Явление радиоактивности

 
ВВЕДЕНИЕ  
 
 
Представление об атомах как неизменных мельчайших частицах вещества было разрушено открытием электрона, а также явления естественного радиоактивного распада, открытого французским физиком А. Беккерелем. Значительный вклад в изучение этого явления внесли выдающиеся французские физики Мария Склодовская – Кюри и Пьер Кюри. 
Естественная радиоактивность существует миллиарды лет, она присутствует буквально повсюду. 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. Любой человек слегка радиоактивен: в тканях человеческого тела одним из главных источников природной радиации являются калий - 40 и рубидий - 87, причем не существует способа от них избавиться. 
Путем осуществления ядерных реакций при бомбардировке ядер атомов алюминия а – частицами известным французским физикам Фредерику и Ирен Кюри – Жолио в 1934 году удалось искусственно создать радиоактивные ядра. Искусственная радиоактивность принципиально ничем не отличается от естественной и подчиняется тем же законам. 
В настоящее время искусственные радиоактивные изотопы получают разными способами. Наиболее распространенным является облучение мишени (будущего радиоактивного препарата) в ядерном реакторе. Возможно облучение мишени заряженными частицами в специальных установках, где частицы ускоряются до больших энергий. 
 
 
2.Явление радиоактивности 
2.1.Открытие радиоактивности 
 
История радиоактивности началась с того, как в 1896 году французский физик Анри Беккерель занимался люминесценцией и исследованием рентгеновских лучей.  
Открытие радиоактивности, наиболее яркое свидетельство сложного строения атома.  
Комментируя открытие Рентгена ученые выдвигают гипотезу о том, что рентгеновские лучи испускаются при фосфоресценции независимо от наличии катодных лучей. А. Беккерель решил проверить эту гипотезу. Обернув фотопластинку черной бумагой, он положил на нее металлическую пластинку причудливой формы, покрытую слоем соли урана. Дав четырехчасовую выдержку на солнечном свете, Беккерель проявил фотопластинку и увидел на ней точный силуэт металлической фигурки. Он повторил опыты с большими вариациями, получая отпечатки монеты, ключа. Все опыты подтвердили проверяемую гипотезу, о чем Беккерель доложил 24 февраля на заседании академии наук. Однако Беккерель не прекращает опыты, готовя все новые варианты. 
26 февраля 1896 года погода над Парижем испортилась и подготовленные фотопластинки с кусочками урановой соли пришлось положить в темный ящик стола до появления солнца. Оно появилось над Парижем 1 марта, и опыты можно было продолжить. Взяв пластинки, Беккерель решил их проявить. Проявив пластинки, ученый увидел на них силуэты урановых образцов. Ничего не понимая, Беккерель решил повторить случайный опыт. 
 
 
Он уложил в светонепроницаемую коробку две пластинки, насыпал на них урановую соль, положив предварительно на одну из них стекло, а на другую – алюминиевую пластинку. Пять часов все это находилось в темной комнате, после чего Беккерель проявил фотопластинки. И что же – силуэты образцов вновь четко видны. Значит, какие – то лучи образуются в солях урана. Они похожи на Х – лучи, но откуда они берутся? Ясно одно, что связи между Х – лучами и фосфоресценцией нет. 
Об этом он доложил на заседании академии наук 2 марта 1896 года, совершенно сбив с толку всех ее членов. 
Беккерель установил также, что времени с течением интенсивность излучения одного и того же образца не меняется и что новое излучение способно разряжать наэлектризованные тела. 
Большинство членов Парижской академии после очередного доклада Беккереля на заседании 26 марта поверили в его правоту. 
Открытое Беккерелем явление получило название радиоактивности, по предложению Марии Склодовской – Кюри.Радиоактивность - способность атомов некоторых химических элементов к самопроизвольному излучению. 
 
В 1897 году Мария занимаясь докторской диссертацией, выбрав тему для исследования – открытие Беккереля (Пьер Кюри посоветовал выбрать жене эту тему), решила найти ответ на вопрос: что является подлинным источником уранового излучения? С этой целью она решает исследовать большое количество образцов минералов и солей и выяснить, только ли уран обладает свойством излучать. Работая с образцами тория, она обнаруживает, что он, подобно урану, дает такие же лучи и примерно такой же интенсивности. Значит, данное явление оказывается свойством не только урана, и ему надо дать особое название. Уран и торий назвали радиоактивными элементами. Работа продолжалась с новыми минералами. 
 
3  
 
Пьер, как физик, чувствует важность работы и, оставив временно исследование кристаллов, начинает работать вместе с супругой. В результате данной совместной работы были открыты новые радиоактивные элементы: полоний, радий и др.  
25 июня 1903 года в маленькой аудитории Сорбонны Мария Кюри защищает докторскую диссертацию. 
В ноябре 1903 года Королевское общество присудило Пьеру и Марии Кюри одну из высших научных наград Англии – медаль Дэви. 
13 ноября супруги Кюри одновременно с Беккерелем получают телеграмму из Стокгольма о присуждении им троим Нобелевской премии по физике за выдающиеся открытия в области радиоактивности. 
 
Дело, начатое супругами Кюри, подхватили их ученики, среди которых была дочь Ирен и зять Фредерик Жолио, ставшие в 1935 году лауреатами Нобелевской премии за открытие искусственной радиоактивности.  
Английскими физиками Э. Резерфордом и Ф. Содди было доказано, что во всех радиоактивных процессах происходят взаимные превращения атомных ядер химических элементов. Изучение свойств излучения, сопровождающего эти процессы в магнитном и электрическом полях, показало, что оно разделяется на a-частицы, b-частицы и g-лучи (электромагнитное излучение с очень малой длиной волны).  
 
4 
 
Некоторое время спустя в результате исследования различных физических характеристик и свойств этих частиц (электрического заряда, массы и др.) удалось установить, что b – частица представляет собой электрон, а а – частица – полностью ионизированный атом химического элемента гелия (т.е. атом гелия, потерявший оба электрона). 
 
Кроме того выяснилось, что радиоактивность – это способность некоторых атомных ядер самопроизвольно превращаться в другие ядра с испусканием частиц.  
 
Так, например, было найдено несколько разновидностей атомов урана: с массами ядер, приблизительно равными 234 а.е.м., 235 а.е.м., 238 а.е.м. и 239 а.е.м. Причем все эти атомы обладали одинаковыми химическими свойствами. Они одинаковым образом вступали в химические реакции, образуя одни и те же соединения.  
 
При некоторых ядерных реакциях возникает сильно проникающее излучение. Эти лучи проникают через слой свинца толщиной в несколько метров. Это излучение представляет собой поток частиц, заряженных нейтрально. Эти частицы названы нейтронами. 
 
При некоторых ядерных реакциях возникает сильно проникающее излучение. Эти лучи бывают разных видов и обладают различной проникающей способностью. Например, поток нейтронов проникает через слой свинца толщиной в несколько метров.  
 
 
5 
 
^ 2.2. Источники радиации 
 
Радиация весьма многочисленна и разнообразна, однако можно выделить около семи основных  её источников. 
 
Первым источником является наша Земля. Эта радиация объясняется наличием в Земле радиоактивных элементов, концентрация которых в разных местах изменяется в широких пределах.  
 
^ Второй источник радиации – космос, откуда на Землю постоянно падает поток частиц высокой энергии. Источниками образования космического излучения являются звёздные взрывы в Галактике и солнечные вспышки. 
 
^ Третий источник радиации – это радиоактивные природные материалы, используемые человеком для строительства жилых и производственных помещений. В  среднем  мощность дозы внутри зданий на 18% - 50% больше, чем снаружи. Внутри помещений человек проводит три четверти своей жизни. Человек, постоянно находящийся в помещении, построенном из гранита, может получить - 400 мбэр/год, из красного кирпича –189 мбэр/год, из бетона – 100мбэр/год, из дерева – 30 мбэр/год. 
 
Четвертый источник радиоактивности населению малоизвестен, но не менее опасен. Это радиоактивные материалы, которые человек использует в повседневной деятельности. 
 
 - В состав красок для печати банковских чеков включают радиоактивный углерод, обеспечивающий легкую идентификацию подделанных документов. 
 
 - Для получения краски или эмали на керамике  или драгоценностях применяется уран.  
 
- Уран и торий используют при производстве стекла.  
 
- Искусственные зубы из фарфора усиливаются ураном и церием. При этом  - излучение на прилегающие к зубам слизистые оболочки может достичь 66 бэр/год, тогда как годовая норма для всего организма не должна превышать 0,5 бэр ( т.е. в 33 раза больше)  
 
- Экран телевизора излучает на человека 2-3 мбэр/год. 
 
^ Пятый источник – предприятия по транспортировке и переработке радиоактивных материалов. 
 
Шестым источником радиации являются атомные электростанции. На АЭС, 
 
6  
 
кроме твердых отходов, имеются также жидкие (зараженные воды из контуров охлаждения реакторов) и газообразные содержащемся в углекислом газе, используемом для охлаждения.  
 
Седьмой источник радиоактивного излучения - это медицинские установки. Несмотря на обычность их использования в повседневной практике, опасность облучения от них намного больше, чем от всех рассмотренных выше источников и достигает иногда десятков бэр. Один из распространенных способов диагностики - рентгеновской аппарат. Так, при рентгенографии зубов - 3 бэр, при рентгеноскопии желудка - столько же, при флюорографии - 370 мбэр. 
 
^ Что же происходит с веществом при радиоактивном излучении?  
 
Во – первых, удивительное постоянство, с которым радиоактивные элементы испускают излучения. На протяжении суток, месяцев, лет интенсивность излучения заметно не изменяется. На него не оказывает влияние нагревание или увеличение давления, химические реакции в которые вступал радиоактивный элемент, так же не влияли на интенсивность излучения.  
 
^ Во – вторых, радиоактивность сопровождается выделением энергии, и она выделяется непрерывно на протяжении ряда лет. Откуда же берется эта энергия? При радиоактивности вещество, испытывает какие – то глубокие изменения. Было сделано предположение, что превращения претерпевают сами атомы. 
 
Наличие одних и тех же химических свойств означает, что все эти атомы имеют одинаковое число электронов в электронной оболочке, а значит, и одинаковые заряды ядер. 
 
Если заряды ядер атомов одинаковы, значит, эти атомы принадлежат одному и тому же химическому элементу (несмотря на различия в их массах) и имеют один и тот же порядковый номер в таблице Д.И. Менделеева. Разновидности одного и того же химического элемента, различающиеся по массе атомных ядер назвали изотопами. 
 
 
7 
 
^ 3. Получение и применение радиоактивных изотопов 
 
Радиоактивные изотопы, встречающие в природе, называются естественными. Но многие химические элементы встречаются в природе только в стабильном (т.е. радиоактивном) состоянии. 
В 1934 году французские ученые Ирен и Фредерик Жолио – Кюри обнаружили, что радиоактивные изотопы могут быть созданы искусственным путем в результате ядерных реакций. Такие изотопы назвали искусственными. 
Для получения искусственных радиоактивных изотопов обычно используют ядерные реакторы и ускорители элементарных частиц. Существует отрасль промышленности, специализирующаяся на производстве таких элементов. 
Впоследствии был получены искусственные изотопы всех химических элементов. Всего в настоящее время известно примерно 2000 радиоактивных изотопов, причем 300 из них – естественные. 
В настоящее время радиоактивные изотопы широко применяют в различных сферах научной и практической деятельности: техника, медицина, сельское хозяйство, средства связи, военной области и в некоторых других. При этом часто используют так называемый метод меченых атомов. 
 
 
^ 3.1.Использование изотопов в медицине 
Применение изотопов, одним из наиболее выдающихся исследований, проведенных с помощью «меченых атомов», явилось исследование обмена веществ в организмах. 
С помощью изотопов были раскрыты механизмы развития (патогенез) ряда заболеваний; их применяют также для изучения обмена веществ и диагностики многих заболеваний.  
 
 
Изотопы вводят в организм человека в крайне малых количествах (безопасное для здоровья), не способных вызвать какие-либо патологические сдвиги. Кровью они неравномерно распределяются по всему организму. Излучение, возникающее при распаде изотопа, регистрируют приборами (специальными счетчиками частиц, фотографированием), расположенных вблизи тела человека. В результате можно получить изображение какого –либо внутреннего органа . По этому изображению можно судить о размерах и форме этого органа, о повышенной или пониженной концентрации изотопа в 
 
8  
различных его частях. Можно также оценить функциональное состояние (т.е. работу) внутренних органов по скорости накопления и выведения ими радиоизотопа.  
Так, состояние сердечного кровообращения, скорости кроветока, изображение полостей сердца определяют с помощью соединений, включающих изотопы натрия, иода, технеция; для изучения лёгочной вентиляции и заболеваний спинного мозга применяют изотопы технеция, ксенона; макроагрегаты альбумина человеческой сыворотки с изотопом иода используют для диагностики различных воспалительных процессов в легких, их опухолей и при различных заболеваниях щитовидной железы. 
Концентрационную и выделительную функции печени изучают при помощи краски бенгал-роз с изотопом иода, золота. Изображение кишечника, желудка получают, используя изотоп технеция, селезёнки применяя эритроциты с изотопом технеция или хрома; с помощью изотопа селена диагностируют заболевания поджелудочной железы. Все эти данные позволяют поставить правильный диагноз заболевания. 
С помощью метода «меченых атомов» исследуют также различные отклонения в работе системы кровообращения, обнаруживают опухоли (поскольку именно в них накапливаются некоторые радиоизотопы). Благодаря этому методу было обнаружено, что за сравнительно короткое время организм человека почти полностью обновляется. Исключение является лишь железо, входящее в состав крови: оно начинает усваивается организмом из пищи только тогда, когда ег запасы иссякают. 
 
9 
Важное значение при выборе изотопа имеет вопрос о чувствительности метода изотопного анализа, а также о типе радиоактивного распада и энергии излучения. 
В медицине радиоактивные изотопы используются не только для диагностики, но и для лечения некоторых заболеваний, например раковых опухолей, базедовой болезни и др. 
В связи с применением очень малых доз радиоизотопов лучевое воздействие на организм при радиационной диагностике и лечении не представляет опасности для пациентов. 
 
 
^ 3.2. Радиоактивные изотопы в сельском хозяйстве  
Все более широкое применение получают радиоактивные изотопы в сельском хозяйстве. Облучение семян растений (хлопчатника, капусты, редиса и др.) небольшими дозами гамма-лучей от радиоактивных препаратов приводит к заметному увеличению урожайности. Большие дозы радиации вызывают мутации у растений и микроорганизмов, что в отдельных случаях приводит к появлению мутантов с новыми ценными свойствами (радиоселекция). Так выведены ценные сорта пшеницы, фасоли и других культур, а также получены высоко продуктивные микроорганизмы, применяемые в производстве антибиотиков.  
Гамма - излучение радиоактивных изотопов используется также для борьбы с вредными насекомыми и для консервации пищевых продуктов. Широкое применение получили «меченые атомы» в агротехнике. Например, чтобы выяснить, какое из фосфорных удобрений лучше усваивается растением, помечают различные удобрения радиоактивным фосфором. Исследуя затем растения на радиоактивность, можно определить количество усвоенного ими фосфора из разных сортов удобрения.  
Интересное применение для определения возраста древних предметов органического происхождения (дерева, древесного угля, тканей и т. д.) получил метод радиоактивного углерода. В растениях всегда имеется бета - радиоактивный изотоп углерода с периодом полураспада Т=5700 лет. Он образуется в атмосфере Земли в небольшом количестве из азота под действием нейтронов. Последние же возникают за счет ядерных реакций, вызванных быстрыми частицами, которые поступают в атмосферу из космоса (космические лучи). Соединяясь с кислородом, этот углерод образует, углекислый газ, поглощаемый растениями, а через них и животными.  
Изотопы широко используются для определения физических свойств почвы 
 
10  
и запасов в ней элементов пищи растений, для изучения взаимодействия почвы и удобрений, процессов усвоения растениями питательных элементов, поступления в растения минеральной пищи через листья. Пользуются изотопами для выявления действия на растительный организм пестицидов, что позволяет установить концентрацию и сроки обработки ими посевов. Применяя метод изотопов, исследуют важнейшие биологические свойства с/х культур (при оценке и отборе селекционного материала) урожайность, скороспелость, хладостойкость.  
В животноводстве изучают физиологические процессы, протекающие в организме животных, проводят анализ кормов на содержание токсичных веществ (малые дозы которых трудно определить химическими методами) и микроэлементов. При помощи изотопов разрабатывают приёмы автоматизации производственных процессов, например отделение корнеплодов от камней и комков почвы при уборке комбайном на каменистых и тяжёлых почвах.  
 
 
^ 3.3.Радиационная хронометрия 
 
 
Некоторые радиоактивные изотопы можно с успехом использовать для определения возраста различных ископаемых (радиационная хронометрия). Наиболее распространенный и эффективный метод радиационной хронометрии основан на измерении радиоактивности органических веществ, которая обусловлена радиоактивным углеродом (14С).  
Исследования показали, что в каждом грамме углерода в любом организме за минуту происходит 16 радиоактивных бета-распадов (точнее, 15,3 ± 0,1). По истечении 5730 лет в каждом грамме углерода будет распадаться уже только 8 атомов в минуту, через 11 460 лет — 4 атома.  
Один грамм углерода из образцов молодого леса испускает около пятнадцати бета - частиц в секунду. После гибели организма пополнение его радиоактивным углеродом прекращается. Имеющееся же количество этого изотопа убывает за счет радиоактивности. Определяя процентное содержание радиоактивного углерода в органических остатках, можно определить их возраст, если он лежит в пределах от 1000 до 50000 и даже до 100000 лет.  
Число радиоактивных распадов, т. е. радиоактивность исследуемых образцов, измеряют детекторами радиоактивного излучения. 
Таким образом, измерив в определенном весовом количестве материала исследуемого образца число радиоактивных распадов за минуту и пересчитав это число на грамм углерода, мы можем установить возраст объекта, из которого взят образец. Таким методом узнают возраст египетских мумий, остатков доисторических костров и т. д. 
 
11 
 
 
^ 3.4. Применение радиоактивных изотопов в промышленности  
Одним из примеров 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. Радиоактивные изотопы позволяют судить о диффузии металлов, процессах в доменных печах и т. д. Мощное гамма-излучение радиоактивных препаратов используют для исследования внутренней структуры металлических отливок с целью обнаружения в них дефектов. 
Изотопы также используются в ядерно-физической аппаратуре для изготовления счетчиков нейтронов, что позволяет увеличить эффективность счета более чем в 5 раз, в ядерной энергетике как замедлители и поглотители нейтронов.  
 
 
^ 3.5. Использование изотопов в науке 
 
Использование изотопов в биологии привело к пересмотру прежних представлений о природе фотосинтеза, а также о механизмах, обеспечивающих усвоение растениями неорганических веществ карбонатов, нитратов, фосфатов и др. С помощью изотопов изучено перемещение популяций в биосфере и отдельных особей внутри данной популяции, миграции микробов, а также отдельных соединений внутри организма. Вводя в организмы с пищей или путём инъекций метку, удалось изучить скорость и пути миграции многих насекомых (москитов, мух, саранчи), птиц, грызунов и др. мелких животных и получить данные о численности их популяций.  
В области физиологии и биохимии растений с помощью изотопов решен ряд теоретических и прикладных проблем: выяснены пути поступления минеральных веществ, жидкостей и газов в растения, а также роль различных химических элементов, в том числе микроэлементов, в жизни растений. Показано, в частности, что углерод поступает в растения не только через листья, но и через корневую систему, установлены пути и скорости передвижения ряда веществ из корневой системы в стебель и листья и из этих органов к корням. 
В области физиологии и биохимии животных и человека изучены скорости поступления различных веществ в их ткани (в том числе скорость включения железа в гемоглобин, фосфора в нервную и мышечные ткани, кальция в кости). Использование "меченой" пищи привело к новому представлению о скоростях всасывания и распространения пищевых веществ, об их "судьбе" в организме и помогло проследить за влиянием внутренних и внешних факторов (голодание, асфиксия, переутомление и т. д.) на обмен веществ.  
 
 
12 
 
 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 
Выдающиеся французские физики Мария Склодовская – Кюри и Пьер Кюри, их дочь Ирен и зять Фредерик Жолио и многие другие ученые не только внесли большой вклад в развитие ядерной физики, но были страстными борцами за мир. Они вели значительную работу по мирному использованию атомной энергии.  
 
 
В Советском Союзе работы над атомной энергией начались в 1943 году под руководством выдающегося советского ученого И. В. Курчатова. В трудных условиях небывалой войны советские ученые решали сложнейшие научные и технические задачи, связанные с овладением атомной энергией. 25 декабря 1946 года под руководством И.В.Курчатова впервые на континенте Европы и Азии была осуществлена цепная реакция. В Советском Союзе началась эра мирного атома. 
В ходе работы я выяснил, радиоактивные изотопы, полученные искусственным путем, нашли широкое применение в науке, технике, сельском хозяйстве, промышленности, медицине, археологии и других областях. Это обусловлено следующими свойствами радиоактивных изотопов: