Единица активности радиоактивных изотопов
Альтернативные описанияПьер (1859-1906) французский ученый-физик, Нобелевская премия 1903
Единица измерения радиоактивности
Кто помог Марии Склодовской открыть радий
Французский физик, один из создателей учения о радиоактивности
Физики-супруги
Семья нобелевских физиков
Французский физик
Французский физик, открывший и исследовавший пьезоэлектричество
Первая женщина, получившая Нобелевскую премию
Первая женщина-профессор
Французский физик, лауреат Нобелевской премии (1903 г.), создатель учения о радиоактивности
Она вместе с мужем открыла полоний
Семья физиков-«нобелей»
Мария Склодовская...
Чета известных физиков
Вместе с мужем открыла полоний
Единица радиоактивности
Пьер и Мария Склодовская
Пьер и Мария
Мера радиоактивности
Известные французские физики - муж и жена
. «химические» супруги
Известный французский физик
Кто открыл полоний?
Открыл радий и полоний
Пьер, открывший радиоактивность
Мера радиации
Супруги, открывшие радий
Супружеская пара физиков
Физики, Пьер и Мария
Пьер из физиков
Открыл радий
Пьер и МарияСклодовская
Открыватели полония
Открыватели радия
Открыли радий и полоний
Жолио... - (1897-1956) , французский физик, дочь П. Кюри и М. Склодовской-Кюри
Ученые Пьер и Мария
Французский физик, один из создателей учения о радиоактивности (1859-1906, Нобелевская премия 1903)
Французский ученый, лауреат Нобелевской премии по физике
Лекция 2. Основной закон радиоактивного распада и активность радионуклидов
Скорость распада радионуклидов различна – одни распадаются быстрее, другие – медленнее. Показателем скорости радиоактивного распада является постоянная радиоактивного распада, λ [сек -1], которая характеризует вероятность распада одного атома за одну секунду. Для каждого радионуклида постоянная распада имеет своё значение, чем оно больше, тем быстрее распадаются ядра вещества.
Число распадов, регистрируемых в радиоактивном образце за единицу времени, называют активностью (a ), или радиоактивностью образца. Значение активности прямо пропорционально количеству атомов N радиоактивного вещества:
a =λ· N , (3.2.1)
где λ – постоянная радиоактивного распада, [сек-1].
В настоящее время, согласно действующей Международной системе единиц СИ, за единицу измерения радиоактивности принят беккерель [Бк ]. Своё название эта единица получила в честь французского учёного Анри Беккереля, открывшего в 1856 г. явление естественной радиоактивности урана. Один беккерель равен одному распаду в секунду 1 Бк = 1 .
Однако до сих пор достаточно часто применяется внесистемная единица активности – кюри [Ки ], введённая супругами Кюри как мера скорости распада одного грамма радия (в котором происходит ~3,7·1010 распадов в секунду), поэтому
1 Ки = 3,7·1010 Бк .
Эта единица удобна для оценки активности больших количеств радионуклидов.
Снижение концентрации радионуклида во времени в результате распада подчиняется экспоненциальной зависимости:
, (3.2.2)
где N t – количество атомов радиоактивного элемента оставшихся через время t после начала наблюдения; N 0 – количество атомов в начальный момент времени (t =0 ); λ – постоянная радиоактивного распада.
Описанная зависимость называется основным законом радиоактивного распада .
Время, за которое распадается половина от общего количества радионуклидов, называется периодом полураспада, Т ½ . Через один период полураспада из 100 атомов радионуклида остаются только 50 (рис. 2.1). За следующий такой же период из этих 50 атомов остаются лишь 25 и так далее.
Связь между периодом полураспада и постоянной распада выводится из уравнения основного закона радиоактивного распада:
при t =T ½ и
получаем https://pandia.ru/text/80/150/images/image006_47.gif" width="67" height="41 src="> Þ ;
https://pandia.ru/text/80/150/images/image009_37.gif" width="76" height="21">;
т. е..gif" width="81" height="41 src=">.
Поэтому закон радиоактивного распада можно записать следующим образом:
https://pandia.ru/text/80/150/images/image013_21.gif" width="89" height="39 src=">, (3.2.4)
где at – активность препарата через время t ; a 0 – активность препарата в начальный момент наблюдения.
Часто необходимо определить активность заданного количества любого радиоактивного вещества.
Вспомним, что единица количества вещества – моль. Моль – это количество вещества, содержащее столько же атомов, сколько их содержится в 0,012 кг=12 г изотопа углерода 12С.
В одном моле любого вещества содержится число Авогадро NA атомов:
NA = 6,02·1023 атомов.
Для простых веществ (элементов) масса одного моля численно соответствует атомной массе А элемента
1моль = А г.
Например: Для магния: 1 моль 24Mg = 24 г.
Для 226Ra: 1 моль 226Ra = 226 г и т. д.
