Естественная и искусственная радиоактивность

 

      

      *Ионизация – процесс образования отрицательных и положительных ионов и свободных электронов из электрически нейтральных атомов и молекул. 
 

      Глава 3.

      Естественная  радиоактивность.

      Естественная  радиоактивность (или фоновое излучение) — следствие спонтанного распада естественных радиоизотопов, имеющихся в скальных породах и живой материи. Она растет с глубиной из-за окружающих скальных пород и с высотой под воздействием космических лучей. Некоторые области могут иметь высокую природную радиоактивность из-за скальных пород (например, изверженных скальных пород, таких как гранит), испускающих газ радон.

      Природные радионуклиды можно разделить на две большие группы - первичные, т. е. те, которые образовались одновременно со стабильным веществом Земли, и космогенные, которые образуются постоянно в результате ядерных реакций под действием космического излучения или поступают с внеземным веществом. Очевидно, к настоящему моменту в окружающей среде присутствуют только те первичные радионуклиды, период полураспада которых соизмерим с возрастом Земли.

Таблица2. Основные первичные радионуклиды

Радионуклид	T1/2, лет	Доля в природной  смеси изотопов, %
238U	4,5 • 109	99,27
235U	7,0 • 108	0,72
232Th	1,4 • 1010	100
40K	1,3 • 109	0,0117
87Rb	4,9 • 1010	27,8
150Nd	5 • 1010	5,6
147Sb	1,6 • 1011	15,07
176Lu	3,6 • 1010	2,6
138La	1 • 1011	0,089

 
 

       Три первичных радионуклида —  ²³⁸U, ²³⁵U и ²³²Th — являются родоначальниками естественных радиоактивных рядов*. С течением времени в естественных радиоактивных рядах установилось вековое равновесие — состояние,     в

      Рис.4     Пример образования естественных радиоактивных рядов.               Котором радиоактивности (!но не количества ядер!) всех членов ряда равны между собой.

        Вековое равновесие между радионуклидами  устанавливается в том случае, если период полураспада материнского  радионуклида велик по сравнению с периодом полураспада дочернего.

     Накопление  дочернего радионуклида подчиняется  закону 

А=А₀(1-е^-λt)     ⁽¹⁴⁾ 

где А — активность дочернего радионуклида, А₀ — активность материнского радионуклида, λ — постоянная радиоактивного распада дочернего радионуклида,     t — время, прошедшее с начала накопления дочернего радионуклида (предполагается, что в начальный момент присутствует только материнский нуклид). 

      Искусственная радиоактивность. 

В природе  не встречаются изотопы, распадающиеся  с испусканием позитрона. Такие

*Радиоактивные ряды (радиоактивные семейства) - ряды генетически связанных радиоактивных нуклидов, в которых каждый последующий возникает в результате α- или β- распадов предыдущего.

изотопы впервые получили искусственно в 1934 г. Ф. и И. Жолио-Кюри. Они обнаружили, что при облучении потоком альфа-частиц ядра изотопа алюминия      ²⁷₁₃ Al превращаются в ядра изотопа фосфора ³⁰₁₅P, при этом испускаются свободные нейтроны:

      ²⁷₁₃ Al + ⁴₂He = ³⁰₁₅P + ¹₀n     ⁽¹⁵⁾ 

      Искусственно  полученный изотоп фосфора ³⁰₁₅P оказался радиоактивным; его ядро распадается с испусканием позитрона: 

      ³⁰₁₅P = ³⁰₁₄Si + ⁰₁e +⁰₀ν_e     ⁽¹⁶⁾ 

Последующие опыты по бомбардировке атомных  ядер стабильных изотопов альфа-частицами, протонами, нейтронами и другими  частицами показали, что искусственные радиоактивные изотопы могут быть получены практически у всех элементов.

      Среди изотопов легких элементов (до кальция) стабильными являются те, в которых  содержание протонов и нейтронов  примерно одинаково. Нестабильными  по отношению к электронному бета-распаду оказываются ядра, в которых число нейтронов заметно больше числа протонов. Изотопы с избытком протонов над числом нейтронов в ядре испытывают позитронный бета-распад.

       Искусственные радионуклиды поступают в окружающую среду в результате испытаний ядерного оружия, ядерных взрывов, проводившихся в мирных целях, а также деятельности предприятий ЯТЦ. Локальными источниками служат аварии самолетов с ядерным оружием на борту, гибель подводных лодок, оснащенных атомными силовыми установками и ядерным оружием. В течение ряда лет многие страны, в том числе и СССР, сбрасывали в моря и реки жидкие радиоактивные отходы и затапливали отработавшие ядерные установки. Вклад в техногенную радиоактивность окружающей среды вносят и аварии искусственных спутников Земли с ядерными источниками энергии. Развитие атомной энергетики также привело к тому, что радионуклиды поступали и продолжают поступать в окружающую среду, как при штатной работе АЭС, так и в результате аварийных ситуаций, из которых наиболее серьезные последствия имела авария на Чернобыльской АЭС 26 апреля 1986 г. 

Ядерное оружие. 

      Любой из нейтронов, вылетающих из ядра в  процессе деления, может в свою очередь  вызвать деление соседнего ядра, которое также испускает нейтроны, способные вызвать дальнейшее деление. В результате число делящихся ядер очень быстро увеличивается. Возникает цепная реакция. Ядерной цепной реакцией называется реакция, в которой частицы, вызывающие ее (нейтроны), образуются как продукты этой реакции. 

