Лекция 3. Понятие радиоактивности. α-распад и β-распад. Период полураспада. Влияние радиации на живые организмы

Радиоактивность. Период полураспада

   Прежде чем разбирать понятие радиоактивности вспомним:

– Атом – мельчайшая частица химического элемента. Заряд атома нейтрален.

– Строение атома: в центре атома расположено положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома, вокруг него по замкнутым круговым орбитам движутся отрицательно заряженные электроны (е), подобно тому, как планеты обращаются вокруг Солнца. Поэтому данная модель получила название «планетарная». Автором данной модели был британский физик  Эрнест Резерфорд.

– Положительно заряженное ядро атома состоит из положительно заряженных протонов (p) и нейтрально заряженных нейтронов (n).

– α-частица – это ядро атома гелия, имеет 2 протона и два нейтрона. Рассмотрите схему строения атома гелина на рисунке 1.

Таким образом в атоме количество протонов равно количеству электронов, что объясняет его нейтральный заряд.

– Атомы всех известных нам элементов представлены в Периодической таблице Д. Менделеева. 

В виде формулы любой элемент выглядит следующим образом:.

$\mathrm{X}_{\mathrm{Z}}^{\mathrm{A}}$

Где A – массовое число, A=Z+N;

Z – число протонов в ядре;

N – число нейтронов в ядре.

– Порядковый номер элемента в Периодической системе Менделеева соответствует числу протонов в его ядре. В каждой ячейке элемента указана его относительная атомная масса, она же и является суммой масс протонов и нейтронов. Так же в ячейке элемента таблицы представлено распределение электронов по уровням. пример представлена на рисунке 2.

Приведем пример. Рассмотрим элемент периодической системы под №20 – кальций (Ca).

Количество протонов у него z=20, электронов у него тоже e=20, которые распределены по 4 орбитам (на первой  и последней орбите по 2 электрона, на второй и третьей по 8). Массовое число, оно же A=40= Z+N, так как протонов 20, делаем вывод:

40=20+N

N=40-20, то есть количество нейтронов тоже равно 20.

   Ниже представлена интерактивная Периодическая таблица Менделеева. Ознакомьтесь с таблицей и щелкните мышью на "метках". На примере Селена и Радия еще раз показано, как с помощью периодической таблицы можно определить количество протонов, нейтронов и электронов в атомах химических элементов. 

   Явление радиоактивности было открыто благодаря счастливой случайности. Французский физик Антуан Анри Беккерель изучал свечение веществ (ученый брал соли урана), облученных солнечным светом. Беккерель завернул фотопластинку в плотную черную бумагу, положил сверху крупинки урановой соли и выставил на яркий солнечный свет.

   Когда ученый проявил фотопластинку, он заметил почернения в тех местах, где лежали соли урана. Беккерель сделал вывод о том, что уран под действием солнечных лучей создавал какое-то излучение, которое подобно рентгеновскому, пронизывать непрозрачные тела. Но в один день, в феврале 1896 года, провести очередной опыт у него не получилось из-за плохой погоды, было пасмурно, солнечных лучей было недостаточно. Беккерель убрал пластинку в темный ящик стола и сверху положил на нее медный крест, покрытый солью урана. Через несколько дней он решил проявить эту пластинку и обнаружил, что на ней отчетливо виднелось почернение в форме креста. Это означало, что соли урана самопроизвольно (спонтанно), без каких-либо воздействий создают излучение. На следующем видео продемонстрирован опыт Беккереля.

   С этого момента начались интенсивные исследования в этой области, в результате которых Беккерель сделал важный вывод: интенсивность излучения определяется только количеством урана в препарате и не зависит от того, какие еще соединения в него входят. Это говорит о том, что свойство самопроизвольного изучения присуще только атомам урана.

   После открытия Беккереля многие ученые пытались обнаружить, не обладают ли другие атомы периодической системы Менделеева способностью к самопроизвольному испусканию. Так, в 1898 году Мария Склодовская-Кюри и ее супруг Пьер Кюри открыли излучение тория, полония, радия. А наблюдаемые ими явления они назвали радиоактивностью.

   Радиоактивность – это способность нестабильных ядер превращаться в другие ядра, при этом процесс сопровождается испусканием разных частиц.

