Радиоактивность

1. Строение атома.

Первую модель строения атома предложил Джозеф Джон Томсон, после того

как он открыл электрон — частицу с наименьшим электрическим зарядом. Он пред-

ставлял атом в виде шара из положительно заряженного вещества, в который вкрапле-

ны электроны. При этом положительный заряд шара равен суммарному заряду элек-

тронов. Модель атома Томсона называют «пудингом с изюмом». Используя эту мо-

дель, можно было объяснить электрическую проводимость веществ, явление электри-

зации тел и др.

Проводя опыты по изучению строения вещества, Резерфорд показал несостоя-

тельность модели Томсона. Резерфорд облучал тонкую металлическую фольгу α-

частицами, имеющими большую энергию. В соответствии с моделью Томсона а-

частицы должны были отражаться от атома. Однако очень небольшое число частиц

рассеивалось на углы от 90° до 180°. Большинство частиц проходило через фольгу, от-

клоняясь от направления движения на незначительные углы.

В результате экспериментов Резерфорд предложил новую модель строения ато-

ма, названную планетарной моделью. Он сделал следующие выводы:

в атоме существует положительно заряженная частица, названная ядром атома, ко-

торая отталкивает α-частицы;

размеры ядра малы по сравнению с размерами атома, поскольку отталкивается

очень небольшое число α-частиц, а большинство α-частиц свободно проходит через

фольгу; ядро имеет диаметр порядка 10–14

— 10–15

м.

масса ядра сравнима с массой β-частицы, поскольку масса электронов в 8000 раз

меньше массы а-частицы и электроны не смогли бы изменить направление еѐ дви-

жения.

Таким образом, в соответствии с моделью атома Резерфорда в центре атома

расположено положительное ядро, вокруг которого движутся отрицательно за-

ряженные электроны. Поскольку масса электронов мала, то масса атома в основном

сосредоточена в ядре.

Экспериментальное изучение строения атомного ядра осуществлял Резерфорд.

Он облучал β-частицами атомы азота и других элементов. Ядро атома состоит из по-

ложительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов. Протоны и ней-

троны называются нуклонами. Число нуклонов в ядре называется массовым числом.

Заряд ядра кратен элементарному электрическому заряду Q = Z*e. Чис-

ло Z называется зарядовым числом, оно совпадает с номером элемента в периодиче-

ской системе элементов Менделеева. Число нейтронов N равно разности массового и

зарядового чисел: N = A – Z.

То, что ядра химических элементов устойчивы, нельзя объяснить гравитацион-

ным взаимодействием нуклонов:

оно слишком мало, поскольку мала масса нуклонов;

электромагнитное взаимодействие между этими частицами отсутствует, так как

нейтрон не имеет электрического заряда.

Соответственно, между нуклонами в ядре действуют силы другой природы. Их

называют ядерными силами, они характеризуют взаимодействие, называемое силь-

ным. Ядерное взаимодействие очень сильное, но существует на малых расстояниях.

Ядро химического элемента обозначается как , где X – символ химическо-

го элемента.

Например,

В ядре атома лития содержится: протонов Z = 3 и нейтронов N = А — Z = 4.

Ядра одного и того же химического элемента могут содержать разное число ней-

тронов. При этом они имеют одинаковое зарядовое число, но разное массовое число.

Например, ядра и имеют по 143 и 146 нейтронов соответственно. Ядра с

одинаковым числом протонов, но различным числом нейтронов являются ядрами од-

ного и того же химического элемента и называются изотопами. Изотопы имеют оди-

наковые химические свойства, что обусловлено одинаковым электрическим зарядом

ядра, но разные физические свойства.

Превращение ядер одного элемента в ядра другого элемента происходит не

только в процессе радиоактивного распада. Такое превращение может происходить

при взаимодействии ядер элементов друг с другом или с такими частицами, как альфа-

частицы, электроны, протоны, нейтроны. Превращение исходного атомного ядра при

взаимодействии с какой-либо частицей в другое ядро, отличное от исходного, называ-

ют ядерной реакцией.

