Использование радиоактивности в мирных целях. Польза и вред радиоактивного излучения

Содержание

Введение 3
1 Радиоактивность 5
1.1 Типы радиоактивного распада и радиоактивного излучения 5
1.2 Закон радиоактивного распада 7
1.3 Взаимодействие радиоактивного излучения с веществом и счетчики
излучения 8
1.4 Классификация источников радиоактивного излучения и радиоактивных изотопов 10
2 Методики анализа, основанные на измерении радиоактивности 12
2.1 Использование естественной радиоактивности в анализе 12
2.2 Активационный анализ 12
2.3 Метод изотопного разбавления 14
2.4 Радиометрическое титрование 14
3 Применение радиоактивности 18
3.1 Применение радиоактивных индикаторов в аналитической химии 18
3.2 Применение радиоактивных изотопов 22
Заключение 25
Список использованных источников 26

Введение

Методы анализа, основанные на радиоактивности, возникли в эпоху развития ядерной физики, радиохимии, атомной техники и с успехом применяются в настоящее время при проведении разнообразных анализов, в том числе в промышленности и геологической службе.
Основными достоинствами аналитических методов, основанных на измерении радиоактивного излучения, являются низкий порог обнаружения анализируемого элемента и широкая универсальность. Радиоактивационный анализ имеет абсолютно низший порог обнаружения среди всех других аналитических методов (10 -15 г). Достоинством некоторых радиометрических методик является анализ без разрушения образца, а методов, основанных на измерении естественной радиоактивности, - быстрота анализа. Ценная особенность радиометрического метода изотопного разведения заключена в возможности анализа смеси близких по химико-аналитическим свойствам элементов, таких, как цирконий - гафний, ниобий - тантал и др.
Дополнительные осложнения в работе с радиоактивными препаратами обусловлены токсичными свойствами радиоактивного излучения, которые не вызывают немедленной реакции организма и тем самым осложняют своевременное применение необходимых мер. Это усиливает необходимость строгого соблюдения техники безопасности при работе с радиоактивными препаратами. В необходимых случаях работа с радиоактивными веществами происходит с помощью так называемых манипуляторов в специальных камерах, а сам аналитик остается в другом помещении, надежно защищенном от действия радиоактивного излучения.
Радиоактивные изотопы применяются в следующих методах анализа:

В лабораторной практике радиометрическое титрование применяют сравнительно редко. Применение активационного анализа связано с использованием мощных источников тепловых нейтронов, и поэтому этот метод имеет пока ограниченное распространение.
В данной курсовой работе рассмотрены теоретические основы методов анализа, в которых используется явление радиоактивности, и их практическое применение.

1 Радиоактивность

1.1 Типы радиоактивного распада и радиоактивного излучения

Радиоактивность - это самопроизвольное превращение (распад) ядра атома химического элемента, приводящее к изменению его атомного номера или изменению массового числа. При таком превращении ядра происходит испускание радиоактивных излучений.
Открытие радиоактивности относится к 1896г., когда А. Беккерель обнаружил, что уран самопроизвольно испускает излучение, названное им радиоактивным (от. radio – излучаю и activas – действенный).
Радиоактивное излучение возникает при самопроизвольном распаде атомного ядра. Известно несколько типов радиоактивного распада и радиоактивного
излучения.
1) ?-Распад. Распад ядра с выделением?- частиц, которые являются ядрами He 2+ . Например,
Ra > Rn + He ;
U > Th + ? (He).

В соответствии с законом радиоактивного смещения, при?-распаде получается атом, порядковый номер которого на две единицы, а атомная масса на четыре единицы меньше, чем у исходного атома.
2) ?-Распад. Различают несколько видов?- распада: электронный?-распад; позитронный?-распад; К-захват. При электронном?-распаде, например,

Sn > Y + ? - ;
P > S + ? - .

Нейтрон внутри ядра превращается в протон. При испускании отрицательно заряженной?-частицы порядковый номер элемента возрастает на единицу, а атомная масса практически не меняется.
При позитронном?-распаде из атомного ядра выделяется позитрон (? + -частица), а потом внутри ядра превращается в нейтрон. Например:

Продолжительность жизни позитрона невелика, так как при столкновении его с электроном происходит аннигиляция, сопровождающаяся испусканием?-квантов.
При К-захвате ядро атома захватывает электрон из близлежащей электронной оболочки (из К-оболочки) и один из протонов ядра превращается в нейтрон.
Например,
Cu >Ni+n
K + e - = Ar + hv

На свободное место в К-оболочке переходит один из электронов внешней оболочки, что сопровождается испусканием жёсткого рентгеновского излучения.
3) Спонтанное деление. Оно характерно для элементов периодической системы Д. И. Менделеева с Z > 90. При спонтанном делении тяжёлые атомы делятся на осколки, которыми обычно являются элементы середины таблицы Л. И. Менделеева. Спонтанное деление и?-распад ограничивают получение новых трансурановых элементов.
Поток? и?-частиц называют соответственно? и?-излучением. Кроме того, известно?-излучение. Это электромагнитные колебания с очень короткой длиной волны. В принципе, ?-излучение близко к жёсткому рентгеновскому и отличается от него своим внутриядерным происхождением. Рентгеновское излучение при переходах в электронной оболочке атома, а?-излучение испускает возбуждённые атомы, получившиеся в результате радиоактивного распада (? и?).
В результате радиоактивного распада получаются элементы, которые по заряду ядер (порядковому номеру) должны быть помещены в уже занятые клетки периодической системы элементами с таким же порядковым номером, но другой атомной массой. Это так называемые изотопы. По химическим свойствам их принято считать неразличимыми, поэтому смесь изотопов обычно рассматривается как один элемент. Неизменность изотопного состава в подавляющем большинстве химических реакций иногда называют законом постоянства изотопного состава. Например, калий в природных соединениях представляет собой смесь изотопов, на 93,259% из 39 К, на 6,729% из 41 К и на 0,0119% из 40 К (К-захват и?-распад). Кальций насчитывает шесть стабильных изотопов с массовыми числами 40, 42, 43, 44, 46 и 48. В химико-аналитических и очень многих других реакциях это соотношение сохраняется практически неизменным, поэтому для разделения изотопов химической реакции обычно не применяются. Чаще всего для этой цели используются различные физические процессы – диффузия, дистилляция или электролиз.
Единицей активности изотопа является беккерель (Бк), равный активности нуклида в радиоактивном источнике, в котором за время 1с происходит один акт распада.

