WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 |
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ НЕФТИ И ГАЗА им. И.М. ГУБКИНА РАДИОАКТИВНОСТЬ, ИОНИЗИРУЮЩЕЕ ИЗЛУЧЕНИЕ И НОРМЫ РАДИАЦИОННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ МОСКВА 2004 СОДЕРЖАНИЕ Раздел 1. РАДИОАКТИВНОСТЬ.............................................. 3 1.1. Закон радиоактивного распада......................................... 3 1.2. Альфа-распад..................................................................... 4 1.3. Бета-распад........................................................................ 5 1.4. Гамма-излучение............................................................... 7 Раздел 2. ИОНИЗИРУЮЩЕЕ ИЗЛУЧЕНИЕ......................... 7 2.1. Основные определения..................................................... 7 2.2. Взаимодействие заряженных частиц с веществом......... 9 2.3. Взаимодействие фотонов с веществом............................ 9 2.4. Взаимодействие нейтронов с веществом....................... 11 2.5. Дозовые характеристики излучения.............................. 12 Раздел 3. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ И ПРЕДЕЛЬНО ДОПУСТИМЫЕ УРОВНИ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ...................................... 17 3.1. Биологическое действие ионизирующих излучений.... 17 3.2. Фоновое облучение человека.............................................. 20 3.3 Принципы нормирования радиационного облучения... 23 3.4. Нормы радиационной безопасности 24 2 Раздел 1. РАДИОАКТИВНОСТЬ 1.1. Радиоактивность. Закон радиоактивного распада Радиоактивностью называют самопроизвольное (спонтанное) испускание ядром одной или нескольких частиц, сопровождающееся его превращением в другое ядро (или переходом в другое состояние). Начальное радиоактивное ядро (нуклид) называют материнским, а образовавшиеся ядра - дочерними.

Обнаруженное в 1886 г. А. Беккерелем излучение урана было названо им по характеру отклонения в магнитном поле - и - и лучами. Эта классификация сохранилась и в н астоящее время к радиоактивным процессам относят -распад, + и - распады, -излучение, спонтанное деление тяжелых ядер и протонную радиоактивность.

Акт радиоактивного распада является случайным, поэтому за малый промежуток времени от t до t + dt распадется малое число ядер dN, пропорциональное их числу в момент времени t и времени dt.

dN=-N(t)dt, где коэффициент пропорциональности называют постоянной распада, а знак – означает, что число нераспавшихся ядер уменьшается. Интегрируя (1), получим закон радиоактивного распада:

N(t)=N0e-t, где N0 – начальное число (при t=0) ядер, а N(t) – число нераспавшихся ядер в момент времени t.

Число распавшихся ядер Nр определяется соотношением Nр=N0(1 - e-t).

Число ядер, распадающихся в единицу времени называют активностью радиоактивного препарата:

dN A= = N=N0e-t=A0 e-t, dt где A0= N0– начальная активность препарата. Активность измеряют в беккерелях (1 Бк соответствует одному распаду в секунду) или в кюри (число распадающихся за 1 секунду ядер, содержащихся в 1 г радия, 1 Ки = 3,7 • 1010 Бк).

Для характеристики распада наряду с постоянной используется период полураспада Т1/2 – время, за которое распадается половина радиоактивных ядер:

N0e-=N0/2, откуда ln T1/2=.

Наряду с этим вводят среднее время жизни ядра, определяемое как суммарное время жизни всех радиоактивных ядер, деленное на их начальное число N0:

1 1 = tdN (t) = tN0e-tdt =.

N0 0 N0 В природе существуют три радиоактивных ряда (семейства), где каждый член ряда испытывает радиоактивный распад, а дочерние ядра также распадаются. Ряд тория начинается с 232Th и оканчивается свинцом 208Pb. Ряд урана начинается с U и заканчивается свинцом 206Pb, третий ряд начинается с 235U и заканчивается 207Pb. Существовал четвертый ряд, 237 начинавшийся с Np и заканчивавшийся Bi. Изотоп нептуния за время существования Земли давно распался и в настоящее в природе практически не встречается. Более подробно распад ряда урана выглядит следующим образом:

238 - 234 - U 234Th Pa U 230Th 226Ra 222Ru 218Po 4 - 214 - 214 - 210 - Pb Bi Po 210Pb Bi Po 206Pb 1.2 Альфа-распад При распаде образуется ядро He (-частица) и дочернее ядро Y с массовым числом A-4 и зарядовым числом Z-2:

A A-4 X Y + He.

