Поражающая способность альфа бета и гамма излучения. Виды радиационного излучения

Невидимые лучи проникают сквозь все предметы вокруг и сквозь нас самих. Мы их никак не воспринимаем и не чувствуем. Защититься от них невозможно, они неуловимы и всепроникающи. Они могут излечивать и могут убивать, могут способствовать рождению невиданных ранее существ на земле и приводить к возникновению новых звёздных скоплений в отдалённых уголках нашей галактики.

Всё это- не фрагмент бреда сумасшедшего, взятый из истории его болезни и не краткий синопсис очередного голливудского боевика. Это окружающая нас реальность, которая называется радиоактивное или ионизирующее излучение, если коротко - .

Явление радиоактивности в общих чертах было сформулировано французским физиком А. Беккерелем в 1896 году. Конкретизировал это явление и более подробно описал Э. Резерфорд в 1899 году. Именно он смог установить, что радиоактивное излучение неоднородно по своей природе и состоит, как минимум, из трёх видов лучей. Эти лучи по-разному отклонялись в магнитном поле и поэтому получили разное название. Проникающая способность альфа, бета и гамма-излучения различна.

Повседневная защита

Одним из самых эффективных способов защиты в повседневной жизни является применение так называемых или индивидуальных дозиметров. Это особенно актуально в силу того, что человеческий организм лишён возможности воспринимать радиацию через органы чувств, он её просто не замечает. Выделяют следующие индивидуальные дозировки:

• Нормальная повседневная доза: 10−20 микрорентген в час.
• Нормальная одноразовая доза: 100 микрорентген.
• Смертельная доза: 600 рентген. При получении такой одноразовой дозы облучения человек погибает в течение одной-двух недель.

Необходимо иметь в виду что элементарное мытьё рук чистой водой с мылом является профилактикой радиоактивного заражения, так как в этом случае происходит эффективное удаление заражённых радиоактивных веществ с поверхности кожи.

Не нужно пытаться открыть или разбирать случайно найденные предметы с радиационной маркировкой. Это не только опасно для вашего здоровья и здоровья окружающих. Нужно иметь в виду, что в Уголовном кодексе имеется соответствующая статья за намеренное или случайное радиоактивное загрязнение, поэтому лучше сразу сообщите об опасной находке в соответствующие службы.

Не нужно пугаться этого слова: оно обозначает попросту радиоактивные изотопы. Иногда в речи можно услышать слова «радионуклеид», или еще менее литературный вариант - «радионуклеотид». Правильный термин - именно радионуклид. Но что такое радиоактивный распад? Каковы свойства разных видов излучения и чем они отличаются? Обо всем - по порядку.

Определения в радиологии

С тех времен, когда произошел взрыв первой атомной бомбы, многие понятия из радиологии претерпели изменения. Вместо фразы «атомный котел» принято говорить «атомный реактор». Вместо словосочетания «радиоактивные лучи» пользуются выражением «ионизирующие излучения». Словосочетание «радиоактивный изотоп» заменено на «радионуклид».

Долгоживущие и короткоживущие радионуклиды

Альфа-, бета- и гамма-излучения сопровождают процесс распада атомного ядра. Что такое Ядра радионуклидов не являются стабильными - этим они и отличаются от других устойчивых изотопов. В определенный момент запускается процесс радиоактивного распада. Радионуклиды при этом превращаются в другие изотопы, в процессе чего испускаются альфа-, бета- и гамма-лучи. Радионуклиды имеют разный уровень нестабильности - некоторые из них распадаются в течение сотен, миллионов и даже миллиардов лет. К примеру, все изотопы урана, которые встречаются в природе, являются долгоживущими. Есть и такие радионуклиды, которые распадаются в течение секунд, дней, месяцев. Они зовутся короткоживущими.

Выброс альфа-, бета- и гамма-частиц сопровождает не любой распад. Но на самом деле радиоактивный распад сопровождается только выбросом альфа- или бета-частиц. В некоторых случаях этот процесс происходит в сопровождении гамма-лучей. Чистое гамма-излучение в природе не встречается. Чем больше скорость распада радионуклида, тем выше его уровень радиоактивности. Некоторые считают, что в природе существует альфа-, бета-, гамма- и дельта-распад. Это неверно. Дельта-распада не существует.