1.2 Закон радиоактивного распада

Радиоактивность, наблюдаемая у ядер, существующих в природных условиях, называется естественной, радиоактивность ядер, полученных посредством ядерных реакций, называется искусственной.
Между искусственной и естественной радиоактивностью нет принципиального различия. Процесс радиоактивного превращения в обоих случаях подчиняется одинаковым законам - закону радиоактивного превращения:

Если t = 0, то и, следовательно, const = -lg N 0 . Окончательно

Где А – активность в момент времени t; А 0 – активность при t = 0.
Уравнения (1.3) и (1.4) характеризуют закон радиоактивного распада. В кинетике они известны как уравнения реакции первого порядка. В качестве характеристики скорости радиоактивного распада обычно указывают период полураспада T 1/2 , который так же, как и?, является фундаментальной характеристикой процесса, не зависящей от количества вещества.
Периодом полураспада называют промежуток времени, в течение которого данное количество радиоактивного вещества уменьшается наполовину.
Период полураспада различных изотопов существенно различен. Он находится примерно от 10 10 лет до ничтожных долей секунды. Конечно, вещества, имеющие период полураспада 10 – 15 мин. и меньше, использовать в лаборатории трудно. Изотопы с очень большим периодом полураспада также нежелательны в лаборатории, так как при случайном загрязнении этими веществами окружающих предметов потребуется специальная работа по дезактивации помещения и приборов.

1.3 Взаимодействие радиоактивного излучения с веществом и счетчики

излучения

В результате взаимодействия радиоактивного излучения с веществом происходит ионизация и возбуждение атомов и молекул вещества, через которое оно проходит. Излучение производит также световое, фотографическое, химическое и биологическое действие. Радиоактивное излучение вызывает большое число химических реакций в газах, растворах, твердых веществах. Их обычно объединяют в группу радиационно-химических реакций. Сюда относятся, например, разложение (радиолиз) воды с образованием водорода, пероксида водорода и различных радикалов, вступающих в окислительно-восстановительные реакции с растворенными веществами.
Радиоактивное излучение вызывает разнообразные радиохимические превращения различных органических соединений – аминокислот, кислот, спиртов, эфиров и т.д. Интенсивное радиоактивное излучение вызывает свечение стеклянных трубок и ряд других эффектов в твердых телах. На изучении взаимодействия радиоактивного излучения с веществом основаны различные способы обнаружения и измерения радиоактивности.
В зависимости от принципа действия счетчики радиоактивных излучений подразделяют на несколько групп.
Ионизационные счетчики. Их действие основано на возникновении ионизации или газового разряда, вызванного ионизацией при попадании в счетчик радиоактивных частиц или?-квантов. Среди десятков приборов, использующих ионизацию, типичными являются ионизационная камера и счетчик Гейгера – Мюллера, который получил наибольшее распространение в химико-аналитических и радиохимических лабораториях.
Для радиохимических и других лабораторий промышленностью выпускаются специальные счетные установки.
Сцинтилляционные счетчики. Действие этих счетчиков основано на возбуждении атомов сцинтиллятора?-квантами или радиоактивной частицей, проходящей через счетчик. Возбужденные атомы, переходя в нормальное состояние, дают вспышку света.
В начальный период изучения ядерных процессов визуальный счет сцинтилляции сыграл большую роль, однако в дальнейшем он был вытеснен более совершенным счетчиком Гейгера – Мюллера. В настоящее время сцинтилляционный метод вновь стал широко применяться уже с использованием фотоумножителя.
Черенковские счетчики. Действие этих счетчиков основано на использовании эффекта Черенкова, который состоит в излучении света при движении заряженной частицы в прозрачном веществе, если скорость частиц превышает скорость света в данной среде. Факт сверхсветовой скорости частицы в данной среде, конечно, не противоречит теории относительности, поскольку скорость света в какой-либо среде всегда меньше, чем в вакууме. Скорость движения частицы в веществе может быть больше скорости света в этом веществе, оставаясь в то же время меньше скорости света в вакууме в полном соответствии с теорией относительности. Счетчики Черенкова применяются для исследовательских работ с очень быстрыми частицами, для исследований в космосе и т.д., поскольку с их помощью может быть определен ряд других важных характеристик частиц (их энергия, направление движения и др.).

1.4 Классификация источников радиоактивного излучения и

радиоактивных изотопов

Источники радиоактивного излучения делят на закрытые и открытые. Закрытые – должны быть герметичны. Открытые – любые негерметичные источники излучения, которые могут создавать радиоактивное загрязнение воздуха, аппаратуры, поверхностей столов, стен и т. п.
При работе с закрытыми источниками необходимые меры предосторожности сводятся к предохранению от внешнего облучения.
Закрытые источники излучения активностью выше 0,2 г-экв. радия должны быть помещены в защитные устройства с дистанционным управлением и устанавливаться в специально оборудованных помещениях.
При работе с закрытыми источниками меньшей активности следует применять экраны, соответствующие по толщине и материалу роду и энергии излучения радиоактивного источника, а также дистанционные инструменты, применение которых должно снижать дозу до предельно допустимой. Лаборатории при работе с закрытыми источниками могут быть обычными.
При работе с открытыми источниками необходимо учитывать: относительную радиотоксичность изотопа, которая зависит от его периода полураспада, вида и энергии излучения; активность на рабочем месте; физическое состояние вещества; особенность работы.
Для каждого радиоактивного изотопа установлена предельно допустимая концентрация (ПДК) в воздухе рабочих помещений.
По убывающей степени радиотоксичности радиоактивные изотопы делятся на четыре группы предельно допустимых концентраций:
Группа А – изотопы особо высокой радиотоксичности (ПДК не более
1 10 -13 кюри/л): 90 Sr, 226 Ra, 239 Pu и др.
Группа Б – изотопы высокой радиотоксичности (ПДК от 1 10 -13 до 1 10 -11 кюри/л): 22 Na, 45 Са, 60 Co, 89 Sr, 110 Ag, 131 I, 137 Cs, l41 Ce, 210 Pb, U (ест.) и др.
Группа В – изотопы средней радиотоксичности (ПДК от 1 10 -11 до 1 10 -9 кюри/л): 24 Na, 32 P, 35 S, 36 C1, 42 К, 56 Mn, 55, 59 Fe, 69 Zn, 76 As, 82 Br, 124, 125 Sb, 140 Ba и др.
Группа Г – изотопы наименьшей радиотоксичности (ПДК от 1 10 -9 кюри/л): 3 Н, 14 С и др.