С учётом сказанного в m граммах вещества будет N атомов:
https://pandia.ru/text/80/150/images/image015_20.gif" width="156" height="43 src="> (3.2.6)
Пример: Подсчитаем активность 1-го грамма 226Ra, у которого λ = 1.38·10-11 сек-1.
a = 1.38·10-11·1/226·6,02·1023 = 3,66·1010 Бк.
Если радиоактивный элемент входит в состав химического соединения, то при определении активности препарата необходимо учитывать его формулу. С учётом состава вещества определяется массовая доля χ радионуклида в веществе, которая определяется соотношением:
https://pandia.ru/text/80/150/images/image017_17.gif" width="118" height="41 src=">
Пример решения задачи
Условие:
Активность А0 радиоактивного элемента 32Р в день наблюдения составляет 1000 Бк . Определить активность и количество атомов этого элемента через неделю. Период полураспада Т ½ 32Р = 14,3 дня.
Решение:
а) Найдём активность фосфора-32 через 7 суток:
https://pandia.ru/text/80/150/images/image019_16.gif" width="57" height="41 src=">
Ответ: через неделю активность препарата 32Р составит 712 Бк, а количество атомов радиоактивного изотопа 32Р – 127,14·106 атомов.
Контрольные вопросы
1) Что такое активность радионуклида?
2) Назовите единицы радиоактивности и связь между ними.
3) Что такое постоянная радиоактивного распада?
4) Дайте определение основному закону радиоактивного распада.
5) Что такое период полураспада?
6) Какая существует связь между активностью и массой радионуклида? Напишите формулу.
Задачи
1. Рассчитайте активность 1 г 226Ra. Т½ = 1602 года.
2. Рассчитайте активность 1 г 60Со. Т½ = 5,3 года.
3. Один танковый снаряд М-47 содержит 4,3 кг 238U. Т½ = 2,5·109 лет. Определите активность снаряда.
4. Рассчитайте активность 137Cs через 10 лет, если в начальный момент наблюдения она равна 1000 Бк . Т½ = 30 лет.
5. Рассчитайте активность 90Sr год назад, если в настоящий момент времени она равна 500 Бк . Т½ = 29 лет.
6. Какую активность будет создавать 1 кг радиоизотопа 131I, Т½ = 8,1 дня?
7. Пользуясь справочными данными, определите активность 1 г 238U. Т½ = 2,5·109 лет.
Пользуясь справочными данными, определите активность 1 г 232Th, Т½ = 1,4·1010 лет.
8. Рассчитайте активность соединения: 239Pu316O8.
9. Вычислите массу радионуклида активностью в 1 Ки :
9.1. 131I, Т1/2=8,1 дня;
9.2. 90Sr, Т1/2=29 лет;
9.3. 137Cs, Т1/2=30 лет;
9.4. 239Pu, Т1/2=2,4·104 лет.
10. Определите массу 1 мКи радиоактивного изотопа углерода 14С, Т½ = 5560 лет.
11. Необходимо приготовить радиоактивный препарат фосфора 32P. Через какой промежуток времени останется 3 % препарата? Т½ = 14,29 сут.
12. В природной смеси калия содержится 0,012 % радиоактивного изотопа 40К.
1) Определите массу природного калия, в котором содержится 1 Ки 40К. Т½ = 1,39·109 лет = 4,4·1018 сек.
2) Рассчитайте радиоактивность грунта по 40К, если известно, что содержание калия в образце грунта – 14 кг/т.
13. Сколько периодов полураспада требуется для того, чтобы первоначальная активность радиоизотопа снизилась до 0,001 %?
14. Для определения влияния 238U на растения семена замачивали в 100 мл раствора UO2(NO3)2·6H2O, в котором масса радиоактивной соли составляла 6 г . Определите активность и удельную активность 238U в растворе. Т½ = 4,5·109 лет .
15. Определите активность 1 грамма 232Th, Т½ = 1,4·1010 лет.
16. Определите массу 1 Ки 137Cs, Т1/2=30 лет.
17. Соотношение между содержанием стабильных и радиоактивного изотопов калия в природе – величина постоянная. Содержание 40К равно 0,01%. Рассчитайте радиоактивность грунта по 40К, если известно, что содержание калия в образце грунта – 14 кг/т .
18. Литогенная радиоактивность окружающей среды формируется преимущественно за счёт трёх основных природных радионуклидов: 40К, 238U, 232Th. Доля радиоактивных изотопов в природной сумме изотопов составляет 0,01, 99,3, ~100 соответственно. Рассчитайте радиоактивность 1 т грунта, если известно, что относительное содержание калия в образце грунта 13600 г/т , урана – 1·10-4 г/т , тория – 6·10-4 г/т.
19. В раковинах двустворчатых моллюсков обнаружено 23200 Бк/кг 90Sr. Определите активность образцов через 10, 30, 50, 100 лет.