2. Радиоактивность

Радиоактивностью называют явление самопроизвольного излучения некоторых

химических элементов, а вид этого излучения называют радиоактивным излучением.

Первым радиоактивное излучение обнаружил Анри Беккерель, который, проводя

эксперименты с солями урана, по почернению фотопластинки установил, что они са-

мопроизвольно испускают невидимое излучение сильной проникающей способности.

В дальнейшем было обнаружено, что не только уран, но и такие элементы, как радий и

полоний, тоже испускают невидимое излучение.

Радиоактивность, которой обладают вещества, существующие в природе, назы-

вают естественной радиоактивностью. Она проявляется у всех элементов таблицы

Д.И. Менделеева, порядковый номер которых больше 83. В дальнейшем было уста-

новлено, что и некоторые искусственно полученные вещества радиоактивны.

Резерфорд, изучая радиоактивное излучение, обнаружил его сложный состав.

Он поместил радиоактивный препарат в свинцовый сосуд с отверстием. Над сосудом

расположил фотопластинку, на которую падало радиоактивное излучение, выходив-

шее через отверстие и прошедшее через магнитное поле. Когда фотопластинку про-

явили, то на ней обнаружили три тѐмных пятна. Одно пятно располагалось точно на-

против отверстия. Это значит, что магнитное поле на него не действовало и заряжен-

ных частиц в этом излучении нет. Его назвали гамма-излучением (γ-излучение). Гам-

ма-излучение представляет собой электромагнитное излучение или поток фотонов.

Наличие двух боковых пятен по разную сторону от центрального означает, что

существуют два излучения, состоящие из частиц, имеющих заряды противоположных

знаков. Эксперимент показывает, что одно из них представляет собой поток положи-

тельно заряженных частиц. Их назвали α-частицами. Другое излучение состоит из

отрицательно заряженных частиц. Их назвали β-частицами.

Изучение этих излучений позволило сделать вывод, что α-частицы — это ядра

атома гелия, их массовое число — 4, а зарядовое число (электрический заряд) +2,

т.е. .

β-частицы представляют собой электроны, их массовое число равно 0, а зарядовое

число равно –1, т.е.

3. Радиоактивный распад Радиоактивные элементы, испуская излучение, превращаются в другие элемен-

ты. При этом, поскольку излучение приводит к появлению нового химического эле-

мента, можно сделать вывод, что изменения происходят именно с ядром атома. Радио-

активное превращение ядер одних элементов в ядра других элементов называ-

ют радиоактивным распадом.

Существует три вида радиоактивного распада: альфа–, бета– и гамма–

излучения.

Альфа–распад.

Превращение атомных ядер, сопровождаемое испусканием альфа–частиц (ядер ге-

лия ). Если – материнское ядро, то превращение этого ядра при альфа–

распаде происходит по следующей схеме (правило смещения):

,

где – символ дочернего ядра; – ядро атома гелия.

При альфа–распаде происходит смещение химического элемента на две клетки вле-

во в таблице Менделеева.

Бета–распад.

Радиоактивные ядра могут выбрасывать поток электронов, которые рождаются, со-

гласно гипотезе Ферми, в результате превращения нейтронов в протоны. В соответст-

вии с правилом смещения массовое число ядра не изменяется:

.

При бета–распаде химический элемент перемещается на одну клетку вправо в перио-

дической системе Менделеева и, кроме электронов, испускается антинейтрино.

Гамма–излучение.

Возникает при ядерных превращениях и представляет собой электромагнитное излу-

чение. Имеет высокую энергию.

Резерфорд установил, что воздух сильнее всего ионизуют альфа–лучи, в мень-

шей степени – бета–лучи и совсем плохо – гамма–лучи. Поэтому проникающая спо-

собность оказалась самая малая у альфа–лучей (лист бумаги, несколько сантиметров

слоя воздуха), а бета–лучи проходят сквозь алюминиевую пластину толщиной в не-

сколько миллиметров. Очень велика проникающая способность у гамма–лучей (на-

пример, для алюминия – пластины толщиной в десятки сантиметров).

