Посібник для громадян Обережно! Радіація

Посібник для громадян "Обережно! Радіація"

Радіація: основні поняття, одиниці виміру, вплив на людину
Радіоактивність: радіоактивний розпад, розподіл ядер атомів

Радіоактивність - радіоактивний розпад, розподіл ядер атомів, будь-які радіоактивні (або ядерні) перетворення - це здатність ядер атомів різних хімічних елементів руйнуватися, видозмінюватися з випромінюванням атомних і субатомних частинок високих енергій. При цьому в переважній більшості випадків ядра атомів (а значить, і самі атоми) одних хімічних елементів перетворюються на ядра атомів (в атоми) інших хімічних елементів, або (принаймні) один ізотоп хімічного елемента перетворюється на інший ізотоп того самого елемента.

Тобто радіоактивні перетворення - це перетворення атомів одних хімічних елементів (ізотопів) на атоми інших елементів (ізотопів).

В даний час відомі як природні (природні, що існували в природі спочатку) радіонукліди - ЕРН (радіоактивні елементи та ізотопи), так і величезна кількість штучних (техногенних).

Загальна кількість відомих природних радіонуклідів досягає 300. Але кількість тих, хто має практичне значення, відіграє помітну роль у природі, серед них невелика - не більше десятка. Для їхнього підрахунку, в принципі, вистачить пальців на двох руках.

Штучних радіоактивних ізотопів набагато більше, їх отримано тисячі. У багатьох хімічних елементів їх кількість значно більша за 10. Крім цього, отримані нові, не відомі раніше і відсутні в природі радіоактивні елементи, у яких стабільних ізотопів немає взагалі. Особливо величезна кількість нових радіоактивних ізотопів і елементів, що не були в природі, з'явилася після створення атомних реакторів і випробувань ядерних бомб. Про них ми поговоримо нижче. На сьогодні відомо близько 2000 штучних радіонуклідів.

Радіоактивні (ядерні) перетворення можуть бути природними, мимовільними (спонтанними) та штучними,

Як відомо, кожен атом складається з ядра і електронів, що рухаються навколо нього. Ядро складається з позитивно заряджених частинок - протонів і які мають заряду (нейтральних частинок) - нейтронів. Скільки в ядрі протонів, стільки й електронів рухається (обертається) навколо ядра. Цьому ж числу дорівнює і номер елемента таблиці Д.І. Менделєєва.
Хімічні властивості атома даного хімічного елемента визначаються кількістю протонів у ядрі та, відповідно, кількістю електронів. Кількість нейтронів на хімічні властивості не впливає і може бути різною. Тому атоми одного й того ж хімічного елемента можуть мати різну вагу: кількість протонів однакова, а нейтронів – різна. Такі різновиди атомів називаються ізотопами.
Атоми (елементи, ізотопи), ядра яких схильні до радіоактивного розпаду або інших радіоактивних перетворень, називаються радіоактивними. Терміни радіоактивні атоми (елементи, ізотопи), радіонукліди, радіоізотопи – синоніми.

Усі види мимовільних (спонтанних) радіоактивних перетворень – процес випадковий, статистичний.

Усі різновиди радіоактивних перетворень супроводжуються зазвичай, за рідкісним винятком, виділенням з ядра атома надлишку енергії як електромагнітного випромінювання - гамма-випромінювання. Гамма-випромінювання - це потік гамма-квантів (гамма-квантів) - порцій енергії (квант - це порція), що мають велику енергію і проникаючу здатність.

Крім цього, радіоактивні перетворення можуть супроводжуватися виділенням рентгенівського випромінювання. Рентгенівське випромінювання - це також електромагнітне випромінювання, це теж потік частинок (порцій енергії) - фотонів - зазвичай із меншою енергією. Тільки "місце народження" рентгенівського випромінювання не ядро, а електронні оболонки. Основний потік рентгенівського випромінювання виникає у речовині під час проходження крізь нього " радіоактивних частинок " .

Є два основні різновиди радіоактивних перетворень, два фізичних процесу (яви), що дуже сильно відрізняються: радіоактивний розпад і розподіл ядер атомів.

Ізотопи - це різновиди атомів одного і того ж хімічного елемента, що відрізняються лише кількістю нейтронів в ядрі і тому своєю вагою.