Единицы измерения радиоактивности

Однако в чем измеряется эта величина? Измерение радиоактивности позволяет выразить интенсивность распада в цифрах. Единица измерения активности радионуклида - беккерель. 1 беккерель (Бк) означает, что 1 распад происходит в 1 сек. Когда-то для этих измерений использовалась гораздо более крупная единица измерения - кюри (Ки): 1 кюри = 37 млрд беккерелей.

Естественно, сопоставлять необходимо одинаковые массы вещества, например 1 мг урана и 1 мг тория. Активность взятой единицы массы радионуклида называется удельной активностью. Чем больше период полураспада, тем меньше удельная радиоактивность.

Какие радионуклиды представляют собой большую опасность?

Свойства гамма-лучей

Этот вид излучения имеет ту же природу, что и ультрафиолетовое излучение, инфракрасные лучи или радиоволны. Гамма-лучи представляют собой фотонное излучение. Однако с чрезвычайно высокой скоростью фотонов. Этот тип излучения очень быстро проникает сквозь материалы. Чтобы задержать его, обычно используют свинец и бетон. Гамма-лучи способны преодолевать тысячи километров.

Миф об опасности

Сравнивая альфа-, гамма- и бета-излучение, люди обычно считают гамма-лучи наиболее опасными. Ведь они образуются при ядерных взрывах, преодолевают сотни километров и вызывают лучевую болезнь. Все это верно, однако не имеет непосредственного отношения к опасности лучей. Так как в этом случае говорят именно об их проникающей способности. Конечно, альфа-, бета- и гамма-лучи различаются в этом отношении. Однако опасность оценивается не проникающей способностью, а поглощенной дозой. Этот показатель высчитывается в джоулях на килограмм (Дж/кг).

Таким образом, измеряется дробью. В ее числителе находится не количество альфа-, гамма- и бета-частиц, а именно энергия. К может быть жестким и мягким. Последнее обладает меньшей энергией. Продолжая аналогию с оружием, можно сказать: значение имеет не только калибр пули, важно и то, из чего производится выстрел - из рогатки или из дробовика.

Цель урока: выяснить, в чем состоит явление радиоактивности, каков состав, природа и свойства радиоактивных излучений. Добиться понимания смысла физического понятия “радиоактивной излучение”.

Литература и оборудование:

1. Мякишев Г.Я. Физика 11 – М.: Просвещение, 2010 г.
2. Портрет М. и П.Кюри.
3. Таблица Менделеева.
4. Таблица “Шкала электромагнитных излучений”.
5. Проектор.
6. Ноутбук.
7. Экран.

Ход урока

Открытие естественней радиоактивности.

Слова “радиоактивное излучение”, “радиоактивные элементы”, “радиация” сегодня известны каждому. Многие, наверно, знают и то, что радиоактивные излучения служат людям: они позволяют в ряде случаев поставить правильный диагноз болезни, а также лечат опасные заболевания, повышают урожайность культурных растений и др.

Полемика.

Явление радиоактивности.

Именно данное явление будет служить объектом нашего сегодняшнего разговора.

Что вы знаете об этом явлении? Каково Ваше отношение к нему?

Полемика Обобщение полученных данных.

Чего больше: позитива или негатива от информации об этом явлении?

Негатива.

В чем же, на ваш взгляд, проблема?

Почему, не смотря на все неприятности, сопутствующие явлению радиоактивности, люди все равно широко используют его?

Предлагаю сформулировать цель нашего урока.

Цель и задачи формулируют школьники.

Цель: Изучить явление радиоактивности и его значение для человека.

А теперь сформулируем задачи, которые служат этапами нашей работы.

1) Рассмотреть понятие радиоактивность.
2) Рассмотреть виды радиоактивности.
3) Ознакомиться с областями применения радиоактивности.
4) Определить значение радиоактивности для человека.

Решение проблемы.

Чтобы решить данную проблему, нам придется решить несколько проблемных задач.

Для того, чтобы решить нашу первую задачу – сформулировать определение понятия “радиоактивности”, – нужно вдуматься в смысл самого термина. Попробуем раскрыть его этимологию. Из каких двух основ состоит данное слово?

Радио активность

“radiare” – лат. испускать, лучи
Активность – само за себя говорит.

В каком случае вещество, атом что-то испускает?