   Самопроизвольный распад нестабильных ядер называется естественной радиоактивностью.

   После открытия радиоактивного излучения началось исследование его природы. Кроме Беккереля и Кюри этим занимался Резерфорд (открыл «планетарную» модель атома). Опыт по изучению сложного состава радиоактивного излучения состоял в следующем. Радий помещали на дно узкого канала в куске свинца. Напротив канала находилась фотопластинка. На выходившее из канала излучение действовало сильное магнитное поле. Вся установка размещалась в вакууме для чистоты эксперимента. На рисунке 3 представлена схема этого эксперимента.

   Фотопластинку меняли два раза. В первый раз электромагнитное поле отсутствовало. После воздействия излучения на пластинке обнаруживалось одно пятно. После воздействия электромагнитного поля, на проявившейся пластине появлялось три пятна, что говорит о том, что излучение в магнитном поле разделилось на три части. Две составляющие излучения отклонялись в противоположные стороны, трети пучок не отклонялся от первоначального направления. Это указывало на наличие у этих излучений электрических зарядов противоположных знаков. При этом отрицательный пучок отклонялся на больший угол, чем положительный.

   Положительный компонент (отклонился к северному полюсу магнита, так как он заряжен отрицательно) получил название альфа-лучи (α-лучи) и представляет собой поток ядер гелия. Вспомним, что α-частица – это ядро атома гелия. α-лучи обладаю наименьшей проникающе способностью, слой бумаги толщиной 0,1 мм способен задержать их.

   Отрицательный компонент (отклонился к южному полюсу магнита, так как он заряжен положительно) получил название бета-лучи (β-лучи) и представляет собой поток электронов. Проникающая способность β-лучей больше чем α-лучей, их способна становить алюминиевая пластинка толщиной несколько миллиметров. Обычный лист бумаги, как в случае с α-лучами, β-лучи не остановит.

   Третий компонент был назван γ-лучи. Это излучение не имеет электрического заряда, и соответственно не отклоняется магнитным полем. Имеет наибольшую проникающую способность. На данный момент неизвестно вещество, которое остановило бы γ-лучи.

   Как мы уже сказали, есть атомы, которые самопроизвольно, без воздействия внешних факторов способны излучать энергию и сопровождается это испусканием частиц. Подробнее этот процесс можно представить следующим образом: в каждый момент времени небольшая часть атомов (от общего числа) становится неустойчивой и «взрываясь» распадается. В результате взрыва из атома с огромной скоростью вылетает «осколок атома» – α-частица или электрон. При этом образуется вещество совершенно иного вида, которое полностью отличается от исходного по своим физическим и химическим свойствам. Это новое вещество так же нестабильно и способно и испытывает дальнейший распад.

   У всех радиоактивных веществ своя активность–число распадов за 1с. Резерфорд опытным путем установил, что активность вещества убывает со временем. То есть с течением времени число распадов уменьшается. Например, активность радона убывает в 2 раза уже через 1 минуту. Активность таких элементов как уран, торий и радий, тоже убывает со временем, но гораздо медленнее. Для каждого радиоактивного вещества существует определенный интервал времени, на протяжении которого активность убывает в 2 раза. Этот интервал носит название период полураспада.

Период полураспада Т–это время, в течении которого распадается половина начального числа радиоактивных атомов.

Список всех радиоактивных элементов представлен в таблице 1.  Просмотрите названия радиоактивных элементов и обратите внимание насколько разный период полураспада у них.

Самый маленький период полураспада у Ливермория–61 миллисекунда, самый большой у Плутония–8.00 x 10⁷ лет это 80.000.000 лет.

Приведем пример. Пусть изначально было взято по 104 гр. Радия и Бария, оба элемента радиоактивны (испытывают спонтанный распад). Период полураспада Радия 1600 лет, Бария 17 секунд, это означает, что 52 гр. Радия распадется за 1600 лет, а Бария за 17 секунд.

   Радиоактивные элементы делятся на естественные (существующие в природе) и искусственные (получаемые в результате лабораторного синтеза). Естественных радиоактивных элементов не много — это полоний, радий, актиний, торий, протактиний и уран. Их наиболее стабильные изотопы встречаются в природе, чаще в виде руды. Все остальные элементы из списка созданы человеком.

