Радиоактивтілік. Радиоактивті сәулелену және оның түрлері

γ - сәуле шығару радиоактивтiлiктiң дербес түрi болып табылмайды. Әдетте γ - сәуле шығару альфа- және бета-ыдыраумен қатар жүредi.Бұл ыдыраулардың нәтижесiнде алынған еншiлес ядро әдетте қозған күйде болады. Ал ол қозған күйден негiзгi күйiне өткен кезде қозған күйден негiзгi күйге өткен том тәрiздi өзiнен γ - сәуле шығарады. Бiрақ бұл γ-кванттардың энергиясы атом шығаратын γ-кванттардың энергиясынан әлде қайда үлкен болады.

ІІІ тарау. Радиоактивтiлiк ыдырау заңы. Ығысу ережесi

3.1. Радиоактивтік ыдырау заңы

Радиоактивтi ыдырау заңы деп радиоактивтi ядролардың санының уақыт бойынша  өзгеру заңдылығын айтады. Бұл заңды  оңай анықтауға болады. Шындығында, егер қандай да бiр уақыт мезетiнде  радиоактивтi ядролардың саны N болса онда dt уақыт аралығында ыдырайтын ядролардың саны dN мынаған тең болады

dN=-λN·dt

мұндағы минус таңбасы dN – дi ыдырамаған ядролардың өсiмшесi ретiнде қарастырумен байланысты. Ал λ, радиоактивтi ядроның бiрлiк уақыт аралығында ыдырау ықтималдылығы. Оны әдетте ыдырау тұрақтысы деп атайды. Бұл өрнектi интегралдай отырып

lnN =-λt + const

аламыз. Бастапқы t=0 уақыт мезетiндегi ыдырамаған радиоактивтi ядролардың санын N₀ деп белгiлей отырып, const = lnN₀ екенiн аламыз. Онда

N =N₀ e^-λt

Мiне, осы өрнек радиоактивтi ыдырау заңы болып табылады (7.10 - сурет).

Бастапқы радиоактивтi ядролардың жартысы ыдырайтын уақытты жартылайыдырау периоды деп атап, Т_1/2 әрiпiмен белгiлейдi

7.10 - сурет

Бүгiнгi күнге дейiнгi белгiлi радиоактивтi ядролардың жартылайыдырау периоды 3·10^-7 с-тан 5·10¹⁵ жылға дейiнгi аралықтағы мәнге ие.

Радиоактивтi заттың активтiлiгi деп  бiрлiк уақыт аралығында болатын  ыдыраудың санын айтады, яғни

Бұл жерден активтiлiктiң радиоактитi ядролардың санына пропорционал, ал жартылайыдраудың периодына керi пропорционал екенi көрiнiп  тұр.

Активтiлiктiң халықаралық бiрлiктер жүйесiндегi бiрлiгi беккерель (Бк). Беккерель  деп 1 с iшiнде бiр ыдырау жасайтын радиоактивтi заттың активтiлiгi алынған. Нақтылы өмiрде активтiлiктiң кюри (Ки) деп аталатын бiрлiгi жиi қолданылады. Кюри ретiнде 1 с аралығында 3,7·10¹⁰ ыдырау жасайтын радиоактивтi заттың активтiлiгi алынған.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.2. Радиоактивтік изотоптар

Радиоактивтік құбылысты зерттеу атом ядроларының  табиғатына қатысты маңызды жаңалықтардың  ашылуына себепші болды.

Көптеген  радиоактивтік түрленулерді бақылау  нәтижесінде радиоактивтік қасиеттері мүлдем әр түрлі (яғни түрліше тәсілдермен  ыдырайтын), бірақ өздерінің химиялық қасиеттері жөнінен барабар заттары  бар екені анықталады. Белгілі  химиялық тәсілдердің бәрімен де оларды ажырату еш мүмкін болмады. Осының негізінде 1911 ж. Содди химиялық қасиеттері бірдей, басқа жағынан, мәселен өзінің радиоактивтігімен ұқсамайтын элементтер бар екені жөнінде болжам айтты. Мұндай элементтерді Менделеевтің периодтық  жүйесінің бір тор көзіне орналастыру  керек. Сондықтан Содди оларды изотоптар (яғни периодтық жүйеде бірдей орын алатындар) деп атады.

