавать новое по отношению к нему вторичное излучение, что в итоге формирует ядерный каскад из нескольких поколений излучений по отношению к первичному.
2. Радионуклиды как источники излучений
Источники ионизирующих излучений многообразны как по способу получения соответствующего излучения, виду испускаемого ими излучения, так и другим характеристикам. Однако, независимо от вида излучения, все источники можно разделить на две группы: источники, дающие излучение в результате радиоактивных превращений в естественных и искусственных радионуклидах, либо в результате ядерных реакций, вызываемых излучением этих радионуклидов, и источники, создающие тот или иной вид излучений на специальных установках.
Источники первой группы представляют собой нуклиды, обладающие радиоактивностью. Нуклидом называют атом с определенным числом протонов и нейтронов в ядре. Каждое ядро X характеризуется определенной атомной массой, зарядом и энергией и обычно представляется в виде AZX, где Z — атомный номер, равный числу протонов в ядре и, соответственно, числу электронов в оболочках; А — массовое число, равное сумме чисел протонов и нейтронов, т. е. числу нуклонов в ядре. Причина различия атомов химических элементов состоит в разнице числа протонов в ядре, при этом разница в числе нейтронов не сказывается на химических свойствах атомов. Атомы, различающиеся только числом нейтронов в ядре, называются изотопами химического элемента. Следовательно, каждый нуклид является изотопом соответствующего элемента. Атомы, ядра которых содержат одинаковое число нейтронов, но разное число протонов называются изотонами. Атомы с одинаковыми массовыми числами, но различающиеся протон-нейтронным составом, называются изобарами. Радиоактивные нуклиды - это нуклиды, имеющие радиоактивные или нестабильные ядра. Радиоактивные ядра являются неустойчивыми нуклонными системами и, как принято говорить, испытывают радиоактивный распад. К радиоактивному распаду ведет самопроизвольное, спонтанное изменение хотя бы одной из характеристик нуклида.
Степень стабильности или радиоактивности нуклидов и характер распада радиоактивных ядер зависит от соотношения в их ядрах числа нейтронов и протонов. Так, к категории наиболее устойчивых относятся нуклиды с четным числом протонов и четным числом нейтронов, напротив, наименее устойчивыми являются нуклиды с нечетным числом нейтронов и протонов. Отсюда переход при β- распаде от нечетно-нечетных нуклидов к четно-четным является предпочтительным, как переход от нестабильного состояния к более стабильному, что свидетельствует о частоте таких переходов в природе. Кстати, четность числа нейтронов в составе тяжелых ядер определяет их способность делиться под действием нейтронов.
Приведенная на рис. 1 диаграмма стабильности нуклидов показывает, что при А 40 к категории стабильных относятся нуклиды, имеющие одинаковое число нейтронов и протонов в ядре, что объясняется действием ядерных сил. Для ядер с большими А это правило нарушается за счет кулоновского отталкивания многих протонов в ядре. Причем для тяжелых ядер влияние кулоновского отталкивания становится настолько значительным, что энергия связи двух протонов и двух нейтронов в ядре становится меньше энергии связи этих частиц в ядре 4Не, что приводит к тому, что все более тяжелые ядра становятся неустойчивыми к α-распаду. Если ядро имеет протон-нейтронный состав, не совпадающий с составом какого-либо стабильного ядра, то оно претерпевает β-распад, при этом ядра, имеющие избыток нейтронов по сравнению со стабильным, являются β--активными, а имеющие избыток протонов - β+-активными. Из известных к настоящему времени более 1700 видов ядер только около 270 являются стабильными, остальные нестабильны и подвержены радиоактивному распаду, т.е. являются радиоактивными.
При радиоактивном распаде происходит испускание различных видов ионизирующих излучений: альфа-, бета-, гамма-излучение, излучение позитронов, нейтронов, нейтрино. Ядро, испытывающее радиоактивный распад, называют материнским, а ядро-продукт - дочерним. Если дочерний продукт является нестабильным, то он может выступать в качестве материнского при своем распаде; так формируется цепочка дочерних продуктов.
Радиоактивные превращения ядра характеризуются временем протекания распада, видом и энергией испускаемых частиц. Радиоактивность ядер, существующих в природных условиях, называют естественной.
Рис.1 Диаграмма нейтрон-протонного состава стабильных и долгоживущих нуклидов:
Радиоактивные ядра, синтезированные в лабораторных условиях искусственными способами посредством ядерных реакций, называются искусственными.
По физической природе искусственные радиоактивные ядра ничем не отличаются от естественных и такое разделение условно, так как свойства ядер данного радиоактивного нуклида не зависят от способа его образования