2 Методики анализа, основанные на измерении радиоактивности

2.1 Использование естественной радиоактивности в анализе

Элементы, имеющие естественную радиоактивность, могут быть определены по этому свойству количественно. Это U, Th, Ra, Ac и др., всего более 20 элементов. Например, калий можно определить по его радиоактивности в растворе при концентрации 0,05 М. Определение различных элементов по их радиоактивности обычно проводят с помощью градуировочного графика, показывающего зависимость активности от процентного содержания определяемого элемента или методом добавок.
Большое значение имеют радиометрические методы в поисковой работе геологов, например при разведке месторождений урана.

2.2 Активационный анализ

При облучении нейтронами, протонами и другими частицами высокой энергии многие нерадиоактивные элементы становятся радиоактивными. Активационный анализ основан на измерении этой радиоактивности. Вообще для облучения могут быть использованы любые частицы, наибольшее практическое значение имеет процесс облучения нейтронами. Применение для этой цели заряженных частиц связано с преодолением более значительных технических трудностей, чем в случае нейтронов. Основными источниками нейтронов для проведения активационного анализа являются атомный реактор и так называемые портативные источники (радиево-бериллиевый и др.). В последнем случае?-частицы, получившиеся при распаде какого-либо?-активного элемента (Ra, Rn, и т. д.), взаимодействуют с ядрами бериллия, выделяя нейтроны:
9 Be + 4 He > 12 C + n

Нейтроны вступают в ядерную реакцию с компонентами анализируемой пробы, например:
55 Mn + n = 56 Mn или Mn (n,?) 56 Mn
Радиоактивный 56 Mn распадается с периодом полураспада 2,6 ч:

56 Mn > 56 Fe +

Для получения информации о составе образца некоторое время измеряют его радиоактивность и анализируют полученную кривую (рисунок 2.1). При проведении такого анализа необходимо располагать надёжными данными о периодах полураспада различных изотопов, чтобы провести расшифровку суммарной кривой.

Рисунок 2.1 - Уменьшение радиоактивности во времени

Другим вариантом активационного анализа является метод?-спектроскопии, основанный на измерении спектра?-излучения образца. Энергия?-излучения является качественной, а скорость счёта – количественной характеристикой изотопа. Измерения производят с помощью многоканальных?-спектрометров со сцинтилляционными или полупроводниковыми счётчиками. Это значительно более быстрый и специфичный, хотя и несколько менее чувствительный метод анализа, чем радиохимический.
Важным достоинством активационного анализа является его низкий предел обнаружения. С его помощью может быть обнаружено при благоприятных условиях до 10 -13 – 10 -15 г вещества. В некоторых специальных случаях удавалось достигнуть ещё более низких пределов обнаружения. Например, с его помощью контролируют чистоту кремния и германия в промышленности полупроводников, обнаруживая содержание примесей до 10 -8 – 10 -9 %. Такие содержания никаким другим методом, кроме активационного анализа определить невозможно. При получении тяжёлых элементов периодической системы, таких, как менделевий и курчатовий, исследователям удавалось считать почти каждый атом полученного элемента.
Основным недостатком активационного анализа является громоздкость источника нейтронов, а также нередко длительность самого процесса получения результатов.

2.3 Метод изотопного разбавления

Метод изотопного разбавления целесообразно применять для количественного определения близких по свойствам компонентов трудно разделяемых смесей В этом методе необходимо выделять не всё определяемое вещество, а лишь часть его в возможно более чистом состоянии. Метод изотопного разбавления открывает новые возможности в анализе сложных смесей и элементов, близких по своим химико-аналитическим свойствам. Например, при анализе смесей цирконий – гафний или ниобий – тантал можно получить чистый осадок одного из компонентов, но осаждение не будет полным. Если добиться полного осаждения, то полученный осадок будет загрязнен элементом-аналогом. В методе изотопного разбавления проводят неполное осаждение и, используя измерения активности, находят содержание анализируемого элемента с достаточной точностью. Аналогичный приём используется также при анализе различных смесей органических веществ.

2.4 Радиометрическое титрование

При радиометрическом титровании индикатором являются радиоактивные изотопы элементов. Например, при титровании фосфата магнием в анализируемый раствор вводят небольшое количество фосфата, содержащего радиоактивный P*.

Изменение активности в ходе этого титрования можно видеть на рисунке 2.2, а. Здесь же показано графическое определение точки эквивалентности. До точки эквивалентности активность раствора будет резко убывать, так как радиоактивный из раствора будет переходить в осадок. После точки эквивалентности активность раствора будет оставаться практически постоянной и очень небольшой.
Как видно из рисунка 2.2, б, добавление гидрофосфата к раствору до точки эквивалентности практически не будет вызывать увеличения активности раствора, так как радиоактивный изотоп будет переходить в осадок. После точки эквивалентности активность раствора начинает возрастать пропорционально концентрации гидрофосфата.

А) - изменение активности раствора фосфата, содержащего при титровании раствором; б) - изменение активности раствора при титровании фосфатом, содержащим.
Рисунок 2.2 - Типы кривых радиометрического титрования

Реакции радиометрического титрования должны удовлетворять требованиям, обычно предъявляемым к реакциям титриметрического анализа (скорость и полнота протекания реакции, постоянство состава продукта реакции и т. д.). Очевидным условием применимости реакции в данном методе является также переход продукта реакции из анализируемого раствора в другую фазу, с тем, чтобы устранить помехи при определении активности раствора. Этой второй фазой часто является образующийся осадок. Известны методики, где продукт реакции экстрагируется органическим растворителем. Например, при титровании многих катионов дитизоном в качестве экстрагента применяют хлороформ или тетрахлорид углерода. Применение экстрагента позволяет более точно установить точку эквивалентности, так как в этом случае её определения можно измерять активность обеих фаз.