Бір жылдан соң Дж.Томсон электр және магнит өрісіндегі ауытқу тәсілмен неон иондарының массасына  дәл өлшеулер жүргізген кезде  Соддидің болжамы ойдағыдай дәлелденіп, оған терең түсініктеме берілді. Томсон неон атомдардың екі түрінің  қоспасы еккнін байқады. Олардың  басым көпшілігінің салыстырмалық  атомдық массасы 20-ға тең. Бірақ салыстырмалық  атомдық массасы 22-ге тең аздаған  атомдар қоспасы да бар. Осының нәтижесінде  қоспаның салыстырмалы атомдық массасы, 20,2-ге тең. Бірдей химиялық қасиеттері бар атомдардың массаларында айырмашылық  байқалады. Неонның екі түрінің  де Менделеев кестесінде бірдей орын алатындығы анық, ендеше, олар изотоптар  болып табылады. Сонымен, изотоптардың тек өздерінің радиоактивтік  қасиеттері жағынан ғана емес, массасы  жағынан да айырмашылығы болады екен. Сонымен бірге соңғы жағдай басымырақ  рөл атқарады. Изотоптарда атом ядроларының  зарядьары бірдей болады. Сондықтан  атом қабықшаларындағы электрондар  саны, демек, изотоптардың химиялық қасиеттері бірдей. Бірақ ядроның массалары  әр түрлі. Сонымен қатар, ядролар  радиоактивті де, тұрақты да бола алады. Радиоактивті изотоптар қасиеттерінің түрліше болуы олардың ядроларының массалары әр түрлі болуына байланысты.

Қазіргі уақытта химиялық элементтердің  бәрінің изотоптары бар екендігі анықталған. Кейбір элементтердің изотоптары тұрақты болмайды (яғни радиоактивті). Изотоптар табиғаттағы ең ауыр элемент  – уранда (салыстырмалы атомдық  массасы 238, 235 т.б.) және ең жеңіл –  сутегінде де (салыстырмалы атомдық  массасы 1, 2,3) бар.

Әсіресе сутегінің изотоптары ерекше, себебі массасы жағынан екі немесе үш есе айырмашылығы бар. Салыстырмалы атомдық массасы 2 болатын изотоп дейтерий деп аталады. Ол стабильді (яғни радиоактивті емес) және әдеттегі сутегіне аздаған қоспа (1 : 4500) түрінде  енеді. Дейтерий оттегімен қосылғанда ауыр су пайда болады. Оның физикалық  қасиеттері кәдімгі судың қасиетінен анағұрлым бөлек. Қалыпты атмосфералық қысымда ол 101,2ºС-та қайнайды да, 3,8 ºС-та қатады.

Салыстырмалы  атомдық массасы 3кг болатын изотоп тритий деп аталады. Ол β-радиоактивті, жартылай ыдырау периоды 12 жылға жуық.

Изотоптардың  болуы, атом ядросының заряды атомдардың барлық қасиеттерін анықтамай, тек  химиялық қасиеттері мен электрон қабықшасының маңына байланысты физикалық қасиеттерін, мысалы, өлшемдерін анықтайтындығын  дәлелдейді. Атомның массасы мен  радиоактивтік қасиеттері оның Менделеев  кестесіндегі реттік нөмірімен анықталмайды.

Изотоптардың  салыстырмалы атомдық массаларын дәл  өлшегенде олардың бүтін сандарға өте жақын болатындығының елеулі маңызы бар. Кейбір химиялық элементтердің  атомдық массаларының бүтін саннан айырмашылығы көп болады. Мысалы, хлордың  салыстырмалы атомдық массасы 35,5-ке тең. Бұл табиғи күйде химиялық таза зат изотоптардың әр түрлі пропорциялардағы қоспасы болып келетіндігін көрсетеді. Изотоптардың салыстырмалы атомдық массаларының бүтін сан болуының (жуықтап алғанда) атом ядросының құрылысын анықтауда маңызы зор.

Химиялық  элементтердің бәрінің де изотоптары бар. Изотоптар атомы ядросының  зарядтары бірдей, бірақ массалары  әр түрлі.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.3. Радиация көздері, жергілікті  жердің радиоактивті зақымдалуы

Радиоактивтілік және оған жалғасатын иондық сәулелену Жер бетінде  тіршілік пайда болғанға дейін өмір сүрді. "Иондық сәулелену" атауы  физикалық табиғаты бойынша әртүрлі  сәулелену түрлерін біріктіреді. Радиоактивтік  материалдар Жер мен Күн жүйесінің  планеталарының қүрамына олар пайда  болған сәттен бастап кірді. Радионуклидтер тау жаныстарында, топырақта, суда кездеседі. Олар белгілі бір деңгейде өсімдіктер, адам үлпасы мөн мүшелерінде және хайуанаттарда да кездеседі.