Навіть у самого першого в таблиці Менделєєва і найлегшого атома - водню, в ядрі якого лише один протон (а навколо нього обертається один електрон), є три ізотопи. Перший - це звичайний водень, або протій, ядро ​​якого складається тільки з протона; його атомна вага дорівнює одиниці, хімічний символ Н (або Н-1). Другий - дейтерій, або важкий водень, ядро ​​якого складається з одного протону та одного нейтрона; атомна вага – два, хімічний символ D (або Н-2). І тритій, у ядрі якого один протон і два нейтрони; атомна вага – три, хімічний символ Т (або Н-3).
Перші два ізотопи стабільні, третій - тритій - радіоактивний.
Переважна кількість природних ізотопів є стабільними. Але є й радіоактивні. Це – природні радіонукліди (ЄРН). Їх не дуже багато.
Крім радіоактивних ізотопів, є також і радіоактивні елементи. Це такі, у яких стабільних ізотопів немає взагалі – всі радіоактивні ізотопи. Це природні елементи: уран, торій та продукти їх перетворень (розпаду) – радій, радон, полоній та деякі інші, до талію включно.
А серед штучних ізотопів та елементів стабільних немає взагалі. Усі штучні ізотопи та елементи радіоактивні. Це і штучні ізотопи будь-яких давно відомих і наявних у природі елементів, і штучні елементи, яких до виникнення атомної енергетики в природі не було. До останніх насамперед відносяться трансуранові актиноїди, а також і всі наступні елементи 7-го періоду таблиці Менделєєва.

Радіоактивний розпад

Радіоактивний розпад - це випромінювання, викидання з величезними швидкостями з ядер атомів "елементарних" (атомних, субатомних) частинок, які прийнято називати радіоактивними частинками або радіоактивним випромінюванням. При цьому, як уже було сказано, у переважній більшості випадків ядро ​​атома (а значить, і сам атом) одного хімічного елемента перетворюється на ядро ​​атома (атом) іншого хімічного елемента; або один ізотоп цього хімічного елемента перетворюється на інший ізотоп того ж елемента.

Радіоактивний розпад, як і всі інші види радіоактивних перетворень, може бути природним (мимовільним, спонтанним) і штучним, викликаним попаданням в ядро ​​стабільного атома будь-якої частинки ззовні.

Для природних (природних) радіонуклідів основними видами радіоактивного розпаду є альфа- та бета-мінус-розпад (хоча трапляються й інші). Назви альфа та бета були дані Ернестом Резерфордом у 1900 році при вивченні радіоактивних випромінювань.

Для штучних (техногенних) радіонуклідів крім цього характерні також нейтронний, протонний, позитронний (бета-плюс) та більш рідкісні види розпаду та ядерних перетворень (мезонний, К-захоплення, ізомерний перехід, "відколювання" та ін.).

Альфа-розпад

Альфа-розпад (альфа-розпад) - характерний вид радіоактивного розпаду для природних радіоактивних елементів шостого та сьомого періодів таблиці Д. І. Менделєєва (уран, торій та продукти їхнього розпаду до вісмуту включно) і особливо для штучних - трансуранових - елементів. Тобто до цього виду розпаду схильні окремі ізотопи всіх важких елементів, починаючи з вісмуту.

Альфа-розпад - це випромінювання з ядра атома альфа-частинки (альфа-частинки), яка складається з 2 протонів і 2 нейтронів. Альфа-частка має масу 4 одиниці, заряд +2 і є ядром атома гелію.

В результаті випромінювання альфа-частинки утворюється новий елемент, який у таблиці Менделєєва розташований на 2 клітини лівіше, оскільки кількість протонів в ядрі, а отже, і заряд ядра, і номер елемента стали на дві одиниці менше. А маса ізотопу, що утворився, виявляється на 4 одиниці менше.

Так, наприклад, при альфа-розпаді урану завжди утворюється торій, при альфа-розпаді торію - радій, при розпаді радію - радон, потім полоній і нарешті - свинець. При цьому з конкретного ізотопу урану-238 утворюється торій-234, потім радій-230 радон-226 і т. д.

Радіоактивний розпад - це викидання з ядра атома будь-якої частки, у результаті атом одного хімічного елемента (ізотопу) перетворюється на атом іншого елемента (ізотопу).
альфа-розпад - викидання (випускання) з ядра атома альфа-частинки.
альфа-частка - це 2 протона та 2 нейтрони, тобто ядро ​​атома гелію з масою 4 одиниці та зарядом +2.
Швидкість альфа-частинки при вильоті із ядра від 12 до 20 тис. км/сек.
У вакуумі альфа-частка могла б обігнути земну кулю за екватором за 2 сек.