2.5 Эффект Мессбауэра

Эффект открыт в 1958 г. Р. П. Мессбауэром. Под этим названием часто объединяют явления испускания, поглощения и рассеяния?-квантов ядрами атомов без затраты энергии на отдачу ядер. Обычно исследуется поглощение?-излучения, поэтому эффект Мессбауэра часто называют также?-резонансной спектроскопией (ГРС).
При испускании?-квантов ядро атома возвращается в нормальное состояние. Однако энергия испускаемого излучения будет определяться не только разностью энергетических состояний ядра в возбужденном и нормальном состояниях. Вследствие закона сохранения импульса ядро испытывает так называемую отдачу. Это приводит к тому, что в случае газообразного атома энергия испускаемого излучения будет меньше, чем в случае, когда излучатель будет находиться в твердом теле. В последнем случае потери энергии на отдачу уменьшаются до пренебрежимо малого значения. Таким образом, ?-кванты излучения, испускаемого без отдачи, могут поглощаться невозбужденными атомами того же элемента. Однако различие в химическом окружении ядра-излучателя и ядра-поглотителя вызывает некоторую разницу в энергетических состояниях ядер, достаточную, чтобы резонансное поглощение?-квантов не происходило. Разницу в энергетических состояниях ядер количественно компенсируют с помощью эффекта Допплера, в соответствии с которым частота излучения (в данном случае энергия?-квантов) зависит от скорости движения. При некоторой скорости движения излучателя (или поглотителя, так как значение имеет лишь их относительная скорость перемещения) наступает резонансное поглощение. Зависимость интенсивности поглощения?-квантов от скорости движения называют спектром Мессбауэра. Типичный мессбауэровский спектр представлен на рисунке 2.3, где в качестве меры интенсивности поглощения отложена обратно пропорциональная ей скорость счета.

Рисунок 2.3 - Мессбауэровский спектр поглощения

Скорость перемещения образца или излучателя обычно не превышает нескольких сантиметров в секунду. Спектр Мессбауэра являетсся очень важной характеристикой вещества. Он позволяет судить о природе химической связи в исследуемых соединениях, их электронной структуре и других особенностях и свойствах.

3 Применение радиоактивности

3.1 Применение радиоактивных индикаторов в аналитической химии

Использование радионуклидов в аналитической химии очень разнообразно. Широкое практическое применение имеет метод количественного анализа, основанный на том, что в различных химических процессах удельная радиоактивность

Где - радиоактивность образца, выраженная в беккерелях, а - масса образца определяемого вещества, в котором равномерно распределен радионуклид, остается постоянной как для всего образца, так и для любой его части.
Рассмотрим опыт по определению давления паров такого крайне труднолетучего и тугоплавкого металла, как вольфрам. В качестве метки можно использовать искусственно получаемый?-радиоактивный вольфрам-185. Приготовим металлический вольфрам, содержащий эту метку, и определим его удельную активность. Далее соберем пары металла, испарившиеся с поверхности вольфрама при выбранной температуре и содержавшиеся в определенном объеме пара. В тех же условиях, в которых определяли, найдем активность этих паров. Очевидно, что масса паров

Далее, зная объем паров, можно найти их плотность при температуре опыта, а затем, используя сведения о составе пара, и их давление.
Аналогичным образом с помощью радиоактивной метки можно найти концентрацию какого-либо вещества в растворе и определить, например, его концентрацию в насыщенном растворе. Сходным образом можно найти массу вещества, как оставшуюся после экстракции в водной среде, так и перешедшую в органическую фазу. Далее удается рассчитать коэффициенты распределения между фазами экстрагируемого вещества (здесь применение радиоактивных индикаторов важно тогда, когда коэффициенты распределения очень высоки и других аналитических методов определения сверхнизких количеств экстрагируемого вещества, оставшегося в водной фазе, нет).
Оригинально использование радиоактивных индикаторов в методе изотопного разбавления. Пусть нужно определить содержание какой-либо аминокислоты в смеси сходных по свойствам аминокислот, причем химическими методами выполнить полное (количественное) разделение аминокислот нельзя, но есть способ, позволяющий выделить из смеси в чистом виде небольшую долю этой аминокислоты (например, с помощью хроматографии). Сходная проблема возникает при определении содержания какого-либо лантаноида в смеси лантаноидов и при определении того, в каких именно химических формах содержится тот или иной элемент в природе, например в речной или морской воде.
Воспользуемся для определения общего содержания иода в морской воде порцией иодид-ионов массой и активностью. Введем эти меченые иодид-ионы в анализируемую пробу и нагреем ее для того, чтобы радиоактивная метка равномерно распределилась по всем содержащим иод химическим формам, находящимся в морской воде (такими формами в данном случае служат иодид-, иодат-, и периодат-ионы). Далее с помощью нитрата серебра выделим небольшую часть иодид-ионов в виде осадка AgI и определим его массу и радиоактивность. Если общее содержание иода в пробе равно, то оказывается, что

Используя несколько отличающуюся методику, можно найти содержание иода в морской воде в форме иодид-ионов. Для этого после введения радиоактивной метки в пробу следует создать такие условия, при которых изотопный обмен (обмен атомами иода) между иодид-ионами и другими содержащими иод формами (иодат- и периодат-ионами) не протекает (для этого надо использовать холодный раствор с нейтральной средой). Выделив далее из морской воды небольшую порцию иодид-ионов с помощью осадителя - нитрата серебра в виде AgI (масса порции) и измерив ее радиоактивность, по формуле (3.5) можно найти содержание иодид-ионов в образце.

