Что такое изотопы?
Изотопы — это разновидности любого химического элемента периодической системы Д.И. Менделеева, обладающие разным атомным весом. Различные изотопы любого химического элемента имеют одно и то же число протонов в ядре и такое же число электронов на оболочках атома, имеют одинаковый атомный номер и занимают определенные, свойственные данному химическому элементу, места в таблице Д.И. Менделеева. Различие в атомном весе у изотопов объясняется тем, что ядра их атомов содержат разное число нейтронов.
Изотопы радиоактивные — изотопы любого элемента периодической системы Д. И. Менделеева, атомы которых имеют неустойчивые ядра и переходят в устойчивое состояние путем радиоактивного распада сопровождающегося излучением.
У элементов с порядковым номером больше 82 все изотопы радиоактивны и распадаются путем альфа- или бета-распада. Это — так называемые естественные радиоактивные изотопы, встречающиеся обычно в природе. Атомы, образующиеся при распаде этих элементов, если у них порядковый номер выше 82, в свою очередь подвергаются радиоактивному распаду, продукты которого также могут быть радиоактивны. Получается как бы последовательная цепочка, или так называемое семейство радиоактивных изотопов. Известно три естественных радиоактивных семейства, называемых по первому элементу ряда семействами урана, тория и актиноурана (актиния). К семейству урана относятся радий и радон. Последний элемент каждого ряда превращается в результате распада в один из устойчивых изотопов свинца с порядковым номером 82. Кроме этих семейств, известны отдельные естественные радиоактивные изотопы элементов с порядковыми номерами меньше 82. Это калий-40 и некоторые другие. Из них важен калий-40, так как он содержится в любом живом организме.
Радиоактивные изотопы всех химических элементов можно получить искусственным путем.
Существует несколько способов их получения. Радиоактивные изотопы таких элементов, как стронций, йод, бром и другие, занимающих средние места в периодической системе, являются продуктами деления ядра урана. Из смеси таких продуктов, полученных в ядерном реакторе, их выделяют, пользуясь радиохимическими и другими методами. Радиоактивные изотопы почти всех элементов могут быть получены на ускорителе заряженных частиц путем бомбардировки определенных устойчивых атомов протонами или дейтронами. Распространен способ получения радиоактивных изотопов из устойчивых изотопов того же элемента путем облучения их нейтронами в ядерном реакторе. Способ основан на так называемой реакции радиационного захвата. Если вещество облучают нейтронами, последние, не имея заряда, могут беспрепятственно приблизиться к ядру атома и как бы «прилипнуть» к нему, образовав новое ядро того же элемента, но с одним лишним нейтроном. При этом выделяется определенное количество энергии в виде гамма-излучения, почему процесс и называется радиационным захватом. Ядра с избытком нейтронов неустойчивы, поэтому полученный изотоп радиоактивен. За редкими исключениями, таким путем можно получить радиоактивные изотопы любого элемента.
При распаде изотопа может образоваться изотоп, также радиоактивный. Например, стронций-90 превращается в иттрий-90, барий-140 — в лантан-140 и т. п.
Искусственным путем были получены не известные в природе трансурановые элементы с порядковым номером больше 92 (нептуний, плутоний, америций, кюрий и т. д.), все изотопы которых радиоактивны. Один из них дает начало еще одному радиоактивному семейству — семейству нептуния.
Остаточные эффекты после взаимодействия
При работе реакторов и ускорителей радиоактивные изотопы образуются в материалах и деталях этих установок и окружающего оборудования. Эта «наведенная активность», сохраняющаяся более или менее долгое время после прекращения работы установок, представляет нежелательный источник излучения. Наведенная активность возникает и в живом организме, подвергавшемся воздействию нейтронов, например при аварии или при атомном взрыве.
Активность радиоактивных изотопов измеряется в единицах кюри или производных от нее — милликюри и микрокюри.
По химическим и физико-химическим свойствам радиоактивные изотопы практически не отличаются от природных элементов; их примесь к какому-либо веществу не меняет его поведения в живом организме.
Можно такими мечеными атомами заменять устойчивые изотопы в различных химических соединениях. Свойства последних от этого не изменятся, и, если ввести их в организм, они будут вести себя как обычные, немеченные вещества. Однако благодаря излучению легко обнаруживать их присутствие в крови, тканях, клетках и т. п. Радиоактивные изотопы в этих веществах служат, таким образом, показателями, или индикаторами, распределения и судьбы введенных в организм веществ. Поэтому их называют «радиоактивными индикаторами». Синтезировано множество неорганических и органических соединений, меченных различными радиоактивными изотопами, для радиоизотопной диагностики и для различных экспериментальных исследований.
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 гамма-излучение радиоактивных препаратов используют для исследования внутренней структуры металлических отливок с целью обнаружения в них дефектов.
