VII.2 Радіоактивність. Радіоактивне випромінювання

Серед ізотопів хімічних елементів є такі, ядра атомів яких стабільні і можуть існувати нескінченно довго, але є й такі, ядра яких самовільно розпадаються. До перших належать ядра атомів легких елементів, у яких приблизно однакова кількість протонів і нейтронів. Ядра атомів ізотопів, важчих від свинцю, в яких кількість нейтронів переважає кількість протонів, не стабільні.

Самовільний розпад ядер атомів і перетворення їх в ядра атомів легших хімічних елементів називається природною радіоактивністю.

Природна радіоактивність властива урану, радію, полонію, актинію та іншим елементам. Такі хімічні елементи називають радіоактивними.

Явище радіоактивності супроводжується трьома видами радіоактивного випромінювання: і- випромінюваннями, які називають радіоактивними.

 – випромінювання– потік ядер атомів гелію, які складаються із 2-х протонів, 2-х нейтронів і мають заряд +2.

 – випромінювання– потік електронів із середньою швидкістю біля 160 тис. км/с.

 – випромінювання – електромагнітні хвилі з частотою10²⁰Гц.

Під час руху в середовищі -частинка, яка має дуже велику енергію, іонізує атоми і, втративши енергію, захоплює 2 електрони із числа вільних електронів речовини перетворюється в атом гелію. На довжині пробігу 1 см-частинка створює біля 30 тис. пар іонів і пробігає в повітрі 3–9 см. У металах довжина пробігу-частинок складає соті долі міліметра, а в біологічних тканинах – десяті долі міліметра.

Іонізуюча здатність -частинок приблизно в сто разів менша, а довжина пробігу в стільки ж разів більша, порівняно з-частинками. У повітрі-частинки розповсюджуються на відстань біля 40 м, у металах – на~ 2см, у біологічних тканинах – на~6 см.

-випромінювання має низьку іонізуючу здатність порівняно з - і-

випромінюванням (у повітрі приблизно сто пар іонів, 1–2 пари іонів на відстані

1 см), але велику проникну здатність. У повітрі воно розповсюджується на сотні метрів, проходить через шар свинцю товщиною 5 см і наскрізь пронизує тіло людини.

Існує ряд методів, які дозволяють визначати інтенсивність радіоактивного випромінювання (лічильники Гейгера-Мюллера, камера Вільсона, бульбашкова камера, сцинциляційні лічильники тощо).

Радіоактивне випромінювання справляє виражений негативний вплив на біологічні об’єкти через те, що призводить до іонізації молекул в біологічних тканинах. При цьому іонізація (або розрив) функціонально важливих макромолекул у живих клітинах веде до суттєвих порушень метаболізму в організмі тварин чи людини. Вираженість негативного впливу радіоактивного випромінювання на біологічні об’єкти має дозозалежний характер і при значних дозах опромінення веде до летального ефекту.

VII.3 Реакції ділення та синтезу ядер

Ядра атомів при їх збудженні діляться на дві частини. Для переведення

ядер у збуджений стан їх "обстрілюють" частинками з великими енергіями (протонами, -частинками, нейтронами). Найбільший ефект дає обстріл ядер нейтронами, які є електронейтральними і не відштовхуються від ядер атомів.

Ділення ядер атомів супроводжується і- випромінюванням і вилітанням 2–3-х нейтронів. Ці нейтрони, попадаючи в ядра інших атомів, збуджують їх і викликають ділення. Таким чином розвивається ланцюгова реакція, що обумовлює ділення величезної кількості ядер за дуже короткий час. Продукти розпаду мають дуже великі енергії, а виділення великої енергії за дуже короткий час є вибух. Описане явище використовують в атомних бомбах, робочою речовиною в яких служать ізотопи урану чи плутоній.

Для використання енергії ділення ядер в мирних цілях необхідно керувати ланцюговою реакцією так, щоб запобігти вибуху. Для цього в робочу речовину реактора вводять керівні стержні, що містять у собі графіт, кадмій або бор, які сильно поглинають нейтрони, що запобігає розвитку ланцюгової реакції. Енергія продуктів розпаду передається теплоносію (важка вода, розплавлений метал), що циркулює по трубах навколо реактора, відводиться по них із активної зони реактора і перетворюється в генераторах струму в механічну, а потім в електричну енергію.

Окрім ядерних реакцій ділення існують ядерні реакції синтезу, коли із двох чи декількох легких ядер утворюється ядро атома більш важкого хімічного елемента. При цьому виявляється, що синтезоване, наприклад, ядро атома гелію із ядер дейтерію і тритію має приблизно в десять разів більшу енергію, ніж енергія, що виділяється при розпаді ядра атома урану.

Але, щоб зблизити два ядра до відстані ~10^-13см, на якій діють ядерні сили притягання, необхідно подолати сили кулонівського відштовхування. Це означає, що ядра атомів повинні мати достатньо велику енергію. Виявляється, що таку енергію частинки мають при температурах в десятки мільйонів кельвінів. Тому такі реакції синтезу називаютьтермоядерними. Поки що термоядерна реакція реалізована у водневій бомбі, що являє собою герметичну посудину із сумішшю дейтерію і тритію, у верхній частині якої знаходиться невелика атомна бомба. Під час вибуху останньої температура досягає десятків мільйонів кельвінів, що спричиняє термоядерну реакцію і вибух водневої бомби.

Над здійсненням керованих термоядерних реакцій і використанням їх для отримання енергії працює багато колективів учених всього світу. Успішне завершення цих наукових досліджень дозволить забезпечити людство практичним джерелом енергії на тисячі років, враховуючи величезні запаси водню у світовому океані.

ДОВІДКОВІ ТАБЛИЦІ

1. Основні фізичні сталі

Фізична стала	Позначення	Числове значення
Прискорення вільного падіння Гравітаційна стала Число Авогадро Універсальна газова стала Заряд електрона та протона Маса електрона Маса протона Швидкість світла у вакуумі Стала Планка Об’єм моля газу при нормальних умовах Електрична стала Магнітна стала	g G NA R e,p me mp с h Vм 0 μ0	9,81 м/с^2 6,67 · 10^-11м^3/кг·с^2 6,02 · 10^23моль^-1 8.31 Дж/К·моль 1,6 · 10^-19Кл 9,1 · 10^-31кг 1,67 · 10^-27кг 3 · 10^8м/с 6,63 · 10^-34Дж·с 22,4 · 10^-3м^3 8,85 · 10^-12Ф/м 4π · 10^-7Г/м

2. Основні одиниці СІ

Назва величини	Назва одиниці	Позначення
Довжина Маса Час Сила електричного струму Абсолютна температура Сила світла Кількість речовини	Метр Кілограм Секунда Ампер Кельвін Кандела Моль	м кг с А К кд моль