Если он распадается.

Обратите внимание на второе значение латинского слова “radiare” – лучи.

Радиоактивность была открыта французским ученым Анри Беккерелем в 1896 году. Он изучал свечение некоторых веществ, в частности солей урана (двойной сульфат урана и калия), предварительно облученных солнечным светом.

Радиоактивность – это самопроизвольный распад ядер атомов с испусканием элементарных частиц.

Учащиеся делают сообщения.

Вот как ученый описывает в первом выступлении свои опыты.

Доклад № 1 учащегося:

“Обертываем броможелатиновую люмьеровскую фотографическую пластинку двумя листами черной бумаги, очень плотной, такой, что пластинка не вуалируется экспозицией на солнце в течение дня. Снаружи на лист бумаги кладем пластиночку (кристалл соли урана) и выставляем все это на солнце на несколько часов. Когда затем проявим фотографическую пластинку, мы видим, что на негативе появился черный силуэт этой пластиночки. Если же между пластиночкой и бумагой мы помещаем монету или металлический экран, прорезанный ажурным рисунком, мы видим изображение этих предметов, появившееся на негативе. Кристаллическая пластиночка, о которой идет речь, испускает лучи, которые проходят через бумагу, непрозрачную для света, и различают соли серебра”.

Доклад № 2 учащегося:

“Среди предыдущих экспериментов некоторые были подготовлены в среду 26 и в четверг 27 февраля, а так как в те дни солнце показывалось с перерывами, я законсервировал эксперименты, полностью подготовленные, и вернул фотопластинки в темноту, в мебельный ящик, оставив на месте пластиночки урановой соли. В последующие дни солнце снова не показалось. Я проявил пластинки 1 марта, надеясь найти слабые изображения. Силуэты, напротив, показались с большой интенсивностью”.

Отец, дед А.Беккереля занимались изучением люминесцирующих веществ.

“Было совершенно ясным, почему явление радиоактивности было сделано в нашей лаборатории, и если бы мой отец был жив в 1896 году. Он был бы тем, кто сделал это”.

А. Беккерель, открыв новое явление, не знал еще (да и не мог знать), с чем оно связано, он лишь сказал о нем, как о “новом порядке явлений”.

Учащиеся делают вывод: соли урана самопроизвольно, без влияния внешних факторов, создают какое-то излучение.

Свойства радиоактивных излучений. Открытие радиоактивных элементов.

Начались интенсивные исследования радиоактивных излучений, с целью изучениях их свойств и состава, а также установить, испускают ли подобное излучение другие элементы. Первые исследования были проделаны самим Беккерелем, а затем М.Склодовской-Кюри и П.Кюри, занимался этим и Резерфорд.

Свойства радиоактивных излучений:
Действуют на фотопластинку,
Ионизируют воздух,
Проникают сквозь тонкие металлические пластинки,
Полная независимость от внешних условий (от освещения, давления, температуры).

Главные усилия в поиске новых элементов, обладающих способностью к самопроизвольному облучению были предприняты М. и П.Кюри. они обнаружили у тория, а затем, переработав огромное количество урановой руды, выделили новые химические элементы, названные ими “полонием”, “радием” (лучистый) (0,1 г. Радия в 1902 г.)

Что может это вещество (радий)?

Е.Кюри “Мария Кюри” (стр. 163)

Явление самопроизвольного излучения было названо супругами Кюри радиоактивностью.

Впоследствии было установлено. Что все химические элементы с порядковым номером боле 83 являются радиоактивностями.

Радиоактивные изотопы имеются и у более легких ядер.

Сообщение учащегося “ Вклад М.Кюри в изучение радиоактивности”.

Физическая природа радиоактивного излучения.

Радиоактивное излучение имеет сложный состав.

Учащиеся знакомятся с описанием опыта (учебник стр. 308 рис. 258) и самостоятельно заполняют таблицу.

Свойства радиоактивных излучений (А.С.Енохович Справочник по физике и технике стр. 208 табл. 260.)

Радиоактивность – самопроизвольный, не поддающийся никакому внешнему воздействию непрерывный распад некоторых естественных и искусственных элементов с образованием новых ядер, в ходе которого эти вещества испускают альфа-, бета-, гамма-излучения.

