Защ.нас-я в ЧСdoc3

С.В. Дорожко В.П. Бубнов В.Т. Пустовит

ЗАЩИТА НАСЕЛЕНИЯ

ИОБЪЕКТОВ

ВЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ

СИТУАЦИЯХ.

РАДИАЦИОННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ

В 3 частях

Часть 3

РАДИАЦИОННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ

Пособие

5-е издание переработанное и дополненное

Минск

«Дикта»

2010

ВВЕДЕНИЕ

Известно, что основными силами природы являются тяготение, электромагнетизм, сильное и слабое взаимодействия. Сильное взаимодействие удерживает частицы в ядре атома, а следствием слабого взаимодействия является радиоактивность.

Ученые мира пытаются объединить все названные силы в единую космическую теорию. В 1968 г. ученым удалось объединить электромагнетизм и слабое взаимодействие, а позднее - присоединить к ним и сильное взаимодействие. Общая теория, которая объясняет все эти силы, называется квантовой хромодинамикой. Согласно этой теории кварки взаимодействуют в ядрах с глионами - носителями сильных взаимодействий.

Попытки ученых присоединить гравитацию к квантовой теории пока не увенчались успехом. Определенные надежды на этом пути ученые связывают с «теорией струн», но она пока до конца не разработана.

Человек в своей жизнедеятельности сталкивается со всеми основными силами природы, он сам - результат взаимодействия этих сил. Нежелание знать и учитывать воздействие этих сил представляет опасность для жизни и здоровья человека.

Одной из потенциально опасных сил является радиация. Человек научился использовать радиоактивные вещества для своего блага: диагностика, получение электрической энергии и т.д. Но следует помнить, что радиация представляет и смертельную опасность. Знание природы радиационных излучений - необходимое условие для выработки мер по обеспечению радиационной безопасности не только человека, но и экологической безопасности всего живого на планете Земля.

В Республике Беларусь насчитывается более 1000 достаточно крупных радиационно опасных объектов, без которых не могут развиваться экономика и социальная

3

сфера. В перспективе возможно и строительство атомной электростанции на территории Республики Беларусь, так как это перспективный источник энергии. Однако аварии на таких объектах могут представлять смертельную опасность для большого числа людей. Это подтверждается последствиями катастрофы на Чернобыльской АЭС. Нё исключаются и террористические акты. Поэтому каждый гражданин должен иметь необходимые знания, чтобы применить их для обеспечения своей безопасности в чрезвычайных ситуациях, вызванных авариями на радиационно опасных объектах, диверсиями и террористическими актами с применением радиобиологического оружия. Эти знания необходимы и в повседневной жизни для защиты от естественного радиационного и медицинского рентгеновского облучения.

4

Глава 1

ФИЗИЧЕСКАЯ ПРИРОДА И ИСТОЧНИКИ РАДИАЦИОННОЙ

ОПАСНОСТИ

1.1. РАДИОАКТИВНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ ЯДЕР

1.1.1. Общие сведения об атоме и атомном ядре

Опасные радиационные излучения в природе возникают, в основном, в результате радиоактивных превращений ядер атомов. Знание механизма этих превращений позволит объективно оценить степень опасности радиационных излучений и решать задачи защиты от них.

Напомним некоторые выводы из основ ядерной физики;

1. Атом — наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств.

Каждому химическому элементу соответствует определенный состав атома. Атомы могут существовать как в свободном состоянии, так и в связанном - в составе молекул. Все химические и физические свойства атома определяются особенностями его строения. Атомы имеют размеры порядка Ю-10 м и массу 10 27кг.

2. Атом состоит из ядра и вращающихся вокруг

него электронов.

Модель строения атома была предложена в 1913 г. датским физиком Н. Бором, за основу которой была принята планетарная модель Э. Резерфорда. Ядро атома имеет положительный заряд. Вокруг ядра движутся по строго определенным орбитам отрицательно заряженные электроны.

Электрон - элементарная частица, имеет отрицательный заряд, а по массе примерно в 1836 раз меньше ядра атома водорода (протона).

5

В устойчивом состоянии атом электрически нейтрален, то есть суммарный положительный заряд ядра равен суммарному заряду электронов, находящихся на орбитах. Основная масса атома сосредоточена в ядре, на долю электронов приходится менее 0,05 % массы атома.

Величина положительного заряда ядра (количество протонов) характеризует атомный номер элемента, то есть его место в таблице Д.И. Менделеева.

Располагаясь на определенных расстояниях от атомного ядра, электроны образуют электронные слои (электронные оболочки). На каждой оболочке К (номер оболочки) может быть не более 2К2 электронов. Каждая оболочка характеризуется своим энергетическим уровнем. Количество слоев может достичь семи: К, L, М, N, О, Р и Q (пример на рис. 1.1). Если все электроны заполняют свои орбиты, то атом находится в устойчивом состоянии. Чем дальше от ядра находятся электроны, тем слабее они взаимодействуют с ядром, тем легче вступают в различные реакции с другими атомами.

Примечание. В атоме, в ядре атома, во Вселенной взаимодействие противодействующих сил стремится к динамическому равновесию. .

Если электрон получает дополнительную энергию извне, не превышающую энергию связи электрона с ядром, то он переходит на более удаленную орбиту (атом становится возбужденным). Стремясь к равновесию, через некоторое время (примерно через 10~8с) электрон вернется на свою орбиту, при этом будет выделена электромагнитная энергия в виде фотона:

Er = hv,

где постоянная Планка h = 6,6262 -10~34Дж/с, v - частота гаммакванта.

Если электрон получает дополнительную энергию извне, превышающую энергию связи электрона с ядром, то последний покидает атом, превращая его в положительно заряженный ион.

6

Рис. 1.1. Структура атома 1 - ядро; 2 - электронные оболочки с электронами

3.Плотность ядерного вещества очень велика и составляет 1,8-Ю17 кг/м3. Это свидетельствует об огромной внутриядерной энергии. Наибольшая плотность ядерного вещества у элементов, расположенных в средней части периодической таблицы Д.И. Менделеева.

4.Ядро атома имеет сложную структуру и до конца не изучено. Оно состоит из различных элементарных частиц.

Понять природу радиоактивности можно ограничившись рассмотрением взаимодействия нуклонов в ядре.

• Нуклоны (от лат. nucleus) - общее наименование для протонов и нейтронов, из которых построены все атомные ядра.

•Протон (от греч. protos) - относительно стабиль-

ная элементарная частица с массой » 1836 ше (ше - масса электрона) и положительным зарядом, равным заряду

позитрона.

• Позитрон — элементарная частица, которая по массе равна массе электрона, но имеет положительный заряд, равный по величине заряду электрона.

7

Среднее время «жизни» протона в свободном виде (вне ядра) более 1080 лет, но в ядре атома время его «жизни» при определенных условиях может быть значительно меньше. В этом случае протон выбрасывает из себя позитрон и, превращается в нейтрон.

•Нейтрон ~ электрически нейтральная элементарная

т;асф|щ$ р массой я 1840 т е (т е - масса электрона), незначительно превышающей Mftcqy протона. В свободном состоянии (вне «дра) нейтрон нестабилен, среднее рремч его «жизни» » 15,3 мин. Спустя это время нейтрон выбрасывает из себя электрон и превращается в протон. При определенных условиях нейтрон, находясь в ядре, может также выбросить из себя электрон л превратиться в протон.

Протоны в ядре обладают как стягивающими, так и отталкивающими свойствами, а нейтроны, находящиеся в ядре, обладают только стягивающими свойствами, придают прочность ядру атома, препятствуют разлету протонов вследствие их электрического отталкивания. Именно они обеспечивают стабильность ядер.

Более строгое описание процессов в ядре рассматривается в литературе по ядерной физике.

Прочность ядра зависит, от соотношения полей в ядре: электрического, гравитационного, ядерного, электромагнитного, слабого.

Основными силами в ядре являются ядерные силы. Радиус действия ядерных сил равен радиусу нуклона (порядка 1,5Ю~13 см или 1 Ферми).

Таким образом, внутри ядра образуется ядерное поле, осуществляющее взаимодействие нуклонов путем обмена особыми частицами. Они названы л-мезонами (тт-мезон почти в 300 раз больше массы электрона) и осуществляют взаимодействие на расстояниях порядка 1 Ферми, на которых ядерные силы во много раз превосходят силы электростатического отталкивания протонов. Таким образом, u-мезоны играют роль «ядерного клея» и делают ядра стабильными.

Позже было установлено, что нуклоны имеют достаточно сложную структуру и сами состоят из более простых «кирпичиков» — кварков. Кварки очень малы, почти в 1000 раз меньше нуклона. Различают 6 типов кварков. Каждый из них существует в трех вариантах. Взаимодействие кварков внутри барионов и

8

мезонов (обе группы частиц носят название «адроны») происходит при помощи особых частиц - глюонов, во многом напоминающих фотоны, то есть не имеют массы покоя, но имеют собственный момент вращения равный единице. Ядерные силы, действующие между нуклонами, представляют собой вторичное проявление кварк-глюонного взаимодействия. Более полное взаимодействие элементарных частиц в ядре описывается в литературе по ядерной физике.

Справка. Известно несколько сотен элементарных частиц. Только после открытия кварков удалось уточнить их роль и взаимодействие внутри ядра.

Элементарные частицы характеризуются массой, электрическим зарядом, спином и рядом других величин. К настоящему времени сложилась определенная классификация элементарных частиц, объединяющая их в три группы: фотоны, лептоны и адроны.

Кгруппе фотонов относится одна частица - фотон, который является переносчиком электромагнитной энергии.

Кгруппе лептонов относятся: электрон, мюон, т&оон, соответствующие им нейтрино, а также их античастицы. Лептоны являются фермионами, спин им приписывают равным 1/ . Основную часть элементарных частиц составляют адроны, к которым относятся каоны, я-мезоны, нуклоны, гипероны, а также

их античастицы. . '

5. Ядра атомов могут быть нестабильными, если в них имеется избыток нейтронов или их дефицит.

Химические элементы, ядра которых имеют одинаковое число протонов, но разное число нейтронов, называют изотопами. В настоящее время известно свыше 1300 естественных и искусственных изотопов более 100 химических элементов, но только 250 из них - стабильные, остальные - нестабильные. Именно нестабильные ядра испытывают радиоактивные превращения и являются источником радиационных излучений.

Количество нейтронов в ядре может колебаться, но лишь в определенных пределах. Наиболее стабильные изотопы легких элементов, от гелия и лримерно до. меди (имеют равное количество протонов и нейтронов). В более тяжелых ядрах много протонов. Чтобы сохранить стабильность их ядер, количество нейтронов растет опережающими темпами. Например, устойчивый изотоп молибдена содержит 42 протона и 56 нейтронов. Наконец, самые тяжелые элементы начиная с № 82 оказываются нестабильными и распадаются самопроизвольно, несмотря на избыток нейтронов. Наибольшую стабильность имеют ядра эле-

9