20. Основное загрязнение замкнутых водоёмов Чернобыльской зоны состоялось в первый год после аварии на АЭС . В донных отложениях оз. Азбучин в 1999 г. обнаружен 137Cs с удельной активностью 1,1·10 Бк/м2 . Определите концентрацию (активность) выпавшего 137Cs на м2 донных отложений по состоянию на 1986-1987гг. (12 лет назад).
21. 241Am (Т½ = 4,32·102 лет) образуется из 241Pu (Т½ = 14,4 лет) и является активным геохимическим мигрантом. Пользуясь справочными материалами, рассчитайте с точностью до 1% уменьшение активности плутония-241 во времени, в каком году после Чернобыльской катастрофы образование 241Am в окружающей среде будет максимальным.
22. Рассчитайте активность 241Am в продуктах выбросах Чернобыльского реактора по состоянию на апрель
2015 г., при условии, что в апреле 1986 г. активность 241Am составила 3,82·1012 Бк,
Т½ = 4,32·102 лет.
23. В образцах грунта обнаружено 390 нКи/кг 137Cs. Рассчитайте активность образцов через 10, 30, 50, 100 лет.
24. Средняя концентрация загрязнения ложа оз. Глубокого, расположенного в Чернобыльской зоне отчуждения, составляет 6,3·104 Бк 241Am и 7,4·104 238+239+240Pu на 1 м2. Рассчитайте, в каком году получены эти данные.
Вещество считается радиоактивным, или оно содержит в своем составе радионуклиды и в нем идет процесс радиоактивного распада. Количество радиоактивного вещества обычно определяют не единицами массы (грамм, миллиграмм и т.п.), а активностью данного вещества.
Активность вещества определяется интенсивностью или скоростью распада его ядер. Активность пропорциональна числу радиоактивных атомов, содержащихся в данном веществе, т.е. возрастает с увеличением количества данного вещества. Активность - это мера количества радиоактивного вещества, которая выражается числом радиоактивных превращений (распадов ядер) в единицу времени. Так как скорость распада радиоактивных изотопов различна, то одинаковые по массе радионуклиды имеют различную активность. Чем больше ядер распадается в единицу времени, тем выше активность. Активность измеряется обычно в распадах в секунду. За единицу активности в Международной системе единиц (СИ) принят один распад в секунду. Эта единица названа в честь Анри Беккереля, открывшего впервые явление естественной радиоактивности в 1896 году, беккерелем (Бк). 1 Бк - такое количество радионуклида, в котором за одну секунду происходит один распад. Так как беккерель очень малая величина, то используют кратные величина: кБк - калобеккерель (103 Бк), МБк - мегабеккерель (106 Бк), ГБк - гигабеккерель (109 Бк).
Внесистемной единицей активности является кюри (Ки). Кюри - это такая активность, когда число радиоактивных распадов в секунду равно
3,7 х 1010 (37 млрд. расп./с). Кюри соответствует активности 1г радия. Так как кюри очень большая величина, то обычно употребляют производные величины: мКи - милликюри (тясячная доля кюри) - 3,7 х 107 расп/с; мкКи - микрокюри (миллионная доля кюри) - 3,7 х 104 расп/с; нКи - нанокюри (миллиардная доля кюри) - 3,7х10 расп/с.
Зная активность в беккерелях, не трудно перейти к активности в кюри и наоборот:
1 Ки = 3,7 х 1010 Бк = 37 гигабеккерель;
1 мКи = 3,7 х 107 Бк = 37 мегабеккерель;
1 мКиКи = 3,7 х 104 Бк = 37 килобеккерель;
1 Бк = 1 расп/с = 2,7 х 10-11 Ки.
На практике часто пользуются числом распадов в минуту.
1 Ки = 2,22 х 1012 расп/мин.
1 мКи = 2,22 х 109 расп/мин.
1 мКи = 2,22 х 106 расп/мин.
При измерении активности радиоактивного образца ее обычно относят к массе, объему, площади поверхности или длине. Различают следующие виды активности радионуклида. Удельная активность
- это активность, приходящаяся на единицу массы вещества (активность, отнесенная к единице массы) - Бк/кг, Ки/кг. Объемная активность
- это активность, приходящаяся на единицу объема - Бк/л, Ки/л, Бк/м3, Ки/м3. В случае распределения радионуклидов на поверхности активность называется поверхностной
(отношение активности радионуклида, на которой находится радионуклид) - Бк/м2, Ки/м2. Для характеристики загрязнения территории применяется величина Ки/км2. Естественная калия-40 в почве соответствует 5мКи/км2 (200 Бк/м2). При загрязнении местности в
40 Ки/км2 по цезию-137 на 1м2 поверхности размещается 2000000 млрд. ядер, или 0,455 микрограмм цезия-137. Линейная активность
радионуклида - отношение активности радионуклида, содержащегося на длине отрезка к его длине.