Аз уақыттан кейін радиоактивті сәулеленудің біртекті емес екендігі және иондаушы және кіру қабілетімен ерекшеленетін сәулеленудің үш түрінің бар екендігі анықталды. Сәулеленудің осы үш түрі грек харіпінің  алғашқы әріптерімен аталды: альфа, бета және гамма. Кейіннен альфа-бөлшектің  гелийдің алты, ондық ядросы; бета-бөлшектің  электрон екендігі, гамма-сәуленің электромагнитті  сәулелену екендігі анықталды.

Радиоактивтік ыдырау кезінде шығатын бөлшек пен  гамма-квант заттармен ықпалдаса  отыра өз энергиясын иондануға жүмсайды. Осы сәулелердің ортақ термин ретінде мына сөздер пайдаланылады: иондаушы сәулелену, иондағыш радиация немесе жай ғана радиация.

Иондаушы  сәулелену - элементті бөлшектер  ағынынан (электрон, протон, нейтрон, позитрон) және электрон магнитті сәулелену кванттарынан түратын сәулелену, олардың заттар мен ықпалдасуы бүл заттарда әр түрлі  заттардың пайда болуына алып келеді.

Радионуклид - атомдық салмағы мен атомдық  заряды бар радиоактивті заттың атомы. Бірдей зарядтары бар, алайда атомдық  салмағы әр түрлі атомдар осы  элементтің изотоптары деп аталады.

Радионуклидтің  ыдырау өнімдерінен басқа иондаушы радиацияға Жерге ғаламдық кеңістіктен  келген ғарыш сәулелері мен электр энергиясын иондаушы сәулеленуге айналдыратын сәулеленудің жасанды көздері жатады (рентген аппараты, элементті бөлшектерді жылдамдатушылар және т.б.). Иондаушы сәулелердің әр түрлі ену қабілеті жоғалған энергияның әр түрлі жылдамдығымен байланысты болып шықты. Альфа бөлшектөр заттармен ықпалдаса отыра өз қозғалысының бойын толық иондайды, сөйтіп энергиясын жылдам жоғалтады. Сондықтан альфа бөлшектердің көптеген заттардағы қозғалысы үлкен емес - олар ауада 3- 8 см өтеді, металда - 10 микрон, ал тіпті тығыз қағаздың бір бет парағы да альфа бөлшекті толығынан ұстайды.

Бета-бөлшектер  үлкен ену қабілетіне ие, ауада  олар 2 метрге дейінгі жолдан өтеді, ал олардың металда жүтылуы үшін қалыңдығы бірнеше миллиметр  қабат жеткілікті.

Гамма-кванттар ауада жүтылмайды, ал олардың ағынының әлсіреуі гамма квант пен жүту материалының энергиясына тығыз  байланысты. Мысалы, цезий - 137 гамма-сәулеленуін  әлсірету үшін қалындығы 30 см алюминий немесе қалындығы 8 см қорғасын қабаты мыңдаған есе қажет. Екінші жағынан  гамма-кванттар (альфа және бета-бөлшектер  сияқты) барлық бағыт бойынша кең  мүмкіндікті көз-дер ретінде шығады. Сондықтан да олардың жиілігі  қашықтық квадратына сәйкес керісінше  азаяды, яғни бір метр қашықтықтағы сәулелену жиілігі 10 см қашықтықтағыдан 100 есе аз болады.

Геохимиялық процестердің нәтижесінде радиоактивті элемент-тер жер қыртысында болуы, табиғи суларға түсуі, желдету процес-теріне қатысуы мүмкін.

Көп жағдайда тау жыныстарындағы уран су бетіне шығып, оны едәуір қашықтыққа айдайды. Барлық табиғи суларда уранның қандай да бір мөлшері кездеседі. Егер судың  жолында уранды жақсы бөлетін  геологиялық ошақ кездессе ол сонда  жинақталады және геологиялық процестердің үлкен созымдылығын ескергөнде (ондаған және жүздегөн мың жылдар) бүл орындардағы уранның жинақталуы айтарлықтай көлемге жетуі мүмкін.