На использовании радиоактивных атомов основан и такой универсальный чрезвычайно чувствительный метод аналитической химии, как активационный анализ. При выполнении активационного анализа необходимо с помощью подходящей ядерной реакции активировать атомы определяемого элемента в пробе, то есть сделать их радиоактивными. Чаще всего активационный анализ выполняют с использованием нейтронного источника. Если, например, необходимо найти содержание в твердой породе редкоземельного элемента диспрозия Dy, то поступают следующим образом.
Сначала готовят серию образцов, содержащих известные различные количества Dy (взятого, например, в форме DyF 3 или Dy 2 O 3 - атомы кислорода и фтора нейтронами не активируются). Эти образцы в одинаковых условиях облучают одним и тем же нейтронным потоком. Необходимый для этих экспериментов источник нейтронов представляет собой небольшую (размером с авторучку) ампулу, в которой находится материал, испускающий нейтроны (например, смесь америция-241 и бериллия). Безопасно хранить такой источник нейтронов можно, поместив его в отверстие, сделанное в центре парафинового блока размером с ведро для воды.
Для облучения образцы с известным содержанием диспрозия размещают в лунки, имеющиеся в парафиновом блоке и расположенные на одинаковом расстоянии от источника (рисунок 3.1).

1 – парафиновый блок, 2 – ампульный источник нейтронов,
3 – облучаемые образцы.
Рисунок 3.1 – Схема проведения нейтронного активационного анализа

В такие же лунки размещают и пробы анализируемой породы. Под воздействием нейтронов в образцах протекает ядерная реакция 164 Dy(n, g) 165 Dy. Через определенное время (например, через 6 ч) все образцы вынимают из лунок и их активности измеряют в одинаковых условиях. По данным измерений активности препаратов строят калибровочный график в координатах "содержание диспрозия в пробе - активность препарата", и по нему находят содержание диспрозия в анализируемом материале (рисунок 3.2).

Рисунок 3.2 – График зависимости регистрируемой активности/активированных нейтронами образцов от массы m диспрозия в образцах. В анализируемом образце около 3мкг диспрозия

Метод активационного анализа хорош не только высокой чувствительностью. Так как излучение образующихся при активации радионуклидов различается по виду и энергии, при использовании спектрометрической радиометрической аппаратуры оказывается возможным определять в пробе после ее активации одновременно до 10-15 элементов.
И еще одно важное достоинство активационного анализа: часто образующиеся в результате активации нейтронами радионуклиды довольно быстро распадаются, так что спустя некоторое время анализируемый объект оказывается нерадиоактивным. Таким образом, во многих случаях активационный анализ - это анализ, не связанный с разрушением анализируемого объекта. Это особенно важно, когда речь идет об определении состава археологических находок, метеоритов и других уникальных образцов.

3.2 Применение радиоактивных изотопов

Одним из наиболее выдающихся исследований, проведенных с помощью «меченых атомов», явилось исследование обмена веществ в организмах. Было доказано, что за сравнительно небольшое время организм подвергается почти полному обновлению. Слагающие его атомы заменяются новыми. Лишь железо, как показали опыты по изотопному исследованию крови, является исключением из этого правила. Железо входит в состав гемоглобина красных кровяных шариков. При введении в пищу радиоактивных атомов железа было установлено, что свободный кислород, выделяемый при фотосинтезе, первоначально входил в состав воды, а не углекислого газа. Радиоактивные изотопы применяются в медицине как для постановки диагноза, так и для терапевтических целей. Радиоактивный натрий, вводимый в небольших количествах в кровь, используется для исследования кровообращения, йод интенсивно отлагается в щитовидной железе, особенно при базедовой болезни. Наблюдая с помощью счетчика за отложением радиоактивного йода, можно быстро поставить диагноз. Большие дозы радиоактивного йода вызывают частичное разрушение аномально развивающихся тканей, и поэтому радиоактивный йод используют для лечения базедовой болезни. Интенсивное?-излучение кобальта используется при лечении раковых заболеваний (кобальтовая пушка).
Не менее обширны применения радиоактивных изотопов в промышленности. Одним из примеров этого может служить следующий способ контроля износа поршневых колец в двигателях внутреннего сгорания. Облучая поршневое кольцо нейтронами, вызывают в нем ядерные реакции и делают его радиоактивным. При работе двигателя частички материала кольца попадают в смазочное масло. Исследуя уровень радиоактивности масла после определенного времени работы двигателя, определяют износ кольца. Радиоактивные изотопы позволяют судить о диффузии металлов, процессах в доменных печах и т. д.
Мощное?-излучение радиоактивных препаратов используют для исследования внутренней структуры металлических отливок с целью обнаружения в них
дефектов.
Все более широкое применение получают радиоактивные изотопы в сельском хозяйстве. Облучение семян растений (хлопчатника, капусты, редиса и др.) небольшими дозами?-лучей от радиоактивных препаратов приводит к заметному увеличению урожайности. Большие дозы радиации вызывают мутации у растений и микроорганизмов, что в отдельных слу
и т.д.................

Медицина. Радий и другие естественные радиоизотопы широко применяются для диагностики и лучевой терапии раковых заболеваний. Использование для этой цели искусственных радиоизотопов значительно повысило эффективность лечения. Например, радиоактивный иод, введенный в организм в виде раствора иодида натрия, селективно накапливается в щитовидной железе и поэтому применяется в в клинической практике для определения нарушений функции щитовидной железы и при лечении базедовой болезни. С помощью меченого по натрию физиологического раствора измеряется скорость кровообращения и определяется проходимость кровеносных сосудов конечностей. Радиоактивный фосфор применяется для измерения объема крови и лечения эритремии.

Научные исследования. Радиоактивные метки, в микроколичествах введенные в физические или химические системы, позволяют следить за всеми происходящими в них изменениями. Например, выращивая растения в атмосфере радиоактивного диоксида углерода, химики смогли понять тонкие детали процесса образования в растениях сложных углеводов из диоксида углерода и воды. В результате непрерывной бомбардировки земной атмосферы космическими лучами с высокой энергией находящийся в ней азот-14, захватывая нейтроны и испуская протоны, превращается в радиоактивный углерод-14. Полагая, что интенсивность бомбардировки и, следовательно, равновесное количество углерода-14 в последние тысячелетия оставались неизменными и учитывая период полураспада C-14 по его остаточной активности, можно определять возраст найденных остатков животных и растений (радиоуглеродный метод). Этим методом удалось с большой достоверностью датировать обнаруженные стоянки доисторического человека, существовавшие более 25 000 лет тому назад.

Ка́мера Ви́льсона (она же туманная камера ) - один из первых в истории приборов для регистрации следов (треков) заряженных частиц.