α (альфа) и β(бетта) распад

   Как было сказано ранее, распад атома сопровождается испусканием α-частицы или электрона.

При α-распаде из ядра вылетает α-частица, которая представляет из себя ядро атома гелия, и состоит из двух протонов и двух нейтронов. В результате α-распада ядро теряет положительный заряд на 2 единицы и его масса уменьшается на 4, и элемент смещается на две клетки к началу периодической системы.

 Общая формула α-распада имеет вид:

$\mathrm{X}_{\mathrm{Z}}^{\mathrm{A}}\to \mathrm{Y}_{\mathrm{Z}-2}^{\mathrm{A}-4}\to \mathrm{He}_2^4$

   Здесь каждый элемент обозначается общепринятыми символами.

Z – число протонов в ядре (соответствует порядковому номеру в Периодической системе Менделеева);

N – число нейтронов в ядре;

A – массовое число, сумма протонов и нейтронов ядра A=Z+N.

Приведем пример.

Ядро плутония при α-распаде превращается в изотоп урана.

$\mathrm{Pu}_{94}^{239}\to \mathrm{U}_{92}^{235}+\mathrm{He}_2^4$

Схематично этот процесс представлен на рисунке 4. 

   Количество протонов уменьшилось Z=94-92=2, общее число частиц в ядре так же уменьшилось А=239-235=4. Получившийся элемент сместился на две клетки к началу периодической системы Менделеева (Рис. 5).

При β -распаде из ядра вылетает электрон, тут может возникнуть вопрос «откуда в ядре атома электрон», дело в том, что при β –распаде один из нейтронов ядра превращается в протон, электрон и электронное антинейтрино $\tilde{\mathrm{\nu }}$. Реакция распада нейтрона записывается в виде:

$\mathrm{n}_0^1\to \mathrm{p}_1^1+\mathrm{e}_{-1}^0+\tilde{\mathrm{\nu }}$

   В результате β-распада заряд ядра увеличивается на единицу, а масса остается практически неизменной. Элемент смещается на одну клетку к концу периодической системы

$\mathrm{X}_{\mathrm{Z}}^{\mathrm{A}}\to \mathrm{Y}_{\mathrm{Z}+1}^{\mathrm{A}}+\mathrm{e}_{-1}^0+\tilde{\mathrm{\nu }}$

Приведем пример.

Ядро калия в результате β-распада и превращается в изотоп кальция.

$\mathrm{K}_{19}^{40}\to \mathrm{Ca}_{20}^{40}+\mathrm{e}_{-1}^0+\tilde{\mathrm{\nu }}$

   Схематично этот процесс представлен на рисунке 6. 

   Количество протонов увеличилось Z=20-19=1, общее число частиц в ядре не изменилось. Получившийся элемент сместился на одну клетку к концу периодической системы Менделеева (рис. 7).

На следующем видео представлен альфа и бета распады в вие анимации.

Для закрепления материала по видам распада вам предлагается выполнить следующие задание. С помощью мыши (перетаскиванием) вам необходимо установить логическую связь между картинкой и реакцией распада.

Влияние радиоактивности на живые организмы

   Человек ежедневно контактирует с радиацией. В зависимости от происхождения её источники делят на естественные, искусственные и техногенные.

   Естественный радиационный фон. Как бы человек ни старался, большую часть облучения живой мир планеты получает от естественных источников: фонит почва, вода, воздух и даже космос. Каждый день люди вдыхают с воздухом или употребляют с водой и продуктами некоторое количество радиоактивных молекул.

   Естественные источники радиации:

·  космос;

·  внешнее облучение от радионуклидов земного происхождения;

·  внутренне облучение от радионуклидов земного происхождения;

   Космогенные попадают к нам в результате разных процессов, возникающих во Вселенной. При высокой активности солнца, вспышках звёзд – они попадают к нам. В глубинах недр земли также присутствует источник облучения, который значительного вреда не несёт, хотя и попадает всюду – в воздух, воду и всё живое. Внешний вред наносят такие элементы, как уран и торий. Внутреннее действие – когда облучение попадает через вдыхание, пищу или питье. И если внешний вред возможно устранить путём удаления частиц с поверхности живого организма, то внутренний вред исправить гораздо сложнее, а иногда и вовсе невозможно.