Закрепление:

В научной литературе, в газетах и журналах часто встречается понятие “радиоактивное излучение”. Что это такое? Какие виды радиоактивного излучения вы знаете?

В.Маяковский “Разговор с фининспектором о поэзии”:

Поэзия – та же добыча радия.
В грамм добыча,
В годы труды.
Изводишь единого слова ради
Тысячи тонн словесной руды.

С исследованием каких известных ученых можно сравнить труд поэта?

Письменно ответить на вопрос: “Почему, невзирая на все последствия, человечество продолжает активно использовать радиоактивность?”

Потому что значение велико для человека, а последствий можно избежать при правильном подходе, использовании и образе жизни.

Прочитайте слова знаменитого физика, сказанные им, когда он обдумал результаты своего опыта по бомбардировке листа золота альфа-частицами. Назовите фамилию ученого и год, когда он сделал вывод из этого опыта.

Ионизирующее излучение (далее - ИИ) - это излучение, взаимодействие которого с веществом приводит к ионизации атомов и молекул, т.е. это взаимодействие приводит к возбуждению атома и отрыву отдельных электронов (отрицательно заряженных частиц) из атомных оболочек. В результате, лишенный одного или нескольких электронов, атом превращается в положительно заряженный ион - происходит первичная ионизация. К ИИ относят электромагнитное излучение (гамма-излучение) и потоки заряженных и нейтральных частиц - корпускулярное излучение (альфа-излучение, бета-излучение, а также нейтронное излучение).

Альфа-излучение относится к корпускулярным излучениям. Это поток тяжелых положительно заряженных а-частиц (ядер атомов гелия), возникающее в результате распада атомов тяжелых элементов, таких как уран, радий и торий. Поскольку частицы тяжелые, то пробег альфа-частиц в веществе (то есть путь, на котором они производят ионизацию) оказывается очень коротким: сотые доли миллиметра в биологических средах, 2,5—8 см в воздухе. Таким образом, задержать эти частицы способен обычный лист бумаги или внешний омертвевший слой кожи.

Однако вещества, испускающие альфа-частицы, являются долгоживущими. В результате попадания таких веществ внутрь организма с пищей, воздухом или через ранения, они разносятся по телу током крови, депонируются в органах, отвечающих за обмен веществ и защиту организма (например, селезенка или лимфатические узлы), вызывая, таким образом, внутреннее облучение организма. Опасность такого внутреннего облучения организма высока, т.к. эти альфа-частицы создают очень большое число ионов (до нескольких тысяч пар ионов на 1 микрон пути в тканях). Ионизация, в свою очередь, обуславливает ряд особенностей тех химических реакций, которые протекают в веществе, в частности, в живой ткани (образование сильных окислителей, свободного водорода и кислорода и др.).

Бета-излучение (бета-лучи, или поток бета-частиц) также относится к корпускулярному типу излучения. Это поток электронов (β--излучение, или, чаще всего, просто β -излучение) или позитронов (β+-излучение), испускаемых при радиоактивном бета-распаде ядер некоторых атомов. Электроны или позитроны образуются в ядре при превращении нейтрона в протон или протона в нейтрон соответственно.

Электроны значительно меньше альфа-частиц и могут проникать вглубь вещества (тела) на 10-15 сантиметров (ср. с сотыми долями миллиметра у а-частиц). При прохождении через вещество бета-излучение взаимодействует с электронами и ядрами его атомов, расходуя на это свою энергию и замедляя движение вплоть до полной остановки. Благодаря таким свойствам для защиты от бета-излучения достаточно иметь соответствующей толщины экран из органического стекла. На этих же свойствах основано применение бета-излучения в медицине для поверхностной, внутритканевой и внутриполостной лучевой терапии.

Нейтронное излучение - еще один вид корпускулярного типа излучений. Нейтронное излучение представляет собой поток нейтронов (элементарных частиц, не имеющих электрического заряда). Нейтроны не оказывают ионизирующего действия, однако весьма значительный ионизирующий эффект происходит за счет упругого и неупругого рассеяния на ядрах вещества.

Облучаемые нейтронами вещества могут приобретать радиоактивные свойства, то есть получать так называемую наведенную радиоактивность. Нейтронное излучение образуется при работе ускорителей элементарных частиц, в ядерных реакторах, промышленных и лабораторных установках, при ядерных взрывах и т. д. Нейтронное излучение обладает наибольшей проникающей способностью. Лучшими для защиты от нейтронного излучения являются водородсодержащие материалы.