Радиоактивные изотопы, испускающие гамма-лучи могут применяться вместо громоздких рентгеновских установок для просвечивания изделий, так как свойства гамма-лучей сходны со свойствами рентгеновских лучей. По одну сторону проверяемого изделия помещают источник гамма-лучей, а по другую - фотопленку. Такой метод проверки называют гамма-дефектоскопией. Таким способом в настоящее время проверяется черное и цветное литье, готовые изделия (стальные изделия толщиной до 300мм) и качество сварных швов.
С помощью радиоактивных изотопов легко на ходу и без соприкосновения измерить толщину металлической ленты или прокатываемых листов металла и автоматически поддерживать толщину постоянной. Под движущейся лентой, выбегающей из-под вальцов машины, помещают источник бета-частиц. Изменение толщины ленты ведет, следовательно, к изменению тока в счетчике. Этот ток усиливается и направляется либо в измерительный прибор, либо в автомат, который мгновенно сблизит или, наоборот, раздвинет вальцы. Приборы подобного типа используются также в бумажной, резиновой и кожевенной промышленности.
Созданы радиоизотопные источники электрической энергии. Они используют тепло, выделяемое в образце, поглощающем излучение. С помощью термоэлементов это тепло превращается в электрический ток. Источник весом в несколько килограммов обеспечивает мощность в несколько десятков ватт в течение 10 лет бесперебойной работы. Такие источники используются для питания автоматических маяков и автоматических метеостанций, работающих в труднодоступных районах. Более мощные источники были установлены на советских луноходах, запущенных на Луну. Они надежно работали при температурах от -140 до +120.
Радиоактивные изотопы в медицине
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 гамма-излучение кобальта используется при лечении раковых заболеваний (кобальтовая пушка).
Ионизирующее излучение
Ионизирующее излучение представляет собой поток частиц, способных вызывать ионизацию вещества. При ионизации происходит отрыв электрона или нескольких электронов от атома, или молекулы, которые при этом превращаются в положительно заряженные ионы. Оторванные от атомов или молекул электроны могут присоединяться другими атомами, или молекулами, образуя отрицательно заряженные ионы.
Разряд заряженного электрометра, находящегося в воздухе, происходящий независимо от качества электрической изоляции прибора, заметил еще Шарль Кулон в 1785 г., но только в XX веке удалось объяснить обнаруженные им закономерности действием космических лучей, представляющих собой одну из составляющих естественного ионизирующего излучения.
Результат действия ионизирующего излучения называют облучением. Несмотря на многообразие явлений, которые возникают в веществе под действием ионизирующего излучения, оказалось, что облучение может быть охарактеризовано единой величиной, называемой дозой облучения.
Действие ионизирующего излучения в широком диапазоне доз скрыто от непосредственных ощущений человека и поэтому оно кажется ему одним из наиболее опасных факторов воздействия.
В быту и в некоторых отраслях науки, техники и медицины ионизирующее излучение принято называть просто радиацией. Строго говоря, это не совсем верно, т.к. сам по себе термин «радиация» охватывает все виды излучения, включая самые длинные радиоволны и потоки частиц любой сколь угодно малой энергии, а также волны деформации в веществе, например, звуковые волны. Тем не менее, употребление слова «радиация» применительно к ионизирующему излучению настолько вошло в привычку, что в науке прижились термины, сформированные на его основе, такие, как, например, радиология (наука о медицинских применениях ионизирующего излучения), радиационная защита (наука о методах снижения доз облучения до приемлемых уровней), естественный радиационный фон, и т.п.
Ионизирующее излучение (ИИ) — поток микрочастиц или электромагнитные поля, способные ионизировать вещество. В жизни, под ионизирующим излучением понимают проникающую радиацию — поток гамма-лучей и частиц (альфа, бета, нейтронов и др.).
Это, по сути, поток элементарных частиц, ионов и электромагнитных волн, не видимых и не ощущаемых человеком. Однако, их действие может быть коварно. При определенном уровне облучения нарушаются биохимические и физические процессы в живых организмах. Это воздействие может привести к лучевой болезни и даже к смерти. Различные виды ионизирующего излучения различают по их ионизирующей и проникающей способности.
Чаще всего ионизирующие излучения делят на:
- корпускулярное ионизирующее излучение
Корпускулярное ИИ состоит из частиц вещества – элементарных частиц и ионов, в т.ч. ядер атомов. Корпускулярное ИИ делят на:
- заряженные частицы, в том числе,
- легкие заряженные частицы (электроны и позитроны);
- тяжелые заряженные частицы (мюоны, пионы и другие мезоны, протоны, заряженные гипероны, дейтроны, альфа-частицы, и другие ионы);
- электрически нейтральные частицы (нейтрино, нейтральные пионы и другие мезоны, нейтроны, нейтральные гипероны).
2. электромагнитное (фотонное) ионизирующее излучение.
Что такое и от чего зависит проникающая способность излучения? Что такое и от чего зависит ионизирующая способность излучения?
Расстояние, на которое ионизирующее излучение может проникать в вещество, называется его проникающей способностью излучения. Оно зависит от энергии излучения и свойств вещества, через которое излучение проникает.
Ионизирующее излучение представляет собой поток частиц, способных вызывать ионизацию вещества. При ионизации происходит отрыв электрона или нескольких электронов от атома, или молекулы, которые при этом превращаются в положительно заряженные ионы. Оторванные от атомов или молекул электроны могут присоединяться другими атомами, или молекулами, образуя отрицательно заряженные ионы.
Альфа - излучение
Из-за относительно большого размера и электрического заряда, альфа-частицы вступают во взаимодействие со всеми встреченными на пути атомами и, теряя энергию, легко тормозятся при контакте с веществом. В воздухе их пробег равен нескольким сантиметрам. Толстый лист бумаги остановит частицу полностью. В живой человеческой ткани пробег частицы - меньше чем 0,7 мм. Альфа-излучение, воздействующее на незащищенную часть тела, не может проникнуть даже через наружный слой кожи, образованный отмершими клетками, и не причиняет вреда организму. Поэтому альфа-излучение опасно только тогда, когда альфа-частицы попадают внутрь организма (с воздухом, питьевой водой и пищевыми продуктами) и напрямую воздействуют на клетки органов, вызывая их повреждения.
Альфа-излучение (поток ядер гелия, возникающий в результате альфа распада ядер элементов) обладает высокой ионизирующей, но слабой проникающей способностью: пробег альфа-частиц в сухом воздухе при нормальных условиях не превышает 20 см, а в биологической ткани – 260 мкм. То есть слой воздуха 9-10 см, верхняя одежда, резиновые перчатки, марлевые повязки, даже бумага полностью защищают организм от внешних потоков альфа-частиц.
Бета - излучение
Проникающая способность бета-частицы значительно больше чем альфа-частицы, потому что электрический заряд бета-частицы - вдвое меньше заряда альфа-частицы. Кроме того, масса бета-частицы - приблизительно в 7000 раз меньше массы альфа-частицы. Из-за ее маленькой массы и маленького заряда ионизация, вызванная бета-частицей меньше, и, как следствие, энергия бета-частицы расходуется на более значительном расстоянии. Проникающая способность бета-частицы в воздухе изменяется от 0,1 до 20 метров в зависимости от начальной энергии частицы. В большинстве случаев защитные очки и средства индивидуальной защиты (СИЗ - костюм, ботинки, перчатки, головной убор) обеспечивают достаточную защиту от внешнего облучения организма бета-частицами. Большой риск облучения бета-частицами связан с попаданием их вовнутрь организма при приеме пищи в следствии нарушения гигиенических правил.
Бета-излучение (поток электронов или позитронов, возникающий в результате бета-распада ядер) имеет меньшую ионизирующую способность, чем альфа-излучение, но большую проникающую способность. Поскольку максимальные энергии бета-частиц не превышают 3 МэВ, то от них гарантированно защитит оргстекло толщиной 1,2 см, либо слой алюминия в 5,2 мм. А вот на ускорителе с максимальной энергией электронов 7 МэВ от электронов защитит слой алюминия в 1,5 см, либо слой бетона шириной в 2 см.
Гамма-излучение
Защититься от воздействие гамма-излучения сложнее, чем от воздействия альфа- и бета- частиц. Проникающая способность его очень высока, и гамма-излучение способно насквозь пронизывать живую человеческую ткань. Нельзя однозначно заявлять, что некоторая толщина некоторого вещества полностью остановит действие гамма-излучения. Часть излучения будет остановлена, а часть его - нет. Однако, чем более толстый слой защиты и чем больше удельный вес и атомный номер вещества, которое используется в качестве защиты, тем более она эффективна. Толщина материала, требуемого, чтобы уменьшить излучение в два раза - называется слой половиного ослабления. Толщина его, естественно, изменяется в зависимости от применяемого материала защиты и энергии излучения. Уменьшить мощность гамма-излучения на 50 % может 1 см свинца, 5 см бетона, или 10 см воды. Этот пример применим к излучению от кобальта-60, который является преобладающим источником гамма-излучения на атомных электростанциях.
Гамма-излучение - сопутствующее ядерным превращениям электромагнитное излучение. Сегодня к гамма-излучению относят также жесткое рентгеновское излучение. Обладает очень высокой проникающей способностью. Оградить себя от гамма-излучения практически невозможно, однако можно ослабить его до приемлемого уровня. Защитные средства, обладающие экранирующим действием от такого рода радиации, выполняются из свинца, чугуна, стали, вольфрама и других металлов с высоким порядковым номером. Гамма-лучи обладают большой проникающей способностью и малым ионизирующим действием.
Еще много полезного и интересного вы сможете найти на наших ресурсах:
Physics.Math.Code в контакте (VK)
Репетитор IT mentor в Instagram
Репетитор IT mentor в Яндекс.Дзен
