Вы наверняка слышали, как люди говорят о радиации как в художественной литературе, так и в реальной жизни. Например, когда «Энтерпрайз» приближается к звезде в «Звездном пути», член экипажа может предупредить о повышении уровня радиации. В книге Тома Клэнси «Охота за Красным Октябрем» на российской подводной лодке происходит авария ядерного реактора с утечкой радиации, из-за которой экипаж покидает корабль. На Три-Майл-Айленде и в Чернобыле атомные электростанции выбрасывали радиоактивные вещества в атмосферу во время ядерных аварий. А после землетрясения и цунами в марте 2011 года, обрушившихся на Японию, ядерный кризис вызвал опасения по поводу радиации и вопросы безопасности ядерной энергетики.
Ядерное излучение может быть как чрезвычайно полезным, так и чрезвычайно опасным. Это просто зависит от того, как вы его используете. Рентгеновские аппараты, некоторые виды стерилизационного оборудования и атомные электростанции используют ядерное излучение, но и ядерное оружие тоже. Ядерные материалы (то есть вещества, испускающие ядерное излучение) довольно распространены и нашли свое место в нашем обычном словаре разными способами. Вы, вероятно, слышали (и использовали) многие из следующих терминов:
- Уран
- Плутоний
- Альфа-лучи
- Бета-лучи
- Гамма-лучи
- Рентген
- Космические лучи
- Радиация
- Ядерная энергетика
- Ядерные бомбы
- Ядерные отходы
- Ядерные осадки
- Ядерное деление
- Нейтронные бомбы
- Половина жизни
- Радоновый газ
- Ионизационные дымовые извещатели
- Свидания по углероду-14
Все эти термины связаны тем фактом, что все они имеют какое-то отношение к ядерным элементам, естественным или искусственным. Но что такое радиация? Почему это так опасно? В этой статье мы рассмотрим ядерное излучение, чтобы вы могли точно понять, что это такое и как оно ежедневно влияет на вашу жизнь.
Ядерное в «Ядерном излучении»
Давайте начнем с самого начала и разберемся, откуда взялось слово «ядерный» в «ядерном излучении». Вот кое-что, с чем вы уже должны чувствовать себя комфортно: Все состоит изатомовАтомы соединяются вмолекулыИтак, молекула воды состоит из двух атомов водорода. и один атом кислорода связаны вместе в единое целое. Поскольку мы изучаем атомы и молекулы в начальной школе, мы понимаем их и чувствуем себя комфортно с ними. В природе любой атом, который вы найдете, будет одним из 92 типов атомов, также известных какэлементы Итак, каждое вещество на Земле - металл, пластик, волосы, одежда, листья, стекло - сделано состоит из комбинаций 92 атомов, встречающихся в природе. Периодическая таблица элементов, которую вы видите на уроках химии, представляет собой список элементов, встречающихся в природе, плюс ряд искусственных элементов.
Внутри каждого атома находятся трисубатомных частицы: протоны, нейтроны и электроны. Протоны и нейтроны связываются вместе, образуяядро атома, в то время как электроны окружают ядро и вращаются вокруг него. Протоны и электроны имеют противоположные заряды и поэтому притягиваются друг к другу (электроны отрицательные, а протоны положительные, и противоположные заряды притягиваются), и в большинстве случаев количество электронов и протонов одинаково для атома (что делает атом нейтральным по заряду).. Нейтроны нейтральны. Их назначение в ядре состоит в том, чтобы связывать протоны вместе. Поскольку все протоны имеют одинаковый заряд и естественным образом отталкиваются друг от друга, нейтроны действуют как «клей», удерживая протоны вместе в ядре.
Количество протонов в ядре определяет поведение атома. Например, если вы объедините 13 протонов с 14 нейтронами, чтобы создать ядро, а затем вращаете 13 электронов вокруг этого ядра, то у вас получится атом алюминия. Если вы сгруппируете миллионы атомов алюминия вместе, вы получите вещество, которое представляет собой алюминий - вы можете формировать из него алюминиевые банки, алюминиевую фольгу и алюминиевый сайдинг. Весь алюминий, встречающийся в природе, называется алюминий-27. «27» - эточисло атомной массы- сумма количества нейтронов и протонов в ядре. Если вы возьмете атом алюминия, поместите его в бутылку и вернетесь через несколько миллионов лет, он все равно будет атомом алюминия. Поэтому алюминий-27 называютстабильным атомом. Примерно 100 лет назад считалось, что все атомы так стабильны.
Многие атомы бывают разных форм. Например, медь имеет две устойчивые формы: медь-63 (составляет около 70 процентов всей природной меди) и медь-65 (составляет около 30 процентов). Эти две формы называютсяизотопы Атомы обоих изотопа меди имеют 29 протонов, но атом меди-63 имеет 34 нейтрона, а атом меди-65 имеет 36 нейтронов. Оба изотопа действуют и выглядят одинаково, и оба стабильны.
Часть, которая не была понята примерно 100 лет назад, заключается в том, что у некоторых элементов есть изотопы, которые являютсярадиоактивнымиВ некоторых элементах все изотопы радиоактивны. Водород является хорошим примером элемента с несколькими изотопами, один из которых является радиоактивным. Обычный водород, или водород-1, имеет один протон и не имеет нейтронов (поскольку в ядре только один протон, нет необходимости в связывающих эффектах нейтронов). Есть еще один изотоп, водород-2 (также известный как дейтерий), который имеет один протон и один нейтрон. Дейтерий очень редко встречается в природе (составляя около 0,015% всего водорода), и хотя он действует как водород-1 (например, из него можно делать воду), оказывается, что он достаточно отличается от водорода-1 тем, что он токсичен в высоких концентрациях. Изотоп водорода дейтерий стабилен. Третий изотоп, водород-3 (также известный как тритий), имеет один протон и два нейтрона. Оказывается, этот изотопнестабильныйТо есть, если у вас есть контейнер, полный трития, и вы вернетесь через миллион лет, вы обнаружите, что он весь превратился в гелий-3 (два протонов, один нейтрон), который является стабильным. Процесс, посредством которого он превращается в гелий, называетсярадиоактивным распадом.
Некоторые элементы естественным образом радиоактивны во всех своих изотопах. Уран - лучший пример такого элемента и самый тяжелый встречающийся в природе радиоактивный элемент. Есть восемь других естественно радиоактивных элементов: полоний, астат, радон, франций, радий, актиний, торий и протактиний. Все остальные искусственные элементы тяжелее урана также радиоактивны.
Радиоактивный распад
Радиоактивный распад - естественный процесс. Атом радиоактивного изотопа спонтанно распадается на другой элемент посредством одного из трех распространенных процессов:
- Альфа-распад
- Бета-распад
- Спонтанное деление
В процессе образуются четыре различных вида радиоактивных лучей:
- Альфа-лучи
- Бета-лучи
- Гамма-лучи
- Нейтронные лучи
Америций-241, радиоактивный элемент, наиболее известный благодаря использованию в детекторах дыма, является хорошим примером элемента, который претерпеваетальфа-распадАтом америция-241 спонтанно выбрасывает отальфа-частицы Альфа-частица состоит из двух связанных вместе протонов и двух нейтронов, что эквивалентно ядру гелия-4. В процессе испускания альфа-частицы атом америция-241 становится атомом нептуния-237. Альфа-частица покидает место действия с высокой скоростью - возможно, 10 000 миль в секунду (16 000 км/сек).
Если бы вы смотрели на отдельный атом америция-241, было бы невозможно предсказать, когда он испустит альфа-частицу. Однако если у вас есть большая коллекция атомов америция, то скорость распада становится вполне предсказуемой. Для америция-241 известно, что половина атомов распадается за 458 лет. Следовательно, 458 лет - этопериод полураспада америция-241. Каждый радиоактивный элемент имеет разный период полураспада, от долей секунды до миллионов лет, в зависимости от конкретного изотопа. Например, америций-243 имеет период полураспада 7 370 лет.
Тритий (водород-3) является хорошим примером элемента, который претерпеваетбета-распадПри бета-распаде нейтрон в ядре спонтанно превращается в протон, электрон, и третья частица, называемая антинейтрино. Ядро выбрасывает электрон и антинейтрино, а протон остается в ядре. Выброшенный электрон называетсябета-частицей. Ядро теряет один нейтрон и приобретает один протон. Следовательно, атом водорода-3, подвергающийся бета-распаду, становится атомом гелия-3.