Массу в граммах при известной активности (например, 1Ки) радионуклида определяют по формуле m = к х А х Т½ х а, где m - масса в граммах; А - атомная масса; Т½ - период полураспада; а - активность в кюри или беккерелях; к - константа, зависящая от единиц, в которых дан период полураспада и активность. Если период полураспада дан в секундах, то при активности в беккерелях константа равна 2,4 х 10-24 , при активности в кюри - 8,86 х 10-14. Если период полураспада дан в других единицах, то его переводят в секунды.
Подсчитаем массу 131J с периодом полураспада 8,05 дней для создания активности в 1 кюри.
М = 8,86 х 10-14 х 131 х 8,05 х 24 х 3600 х 1 = 0,000008 г. Для стронция-90 масса равна 0,0073, плутония-239 - 16,3 г, урана-238 - 3 т. Возможно вычислить активность в беккерелях или кюри радионуклида при известной его массе: а0 = l x m/ (А х Т 1/2), где l- параметр, обратный константе «к». При Т½ измеренных в секундах, а активности - в беккерелях,
l = 4,17 х 1023, при активности в Ки l = 1,13 х 1013 Так, активность 32,6 г плутония- 239 равно
а0 = 1,13 х 1013 х 32,6 (239 х 24300 х 365 х 24 х 3600)=2 Ки,
а0= 4,17 х 1013 х 32,6 (239 х 24300 х 365 х 24 х 3600)= 7,4 х 1010 Бк.
Биологическое действие радиации обусловлено ионизацией облучаемой биологической среды. На процесс ионизации излучение растрачивает свою энергию. Т.е. в результате взаимодействия излучения с биологической средой живому организму передается определенная величина энергии. Часть излучения, которая пронизывает облучаемый объект (без поглощения), действия на него не оказывает. Радиационный эффект зависит от многих факторов: количества радиоактивности снаружи и внутри организма, пути ее поступления, вида и энергии излучения при распаде ядер, биологической роли облучаемых органов и тканей т.д. Объективным показателем, увязывающем все эти разнообразные факторы, является количество поглощенной энергии излучения от ионизации, которую эта энергия производит в массе вещества.
Для того, чтобы предсказать величину радиационного эффекта, нужно научиться измерять интенсивность воздействия ионизирующего излучения. А это можно сделать, измерив поглощенную в объекте энергию или суммарный заряд образовавшихся при ионизации ионов. Эта величина поглощенной энергии получила название дозы.
Основные физические величины, используемые в радиационной защите, и их единицы
|
Физическая величина |
Соотношение между единицами |
|||
|
системы СИ |
внесистемная |
системы СИ и внесистемной |
внесистемной и в системе СИ |
|
|
Активность нуклида в радиоактивном источнике. Выражает число распадов в единицу времени. |
Беккерель (Бк, Вq) |
Кюри (Ки, Си) |
1 Бк = 1 расп. в с, 1 Бк = 2,7 10 -11 Ки |
1 Ки = 3,7 10 10 Бк |
|
Удельная активность . |
Беккерель на килограмм (Бк/кг). |
Кюри на килограмм (Ки/кг). |
1 Бк/кг = 2,7 10 -11 Ки/кг |
1 Ки/кг = 3,7 10 10 Бк/кг |
|
Поглощенная доза излучения . Количество энергии ионизирующего излучения, |
Грей (Гр, Gy). |
Рад (рад, rad). |
1 Гр=1 Дж / кг; 1 Гр = 100 рад; 1 Дж = 10 5 рад/г |
1 рад= 100 эрг/г = 0,01 Гр = 10 2 Дж/кг = 10 -2 Гр; 1 рад/г |
Продолжение табл. 1.4.
|
Физическая величина |
Наименование и обозначение единицы |
Соотношение между единицами |
||
|
системы СИ |
внесистемная |
системы СИ и внесистемной |
внесистемной и в системе СИ |
|
|
поглощенное единицей массы физического тела, например, тканями организма. | ||||
|
Доза эквивалентная . Поглощенная доза, умноженная на коэффициент, учитывающий неодинаковую радиационную опасность разных видов ионизирующего излучения (см. табл. 1.6). |
Зиверт (3в, Sv). |
Бэр (бэр, rem). |
1Зв = 1Гр = 1 Дж/кг = 100 бэр (для β- и γ излу- чения); 1 Зв = 2,58 10 -4 Кл/кг. |
1 бэр = 0,01Зв = 10 мЗв. |
|
Доза эффективная (эффективная эквивалентная). Сумма сред- них эквивалентных доз в различных органах или тканях, взвешенных с коэффициентами учета различной чувствительности органов и тканей к возникновению |
Зиверт (3в, Sv). |
Бэр (бэр, rem). |
1Зв = 1Гр = 1 Дж/кг = 100 бэр (для β- и γ излучения). |
1 бэр = 0,01Зв = 10 мЗв. |
Продолжение табл. 1.4.