4. Период полураспада

В процессе радиоактивного распада число радиоактивных атомов уменьшается.

Распад разных радиоактивных веществ происходит с разной интенсивностью. Напри-

мер, радиоактивные изотопы йода распадаются значительно быстрее, чем изотопы

стронция. Характеристикой интенсивности радиоактивного распада является величи-

на, называемая периодом полураспада.

Таблица периодов полураспада радиоизотопов.

Периодом полураспада Т называют промежуток времени, в течение которого

распадается половина первоначального числа атомов радиоактивного вещества. Чем

меньше период полураспада, тем быстрее распадутся все радиоактивные атомы.

Например, имеется 4*108 атомов радиоактивного изотопа йода, период полурас-

пада которого 25 минут. Это означает, что в течение 25 минут распадается половина

ядер изотопа йода, т.е. 2*108 ядер, а 2*10

8 ядер останется нераспавшимися. Еще через

25 минут нераспавшимися останется 108 ядер йода, еще через 25 минут — 0,5*10

8 ядер

и так далее.

Особенностью закона радиоактивного распада является то, что невозможно

предсказать, когда произойдет распад каждого конкретного атома. Оно может про-

изойти во время одного периода полураспада, или двух, или трех. Период полураспада

относится не к конкретному атому, а к совокупности атомов радиоактивного вещества.

5. Деление урана. Цепная реакция.

В 1938 году немецкими учѐными Отто Ганом и Фрицом Штрассманом было от-

крыто явление деления ядер урана под воздействием медленных нейтронов. Использо-

вание именно нейтронов в данном эксперименте обусловлено их электронейтрально-

стью. Отсутствие кулоновского отталкивания от протонов в ядре позволяло нейтронам

легко в него проникать.

Характеристики нейтрона: заряд и масса .

При попадании нейтрона в ядро урана-235 оно деформируется и принимает вы-

тянутую форму. Так как ядерные силы действуют на крайне малых расстояниях, то

они не могут противодействовать электростатическому отталкиванию противополож-

ных частей вытянутого ядра, и оно разрывается на части. При этом излучается 2–3

нейтрона, а осколки, не сильно отличающиеся по массе, разлетаются с огромной ско-

ростью (смотри рисунок).

Существует несколько возможных результатов деления ядра урана-235:

1. Распад на барий и криптон с выделением трѐх нейтронов:

2. Распад на ксенон и стронций с выделением двух нейтронов:

Делением ядра называется ядерная реакция деления тяжѐлого ядра, возбуждѐн-

ного захватом нейтрона, на две приблизительно равные части, называемые осколками

деления.

Ядра урана-238 могут делиться лишь под влиянием нейтронов большой энергии

(быстрых нейтронов). Такую энергию имеют только 60 % нейтронов, появляющихся

при делении ядра урана-238. Примерно только 1 из 5 образовавшихся нейтронов вы-

зывает деление ядра.

Механизм превращения энергии во время деления ядра. Единица измерения

энергии

Поскольку масса покоя тяжѐлого ядра урана больше суммы масс покоя оскол-

ков, образующихся в результате распада, то реакция деления протекает с выделением

энергии. Вычислить эту энергию можно по аналогии с энергией связи.

, где

Кулоновские силы, разгоняя осколки ядра, придают им определѐнную кинетиче-

скую энергию. Однако эти осколки тормозятся окружающей средой, преобразуя свою

кинетическую энергию во внутреннюю энергию окружающей среды. Таким образом,

вследствие деления ядер урана наблюдается колоссальный нагрев всего окружающего

пространства. Для примера, при полном делении всех ядер одного грамма урана выде-

лится энергия эквивалентная сгоранию 2,5 т нефти.

Использовать стандартную единицу измерения энергии (Дж) для ядер не совсем

удобно, так как энергия одного ядра крайне мала. Для микромира была введена специ-

альная единица измерения – электронвольт.