   Источниками искусственного радиационного фона  являются:

- атомные электростанции;

- военная техника;

- рабочие ядерные реакторы;

- места ядерных испытаний;

- зоны утечки ядерного топлива;

- медицинская техника.

   Медицинские источники излучения: рентгеновские аппараты, томографии, аппараты для флюорографии, радиофармацевтические препараты, применяемые для диагностики и лучевой терапии.

   Примерно 80% ежегодной дозы облучения человек получает из окружающей среды, остальные 20% приходятся на медицинские процедуры: рентген, компьютерную томографию и другие.

   Существуют и так называемые техногенные источники радиации.

   Их два подвида природные (при добыче полезных ископаемых, особенно радиоактивных элементов, таких как уран) и искусственные (получаются в результате ядерных реакций, которые осуществляются в тепловых или атомных электростанциях).

   С каждым годом растёт количество и тех, и других техногенных способов повышения радиации. Потому как аварийных выбросов, ядерных взрывов, поисков новых нефтяных и газовых месторождений меньше не становится.

   Излучения радиоактивных веществ оказывают очень сильное воздействие на все живые организмы. Даже сравнительно слабое излучение, которое при полном поглощении повышает температуру тела лишь на 0,001 °С, нарушает жизнедеятельность клеток.

   Живая клетка — это сложный механизм, не способный продолжать нормальную деятельность даже при малых повреждениях отдельных его участков. Между тем и слабые излучения способны нанести клеткам существенные повреждения и вызвать опасные заболевания (лучевая болезнь).

   При большой интенсивности излучения живые организмы погибают. Опасность излучений усугубляется тем, что они не вызывают никаких болевых ощущений даже при смертельных дозах.

   Механизм биологического действия излучения, поражающего объекты, еще недостаточно изучен. Но ясно, что оно сводится к ионизации атомов и молекул и это приводит к изменению их химической активности. Наиболее чувствительны к излучениям ядра клеток, которые быстро делятся. Поэтому в первую очередь излучения поражают костный мозг, из-за чего нарушается процесс образования крови. Далее наступает поражение клеток пищеварительного тракта и других органов. Сильное влияние оказывает облучение на наследственность, поражая гены в хромосомах, что приводит к мутациям. Облучение живых организмов может оказывать и определенную пользу. Быстроразмножающиеся клетки в злокачественных (раковых) опухолях более чувствительны к облучению, чем нормальные. На этом основано подавление раковой опухоли γ-лучами радиоактивных препаратов, которые для этой цели более эффективны, чем рентгеновские лучи.

   Как бы нас не информировали и не убеждали в том, что радиация безвредна и небольшие дозы не представляют опасности для всего живого – определённые риски всё же существуют. Разберёмся, насколько воздействие радиации на живые организмы опасно, какие есть дозировки, какой будет достаточно и последствия для организма.

   Воздействие излучений на живые организмы характеризуется дозой излучения. Поглощенной дозой излучения называется отношение поглощенной энергии Е ионизирующего излучения к массе m облучаемого вещества:

$D=\frac{E}{m}$

В СИ поглощенную дозу излучения выражают в граях (сокращенно: Гр). 1 Гр равен поглощенной дозе излучения, при которой облученному веществу массой 1 кг передается энергия ионизирующего излучения 1 Дж:

Естественный фон радиации (космические лучи, радиоактивность окружающей среды и человеческого тела) составляет за год дозу излучения около 0,002 Гр на человека. Международная комиссия по радиационной защите установила для лиц, работающих с излучением, предельно допустимую за год дозу 0,05 Гр. Доза излучения 3—10 Гр, полученная за короткое время, смертельна.

На практике широко используется внесистемная единица экспозиционной дозы излучения — рентген (сокращенно: Р). Эта единица является мерой ионизирующей способности рентгеновского и гамма-излучений. В практической дозиметрии можно считать 1 Р примерно эквивалентным поглощенной дозе излучения 0,01 Гр. В таблице 2 приведены дозы излучения в рентгенах и их воздействие на живые организмы.

C ростом темпа технического прогресса, радиационный фон окружающей среды увеличивается, все это приводит к изменениям или гибели живых клеток. Для нас крайне важно соблюдать все меры радиационной безопасности, чтобы сохранить природу для себя и потомков.