Уранның қайта жинақталуы туралы ғана бірнеше  мысал келтіруге болады. Қазылған көне хайуанаттар сүйектері қатты  байытылған - проценттің он үлесіне  дейін. Кейбір көмір өндіретін орындарда  уран проценттің жүздеген үлесі деңгейіне  дейін жинақталған учаскелерге  түседі. Алайда уранның өзі организмге енгеннің өзінде үлкен радиациялық  қауіп төндірмейді, өйткені оның үлөстік белсенділігі (яғни, белсенділігі бір граммға есептелген) көп емес, ол организмнөн тез ығыстырылады және көп мөлшерде енген жағдайда (бір грамм шамасы) радиоактивтілікке  байланысты химиялық улану басталуы мүмкін.

Ураннан ыдыраған өнімдердің радиациялық қауіптілігі  едәуір жоғары. Олардың арасында радон  бірінші орын алады.

Радон - дәмі мен иісі жоқ түссіз газ, ауадан 7,5 есе ауыр, радийдың ыдырау өнімі  болып табылады. Радон жер қыртысынан біртіндеп бөлінеді, алайда оның сырқы  ауадағы жинақталуы көлемнің әр түрлі  нүктелері үшін елеулі ерекшеліктерімен көрінеді. Топырақ эмиссиясын қоспағанда минералдық тектегі қүрылыс материалдары: қиыршық ақ тас, цемент, кірпіш және т.б. радон көздері бола алады. Барлық жыныстарда уран мен торий кездеседі. Ал кейбір жыныстарда, мысалы гранитте уран көбірек жинақталуы мүмкін. қүрылыс  материалдарына радон радий ыдырағанда пайда болады. Пайда болған радонның бір бөлігі көзге көрінбейтін  тесік арқылы ғимаратқа түседі. Егер ғимарат нашар желдетілсе, ал қүрылыс  материалдары мен топырақ уран мен  радийдың едәуір үлкен мөлшерін бойында  үстаса, онда радон үлкен мөлшерде жиналуы мүмкін. Адамның ғимаратта  едәуір уақыт болатындығын ескергенде, ол ала алатын тиімді сәулелену дозасы кәсіпқойлар алатын доза жүктемесінен асып түсуі мүмкін. Көп жағдайда радонға байланысты дозалық жүктемені  едәуір азайтуға болады. Жертөбелерді қымтау мен желдету топырақтан радонның өтуін айтарлықтай азайтады. Табиғи радиоактивтік элементтер қабырғада көп болса, радонның жиналуын қабырғаны герметикалық бояумен сырлау және қатты желдету арқылы азайтуға болады.

Радиацияның табиғи көздеріне космостық сәуле  жатады. Олар алынатын радиацияның  табиғи көздері дозасының жартысын құрайды.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ІV - тарау. Радиоактивтi сәулелердiң  әсерi.

4.1. Радиоактивтi сәулелердiң  биологиялық әсерi

Радиоактивтi сәулелер өздерi түскен затқа, әсiресе тiрi тканьга өте күштi әсер етедi. Радиоактивтi сәулелердiң организмге әсерi оларда бос химиялық радикалдардың  пайда болуымен және клеткадағы мутациямен байланысты. Ал бұл өте қатерлi. Ол сәуле ауруына немесе қатерлi iсiкке  алып келуi мүмкiн. Иондаушы сәулелердiң  әсерi сәулелену дозасы деп аталатын ерекше шамамен бағаланады.

Сәулелену дозасы D деп сәулелену энергиясының сәулеленген дененiң массасына  қатынасын айтады. Доза бiрлiгi ретiнде  грей деп аталатын шама алынады. Грей деп массасы 1 кг денеге 1 Дж энергия  түскен кезде, шамасы сол затқа жұтылған энергияға тең болатын шаманы айтады.

Жұтылған  сәуле дозасының сәулелену уақытына қатынасын сәулелену дозасының  қуаты деп атайды.

Иондаушы  сәулелердiң кез-келген затқа әсерi бәрiнен бұрын атомдар мен молекулалардың иондалуымен анықталады. Сондықтан  иондаушы сәулеленiң сандық өлшемi ретiнде  экспозициялану дозасы деп аталатын шаманы алады. Ол иондаушы сәуленiң  ауаға әсерiмен анықталады, яғни экспозициялану дозасы деп ауаны  фотондармен сәулелендiру кезiнде  құрғақ ауада туындылайтын бiртектi зарядтардың сол ауа массасына  қатынасын айтады.