Z Z -2 Примером может служить распад изотопа урана U :

238 234 234 U Th Th + He 92 90 Ядро является -радиоактивным, если выполняется следующее неравенство:

E = (mx – my - m)c2 Энергия E выделяется в виде кинетической энергии -частицы (большая часть)и дочернего ядра. Значение кинетической энергии -частиц T почти для всех 2000 известных активных изотопов лежит в интервале 4 Мэв T 9 Мэв со средним значением около Мэв.

Пролетая через вещество, -частица ионизует его молекулы, постепенно теряя свою энергию. В воздухе, где на образование пары ионов затрачивается около 35 эв, на пути частицы (несколько сантиметров при нормальных условиях) образуется примерно 105 пар ионов. В твердом веществе пробег -частиц составляет порядка 0,01 мм и они полностью задерживаются листом бумаги.

Дочернее ядро при -распаде может находиться как в основном, так и в возбужденном состоянии. Поэтому -частицы будут обладать разными строго определенными кинетическими энергиями. На Рис.1.1 представлена схема -распада висмута Bi 6,203 Bi E, Мэв 0,617 4 3 0,0,4 0,327 1 2 3 0,0 Tl Рис.1.1 Схема -распада висмута Bi с образованием дочернего ядра теллура Tl в разных энергетических состояниях.

Кинетическая энергия вылетающих -частиц лежит в пределах от 5,89 Мэв (5) до 6,09 Мэв (0). За время жизни (от 10-15 до 10-8 сек.) дочернее ядро переходит в основное состояние с испусканием -фотонов разной частоты (1 - 6).



Энергия возбужденного состояния ядра может быть «снята» путем испускания протона, нейтрона, электрона и -частицы. Кроме этого, возбужденное ядро может отдать избыток энергии электрону K-, L- и M-оболочки атома. Получив эту энергию, электрон покидает атом, а освободившееся место будет заполнено электронами с вышележащих уровней энергии. Этот процесс называется внутренней конверсией и сопровождается характеристическим рентгеновским излучением.

-частица возникает в ядре в момент распада и обладает средней энергией 6 Мэв. При вылете из ядра ей необходимо преодолеть потенциальный барьер, обусловленный ядерными силами и кулоновским отталкиванием. Высота барьера намного превышает 6 Мэв поэтому его преодоление возможно только за счет «туннельного эффекта».

1.3 Бета-распад.

Бета-распад – процесс, в результате которого нестабильное ядро испускает электрон, позитрон или захватывает электрон атома. Соответственно различают -, + распад и электронный K-, L-, реже M-захват.

При - распаде образуется дочернее ядро, электрон и антинейтрино:

A A ~ X Y + e +.

Z Z +1 -Дочерне ядро имеет заряд на единицу больший, чем материнское, поэтому можно считать, что нейтрон в материнском ядре превращается в протон:

1 1 ~ n1 p + e +.

0 -Примером может служить - распад тория:

234 234 ~ Th Pa + e +.

90 91 -Исследование энергетического распределения электронов, рождающихся при - распаде, показало, что их кинетические энергии изменяются от 0 до Emax.(Рис.1.2) Значение Emax определяется разностью масс материнского ядра и дочернего ядра и электрона.

Рис.Площадь под кривой дает общее число электронов, испускаемых в единицу времени, dN – число электронов, испускаемых в единицу времени интервале энергий от E до E + dE.

Очевидно, что если электрон при -распаде вылетает с энергией меньшей Emax, то наблюдается нарушение закона сохранения энергии.

Для того, чтобы объяснить потерю энергии E = Emax – E, В.Паули в 1931 г. предположил, что одновременно с электроном испускается еще одна частица, которую Э.Ферми назвал нейтрино («нейтрончик»). Эта частица уносит разность энергий E. Одновременно удалось объяснить и нарушение закона сохранения спина при -распаде: складываясь спин протона (1/2) и спин электрона (1/2) могут дать 0 или 1, в то время как спин нейтрона равен 1/2.

Учет спина нейтрино (1/2) приводит к сохранению спина:

1/2 + 1/2 + 1/2 1/2.

Существование нейтрино была экспериментально доказано в 1956 году.

Другим видом рассматриваемого распада является +распад, который происходит по A A схеме: X Y + e +, Z Z -1 +13 например: N 13C + e +.

7 6 +Позитрон e является античастицей для электрона. Следует заметить, что более де+тальное исследование процесса бета-распада показало, что при -распаде образуется антинейтрино, а при +распаде – нейтрино.

Третий вид бета-распада (электронный захват) представляет собой поглощение ядром K-электронов (реже L- или M-электронов):

1 0 p + e n+, 1 -1 A 0 A по схеме: X + e Y + Z -1 Z -40 0 например, K + e 18 Ar + 19 -Освободившееся место в K-, L- или M-оболочке заполняется электронами вышележащих оболочек с испусканием характеристического рентгеновского излучения.

1.3 Гамма-излучение Гамма-излучение не является самостоятельным видом радиоактивности, а лишь сопровождает - и -распады, а также возникает при ядерных реакциях, при торможении заряженных частиц, их распаде и т. д. -спектр является линейчатым (дискретным), что является доказательством дискретности энергетических состояний атомных ядер.

-квант испускается дочерним (а не материнским) ядром, которое образуется в возб ужденном состоянии. За время жизни этого состояния (10-13- 10-14 с) ядро переходит в основное состояние с испусканием -кванта. Переходя в основное состояние, возбужденное ядро может пройти через ряд промежуточных состояний, поэтому излучение одного и того же радиоактивного изотопа может содержать несколько групп квантов с разной энергией.

-излучение большинства ядер является столь коротковолновым, что его волновые свойства проявляются очень слабо и на первый план выступают корпускулярные свойства. Поэтому -излучение рассматривают как поток -квантов, имеющих при радиоактивных распадах энергии от 10кэВ до 5МэВ.

Ядро, находящееся в возбужденном состоянии, может перейти в основное состояние не только в результате испускания -кванта, но и при прямой передаче энергии возбуждения одному из электронов, который покидает атом. Это явление называется внутренней конверсией. Возникшее в результате вылета электрона вакантное место заполняется электронами вышележащих оболочек и сопровождается характеристическим рентгеновским излучением.

Раздел 2. ИОНИЗИРУЮЩЕЕ ИЗЛУЧЕНИЕ 2.1 Основные определения Ионизирующее - излучение (за исключением видимого света и ультрафиолетового излучения), взаимодействие которого со средой приводит к образованию ионов разных знаков.

Ионизирующее излучение, состоящее из заряженных частиц (электронов, протонов, -частиц и т.д.), имеющих кинетическую энергию, достаточную для ионизации атомов и молекул при столкновении, называется непосредственно ионизирующим излучением. Ионизирующее излучение, состоящее из незаряженных частиц (нейтронов или фотонов), которые в свою очередь могут создавать непосредственно ионизирующее излучение и (или) вызывать ядерные превращения, называется косвенно ионизирующим излучением.

К фотонному ионизирующему излучению относятся: гамма-излучение, возникающее при изменении энергетического состояния атомных ядер или при аннигиляции частиц, тормозное гамма-излучение с непрерывным энергетическим спектром, возникающее при уменьшении кинетической энергии заряженных частиц, и тормозное и (или) характеристическое рентгеновское изл чение.





у К корпускулярному излучению относятся альфа-излучение, электронное, протонное, нейтронное, мезонное излучения.

Частицы корпускулярного ионизирующего излучения или фотоны принято называть ионизирующими частицами.

Ионизирующее излучение, состоящее из частиц различного вида или частиц и фотонов, называется смешанным ионизирующим излучением.

Принято различать первичное и вторичное ионизирующее излучение. Под первичным понимается ионизирующее излучение, которое в рассматриваемом процессе взаимодействия со средой является или принимается за начальное. Вторичное излучение возникает в результате взаимодействия первичного ионизирующего излучения с данной средой.

Объект, содержащий радиоактивный материал, или техническое устройство, испускающее или способное испускать ионизирующее излучение, называют источником ионизирующего излучения. Радиоактивность - превращение неустойчивого нуклида в другой нуклид, сопровождающееся испусканием ионизирующего излучения. Нуклид - вид атомов одного элемента с данным числом протонов и нейтронов в ядре. Нуклид, обладающий радиоактивностью, называется радионуклидом.

Отношение активности радионуклида в источнике к массе, объему (для объемных источников), площади поверхности (для поверхностных источников) или к длине (для линейных источников) источника называется удельной, объемной, поверхностной или линейной активностью источника соответственно.

Выбор единиц этих величин определяется конкретной задачей. Например, допустимую концентрацию радионуклида (объемную активность) в воде удобнее выражать в беккерелях на литр (Бк/л), а в воздухе в беккерелях на кубический метр (Бк/м3), так как суточное потребление человеком воды определяется обычно в литрах, а воздуха - в кубических метрах.

Распад радиоактивных атомов сопровождается испусканием частиц (-, --, +частицы, конверсионные электроны) и (или) фотонов. При этом число ядерных превращений не всегда совпадает с числом испускаемых частиц и еще реже — с числом испускаемых фотонов. Активность характеризует лишь число ядерных превращений. Поэтому термины "-, или -, или -активность" не имеют смысла. Связать активность радионуклида с числом испускаемых корпускулярных частиц или фотонов можно, зная схему распада нуклида.

2.2. Взаимодействие заряженных частиц с веществом Заряженные частицы, проходя через вещество, расходуют свою кинетическую энергию, в основном, при взаимодействии с электронами атомов вещества, их переход на возбужденный уровень или ионизацию (отрыв электрона от атома), и с кулоновским полем ядра (образование тормозного излучения).

Взаимодействия заряженных частиц разделяют на упругие и неупругие. К упругим относят такие взаимодействия, при которых сумма кинетических энергий взаимодействующих частиц до взаимодействия и после сохраняется неизменной. При неупругом взаимодействии часть кинетической энергии заряженной частицы передается образовавшимся частицам или фотонам; другая часть кинетической энергии передается атому или ядру на их возбуждение или перестройку. К таким взаимодействиям относятся неупругое рассеяние, ионизация и возбуждение атомов, образование тормозного излучения. При прохождении ионизирующей частицы через вещество она может испытать рассеяние, поглощение (захват), деление или пройти вещество без взаимодействия.

2.3. Взаимодействие фотонов с веществом В диапазоне энергий фотонов 20 кэВ < Е0 < 10 МэВ может наблюдаться более десяти различных типов взаимодействия фотонов с веществом. Для защиты от фотонного излучения радионуклидных и реакторных источников главным образом используют фотоэффект, комптон-эффект и эффект образования электронно-позитронных пар.

При фотоэффекте фотон поглощается атомом, передает свою энергию одному из орбитальных электронов и выбивает его из атома. Вероятность фотоэффекта увеличивается с ростом энергии связи электрона в атоме. Поэтому наибольший вклад в этот процесс вносят электроны К-оболочки при условии, что энергия фотона равна или больше энергии Ек связи электрона на этой оболочке. Если энергия фотона Е0 < Ек, то фотоэффект может произойти на любой другой оболочке с энергией связи электрона, меньшей Ек. Освободившееся в результате фотоэффекта место на данной оболочке может быть занято электроном с более высокой оболочки. Процесс сопровождается вторичным фотонным характеристическим излучением.

Эффект Комптона представляет собой рассеяние фотона на свободном электроне.

Фотон при этом не поглощается, а лишь изменяет свою энергию и направление движения.

Максимальная потеря энергии фотона происходит при рассеянии назад, причем в любом случае при сколь угодно большой энергии фотона энергия рассеянного назад фотона не может превысить 0,255 МэВ.

Эффект образования электронно-позитроннои пары. Фотон с энергией, превышающей удвоенную энергию покоя электрона 2m0с2 = 1,022 МэВ, может образовать в поле ядра электронно-позитронную пару. Кинетическая энергия пары равна Eпары= Eo – 2moc2 (2.19) где Е0 — энергия фотона.

Электронно-позитронная пара может быть также образована в поле атомного электрона.

Однако вероятность этого процесса примерно в Z раз меньше, чем образование пары в поле ядра. Поэтому в задачах переноса фотонов в веществе его роль незначительна.

Pages:     || 2 | 3 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.