Радиоактивное излучение и радиация

Ижевский региональный техникум градостроительства, экономики и права ИжГСХА'' 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

 

 

 

 
 
 Реферат на  тему:

Радиоактивное излучение и радиация

 

 

 
 
 
 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнила:

Студентка ЗИО-14.2

Капленко М.А.

Проверила:

Валиуллина Г. С.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ижевск 2015

Содержание

 

1. Строение вещества

. Виды ядерных  распадов

1) Альфа-распад

2) Бета-распад

. Законы радиоактивности

. Радиационный  фон

. Детекторы (счетчики) ионизирующих  излучений

1) Полупроводниковый детектор

2) Сцинтилляционный детектор

3) Газоразрядный детектор

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Строение вещества

 

Все вещества в природе состоят из молекул. Молекула - мельчайшая частица вещества. Все молекулы состоят из атомов химических элементов. Атом - мельчайшая частица химического элемента. Все химические элементы расположены в определенных местах периодической таблицы Менделеева. Место под номером один в периодической системе химических элементов отведено водороду (Н).

 
 Ядро водорода (Н) состоит из одного протона.

У других химических элементов ядро состоит из протонов и нейтронов. Нейтрон (n) - частица, не имеющая электрического заряда и обладающая массой, примерно равной массе протона. Силы притяжения, связывающие протоны и нейтроны в атомном ядре, называются ядерными силами.

Число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента в периодической системе Менделеева и обозначается знаком Z. Число нейтронов в ядре обозначается знаком N. Общее число протонов и нейтронов в ядре обозначается знаком А и называется массовым числом.

А = Z+N

 

Ядра с одинаковым числом протонов, но различным числом нейтронов являются ядрами различных изотопов одного и того же химического элемента. Из-за различного числа нейтронов, ядра различных изотопов одного химического элемента обладают разными массами и могут отличаться по физическим свойствам, например по способности к радиоактивному распаду. Из-за одинакового заряда ядра, атомы различных изотопов одного химического элемента имеют одинаковое строение электронных оболочек и поэтому обладают одинаковыми химическими свойствами.

Обозначается изотоп символом химического элемента (Х) с указанием слева вверху массового числа А и слева внизу числа протонов Z в атомном ядре:

Конкретное ядро с данными А и Z иногда называют нуклидом.

В настоящее время известно от Z = 1 до Z = 109 и около 2000 изотопов.

Не всякое атомное ядро, состоящее из протонов и нейтронов, может существовать неограниченно долго. Многие из них способны к самопроизвольным превращениям в другие атомные ядра. Устойчивыми являются лишь те атомные ядра, которые обладают минимальным запасом полной энергии среди всех ядер, в которые данное ядро могло бы самопроизвольно превратиться. Из ~ 2000 изотопов только ~ 300 устойчивы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Виды ядерных  распадов:

 
1) Альфа-распад

 

Альфа - распадом называется распад атомного ядра на альфа-частицу (а - первая буква греческого алфавита) a-радиоактивны почти все ядра тяжелых. При вылете а-частицы из ядра, число протонов в ядре уменьшается на два, и продукт a-распада оказывается ядром химического элемента с порядковым номером на две единицы меньше исходного, массовое число ядра-продукта меньше массового числа исходного ядра на четыре единицы.

Начальная кинетическая энергия всех a- частиц, испускаемых ядрами одного изотопа, одинакова или испускается a-частица с двумя-тремя разными значениями начальной кинетической энергии. Энергетический спектр a-частиц дискретный и может идентифицировать распавшийся изотоп.

При a-распаде атомных ядер часто часть энергии a-распада идет на возбуждение ядра-продукта. Ядро-продукт спустя короткое время после вылета a-частицы испускает один или несколько гамма-квантов (g- третья буква греческого алфавита) и переходит в нормальное состояние. g-жесткое (с длиной волны ~ 10-11 м) электромагнитное излучение. Таким образом, a-распад ядер может сопровождаться испусканием g-квантов.

2) Бета-распад

 

Явление b-распада (b - вторая буква греческого алфавита) представляет собой самопроизвольное превращение атомного ядра путем испускания электрона (е-) или позитрон (е+ - частица аналогичная электрону, но имеющая единичный заряд положительной полярности). В основе этого явления лежит способность протонов и нейтронов к взаимным превращениям. Масса свободного нейтрона больше массы протона и электрона вместе взятых - следовательно, запас полной энергии нейтрона больше запаса энергий протона и электрона. Поэтому нейтрон может самопроизвольно превращаться в протон с испусканием электрона и антинейтрино

® p + (е + )

 
Скобки обозначают вылет частицы из ядра.

Ядра, в которых происходят превращения n ? p, называются b - радиоактивными. В результате превращения одного из нейтронов в протон заряд ядра увеличивается на единицу. Ядро-продукт b - распада оказывается ядром одного из изотопов химического элемента с порядковым номером в таблице Менделеева, на единицу большим порядкового номера исходного ядра. При b - распаде ядро изотопа продуктом распада является ядро изотопа .

 
® + (? + n)(5) 

Массовое число ядра-продукта b-распада остается прежним, так как число нуклонов в ядре не изменилось.

b-распад, как и a-распад, может сопровождаться g-излучением. g-излучение сопровождает b-распад в тех случаях, когда часть энергии затрачивается на возбуждение ядра-продукта. Возбужденное ядро через 10-3 ….10-6 сек. освобождается от избытка энергии путем испускания одного или нескольких g-квантов.

Превращение p? n сопровождается испусканием позитрона и нейтрино (n). Это превращение также может сопровождаться испусканием g-квантов

 

р ? n + (e+ + n ) 

3. Закон радиоактивности

 

Радиоактивность - самопроизвольное превращение нестабильных атомных ядер в другие, которое сопровождается испусканием элементарных частиц или ядер, в результате чего образуется новый атом, который по своим химическим свойствам отличается от исходного.

Для радиоактивности установлены следующие законы и определения:

Радиоактивный распад не зависит от внешних условий (температуры, давления, химических воздействий) 

Число распадов ядер данного препарата в единицу времени называется активностью препарата.

Активность:

 

Новые ядра, получившиеся после радиоактивного распада, занимают в периодической системе элементов другие места (закон смещения)

При a-распаде

 

® + ;

 

При b-распаде (электронном)

 

® + ;

(позитронном) ® + ;

где Х,Y - символы химических элементов, соответствующие материнскому и дочернему ядрам.

Ионизирующее излучение - излучение, взаимодействие которого со средой приводит к образованию ионов. Радиация будет ионизирующей в том случае, если она способна разрывать химические связи молекул. Ионизирующее излучение может состоять из заряженных и незараженных частиц. Энергию частиц ионизирующего излучения измеряют в электровольтах (эВ): 1эВ = 1,6 * 10-19 Дж = 1,6 * 10-12 эрг (1эВ*106=1МэВ).

Поток ионизирующих частиц - число частиц, проходящих через данную поверхность за единицу времени. Поток ионизирующих частиц измеряется числом частиц в единицу времени (с-1).

 

 

Плотность потока ионизирующих частиц - отношение числа частиц, проникающих в элементарную сферу за единицу времени, к площади поперечного сечения этой сферы. Единица измерения плотности потока ионизирующих частиц - число частиц/ см2мин.

 

 

6. Радиационный  фон

 

Все источники радиации на нашей планете можно разделить на естественные, существующие помимо воли человека и искусственные, созданные человеком.

Избежать облучения от естественных источников совершенно невозможно. Земные естественные источники радиации составляют 5/6 годовой эквивалентной дозы, получаемой населением и только 1/6 приходится на космическое излучение.

Наиболее весомый вклад вносит невидимый, не имеющий запаха и вкуса газ радон (Rn) На его долю со всеми дочерними продуктами распада приходится ¾ годовой индивидуальной эквивалентной дозы облучения, получаемой от земных естественных источников. Большую часть этой дозы человек получает вместе с вдыхаемым воздухом, особенно в непроветриваемых помещениях. В природе Rn встречается в двух формах: 222Rn- продукт распада 238U и 220Rn -продукт распада Th, высвобождаясь из земной коры.

Кроме радона вклад в "земную радиацию" вносят изотопы 40К и 87Rb. Небольшой вклад вносят изотопы 14С и 3Н образующиеся под действием космических лучей (протоны и a - частицы с энергиями 1 - 1015 МэВ в качестве первичных и е-; е+; g- в качестве вторичных) в атмосфере.

К искусственным источникам радиации: медицинская диагностика, телевидение, угольные электростанции, облучение естественной радиацией во время полета на самолете, добавились атомные электростанции и продукты их функционирования и аварий.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8. Детекторы (счетчики) ядерных излучений

 

Детекторы (счетчики) применяются для регистрации ионизирующих излучений.

Действие детекторов основано на регистрации взаимодействия исследуемых частиц с веществом, которое проявляется в образовании свободных электронов, ионов, люминесцентном свечении, излучении Вавилова- Черенкова, а также в прохождении реакции, сопровождающихся тепловыми явлениями.

Основными характеристиками детекторов являются:

энергетическое разрешение, характеризующая погрешность, с которой определяется энергия регистрируемой частицы;

эффективность регистрации, отношение числа зарегистрированных частиц к общему числу частиц, прошедших через детектор;

время разрешения - минимальный промежуток времени, необходимый детектору для восстановления своей работоспособности;

пространственное разрешение - минимальное расстояние между траекториями регистрируемых частиц, при котором эти частицы различимы.

Эти характеристики достаточно полно приводятся в технических документах на приборы, где конкретный тип детектора (счетчика) применяется.

 

1) Полупроводниковый детектор

 

Монокристалл кремния или германия, выполненный в виде пластины размером до сотен квадратных миллиметров и обладающий электронно-дырочным p-n переходом. На противоположных поверхностях напыляются электроды, к которым подводится запирающее напряжение в несколько вольт. Частица, проникающая в кристалл, за счет ионизации, образует дополнительную пару дырка-электрон, перемещающуюся в электрическом поле и создающие на выходе импульс тока. Заряд, собранный на электродах, пропорционален энергии выделенной частицей в кристалле. Измеряемая энергия частиц соответствует точности до 0,1 % и имеют время разрешения до 10-8 с.

 

2) Сцинтилляционный детектор

 

Детектор состоит из сцинтиллятора (специальные кристаллы, жидкости, пластмассы, благородные газы), в котором пролетающая частица производит наряду с ионизацией атомов и молекул их возбуждение. При возвращении в исходное состояние они люминистируют, т.е. излучают фотоны. На основе представления о фотоне, как частице, которая может излучаться и поглощаться как целое проявляемое в явлении фотоэффекта (испускание электронов под действием электромагнитного излучения) применяются для регистрации ядерных частиц в сцинтилляционных детекторах (сцинтиллятор и фотокатод фотоумножителя как единое целое).

Ядерная частица, проникая в сцинтиллятор, вызывает возбуждение атомов и молекул. Возвращаясь в исходное состояние, они возвращают полученную от частицы энергию в виде квантов света (фотонов). Фотоны выбивают электроны с фотокатода. Фотокатоды- тонкий слой редкоземельных элементов, нанесенный на внутреннюю поверхность торца фотоэлектронного умножителя (ФЭУ)

ФЭУ - стеклянный баллон с выкаченным воздухом. Внутри расположены диноды (аноды из металла с коэффициентом вторичной эмиссии 2…10)

Электрическое поле внутри ФЭУ создается резистивным делителем Rд. Потенциал фокусирующей диаграммы Д заставляет фотоэлектроны с катода (Ф) попадать на 1-ый динод. Вторичные электроны с первого динода ускоряются электрическим полем и попадают на второй динод и т.д. (до 14). К аноду устремляется поток электронов, увеличенный до 106 раз и более, вызывая на резисторе нагрузки (Rн) импульс напряжения.

 

3) Газоразрядный детектор

 

Газоразрядный детектор (счетчик Гейгера-Мюллера) представляет собой металлический цилиндр с тонкой проволокой по центру разделенные изоляторами. Внутри цилиндра находится газовая смесь аргона с парами метилового спирта при давлении около 0,1 атмосферы. К корпусу счетчика приложено отрицательное напряжение до 1000 В. К нити, через нагрузочный резистор -положительный потенциал. При попадании частицы в объем счетчика происходит ионизация молекул и атомов газа. Разгоняясь приложенным напряжением, электроны и ионы вызывают ударную ионизацию газовой смеси, возникает лавинный разряд. Импульс напряжения подается для последующего усиления. Из-за уменьшения напряженности поля между нитью и корпусом коронный разряд гаснет и счетчик готов к приему новой частицы. Для уменьшения времени восстановления в газовую смесь добавляют галогены, что сокращает время восстановления до 100-200 мкс. Такие счетчики иногда называют галогенными. Газовый разряд возникает при любых энергиях влетающих частиц, что не позволяет их индифицировать, но позволяют вести их счет.

Для индификации частиц по энергиям напряжение питания понижается до величины, при котором коронный разряд не возникает. В этом случае газовый счетчик работает как пропорциональный. Большей энергии частиц соответствует больший импульс напряжения на резисторе нагрузки. В пропорциональных счетчиках очень жесткие требования к источнику питания.