Бета-розпад

Бета-розпад (бета-розпад) - найпоширеніший вид радіоактивного розпаду (і взагалі радіоактивних перетворень), особливо серед штучних радіонуклідів. Він спостерігається практично у всіх відомих на сьогодні хімічних елементів. Це означає, що у кожного хімічного елемента є, принаймні, один бета-активний, тобто схильний до бета-розпаду ізотоп. У цьому найчастіше відбувається бета-мінус розпад.

Бета-мінус розпад (бета-)

Це викидання (випускання) з ядра бета-мінус частки - електрона, який утворився в результаті мимовільного перетворення одного з нейтронів на протон та електрон. При цьому важкий протон залишається в ядрі, а легкий електрон – бета-мінус частка – з величезною швидкістю вилітає з ядра. І оскільки протонів в ядрі стало більше, то ядро ​​даного елемента перетворюється на ядро ​​сусіднього елемента справа - з великим номером.

Приміром, при бета-мінус розпаді радіоактивний ізотоп калію - калій-40 - перетворюється на стабільний ізотоп кальцію (що у сусідній клітині праворуч) - кальцій-40. А радіоактивний кальцій-47 - у скандій-47, що стоїть праворуч від нього (теж радіоактивний), який, у свою чергу, також шляхом бета-мінус розпаду перетворюється на стабільний титан-47.

Назва бета-частка збереглася історично. Відмінність бета-мінус частки від звичайного електрона тільки в "місці народження": ядро ​​атома, а не електронні оболонки навколо ядра, а також у швидкості (енергії) вильоту. Швидкість вильоту бета-частинки – 9/10 швидкості світла, тобто 270 тис. км/сек.

Природних бета-активних радіонуклідів не дуже багато. А серед значних ще менше. До них можна віднести, перш за все, калій-40 (Т1/2 = 1,3 · 109 років), хоча в природній суміші ізотопів калію його міститься всього 0,0119%.

Крім К-40 значущими природними бета-мінус-активними радіонуклідами є також і всі продукти розпаду урану та торію.

Справа в тому, що, наприклад, торій-234, що утворюється при альфа-розпаду, він перетворюється на протактиній-234, який у свою чергу аналогічним чином знову в уран, але вже в інший ізотоп - уран-234. А уран-234 (знову шляхом альфа-розпаду) – знову в торій, але вже в торій-230. Далі торій-230 шляхом альфа-розпаду - радій-226, радій - радон.

І так далі - до талію включно, але з різними бета-мінус-переходами "на зворотний бік". Закінчуються всі ці альфа і бета-мінус-переходи утворенням стабільного свинцю-206.

Таким чином, до значних природних бета-мінус-активних радіонуклідів можна віднести К-40 і всі елементи від талію до урану.

Бета-плюс розпад (- це викидання (випускання) з ядра бета-плюс частки - позитрона (позитивно зарядженого "електрона"), який утворився в результаті мимовільного перетворення одного з протонів на нейтрон і позитрон. В результаті цього (протонів стало менше ) даний елемент перетворюється на сусідній ліворуч (з меншим номером, попередній).

Так, наприклад, при бета-плюс розпаді радіоактивний ізотоп магнію-23 перетворюється на стабільний ізотоп натрію (що стоїть зліва) - натрій-23, а радіоактивний ізотоп європія європій-150 перетворюється на стабільний ізотоп самарія - самарій-150.

бета-розпад - це випромінювання бета-або бета+частинок, тобто звичайних електронів із зарядом -1 (е-) або позитронів - "електронів" із зарядом +1 (e+).
Швидкість вильоту бета-часток з ядра становить 9/10 швидкості світла – 270 000 км/сек.

Інші види радіоактивного розпаду

Крім зазначених альфа- і бета-розпаду існують інші види радіоактивного розпаду, менш поширені та більш характерні для радіонуклідів штучного походження.

Нейтронний розпад - випускання з ядра атома нейтрону (n) - нейтральної частинки з масою 1 од. При випромінюванні нейтрона один ізотоп даного хімічного елемента перетворюється на інший з меншою вагою. Так, наприклад, при нейтронному розпаді радіоактивний ізотоп літію літій-9 перетворюється на літій-8, радіоактивний гелій-5 - на стабільний гелій-4.

Якщо стабільний ізотоп йоду йод-127 опромінюватиме гамма-квантами, він стає радіоактивним, викидає нейтрон і перетворюється на інший, теж радіоактивний ізотоп йод-126.