         Рис.5    Цепная ядерная реакция. Цепная реакция сопровождается выделением огромной энергии. При делении каждого ядра выделяется около 200 МэВ. При полном же делении всех ядер, имеющихся в 1 г урана, выделяется энергия 2,3 • 10⁴ кВт•ч. Это эквивалентно энергии, получаемой при сгорании 3 т угля или 2,5 т нефти. 

      Но  для осуществления цепной реакции  нельзя использовать любые ядра, делящиеся  под влиянием нейтронов. В силу ряда причин из ядер, встречающихся в  природе, пригодны лишь ядра изотопа  урана с массовым числом 235, т.е. ²³⁸ ₉₂U.

Для течения  цепной реакции нет необходимости, чтобы каждый нейтрон обязательно  вызывал деление ядра. Необходимо лишь, чтобы среднее число освобожденных  нейтронов в данной массе урана  не уменьшалось с течением времени.

      Это условие будет выполнено, если коэффициент размножения нейтронов k больше или равен единице. Коэффициентом размножения нейтронов называют отношение числа нейтронов в каком-либо «поколении» к числу нейтронов предшествующего «поколения». Под сменой поколений понимают деление ядер, при котором поглощаются нейтроны старого «поколения» и рождаются новые нейтроны.

      Если  k 1, то число нейтронов увеличивается с течением времени или остается постоянным и цепная реакция идет. При k<1 число нейтронов убывает и цепная реакция невозможна.

      Коэффициент размножения определяется следующими четырьмя факторами:

1) захватом   медленных   нейтронов ядрами  урана с последующим делением и захватом быстрых нейтронов (также с последующим делением);

2)   захватом    нейтронов   ядрами урана без деления;

3)   захватом   нейтронов   продуктами  деления, замедлителем   и конструктивными  элементами установки;

4)   вылетом нейтронов из делящегося  вещества наружу.

Лишь  первый процесс сопровождается увеличением  числа нейтронов (в основном за счет деления ²³⁵ ₉₂U). Все остальные приводят к их убыли. Цепная реакция в чистом изотопе ²³⁸₉₂U невозможна, так как в этом случае k<1 (число нейтронов, поглощаемых ядрами без деления, больше числа нейтронов, вновь образующихся за счет деления ядер).

      Для равномерного течения цепной реакции коэффициент размножения нейтронов должен быть ранен единице. Это равенство необходимо поддерживать с большой точностью. Уже при k=1,01 почти моментально произойдет взрыв..

      Неуправляемая цепная реакция с большим коэффициентом размножения нейтронов осуществляется в атомной бомбе.

      Для того чтобы происходило почти  мгновенное выделение энергии (взрыв), реакция должна идти на быстрых нейтронах (без применения замедлителей). Взрывчатым веществом служит чистый уран или  плутоний. Чтобы мог произойти взрыв, размеры делящегося материала должны превышать критические. Это достигается либо путем быстрого соединения двух кусков делящегося материала с докритическими размерами, либо же за счет резкого сжатия одного куска до размеров, при которых утечка нейтронов через поверхность падает настолько, что размеры куска оказываются надкритическими.

      

            Рис. 6    Схема атомной бомбы. 

То и  другое осуществляется с помощью  обычных взрывчатых веществ. При ядерном взрыве происходит образование продуктов деления, ядерного синтеза и нейтронной активации.

      При делении тяжелых ядер под действием  нейтронов образуются сотни различных  радионуклидов с разными периодами  полураспада. Соотношение продуктов  деления зависит от природы делящегося радионуклида и энергии нейтронов. Распределение дочерних продуктов по массовым числам имеет два максимума, находящихся в интервалах 85—105 и 130—150. Реакции ядерного синтеза протекают при взрыве термоядерных боеприпасов. При этом происходит, в частности, слияние ядер дейтерия и трития с образованием альфа-частицы и нейтрона. При взрыве бомбы температура достигает десятков миллионов кельвин. При такой температуре резко повышается давление и образуется мощная взрывная волна. Одновременно возникает мощное излучение. Продукты цепной реакции при взрыве бомбы сильно радиоактивны и опасны для живых организмов.

      Атомные бомбы были применены США в  конце второй мировой войны против Японии. В 1945 г. Они были сброшены на японские города Хиросима и Нагасаки.

      Эти акты массового уничтожения людей не были вызваны военной необходимостью, так как в то время капитуляция Японии уже была предрешена. С созданием ядерного оружия победа в войне стала невозможной. Ядерная война способна привести человечество к гибели, поэтому народы всего мира настойчиво борются за запрещение ядерного оружия. Испытания ядерного оружия в атмосфере стали основным источником искусственной радиоактивности в окружающей среде (до 95%). Выпадения радионуклидов происходили неоднородно по поверхности планеты. Около 76% глобальных выпадений стронция-90 пришлось на северное полушарие, где было проведено 90% от общего числа испытаний. Максимум глобальных выпадений при пришелся на 40-50° с.ш.

      При проведении подземных ядерных взрывов  большая часть радионуклидов  остается в полости взрыва, однако во многих случаях наблюдается выброс в атмосферу радиоактивных газов и других летучих продуктов взрыва.

      В термоядерной (водородной) бомбе источником высокой температуры, которая необходима для термоядерного синтеза, служит взрыв атомной бомбы (урановой или плутониевой), помещенной внутри термоядерной. Технические возможности увеличения энергии взрыва этих бомб ничем не ограничены.

      Пример  цепной реакции : ²³⁹ ₉₂U → ²³⁹ ₉₃Np + ⁰ _-1e