Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Радиоактивность. 6

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.

Радиоактивность.
Изотопы.
Радионуклиды.

Заключение.

Список использованных источников.

ВВЕДЕНИЕ

Радиоактивность - отнюдь не новое явление; новизна состоит в том, как люди пытались ее использовать. Ионизирующие излучения существовали на Земле задолго до зарождения на ней жизни и присутствовали в космосе до возникновения самой Земли. Радиоактивные материалы вошли в состав Земли с самого ее рождения. Даже человек слегка радиоактивен, так как во всякой живой ткани присутствуют в следовых количествах радиоактивные вещества. Действие ионизирующей радиации на живой организм интересовало мировую науку с момента открытия и первых же шагов применения радиоактивного излучения. Это неслучайно, так как с самого начала исследователи столкнулись с его отрицательными эффектами. Так, в 1895 году помощник Рентгена В.Груббе получил радиационный ожог рук при работе с рентгеновскими лучами, а французский ученый А.Беккерель, открывший радиоактивность, получил сильный ожог кожи от излучения радия.

Клинические исследования воздействия радиации на человека ведутся уже много лет, но достоверная научная информация по вопросу о действии радиации на человека и окружающую среду очень часто не доходит до населения, которое пользуется поэтому всевозможными слухами. Радиация действительно смертельно опасна. При больших дозах она вызывает серьезнейшие поражения тканей, а при малых может вызвать рак и индуцировать генетические дефекты.

Радиоактивные элементы естественного происхождения присутствуют повсюду в окружающей человека среде. В больших объемах образуются искусственные радионуклиды, главным образом в качестве побочного продукта на предприятиях оборонной промышленности и атомной энергетики. Попадая в окружающую среду, они оказывают воздействия на живые организмы, в чем и заключается их опасность. Для правильной оценки этой опасности необходимо четкое представление о масштабах загрязнения окружающей среды, о выгодах, которые приносят производства, основным или побочным продуктом которых являются радионуклиды, и потерях, связанных с отказом от этих производств, о реальных механизмах действия радиации, последствиях и существующих мерах защиты.

В данном реферате я попытаюсь раскрыть что же такое радиоактивность, изотопы, радионуклиды.

РАДИОАКТИВНОСТЬ.

Радиоактивность (radioactivity) – это самопроизвольное превращение (распад) атомных ядер, приводящее к изменению атомного номера или энергетического состояния ядра.

Радиоактивность можно разделить на два вида: естественную и искусственную. Естественную можно наблюдать у существующих в природе неустойчивых изотопов. Искусственная радиоактивность наблюдается у изотопов которые были получены в результате проведения ядерных реакций.

Различают несколько видов излучений:

1.Альфа-частицы: относительно тяжелые, положительно заряженные частицы, представляющие собой ядра гелия ( 2 протона, 2 нейтрона).

2.Бета-частицы - это просто электроны.

3.Гамма-излучение имеет ту же электромагнитную природу, что и видимый свет, однако обладает гораздо большей проникающей способностью.

4.Нейтроны - электрически нейтральные частицы, возникают главным образом непосредственно вблизи работающего атомного реактора, куда доступ, естественно, регламентирован.

5.Рентгеновское излучение подобно гамма-излучению, но имеет меньшую энергию.

Кстати, наше Солнце - один из естественных источников рентгеновского излучения, но земная атмосфера обеспечивает от него надежную защиту.

Заряженные частицы очень сильно взаимодействуют с веществом, поэтому, с одной стороны, даже одна альфа-частица при попадании в живой организм может уничтожить или повредить очень много клеток, но, с другой стороны, по той же причине, достаточной защитой от альфа- и бета-излучения является любой, даже очень тонкий слой твердого или жидкого вещества - например, обычная одежда (если, конечно, источник излучения находится снаружи).

Следует различать радиоактивность и радиацию. Источники радиации - радиоактивные вещества или ядерно-технические установки (реакторы, ускорители, рентгеновское оборудование и т.п.) – могут существовать значительное время, а радиация существует лишь до момента своего поглощения в каком-либо веществе.

В каких единицах измеряется радиоактивность?

Мерой радиоактивности служит активность. Измеряется в Беккерелях (Бк), что соответствует 1 распаду в секунду. Содержание активности в веществе часто оценивают на единицу веса вещества (Бк/кг) или объема (Бк/куб.м). Также встречается еще такая единица активности, как Кюри (Ки). Это - огромная величина: 1 Ки = 37 000 000 000 Бк. Активность радиоактивного источника характеризует его мощность. Так, в источнике активностью 1 Кюри происходит 37 000 000 000 распадов в секунду. Как было сказано выше, при этих распадах источник испускает ионизирующее излучения. Мерой ионизационного воздействия этого излучения на вещество является экспозиционная доза. Часто измеряется в Рентгенах (Р). Поскольку 1 Рентген - довольно большая величина, на практике удобнее пользоваться миллионной (мкР) или тысячной (мР) долями Рентгена. Действие распространенных бытовых дозиметров основано на измерении ионизации за определенное время, то есть мощности экспозиционной дозы. Единица измерения мощности экспозиционной дозы - микроРентген/час. Мощность дозы, умноженная на время, называется дозой. Мощность дозы и доза соотносятся так же как скорость автомобиля и пройденное этим автомобилем расстояние (путь).

Для оценки воздействия на организм человека используются понятия эквивалентная доза и мощность эквивалентной дозы. Измеряются, соответственно, в Зивертах (Зв) и Зивертах/час. В быту можно считать, что 1 Зиверт = 100 Рентген. Необходимо указывать на какой орган, часть или все тело пришлась данная доза. Можно показать, что упомянутый выше точечный источник активностью 1 Кюри (для определенности рассматриваем источник цезий-137) на расстоянии 1 метр от себя создает мощность экспозиционной дозы приблизительно 0,3 Рентгена/час, а на расстоянии 10 метров - приблизительно 0,003 Рентгена/час. Уменьшение мощности дозы с увеличением расстояния от источника происходит всегда и обусловлено законами распространения излучения.

ИЗОТОПЫ.

Изото́пы (от греч. ισος — «равный», «одинаковый», и τόπος — «место») — разновидности атомов (и ядер) одного химического элемента с разным количеством нейтронов в ядре. Название связано с тем, что изотопы находятся в одном и том же месте (в одной клетке) таблицы Менделеева. Химические свойства атома зависят практически только от строения электронной оболочки, которая, в свою очередь, определяется в основном зарядом ядра Z (то есть количеством протонов в нём) и почти не зависит от его массового числа A (то есть суммарного числа протонов Z и нейтронов N). Все изотопы одного элемента имеют одинаковый заряд ядра, отличаясь лишь числом нейтронов. Обычно изотоп обозначается символом химического элемента, к которому он относится, с добавлением верхнего левого индекса, означающего массовое число (например, 12C, 222Rn). Можно также написать название элемента с добавлением через дефис массового числа (например, углерод-12, радон-222). Некоторые изотопы имеют традиционные собственные названия (например, дейтерий, актинон).

Пример изотопов: 16 17 18

8 О ; 8 О ; 8 О.

Первое доказательство того, что вещества, имеющие одинаковое химическое поведение, могут иметь различные физические свойства, было получено при исследовании радиоактивных превращений атомов тяжёлых элементов. В 1906—07 выяснилось, что продукт радиоактивного распада урана — ионий и продукт радиоактивного распада тория — радиоторий, имеют те же химические свойства, что и торий, но отличаются от него атомной массой и характеристиками радиоактивного распада. Было обнаружено позднее, что у всех трёх продуктов одинаковы оптические и рентгеновские спектры. Такие вещества, идентичные по химическим свойствам, но различные по массе атомов и некоторым физическим свойствам, по предложению английского учёного Ф. Содди, стали называть изотопами.

В технологической деятельности люди научились изменять изотопный состав элементов для получения каких-либо специфических свойств материалов. Например, 235U способен к цепной реакции деления тепловыми нейтронами и может использоваться в качестве топлива для ядерных реакторов или ядерного оружия. Однако в природном уране лишь 0,72 % этого нуклида, тогда как цепная реакция практически осуществима лишь при содержании 235U не менее 3 %. В связи с близостью физико-химических свойств изотопов тяжёлых элементов, процедура изотопного обогащения урана является крайне сложной технологической задачей, которая доступна лишь десятку государств в мире. Во многих отраслях науки и техники (например, в радиоиммунном анализе) используются изотопные метки.

Число радиоактивных ядер одного типа постоянно уменьшается во времени благодаря их распаду.

Скорость распада принято характеризовать периодом полураспада: это время, за которое число радиоактивных ядер определенного типа уменьшится в 2 раза. Абсолютно ошибочной является следующая трактовка понятия "период полураспада": "если радиоактивное вещество имеет период полураспада 1 час, это значит, что через 1 час распадется его первая половина, а еще через 1час - вторая половина, и это вещество полностью исчезнет (распадется)".Для радионуклида с периодом полураспада 1 час это означает, что через 1 час его количество станет меньше первоначального в 2 раза, через 2 часа - в 4,через 3 часа - в 8 раз и т.д., но полностью не исчезнет никогда. В такой же пропорции будет уменьшается и радиация, излучаемая этим веществом. Поэтому можно прогнозировать радиационную обстановку на будущее, если знать, какие и в каком количестве радиоактивные вещества создают радиацию в данном месте в данный момент времени. У каждого радионуклида - свой период полураспада, он может составлять как доли секунды, так и миллиарды лет. Важно, что период полураспада данного радионуклида постоянен, и изменить его невозможно. Образующиеся при радиоактивном распаде ядра, в свою очередь, также могут быть радиоактивными. Так, например, радиоактивный радон-222 обязан своим происхождением радиоактивному урану-238. Иногда встречаются утверждения, что радиоактивные отходы в хранилищах полностью распадутся за 300 лет. Это не так. Просто это время составит примерно 10 периодов полураспада цезия-137, одного из самых распространенных техногенных радионуклидов, и за 300 лет его радиоактивность в отходах снизится почти в 1000 раз, но, к сожалению, не исчезнет.

Пери́од полураспа́да квантово-механической системы (частицы, ядра, атома, энергетического уровня и т. д.) — время T½, в течение которого система распадается с вероятностью 1/2. Если рассматривается ансамбль независимых частиц, то в течение одного периода полураспада количество выживших частиц уменьшится в среднем в 2 раза. Термин применим только к экспоненциально распадающимся системам.

Не следует считать, что за два периода полураспада распадутся все частицы, взятые в начальный момент. Поскольку каждый период полураспада уменьшает число выживших частиц вдвое, за время 2T½ останется четверть от начального числа частиц, за 3T½ — одна восьмая и т. д. Вообще, доля выживших частиц (или, точнее, вероятность выживания p для данной частицы) зависит от времени t следующим образом:

Период полураспада, среднее время жизни τ и константа распада λ связаны следующими соотношениями, полученными из закона радиоактивного распада:

Поскольку ln2 = 0,693… , период полураспада примерно на 30 % короче, чем среднее время жизни.

Иногда период полураспада называют также полупериодом распада.

На практике период полураспада определяют, измеряя активность исследуемого препарата через определенные промежутки времени. Учитывая, что активность препарата пропорциональна количеству атомов распадающегося вещества, и воспользовавшись законом радиоактивного распада, можно вычислить период полураспада данного вещества.

РАДИОНУКЛИДЫ.

Радионуклиды - радиоактивные атомы с данным массовым числом и атомным номером а для изомерных атомов - и с определенным энергетическим состоянием атомного ядра. Атомы являются сложными системами, состоящими из частиц - волн трех категорий: протонов и нейтронов в ядре атома и электронов окружающих ядро и образующих электронную оболочку. На ядро приходится почти вся масса атома. Общее число протонов и нейтронов (нуклонов) составляет массу нуклида. Некоторые могут находиться в различных ядерно-энергетических состояниях. Одно из этих состояний представляют изотопы - нуклиды с одинаковым числом протонов, другое - изобары - атомы с различным числом протонов и нейтронов, но с одинаковым массовым числом.

Радионуклиды широко применяются в народном хозяйстве, технике, науке и медицине. С их помощью изучают физиологические и биохимические процессы в норме и при патологии, а так же закономерности миграции и обмена химических элементов в окружающей среде, организме животных и человека. Получены данные о закономерностях рассеяния искусственных и естественных радионуклидов в общепланетарном масштабе и поведении их в отдельных экологических системах, о процессах круговорота веществ и энергии, взаимодействия природных сфер (атмосфер гидросферы, суши) между собой.

В медицинской практике радионуклиды применяют для лечения и диагностики различных заболеваний, а так же для радиационной стерилизации медицинских изделий, материалов, медикаментов. В клинике используют радиодиагностические и радиотерапевтические препараты (открытые радиофармацевтические препараты) и закрытые радиоизотопные источники излучения.

Знакомство практического врача с радионуклидными особенностями их биологического действия необходимо в связи с реальной возможностью радиоактивного загрязнения местности в результате аварий на ядерных производствах, как это имело место на Чернобыльской АЭС, когда огромные контингенты населения подверглись воздействию самых разнообразных радионуклидов.

Радиоактивные изотопы – это радионуклиды определенных элементов. Поэтому их обозначают символами соответствующих химических элементов вверху слева ставят массовое число, например, химические символы радиоактивных изотопов магния (Mg) имеющего Р. с массовыми числами 20, 21, 22, 23, 27, 28, - 20Mg, 21Mg, 22Mg, 23Mg, 27Mg, 28Mg. Все Р. делятся на естественные, или природные, и искусственные, получаемые при ядерных реакциях. Число естественных радионуклидов сравнительно невелико (100); искусственные Р. получены у всех без исключения элементов периодической системы, число их приближается к 1500, что не является пределом.

Практически устойчивыми считают все элементы периодической системы Д.И. Менделеева, начиная от водорода (Н), значащегося под № 1, и кончая висмутом (Bi), значащимся под № 83, за исключением технеция (Тс) - № 43 и прометия (Рм) - № 61. Все элементы, следующие за висмутом, радиоактивны.

Среди практически устойчивых элементов есть ряд элементов, природные атомы которых в той или иной степени радиоактивны, - это калий (К), рубидий (Rb), индий (In), лантан (La), самарий (Sm), лютеций (Lu) и рений (Re).

Естественные Р. связаны друг с другом генетическим родством и образуют так называемые ряды, или семейства. В каждом семействе процесс распада, начавшись с ядра-прародителя и пройдя через целую серию промежуточных дочерних ядер, также нестойких, заканчивается на устойчивом нерадиоактивном ядре - потомке. Ядра-прародители: атом урана (U) с массой 238, возглавляющий радиоактивное семейство урана; атом тория (Th) с массой 232, атом урана с массой 235, называвшийся ранее актиноураном. Конечные ядра, являющиеся продуктами многоступенчатых превращений в этих семействах, - ядра изотопов свинца (Pb) с массой 206, 208, 207.

Известно несколько видов радиоактивных превращений. a-Распад - самопроизвольное превращение ядер, сопровождающееся испусканием (a-частиц, т. е. двух протонов и двух нейтронов, образующих ядро 42Не. В результате заряд исходного ядра уменьшается на 2, а общее число нуклидов, или массовое число, - на 4 единицы (например, 22688Ra ® 22288Ra + 4Не).

b-Распад - самопроизвольное превращение ядер, при котором заряд исходного ядра изменяется на единицу, а массовое число остается тем же. b-Распад представляет собой взаимопревращение входящих в состав ядра протонов и нейтронов, сопровождающееся испусканием или поглощением электронов (е-) или позитронов (е+), а также нейтрино (n) и антинейтрино (n) Существует три вида b-распада: 1) электронный; 2) позитронный; 3) электронный захват. При b-распаде происходят взаимные превращения протонов и нейтронов до достижения наиболее выгодного соотношения протонов и нейтронов, обеспечивающего устойчивое содержание ядра.

Естественные радионуклиды, содержащиеся в горных породах, водоемах и почвах, вместе с космическим излучением являются источниками внешнего радиационного фона. 40К и радионуклиды урана и тория, которые находятся в организме в равновесных концентрациях в результате поступления с пищей, питьевой водой и атмосферным воздухом, являются источниками внутреннего облучения. За счет естественных радионуклидов, содержащихся в строительных материалах, выбросах электростанций в результате сжигания ископаемого топлива, светосоставах некоторых приборов и часов, формируется техногенный радиационный фон.

Искусственные радионуклиды получают на ядерных реакторах и ускорителях заряженных частиц. Уже синтезированы заурановые элементы (№ 93-103). Элементом № 103 (лоуренсием) заканчивается серия элементов под названием «актиниды». Искусственным путем были получены курчатовий - 260104Ku, нильсборий - 261(260) Ns. Последний по химическим свойствам является аналогом тантала (Та).

Радионуклиды различаются физическим периодом полураспада, (Т1/2ф - время, в течение которого число ядер данного радионуклида в результате самопроизвольных ядерных превращений уменьшается в 2 раза), видом распада, энергией частиц, удельной активностью и удельной массой. Активность нуклида в радиоактивном источнике в системных единицах измеряется к беккерелях (Бк); внесистемной единицей является кюри (ku): 1 ku = 3,7 1010Бк.

Каждый Р. определяет особенности макро- и микрогеометрии передачи энергии излучения в клетках и тканях, а также реакцию организма на лучевое воздействие. Радионуклиды поступают в организм через органы дыхания, пищеварительный тракт, кожу, царапины, раны, ожоговую поверхность. Наиболее реальными источниками поступления радионуклидов являются воздух, зараженный радиоактивными газами и аэрозолями, а также продукты питания и вода. Величина коэффициента резорбции (всасывания) радионуклида из места его поступления, а также дальнейшее поведение в организме определяются химическими свойствами элементов (растворимостью, способностью к гидролизу), физико-химическим состоянием, сродством элементов и их соединений тканям и физиологическими факторами.

По характеру распределения в организме радионуклиды условно делят на 4 группы: 1) сравнительно равномерно распределяющиеся (134Cs, 137Cs, 24Na, 106Ru, 210Ро, 95Nb, 14С, 32S); 2) остеотропные (89Sr, 90Sr, 140Ва, 226Ra, 224Ra, 40Са, 90Y, 91Y); 3) накапливающиеся преимущественно в органах ретикулоэндотелиальной системы и скелете (144Се, 147Pm, 241Am, 238Pu, 239Pu, 227As, 140La); 4) избирательно накапливающиеся в отдельных органах и тканях (радиоактивные изотопы йода - в щитовидной железе, 59Fe - в эритроцитах, 65Zn - в поджелудочной железе, 99Мо - в радужной оболочке глаза). Наибольшее количество радионуклидов выделяется через желудочно-кишечный тракт, особенно плохо из него всасывающиеся трансурановые элементы, лантаноиды. Растворимые соединения, а также радионуклиды с равномерным типом распределения (тритий, цезий) выделяются через почки. Основное количество газообразных веществ выводится через кожу и легкие. Наибольшее количество радионуклидов выделяется в первые дни после поступления. Длительно задерживаются радионуклиды с большой атомной массой, находящиеся в организме и коллоидном состоянии (210Po, 226Ra, 238U) и редкоземельные элементы радионуклидов, образующие коллоидные комплексы с белками, поступают в печень и выводятся с желчью. Скорость обмена радионуклидов в тканях характеризуется биологическим периодом полувыведения - временем, в течение которого выводится половина поступившего в организм радиоактивного вещества (Т1/2б). Фактическая убыль радионуклидов из организма измеряется эффективным периодом полувыведения (Т1/2эф) - временем освобождения организма от половины депонированного вещества путем биологического выведения и физического распада. Это сложный процесс, т.к. в отдельных органах радионуклиды имеют свой Т1/2б, который может существенно отличаться от такового во всем теле. Например, 131I в щитовидной железе и во всем теле имеет Т1/2б = 138 сут., в почках - 7 сут., в костях - 14 сут. Кроме того, в одном и том же органе Р. может иметь несколько Т1/2б. В табл. приведены величины физического, биологического и эффективного Т1/2б некоторых Р. для человека.

Воздействие радионуклидов в количествах (дозах), превышающих предельно допустимые величины, ведет к развитию лучевой болезни с преимущественным поражением органов депонирования или всего организма (при поражении равно мерно распределяющимися радионуклидами, например, 3Н или 137Cs). В зависимости от количества, пути и длительности поступления радионуклидов возможно развитие острых, подострых и хронических радиационных эффектов, а также отдаленных последствий.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Разнообразные изотопы химических элементов находят широкое применение в научных исследованиях, в различных областях промышленности и сельского хозяйства, в ядерной энергетике, современной биологии и медицине, в исследованиях окружающей среды и других областях. В научных исследованиях (например, в химическом анализе) требуются, как правило, небольшие количества редких изотопов различных элементов, исчисляемые граммами и даже миллиграммами в год. Вместе с тем, для ряда изотопов, широко используемых в ядерной энергетике, медицине и других отраслях, потребность в их производстве может составлять многие килограммы и даже тонны. Так, в связи с использованием тяжелой воды D2O в ядерных реакторах ее общемировое производство к началу 1990-х прошлого века составляло около 5000 т в год. Входящий в состав тяжелой воды изотоп водорода дейтерий, концентрация которого в природной смеси водорода составляет всего 0,015%, наряду с тритием станет в будущем, по мнению ученых, основным компонентом топлива энергетических термоядерных реакторов, работающих на основе реакций ядерного синтеза . В этом случае потребность в производстве изотопов водорода окажется огромной.

В научных исследованиях стабильные и радиоактивные изотопы широко применяются в качестве изотопных индикаторов (меток) при изучении самых различных процессов, происходящих в природе.

В сельском хозяйстве изотопы («меченые» атомы) применяются, например, для изучения процессов фотосинтеза, усвояемости удобрений и для определения эффективности использования растениями азота, фосфора, калия, микроэлементов и др. веществ.

Изотопные технологии находят широкое применение в медицине. Так в США, согласно статистическим данным, проводится более 36 тыс. медицинских процедур в день и около 100 млн. лабораторных тестов с использованием изотопов. Наиболее распространены процедуры, связанные с компьютерной томографией. Изотоп углерода C13, обогащенный до 99% (природное содержание около 1%), активно используется в так называемом «диагностическом контроле дыхания». Суть теста очень проста. Обогащенный изотоп вводится в пищу пациента и после участия в процессе обмена веществ в различных органах тела выделяется в виде выдыхаемого пациентом углекислого газа СО2, который собирается и анализируется с помощью спектрометра. Различие в скоростях процессов, связанных с выделением различных количеств углекислого газа, помеченных изотопом С13, позволяют судить о состоянии различных органов пациента. В США число пациентов, которые будут проходить этот тест, оценивается в 5 млн. человек в год. Сейчас для производства высоко обогащенного изотопа С13 в промышленных масштабах используются лазерные методы разделения.