Протонний розпад - дуже рідкісний вид розпаду - це випромінювання з ядра атома протона (р) - частинки з масою 1 од. та зарядом +1. При випромінюванні протона даний хімічний елемент перетворюється на сусідній ліворуч (з меншим номером, попередній), а атомна вага зменшується на одиницю.

Як уже було сказано, всі радіоактивні перетворення, у тому числі й усі різновиди радіоактивного розпаду, супроводжуються, як правило, за рідкісним винятком, виділенням надлишку енергії у вигляді гамма-випромінювання - гамма-квантів, а іноді також і рентгенівського випромінювання (фотонів) з меншою енергією.

Гамма-випромінювання - це потік гамма-квантів, це електромагнітне випромінювання, більш "жорстке", ніж звичайне медичне рентгенівське.

Назва "гамма-випромінювання" також збереглася історично. Відмінність гамма-випромінювання від рентгенівського (як і у випадку b-випромінювання), також тільки у "місці народження": ядро ​​атома, а не електронні оболонки.

гамма-випромінювання - електромагнітне випромінювання, більш "жорстке", ніж звичайне рентгенівське.
гамма-кванти - це електромагнітні частки - порції енергії.
"Місце народження" гамма-квантів – ядро ​​атома.
Рентгенівське випромінювання - це також електромагнітне випромінювання, але "місце народження" рентгенівського випромінювання - електронні оболонки атомів.

Основні характеристики радіоактивного розпаду

Усі види мимовільних (спонтанних) радіоактивних перетворень (і розпаду, і поділу) – процес випадковий, статистичний.

Усі види мимовільного радіоактивного розпаду характеризуються часом життя радіонукліда та її активністю, тобто швидкістю розпаду. Показником часу життя радіонукліда, швидкість його розпаду є період напіврозпаду. Використовується також радіоактивна постійна чи постійна (константа) розпаду.

Період напіврозпаду (T1/2) - час, протягом якого половина радіоактивних атомів розпадається і їх кількість зменшується в 2 рази. Періоди напіврозпаду у всіх радіонуклідів різні - від часток секунди (короткоживучі радіонукліди) до мільярдів років (довгоживучі).

Активність - це кількість актів розпаду (в загальному випадку актів радіоактивних, ядерних перетворень) в одиницю часу (як правило, в секунду). Одиницями вимірювання активності є беккерель та кюрі.

Беккерель (Бк) - це один акт розпаду в секунду (1 расп/сек). Одиницю названо на честь французького фізика, лауреата Нобелівської премії Антуана Анрі Беккереля.

Кюрі (Кі) - 3,7 · 1010 Бк (розп / сек). Ця одиниця виникла історично: таку активність має 1 грам радію-226 у рівновазі з дочірніми продуктами розпаду. Саме з радієм-226 довгі роки працювали лауреати Нобелівської премії французькі вчені подружжя П'єр Кюрі та Марія Склодовська-Кюрі.

Кратними одиницями для беккереля є тисяча (кіло-беккерель, кБк), мільйон (мегабеккерель, МБк) та мільярд (гігабеккерель, ГБк).

Подільними одиницями для кюрі є тисячна частка кюрі – мілікюрі (мКі), і мільйонна частка – мікрокюрі (мкКі, мКі):

1 мКі = 3,7 х 107 Бк; 1мкКі = 3,7 х 104 Бк.

Є поняття "питома активність" (вагова чи об'ємна) - це активність одиниці маси (ваги) чи обсягу речовини. Або, точніше, активність радіонукліду (або суміші радіонуклідів) в одиниці ваги чи обсягу речовини. Іноді використовують майданну активність: Бк або Кі на м2 або км2

Орієнтовно можна вважати, що активність невеликої кількості (грами) та/або з невеликою початковою активністю (мКі; мкКі) радіонукліду зменшується до практично безпечного рівня (іноді майже до нуля) через 10 періодів напіврозпаду. За цей час кількість радіоактивних атомів, а значить і актів розпаду, тобто активність, зменшується у 2 10 = 1024 рази.

Радіоактивна постійна (постійна або константа розпаду) l - це частка атомів, що розпадаються в 1 секунду.

l = 0,693/Т1/2 (сек-1), де

0,693 - це ln 2 із закону радіоактивного розпаду Nt = N0 х e-lt, де

N0 і Nt - число радіоактивних атомів в початковий (нульовий) момент часу і число атомів, що залишилися до моменту t;

t – час у секундах.

Так як за час, що дорівнює одному періоду напіврозпаду, число радіоактивних атомів зменшується в два рази, то при t = T1/2 маємо: Nt = N0/2: e-lt = 1/2; e-lt = 2 (де t = T1/2 ) і в результаті ln2 = l х Т1/2

Основні характеристики іонізуючого випромінювання. Проникаюча здатність випромінювання

Усі атомні та субатомні частинки, що вилітають з ядра атома при радіоактивному розпаді: альфа, бета, n, p, гама і т. д. - називають радіоактивними частинками, радіоактивним або іонізуючим випромінюванням (ІІ), оскільки всі вони при проходженні через речовину:

- по-перше, призводять до його іонізації, до утворення гарячих (високоенергетичних) та виключно реакційно-здатних частинок: іонів та вільних радикалів (уламків молекул, що не мають заряду) та
- по-друге, можуть призводити до активації (активування) речовини, до появи так званої наведеної активності, тобто перетворення стабільних атомів на радіоактивні - появі радіонуклідів активаційного походження.
Тому основними характеристиками ІІ є енергія частинок, їх пробіг у різних середовищах або проникаюча здатність, а також їх іонізуюча здатність (особливо у сенсі небезпеки для біологічних об'єктів).

Енергію частинок вимірюють в електрон-вольтах (ев). Електрон-вольт - це енергія, яку набуває електрон під дією електричного поля з різницею потенціалів (напругою) 1 вольт.

1 ев = 1,6 х 10-12 ерг = 1,6 х 10-19 джоуля = 3,83 х 10-20 калорій

Реальна енергія частинок ІІ коливається в широких межах і становить зазвичай тисячі та мільйони ев, тому її виражають у кіло- та мегаелектрон-вольтах (кев та Мев).

1 кілоелектрон-вольт (кев) = 103 ев.

1 мегаелектрон-вольт (Мев) = 106 ев.

Пробіг альфа-часток

У будь-якому середовищі альфа-частинки, що володіють великою масою (4 атомні одиниці), зарядом (+2) та енергією, рухаються прямолінійно. Тому говорять про пробіг альфа-частинок.

Енергія альфа-часток при природному розпаді становить 4?9 Мев, швидкість вильоту - 12?20 тис. км/сек.

Пробіг альфа-частинок залежить від початкової енергії і зазвичай коливається в межах від 3-х до 7 (рідко до 13) см у повітрі, а в щільних середовищах становить соті частки мм (у склі – 0,04 мм). альфа-випромінювання не пробиває аркуш паперу та шкіру людини.

Через свою масу і заряд альфа-частинки мають найбільшу іонізуючу здатність, вони руйнують все на своєму шляху. І тому альфа-активні радіонукліди є найбільш небезпечними для людини та тварин при попаданні всередину.

Проникаюча здатність бета-часток

Через малу масу (вона в 1836 разів менше маси протона) заряду (-1) і розмірів бета-частинки слабше взаємодіють із речовиною, якою їм доводиться летіти, але летять далі. У цьому шлях бета-частинки у речовині перестав бути прямолінійним. Тому говорять про їхню проникаючу здатність, яка також залежить від енергії.

Проникаюча здатність бета-часток, що утворилися при радіоактивному розпаді, у повітрі досягає 2?3 м, у воді та інших рідинах вимірюється сантиметрами, у твердих тілах – частками див. У тканині організму бета-випромінювання проникає на глибину 1?2 см. від бета-випромінювання є шар води в кілька (до 10) см. Потік бета-часток з дуже великою для природного розпаду енергією в 10 МеВ практично повністю поглинається шарами: повітря – 4 м; алюмінію – 2,16 см; заліза – 7,55 мм; свинцю – 5,18 мм.

Через малих розмірів, маси і заряду бета-частинки мають набагато меншу іонізуючу здатність, ніж альфа-частинки, але природно, що при попаданні всередину бета-активні ізотопи також набагато небезпечніші, ніж при зовнішньому опроміненні.

Кратність ослаблення n- та гамма-випромінювань

Найбільш проникаючими видами випромінювання є нейтронне та гамма. Їх пробіг у повітрі може досягати десятків і сотень метрів (також залежно від енергії), але за меншої іонізуючої здатності.