Гамма излучение и рентгеновское излучение относятся к электромагнитным излучениям.

Принципиальная разница между двумя этими видами излучения заключается в механизме их возникновения. Рентгеновское излучение - внеядерного происхождения, гамма излучение - продукт распада ядер.

Рентгеновское излучение, открыто в 1895 году физиком Рентгеном. Это невидимое излучение, способное проникать, хотя и в разной степени, во все вещества. Представляет собой электромагнитное излучение с длиной волны порядка от - от 10 -12 до 10 -7 . Источник рентгеновских лучей - рентгеновская трубка, некоторые радионуклиды (например, бета-излучатели), ускорители и накопители электронов (синхротронное излучение).

В рентгеновской трубке есть два электрода - катод и анод (отрицательный и положительный электроды соответственно). При нагреве катода происходит электронная эмиссия (явление испускания электронов поверхностью твёрдого тела или жидкости). Электроны, вылетающие из катода, ускоряются электрическим полем и ударяются о поверхность анода, где происходит их резкое торможение, вследствие чего возникает рентгеновское излучение. Как и видимый свет, рентгеновское излучение вызывает почернение фотопленки. Это одно его из свойств, основное для медицины - то, что оно является проникающим излучением и соответственно пациента можно просвечивать с его помощью, а т.к. разные по плотности ткани по-разному поглощают рентгеновское излучение - то мы можем диагностировать на самой ранней стадии многие виды заболеваний внутренних органов.

Гамма излучение имеет внутриядерное происхождение. Оно возникает при распаде радиоактивных ядер, переходе ядер из возбужденного состояния в основное, при взаимодействии быстрых заряженных частиц с веществом, аннигиляции электронно-позитронных пар и т.д.

Высокая проникающая способность гамма-излучения объясняется малой длиной волны. Для ослабления потока гамма-излучения используются вещества, отличающиеся значительным массовым числом (свинец, вольфрам, уран и др.) и всевозможные составы высокой плотности (различные бетоны с наполнителями из металла).

В ядрах одного и того же элемента число нейтронов может быть различным, а число протонов всегда одно и то же. Такие ядра называются изотопами . Например, в ядрах водорода всегда 1 протон, а число нейтронов может быть 0, 1, 2, 3, 4, 6.

Радиоактивность

Радиоактивность - явление самопроизвольного превращения неустойчивого изотопа одного химического элемента в изотоп другого элемента. При этом испускаются частицы, обладающие большой проникающей способностью.

Например, радиоактивный элемент радий превращается в другой химический элемент - радон с выделением гелия.

В 1899 г. Э. Резерфорд провел опыт, в результате которого было обнаружено, что радиоактивное излучение неоднородно. Существуют три различные частицы с разными зарядами. Альфа-частица - положительно заряженная (лишенный электронов атом гелия), бета-частица - отрицательно заряженная (электрон), и нейтральная гамма-частица (фотон).

Три вида излучения обладают разной проникающей способностью. Самые поникающие - гамма-лучи. Они легко проходят через вещество. Чтобы их остановить нужна свинцовая пластина толщиной 5 см, либо 30 см бетона, либо 60 см грунта.

Ядерные реакции

Альфа-распад

Пример:
где - альфа-излучение - ядра гелия.

Этот распад наблюдается для тяжелых ядер с А>200. При альфа-распаде одного химического элемента образуется другой химический элемент, который в таблице Менделеева расположен на 2 клетки ближе к ее началу, чем исходный.

Бета-распад

Пример:
где - бета-излучение - электроны.

При бета-распаде одного химического элемента образуется другой химический элемент, который расположен в таблице Менделеева в следующей клетке за исходным.

Гамма-излучение

Испускание гамма-излучения не приводит к превращениям элементов.

В ходе ядерной реакции суммарный электрический заряд и число нуклонов сохраняются. Ядерные реакции бывают двух типов: эндотермические (с поглощением энергии) и экзотермические (с выделением энергии). Если сумма масс исходного ядра и частиц, больше суммы масс конечного ядра и испускаемых частиц, то энергия выделяется, и наоборот.

Открытие протона: