Активность радиоактивного вещества. Применение радиоактивных изотопов. Презентация на тему "использование радиоактивности"

Явление радиоактивности и его использование в отраслях науки, промышленности и в медицине

Подготовил: учащийся

школы № 26 г. Владимир

Хруполов К.

Еще одна загадка природы

Конец 19 и начало 20 веков были исключительно богаты головокружительными открытиями и изобретениями, о которых люди могли только мечтать. Идея о возможности получения неисчерпаемой энергии, заключенной в ничтожно малом количестве вещества жила в тайниках человеческой мысли.

Известным ученым того времени был Беккерель, который поставил перед собой цель разгадать природу таинственного свечения некоторых веществ под влиянием солнечного излучения. Беккерель собирает огромную коллекцию светящихся химических веществ и природных минералов.

Цель работы

• Изучение понятия радиоактивности, ее открытие.

• Выяснить, как применяются радиоактивные изотопы в науке, промышленности и медицине.

• Определить ценность явления радиоактивности в мире.

Явление радиоактивности

Радиоактивность-способность некоторых атомных ядер самопроизвольно превращаться в другие ядра с испусканием различных видов радиоактивных излучений и элементарных частиц.

Как же использовать явление радиоактивности?

Применение радиоактивности в медицине

Радиотерапия-использование сильного излучения для уничтожения раковых клеток.

Радиоактивный йод накапливается в щитовидной

железе, определяет нарушения функций и

применяется при лечении базедовой болезни.

Меченый по натрию физиологический раствор измеряет скорость кровообращения, определяет проходимость кровеносных сосудов конечностей.

Радиоактивный фосфор измеряет объем крови, лечит от эритремии.

Применение радиоактивности 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. Мощное гамма-излучение радиоактивных препаратов используют для исследования внутренней структуры металлических отливок с целью обнаружения в них дефектов.

Применение радиоактивности в сельском хозяйстве

Облучение семян растений небольшими дозами гамма-лучей от радиоактивных препаратов приводит к заметному увеличению урожайности. Применение получили «меченые атомы» в агротехнике. Например, чтобы выяснить, какое из фосфорных удобрений лучше усваивается растением, помечают различные удобрения радиоактивным фосфором Р. Исследуя затем растения на радиоактивность, можно определить количество усвоенного ими фосфора из разных сортов удобрения.

Открытие явления радиоактивности.

Открытие явления радиоактивности можно отнести к числу наиболее выдающихся открытий современной науки. Именно благодаря ему человек смог значительно углубить свои познания в области структуры и свойств материи, понять закономерности многих процессов во Вселенной, решить проблему овладения ядерной энергией.

Потенциал великой науки

До момента открытия радиоактивности ученые считали,что им были известны все физические явления и открывать нечего.

Есть ли вероятность,что в мире есть что-то еще,не известное человечеству?
Содержание

Введение 3
1 Радиоактивность 5
1.1 Типы радиоактивного распада и радиоактивного излучения 5
1.2 Закон радиоактивного распада 7
1.3 Взаимодействие радиоактивного излучения с веществом и счетчики
излучения 8
1.4 Классификация источников радиоактивного излучения и радиоактивных изотопов 10
2 Методики анализа, основанные на измерении радиоактивности 12
2.1 Использование естественной радиоактивности в анализе 12
2.2 Активационный анализ 12
2.3 Метод изотопного разбавления 14
2.4 Радиометрическое титрование 14
3 Применение радиоактивности 18
3.1 Применение радиоактивных индикаторов в аналитической химии 18
3.2 Применение радиоактивных изотопов 22
Заключение 25
Список использованных источников 26

Введение

метод осаждения в присутствии радиоактивного элемента;
метод изотопного разбавления;
радиометрическое титрование;
активационный анализ;
определения, основанные на измерении радиоактивности изотопов, встречающихся в природе.

1 Радиоактивность

1.1 Типы радиоактивного распада и радиоактивного излучения

В соответствии с законом радиоактивного смещения, при?-распаде получается атом, порядковый номер которого на две единицы, а атомная масса на четыре единицы меньше, чем у исходного атома.
2) ?-Распад. Различают несколько видов?- распада: электронный?-распад; позитронный?-распад; К-захват. При электронном?-распаде, например,

Sn > Y + ? - ;
P > S + ? - .

Нейтрон внутри ядра превращается в протон. При испускании отрицательно заряженной?-частицы порядковый номер элемента возрастает на единицу, а атомная масса практически не меняется.
При позитронном?-распаде из атомного ядра выделяется позитрон (? + -частица), а потом внутри ядра превращается в нейтрон. Например:

Продолжительность жизни позитрона невелика, так как при столкновении его с электроном происходит аннигиляция, сопровождающаяся испусканием?-квантов.
При К-захвате ядро атома захватывает электрон из близлежащей электронной оболочки (из К-оболочки) и один из протонов ядра превращается в нейтрон.
Например,
Cu >Ni+n
K + e - = Ar + hv

На свободное место в К-оболочке переходит один из электронов внешней оболочки, что сопровождается испусканием жёсткого рентгеновского излучения.
3) Спонтанное деление. Оно характерно для элементов периодической системы Д. И. Менделеева с Z > 90. При спонтанном делении тяжёлые атомы делятся на осколки, которыми обычно являются элементы середины таблицы Л. И. Менделеева. Спонтанное деление и?-распад ограничивают получение новых трансурановых элементов.
Поток? и?-частиц называют соответственно? и?-излучением. Кроме того, известно?-излучение. Это электромагнитные колебания с очень короткой длиной волны. В принципе, ?-излучение близко к жёсткому рентгеновскому и отличается от него своим внутриядерным происхождением. Рентгеновское излучение при переходах в электронной оболочке атома, а?-излучение испускает возбуждённые атомы, получившиеся в результате радиоактивного распада (? и?).
В результате радиоактивного распада получаются элементы, которые по заряду ядер (порядковому номеру) должны быть помещены в уже занятые клетки периодической системы элементами с таким же порядковым номером, но другой атомной массой. Это так называемые изотопы. По химическим свойствам их принято считать неразличимыми, поэтому смесь изотопов обычно рассматривается как один элемент. Неизменность изотопного состава в подавляющем большинстве химических реакций иногда называют законом постоянства изотопного состава. Например, калий в природных соединениях представляет собой смесь изотопов, на 93,259% из 39 К, на 6,729% из 41 К и на 0,0119% из 40 К (К-захват и?-распад). Кальций насчитывает шесть стабильных изотопов с массовыми числами 40, 42, 43, 44, 46 и 48. В химико-аналитических и очень многих других реакциях это соотношение сохраняется практически неизменным, поэтому для разделения изотопов химической реакции обычно не применяются. Чаще всего для этой цели используются различные физические процессы – диффузия, дистилляция или электролиз.
Единицей активности изотопа является беккерель (Бк), равный активности нуклида в радиоактивном источнике, в котором за время 1с происходит один акт распада.

1.2 Закон радиоактивного распада

Если t = 0, то и, следовательно, const = -lg N 0 . Окончательно

Где А – активность в момент времени t; А 0 – активность при t = 0.
Уравнения (1.3) и (1.4) характеризуют закон радиоактивного распада. В кинетике они известны как уравнения реакции первого порядка. В качестве характеристики скорости радиоактивного распада обычно указывают период полураспада T 1/2 , который так же, как и?, является фундаментальной характеристикой процесса, не зависящей от количества вещества.
Периодом полураспада называют промежуток времени, в течение которого данное количество радиоактивного вещества уменьшается наполовину.
Период полураспада различных изотопов существенно различен. Он находится примерно от 10 10 лет до ничтожных долей секунды. Конечно, вещества, имеющие период полураспада 10 – 15 мин. и меньше, использовать в лаборатории трудно. Изотопы с очень большим периодом полураспада также нежелательны в лаборатории, так как при случайном загрязнении этими веществами окружающих предметов потребуется специальная работа по дезактивации помещения и приборов.

1.3 Взаимодействие радиоактивного излучения с веществом и счетчики

излучения

1.4 Классификация источников радиоактивного излучения и

радиоактивных изотопов

2 Методики анализа, основанные на измерении радиоактивности

2.1 Использование естественной радиоактивности в анализе

2.2 Активационный анализ

Нейтроны вступают в ядерную реакцию с компонентами анализируемой пробы, например:
55 Mn + n = 56 Mn или Mn (n,?) 56 Mn
Радиоактивный 56 Mn распадается с периодом полураспада 2,6 ч:

56 Mn > 56 Fe +

Для получения информации о составе образца некоторое время измеряют его радиоактивность и анализируют полученную кривую (рисунок 2.1). При проведении такого анализа необходимо располагать надёжными данными о периодах полураспада различных изотопов, чтобы провести расшифровку суммарной кривой.

Рисунок 2.1 - Уменьшение радиоактивности во времени

Другим вариантом активационного анализа является метод?-спектроскопии, основанный на измерении спектра?-излучения образца. Энергия?-излучения является качественной, а скорость счёта – количественной характеристикой изотопа. Измерения производят с помощью многоканальных?-спектрометров со сцинтилляционными или полупроводниковыми счётчиками. Это значительно более быстрый и специфичный, хотя и несколько менее чувствительный метод анализа, чем радиохимический.
Важным достоинством активационного анализа является его низкий предел обнаружения. С его помощью может быть обнаружено при благоприятных условиях до 10 -13 – 10 -15 г вещества. В некоторых специальных случаях удавалось достигнуть ещё более низких пределов обнаружения. Например, с его помощью контролируют чистоту кремния и германия в промышленности полупроводников, обнаруживая содержание примесей до 10 -8 – 10 -9 %. Такие содержания никаким другим методом, кроме активационного анализа определить невозможно. При получении тяжёлых элементов периодической системы, таких, как менделевий и курчатовий, исследователям удавалось считать почти каждый атом полученного элемента.
Основным недостатком активационного анализа является громоздкость источника нейтронов, а также нередко длительность самого процесса получения результатов.

2.3 Метод изотопного разбавления

2.4 Радиометрическое титрование

Изменение активности в ходе этого титрования можно видеть на рисунке 2.2, а. Здесь же показано графическое определение точки эквивалентности. До точки эквивалентности активность раствора будет резко убывать, так как радиоактивный из раствора будет переходить в осадок. После точки эквивалентности активность раствора будет оставаться практически постоянной и очень небольшой.
Как видно из рисунка 2.2, б, добавление гидрофосфата к раствору до точки эквивалентности практически не будет вызывать увеличения активности раствора, так как радиоактивный изотоп будет переходить в осадок. После точки эквивалентности активность раствора начинает возрастать пропорционально концентрации гидрофосфата.

А) - изменение активности раствора фосфата, содержащего при титровании раствором; б) - изменение активности раствора при титровании фосфатом, содержащим.
Рисунок 2.2 - Типы кривых радиометрического титрования

Реакции радиометрического титрования должны удовлетворять требованиям, обычно предъявляемым к реакциям титриметрического анализа (скорость и полнота протекания реакции, постоянство состава продукта реакции и т. д.). Очевидным условием применимости реакции в данном методе является также переход продукта реакции из анализируемого раствора в другую фазу, с тем, чтобы устранить помехи при определении активности раствора. Этой второй фазой часто является образующийся осадок. Известны методики, где продукт реакции экстрагируется органическим растворителем. Например, при титровании многих катионов дитизоном в качестве экстрагента применяют хлороформ или тетрахлорид углерода. Применение экстрагента позволяет более точно установить точку эквивалентности, так как в этом случае её определения можно измерять активность обеих фаз.

2.5 Эффект Мессбауэра

Эффект открыт в 1958 г. Р. П. Мессбауэром. Под этим названием часто объединяют явления испускания, поглощения и рассеяния?-квантов ядрами атомов без затраты энергии на отдачу ядер. Обычно исследуется поглощение?-излучения, поэтому эффект Мессбауэра часто называют также?-резонансной спектроскопией (ГРС).
При испускании?-квантов ядро атома возвращается в нормальное состояние. Однако энергия испускаемого излучения будет определяться не только разностью энергетических состояний ядра в возбужденном и нормальном состояниях. Вследствие закона сохранения импульса ядро испытывает так называемую отдачу. Это приводит к тому, что в случае газообразного атома энергия испускаемого излучения будет меньше, чем в случае, когда излучатель будет находиться в твердом теле. В последнем случае потери энергии на отдачу уменьшаются до пренебрежимо малого значения. Таким образом, ?-кванты излучения, испускаемого без отдачи, могут поглощаться невозбужденными атомами того же элемента. Однако различие в химическом окружении ядра-излучателя и ядра-поглотителя вызывает некоторую разницу в энергетических состояниях ядер, достаточную, чтобы резонансное поглощение?-квантов не происходило. Разницу в энергетических состояниях ядер количественно компенсируют с помощью эффекта Допплера, в соответствии с которым частота излучения (в данном случае энергия?-квантов) зависит от скорости движения. При некоторой скорости движения излучателя (или поглотителя, так как значение имеет лишь их относительная скорость перемещения) наступает резонансное поглощение. Зависимость интенсивности поглощения?-квантов от скорости движения называют спектром Мессбауэра. Типичный мессбауэровский спектр представлен на рисунке 2.3, где в качестве меры интенсивности поглощения отложена обратно пропорциональная ей скорость счета.

Рисунок 2.3 - Мессбауэровский спектр поглощения

Скорость перемещения образца или излучателя обычно не превышает нескольких сантиметров в секунду. Спектр Мессбауэра являетсся очень важной характеристикой вещества. Он позволяет судить о природе химической связи в исследуемых соединениях, их электронной структуре и других особенностях и свойствах.

3 Применение радиоактивности

3.1 Применение радиоактивных индикаторов в аналитической химии

Где - радиоактивность образца, выраженная в беккерелях, а - масса образца определяемого вещества, в котором равномерно распределен радионуклид, остается постоянной как для всего образца, так и для любой его части.
Рассмотрим опыт по определению давления паров такого крайне труднолетучего и тугоплавкого металла, как вольфрам. В качестве метки можно использовать искусственно получаемый?-радиоактивный вольфрам-185. Приготовим металлический вольфрам, содержащий эту метку, и определим его удельную активность. Далее соберем пары металла, испарившиеся с поверхности вольфрама при выбранной температуре и содержавшиеся в определенном объеме пара. В тех же условиях, в которых определяли, найдем активность этих паров. Очевидно, что масса паров

Далее, зная объем паров, можно найти их плотность при температуре опыта, а затем, используя сведения о составе пара, и их давление.
Аналогичным образом с помощью радиоактивной метки можно найти концентрацию какого-либо вещества в растворе и определить, например, его концентрацию в насыщенном растворе. Сходным образом можно найти массу вещества, как оставшуюся после экстракции в водной среде, так и перешедшую в органическую фазу. Далее удается рассчитать коэффициенты распределения между фазами экстрагируемого вещества (здесь применение радиоактивных индикаторов важно тогда, когда коэффициенты распределения очень высоки и других аналитических методов определения сверхнизких количеств экстрагируемого вещества, оставшегося в водной фазе, нет).
Оригинально использование радиоактивных индикаторов в методе изотопного разбавления. Пусть нужно определить содержание какой-либо аминокислоты в смеси сходных по свойствам аминокислот, причем химическими методами выполнить полное (количественное) разделение аминокислот нельзя, но есть способ, позволяющий выделить из смеси в чистом виде небольшую долю этой аминокислоты (например, с помощью хроматографии). Сходная проблема возникает при определении содержания какого-либо лантаноида в смеси лантаноидов и при определении того, в каких именно химических формах содержится тот или иной элемент в природе, например в речной или морской воде.
Воспользуемся для определения общего содержания иода в морской воде порцией иодид-ионов массой и активностью. Введем эти меченые иодид-ионы в анализируемую пробу и нагреем ее для того, чтобы радиоактивная метка равномерно распределилась по всем содержащим иод химическим формам, находящимся в морской воде (такими формами в данном случае служат иодид-, иодат-, и периодат-ионы). Далее с помощью нитрата серебра выделим небольшую часть иодид-ионов в виде осадка AgI и определим его массу и радиоактивность. Если общее содержание иода в пробе равно, то оказывается, что

Используя несколько отличающуюся методику, можно найти содержание иода в морской воде в форме иодид-ионов. Для этого после введения радиоактивной метки в пробу следует создать такие условия, при которых изотопный обмен (обмен атомами иода) между иодид-ионами и другими содержащими иод формами (иодат- и периодат-ионами) не протекает (для этого надо использовать холодный раствор с нейтральной средой). Выделив далее из морской воды небольшую порцию иодид-ионов с помощью осадителя - нитрата серебра в виде AgI (масса порции) и измерив ее радиоактивность, по формуле (3.5) можно найти содержание иодид-ионов в образце.

На использовании радиоактивных атомов основан и такой универсальный чрезвычайно чувствительный метод аналитической химии, как активационный анализ. При выполнении активационного анализа необходимо с помощью подходящей ядерной реакции активировать атомы определяемого элемента в пробе, то есть сделать их радиоактивными. Чаще всего активационный анализ выполняют с использованием нейтронного источника. Если, например, необходимо найти содержание в твердой породе редкоземельного элемента диспрозия Dy, то поступают следующим образом.
Сначала готовят серию образцов, содержащих известные различные количества Dy (взятого, например, в форме DyF 3 или Dy 2 O 3 - атомы кислорода и фтора нейтронами не активируются). Эти образцы в одинаковых условиях облучают одним и тем же нейтронным потоком. Необходимый для этих экспериментов источник нейтронов представляет собой небольшую (размером с авторучку) ампулу, в которой находится материал, испускающий нейтроны (например, смесь америция-241 и бериллия). Безопасно хранить такой источник нейтронов можно, поместив его в отверстие, сделанное в центре парафинового блока размером с ведро для воды.
Для облучения образцы с известным содержанием диспрозия размещают в лунки, имеющиеся в парафиновом блоке и расположенные на одинаковом расстоянии от источника (рисунок 3.1).

1 – парафиновый блок, 2 – ампульный источник нейтронов,
3 – облучаемые образцы.
Рисунок 3.1 – Схема проведения нейтронного активационного анализа

В такие же лунки размещают и пробы анализируемой породы. Под воздействием нейтронов в образцах протекает ядерная реакция 164 Dy(n, g) 165 Dy. Через определенное время (например, через 6 ч) все образцы вынимают из лунок и их активности измеряют в одинаковых условиях. По данным измерений активности препаратов строят калибровочный график в координатах "содержание диспрозия в пробе - активность препарата", и по нему находят содержание диспрозия в анализируемом материале (рисунок 3.2).

Рисунок 3.2 – График зависимости регистрируемой активности/активированных нейтронами образцов от массы m диспрозия в образцах. В анализируемом образце около 3мкг диспрозия

Метод активационного анализа хорош не только высокой чувствительностью. Так как излучение образующихся при активации радионуклидов различается по виду и энергии, при использовании спектрометрической радиометрической аппаратуры оказывается возможным определять в пробе после ее активации одновременно до 10-15 элементов.
И еще одно важное достоинство активационного анализа: часто образующиеся в результате активации нейтронами радионуклиды довольно быстро распадаются, так что спустя некоторое время анализируемый объект оказывается нерадиоактивным. Таким образом, во многих случаях активационный анализ - это анализ, не связанный с разрушением анализируемого объекта. Это особенно важно, когда речь идет об определении состава археологических находок, метеоритов и других уникальных образцов.

3.2 Применение радиоактивных изотопов

Введение……………………………………………………………………3

Применение радиоактивных источников в различных

сферах деятельности человека………………………………………………………….3

Химическая промышленность

Городское хозяйство

Медицинская промышленность

Радиационная стерилизация изделий и материалов

Производство радиоизотопных электрокардиостимуляторов

Предпосевное облучение семян и клубней

Радиоизотопная диагностика (введение в организм радиоактивного препарата)

Радиоактивные отходы, проблемы их захоронения…………………..8

Неразработанность метода……………………………………………………………....12

Давление внешних обстоятельств……………………………………………………....13

Принятие решений и технологическая сложность проблемы………………………...13

Неопределённость концепции…………………………………………………………...14

Список литературы……………………………………………………….16

Введение

В настоящее время трудно найти отрасль науки, техники, промышленности, сельского хозяйства и медицины, где бы не применялись источники радиоактивности (радиоактивные изотопы). Искусственные и естественные радиоактивные изотопы – мощный и тонкий инструмент для создания чувствительных способов анализа и контроля в промышленности, уникальное средство для медицинской диагностики и лечения злокачественных опухолевых заболеваний, эффективное средство воздействия на различные вещества, в том числе органические. Наиболее важные результаты получены при использовании изотопов как источников излучения. Создание установок с мощными источниками радиоактивного излучения позволило использовать его для контроля и управления технологическими процессами; технической диагностики; терапии заболеваний человека; получения новых свойств веществ; преобразования энергии распада радиоактивных веществ в тепловую и электрическую и др. Наиболее часто для этих целей используются такие изотопы как ⁶⁰CO, ⁹⁰Sr, ¹³⁷Cs и изотопы плутония. Для недопущения разгерметизации источников к ним предъявляются жёсткие требования по механической, термической и коррозийной устойчивости. Это обеспечивает гарантию сохранения герметичности в течение всего периода эксплуатации источника.

Применение радиоактивных источников в различных сферах деятельности человека.

Химическая промышленность

Радиационно-химическое модифицирование полиамидного полотна для придания ему гидрофильных и антистатических свойств.

Модифицирование текстильных материалов для получения шерстоподобных свойств.

Получение хлопчатобумажных тканей с антимикробными свойствами.

Радиационное модифицирование хрусталя для получения хрустальных изделий различного цвета.

Радиационная вулканизация резинотканевых материалов.

Радиационное модифицирование полиэтиленовых труб для повышения термостойкости и стойкости к агрессивным средам.

Отвердение лакокрасочных покрытий на различных поверхностях.

Деревообрабатывающая промышленность

В результате облучения мягкое дерево приобретает значительно низкую способность сорбировать воду, высокую стабильность геометрических размеров и более высокую твёрдость (изготовление мозаичного паркета).

Городское хозяйство

Радиационная очистка и обеззараживание сточных вод.

Медицинская промышленность

Радиационная стерилизация изделий и материалов

Номенклатура радиационно-стерилизуемой продукции включает свыше тысячи наименований, в том числе шприцы одноразового пользования, системы службы крови, медицинский инструментарий, шовные и перевязочные материалы, различные протезы, применяемые в сердечно-сосудистой хирургии, травматологии и ортопедии. Основное преимущество радиационной стерилизации состоит в том, что она может осуществляться непрерывно с большой производительностью. Пригодна для стерилизации готовой продукции, упакованной в транспортную тару или вторичную упаковку, а также применима для стерилизации термолабильных изделий и материалов.

Производство радиоизотопных электрокардиостимуляторов с источниками питания на основе ²³⁸Pu. Имплантируемые в организм человека, они применяются для лечения различных нарушений ритма сердца, не поддающихся медикаментозному воздействию. Применение радиоизотопного источника питания повышает их надёжность, увеличивает срок службы до 20-ти лет, возвращает больных к нормальной жизнедеятельности за счёт сокращения числа повторных операций по вживлению электрокардиостимулятора.

Сельское хозяйство и пищевая промышленность

Сельское хозяйство – важная область применения ионизирующих излучений. К настоящему времени в практике сельского хозяйства и научных исследованиях сельскохозяйственного профиля можно выделить следующие основные направления использования радиоизотопов:

Облучение с/х объектов (в первую очередь – растений) малой дозой в целях стимуляции их роста и развития;

Применение ионизирующих излучений для радиационного мутагенеза и селекции растений;

Использование метода лучевой стерилизации для борьбы с насекомыми – вредителями с/х растений.

Предпосевное облучение семян и клубней (пшеница, ячмень, кукуруза, картофель, свекла, морковь) приводит к улучшению посевных качеств семян и клубней, ускорению процессов развития растений (скороспелость), повышает устойчивость растений к неблагоприятным факторам среды.

В области селекции проводятся исследования по мутагенезу. Целью является отбор макромутаций для выведения высокоурожайных сортов. Представляющие интерес радиационные мутанты уже получены для более чем 50-ти культур.

Применение ионизирующих излучений для стерилизации насекомых-вредителей на элеваторах и в зернохранилищах позволяет уменьшить потери урожая до 20%.

Известно , что ионизирующие γ-излучения предупреждают прорастание картофеля и лука, используются для дезинсекции сушёных фруктов, пищевых концентратов, замедляют микробиологическую порчу и продлевают сроки хранения плодов, овощей, мяса, рыбы. Выявлена возможность ускорения процессов старения вин и коньяка, изменение скорости созревания плодов, удаления неприятного запаха лечебных вод. В консервной промышленности (рыбной, мясомолочной, овощной и фруктовой) широкое применение имеет стерилизация консервов. Следует заметить, что исследование облучённых продуктов питания показало, что γ -облученные продукты безвредны.

Мы рассмотрели применение радиоизотопов, специфическое для отдельных отраслей промышленности. Кроме того, повсеместно в промышленности применяются радиоизотопы для следующих целей:

Измерение уровней жидкостей расплавов;

Измерение плотностей жидкостей и пульп;

Счёт предметов на контейнере;

Измерение толщины материалов;

Измерение толщины льда на летательных и других аппаратах;

Измерение плотности и влажности почво-грунтов;

Неразрушающая γ -дефектоскопия материалов изделий.

Непосредственно в медицинской практике нашло клиническое применение радиоизотопных терапевтических аппаратов, а также клиническая радиоизотопная диагностика.

Освоены γ -терапевтические аппараты для наружного γ -облучения. Эти аппараты значительно расширили возможности дистанционной γ -терапии опухолей за счёт использования вариантов статического и подвижного облучения.

К отдельным локализациям опухолей используются различные варианты и способы лучевого лечения. Стойкие пятилетние излечения при 1, 2 и 3 стадиях получены соответственно у

90-95, 75-85 и 55-60% больных. Хорошо известна также положительная роль лучевой терапии в лечении рака молочной железы, лёгкого, пищевода, полости рта, гортани, мочевого пузыря и других органов.

Радиоизотопная диагностика (введение в организм радиоактивного препарата) стала неотъемлемой частью диагностического процесса на всех этапах развития заболевания или оценки функционального состояния здорового организма. Радиоизотопные диагностические исследования могут быть сведены к следующим основным разделам:

Определение радиоактивности всего тела, его частей, отдельных органов в целях выявления патологического состояния органа;

Определение скорости передвижения радиоактивного препарата по отдельным участкам сердечно-сосудистой системы;

Изучение пространственного распределения радиоактивного препарата в теле человека для визуализации органов, патологических образований и др.

К числу наиболее важных аспектов диагностики относятся патологические изменения сердечно-сосудистой системы, своевременное обнаружение злокачественных новообразований, оценка состояния костной, кроветворной и лимфатической систем организма, которые представляют собой труднодоступные объекты для исследования традиционными клинико-интрументальными методами.

В клинической практике внедрены Nay, меченный ¹³y для диагностики заболеваний щитовидной железы; NaCe, меченный ²⁴Na для изучения местного и общего кровотока;

Na₃PO₄, меченный ³³P для изучения процессов накопления его в пигментных образованиях кожи и других опухолевых образованиях.

Ведущее значение получил метод диагностики в неврологии и нейрохирургии с использованием изотопов ⁴⁴Tc, ¹³³Xeи ¹⁶⁹Y. Он необходим для уточненного диагноза заболеваний головного мозга, а также заболеваний сердечно-сосудистой системы. В нефрологии и урологии применяются радиоактивные препараты, содержащие ¹³¹Y, ¹⁹⁷Hg,

¹⁶⁹Yb, ⁵¹Cr и ¹¹³Yn. Благодяря внедрению радиоизотопных методов обследования улучшилась ранняя заболеваемость почек и других органов.

Научно-прикладное применение р/изотопов очень широко. Остановимся на некоторых:

Практический интерес представляет использование радиоизотопных энергетических установок (РЭУ) электрической мощностью от нескольких единиц до сотен Ватт. Наибольшее пратическое применение нашли радиоизотопные термоэлектрические генераторы, в которых преобразование энергии р/а распада в электрическую осуществляется с использованием термоэлектрических преобразователей, такие энергоустановки отличаются полной автономностью, возможностью работы в любых климатических условиях, большим сроком службы и надёжностью в работе.

Радиоизотопные источники питания обеспечивают работу в системах автоматических метеорологических станций; в системах навигационного оборудования в отдалённых и необжитых районах (эл. питание маяков, створных знаков, навигационных огней).

Благодаря положительному опыту применения их в условиях низкой температуры, стало возможным использование их в Антарктиде.

Известно также, что на аппаратах, перемещавшихся по поверхности Луны (луноходах) были использованы изотопные энергетические установки с ²¹ºPo.

Применение р/а изотопов в научных исследованиях невозможно переоценить, так как все практикующие методы вытекают из положительных результатов в исследованиях.

Кроме того, следует упомянуть и такие совсем узкие специализации как борьба с вредителями в старинных предметах искусства, а также применение естественных р/а изотопов в радоновых ваннах и грязях при санаторно-курортном лечении.

По окончании срока эксплуатации р/а источники в установленном порядке должны быть доставлены на специальные комбинаты для переработки (кондиционирования) с последующим захоронением как радиоактивные отходы.

Радиоактивные отходы, проблемы их захоронения

Проблема радиоактивных отходов является частным случаем общей проблемы загрязнения окружающей среды отходами человеческой деятельности. Но в то же время резко выраженная специфика РАО требует применения специфичных методов обеспечения безопасности для человека и биосферы.

Исторический опыт обращения с производственными и бытовыми отходами сформировался в условиях, когда осознание опасности отходов и программ её нейтрализации опиралось на непосредственные ощущения. Возможности последних обеспечивали адекватность осознания связей непосредственно воспринимаемых органами чувств воздействий с наступающими последствиями. Уровень знаний позволял представить логику механизмов воздействия отходов на человека и биосферу, достаточно точно соответствующую реальным процессам. К практически выработанным традиционным представлениям о методах обезвреживания отходов исторически присоединились и разработанные с открытием микроорганизмов качественно иные подходы, образовав не только эмпирически, но и научно обоснованное методическое обеспечение безопасности человека и среды его обитания. В медицине и системах управления обществом были сформированы соответствующие подотрасли, например, санитарно-эпидемиологическое дело, коммунальная гигиена и т.п.

С бурным развитием химии и химических производств в производственных и бытовых отходах в массовых количествах появились новые, ранее не попадавшие в них элементы и химические соединения, в том числе не существующие в природе. По масштабам это явление стало сопоставимо с естественными геохимическими процессами. Человечество оказалось перед необходимостью выйти на другой уровень оценки проблемы, где должны учитываться, например, аккумулятивные и отложенные эффекты, методы выявления дозировок воздействий, необходимость применения новых методов и специальной высокочувствительной аппаратуры для обнаружения опасности и т.п.

Качественно иную опасность, хотя и сходную с химической по некоторым из признаков, принесла человеку «радиоактивность» , как явление, не воспринимаемое органами чувств человека непосредственно, не уничтожаемое известными человечеству способами и пока ещё в целом недостаточно изученное: нельзя исключить обнаружение новых свойств, воздействий и последствий этого явления. Поэтому при формировании общих и конкретных научных и практических задач «по ликвидации опасности РАО» и, в особенности, при решении этих задач возникают постоянные затруднения, показывающие, что традиционная постановка недостаточно точно отражает реальный, объективный характер «проблемы РАО». Тем не менее, идеология такой постановки широко распространена в правовых и не правовых документах общегосударственного и межгосударственного характера, которые, как можно предположить, охватывают широкий спектр современных научных воззрений, направлений, исследований и практических мероприятий; учитывают разработки всех известных отечественных и иностранных организаций, занимающихся «проблемой РАО».

Постановлением Правительства РФ от 23.10.1995 г. № 1030 утверждена Федеральная целевая Программа «Обращение с радиоактивными отходами и отработавшими ядерными материалами, их утилизация и захоронение на 1996-2005 годы».

Радиоактивные отходы рассматриваются в ней «как не подлежащие дальнейшему использованию вещества (в любом агрегатном состоянии), материалы, изделия, оборудования, объекты биологического происхождения, в которых содержание радионуклидов превышает уровни, установленные нормативными актами. В Программе выделен специальный раздел «Состояние проблемы», содержащий описание конкретных объектов и общественных сфер, где происходит «обращение с радиоактивными отходами», а также общие количественные характеристики «проблемы РАО» в России.

«Большое количество накопленных некондиционированных радиоактивных отходов, недостаточность технических средств для обеспечения безопасного обращения с этими отходами и отработавшим ядерным топливом, отсутствие надёжных хранилищ для их длительного хранения и (или) захоронения повышают риск возникновения радиационных аварий и создают реальную угрозу радиоактивного загрязнения окружающей среды, переоблучения населения и персонала организаций и предприятий, деятельность которых связана с использованием атомной энергии и радиоактивных материалов».

Основные источники радиоактивных отходов (РАО) высокого уровня активности – атомная энергетика (отработанное ядерное топливо) и военные программы (плутоний ядерных боеголовок, отработанное топливо транспортных реакторов атомных подводных лодок, жидкие отходы радиохимических комбинатов и др.).

Возникает вопрос: следует ли рассматривать РАО просто как отходы или как потенциальный источник энергии? От ответа на этот вопрос зависит, хотим ли мы их хранить (в доступном виде) или захоранивать (т.е. делать недоступными). Общепринятый ответ в настоящее время состоит в том, что РАО – это действительно отходы, за исключением, может быть, плутония. Плутоний теоретически может служить источником энергии, хотя технология получения энергии их него сложна и довольно опасна. Многие страны, в том числе Россия и США, находятся теперь на распутье: «запускать» плутониевую технологию, используя плутоний, высвобождаемый при разоружении , или захоранивать этот плутоний? Недавно правительство России и Минатом объявили, что они хотят перерабатывать оружейный плутоний совместно с США; это означает возможность развития плутониевой энергетики.

В течение 40 лет учёные сравнивали варианты избавления от РАО. Главная идея – их надо поместить в такое место, чтобы они не могли попасть в окружающую среду и нанести вред человеку. Эту способность вредить РАО сохраняют в течение десятков и сотен тысяч лет. Облучённое ядерное топливо, которое мы извлекаем из реактора, содержит радиоизотопы с периодами полураспада от нескольких часов до миллиона лет (период полураспада – это время, в течение которого количество радиоактивного вещества уменьшается вдвое, причём в ряде случаев возникают новые радиоактивные вещества). Но общая радиоактивность отходов значительно снижается со временем. Для радия период полураспада составляет 1620 лет, и нетрудно подсчитать, что через 10 тысяч лет останется около 1/50 первоначального количества радия. Нормативы большинства стран предусматривают обеспечение безопасности отходов на срок 10 тысяч лет. Конечно, это не значит, что по истечении этого времени РАО более не будут опасны: мы попросту перелагаем дальнейшую ответственность за РАО на отдалённое потомство. Для этого надо, чтобы места и форма захоронения этих отходов были известны потомству. Заметим, что вся письменная история человечества меньше 10 тысяч лет. Задачи, возникающие при захоронении РАО, беспрецедентны в истории техники: люди никогда не ставили себе таких долговременных целей.

Интересный аспект проблемы состоит в том, что надо не только защищать человека от отходов, но одновременно защищать отходы от человека. За срок, отводимый на их захоронение, сменятся многие социально-экономические формации. Нельзя исключить, что в определённой ситуации РАО могут стать желанным объектом для террористов, мишенями для удара при военном конфликте и т.п. Понятно, что, рассуждая о тысячелетиях, мы не можем полагаться, скажем, на правительственный контроль и охрану – невозможно предвидеть, какие изменения могут произойти. Может быть, лучше всего сделать отходы физически недоступными для человека, хотя, с другой стороны, это затруднило бы нашим потомкам дальнейшие меры безопасности.

Понятно, что ни одно техническое решение, ни один искусственный материал не может «работать» в течение тысячелетий. Очевидный вывод: изолировать отходы должна сама природная среда. Рассматривались варианты: захоронить РАО в глубоких океанических впадинах, в донных осадках океанов, в полярных шапках; отправлять их в космос ; закладывать их в глубокие слои земной коры. В настоящее время общепринято, что оптимальный путь – захоронение отходов в глубоких геологических формациях.

Понятно, что РАО в твёрдой форме менее склонны к проникновению в окружающую среду (миграции), чем жидкие РАО. Поэтому предполагается, что жидкие РАО будут вначале переводиться в твёрдую форму (остекловываться, превращаться в керамику и т.п.). Тем не менее, в России всё ещё практикуется закачка жидких высокоактивных РАО в глубокие подземные горизонты (Красноярск, Томск, Димитровград).

В настоящее время принята так называемая «многобарьерная» или «глубоко эшелонированная» концепция захоронения. Отходы сперва сдерживаются матрицей (стекло, керамика, топливные таблетки), затем многоцелевым контейнером (используемым для транспортировки и для захоронения), затем сорбирующей (поглощающей) отсыпкой вокруг контейнеров и, наконец, геологической средой.

Итак, мы попытаемся захоранивать РАО в глубокие геологические фракции. При этом нам поставлено условие: показать, что наше захоронение будет работать, как мы это планируем, на протяжении 10 тысяч лет. Посмотрим теперь, какие проблемы мы встретим на этом пути.

Первые проблемы встречаются на этапе выбора участков для изучения.

В США, например, ни один штат не хочет. Чтобы общегосударственное захоронение размещалось на его территории. Это привело к тому, что усилиями политиков многие потенциально подходящие площади были вычеркнуты из списка, причём не на основании научного подхода, а вследствии политических игр.

Как это выглядит в России? В настоящее время в России всё ещё можно изучать площади, не ощущая значительного давления местных властей (если не предполагать при этом захоронение вблизи городов!). Полагаю, что по мере усиления реальной независимости регионов и субъектов Федерации ситуация будет смещаться в сторону ситуации США. Уже сейчас ощущается склонность Минатома переместить свою активность на военные объекты, над которыми практически нет контроля: например, для создания захоронения предполагается архипелаг Новая Земля (российский полигон № 1), хотя по геологическим параметрам это далеко не лучшее место, о чём ещё будет речь дальше.

Но предположим, что первый этап позади и площадка выбрана. Надо её изучить и дать прогноз функционирования захоронения на 10 тысяч лет. Тут появляется новая проблема.

Неразработанность метода.

Геология – описательная наука. Отдельные разделы геологии занимаются предсказаниями (например, инженерная геология предсказывает поведение грунтов при строительстве и т.п.), но никогда ещё перед геологией не ставилась задача предсказать поведение геологических систем на десятки тысяч лет. Из многолетних исследований в разных странах возникли даже сомнения, возможен ли вообще более или менее надёжный прогноз на такие сроки.

Представим всё же, что нам удалось выработать разумный план изучения площадки. Понятно, что для осуществления этого плана понадобится много лет: например, гора Яка в штате Невада изучается уже более 15 лет, но заключение о пригодности или непригодности этой горы будет сделано не ранее чем через 5 лет. При этом программа захоронения будет испытывать всё возрастающее давление.

Давление внешних обстоятельств.

В годы холодной войны на отходы не обращали внимания; они накапливались, хранились во временных контейнерах, терялись и т.п. Пример – военный объект Хэнфорд (аналог нашего «Маяка»), где находится несколько сот гигантских баков с жидкими отходами, причём для многих из них не известно, что находится внутри. Одна проба стоит 1 миллион долларов! Там же, в Хэнфорде, примерно раз в месяц обнаруживаются закопанные и «забытые» бочки или ящики с отходами.

В целом, за годы развития ядерных технологий, отходов скопилось очень много. Временные хранилища на многих атомных станциях близки к заполнению, а на военных комплексах они часто находятся на грани выхода из строя «по старости» или даже за этой гранью.

Итак, проблема захоронения требует срочного решения. Осознание этой срочности становится всё более острым, тем более что 430 энергетических реакторов, сотни исследовательских реакторов, сотни транспортных реакторов атомных подводных лодок, крейсеров и ледоколов продолжают непрерывно накапливать РАО. Но у людей, прижатых к стенке, не обязательно возникают лучшие технические решения, и возрастает вероятность ошибок. Между тем в решениях, связанных с ядерной технологией, ошибки могут очень дорого стоить.

Предположим, наконец, что мы истратили 10-20 миллиардов долларов и 15-20 лет на изучение потенциальной площадки. Пришло время принимать решение. Очевидно, идеальных мест на Земле не существует, и любое место будет иметь с точки зрения захоронения положительные и отрицательные свойства. Очевидно, придётся решить, перевешивают ли положительные свойства отрицательные, и обеспечивают ли эти положительные свойства достаточную безопасность.

Принятие решений и технологическая сложность проблемы

Проблема захоронения технически чрезвычайно сложна. Поэтому очень важно иметь, во-первых, науку высокого качества, а во-вторых, эффективное взаимодействие (как говорят в Америке – «интерфейс») между наукой и политиками, принимающими решения.

Российская концепция подземной изоляции РАО и отработанного ядерного топлива в многолетнемёрзлых породах разработана в Институте промышленной технологии Минатома России (ВНИПИП). Она была одобрена Государственной экологической экспертизой Министерства экологии и природных ресурсов РФ, Минздравом РФ и Госатомнадзором РФ. Научная поддержка концепции проводится кафедрой мерзлотоведения Московского государственного университета. Следует заметить, что эта концепция уникальна. Ни в одной стране мира, насколько мне известно, вопрос о захоронении РАО в мерзлоте не рассматривается.

Основная идея такова. Помещаем тепловыделяющие отходы в мерзлоту и отделяем их от пород непроницаемым инженерным барьером. За счёт тепловыделения мерзлота вокруг захоронения начинает подтаивать, но через какое-то время, когда тепловыделение снизится (вследствие распада короткоживущих изотопов), породы снова промёрзнут. Поэтому достаточно обеспечить непроницаемость инженерных барьеров на то время, когда мерзлота будет протаивать; после промерзания миграция радионуклидов становится невозможной.

Неопределённость концепции

С этой концепцией связано, по меньшей мере, две серьёзных проблемы.

Во-первых, концепция предполагает, что промёрзшие породы непроницаемы для радионуклидов. На первый взгляд это кажется разумным: вся вода замёрзшая, лёд обычно неподвижен и не растворяет радионуклиды. Но если внимательно поработать с литературой, то оказывается, что многие химические элементы довольно активно мигрируют в промёрзших породах. Даже при температурах – 10-12ºC в породах присутствует незамерзающая, так называемая плёночная, вода. Что особенно важно, свойства радиоактивных элементов, составляющих РАО, с точки зрения их возможной миграции в мерзлоте совершенно не изучены. Поэтому предположение о непроницаемости мёрзлых пород для радионуклидов лишено всяких оснований.

Во-вторых, если даже окажется, что мерзлота действительно хороший изолятор РАО, то невозможно доказать, что сама мерзлота просуществует достаточно долго: напомним, что нормативы предусматривают захоронение на срок в 10 тысяч лет. Известно, что состояние мерзлоты определяется климатом, причём двумя наиболее важными параметрами – температурой воздуха и количеством атмосферных осадков. Как вы знаете, температура воздуха повышается в связи с глобальным изменением климата. Наивысший темп потепления приходится как раз на средние и высокие широты северного полушария. Ясно, что такое потепление должно привести к протаиванию льда и сокращению мерзлоты.

Как показывают расчёты, активное протаивание может начаться уже через 80-100 лет, и темп протаивания может достичь 50 метров в столетие. Таким образом, мёрзлые породы Новой Земли могут полностью исчезнуть за 600-700 лет, а это всего 6-7% от времени, требуемого для изоляции отходов. Без мерзлоты карбонатные породы Новой Земли обладают весьма низкими изолирующими свойствами по отношению к радионуклидам.

Проблема хранения и захоронения радиоактивных отходов (РАО) – важнейшая и нерешённая проблема ядерной энергетики.

Никто в мире пока не знает, где и как хранить высокоактивные РАО, хотя работы в данном направлении ведутся. Пока речь идёт о перспективных, а отнюдь не промышленных технологиях заключения высоко активных РАО в тугоплавкое стекло или керамические соединения. Однако неясно, как это материалы поведут себя под воздействием заключённых в них РАО в течение миллионов лет. Столь длительный срок хранения обусловлен огромным периодом полураспада ряда радиоактивных элементов. Ясно, что выход их наружу неизбежен, ибо материал контейнера, в котором они будут заключены столько не «живёт».

Все технологии обработки и хранения РАО условны и сомнительны. А если атомщики будут по своему обыкновению, оспаривать этот факт, то уместно будет спросить их: «Где гарантия, что все существующие хранилища и могильники уже сейчас не являются носителями радиоактивного заражения, так как все наблюдения за ними скрываются от общественности?».

В нашей стране существуют несколько могильников, хотя об их существовании стараются умолчать. Наиболее крупный расположен в районе Красноярска под Енисеем, где происходит захоронение отходов большинства российских атомных электростанций и ядерные отходы ряда европейских государств. При проведении научно-изыскательских работ по данному хранилищу результаты оказались положительными, но в последнее время наблюдения показывают нарушение экосистемы реки Енисей, что появились рыбы-мутанты, изменилась структура воды в определённых районах, хотя данные научных экспертиз тщательно скрываются.

В мире захоронения высокоактивных РАО ещё не осуществляется, имеется опыт лишь временного их сохранения.

Список литературы

1. Вершинин Н. В. Санитарно-технические требования к закрытым радиационным источникам.

В кн. «Труды симпозиума». М., Атомиздат, 1976 г.

2. Фрумкин М. Л. и др. Технологические основы радиационной обработки пищевых продуктов. М., Пищевая промышленность, 1973 г.

3. Брегер А. Х. Радиоактивные изотопы – источники излучений в радиационно-химической технологии. Изотопы в СССР, 1975 г., № 44 с 23-29.

4. Перцовский Е. С., Сахаров Э. В. Радиоизотопные приборы в пищевой, лёгкой и целлюлозно-бумажной промышленности. М., Атомиздат, 1972 г.

5. Воробьёв Е. И., Побединский М. Н. Очерки развития отечественной радиационной медицины. М., Медицина, 1972 г.

6. Выбор площадки для строительства хранилища радиоактивных отходов. Э. И. М., ЦНИИатоминформ, 1985 г., № 20.

7. Современное состояние проблемы захоронения радиоактивных отходов в США. Атомная техника за рубежом, 1988 г., № 9.

8. Хейнонен Дис, Дисера Ф. Захоронение ядерных отходов: процессы, происходящие в подземных хранилищах: Бюллетень МАГАТЭ, Вена, 1985 г., т. 27, № 2.

9. Геологические исследования площадок для окончательного удаления радиоактивных отходов: Э. И. М.: ЦНИИатоминформ, 1987 г., № 38.

10. Брызгалова Р. В., Рогозин Ю. М., Синицына Г. С. и др. Оценка некоторых радиохимических и геохимических факторов, определяющих локализацию радионуклидов при захоронении радиоактивных отходов в геологические формации. Материалы 6 симпозиума СЭВ, т. 2, 1985 г.

Радиоактивность - неустойчивость ядер некоторых атомов, проявляющаяся в их способности к самопроизвольным превращениям (распаду), сопровождающимся испусканием ионизирующего излучения - радиацией.

Радиоактивный распад - изменение состава нестабильных атомных ядер. Ядра спонтанно распадаются на ядерные фрагменты и элементарные частицы (продукты распада). Распад порождает гамма-излучение. Это фактор поражения, обладающий продолжительным действием, действующий на огромной площади, зоне радиоактивного распада.

Характеристика зон заражения:

Зона умеренного заражения (зона А) - э кспозиционная доза излучения за время полного распада (Д) колеблется от 40 до 400 Р. Зона сильного заражения (зона Б) - э кспозиционная доза излучения за время полного распада (Д) колеблется от 400 до 1200 Р. Зона опасного заражения (зона В)- экспозиционная доза излучения за время полного распада (Д) составляет 1200 Р. Зона чрезвычайно опасного заражения (зона Г)- э кспозиционная доза излучения за время полного распада (Д) составляет 4000 Р.

Основные единицы измерения радиоактивности.

Рентген - внесистемная единица измерения дозы излучения (экспозиционной). 1 Р приблизительно равен 0,0098 Зв. Один рентген соответствует дозе рентгеновского или гамма-излучения, при которой в 1 см 3 воздуха образуется 2 . 10 9 пар ионов. 1 Р = 2, 58 . 10 -4 Кл/кг.

Грей - системная единица измерения дозы излучения (поглощенной). 1 грей поглощает 1 килограмм вещества при получении 1 джоуля энергии: Гр = Дж / кг = м² / с² .

Рад - внесистемная единица измерения дозы излучения (поглощенной). 1 рад - доза при которой вещество в 1 грамм получает 100 эрг энергии. 1 Гр = 100 рад

Бэр - внесистемная единица измерения дозы излучения (эквивалентной и эффективной), биологический эквивалент рентгена. 1 бэр - это такое облучение организма, при котором те же эффекты, что и при экспозиционной дозе 1 рентген.

Зиверт - системная единица измерения дозы излучения (эквивалентной и эффективной). 1 зиверт - энергия, полученная 1 килограммом биологической ткани, равное по воздействию дозе излучения в 1 грей: Зв = Дж / кг = м² / с² . 1 Зв = 100 бэр. Основная единица измерения в дозиметрах.

Беккерель - системная единица измерения активности источника. Определяется как активность источника, при которой происходит один распад в секунду. Выражается Бк = с −1

Кюри - внесистемная единица измерения активности источника. Один кюри соответствует числу распадов в секунду в 1 грамме радия. 1 Ки = 3,7 . 10 10 Бк.

Применение радиоактивных источников в различных сферах деятельности человека .

Медицина: использование радиации для диагностики заболевания (рентгенологическая и радиоизотопная диагностика); использование радиации для лечения (радиоизотопная и радиационная терапия); радиационная стерилизация.

Радиоизотопная диагностика - использование радиоактивных изотопов и меченных ими соединений для распознавания заболеваний. Радиотерапия - это облучение опухоли потоком лучей, иногда применяется и в лечении доброкачественных опухолей, препятствует росту, размножению и распространению раковых клеток на здоровые ткани. Радиационной стерилизации подвергают материалы и препараты для медицинского применения, не выдерживающие термической или химической обработки или теряющие при этом свои лечебные свойства.

Химическая промышленность: модифицирование текстильных материалов для получения шерстоподобных свойств, получение х/б тканей с антимикробными свойствами, радиационное модифицирование хрусталя для получения хрустальных изделий различного цвета, радиационная вулканизация резинотканевых материалов, радиационное модифицирование полиэтиленовых труб для повышения термостойкости и стойкости к агрессивным средам, отвердение лакокрасочных покрытий на различных поверхностях.

Деревообрабатывающая промышленность: В результате облучения мягкое дерево приобретает значительно низкую способность сорбировать воду, высокую стабильность геометрических размеров и более высокую твёрдость (изготовление мозаичного паркета).

Городское хозяйство: радиационная очистка и обеззараживание сточных вод.

С/х : облучение с/х растений малой дозой в целях стимуляции их роста и развития; применение ионизирующих излучений для радиационного мутагенеза и селекции растений; использование метода лучевой стерилизации для борьбы с насекомыми-вредителями.

Ядерная энергетика (Атомная энергетика) - это отрасль энергетики, занимающаяся производством электрической и тепловой энергии путём преобразования ядерной энергии. Основу ядерной энергетики составляют атомные электростанции (АЭС). Обычно для получения ядерной энергии используют цепную ядерную реакцию деления ядер урана-235 или плутония. Ядерная энергия производится в атомных электрических станциях, используется на атомных ледоколах, атомных подводных лодках; кроме того, предпринимались попытки создать ядерный двигатель для самолётов (атомолётов) и «атомных» танков.

Какое именно ядро в радиоактивном веществе распадется первым, какое — следующим, какое — последним? Физики утверждают, что узнать это невозможно: распад того или иного ядра радионуклида — событие случайное. Вместе с тем поведение радиоактивного вещества в целом подчиняется четким закономерностям.

Узнаём о периоде полураспада

Если взять закрытую стеклянную колбу, содержащую некоторое количество Радона-220, окажется, что примерно через 56 с количество атомов Радона в колбе уменьшится в два раза, в течение следующих 56 с — еще в два раза и т. д. Таким образом, понятно, почему интервал времени 56 с называют периодом полураспада Радона-220.

период полураспада T 1/2 — это физическая величина, которая характеризует радионуклид и равна времени, в течение которого распадается половина имеющегося количества ядер данного радионуклида.

Период полураспада некоторых радионуклидов

Единица периода полураспада в СИ — секунда:

У каждого радионуклида — свой период полураспада (см. таблицу).

Образец содержит 6,4 · 10 20 атомов Йода-131. Сколько атомов Йода-131 будет в образце через 16 суток?

Даём определение активности радиоактивного источника

И Уран-238, и Радий-226 являются α-радиоактивными (их ядра могут спонтанно распадаться на α-частицу и соответствующее дочернее ядро).

Из какого образца за 1 с вылетит больше α-частиц, если число атомов Урана-238 и Радия-226 одинаково?

Надеемся, вы правильно ответили на вопрос и, учитывая, что периоды полураспада данных радионуклидов отличаются почти в 3 млн раз, установили, что за одно и то же время в образце радия произойдет намного больше α-распадов, чем в образце урана.

Физическую величину, численно равную количеству распадов, происходящих в радиоактивном источнике за единицу времени, называют активностью радиоактивного источника.

Активность радиоактивного источника обозначают символом A. Единица активности в СИ — беккерель.

Рис. 24.1. График зависимости активности Радия-226 от времени. Период полураспада Радия-226 — 1600 лет

История открытия искусственных радиоактивных изотопов

Первый искусственный радиоактивный изотоп (15P) был получен в 1934 г. супругами Фредерикоми Ирен Жолио-Кюри. Облучая α-частицами алюминий, они наблюдали излучение нейтронов, то есть происходила следующая ядерная реакция:

Итальянский физик Энрико Фермиизвестен несколькими достижениями, но свою высшую награду — Нобелевскую премию — он получил за открытие искусственной радиоактивности, вызванной облучением вещества медленными нейтронами. Сейчас метод облучения нейтронами широко применяют в промышленности для получения радиоактивных изотопов.

1 Бк — это активность такого радиоактивного источника, в котором за 1 с происходит 1 акт распада:

1 Бк — это очень малая активность, поэтому используют внесистемную единицу активности — кюри (Ки):

В честь каких ученых названы указанные единицы? Какие открытия они сделали?

Если образец содержит атомы только одного радионуклида, то активность этого образца можно определить по формуле:

где N — число атомов радионуклида в образце на данный момент времени; λ — постоянная радиоактивного распада радионуклида (физическая величина, являющаяся характеристикой радионуклида и связанная с периодом полураспада соотношением:

Со временем количество нераспавшихся ядер радионуклидов в радиоактивном образце уменьшается, поэтому уменьшается и активность образца (рис. 24.1).

Узнаём о применении радиоактивных изотопов

Наличие в объекте радионуклидов можно выявить по излучению. Вы уже выяснили, что интенсивность излучения зависит от вида радионуклида и его количества, которое со временем уменьшается. Все это положено в основу использования радиоактивных изотопов, которые физики научились получать искусственно. Сейчас для каждого химического элемента, встречающегося в природе, получены искусственные радиоактивные изотопы.

Можно выделить два направления использования радиоактивных изотопов.

Рис. 24.2. Чтобы выяснить, как растения усваивают фосфорные удобрения, в эти удобрения добавляют радиоактивный изотоп Фосфора, затем исследуют растения на радиоактивность и определяют количество усвоенного фосфора

Рис. 24.3. Использование γ-излучения для лечения онкозаболеваний. Чтобы γ-лучи не уничтожали здоровые клетки, используют несколько слабых пучков γ-лучей, которые фокусируются на опухоли

1. Использование радиоактивных изотопов в качестве индикаторов. Радиоактивность является своеобразной меткой, с помощью которой можно определить наличие элемента, проследить за поведением элемента во время физических и биологических процессов и т. д. (см., например, рис. 24.2).

2. Использование радиоактивных изотопов как источников γ-излучения (см., например, рис. 24.3).

Рассмотрим несколько примеров.

Выясняем, как используют радиоактивные изотопы для диагностики заболеваний

Организм человека имеет свойство накапливать в своих тканях определенные химические вещества. Известно, например, что щитовидная железа накапливает йод, костная ткань — фосфор, кальций и стронций, печень — некоторые красители и т. д. Скорость накопления веществ зависит от состояния здоровья органа. Например, при базедовой болезни активность щитовидной железы резко возрастает.

За количеством йода в щитовидной железе удобно следить при помощи его γ-радиоактивного изотопа. Химические свойства радиоактивного и стабильного йода не отличаются, поэтому радиоактивный Йод-131 будет накапливаться так же, как и его стабильный изотоп. Если щитовидная железа в норме, то через некоторое время после введения в организм Йода-131 γ-излучение от него будет иметь определенную оптимальную интенсивность. А вот если щитовидная железа функционирует с отклонением от нормы, то интенсивность γ-излучения будет аномально высокой или, наоборот, низкой. Аналогичный метод применяют для исследования обмена веществ в организме, выявления опухолей и др.

Понятно, что, используя указанные методы диагностики, необходимо тщательно дозировать количество радиоактивного препарата, чтобы внутреннее облучение оказывало минимальное негативное воздействие на организм человека.

Определяем возраст древних предметов

Рис. 24.4. Полученный из молодого дерева 1 г углерода имеет активность 14-15 Бк (излучает 14-15 β-частиц в секунду). Через 5700 лет после гибели дерева количество β-распадов в секунду уменьшается вдвое

Рис. 24.5. Самую распространенную медицинскую продукцию: шприцы, системы переливания крови и т. п. — перед отправкой потребителю тщательно стерилизуют с использованием γ-излучения

В атмосфере Земли всегда имеется некоторое количество β-радиоактивного Карбона-14 (^C), который образуется из Нитрогена в результате ядерной реакции с нейтронами. В составе углекислого газа этот изотоп поглощается растениями, а через них — животными. Пока животное или растение живы, содержание радиоактивного Карбона в них остается неизменным. После прекращения жизнедеятельности количество радиоактивного Карбона в организме начинает уменьшаться, уменьшается и активность β-излучения. Зная, что период полураспада Карбона-14 составляет 5700 лет, можно определить возраст археологических находок (рис. 24.4).

Применяем γ-излучение в технике

Особое значение в технике имеют гамма-дефектоскопы, с помощью которых проверяют, например, качество сваренных соединений. Если мастер, приваривая петли к воротам, допустил брак, через некоторое время петли отвалятся. Это неприятно, но ситуация поправима. А вот если брак случился при сварке элементов конструкции моста или ядерного реактора, трагедия неминуема. Благодаря тому что γ-лучи по-разному поглощаются массивной сталью и сталью с пустотами, гамма-дефектоскоп «видит» трещины внутри металла, а следовательно, выявляет брак еще на стадии изготовления конструкции.

Уничтожаем микробы с помощью радиации

Известно, что определенная доза облучения убивает организмы. Но ведь не все организмы полезны человеку. Так, медики постоянно работают над тем, чтобы избавиться от болезнетворных микробов. Вспомните: в больницах моют пол со специальными растворами, облучают помещение ультрафиолетом, обрабатывают медицинские инструменты и т. д. Такие процедуры называют дезинфекцией и стерилизацией.

Поставить процесс стерилизации на промышленную основу позволили особенности γ-излучения (рис. 24.5). Такая стерилизация осуществляется в специальных установках

с надежной защитой от проникающей радиации. В качестве источника γ-лучей используют искусственно созданные изотопы Кобальта и Цезия

Учимся решать задачи

Задача. Определите массу Радия-226, если его активность составляет 5 Ки. Постоянная радиоактивного распада Радия-226 равна 1,37 · 10 11 с 1 .

Анализ физической проблемы, поиск математической модели

Для решения задачи воспользуемся формулой для определения активности: A = AN. Зная активность, выясним количество N атомов Радия. Массу вещества можно определить, умножив число атомов на массу одного атома: m = N ■ m 0 .

Из курса химии вы знаете:

1 моль вещества содержит N A = 6,02 10 атомов;

молярная масса вещества (масса 1 моль).

Масса атома

Подводим итоги

Время, в течение которого распадается половина имеющегося количества ядер данного радионуклида, называют периодом полураспада Т 1/2 . Период полураспада является характеристикой данного радионуклида. Физическую величину, которая численно равна количеству распадов, происходящих в данном радиоактивном источнике за единицу времени, называют активностью радиоактивного источника. Если источник содержит атомы только одного радионуклида, активность A источника можно определить по формуле A = AN, где N — количество атомов радионуклида в образце; λ — постоянная радиоактивного распада радионуклида. Единица активности в СИ — беккерель (Бк).

Со временем активность радиоактивного образца уменьшается, и это используют для определения возраста археологических находок.

Искусственные изотопы применяют для стерилизации медицинских изделий, диагностики и лечения заболеваний, выявления дефектов в металлах и др.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение периода полураспада. Что характеризует эта физическая величина? 2. Что такое активность радиоактивного источника? 3. Какова единица активности в СИ? 4. Как активность радионуклида связана с его постоянной радиоактивного распада? 5. Изменяется ли со временем активность радионуклидного образца? Если изменяется, то почему и как? 6. Приведите примеры использования радиоактивных изотопов.

Упражнение № 24

1. Имеется одинаковое количество ядер Йода-131, Радона-220 и Урана-235. Какой радионуклид имеет наибольший период полураспада? Активность какого образца на данный момент времени наибольшая? Поясните ответ.

2. В образце содержится 2 · 10 20 атомов Йода-131. Определите, сколько ядер Йода в образце распадется в течение часа. Активность Йода-131 на протяжении этого времени считайте неизменной. Постоянная радиоактивного распада Йода-131 равна 9,98 · 10 -7 с -1 .

3. Период полураспада радиоактивного Карбона-14 составляет 5700 лет. Во сколько раз уменьшилось количество атомов Карбона-14 в сосне, срубленной 17 100 лет назад?

4. Определите период полураспада радионуклида, если за интервал времени 1,2 с количество распавшихся ядер составило 75 % их начального количества.

5. На данный момент в радиоактивном образце содержится 0,05 моль Радона-220. Определите активность Радона-220 в образце.

6. На сегодня одними из самых важных считаются исследования обмена веществ в организме человека с помощью радиоактивных изотопов. В частности, выяснилось, что за сравнительно небольшое время организм почти полностью восстанавливается. Воспользуйтесь дополнительными источниками информации и узнайте об этих исследованиях больше.

Физика и техника в Украине

Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт»

(ХФТИ) — всемирно известный научный центр. Основан в 1928 г. по инициативе академика А. Ф. Иоффе как Украинский физико-технический институт с целью исследований в области ядерной физики и физики твердого тела.

Уже в 1932 г. в институте был достигнут выдающийся результат — осуществлено расщепление ядра атома Лития. Позднее в лабораторных условиях получены жидкие водород и гелий, построен первый трехкоординатный радиолокатор, проведены первые исследования высоковакуумной техники, что послужило толчком к развитию нового физико-технологического направления — вакуумной металлургии. Ученые института сыграли важную роль в решении проблем использования атомной энергии.

В разные годы в ННЦ ХФТИ работали выдающиеся физики: И. В. Обреимов, Л. Д. Ландау, И. В. Курчатов, К. Д. Синельников, Л. В. Шубников, А. И. Лейпунский, Е. М. Лифшиц, И. М. Лифшиц, А. К. Вальтер, Б. Г. Лазарев, Д. Д. Иваненко, А. И. Ахиезер, В. Е. Иванов, Я. Б. Файнберг, Д. В. Волков и др. В институте были созданы научные школы, известные во всем мире.

В ННЦ ХФТИ расположены крупнейший в СНГ линейный ускоритель электронов и совокупность термоядерных комплексов «Ураган».

Генеральный директор центра — известный украинский физик, академик НАНУ Николай Федорович Шульга.

Это материал учебника