Изобретена шотландским физиком Чарлзом Вильсономмежду1910и1912гг. Принцип действия камеры использует явлениеконденсацииперенасыщенного пара: при появлении в среде перенасыщенного пара каких-либо центров конденсации (в частности, ионов, сопровождающих след быстрой заряженной частицы) на них образуются мелкие капли жидкости. Эти капли достигают значительных размеров и могут быть сфотографированы. Источник исследуемых частиц может располагаться либо внутри камеры, либо вне ее (в этом случае частицы залетают через прозрачное для них окно).

В 1927 г. советские физики П. Л. КапицаиД. В. Скобельцынпредложили помещать камеру в сильноемагнитное поле, искривляющеетреки, для исследования количественных характеристик частиц (например, массы и скорости) .

Камера Вильсона представляет собой ёмкость со стеклянной крышкой и поршнем в нижней части, заполненная насыщенными парами воды, спирта или эфира. Пары тщательно очищены от пыли, чтобы до пролёта частиц у молекул воды не было центров конденсации. Когда поршень опускается, то за счет адиабатического расширенияпары охлаждаются и становятся перенасыщенными. Заряженная частица, проходя сквозь камеру, оставляет на своем пути цепочку ионов. Пар конденсируется наионах, делая видимым след частицы.

Камера Вильсона сыграла огромную роль в изучении строения вещества. На протяжении нескольких десятилетий она оставалась практически единственным инструментом для визуального исследования ядерных излучений и исследования космических лучей:

В 1930 году Л. В. МысовскийсР. А. Эйхельбергеромпроводили опыты срубидиеми в камере Вильсона было зарегистрировано испусканиеβ-частиц. Позже была открыта естественная радиоактивность изотопа 87 Rb.

В 1934 году Л. В. МысовскийсМ. С. Эйгенсономпроводили эксперименты, в которых при помощи камеры Вильсона было доказано присутствиенейтроновв составекосмических лучей.

В 1927 годуВильсонполучил за свое изобретениеНобелевскую премию по физике. Впоследствии камера Вильсона в качестве основного средства исследования радиации уступила местопузырьковымиискровым камерам.

Радиация, радиоактивность и радиоизлучение - понятия, которые даже звучат достаточно опасно. В этой статье вы узнаете, почему некоторые вещества радиоактивные, и что это значит. Почему все так боятся радиации и насколько она опасна? Где мы можем встретить радиоактивные вещества и чем нам это грозит?

Понятие радиоактивности

Радиоактивностью называю «умение» атомов некоторых изотопов расщепляться и создавать этим излучения. Термин «радиоактивность» появился не сразу. Изначально такое излучение называли лучами Беккереля, в честь ученого, открывшего его в работе с изотопом урана. Уже теперь мы называем этот процесс термином «радиоактивное излучение».

В этом достаточно сложном процессе изначальный атом превращается в атом совсем другого химического элемента. За счет выбрасывания альфа- или бета-частиц, массовое число атома изменяется и, соответственно, это перемещает его по таблице Д. И. Менделеева. Стоит заметить, что массовое число изменяется, но сама масса остается практически такой же.

Опираясь на данную информацию, можем немного перефразировать определение понятия. Итак, радиоактивность - это также способность неустойчивых ядер атомов самостоятельно превращаться в другие, более стабильные и устойчивые ядра.

Вещества - что это такое?

Перед тем как говорить о том, что такое вещества радиоактивные, давайте вообще определим, что называется веществом. Итак, в первую очередь, это разновидность материи. Логичным есть и тот факт, что эта материя состоит из частиц, и в нашем случае это чаще всего электроны, протоны и нейтроны. Здесь уже можно говорить об атомах, которые состоят из протонов и нейтронов. Ну а из атомов получаются молекулы, ионы, кристаллы и так далее.

Понятие химического вещества основывается на этих же принципах. Если в материи невозможно выделить ядро, то ее нельзя причислить к химическим веществам.

О радиоактивных веществах

Как уже говорилось выше, чтобы проявлять радиоактивность, атом должен самопроизвольно распадаться и превращаться в атом совсем другого химического элемента. Если все атомы вещества нестабильны до такой степени, чтобы распасться таким образом, значит перед вами радиоактивное вещество. Более техническим языком определение прозвучало бы так: вещества радиоактивные, если они содержат радионуклиды, причем в высокой концентрации.

Где в таблице Д. И. Менделеева находятся радиоактивные вещества?

Довольно простой и легкий способ узнать, относиться ли вещество к радиоактивным, это посмотреть в таблицу Д. И. Менделеева. Все, что находится после элемента свинец - это радиоактивные элементы, а также еще прометий и технеций. Важно помнить, какие вещества радиоактивные, ведь это может спасти вам жизнь.

Существует также ряд элементов, которые имеют хотя бы один радиоактивный изотоп в своих природных смесях. Вот их неполный список, где указаны одни из самых распространенных элементов:

Калий.
Кальций.
Ванадий.
Германий.
Селен.
Рубидий.
Цирконий.
Молибден.
Кадмий.
Индий.

К радиоактивным веществам относятся те, которые содержат любые радиоактивные изотопы.

Виды радиоактивного излучения

Радиоактивное излучение бывает нескольких типов, о которых сейчас и пойдет речь. Уже упоминалось альфа- и бета-излучение, но это не весь список.

Альфа-излучение - это самое слабое излучение, которое представляет опасность в том случае, если частицы попадают непосредственно в тело человека. Такое излучение реализуется тяжелыми частицами, и именно поэтому легко останавливается даже листом бумаги. По этой же причини альфа-лучи не пролетают больше 5 см.

Бета-излучение более сильное, чем предыдущее. Это излучение электронами, которые намного легче альфа-частиц, поэтому могут проникать на несколько сантиметров в кожу человека.

Гамма-излучение реализуется фотонами, которые достаточно легко проникают еще дальше к внутренним органам человека.

Самое мощное по проникновению излучение - это нейтронное. От него спрятаться достаточно сложно, но в природе его, по сути, и не существует, разве что в непосредственной близости к ядерным реакторам.

Воздействие радиации на человека

Радиоактивно опасные вещества часто могут быть смертельными для человека. К тому же радиационное облучение имеет необратимый эффект. Если вы подверглись облучению, значит, вы обречены. В зависимости от масштабов повреждения, человек погибает в течение нескольких часов или на протяжении многих месяцев.

