Требования безопасности в аварийных ситуациях

При попадании напряжения на корпус электроустановки немед­ленно отключить ее. Сообщить об этом преподавателю.

При возгораниях немедленно сообщить преподавателю и при­нять меры по ликвидации очага загорания.

При несчастном случае (электрическая травма, ушиб, порез, ожог и т.п.) оказать пострадавшему первую медицинскую помощь.

Требования безопасности по окончании работы

Выключить электропитание приборов, оборудования.

Навести порядок на рабочих местах. Осколки индикаторных трубок удалить с помощью щетки. Сдать преподавателю или лабо­ранту справочную, методическую и другую литературу, приборы, ин­струменты.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА РАДИОАКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ И ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

Цель работы: изучить основные свойства радиоактивных ве­ществ (РВ) и ионизирующих излучений (ИИ). Ознакомиться с едини­цами измерения радиоактивности.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ:

1. Основные свойства радиоактивных веществ

ионизирующих излучений

Изучение свойств РВ и ИИ необходимо начинать со строения атома и атомного ядра.

Весь мир состоит из атомов, имеющих размер порядка 10^-8...10^-10м – атом меньше горошины настолько, насколько горошина меньше земного шара. Основная часть массы атома сосредоточена в ядре, вокруг которого с огромной скоростью (несколько тысяч км/с) вращаются электроны (рис. 1). Поскольку скорость вращения электронов велика, и движутся они во всех плоскостях вокруг ядра, формируются электронные оболочки – сферы определенного радиуса с центром в ядре.

Рис. 1. Строение атома

Ядро по размерам намного меньше самого атома – 10^-12...10^-15м: если бы ядро было с копеечную монету, ближайший электрон обращался бы вокруг него на расстоянии около ста метров. Атомные ядра сложены из положительно заряженных протонов и нейтронов, не имеющих электрического заряда: по массе эти частицы примерно одинаковы. Масса протона (примерно 1,67∙10^-27кг) принята за эталонную единицу – атомную единицу массы (а.е.м.).

Электрон в 1836 раз легче протона, но его отрицательный заряд (1,6∙10^-19Кл) полностью уравновешивает положительный заряд протона. Заряд электрона принят за эталонную единицу – элементарный заряд. Поскольку количество электронов в атоме равно количеству протонов в ядре, их заряды компенсируют друг друга, и атом остается электрически нейтральным.

Число протонов в ядре определяет порядковый номер Zэлемента в таблице Менделеева. Один химический элемент может иметь несколько разновидностей – изотопов, ядра которых содержат одинаковое количество протонов, но разное количество нейтронов. Нейтрон не влияет на заряд ядра, но увеличивает его массу. При обозначениях изотопов указывается символ элементаX(латинскими буквами) и атомная массаAm(общее количество протонов и нейтронов в ядре) – например: изотопы углерода¹²С (углерод-12) и¹⁴С (углерод-14); изотопы стронция⁸⁹Sr(стронций-89) и⁹⁰Sr(стронций-90); изотопы цезия¹³⁴Cs(цезий-134) и¹³⁷Cs(цезий-137). Изотопы имеют одинаковые химические свойства – различить их можно только по массе. Из 108 известных на сегодняшний день элементов каждый имеет несколько изотопов. Минимальное количество имеет водород – 3 изотопа:¹Н (протий),²Н (дейтерий),³Н (тритий). Максимальное количество изотопов у цезия – 38. Собственные названия имеют только изотопы водорода – для обозначения изотопов элементов используют либо сокращенную форму записи –^AmХ (например,⁹⁰Sr), либо полную –^Am_zX(например,).

Многие изотопы стабильны – в отсутствие внешних воздействий никогда не претерпевают никаких изменений. Но большая часть изо­топов нестабильна – с течением времени они превращаются в другие изотопы (данного элемента или других, более легких). Нестабильные изотопы называются радиоактивными.

Радиоактивность– способность самопроизвольного распада атомных ядер, сопровождающегося выделением ионизирующих из­лучений.

Ядра могут испускать излучение под действием как внутренних, так и внешних факторов, но в любом случае излучение идет из ядра – поэтому атомную энергию часто называют ядерной.

Атомные ядра называют в физике нуклидами. Радионуклиды –нестабильные нуклиды (нуклиды, подверженные радиоактивному распаду). Термин «радиоактивность» появился в конце XIXвека, по­сле открытия элемента радия (от лат. «Испускающий лучи»).

Поскольку протон и нейтрон имеют практически одинаковые массы (нейтрон примерно на 0,1% тяжелее протона), физики при­своили им общее название «нуклон». Когда известно общее количест­во нуклонов Amи порядковый номер элементаZ, равный количеству протонов, можно определить количество нейтронов в ядре N =Am–Z. Если количество нейтронов в ядре превосходит количество прото­нов в 1,5 и более раз, такое ядро является нестабильным и, рано или поздно, произойдет его распад. Если количество нейтронов в ядре не­значительно превосходит число протонов, ядро стабильно и распа­сться может только при внешнем воздействии (например, облучение ядра потоком разогнанных до высоких скоростей элементарных час­тиц).

