Повідомлення до уроку "Величини і одиниці вимірювання радіоактивності"

Радіоактивність.

Термін “радіоактивність” був запропонований в 1898 році Марією Склодовською-Кюрі, яка разом з чоловіком П’єром Кюрі відкрила два нових радіоактивних хімічних елементи – полоній і радій. Радіоактивність (в залежності від величини якою вона характеризується) можна вимірювати        в різноманітних одиницях – в Беккерелях, Кюрі, Рентгенах, Резерфордах, Греях, Зівертах і ін.

Активність.

Активністю (А) нукліда в радіоактивному джерелі (активністю ізотопа) називається величина, рівна відношенню кількості атомів що розпалися (N) до проміжку часу (t) розпаду цього числа частинок: А = N/t. (А = λ·N, де λ – стала радіоактивного розпаду радіонуклідів або А = (0,69·N)/T).

Одиницею активності ізотопів є Бекерель (Бк). 1 Бк дорівнює активності такого ізотопу, в якому за 1 с відбувається 1 розпад. Масу радіоактивного ізотопу, активність якого рівна 1 Бк можна обчислити за формулою:   m = 2,41·10^-24АТ, де m - маса в г, Т – період піврозпаду в с, А – масове число. Масу ізотопу можна обчислити також таким чином: m = ν·M = (N/N_A)·M =((A/λ)/N_A)·M,    де ν·- кількість речовини в моль, M – молярна маса в кг/моль, N_A = 6,02·10²³ моль^-1 -·число Авогадро. M = ((A/λ)/N_A)M. На честь подружжя-вчених Кюрі перша (позасистемна) одиниця вимірювання радіоактивності була названа “Кюрі”. Чому вона дорівнює, запам’ятати нескладно. Радіоактивність в 1 Кюрі (Кі) створює 1г радію. (Цю одиницю визначають ще так: 1 Кюрі – активність такої кількості радіоактивної речовини, в якій відбувається 3,7·10¹⁰ розпадів за секунду). Поглинута доза йонізуючого випромінювання.

Величина, що дорівнює енергії, яка поглинається одиницею маси даної речовини, називається поглинутою дозою випромінювання (D). Одиницею цієї величини є Грей (Гр). 1Гр дорівнює такій дозі випромінювання, при якій речовина масою 1 кг поглинає енергію іонізуючого випромінювання 1Дж.

D = W/m,   де W – енергія йонізуючого випромінювання, передана речовині масою m.

На практиці широко використовується позасистемна одиниця поглинутої дози – рад. Слово “рад” утворене від англійського radiation absorbed doze – поглинута доза випромінення. 1 рад – це таке випромінення, при якому кожний кілограм маси речовини (наприклад людського тіла) поглинає 0,01 Дж енергії.

Експозиційна доза йонізуючого випромінювання.

Фізична і біологічна дія йонізуючого випромінювання залежить не лише від поглинутої дози, а й від того яка частина поглинутого проміння зумовить йонізацію атомів та молекул опроміненої речовини. Тому крім поглинутої дози, було введено фізичну величину, яка визначається іонізаційною дією на речовину – експозиційну дозу йонізуючого випромінювання (D_експ). Експозиційна доза йонізуючого випромінювання дорівнює сумарному заряду йонів того чи іншого знака, які виникають під дією випромінювання в 1 кг сухого повітря.

D_експ = q/m,    де q – сумарний заряд йонів в Кл, m – маса сухого повітря в кг.

В СІ експозиційну дозу вимірюють в Кулонах на кілограм (Кл/кг).

На практиці широко використовується позасистемна одиниця - Рентген. 1Рентген (Р) – це така доза рентгенівського (або гамма) випромінювання, при якій в 1 см³ повітря утворюється 2.08·10⁹ пар іонів.

Еквівалентна доза йонізуючого випромінювання.

Різні типи випромінювань діють на організм по різному (при однаковій поглинутій дозі). Для порівняння дії різних випромінювань вводять поняття еквівалентної дози випромінювання (позначається буквою Н або D_екв).. Еквівалентна доза випромінювання вимірюється в Зівертах (Зв). 1 Зіверт рівний еквівалентній дозі випромінення, при якій поглинута доза рівна 1 Гр і коефіцієнт якості (залежить від виду променів) випромінювання рівний одиниці.

H = K·D,   де К – коефіцієнт якості, який характеризує вид випромінювання.

α – випромінювання, К = 20; β – випромінювання, К = 1;

γ – випромінювання, К = 1;

нейтрони,                    К = 5-10; протони,                      К = 5.

Існує також позасистемна одиниця еквівалентної дози - бер. 1бер (біологічний еквівалент рентгена) – доза будь-якого випромінювання, яка спричинює таку ж біологічну дію, як рентгенівське або гаммавипромінювання величиною 1 Рентген.

Потужність дози йонізуючого випромінювання

Потужністю поглинутої дози (РD) називають дозу випромінювання поглинуту за одиницю часу. Р_D = D/t

Одиниця вимірювання – Грей за секунду (Гр/с).

Потужність експозиційної дози (РD_експ) визначається за формулою:

РDексп = Dексп/t

Одиниця вимірювання – Рентген за секунду (Р/с).

Потужність еквівалентної дози (РD_екв) визначається за формулою:

РDекв = Dекв/t Одиниця вимірювання – Зіверт за секунду (Зв/с).

На поданому малюнку показані потужності різноманітних радіоактивних джерелі їх вплив на живі організми. На верхній центральній шкалі показано випромінювання, яке можна спостерігати в епіцентрі вибуху атомної і водневої бомб через певні проміжки часу. На лівій нижній шкалі наведено потужності радіоактивних джерел, з якими ми зустрічаємося в повсякденному житті. Природний радіоактивний фон утворюється за рахунок космічних променів, випромінювання ґрунту, який містить радіоактивні речовини, і від радіоактивних осадів.

Випромінювання в епіцентрі вибуху                         Гине 50% опромінених 

на протязі 30 днів

               Кюрі Рентген 

На правій шкалі приведені середні смертельні дози для різних живих організмів. Якщо людина за короткий час, скажімо годину, отримує дозу опромінення 400 Рентген, то з імовірністю 50% можна стверджувати, що вона смертельна. Якщо доза опромінення підвищиться до 600 Рентген, то ймовірність настання смерті збільшиться до 98%.

Небезпека внутрішнього опромінення залежить від того, який орган ушкоджений. Критичний орган – це такий орган, накопичення в якому радіоактивного ізотопу ушкоджує в більшій степені весь організм. Санітарними правилами встановлені три групи критичних органів: І-ша група – все тіло, кристалик ока і кровотворні органи; ІІ-га група – м’язи, жирова тканина, печінка, нирки, підшлункова залоза, шлунково-кишковий тракт і легені; ІІІ-тя група – шкіра, щитовидна залоза, кістки.

В усіх випадках до 30 років сумарна доза не повинна перевищувати 0,6Дж/кг. Природне опромінення за рахунок космічної радіації і радіоактивних ізотопів складає близько 1 мДж/г. допустимий рівень природного радіаційного фону становить 25 мкР/год (1-2 мЗв/рік).

Співвідношення між одиницями іонізуючих випромінювань.

1 Гр = 1 Дж/кг = 100 рад

1 рад = 0,01 Гр

1 Зв = 1 Дж/кг = 100 бер

1 бер = 0,01 Зв

1 Кл/кг = 3,88·10³ Р

1 Р = 2,58·10^-4 Кл/кг

1 Бк = 1 розпад/с = 2,703·10^-11 Кі

1 Кі = 3,7·10¹⁰ Бк

Для звичайних практичних розрахунків можна вважати, що Рентгени, ради і бери рівні між собою: 1 Р ≈ 1 рад ≈ 1 бер.

Під час поділу одного ядра урану виділяється приблизно 3,2·10^-11 Дж енергії. З одного моля урану (6,02·10²³ ядер) виділиться близько 19,2·10¹² Дж, тобто стільки ж як і при згорянні 450 т нафти.