примерно к какому году совершится полураспад всех радионуклидов

Почему термин «период полураспада» используется для измерения радиоактивности?

Термин «период полураспада» уместен из-за экспоненциальной и квантовой природы радиоактивного распада, что делает невозможным точно предсказать, когда распадется один атом радиоактивного материала. Вместо этого измерение периода полураспада относится к статистике, представляющей время, необходимое для того, чтобы данное количество вещества уменьшилось наполовину в результате распада.

Для радиоактивных материалов это может установить, сколько времени пройдет, прежде чем материал перестанет представлять угрозу; для других материалов, таких как углерод-14, период полураспада может помочь в радиометрической датировке (углеродная датировка), для определения приблизительного возраста древних останков! Хотя это может показаться немного сложным для тех, кто не знаком с ядерной химией, это полезная и универсальная концепция для полного понимания.

Что такое радиоактивный распад?

Как вы, возможно, знаете, атомные элементы могут иметь различные изотопы, которые являются разными версиями элемента, имеющего одинаковое количество протонов, но разное количество нейтронов, содержащихся в ядре. Таким образом, атомная масса этих изотопов будет различной, как и некоторые из их физических свойств, но их химические свойства в целом одинаковы. Каждый химический элемент имеет один или несколько изотопов, некоторые из которых стабильны, а другие нестабильны. Атомное ядро считается стабильным, когда силы, удерживающие протоны и нейтроны вместе, сильнее сил, пытающихся их разделить (сильная атомная сила против электростатического отталкивания).

Простейшим примером этого является водород, который имеет два стабильных изотопа — протий (1 протон) и дейтерий (известный как «тяжелый водород», с 1 протоном и 1 нейтроном). Однако водород также имеет нестабильный природный изотоп, известный как тритий, который имеет 1 протон и 2 нейтрона. Нестабильность этого радиоизотопа означает, что он хочет распасться на другую, более стабильную форму.

Подобно человеческим существам, борющимся с романтикой, атомные ядра постоянно ищут стабильности и могут достичь ее с помощью процесса радиоактивного распада. Если внутри атомного ядра слишком много энергии, чтобы оставаться вместе, то ядро разрушится, потеряв по крайней мере некоторые части (нуклоны), которые делают его нестабильным. Исходные нестабильные ядра будут называться “родительскими”, в то время как более стабильные ядра, получившиеся в результате, будут называться «дочерними». Дочерние ядра все еще могут быть радиоактивными (нестабильными), хотя и более стабильными, чем раньше, и поэтому могут подвергнуться дальнейшему распаду. Более крупные элементы с большим количеством нуклонов, а именно любой элемент с атомным номером выше 83, имеют нестабильное ядро ​​и, следовательно, радиоактивны. Однако интенсивность этой радиоактивности может сильно различаться.

Существует три типа радиоактивного распада, которые происходят в зависимости от типа нестабильности, обнаруженной в ядре.

Альфа-распад

В случае альфа-распада ядро ​​будет искать стабильности, испуская альфа-частицу (два протона и два нейтрона, по сути, атом гелия). После этого типа распада атомный номер уменьшится на 2. Уран-238 является наиболее распространенным изотопом урана, встречающимся в природе, и, хотя его период полураспада составляет 4,5 миллиарда лет, когда атомное ядро ​​распадается, он выделяет альфа-частицу, которая становится торием-234. Альфа-частицы не могут проникать во многие вещества (и их можно остановить листом бумаги!), Но они по-прежнему высвобождаются с большой скоростью и могут быть опасны для живых клеток, поскольку они могут сбивать электроны с близлежащих атомов. Следовательно, альфа-частицы опасны при проглатывании или попадании в организм, но обычно считаются безвредными для человека, поскольку они не могут проникнуть даже через одежду человека!

Бета-распад

Гамма-распад

Что такое период полураспада?

Теперь, когда у вас есть понимание радиоактивного распада, идея периода полураспада становится намного проще. Поскольку радиоактивные изотопы распадаются на более стабильные формы в результате альфа-, бета- и гамма-распада, количество исходного «родительского» материала уменьшается. Сейчас невозможно точно сказать, когда данное ядро подвергнется радиоактивному распаду, так как атомы невероятно малы и непредсказуемы. Однако, если рассматривать в больших количествах (миллионы, миллиарды или триллионы отдельных атомов), то можно измерить статистическую вероятность радиоактивного распада.