Присамопроизвольном делении атом фактически распадается, а не испускает альфа- или бета-частицу. Слово «деление» означает «расщепление». Тяжелый атом, такой как фермий-256, подвергается самопроизвольному делению примерно в 97% случаев, когда он распадается, и в процессе распада он становится двумя атомами. Например, один атом фермия-256 может стать атомом ксенона-140 и палладия-112, и в процессе он выпустит четыре нейтрона (известных как «мгновенные нейтроны», потому что они выбрасываются в момент деления). Эти нейтроны могут поглощаться другими атомами и вызывать ядерные реакции, такие как распад или деление, или они могут сталкиваться с другими атомами, такими как бильярдные шары, и вызывать испускание гамма-лучей.
Нейтронное излучение можно использовать для превращения нерадиоактивных атомов в радиоактивные; это имеет практическое применение в ядерной медицине. Нейтронное излучение также производится ядерными реакторами на электростанциях и кораблях с ядерными двигателями, а также в ускорителях частиц, устройствах, используемых для изучения субатомной физики.
Во многих случаях ядро, подвергшееся альфа-распаду, бета-распаду или самопроизвольному делению, будет иметь высокую энергию и, следовательно, нестабильность. Он устранит свою дополнительную энергию в виде электромагнитного импульса, известного какгамма-лучи Гамма-лучи похожи на рентгеновские лучи в том, что они проникают сквозь материю, но они более энергичны, чем рентгеновские лучи. Гамма-лучи состоят из энергии, а не из движущихся частиц, таких как альфа- и бета-частицы.
Кроме того, речь идет о различных лучах, но есть такжекосмические лучи, постоянно бомбардирующие Землю. Космические лучи исходят от Солнца, а также от взрывающихся звезд. Большинство космических лучей (возможно, 85 процентов) - это протоны, движущиеся со скоростью, близкой к скорости света, а, возможно, 12 процентов - это альфа-частицы, движущиеся очень быстро. Между прочим, именно скорость частиц дает им способность проникать сквозь материю. Когда они попадают в атмосферу, они сталкиваются с атомами в атмосфере различными способами, образуя вторичные космические лучи с меньшей энергией. Затем эти вторичные космические лучи сталкиваются с другими объектами на Земле, включая людей. Мы все время сталкиваемся с вторичными космическими лучами, но мы не травмируемся, потому что эти вторичные лучи имеют более низкую энергию, чем первичные космические лучи. Первичные космические лучи представляют опасность для космонавтов в космосе.
Естественная опасность
Хотя они являются "естественными" в том смысле, что радиоактивные атомы естественным образом распадаются, а радиоактивные элементы являются частью природы, все радиоактивные выбросы опасны для живых существ. Альфа-частицы, бета-частицы, нейтроны, гамма-лучи и космические лучи известны какионизирующее излучение, что означает, что когда эти лучи взаимодействуют с атомом, они могут сбить орбитальный электрон. Потеря электрона может вызвать проблемы, в том числе самые разные, от гибели клеток до генетических мутаций (приводящих к раку) у любого живого существа.
Поскольку альфа-частицы большие, они не могут проникнуть очень далеко в материю. Они не могут проникнуть, например, в лист бумаги, поэтому, находясь вне тела, не действуют на людей. Однако, если вы едите или вдыхаете атомы, испускающие альфа-частицы, альфа-частицы могут причинить немало вреда вашему телу.
Бета-частицы проникают немного глубже, но опять же опасны только при употреблении в пищу или вдыхании; бета-частицы могут быть остановлены листом алюминиевой фольги или плексигласа. Гамма-лучи, как и рентгеновские, останавливаются свинцом.
Нейтроны из-за того, что им не хватает заряда, проникают очень глубоко и лучше всего останавливаются чрезвычайно толстыми слоями бетона или жидкостями, такими как вода или мазут. Гамма-лучи и нейтроны из-за своей проникающей способности могут оказывать серьезное воздействие на клетки человека и других животных. Возможно, вы когда-то слышали о ядерном устройстве под названиемнейтронная бомба Вся идея этой бомбы заключается в том, чтобы оптимизировать производство нейтронов и гамма-лучей, чтобы бомба оказывала максимальное воздействие на живые существа.
Как мы видели, радиоактивность является "естественной", и все мы содержат такие вещи, как радиоактивный углерод-14. Кроме того, в окружающей среде имеется ряд вредных ядерных элементов искусственного происхождения. Ядерное излучение имеет огромные преимущества, такие как ядерная энергия для производства электроэнергии и ядерная медицина для обнаружения и лечения болезней, а также значительные опасности.