Қазақстан республикасының білім және ғылым министрлігі «ҚР Ұлттық ядролық орталық» республикалық мемлекеттік кәсіпорыны

Кіріспе

Осы жағдайға сай тұрғындар мен өндірістік қызметкерлердің радиациялық қауіпсіздігін қамтамасыз етуге көп көңіл бөлінеді. Сәулеленудің қауіпті деңгейлері табиғи сәулелену көздерінен де болуы мүмкін.

Қазақстанда негізгі құқықтық база, яғни, тұрғындардың, қызметкерлердің, қоршаған ортаның қауіпсіздігі келесідей заңдармен қамтамасыздандырылған: «Қоршаған орта туралы» заң, «Қазақстан Республикасының тұрғындарының санитарлы – эпидемиологиялық саулығы туралы» заң, «Атомдық энергияны қолдану туралы» заң. Осы заңдармен Қазақстан Республикасының азаматтарымен, тұрғылықты немесе уақытша Республика аумағында тұратын азаматтардың қауіпсіздігі қамтамасыздандырылған.

Бұл заңдар атомдық энергияны және радиациялық қауіпсіздікті қауіпсіз түрде қолданудағы заңды субъектілердің жұмыс жасау принциптерін сипаттайды. Заңдар жеткілікті түрде көлемді және олар иондаушы cәулелердің әр түрлі көздерден адамға әсер етуін қарастырады.

Қолданыстағы заңдылықтың іске асуының негізгі және маңызды шарты радиациялық қауіпсіздікті қамтамасыздандыру бағытында студенттерді дайындау болып келеді. Оқытылған және тәжірибелі қызметкерлердің болуы сәулені шамадан тыс алуды төмендетуге және радияциялық аварияларды алдын алуға қол жеткізуге ықпалын тигізеді.

Осы оқу құралы «Радиациялық қауіпсіздік» курсы бойынша дәрістер жинағынан және компьютерлік зертханалық жұмыстан тұрады.

Әрине, радиациялық бақылаудың іске асуы үшін, тұрғындардың санитарлы – эпидемиологиялық амандығы, атомдық энергияны қолдану және қоршаған ортаны қорғау Қазастан Республикасының заңдылықтарына сәйкес радиациялық бақылау кызметтеріне сәйкес келетін аспаптар болуы қажет. Сондықтан да, радиометриялық қондырғылармен танысуға көп көңіл бөлінеді.

Бұл кітап ең алдымен «Радиациялық қауіпсіздік» курсы бойынша дәрісті тыңдаушыларға, сонымен қатар сәйкес мамандық студенттеріне, радиологиялық қызмет мамандары мен экологтарға арналған.

1 ТЕОРИЯЛЫҚ БӨЛІМ

1.1 Жалпы физика-ядролық түсініктер

1 Радиоактивтіліктің негізгі ұғымдары мен анықтамалары.

2 Зат құрылысы, молекула, атом, ион, элементар бөлшектер.

3 Әрекеттесу түрлері және өлшемдері (күш), электронвольт.

4 Радиоактивті ыдырау түрлері.
Молекула деп заттың негізгі химиялық қасиеттеріне ие және бір бүтін химиялық байланыспен (химиялық күштермен) қосылған бірдей немесе әртүрлі атомдардан тұратын ең кіші бөлшегін айтады. Химиялық күштер құрамында атомдардың түрлі өзара әсерлесетін сыртқы электрондары бар. Молекулалардың үлкен классын молекулаға кіретін химиялық элементтердің ионынан тұратын ионды молекулалар құрайды. молекуладағы оң және теріс иондардың жалпы соммасы нөлге тең, осы себепті ионды молекулалар электрлі нейтрал-бейтарап. Молекуланың тұрақтылығын қамтамасыз ететін күштер элетрлі табиғатқа ие.

Атом молекулалары деп негізгі күйі нейтральды атомдардың қалыпты күйіне сәйкес келетін молекулаларды айтады. Атом молекулаларының тұрақтылығын қамтамасыз ететін күштер ауыспалы болып табылады және спецификалық квантты сипатқа ие. Олар молекуладағы атомның сыртқы электрондарының арасында әрекет етеді.

Атом химиялық элементтің ең ұсақ бөлшегі. Атом оң зарядталған ядро мен теріс зарядталған электронды қабықшаға ие. Атом ядросы нейтрон мен протоннан тұрады. Нейтронның заряды жоқ, ол электрлі нейтрал-бейтарап. Протон электрон зарядына тең дара оң зарядқа тең. Қалыпты күйде атомдағы электрондар саны оның ядросындағы протондар санына тең, яғни қабықшаның теріс заряды саны жағынан ядроның оң зарядына тең. Және атом жалпы алғанда электрлі нейтрал-бейтарап.

Атомдардың молекулалар мен кристалдарға топтасу және химиялық қосылыстар жасау қабілеттері оның электронды қабықшаларының қасиетіне байланысты. Өз кезегінде қабықшадағы электрон сандары және олардың таралуы атом ядросының электр өрісімен беріледі. Сондықтан атом химиялық элемент түрінде ядросының заряды өзгермегенше өз даралығын сақтап тұрады. Атом өз қабықшаларының бір бөлігін немесе тіпті барлық электрондарын жоғалтуы мүмкін; ол қабықшаға қосымша электрондар қоса алады; оның ядросындағы нейтрондар саны көбейе немесе азая алады, бірақ ядродағы протондар саны өзгермегенше, ол сол элементтің атомы болуын жалғастыра береді. Демек, берілген атомға қатысты химиялық элементті анықтай алатындықтан элетр заряды ядроның басты қасиеті болып табылады. Келесі басты қасиеттердің бірі - ядро массасы. Бұл екі қасиет ядроны, яғни элемент атомын анықтауға жеткілікті. Ядро құрамына кіретін протон санына тең оң зарядтарды элементтің атом номері Z деп атайды. Атом ядросындағы протондар мен нейтрондардың соммалық санын элементтің массалық саны деп атайды А, себебі ядродағы протондар саны Z-ке тең, онда нейтрондар саны А-Z. Атомдық номері бірдей, бірақ массалық сандары басқа атомдарды изотоптар деп атайды. Олар химиялық тепе-тең және бір ғана элементтің басқа түрі. Яғни, изотоп ядросы құрамы бірдей протондар санына ие, бірақ нейтрондар саны әр түрлі. Массалық сандары тең, бірақ атомдық номерлері басқа атомдар изобаралар деп аталады. Мұндай атомдарды әртүрлі химиялық элементтер көрсетеді.

Атомдар мен атомдар құрамына кіретін бөлшектер өлшемі заряд пен масса сияқты дәлдікпен анықталуы мүмкін емес. Протон мен нейтрон жақын өлшем шамасына ие деп есептеледі, ол шамамен 10^-15 м. Атом ядросының радиусы эмпирикалық формуламен есептеледі:

, м.

(1)

Ион деп атомның электрондарды жоғалтуы немесе қосуы кезінде пайда болатын электрлі зарядталған бөлшекті айтады. Атомдар мен молекулалардың иондалуы көптеген себептермен болады. Термиялық иондау атомдар мен молекулалардың жылулық қозғалыс энергиясын ұлғайту кезінде және атомдар мен молекулалардың жеткілікті энергиямен соқтығысуы нәтижесінде заттың қызуы кезінде пайда болады. Электронды немесе ионды иондау әдетте ионы немесе электроны иондау үшін жеткілікті энергияға жете алатын күшті электр өрісінде болады, мысалы, газды разряд кезінде. Иондаудың бұл түріне корпускулярлық сәулелеудің (альфа-бөлшектер, протондар, дейтрондар, т.б.) заттан өтуін жатқызуға болады. Фотоиондау жеткілікті энергиясы бар электромагнитті сәулелердің кванттарын атомдар мен молекулалар жұтуы кезінде пайда болады.

Атомның иондау энергиясы атом номерінің өсуімен шамамен квадратты түрде өсетін және қабатша номерінің өсуімен азаятын ядро зарядының шамасынан және электрон ығыстырылатын қабатшадан тәуелді. Иондау энергиясының санды мәні берілген деңгейдегі атомы бар электронды байланыс энергиясына тең.

Элементар бөлшектер деп қазіргі физиканың даму деңгейінде анықталған құрылымға жатқыза алмайтын бөлшектерді атайды. Сонымен қатар элементар бөлшектерді материалдық нүкте деп қарастыру ішкі құрылысының болуына байланысты тек олардың бір бірімен серпімді өзара қатынасы болуына дейін ғана мүмкін.

Элементар бөлшектердің негізгі классификациясына олардың массасы, изотоптық спині және олардың өзара әрекеттесу түрлері кіреді. Массасы бойынша бөлшектер үш классқа бөлінеді: лептондарға (жеңіл бөлшектер), мезондарға (орташа бөлшектер) және бариондарға (ауыр бөлшектер). Заряды бойынша оң зарядталған, теріс зарядталған және электрлі нейтрал-бейтарап бөлшектерге бөлінеді.

Массалары жақын бөлшектер дәл осы бөлшектің түрлі зарядталған жағдайларын көрсетеді деп есептейді. Бөлшектерді сипаттау үшін таза формалды түрде құрамы қарапайым спинге ұқсас изотопты спин Т енгізіледі. Электромагниттік және ядролық арақатынасы болмайтын бөлшектер бір ғана қалыпта болады деп есептейді. Электромагниттік арақатынастың болуы кезінде бөлшектен компоненттер саны 2Т+1-ге (яғни түрлі бөлшектер санына) тең зарядты мультиплет пайда болады.

Элементар бөлшектерді классификациялау үшін барионды және лептонды зарядтар мен оғаштылық енгізіледі.

а) Барионды заряд деп бариондарды сақтайтын В квантты санын айтады. Бариондар үшін В=1, антибариондар үшін В=-1 және басқа элементар бөлшектер үшін В=0 деп қабылданған.

б) Лептонды заряд деп лептондарды сақтауды сипаттайтын L кванттар санын айтады. Лептондар үшін L=1, антилептондар үшін L=-1, басқа элементар бөлшектер үшін L=0 деп қабылданған.

Элементар бөлшектердегі жүретін барлық ауысулар кезіндегі барионды зарядтардың алгебралық соммасы мен лептонды зарядтардың алгебралық соммасы өзгеріссіз қалады (барионды және лептонды зарядтардың сақталу заңы).

в) Оғаштылық деп «ерсі бөлшек» - К-мезондар, Л-, У-, О-гиперондардың ауысу ерекшелігін сипаттайтын S квантты санын айтады.

S шамалары Гелл-Ман және Нишиджим формулаларын қанағаттандырады: S=2(Q-Т_z)-B, мұндағы Q – бөлшектің электр заряды (е бірлігінде), Β- оның барионды заряды, Т_z – бөлшектің изотоптық спині.

Өте қатты арақатынас кезінде оғаштылықтың сақталу заңы орындалады: изоляцияланған жүйедегі барлық бөлшектердің оғаштылығының алгебралық соммасы тұрақты.

Элементар бөлшектердің арасында арақатынастың әр қайсысы константасы мен уақытша тұрақты арақатынасымен сипатталатын үш түрі бар:

а) қатты арақатынас бариондар, антибариондар мен мезондар (р и К) арасында орын алады. Бұл арақатынастармен нуклондар арасындағы ядролық күштер және жоғары энергия кезіндегі ядролық арақатынастағы мезондар мен гиперондардың пайда болу процессі негізделген. Қатты арақатынас пайда болатын процесс қатты деп аталады және шамамен 10^-23 с арасында өтеді.

б) электромагниттік арақатынас электрлі зарядталған бөлшектер арасында орын алады. Бұл арақатынастарға зарядталған бөлшектер арасындағы кулондық күштер, сонымен қатар гамма-кванттардан электрондар мен позитрондардың пайда болу процессі де негізделеді. Электромагниттік арақатынас процессі шамамен 10^-16-10^-17с аралығында жүреді.

в) әлсіз арақатынас элементар бөлшектердің ыдырауы кезінде және ядроның бета-ыдырауы кезінде орын алады. Сәйкес процесстерді баяу деп атайды, олар шамамен 10^-8-10^-10 с уақытта жүреді.

Элементар бөлшектердің барлық арақатынасына берілген арақатынас түріне дейінгі және кейінгі бөлшек қасиетін сипаттайтын шамасын сақтау заңы: энергия, импульс, электр зарядын, импульс пен спин моментін, барионды және лептонды зарядтарды сақтау заңы орындалады. Бұдан басқа қатты арақатынас кезінде дәл квантты сан болып табылатын изотопты спинді сақтау заңы, жұптылықты сақтау және оғаштықты сақтау заңы дұрыс.

Радиоактивтілікті ашылуы белгілі дәрежеде нәтижесінде оның аты берілген 1895 жылы Рентгеннің сәулелерді анықтауымен байланысты. 1896 жылы Беккерель табиғи радиоактивтілікті ашты. Ол уран тұздары рентген сәулесіне ұқсас сәуле шығаратынын анықтады. Беккерель ашуынан кейін Кюри, Резерфорд, Содди сияқты ғалымдар көптеген зерттеулер кезегі келді. Көп ұзамай уран мен торий барлық табиғи радиоактивті атомдардың атасы екені анықталды.

Ядролық реакторлар мен жеделдеткіштердің пайда болуымен жасанды радионуклидтер алу мүмкіндігі туды.

Радиоактивті ыдырау тек қана ядроның ішкі қалпына тәуелді. Осыдан, радиоактивті элементтің әр атомы үшін ыдырау мүмкіндігі бірдей және ол қанша атом ыдырағанына тәуелді емес. Бұл уақыт бірлігінде ылғи да ыдырамаған атомдардың сол бір бөлігі ғана ыдырайтынын білдіреді. Ядро санын N арқылы, уақыт бірлігінде ыдырайтын t моментіне дейін ыдырамаған ядролар бөлігін λ арқылы белгілейік. Сонда ядолардың кемуі

,

(2)

мұндағы t = 0 кезінде ыдырамаған радиоактивті ядролар санын N₀-ге тең деп есептей отырып, бұл теңдеуді төмендегідей интегралдаймыз

,

(3)

мұндағы λ шамасы радиоактивті элементтің тұрақтысы деп аталады. Оның өлшемі с^-1. Кері шамасы

(4)

Радиоактивті ыдырау жылдамдығын сипаттау үшін жартылай ыдырау периоды, яғни берілген радиоактивті изотоптың барлық атомдарының жартысының ыдырау уақыты қолданылады.

Егер N=1/2 N₀ деп алсақ

.

(5)

Осыдан

.

(6)

Радиоактивті изотоптың жартылай ыдырау периоды әртүрлі мәндерге ие: секундтан төмен мәннен бастап бірнеше миллиард жылдарға дейін.

Ол реттік номері үлкен, байланыс энергиясы кіші табиғи радионуклидті элементтерге тән ыдырау. β-ыдырау масса санын 4 бірлікке және реттік номерін 2 бірлікке азайтады. Мысалы,

Берілген радионуклидтен шығатын β-бөлшектер энергиясы бойынша біртекті немесе үлкен емес топ санына бөлінеді. β-бөлшектер бірдей энергияға ие болуы кезінде (мысалы, Rn²²²) β-активті ядроның біртекті энергетикалық деңгейінен пайда болатын ядроның біртекті деңгейіне ауысуы болады. Бір түрлі ядролармен энергиясы әртүрлі β-бөлшектерді шығару әртүрлі энергетикалық деңгейдің болуы кезінде болады. Әртүрлі энергиядағы -бөлшектердің бірнеше тобын атқылау ыдырау кезінде негізгі қалыпқа ауысатын, γ -квант атқылайтын қозған ядроның (ыдырау өнімі) пайда болуымен байланысты.

Тәжірибеде бақыланатын γ-квант энергиясының мағынасы β-бөлшектің сәйкес келетін екі тобының энергиясы (ядроның беру энергиясын ескерілген кездегі) айырымына тең.

2 Электрлі β-ыдырау

Ол табиғи және жасанды радионуклидті элементтерге тән сипат. β-бөлшекті атқылағаннан кейін жаңа атомның реттік саны бір бірлікке артады, ал массасы өзгермейді. Бұл нейтрондар саны артық ядролар үшін типтік ыдырау және төмендегі реакцияға сәйкес, ядро нейтронының протонға ауысуына эквивалентті

Мысалы

β-ыдырау спектрі – үзіліссіз, себебі электрондардың шығуы ядродан массасы шамамен 0,002 тыныштық массаға тең нейтринді-элементар бөлшектердің ұшып шығуымен бірге жүреді. β-бөлшек пен нейтриннің соммалық энергиясы берілген радионуклидке сәйкес максимал энергияға тең.

Ол кейбір жасанды радионуклидтерде байқалады. Позитронның ұшып шығуынан кейін қайта пайда болған атомның реттік номері бір бірлікке азаяды, ал массасы өзгермейді. Позитронды ыдырау протондар саны артық ядролар үшін сипатты және төмендегі реакцияға сәйкес ядро протонының нейтронға ауысуына эквивалентті

Мысалы

Позитрон өмірі ұзақ емес, ол электронмен қосылып, нәтижесінде екі γ-квант пайда болуына әкеледі. Бұл процесс аннигиляция деп аталады. Спектр энергиясына β-ыдырау спектр энергиясы ұқсас позитронды ыдырау да үзіліссіз.

Кейбір жағдайларда К-қабықшалы электрон ядроны қармауы мүмкін. Бұл кезде жаңа радиоактивті атомның реттік номері бір бірлікке азаяды, ал массасы өзгермейді. Электронды жаулау төмендегі реакцияға сәйкес жүреді

Мысалы

Позитронды ыдырау және К-қармау бәсекелес процестер болып табылады. Егер позитронды атқылау энергетикалық мүмкін болса, онда сөзсіз, К-қармау процессі де мүмкін. Позитронды атқылау үшін γ-кванттың максималды энергиясы Е₀ электронның тыныштық энергиясынан артық болуы қажет m₀c² (Е₀> m₀c²). Егер Е₀< m₀c² болса, онда энергетикалық мүмкін жалғыз процесс К-қармау болып табылады. К-қармау кезінде ядродан ұшып шығатын бөлшек тек нейтрино ғана. К-қармаудың болғанын тәжірибелік дәлелдеуі болып оның соңғы күйіндегі атомның сипаттамалық рентген сәулелері табылады.

Метатұрақты күй – бұл ядроның қарапайым қозуы кезіндегі «жарық түсіру» периодынан көп есе артық атом ядросының қозған күйі. Түрлі энергетикалық күйлерде орналасқан радионуклидтер изомерлер деп аталады.

Ядролық ауысулар кезінде баяу нейтрондарды қармау, зарядталған бөлшектермен ядроларды атқылау, т.б. нәтижесінде ядро метатұрақты күйге өте алады.

Ядролық итзомерия көрінісі, яғни түрлі энергетикалық күйлерде Z және А мәндері бірдей ядролардың болуы (уақыт ұзақтылығы өлшенетін) γ-ауысуды болдырмаумен түсіндіріледі, осының арқасында қозған күйлер метатұрақты болады. Атом ядросының метатұрақтыдан негізгі күйге ауысуының екі жолы бар: артық энергия қысқа толқынды сәуле – γ-кванттар түрінде бөлінетін γ –ауысу және артық энергиясы ядро арқылы К- немесе L-қабықшалы электрондардың біріне берілетін және бұл шартта электрон атомнан тыс жаққа ұшып шығатын конверсионды ауысу. Энергия алып және атомды тастап кеткен электрондар конверсионды деп аталады, ал құбылыстың өзі – ішкі конверсия құбылысы деп аталады. Ішкі конверсия бұл ядроны разрядтаудың радиационды ауысумен бәсекелес қосымша жолы. γ-кванттардың бір уақыттағы конверсионды электрондар санының ұшып шығатын ядролар санына қатынасы ішкі конверсия коэффициенті деп аталады.

1 Молекула құрылысы?

2 Атом құрылысы?

3 Элементар бөлшектер деп нені айтады?

4 Радиоативті ыдырау заңы нені құрайды?

5 Жартылай ыдырау периодына анықтама беріңіз?

6 Орташа өмір сүру уақыты?

7 Ыдырау түрлері?

8 Ыдырау өнімдері?