Один электронвольт равен работе, которую должно совершить поле при пере-

мещении элементарного заряда между разностью потенциалов 1 В.

Цепная ядерная реакция

Любой из нейтронов, вылетающий из ядра, может попасть в соседнее ядро и вы-

звать излучение им новых нейтронов, которые, в свою очередь, попадут в новые ядра,

и те излучат новые нейтроны. В результате получается процесс, который поддержива-

ет сам себя. Такой процесс называется цепной ядерной реакцией.

Цепная ядерная реакция – самоподдерживающаяся реакция деления тяжелых

ядер, в которой непрерывно воспроизводятся нейтроны, делящие все новые и новые

ядра.

Суть такой реакции заключается в том, что на первом этапе распада выделяется,

допустим, N нейтронов, на следующем этапе – N2 нейтронов, и т. д. (смотри рисунок).

Количество нейтронов в реакции растѐт в геометрической прогрессии. Это приводит к

тому, что колоссально растѐт выделяемая энергия, которая позволяет реакции поддер-

живать саму себя.

Возможны различные варианты протекания цепных ядерных реакций, эти про-

цессы позволяет описывать физическая величина, которая называется критическая

масса.

Критическая масса ( ) – минимальное количество делящегося вещества, не-

обходимое для начала самоподдерживающейся цепной ядерной реакции. Критическая

масса известна для различных радиоактивных элементов (для урана-235 она составля-

ет 48 кг).

Рост числа нейтронов при цепной реакции

Цепная реакция деления ядра урана-235

В зависимости от массы рассматриваемого образца цепные ядерные реакции де-

лят на следующие формы протекания:

1. Если масса образца меньше критической массы, то число нейтронов убывает и ре-

акция затухает.

2. Если масса образца больше критической массы, то число нейтронов лавинообразно

увеличивается, реакция становится неуправляемой, что приводит к взрыву.

3. Если масса образца соответствует критической массе, протекает управляемая цеп-

ная реакция.

6. Ядерные силы

Силы притяжения, связывающие протоны и нейтроны в ядре, называют-

ся ядерными силами.

Свойства ядерных сил:

1. зарядовая независимость – ядерное (сильное) взаимодействие между двумя про-

тонами, двумя нейтронами или между протоном и нейтроном одинаково;

2. короткодействующий характер – ядерные силы быстро убывают с расстоянием;

радиус их действия порядка 10–15

м;

3. насыщаемость – ядерные силы могут удерживать друг возле друга в ядре ограни-

ченное количество нуклонов; с ростом числа нуклонов ядра становятся менее ста-

бильными.

Энергия, которая необходима для полного расщепления ядра на отдельные ну-

клоны, называется энергией связи.

Измерения показали, что масса покоя ядра М всегда меньше суммы масс покоя

нуклонов (протонов и нейтронов), входящих в состав, на величину Δm, называе-

мую дефектом массы: Δm = (Zmp + Nmn) – М.

Энергия связи атомного ядра Есв равна произведению дефекта масс на квадрат

скорости света: Есв = Δmс2.

Массу ядер удобно выражать в атомных единицах массы: 1 а.е.м. = 1,67*10–27

кг.

Ядерными реакциями называются превращения атомных ядер, вызванные их

взаимодействиями с различными частицами или друг с другом. При записи ядерных

реакций используются законы сохранения заряда и массового числа (числа нуклонов).

Например, осуществлена ядерная реакция

,

в результате которой получен изотоп натрия и некоторая частица, которую нужно оп-

ределить. Находим сумму массовых чисел в левой части уравнения. Она равна 26. Вы-

читаем из этого числа массовое число изотопа натрия: 26 – 22 = 4. Следовательно,

массовое число неизвестной частицы равно 4. Определяем зарядовое число: сумма за-

рядовых чисел в левой части равенства равна 13, следовательно, зарядовое число не-

известной частицы 13 – 11 = 2. Таким образом, массовое число образовавшейся в ре-

зультате реакции частицы 4, а зарядовое число 2. Это — альфа-частица.