|
Физическая величина |
Наименование и обозначение единицы |
Соотношение между единицами |
||||||
|
системы СИ |
внесистемная |
системы СИ и внесистемной |
внесистемной и в системе СИ |
|||||
|
стохастических эффектов радиоактивного воздействия (см. табл. 1.7). | ||||||||
|
Экспозиционная доза излучения. Отношение суммарного заряда всех ионов одного знака, возникающих при полном торможении электронов и позитронов, образованных фотонами в элементарном объеме воздуха, к массе воздуха в этом объеме. |
Кулон на килограмм (Кл/кг) |
Рентген (Р) |
1 Кл/кг = 3876 Р = 3,88 10 3 Р. |
1 Р = 2,58 10 -4 Кл/кг |
||||
|
Мощность дозы облучения - доза, полученная организмом за единицу времени. |
Грей в секунду (Гр/ с = Дж/кг с = Вт/кг); Зиверт в секунду (Зв/с), Ампер на килограмм (А/кг). |
Рад в секунду (рад/с), Бэр в секунду (бэр/с), Рентген в секунду (Р/с). |
1 Гр/с = 100 рад/с, 1 Гр/с=1 Зв/с = 100 Р/с (для β- и γ- излучения); 1 Зв/с = 100 бэр/с 1 А/кг = 3876 Р/с. |
1 рад/с = 0,01 Гр/с, 100Р/с = 1 3в/с=1 мкГр/с. |
||||
Продолжение табл. 1.4.
поглощает энергию в 1 джоуль (Дж). 1 Гр = 1 Дж/кг = 2,388 10 -4 ккал/кг = 6,242 10 15 эВ/г = 10 4 эрг/г = 100 рад.
Энергию частиц измеряют в электрон-вольтах (эВ). Электрон-вольт - это энергия, которую приобретает электрон под действием электрического поля с разностью потенциалов (напряжением) в 1 вольт.
1 эВ = 1,6 10 -12 эрг = 1,6 10 -19 джоуля = 3,83 10 -20 калорий
Исходя из соотношений: 1 Дж = 0,239 кал = 6,25 10 18 электрон-вольт = 10 7 эрг,
1 рад = 10 -2 Дж/кг = 100 эрг/г = 0,01 Гр = 2,388 × 10 -6 кал/г.
Кратные единицы поглощённой дозы – килогрей (1 кГр = 1 Гр 10 3), миллигрей (1 мГр = 1 Гр 10 -3). Принцип образования кратных единиц измерения ионизирующей радиации представлен в табл. 1.5.
Поглощённая энергия расходуется на нагрев вещества, а также на его химические и физические превращения . Она растёт с увеличением времени облучения и зависит от состава вещества, вида излучения (рентгеновское излучение, поток нейтронов и т. п.), энергии его частиц, плотности их потока и состава облучаемого вещества. Например, для рентгеновского и γ-излучений она зависит от атомного номера (Z) элементов, входящих в состав вещества.
Характер этой зависимости определяется энергией фотонов , зависящей от частоты электромагнитных колебаний – hv В данной формуле:h - постоянная Планка; введена М. Планком в1900 г. при
установлении закона распределения энергии в спектре излучения абсолютно чёрного тела. Наиболее точное значение h = (6,626196 ± 0,000050) 10 -34 джоуль с = (6,626196 ± 0,000050) 10 -27 эрг с. Однако чаще пользуются h = h/2π = (1,0545919 ± 0,0000080) 10 -27 эрг с, также называемой постоянной Планка, а v - это частота электромагнитных колебаний.
В результате таких взаимодействий в биологических тканях нарушаются физиологические процессы, и развивается в ряде случаев лучевая болезнь различной степени тяжести. Поглощенная доза излучения является основной физической величиной, определяющей степень радиационного воздействия.
Мощность поглощенной дозы – приращение дозы в единицу времени. Она характеризуется скоростью накопления дозы облучения и может увеличиваться или уменьшаться во времени. Её единица в системе СИ – грей в секунду (Гр/с). Это такая мощность поглощенной дозы излучения, при которой за 1 с в веществе поглощается доза излучения в 1 Гр. На практике для оценки мощности поглощенной дозы излучения до сих пор широко используют внесистемную единицу мощности поглощенной дозы – рад в час (рад/ч) или рад в секунду (рад/с). Эта доза может создаваться как после внешнего, так и после внутреннего облучения.Один из первых открытых естественных радиоактивных элементов был «радий» – испускающий лучи, излучающий. Образование его и других естественных радионуклидов протекает в процессе самопроизвольных превращений (распадов) нуклидов семейства урана и тория. В качестве примера приводим на рис. 1.6 цепочку многочисленных превращений радионуклидов семейства 238 U, сопровождающиеся α- или β-излучениями и завершающиеся образованием стабильного нуклида свинца.
Наибольшую дозу облучения (50%) человек получает от радона-222 (222 Rn) и его производных – представителей семейства 238 U. (рис. 1.6). 14 % дозы создаётся g-лучами от земли и зданий, 12% - пищей и напитками, 10% - космическими лучами (внутреннее облучение за счёт космогенных радионуклидов: углерода-14 - 14 C (12 мкЗв/год), берилия-7 - 7 Ве (3 мкЗв /год), натрия–22 - 22 Na (0,2 мкЗв/год) и трития - 3 H (0,01 мкЗв/год).
Внешняя поглощённая доза - доза, полученная человеком от источника, находящегося вне организма . Оно составляет почти 33% общей дозы облучения и создаётся потоком частиц или квантов от земли и зданий (главным образом калием-40), космическим излучением и антропогенными источниками. Жители Беларуси получают также дополнительное облучение за счёт чернобыльских радионуклидов. 90 % её создаётся цезием-137, 9% - стронцием-90 и 1% - изотопов плутония. После ядерного взрыва проникающая радиация создаётся потоком γ-лучей и нейтронов, испускаемых примерно в течение 10-25 секунд с момента ядерного взрыва.
Поток γ-лучей - фотонов (F ) – отношение числа ионизирующих частиц (фотонов) dN, проходящих через данную поверхность за интервал времени dt, к этому интервалу: F= dN/dt. Eдиница измерения потока ионизирующих частиц – частица / с (одна частица в секунду).
Флюенс (перенос) ионизирующих частиц (фотонов) - отношение числа ионизирующих частиц (фотонов) dN, проникающих в объем элементарной сферы, к площади центрального поперечного сечения dS этой сферы: Ф = dN/dS. Единица измерения флюенса частиц – частица / м 2 (одна частица на квадратный метр).
Плотность потока ионизирующих частиц (фотонов, φ) - отношение потока ионизирующих частиц (фотонов) dF проникающих в объем элементарной сферы, к площади центрального поперечного сечения dS этой сферы: φ = dF/dS = dФ / dt = dN/dt dS. Единица измерения плотности потока - частица/с -1 м -2 (одна частица или квант в секунду на квадратный метр).
При прохождении этих фотонов (гамма излучение) различают узкий и широкий пучок. Геометрия узкого пучка характеризуется тем, что детектор регистрирует только не рассеянное излучение источника. Геометрия, при которой детектор регистрирует не рассеянное и рассеянное излучение, называется широким пучком .
Удельная поглощённая доза (σ) – поглощённая доза, создаваемая излучением при флюенсе = одна частица на квадратный метр: σ = D / Ф.
Внутренняя поглощённая доза - доза, полученная каким-либо органом человеческого организма от источника радиации, находящегося внутри организма. Этим источником внутреннего облучения может быть радиоактивное вещество, которое проникает в организм через кишечник с пищей (пищевые продукты и вода), через легкие (при дыхании воздуха) и, в незначительной степени, через кожу, либо через раны или порезы, а также при медицинской радиоизотопной диагностике. Источники внутреннего облучения можно условно разделить на источники чернобыльского происхождения (в настоящее время большая их часть цезия-137, стронция-90 и плутония-239, 240 содержится в продуктах питания) и естественного происхождения . Последние создают почти 67% суммарной дозы облучения.
Источник внутреннего облучения остаётся в организме на определенное время, в течение которого и оказывает свое негативное воздействие. Длительность воздействия определяется периодом полураспада источника, попавшего в организм, и количеством времени, в течение которого он выводится из организма. Вывод радионуклидов из организма представляет собой весьма сложное явление. Его можно лишь приблизительно описать посредством концепции "биологического полувыведения" - времени, необходимого для выведения из организма половины радиоактивного материала .
Состояние радиационной обстановки на местности или в помещении характеризует экспозиционная доза . Экспозиционная доза (фотонного излучения) - количественная характеристика рентгеновского и γ-излучения с энергией до 3 МэВ, основанная на их ионизирующем действии и выраженная как отношение суммарного заряда всех ионов одного знака dQ, возникающих при полном торможении электронов и позитронов, которые были образованы фотонами в элементарном объеме воздуха, к массе dm воздуха в этом объеме: Х = dQ/dm. Представляет собой энергетическую характеристику излучения, оцениваемую по эффекту ионизации сухого атмосферного воздуха, и меру ионизационного действия фотонного излучения, определяемую по ионизации воздуха в условиях электронного равновесия.
Единицей измерения экспозиционной дозы в СИ является кулон на килограмм (Кл/кг). Широко распространена также внесистемная единица экспозиционной дозы - рентген (Р) (названа в честь немецкого физика Вильгельма Конрада Рентгена, открывшего в 1895 г. рентгеновские лучи): один рентген (1 Р) – это такая доза фотонного излучения, под действием которой в 1 см 3 сухого воздуха при нормальных условиях (0°С и 760 мм рт . ст .) образуются ионы, несущие одну электростатическую единицу количества электричества каждого знака.