Квантовое поведение отдельных атомов невозможно оценить, но поведение большой группы атомов зависит от вероятности и, следовательно, обеспечивает надежный уровень статистической достоверности. В ядерной физике период полураспада является полезной мерой для определения того, как быстро радиоактивный изотоп будет подвергаться радиоактивному распаду или как долго стабильный изотоп будет оставаться нетронутым. Пожалуй, проще всего понять период полураспада на примере. Давайте рассмотрим период полураспада радиоизотопа никель-63, который распадается до меди-63 посредством бета-распада.

Когда радиоактивный изотоп распадается на стабильный изотоп «дочернего» материала, он больше не распадается и не испускает больше излучения. Таким образом, со временем один и тот же радиоактивный материал станет менее опасным, поскольку он не будет излучать столько альфа-, бета- или гамма-частиц. После 10 периодов полураспада уровень радиоактивности образца составит менее одной тысячной от исходной, и, как правило, он считается полностью безвредным.

Когда вы начинаете смотреть на вещи в атомном или квантовом масштабе, становится намного труднее быть точным по отношению к отдельному атому. Когда смотришь на один атом урана-235, невозможно узнать, когда он подвергнется радиоактивному распаду и станет единым атомом тория-231. Однако, наблюдая миллион атомов урана-235, с точной статистической вероятностью можно сказать, что половина атомов испытает альфа-распад в течение 703 миллионов лет!

Источник

Чернобыль теперь убивает америцием

На пораженных территориях России, Беларуси и Украины наступает второй пик радиационного ада: новый изотоп в желудке становится маленьким ядерным реактором.

В последнее время с экранов российского телевидения бесконечно льется заздравная от атомщиков — самим себе. Дескать, самый лучший, дешевый и безопасный способ получения электроэнергии — это, конечно, атомные электростанции (АЭС). О последствиях для людей катастрофы на Чернобыльской АЭС в России уже давно мало кто вспоминает. Власть «просыпается», когда надо протащить очередную поправку в чернобыльский закон, чтобы урезать и без того смешные «гробовые» или другие льготы.

Между тем, многие физики-ядерщики и медики уже несколько лет безуспешно пытаются донести до властей, что второй пик чернобыльского радиационного ада наступает неуклонно. И имя ему — америций-241. Откуда же взялась эта новая напасть? И как, кому она точно грозит?

Известно, что в первые дни после аварии на ЧАЭС самую большую опасность для населения представлял радиоактивный йод-131 с периодом полураспада восемь дней. Если бы власти стали сразу давать населению медицинский йод, то случаев рака щитовидной железы было бы значительно меньше. Этого не сделали нигде, кроме Припяти, — следовало хранить «атомную» тайну не только от врагов, но и от своих людей.

Затем в первые десятилетия после Чернобыля самой большой угрозой для здоровья населения стали цезий-137 и стронций-90. Период их полураспада — 30 лет. То есть половина этих радионуклидов уже перестала быть опасной. В следующие 30 лет распадется еще половина от оставшегося объема и так далее. Для полного распада радиоактивных цезия и стронция нужно десять периодов по 30 лет — то есть три столетия. Неслабо, однако.

Но на этом проблемы девяти миллионов людей, проживающих на «грязных» территориях России, Украины и Беларуси, не заканчиваются. Скорее наоборот: все самое неприятное — впереди. Как следует из физики реактора, после взрыва вылетели не только эти радионуклиды. Целая таблица Менделеева «высеялась» на сотни тысяч квадратных километров — не только окрест АЭС или на территории СССР, но и в Европе.

Помимо осколков урана — радиоактивных цезия и стронция — в реакторе образовались ядра так называемых трансурановых элементов. В основном, это плутоний — 238, 239, 240 и 241, которые и были выброшены в атмосферу. Трое первых из этих изотопов имеют альфа-излучение. По силе воздействия на живые организмы оно в десятки раз опаснее бета- и гамма-излучения. Плутоний-241 тоже имеет бета-лучи, однако именно он во время распада превращается в америций-241 с опасным альфа-излучением.

Известно, что во время аварии на ЧАЭС плутония-241 с периодом полураспада в 14 лет выпало больше всего. И если в течение первых 14 лет америция не было, то с началом полураспада плутония-241 он появился, как отмечают специалисты, не только в 30-километровой зоне, но и за ее пределами. Иногда — очень далеко от ЧАЭС. С момента аварии прошло почти 35 лет, и большая часть плутония-241 уже превратилась в америций-241. Осталось распасться около 20% изотопа. По подсчетам ученых, пиком его образования (а значит, самой большой опасности) станет 2056 год.

Дальше — больше: период полураспада америция-241 составляет 432,6 года. То есть должно пройти минимум от восьми до десяти таких периодов, чтобы этот изотоп перестал быть опасным. А это — 4330 лет! (Для сравнения: по библейскому исчислению «от сотворения мира» прошло 7208 лет.) Однако же и после не все территории станут «чистыми». В «запасе» остается плутоний-239, опыливший, как считают специалисты, стокилометровую зону вокруг ЧАЭС. Его полураспад составляет 24000 лет. (К слову, такая же история ожидается и после аварии на АЭС «Фукусима-1». Следы плутония найдены по всей Японии.)

Кто виноват, уже известно — стрелочники из ЧАЭС. Но что делать? Этого, судя по всему, ни одна власть из особо пострадавших бывших республик СССР не знает. (И, видимо, знать не хочет.) Потому что до сих пор ни в одной стране не существует не то что законов, но даже и законодательных инициатив по поводу учета и точных допустимых норм его в природе (кроме воздуха и воды), а также — в продуктах питания. Но, главное, неизвестны безопасные нормы для человека. При этом уровень альфа-излучения из-за америция быстро растет.

По прогнозу руководителя Центра по радиологии и качеству продуктов в АПК при Белорусском государственном агротехническом университете Валерия Грачевского, через 40 лет америция станет вдвое больше, чем сейчас. Его опасность — во внутреннем действии на организм при попадании с пищей. 80-90% полученных населением доз облучения сегодня, а также связанных с радиацией заболеваний, — результат именно внутреннего облучения. (Америций, как и стронций, накапливается в костях, а попадая в желудок или легкие, становится там маленьким ядерным реактором.)

Как отмечает на сайте белорусского издания Tut.by Жанна Бакарикова, заместитель начальника службы радиационного мониторинга Белгидромета, изотопы плутония-241 и америция-241 сконцентрированы почти на 2% площади страны. Речь идет о Хойникском, Брагинском, Наровлянском, Добрушском, Лоевском и Речицком районах Гомельской области и Чериковском районе Могилевской. Самые высокие уровни загрязнения — на территории Полесского радиационно-экологического заповедника. А больше всего америция-241 сейчас в отселенных деревнях Масаны, Довляды и Кулажин. По мнению белорусского ученого Валерия Грачевского, ситуация серьезная, и даже часть Речицкого района может быть со временем отселена из-за америция.

На редких энтузиастах держится ситуация с выявлением америция и в России, где после Чернобыля поражено 14 областей и Республика Мордовия — общей площадью более 55000 кв. км. Один из них — Олег Барсуков, доктор физико-математических наук из Пензенского госуниверситета. В статье группы ученых «Оценка, анализ и перспективы исследований радиационной экологии в Пензенском крае», опубликованной в «Известиях высших учебных заведений. Поволжский регион» (2015 г.) отмечается: «Начиная с 2008 г. систематически изучается удельная активность большого числа продуктов питания (мясные, рыбные изделия, крупы, хлеб, овощи, молочные изделия, вода). …Согласно этим данным, удельная активность более радиационно-опасного радионуклида 241Am (америций) у многих продуктов питания (хлеб, картофель, рыба) превышает удельную активность менее опасного в радиационном отношении 137Cs (цезий). …У многих видов грибов имеет место аккумуляция радионуклидов. В большом числе измерений удельная активность 241Am существенно превышает активность 137Cs». При этом в России и Беларуси в оборот снова введены сотни гектаров «грязных» земель — на них пашут и сеют, пасут скот. А в обычной радиологической лаборатории сам фермер провести анализ на америций в продукции не может — нужно специальное оборудование.

Подобная картина — америций в каждодневных продуктах — может наблюдаться на всех территориях чернобыльских зон в России, на Украине и в Беларуси. Однако полномасштабных целевых исследований на государственном уровне не проводилось и, похоже, не планируется. А без этого невозможно решить главную проблему: законодательно закрепить научно обоснованные допустимые нормы по америцию-241 в почве, растениях, пище, для животных и человека. Впрочем, нынешним властям спешить некуда — впереди еще более четырех тысяч лет распада америция. А жизнь простого человека на весах любых правителей никогда не имела никакого значения.

Источник

Лекция 2. Основной закон радиоактивного распада и активность радионуклидов

Лекция 2. Основной закон радиоактивного распада и активность радионуклидов

Скорость распада радионуклидов различна – одни распадаются быстрее, другие – медленнее. Показателем скорости радиоактивного распада является постоянная радиоактивного распада, λ [сек-1], которая характеризует вероятность распада одного атома за одну секунду. Для каждого радионуклида постоянная распада имеет своё значение, чем оно больше, тем быстрее распадаются ядра вещества.

Число распадов, регистрируемых в радиоактивном образце за единицу времени, называют активностью (a), или радиоактивностью образца. Значение активности прямо пропорционально количеству атомов N радиоактивного вещества:

где λ – постоянная радиоактивного распада, [сек-1].

В настоящее время, согласно действующей Международной системе единиц СИ, за единицу измерения радиоактивности принят беккерель [Бк]. Своё название эта единица получила в честь французского учёного Анри Беккереля, открывшего в 1856 г. явление естественной радиоактивности урана. Один беккерель равен одному распаду в секунду 1 Бк = 1 .

Однако до сих пор достаточно часто применяется внесистемная единица активности – кюри [Ки], введённая супругами Кюри как мера скорости распада одного грамма радия (в котором происходит

3,7·1010 распадов в секунду), поэтому

Эта единица удобна для оценки активности больших количеств радионуклидов.

Снижение концентрации радионуклида во времени в результате распада подчиняется экспоненциальной зависимости:

, (3.2.2)

где Nt – количество атомов радиоактивного элемента оставшихся через время t после начала наблюдения; N0 – количество атомов в начальный момент времени (t=0); λ – постоянная радиоактивного распада.

Описанная зависимость называется основным законом радиоактивного распада.

Время, за которое распадается половина от общего количества радионуклидов, называется периодом полураспада, Т½. Через один период полураспада из 100 атомов радионуклида остаются только 50 (рис. 2.1). За следующий такой же период из этих 50 атомов остаются лишь 25 и так далее.

Связь между периодом полураспада и постоянной распада выводится из уравнения основного закона радиоактивного распада:

при t=T½ и

получаем ;

Þ ;

Þ ;

т. е. ; .

Поэтому закон радиоактивного распада можно записать следующим образом:

(3.2.3)

Активность at любого радиоактивного препарата по истечении времени t определяют по формуле, соответствующей основному закону радиоактивного распада:

, (3.2.4)

где at – активность препарата через время t; a0 – активность препарата в начальный момент наблюдения.

Часто необходимо определить активность заданного количества любого радиоактивного вещества.

Вспомним, что единица количества вещества – моль. Моль – это количество вещества, содержащее столько же атомов, сколько их содержится в 0,012 кг=12 г изотопа углерода 12С.

В одном моле любого вещества содержится число Авогадро NA атомов:

Для простых веществ (элементов) масса одного моля численно соответствует атомной массе А элемента

Например: Для магния: 1 моль 24Mg = 24 г.

Для 226Ra: 1 моль 226Ra = 226 г и т. д.

С учётом сказанного в m граммах вещества будет N атомов:

, (3.2.5)

С учётом уравнений (3.2.1) и (3.2.5) активность a простого элемента будет:

(3.2.6)

Пример: Подсчитаем активность 1-го грамма 226Ra, у которого λ = 1.38·10-11 сек-1.

a = 1.38·10-11·1/226·6,02·1023 = 3,66·1010 Бк.

Если радиоактивный элемент входит в состав химического соединения, то при определении активности препарата необходимо учитывать его формулу. С учётом состава вещества определяется массовая доля χ радионуклида в веществе, которая определяется соотношением:

, (3.2.7)

где mрн – атомная масса радионуклида в соединении, Aв – атомная масса вещества.

С учётом уравнений (3.2.6) и (3.2.7) активность aв соединения будет определяться формулой:

Пример решения задачи

Активность А0 радиоактивного элемента 32Р в день наблюдения составляет 1000 Бк. Определить активность и количество атомов этого элемента через неделю. Период полураспада Т½ 32Р = 14,3 дня.

а) Найдём активность фосфора-32 через 7 суток:

Бк.

б) Рассчитаем количество атомов в образце:

Ответ: через неделю активность препарата 32Р составит 712 Бк, а количество атомов радиоактивного изотопа 32Р – 127,14·106 атомов.

1) Что такое активность радионуклида?

2) Назовите единицы радиоактивности и связь между ними.

3) Что такое постоянная радиоактивного распада?

4) Дайте определение основному закону радиоактивного распада.

5) Что такое период полураспада?

6) Какая существует связь между активностью и массой радионуклида? Напишите формулу.

1. Рассчитайте активность 1 г 226Ra. Т½ = 1602 года.

2. Рассчитайте активность 1 г 60Со. Т½ = 5,3 года.

4. Рассчитайте активность 137Cs через 10 лет, если в начальный момент наблюдения она равна 1000 Бк. Т½ = 30 лет.

5. Рассчитайте активность 90Sr год назад, если в настоящий момент времени она равна 500 Бк. Т½ = 29 лет.

6. Какую активность будет создавать 1 кг радиоизотопа 131I, Т½ = 8,1 дня?

7. Пользуясь справочными данными, определите активность 1 г 238U. Т½ = 2,5·109 лет.

Пользуясь справочными данными, определите активность 1 г 232Th, Т½ = 1,4·1010 лет.

8. Рассчитайте активность соединения: 239Pu316O8.

9. Вычислите массу радионуклида активностью в 1 Ки:

9.3. 137Cs, Т1/2=30 лет;

9.4. 239Pu, Т1/2=2,4·104 лет.

10. Определите массу 1 мКи радиоактивного изотопа углерода 14С, Т½ = 5560 лет.

11. Необходимо приготовить радиоактивный препарат фосфора 32P. Через какой промежуток времени останется 3 % препарата? Т½ = 14,29 сут.

12. В природной смеси калия содержится 0,012 % радиоактивного изотопа 40К.

1) Определите массу природного калия, в котором содержится 1 Ки 40К. Т½ = 1,39·109 лет = 4,4·1018 сек.

2) Рассчитайте радиоактивность грунта по 40К, если известно, что содержание калия в образце грунта – 14 кг/т.

13. Сколько периодов полураспада требуется для того, чтобы первоначальная активность радиоизотопа снизилась до 0,001 %?

14. Для определения влияния 238U на растения семена замачивали в 100 мл раствора UO2(NO3)2·6H2O, в котором масса радиоактивной соли составляла 6 г. Определите активность и удельную активность 238U в растворе. Т½ = 4,5·109 лет.

15. Определите активность 1 грамма 232Th, Т½ = 1,4·1010 лет.

16. Определите массу 1 Ки 137Cs, Т1/2=30 лет.

17. Соотношение между содержанием стабильных и радиоактивного изотопов калия в природе – величина постоянная. Содержание 40К равно 0,01%. Рассчитайте радиоактивность грунта по 40К, если известно, что содержание калия в образце грунта – 14 кг/т.

18. Литогенная радиоактивность окружающей среды формируется преимущественно за счёт трёх основных природных радионуклидов: 40К, 238U, 232Th. Доля радиоактивных изотопов в природной сумме изотопов составляет 0,01, 99,3,

100 соответственно. Рассчитайте радиоактивность 1 т грунта, если известно, что относительное содержание калия в образце грунта 13600 г/т, урана – 1·10-4 г/т, тория – 6·10-4 г/т.

19. В раковинах двустворчатых моллюсков обнаружено 23200 Бк/кг 90Sr. Определите активность образцов через 10, 30, 50, 100 лет.

21. 241Am (Т½ = 4,32·102 лет) образуется из 241Pu (Т½ = 14,4 лет) и является активным геохимическим мигрантом. Пользуясь справочными материалами, рассчитайте с точностью до 1% уменьшение активности плутония-241 во времени, в каком году после Чернобыльской катастрофы образование 241Am в окружающей среде будет максимальным.

22. Рассчитайте активность 241Am в продуктах выбросах Чернобыльского реактора по состоянию на апрель
2015 г., при условии, что в апреле 1986 г. активность 241Am составила 3,82·1012 Бк, Т½ = 4,32·102 лет.

23. В образцах грунта обнаружено 390 нКи/кг 137Cs. Рассчитайте активность образцов через 10, 30, 50, 100 лет.

24. Средняя концентрация загрязнения ложа оз. Глубокого, расположенного в Чернобыльской зоне отчуждения, составляет 6,3·104 Бк 241Am и 7,4·104 238+239+240Pu на 1 м2. Рассчитайте, в каком году получены эти данные.

Источник