У більшості ізотопів енергія гамма-квантів не перевищує 1?3 Мев, хоча дуже рідко може досягати і більших величин - 6?7 Мев. Тому як захист від n- і гамма-випромінювання застосовують товсті шари з бетону, свинцю, сталі і т. п. і мова ведуть вже про кратність ослаблення.

Так, для 10-кратного ослаблення гамма-випромінювання кобальту-60 (Е = 1,17 та 1,33 МеВ) потрібен захист зі свинцю товщиною близько 5 см, а для 100-кратного – 9,5 см; захист з бетону має бути, відповідно, близько 33 і 55 см, а товщина шару води – 70 та 115 см.

Іонізуюча здатність нейтронів сильно залежить від їхньої енергії.

У будь-якому випадку слід пам'ятати, що найбільш раціональним "захистом" від будь-якого випромінювання є якомога більша відстань від джерела випромінювання (природно, в розумних межах) і по можливості менший час перебування в зоні підвищеної радіації.

Розподіл ядер атомів

Розподіл ядер атомів - це мимовільне, або під дією нейтронів, розколювання ядра атома на 2 приблизно рівні частини, на два "уламки".

Осколки - це два радіоактивні ізотопи елементів центральної частини таблиці Д. І. Менделєєва, приблизно від міді до середини елементів-лантаноїдів (самарія, європія).

При розподілі вилітають 2-3 зайві нейтрони і виділяється надлишок енергії у вигляді гамма-квантів, набагато більший, ніж при радіоактивному розпаді. Якщо на один акт радіоактивного розпаду зазвичай припадає один гамма-квант, то на 1 акт поділу припадає 8-10 гамма-квантів! Крім того осколки, що розлітаються, володіють великою кінетичною енергією (швидкістю), яка переходить в теплову.

Нейтрони, що вилетіли, можуть викликати поділ двох-трьох аналогічних ядер, якщо ті опиняться поблизу і якщо нейтрони потраплять у них.

Таким чином, з'являється можливість здійснення ланцюгової реакції, що розгалужується, прискорюється поділу ядер атомів з виділенням величезної кількості енергії.

Якщо ланцюгову реакцію тримати під контролем, керувати її розвитком, не давати прискорюватися і постійно відводити енергію, що виділяється (тепло), то цю енергію ("атомну енергію") можна використовувати або для опалення, або для отримання електроенергії. Це в атомних реакторах, на атомних електростанціях.

Якщо дозволити ланцюгової реакції розвиватися безконтрольно, то станеться атомний (ядерний) вибух. Це вже – ядерна зброя.

У природі є тільки один хімічний елемент - уран, у якого є тільки один ізотоп, що ділиться - уран-235. Це збройовий уран. І цього ізотопу в природному урані 0,7%, тобто всього 7 кг на тонну! Решта 99,3% (993 кг у тонні) - ізотоп, що не ділиться, - уран-238. Є, щоправда, ще один ізотоп – уран-234, але його лише 0,006% (60 грамів у тоні).

Але в звичайному урановому атомному реакторі з урану-238, що не діляється ("незбройного"), під дією нейтронів (нейтронна активація!) утворюється новий ізотоп урану - уран-239, а з нього (шляхом подвійного бета-мінус розпаду) - новий, штучний, не наявний у природі елемент плутоній. При цьому відразу утворюється ізотоп плутонію - плу-тоній-239. Це збройовий плутоній.

Розподіл ядер атомів – це суть, основа атомної зброї та атомної енергетики.
Критична маса - це кількість збройового ізотопу, у якому нейтрони, виділяються при мимовільному розподілі ядер, не вилітають назовні, а потрапляють у сусідні ядра і викликають їх штучне розподіл.
Критична маса металевого урану-235 – УЦ 52 кг. Це куля діаметром 18 див.
Критична маса металевого плутонію-239 – УЦ 11 кг (а за деякими публікаціями – 9 і навіть 6 кг). Це куля діаметром близько 9-10 див.

Таким чином, зараз у людства є два ізотопи, що діляться, зброї: уран-235 і плутоній-239. Різниця між ними лише в тому, що уран, по-перше, більш придатний для використання в атомній енергетиці: він дозволяє керувати своєю ланцюговою реакцією, а по-друге, він менш ефективний для здійснення некерованої ланцюгової реакції – атомного вибуху: у нього менша швидкість мимовільного поділу ядер і більше критична маса. А збройовий плутоній, навпаки, більш придатний для ядерної зброї: у неї більша швидкість мимовільного поділу ядер і набагато менша критична маса. Плутоній-239 не дозволяє надійно керувати своєю ланцюговою реакцією і тому поки що не знайшов широкого застосування в атомній енергетиці, атомних реакторах.