Доза в 1 Р соответствует образованию 2,083 10 9 пар ионов в 1 см 3 воздуха (при 0° С и 760 мм рт. ст.), или 1,61 10 12 пар ионов в 1 г воздуха. Если учесть, что заряд электрона равен 1,6 10 -19 кулона, а масса 1 см 3 воздуха = 1,29 10 -6 кг, то 1 Р составляет 2,57976 10 -4 Кл/кг. В свою очередь 1 Кл/кг = 3,876 10 3 Р. На создание такого количества ионов необходимо затратить энергию, равную 0,114 эрг/см 3 или 88 эрг/г, т. е., 88 эрг/г есть энергетический эквивалент рентгена.
Соотношения между единицами измерения экспозиционной и поглощенной дозами составляют: для воздуха 1 Р = 0,88 рад, для биологической ткани 1 Р = 0,93 рад, 1 рад равен в среднем 1,44 Р.
Мощность экспозиционной дозы – приращение экспозиционной дозы в единицу времени. Ее единица в системе СИ – ампер на килограмм (А/кг).
1 Р/с = 2,58 10 -4 А/кг.
В зоне аварии Чернобыльской атомной станции есть районы, где радиоактивность почвы достигает 1200 микрорентген в час. По величине экспозиционной дозы можно рассчитать и поглощённую дозу рентгеновского и γ-излучений в любом веществе. Для этого необходимо знать состав вещества и энергию фотонов излучения.
Следует помнить, что, согласно принятому ГОСТу, после 1 января 1990 г. не рекомендуется вообще пользоваться понятием экспозиционная доза и её мощность . Поэтому во время переходного периода эти величины следует указывать не в единицах СИ, а во внесистемных единицах – рентгенах и рентгенах в секунду (Р/с).
Различают как единовременное , так и постоянное (хроническое ) радиационное воздействие. Единовременное воздействие возникает при чрезвычайных обстоятельствах, в частности, авариях и оценивается по поглощённой дозе. Постоянное же воздействие , которое может возникать в результате регулярных выбросов радиоактивности в воздух или воду или постоянного нахождения радионуклидов в окружающей среде, как правило, осуществляет длительное поражающее действие на человека. Такое воздействие радиация оказывает на людей, проживающих на загрязнённых радионуклидами землях после аварии на ЧАЭС. Для оценки указанных доз облучения используют такие понятия, как эквивалентная и эффективная эквивалентная дозы облучения.
Эквивалентная доза излучения - величина, используемая для оценки радиационной опасности хронического облучения человека различными видами ионизирующих излучений и определяемая суммой произведений поглощенных доз отдельных видов излучений на их коэффициенты качества . Можно сказать, что это средняя поглощенная доза излучения D в органе или ткани Т, умноженная на взвешивающий радиационный коэффициент W R (или, как его ещё называют, коэффициент качества излучения – К, см. табл. 1.6) для биологической ткани стандартного состава (10,1% - водорода; 11,1% - углерода; 2,6% - азота; 76,2% - кислорода, по массе):
H T, R = D W R = Σ D T, R W R ,
где R - индекс вида и энергии излучения.
Коэффициент качества излучения показывает, во сколько раз ожидаемый биологический эффект от исследуемого излучения больше, чем для излучения с линейной передачей энергии (ЛПЭ) ≤ 3,5 кэВ на 1мкм пути в воде. Для различных излучений взвешивающий радиационный коэффициент (W R) устанавливается в соответствии с «Нормами радиационной безопасности - НРБ-2000» в зависимости от линейной передачи энергии (табл. 1.5):
Таблица 1.5
|
ЛПЭ, кэВ/мкм воды | |||||
Линейная передача энергии – ЛПЭ (LET - Linear Energy Transfer) - интенсивность передачи энергии (и, следовательно, уровень поражения) в расчете на единицу пройденного пути. Например, α-частица относится к высокой ЛПЭ-радиации, тогда как фотоны и электроны - к низкой ЛПЭ-радиации.
Взвешивающий радиационный коэффициент W R (коэффициент качества К) показывает во сколько раз радиационная опасность для определённого вида излучения выше, чем радиационная опасность для рентгеновского излучения при одинаковой поглощённой дозе в
Таблица 1.6
Единицей активности изотопа является беккерель (Бк), равный активности нуклида в радиоактивном источнике, в котором за время 1с происходит один акт распада.
1.2 Закон радиоактивного распада
Скорость радиоактивного распада - пропорциональна числу имеющихся ядер N:
где λ – постоянная распада.