Уравнение имеет вид:

7. Термоядерный синтез

Термоядерный синтез — это разновидность ядерной реакции. В ходе ядерной

реакции ядро атома взаимодействует либо с элементарной частицей, либо с ядром

другого атома, за счет чего состав и строение ядра изменяются. Тяжелое атомное ядро

может распасться на два-три более легких — это реакция деления. Существует также

реакция синтеза: это когда два легких атомных ядра сливаются в одно тяжелое.

Термоядерная реакция

В отличие от ядерного деления, которое может проходить как самопроизвольно,

так и вынужденно, ядерный синтез невозможен без подвода внешней энергии. Как из-

вестно, притягиваются противоположности, но вот атомные ядра заряжены положи-

тельно — поэтому они отталкиваются друг от друга. Эта ситуация называет-

ся кулоновским барьером. Чтобы преодолеть отталкивание, необходимо разогнать эти

частицы до сумасшедших скоростей. Это можно осуществить при очень высокой тем-

пературе — порядка нескольких миллионов кельвинов. Именно такие реакции и назы-

ваются термоядерными.

Естественным термоядерным реактором является звезда. В ней плазма удержи-

вается под действием гравитации, а излучение поглощается — таким образом, ядро не

остывает. На Земле же термоядерные реакции можно провести лишь в специальных

установках (импульсные системы, квазистационарные системы, токамак, торсатрон).

В ходе ядерных и термоядерных реакций выделяется огромное количество

энергии, которую можно использовать в различных целях — можно создать мощней-

шее оружие, а можно преобразовать ядерную энергию в электричество и снабдить им

весь мир. Энергия распада ядра давно используется на атомных электростанциях. Но

термоядерная энергетика выглядит перспективнее. При термоядерной реакции на каж-

дый нуклон (так называются составляющие ядра, протоны и нейтро-

ны) выделяется намного больше энергии, чем при ядерной реакции. К примеру,

при делении ядра урана на один нуклон приходится 0,9 МэВ, а при синтезе ядра гелия

из ядер водорода выделяется энергия, равная 6 МэВ.

В основных ядерных реакциях, которые планируется использовать в целях осу-

ществления управляемого термоядерного синтеза, будут применяться дейтерий (тя-

жѐлый водород, обозначается символами D и 2H — стабильный изотоп водорода с

атомной массой, равной 2) и тритий (сверхтяжѐлый водород, обозначается символами

T и 3H — радиоактивный изотоп водорода), а в более отдалѐнной перспективе гелий-3

и бор-11.

Курчатовский институт работает над реактором IGNITOR. Германия запустила

термоядерный реактор-стелларатор Wendelstein 7-X. Наиболее известен международ-

ный проект токамака ИТЭР (ITER, Международный экспериментальный термоядер-

ный реактор) в исследовательском центре Кадараш (Франция).

8. Ядерный реактор

Атомный реактор – это многовековая воплощенная, пусть и не до конца, мечта

человечества о неисчерпаемом источнике энергии. Его древний «прародитель» — кос-

тер из сухих веток, однажды озаривший и согревший своды пещеры, где находили

спасение от холода наши далекие предки. Позже люди освоили углеводороды – уголь,

сланцы, нефть и природный газ. Наступила бурная, но недолгая эпоха пара, кото-

рую сменила еще более фантастическая эпоха электричества. Города наполнялись све-

том, а цеха – гулом невиданных доселе машин, приводимых в движение электродвига-

телями. Тогда казалось, что прогресс достиг своего апогея.

Все изменилось в конце XIX века, когда французский химик Антуан Анри Бек-

керель совершенно случайно обнаружил, что соли урана обладают радиоактивностью.

Спустя 2 года, его соотечественники Пьер Кюри и его супруга Мария Склодовская-

Кюри получили из них радий и полоний, причем уровень их радиоактивности в мил-

лионы раз превосходил показатели тория и урана.

Эстафету подхватил Эрнест Резерфорд, детально изучивший природу радиоак-

тивных лучей. Так начинался век атома, явивший на свет свое любимое дитя – атом-

ный реактор.