Саме тому всі проблеми зі збройовим ураном було вирішено за лічені роки, а спроби використовувати плутоній в атомній енергетиці тривають досі - вже понад 60 років.

Так, через два роки після відкриття поділу ядер урану було запущено перший у світі урановий атомний реактор (грудень 1942 року, Енріко Фермі, США), а ще через два з половиною роки (1945 року) американці підірвали першу уранову бомбу.

А з плутонією... Перша плутонієва бомба була підірвана в 1945 році, тобто приблизно через чотири роки після його відкриття як хімічного елемента та відкриття його поділу. Причому для цього потрібно спочатку побудувати урановий атомний реактор, напрацювати плутоній в цьому реакторі з урану-238, потім виділити його з опроміненого урану, добре вивчити його властивості, виготовити бомбу. Напрацювали, виділили, виготовили. А ось розмови про можливість використання плутонію як ядерного пального в плутонієвих атомних реакторах так і залишилися розмовами, і залишаються такими вже понад 60 років.

Процес поділу можна характеризувати "періодом поділу".

Вперше періоди напівподілу оцінили К. А. Петржак та Г. І. Флеров у 1940 р.

І в урану, і в плутонію вони дуже великі. Так за різними оцінками, у урану-235 період напіврозподілу становить приблизно 1017 (або 1018 років (Фізичний енциклопедичний словник); за іншими даними - 1,8 · 1017 років. А у плутонію-239 (за даними того ж словника) істотно менше - приблизно 1015,5 років, за іншими даними - 4 · 1015 років.

Для порівняння нагадаємо періоди напіврозпаду (Т1/2). Так у U-235 він "всього" 7,038 108 років, а у Pu-239 і того менше - 2,4 104 років. Взагалі ділитися можуть ядра багатьох важких атомів, починаючи з урану. Але ми ведемо мову про два основні, які вже понад 60 років мають величезне практичне значення. Інші представляють, скоріше, суто науковий інтерес.

Звідки беруться радіонукліди

Радіонукліди одержують із трьох джерел (трьома способами).

Перше джерело – це природа. Це природні радіо-нукліди, які збереглися, дожили до нашого часу з моменту їх утворення (можливо, з часу утворення сонячної системи чи Всесвіту), оскільки у них великі періоди напіврозпаду, а отже, великий час життя. Звичайно, що їх залишилося набагато менше, ніж було спочатку. Їх витягають із природної сировини.

Друге і третє джерела - штучні.

Штучні радіонукліди утворюються двома способами.

Перші - радіонукліди осколкового походження, які утворюються в результаті розподілу ядер атомів. Це - "уламки розподілу". Природно, що їх основна маса утворюється в ядерних реакторах різного призначення, у яких здійснюється керована ланцюгова реакція, і навіть при випробуваннях ядерної зброї (некерована ланцюгова реакція). Вони знаходяться в опроміненому урані, що витягується з реакторів військового призначення (з "промислових реакторів"), і у величезних кількостях у відпрацьованому ядерному паливі (ВЯП), що витягується з енергетичних реакторів АЕС.

Раніше в природне середовище вони потрапляли під час проведення ядерних випробувань та переробки опроміненого урану. Наразі продовжують потрапляти під час переробки (регенерації) ВЯП, а також при аваріях на АЕС, на реакторах. При необхідності витягували їх із опроміненого урану, а зараз із ВЯП.

Другі - це радіонукліди активаційного походження. Вони утворюються із звичайних стабільних ізотопів в результаті активації, тобто при попаданні в ядро ​​стабільного атома будь-якої субатомної частинки, внаслідок чого стабільний атом стає радіоактивним. У переважній більшості випадків такою часткою-снарядом є нейтрон. Тому отримання штучних радіонуклідів зазвичай використовують метод нейтронної активації. Він полягає в тому, що стабільний ізотоп будь-якого хімічного елемента в будь-якому вигляді (метал, сіль, хімічна сполука) поміщають активну зону реактора на певний час. Оскільки в активній зоні реактора кожну секунду утворюється колосальна кількість нейтронів, то тому всі хімічні елементи, які знаходяться в активній зоні або поблизу неї поступово стають радіоактивними. Активуються і ті елементи, які розчинені в воді, що охолоджує реактор.

Рідше використовують метод бомбардування стабільного ізотопу в прискорювачах елементарних частинок протонами, електронами тощо.

Радіонукліди бувають природні – природного походження та штучні – осколкового та активаційного походження. Незначна кількість радіонуклідів осколкового походження завжди була в природному середовищі, бо вони утворюються в результаті мимовільного поділу ядер урану-235. Але їх так мало, що не вдається виявити сучасними засобами аналізу.
Кількість нейтронів в активній зоні різних типів реакторів така, що через будь-який перетин в 1см2 в будь-якій точці активної зони за 1 секунду пролітає близько 1014 нейтронів.

Вимірювання іонізуючих випромінювань. Визначення

Характеризувати самі джерела іонізуючого випромінювання (ІІІ) і лише їх активністю (кількістю актів розпаду) який завжди зручно і доцільно. І справа не тільки в тому, що вимірювати активність можна, як правило, лише в стаціонарних умовах на складних установках. Головне в тому, що при одиничному акті розпаду різних ізотопів можуть утворюватись різні за своєю природою частинки, можуть одночасно утворюватися кілька частинок та гамма-квантів. При цьому енергія, а отже, і іонізуюча здатність різних часток будуть різними. Тому основним показником для характеристики ДІВ є оцінка їх іонізуючої здатності, тобто (в результаті) тієї енергії, яку вони втрачають при проходженні через речовину (середовище) і яка виявляється поглиненою цією речовиною.

При вимірі іонізуючих випромінювань використовується поняття доза, а в оцінці їхнього впливу на біологічні об'єкти поправочні коефіцієнти. Назвемо їх, наведемо низку визначень.

Доза, поглинена доза (від грецької - частка, порція) - енергія іонізуючого випромінювання (ІІ), поглинена опромінюваною речовиною і часто розрахована на одиницю його маси (див. "Рад", "Грей"). Тобто доза вимірюється в одиницях енергії, що виділяється в речовині (поглинається речовиною) при проходженні через неї іонізуючого випромінювання.

Є кілька різновидів доз.

Експозиційна доза (для рентгенівського та гамма-випромінювання) - визначається по іонізації повітря. Одиницею виміру у системі СІ є " кулон на кг " (Кл/кг), що відповідає освіті 1 кг повітря такої кількості іонів, сумарний заряд яких дорівнює 1 Кл (кожного знака). Позасистемною одиницею вимірювання є "рентген" (див. "Кл/кг" та "рентген").

Для оцінки впливу ІІ на людину використовуються поправочні коефіцієнти.

До недавнього часу при розрахунку "еквівалентної дози" використовувалися "коефіцієнти якості випромінювання" (К) - поправочні коефіцієнти, що враховують різний вплив на біологічні об'єкти (різну здатність пошкоджувати тканини організму) різних випромінювань при одній і тій же поглиненій дозі. Використовуються для розрахунку "еквівалентної дози". Нині ці коефіцієнти в Нормах радіаційної безпеки (НРБ-99) назвали дуже "по-науковому" - "Зважувальні коефіцієнти окремих видів випромінювання при розрахунку еквівалентної дози (W R)".

Ці коефіцієнти рівні відповідно:

рентгенівське, гамма, бета-випромінювання, електрони та позитрони - 1
протони з Е більше 2 Мев - 5
нейтрони з Е менше 10 кев) - 5
нейтрони з Е від 10 кев до 100 кев - 10
альфа-частки, уламки поділу, важкі ядра - 20

і так далі.

Еквівалентна доза - доза, розрахована для біологічних об'єктів (людини) з урахуванням коефіцієнта якості випромінювання; дорівнює добутку поглиненої дози на К. Еквівалентна доза може вимірюватися в тих же одиницях, що і поглинена (див. "Бер" і "Зіверт").

Ефективна еквівалентна доза - еквівалентна доза, розрахована з урахуванням різної чутливості різних тканин організму до опромінення; дорівнює еквівалентній дозі, отриманій конкретним органом, тканиною (з урахуванням їх ваги), помноженою на відповідний "коефіцієнт радіаційного ризику". Зараз ці коефіцієнти теж дуже "по-науковому" у тих же Нормах НРБ-99 назвали "Зважувальні коефіцієнти для тканин і органів при розрахунку ефективної дози (W-множники еквівалентної дози в органах і тканинах, які використовуються в радіаційному захисті для обліку різної чутливості різних органів) та тканин у виникненні стохастичних ефектів радіації”.