Излучение, испускаемое ядром, достигает соседних атомов – при этом может произойти их ионизация.

Ионизация– процесс разделения электрически нейтральных атомов на положительно- и отрицательно-заряженные ионы.

Электроны в атоме движутся на определенном, четко фиксированном расстоянии от ядра – по так называемым «разрешенным» стационарным орбитам. Если атом в результате внешнего облучения получает дополнительную энергию, электрон переходит на другую, более высокую стационарную орбиту, то есть более удаленную от ядра (рис. 2). Новое состояние атома, содержащее такие электроны, называется «возбужденным». Как только энергия возбуждения превысит энергию связи электрона с ядром, он вылетит из атома (рис. 3).

При ионизации атома образуется один или несколько легких отрицательно-заряженных ионов (электронов) и один тяжелый положительно-заряженный ион.

Рис. 2. Переход электрона на более высокую орбиту

Ионизированные атомы приобретают особые физические химические свойства: к примеру, они способны вступать в реакции, которых неионизированные атомы не участвуют. Если эти химические реакции протекают в живых организмах, создается серьезная угроза для их жизни и здоровья.

Рис. 3. Схема ионизации атома

Возникшие положительно-заряженные ионы могут захватывать электроны, вновь образуя нейтральный атом. Данный процесс называется рекомбинацией.

Излучение должно обладать достаточной большой энергией, чтобы «оторвать» один или несколько электронов от атома. К примеру, радиоволны, видимый свет или ультрафиолетовое излучение такой способностью не обладают – они могут только «передвинуть» электроны атома на более высокую орбиту.

Ионизи­рующим называется излучение, способное ионизировать атомы.

При распаде радионуклиды испускают несколько видов ионизирующих излучений, основными из которых являются альфа-, бета- и гамма-излучение.

Альфа-излучение– это поток положительно-заряженных частиц (α-частиц) (рис. 4). Источниками α-частиц являются тяжелые радионуклиды, расположенные в конце таблицы Менделеева: висмут-210, радон-222, уран-235, плутоний-239 и другие. Количество нейтронов в ядре данных изотопов значительно превосходит количество протонов. При распаде от ядра «отрывается» значительная по массе и размерам частица, состоящая из 2 протонов и 2 нейтронов. Фактически это ядро атома гелия, имеющее массу 4 и заряд +2. Начальная скорость α-частиц достигает 20000 км/с. Они способны ионизировать почти все атомы на своем пути (ионизирующая способность в воздухе достигает 6000 атомов на миллиметр траектории). Но из-за своей огромной, по атомным масштабам, массы α-частицы не способны преодолевать большие расстояния – в воздухе они представляют опасность на расстоянии до 10 см от источника радиации. По мере продвижения в веществе α-частицы теряют свою энергию, и на некотором расстоянии от начала пути их скорость становится равной скорости теплового движения атомов и молекул среды – в этом случае α-частицы опасности уже не представляют.

β^-

α²⁺

²²⁶Ra

γ⁰

Рис. 4. Ионизирующие излучения, выделяющиеся при распаде

радионуклидов

Глубина проникновения частиц в вещество (так называемый пробег или длина пробега) является величиной, зависящей от типа излучения и его энергии. В воде пробег α-частиц не превышает 1 см, а в алюминии 0,01 мм. α-частицы легко задерживаются практически любыми материалами – бумагой, тканью одежды, полиэтиленовой пленкой и т.д. Даже человеческая кожа является непреодолимой преградой для данного вида излучения – пробег α-частиц в роговом слое, состоящем из мертвых, высохших клеток, не превышает 0,05 мм, тогда как средняя толщина этого слоя у человека составляет примерно 0,07 мм. Таким образом, при внешнем облучении α-частицы опасности не представляют – главное, чтобы α-излучающие радионуклиды не попали внутрь организма.

Альфа-излучающие радионуклиды практически безопасны при внешнем облучении, но чрезвычайно опасны при попадании внутрь организма (через поврежденную кожу, органы дыхания, желудочно-кишечный тракт).

Бета-излучение– поток отрицательно- (иногда положительно-) заряженных легких частиц (β-частиц) (см. рис. 4). β-частицы образуются при распаде элементов, расположенных в начале и середине таблицы Менделеева: трития-3, стронция-90 и т.д. β-частица представляет собой электрон (позитрон), передвигающийся в пространстве с очень большой скоростью (начальная скорость β-частиц достигает 200 000 км/с). При обозначении «электронную» β-частицу обозначают β^–(отрицательный заряд), «позитронную» – β⁺(положительный заряд). Ионизирующая способность β-частиц в воздухе достигает 6 атомов на миллиметр траектории, что намного меньше, чем у α-частиц, на благодаря своей малой массе β-частицы могут преодолевать больший расстояния, измеряемые метрами (в воздухе пробег – до 10 м и более).