Вместе с этим нужно сказать, что люди непрерывно подвергаются радиоактивному излучению. Слава Богу, оно достаточно слабое, чтобы иметь летальный исход. Например, посмотрев футбольный матч по телевиденью, вы получаете 1 микрорад радиации. До 0,2 рад в год - это вообще естественный радиационный фон нашей планеты. 3 дар - ваша порция радиации при рентгене зубов. Ну а облучение свыше 100 рад уже является потенциально опасным.

Вредные радиоактивные вещества, примеры и предостережения

Самое опасное радиоактивное вещество - это Полоний-210. Из-за излучения вокруг него даже видно своеобразную светящуюся «ауру» голубого цвета. Стоит сказать о том, что существует стереотип, будто все радиоактивные вещества светятся. Это совсем не так, хотя и встречаются такие варианты, как Полоний-210. Большинство радиоактивных веществ внешне совсем не подозрительные.

Самым радиоактивным металлом на данный момент считают ливерморий. Его изотопу Ливерморию-293 достаточно 61 миллисекунды, чтобы распасться. Это выяснили еще в 2000 году. Немного уступает ему унунпентий. Время распада Унунпентия-289 составляет 87 миллисекунды.

Также интересный факт состоит в том, что одно и то же вещество может быть как безвредным (если его изотоп стабильный), так и радиоактивным (если ядра его изотопа вот-вот разрушатся).

Ученные, которые изучали радиоактивность

Вещества радиоактивные долгое время не считались опасными, и потому из свободно изучали. К сожалению, печальные смерти научили нас тому, что с такими веществами нужна осторожность и повышенный уровень безопасности.

Одним их первых, как уже упоминалось, был Антуан Беккерель. Это великий французский физик, которому и принадлежит слава первооткрывателя радиоактивности. За свои заслуги он удостоился членства в Лондонском королевском обществе. Из-за своего вклада и эту сферу он скончался достаточно молодым, в возрасте 55 лет. Но его труд помнят по сей день. В его честь были названа сама единица радиоактивности, а также кратеры на Луне и Марсе.

Не менее великим человеком была Мария Склодовская-Кюри, которая работала с радиоактивными веществами вместе со своим мужем Пьером Кюри. Мария также была француженкой, хоть и с польскими корнями. Кроме физики она занималась преподаванием и даже активной общественной деятельностью. Мария Кюри - первая женщина лауреат Нобелевской премии сразу в двух дисциплинах: физика и химия. Открытие таких радиоактивных элементов, как Радий и Полоний, - это заслуга Марии и Пьера Кюри.

Заключение

Как мы видим, радиоактивность - достаточно сложный процесс, который не всегда остается подконтрольным человеку. Это один из тех случаев, когда люди могут оказаться абсолютно бессильными перед лицом опасности. Именно поэтому важно помнить, что действительно опасные вещи могут быть внешне очень обманчивыми.

Узнать вещество радиоактивное или нет, чаще всего можно уже попав под его воздействие. Поэтому будьте осторожны и внимательны. Радиоактивные реакции во многом нам помогают, но также не стоит забывать, что это практически не подконтрольная нам сила.

К тому же стоит помнить вклад великих ученных в изучение радиоактивности. Они передали нам невероятно много полезных знаний, которые теперь спасают жизни, обеспечивают целые страны энергией и помогаю лечить страшные заболевания. Радиоактивные химические вещества - это опасность и благословение для человечества.

Радиоактивные излучения широко используют в диагностике и в терапии заболеваний.

Радионуклидная диагностика или, как его называют, метод меченых атомов используется для определения заболеваний щитовидной железы (с использованием изотопа 131 I). Этот метод также позволяет изучать распределения крови и других биологических жидкостей, диагностировать заболевания сердца и ряда других органов.

Гамма-терапия – это метод лечения онкологических заболеваний с помощью g-излучения. Для этого применяют чаще всего специальные установки, называемые кобальтовыми пушками, в которых в качестве излучающего изотопа используют 66 Со. Применение гамма-излучения высокой энергии позволяет разрушать глубоко расположенные опухоли, при этом поверхностно расположенные органы и ткани подвергаются меньшему губительному действию.

Применятся также радоновая терапия: минеральные воды, содержащие и его продукты, используются для воздействия на кожу (радоновые ванны), органы пищеварения (питье), органы дыхания (ингаляция).

Для лечения онкологических заболеваний применяются a-частицы в комбинации с потоками нейтронов. В опухоль вводят элементы, ядра которых под воздействием потока нейтронов вызывают ядерную реакцию с образованием a-излучения:

Таким образом, a-частицы и ядра отдачи образуются в том месте органа, которое необходимо подвергать воздействию.

В современной медицине в диагностических целях используют жесткое тормозное рентгеновское излучение, полученное на ускорителях и имеющее высокую энергию квантов (до нескольких десятков МэВ).

Дозиметрические приборы

Дозиметрическими приборами, или дозиметрами, называют устройства для измерения доз ионизирующих излучений или величин связанных с дозами.

Конструктивно дозиметры из детектора ядерных излучений и измерительного устройства. Обычно они проградуированы в единицах дозы или мощности дозы. В некоторых случаях предусмотрена сигнализация о превышении заданного значения мощности дозы.

В зависимости от используемого детектора различают дозиметры ионизационные, люминесцентные, полупроводниковые, фотодозиметры и др.

Дозиметры могут быть рассчитаны на измерение доз какого-либо определенного вида излучения или регистрацию смешанного излучения.

Дозиметры для измерения экспозиционной дозы рентгеновского и g-излучения или ее мощности называют рентгенометрами.

В качестве детектора у них обычно применяется ионизационная камера. Заряд, протекающий в цепи камеры, пропорционален экспозиционной дозе, а сила тока - ее мощности.

Состав газа в ионизационных камерах, а также вещество стенок, из которых они состоят, подбирают таким, чтобы осуществлялись тождественные условия с поглощением энергии в биологических тканях.

Каждый индивидуальный дозиметр представляет собой миниатюрную цилиндрическую камеру, которая предварительно заряжается. В результате ионизации происходит разрядка камеры, что фиксируется вмонтированным в нее электрометром. Показания его зависят от экспозиционной дозы ионизирующего излучения.

Существуют дозиметры, детекторами которых являются газовые счетчики.

Для измерения активности или концентрации радиоактивных изотопов применяют приборы, называемые радиометрами .

Общая структурная схема всех дозиметров аналогична той, что изображена на рис.5. Роль датчика (измерительного преобразователя) выполняет детектор ядерных излучений. В качестве выходных устройств могут использоваться стрелочные приборы, самописцы, электромеханические счетчики, звуковые и световые сигнализаторы.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что называется радиоактивностью? Назовите виды радиоактивности и типы радиоактивного распада.

2. Что называется a-распадом? Какие существуют виды b-распада? Что называется g-излучением?

3. Запишите основной закон радиоактивного распада. Поясните все величины, входящие в формулу.

4. Что называется постоянной распада? периодом полураспада? Напишите формулу, связывающую эти величины. Поясните все величины, входящие в формулу.

5. Какое действие оказывают ионизирующие излучения на биологическую ткань?

7. Приведите определения и формулы поглощенной, экспозиционной и эквивалентной (биологической) доз радиоактивного излучения, их единицы измерения. Поясните формулы.

8. Что такое коэффициент качества? От чего зависит коэффициент качества ? Приведите его значения для разных излучений.

9. Какие существуют способы защиты от ионизирующего излучения?

Радиоактивность - неустойчивость ядер некоторых атомов, проявляющаяся в их способности к самопроизвольным превращениям (распаду), сопровождающимся испусканием ионизирующего излучения - радиацией.

Радиоактивный распад - изменение состава нестабильных атомных ядер. Ядра спонтанно распадаются на ядерные фрагменты и элементарные частицы (продукты распада). Распад порождает гамма-излучение. Это фактор поражения, обладающий продолжительным действием, действующий на огромной площади, зоне радиоактивного распада.

Характеристика зон заражения:

Зона умеренного заражения (зона А) - э кспозиционная доза излучения за время полного распада (Д) колеблется от 40 до 400 Р. Зона сильного заражения (зона Б) - э кспозиционная доза излучения за время полного распада (Д) колеблется от 400 до 1200 Р. Зона опасного заражения (зона В)- экспозиционная доза излучения за время полного распада (Д) составляет 1200 Р. Зона чрезвычайно опасного заражения (зона Г)- э кспозиционная доза излучения за время полного распада (Д) составляет 4000 Р.

Основные единицы измерения радиоактивности.

Рентген - внесистемная единица измерения дозы излучения (экспозиционной). 1 Р приблизительно равен 0,0098 Зв. Один рентген соответствует дозе рентгеновского или гамма-излучения, при которой в 1 см 3 воздуха образуется 2 . 10 9 пар ионов. 1 Р = 2, 58 . 10 -4 Кл/кг.

Грей - системная единица измерения дозы излучения (поглощенной). 1 грей поглощает 1 килограмм вещества при получении 1 джоуля энергии: Гр = Дж / кг = м² / с² .

Рад - внесистемная единица измерения дозы излучения (поглощенной). 1 рад - доза при которой вещество в 1 грамм получает 100 эрг энергии. 1 Гр = 100 рад

Бэр - внесистемная единица измерения дозы излучения (эквивалентной и эффективной), биологический эквивалент рентгена. 1 бэр - это такое облучение организма, при котором те же эффекты, что и при экспозиционной дозе 1 рентген.

Зиверт - системная единица измерения дозы излучения (эквивалентной и эффективной). 1 зиверт - энергия, полученная 1 килограммом биологической ткани, равное по воздействию дозе излучения в 1 грей: Зв = Дж / кг = м² / с² . 1 Зв = 100 бэр. Основная единица измерения в дозиметрах.

Беккерель - системная единица измерения активности источника. Определяется как активность источника, при которой происходит один распад в секунду. Выражается Бк = с −1

Кюри - внесистемная единица измерения активности источника. Один кюри соответствует числу распадов в секунду в 1 грамме радия. 1 Ки = 3,7 . 10 10 Бк.

Применение радиоактивных источников в различных сферах деятельности человека .

Медицина: использование радиации для диагностики заболевания (рентгенологическая и радиоизотопная диагностика); использование радиации для лечения (радиоизотопная и радиационная терапия); радиационная стерилизация.

Радиоизотопная диагностика - использование радиоактивных изотопов и меченных ими соединений для распознавания заболеваний. Радиотерапия - это облучение опухоли потоком лучей, иногда применяется и в лечении доброкачественных опухолей, препятствует росту, размножению и распространению раковых клеток на здоровые ткани. Радиационной стерилизации подвергают материалы и препараты для медицинского применения, не выдерживающие термической или химической обработки или теряющие при этом свои лечебные свойства.

Химическая промышленность: модифицирование текстильных материалов для получения шерстоподобных свойств, получение х/б тканей с антимикробными свойствами, радиационное модифицирование хрусталя для получения хрустальных изделий различного цвета, радиационная вулканизация резинотканевых материалов, радиационное модифицирование полиэтиленовых труб для повышения термостойкости и стойкости к агрессивным средам, отвердение лакокрасочных покрытий на различных поверхностях.

Деревообрабатывающая промышленность: В результате облучения мягкое дерево приобретает значительно низкую способность сорбировать воду, высокую стабильность геометрических размеров и более высокую твёрдость (изготовление мозаичного паркета).

Городское хозяйство: радиационная очистка и обеззараживание сточных вод.

С/х : облучение с/х растений малой дозой в целях стимуляции их роста и развития; применение ионизирующих излучений для радиационного мутагенеза и селекции растений; использование метода лучевой стерилизации для борьбы с насекомыми-вредителями.

Ядерная энергетика (Атомная энергетика) - это отрасль энергетики, занимающаяся производством электрической и тепловой энергии путём преобразования ядерной энергии. Основу ядерной энергетики составляют атомные электростанции (АЭС). Обычно для получения ядерной энергии используют цепную ядерную реакцию деления ядер урана-235 или плутония. Ядерная энергия производится в атомных электрических станциях, используется на атомных ледоколах, атомных подводных лодках; кроме того, предпринимались попытки создать ядерный двигатель для самолётов (атомолётов) и «атомных» танков.