Первый ядерный реактор

«Первенец» родом из США. В декабре 1942 года дал первый ток реактор, кото-

рому досталось имя его создателя — одного из величайших физиков столетия Э. Фер-

ми. Три года спустя в Канаде обрела жизнь ядерная установка ZEEP. «Бронза» доста-

лась первому советскому реактору Ф-1, запущенному в конце 1946 года. Руководите-

лем отечественного ядерного проекта стал И. В. Курчатов. Сегодня в мире успешно

трудятся более 400 ядерных энергоблоков.

Типы ядерных реакторов

Их основное назначение – поддерживать контролируемую ядерную реакцию,

производящую электроэнергию. На некоторых реакторах производятся изотопы. Если

кратко, то они представляют собой устройства, в недрах которых одни вещества пре-

вращаются в другие с выделением большого количества тепловой энергии. Это свое-

образная «печь», где вместо традиционных видов топлива «сгорают» изотопы урана –

U-235, U-238 и плутоний (Pu).

В отличии, к примеру, от автомобиля, рассчитанного на несколько видов бензи-

на, каждому виду радиоактивного топлива соответствует свой тип реактора. Их два –

на медленных (с U-235) и быстрых (c U-238 и Pu) нейтронах. На большинстве АЭС ус-

тановлены реакторы на медленных нейтронах. Помимо АЭС, установки «трудятся» в

исследовательских центрах, на атомных субмаринах и опреснителях морской воды.

Как устроен реактор

У всех реакторов примерна одна схема. Его «сердце» — активная зона. Ее мож-

но условно сравнить с топкой обычной печки. Только вместо дров там находится

ядерное топливо в виде тепловыделяющих элементов с замедлителем – ТВЭЛов. Ак-

тивная зона находится внутри своеобразной капсулы — отражателе нейтронов. ТВЭ-

Лы «омываются» теплоносителем – водой. Поскольку в «сердце» очень высокий уро-

вень радиоактивности, его окружает надежная радиационная защита.

Операторы контролируют работу установки с помощью двух важнейших систем

– регулирования цепной реакции и дистанционной системы управления. Если возни-

кает нештатная ситуация, мгновенно срабатывает аварийная защита.

Как работает реактор

Атомное «пламя» невидимо, так как процессы происходят на уровне деления

ядер. В ходе цепной реакции тяжелые ядра распадаются на более мелкие фрагменты,

которые, будучи в возбужденном состоянии, становятся источниками нейтронов и

прочих субатомных частиц. Но на этом процесс не заканчивается. Нейтроны продол-

жают «дробиться», в результате чего высвобождается большая энергия, то есть, про-

исходит то, ради чего и строятся АЭС.

Основная задача персонала – поддержание цепной реакции с помощью управ-

ляющих стержней на постоянном, регулируемом уровне. В этом его главное отличие

от атомной бомбы, где процесс ядерного распада неуправляем и протекает стреми-

тельно, в виде мощнейшего взрыва.

Что произошло на Чернобыльской АЭС

Одна из основных причин катастрофы на Чернобыльской АЭС в апреле 1986 го-

да – грубейшее нарушение эксплуатационных правил безопасности в процессе прове-

дения регламентных работ на 4-м энергоблоке. Тогда из активной зоны было одновре-

менно выведено 203 графитовых стержня вместо 15, разрешенных регламентом. В

итоге, начавшаяся неуправляемая цепная реакция завершилась тепловым взрывом и

полным разрушением энергоблока.

Реакторы нового поколения

За последнее десятилетие Россия стала одним из лидеров мировой ядерной энер-

гетики. На рисунке показаны АЭС на территории России.

Ленинградская АЭС, г.Сосновый бор

На данный момент госкорпорация «Росатом» ведет строительство АЭС в 12

странах, где возводятся 34 энергоблока. Столь высокий спрос – свидетельство высоко-

го уровня современной российской ядерной техники. На очереди — реакторы нового

4-го поколения.

Один из них – «Брест», разработка которого ведется в рамках проекта «Прорыв».

Ныне действующие системы разомкнутого цикла работают на низкообогащенном ура-

не, после чего остается большое количество отработанного топлива, подлежащего за-

хоронению, что требует огромных затрат. «Брест» — реактор на быстрых нейтронах

уникален замкнутым циклом.

В нем отработанное топливо после соответствующей обработки в реакторе на

быстрых нейтронах опять становится полноценным топливом, которое можно загру-

жать обратно в ту же установку.

«Брест» отличает высокий уровень безопасности. Он никогда не «рванет» даже

при самой серьезной аварии, очень экономичен и экологически безопасен, поскольку

повторно пользуется своим «обновленным» ураном. Его также невозможно использо-

вать для наработки оружейного плутония, что открывает широчайшие перспективы по

его экспорту.

ВВЭР-1200 – инновационный реактор поколения «3+» мощностью 1150 МВт.

Благодаря своим уникальным техническим возможностям, он обладает практически

абсолютной эксплуатационной безопасностью. Реактор в изобилии оснащен система-

ми пассивной безопасности, которые сработают даже в отсутствии электроснабжения

в автоматическом режиме.

Одна из них – система пассивного отведения тепла, которая автоматически ак-

тивируется при полном обесточивании реактора. На этот случай предусмотрены ава-

рийные гидроемкости. При аномальном падении давления в первом контуре в реактор

начинается подача большого количества воды, содержащей бор, которая гасит ядер-

ную реакцию и поглощает нейтроны.

Еще одно ноу-хау находится в нижней части защитной оболочки – «ловушка»

расплава. Если все же в результате аварии активная зона «потечет», «ловушка» не по-

зволит разрушиться защитной оболочке и предотвратит попадание радиоактивных

продуктов в грунт.

9. Биологическое действие радиации

Радиоактивность свидетельствует о сложном строении атомов. Специальные

приборы, которые применяются для регистрации ядерных излучений, называются де-

текторами ядерных излучений. Наиболее широкое применение получили детекторы,

которые обнаруживают ядерные излучения по производимой ими ионизации и возбу-

ждению атомов вещества.

Это — газоразрядный счетчик Гейгера, камера Вильсона, пузырьковая ка-

мера. Существует также метод фотоэмульсий, основанный на способности проле-

тающей частицы создавать в фотоэмульсии скрытое изображение. След пролетевшей

частицы сквозь нее виден на фотографии после проявления.

Радиоактивное излучение оказывает сильное биологическое действие на ткани

живого организма. Оно ионизирует атомы и молекулы среды. Под действи-

ем ионизирующей радиации разрушаются сложные молекулы и элементы клеточных

структур. В человеческом организме нарушается процесс кроветворения

Человек заболевает белокровием, или так называемой лучевой болезнью. Боль-

шие дозы облучения приводят к смерти.

Было установлено, что проникающая способность оказалась самая малая у α- -

лучей (их остановит лист бумаги или несколько сантиметров слоя воздуха), а β-лучи

проходят сквозь алюминиевую пластину толщиной в несколько миллиметров. Очень

велика проникающая способность у γ — лучей (их остановит алюминиевая пластина

толщиной в десятки сантиметров). Бетонная плита задерживает все эти три излучения

и даже нейтронное.

Радиоактивные излучения, которые действуют на человека, разнообразны. Это

не только β- и γ-лучи, но также, например, осколки ядер и нейтроны, возникающие в

результате радиоактивного распада веществ. Основную часть облучения люди получа-

ют от естественных источников радиации, таких как горные породы, космические

лучи, атмосферный воздух и пища. Совокупность излучения всех источников образует

так называемый радиационный фон.

На рисунке показана чувствительность к радиации различных органов человека.

Согласно формуле, единицей поглощѐнной дозы является 1 грей (1 Гр = 1

Дж/кг). Например, для человека смертельная доза γ-излучения равна 6 Гр. Принимая

массу человека за 70 кг, несложно подсчитать, что в организм попадает 420 Дж энер-

гии – столько же, сколько при одном глотке горячего чая или кофе.