LnN = λt + const,
Если t = 0, то N = N0 и, следовательно, const = -lg N0 . Окончательно
N = N0 e-λt (1)
где А – активность в момент времени t; А0 – активность при t = 0.
Уравнения (1) и (2) характеризуют закон радиоактивного распада. В кинетике они известны как уравнения реакции первого порядка. В качестве характеристики скорости радиоактивного распада обычно указывают период полураспада T1/2, который так же, как и λ, является фундаментальной характеристикой процесса, не зависящей от количества вещества.
Периодом полураспада называют промежуток времени, в течение которого данное количество радиоактивного вещества уменьшается наполовину.
Период полураспада различных изотопов существенно различен. Он находится примерно от 1010 лет до ничтожных долей секунды. Конечно, вещества, имеющие период полураспада 10 – 15 мин. и меньше, использовать в лаборатории трудно. Изотопы с очень большим периодом полураспада также нежелательны в лаборатории, так как при случайном загрязнении этими веществами окружающих предметов потребуется специальная работа по дезактивации помещения и приборов.
2. Методики анализа, основанные на измерении радиоактивности
2.1. Использование естественной радиоактивности в анализе
Элементы, имеющие естественную радиоактивность, могут быть определены по этому свойству количественно. Это U, Th, Ra, Ac и др., всего более 20 элементов. Например, калий можно определить по его радиоактивности в растворе при концентрации 0,05 М. Определение различных элементов по их радиоактивности обычно проводят с помощью градуировочного графика, показывающего зависимость активности от содержания (%) определяемого элемента или методом добавок.
Большое значение имеют радиометрические методы в поисковой работе геологов, например при разведке месторождений урана.
2.2. Активационный анализ
При облучении нейтронами, протонами и другими частицами высокой энергии многие нерадиоактивные элементы становятся радиоактивными. Активационный анализ основан на измерении этой радиоактивности. Хотя в принципе для облучения могут быть использованы любые частицы, наибольшее практическое значение имеет процесс облучения нейтронами. Применение для этой цели заряженных частиц связано с преодолением более значительных технических трудностей, чем в случае нейтронов. Основными источниками нейтронов для проведения активационного анализа являются атомный реактор и так называемые портативные источники (радиевобериллиевый и др.). В последнем случае α-частицы, получившиеся при распаде какого-либо α-активного элемента (Ra, Rn, и т. д.), взаимодействуют с ядрами бериллия, выделяя нейтроны:
9Be + 4He →12C + n
Нейтроны вступают в ядерную реакцию с компонентами анализируемой пробы,
например
55Mn + n = 56Mn или Mn (n,γ) 56Mn
Радиоактивный 56Mn распадается с периодом полураспада 2,6 ч:
55Mn → 56Fe + e-
Для получения информации о составе образца некоторое время измеряют его радиоактивность и анализируют полученную кривую. При проведении такого анализа необходимо располагать надёжными данными о периодах полураспада различных изотопов, с тем чтобы провести расшифровку суммарной кривой.
Другим вариантом активационного анализа является метод γ-спектроскопии, основанный на измерении спектра γ-излучения образца. Энергия γ-излучения является качественной, а скорость счёта – количественной характеристикой изотопа. Измерения производят с помощью многоканальных γ-спектрометров со сцинтилляционными или полупроводниковыми счётчиками. Это значительно более быстрый и специфичный, хотя и несколько менее чувствительный метод анализа, чем радиохимический.
Важным достоинством активационного анализа является его низкий предел обнаружения. С его помощью может быть обнаружено при благоприятных условиях до 10-13 – 10-15 г вещества. В некоторых специальных случаях удавалось достигнуть ещё более низких пределов обнаружения. Например, с его помощью контролируют чистоту кремния и германия в промышленности полупроводников, обнаруживая содержание примесей до 10-8 – 10-9 %. Такие содержания никаким другим методом, кроме активационного анализа определить невозможно. При получении тяжёлых элементов периодической системы, таких, как менделевий и курчатовий, исследователям удавалось считать почти каждый атом полученного элемента.
Информация о химии
Лауэ (von Laue), Макс Теодор Феликс фон
Немецкий физик Макс Теодор Феликс фон Лауэ родился в семье гражданского служащего ведомства военных судов Юлиуса Лауэ и урожденной Минны Церренер. Дворянскую приставку «фон» фамилия обрела в 1913 г., когда отец Лауэ по...
Химическая революция
Больших успехов в выделении газов и изучении их свойств достиг Джозеф Пристли - протестантский священник, увлеченно занимавшийся химией. Близ Лидса (Англия), где он служил, находился пивоваренный завод, откуда можно было пол...
Tm - Тулий
ТУЛИЙ (лат. Thulium), Tm, химический элемент III группы периодической системы, атомный номер 69, атомная масса 168,9342, относится к лантаноидам. Свойства: металл. Плотность 9,318 г/см3, tпл 1545 °С. Название: от греческого...