Бумага или ткань одежды не защитят человека от бета-излучения. Необходимо использовать специальные экраны из металла (например, алюминия) или других материалов, способных затормозить бета-час-тицы. Для защитных экранов не используют плотные металлы, такие как свинец, потому что при быстром торможении β-частиц в данном материале образуется «тормозное» рентгеновское излучение. Можно использовать только легкие металлы, в которых торможение β-частиц происходит плавно, без выделения вредных излучений.

Лучшей защитной мерой будет удаление от источника бета-излучения на несколько метров. Главное, чтобы бета-излучающие радионуклиды не попали с вдыхаемым воздухом, пищей или водой внутрь организма.

Бета-излучающие радионуклиды представляют опасность, как при внешнем, так и при внутреннем облучении организма.

Гамма-излучение(γ-лучи) – поток электромагнитных волн, по своей природе сходных с обычным светом, только имеющих короткую длину (и высокую частоту). Как и свет, гамма-излучение не имеет электрического заряда и массы покоя, и распространяется от источника радиации по прямолинейной траектории со скоростью 300 000 км/с (см. рис. 4). Ионизирующая способность γ-лучей меньше, чем у β-частиц (в воздухе 1 атом на сантиметр траектории).

Защититься от гамма-излучения довольно сложно. Во-первых, в воздухе гамма-излучение способно преодолевать расстояния, измеряемые десятками и даже сотнями метров (в вакууме – километрами). Во-вторых, если используются защитные экраны, приходится делать их толстыми и массивными. Стены бревенчатого дома ослабляют гамма-излучение всего в 2 раза, кирпичного или бетонного – в 4...5 раз. Броня танка ослабляет гамма-излучение в 8...10 раз. Лучшей защитой является использование экранов, изготовленных из тяжелых металлов – вольфрама, висмута и т.д. Чаще всего используется свинец (причина – относительно низкая стоимость).

Удаление от источника радиации является самой эффективной мерой защиты. Интенсивность излучения уменьшается пропорционально квадрату расстояния от источника: интенсивность излучения на расстоянии 2 метра от источника в 4 раза меньше, чем на расстоянии 1 метр; на расстоянии 4 метра меньше уже в 16 раз; на расстоянии 10 метров меньше в 100 раз и т.д.

Гамма-излучающие радионуклиды представляют опасность в основном при внешнем облучении организма.

Гамма-излучение испускают многие радионуклиды: кобальт-60, йод-131, цезий-134, цезий-137 и т.д. Эти радионуклиды в больших количествах образуются при ядерных взрывах, а также могут попасть в окружающую среду из разрушенных атомных реакторов и радиоизотопных установок.

Большинство радионуклидов испускают смешанное излучение: гамма- и бета-, альфа- и гамма- и даже альфа-, бета- и гамма-, как у радия-226 (см. рис. 4).

При некоторых электрических установок (высоковольтных выпрямителей, рентгенодиагностических аппаратов, электронно-лучевых трубок) возникает рентгеновское излучение (Х-лучи), по своим свойствам напоминающее гамма-излучение, но проникающая способность у Х-лучей ниже, чем у γ-лучей (для защиты требуются защитные экраны из тяжелых металлов меньшей толщины). Ионизирующая способность рентгеновских лучей так же меньше, чем у γ-лучей, и в воздухе не превышает 1 атома на 2 см траектории.

Рентгеновское излучение представляет опасность только при внешнем облучении организма.

При ядерных взрывах и некоторых авариях на атомных реакторах серьезную угрозу для населения представляет нейтронное излучение. Нейтроны (n) образуются в большом количестве при ядерных цепных реакциях. Начальная скорость нейтронов не превышает 20 000 км/с, но у этих частиц достаточно высокая ионизирующая способность (в воздухе – 60 атомов на миллиметр траектории) и большой пробег, измеряемый в воздухе десятками метров. Нейтроны движутся от источника радиации по сложной криволинейной траектории, что создает определенные трудности при сооружении защитных экранов. Особая опасность нейтронного излучения в том, что под его воздействием в облучаемых объектах (металлах) возникают ядерные реакции, в результате которых сами эти объекты становятся радиоактивными (так называемая наведенная γ-радиоактивность).

Нейтронное излучение представляет опасность только при внешнем облучении организма.

Защититься от нейтронного излучения труднее, чем от гамма-излучения: свинцовые экраны способны лишь незначительно ослабить поток нейтронов. Хорошо тормозят и задерживают нейтроны материалы, содержащие водород, такие как парафин, полиэтилен, а также обычная вода. В качестве защитных экранов используют также пластины из бора, графита и кадмия.