D – поглощѐнная доза, Гр E – поглощѐнная энергия, Джm – масса

вещества, кг

Понятно, что тепловое воздействие γ-излучения не является непосредственной

причиной поражения. Действительно, главным фактором возникновения лучевой бо-

лезни и последующей гибели организма является нарушение биохимических процес-

сов клеток, возникающее по причине ионизации внутриклеточных веществ.

Поэтому необходимо учитывать не только энергию излучения, но и степень его

опасности для живых клеток и тканей. Например, установлено, что поглощѐнная доза

1 Гр в виде α-излучения оказывает на организм примерно такое же воздействие, как и

γ-излучение дозой 20 Гр.

Поэтому для учѐта биологического действия излучения применяют формулу:

H – эквивалентная доза, Зв k – нормировочный коэффициентD –

поглощѐнная доза, Гр

Единицей эквивалентной дозы является 1 зиверт (1 Зв = 1 Дж/кг). Для рентге-

новского и γ-излучения нормировочные коэффициенты равны единице, для остальных

видов излучений они лежат в пределах от 1 до 20, что определяют по специальным

таблицам. Их значения учитывают усреднѐнное биологическое воздействие разных

видов ионизирующих излучений на живые ткани, органы и организмы в целом.

Дополнительный материал

Видеоуроки от Инфоурок

(плейлист «ВИДЕОУРОКИ: Физика 9 класс», видео с №52 по №56)

https://www.youtube.com/watch?v=wUyEk_iF0BA&list=PLvtJKssE5Nri3tJqj1YcRFWIMy

9d6aGmW&index=52

Видеоуроки.net (видео с №50 по 60 для раздела «Физика, 9 класс»)

https://videouroki.net/video/fizika/9-class/fizika-9-klass/5/

Домашнее задание по разделу

Учебник:

§52-62, письменно: упр.46 и упр.48.

Лабораторная работа №3: «Изучение деления ядра атома урана по фотографии

треков». (по учебнику л/р №7, с.307)

Оформить как л/р в тетради. Видео в помощь.

https://www.youtube.com/watch?v=mWB8zc6FLh4&feature=emb_logo

Лабораторная работа №4: «Изучение треков заряженных частиц по готовым фо-

тографиям». (по учебнику л/р №9, с.309)

Оформить как л/р в тетради. Видео в помощь.

https://www.youtube.com/watch?v=b2iO-a7RnMc&feature=emb_logo

Задачи.

1. Определите число электронов, протонов и нейтронов в атоме кислорода 8O17

.

2. В результате α-pacnada ядро некоторого элемента превратилось в ядро радо-

на 86Rn222

. Что это был за элемент?

3. В какое ядро превращается торий после трех последовательных α-распадов?

4. В какое ядро превращается сурьма после четырех β-распадов?

5. Определите дефект масс и энергию связи ядра атома .

6. Выделяется или поглощается энергия при следующей ядерной реакции:

?

7. Вычислите энергию связи ядра лития 3Li7. Масса ядра равна 7,01436 а.е.м.

8. Определите неизвестный продукт X каждой из ядерных реакций:

Контрольная работа №5

«Строение атома и атомного ядра, использование энергии атомных ядер»

Вариант 1.

№1. Бета-излучение - это...

№2. Сколько протонов и нейтронов в ядре 92 238

U?

№3. Заряд атома равен…

№4. Элемент z AX испытал альфа-распад. Какой заряд и массовое число будет у нового элемента Y?

№5. Укажите продукт ядерной реакции

№6. Установите соответствие

№7.

Вариант 2.

№1. Гамма-излучение – это…

№2.Сколько протонов и нейтронов в ядре 50 110

Sn?

№3. Число электронов в атоме равно…

№4. Какой порядковый номер имеет элемент, образующийся в результате бета-распада ядра элемен-

та с порядковым номером Z?

№5. Какая частица X участвует в ядерной реакции?

№6. Установите соответствие

№7.