Радиоактивные вещества

Способность некоторых химических элементов (например, урана, радия) испускать невидимые лучи в результате самопроизвольного изменения или распадения ядер атомов называется радиоактивностью, а сами элементы — радиоактивными.

Радиоактивные лучи по своей природе не однородны. Это можно установить, поместив радиоактивный элемент, например радий, в толстостенную свинцовую коробку с небольшим отверстием. Если на пучок лучей, испускаемых радием (рис. 61), при выходе из коробки воздействовать электромагнитным полем, то он разделяется на три потока, которые назвали альфа (α)-, бета (β)- и гамма (γ)-лучами.

Рис. 61. Схема радиоактивного распада радия
1 — бета-частицы; 2 — гамма-кванты; 3 — альфа-частицы

α-лучи, представляющие собой поток двукратно ионизированных положительным зарядом атомов гелия, отклоняются магнитным полем к отрицательному полюсу; β-лучи являются потоком отрицательно заряженных электронов и отклоняются к положительному полюсу; γ-лучи — это очень короткие электромагнитные волны, не имеющие никакого заряда. Именно γ-лучи обладают способностью проникать через толщу различных материалов при проверке последних на присутствие дефектов.

Гамма-лучи испускаются определенными дозами — квантами (фотонами). Энергия кванта Е пропорциональна частоте электромагнитных колебаний v, т. е.

Е = hv эрг,

где h — постоянная Планка (6,625*10^-27 эрг*сек); v — частота электромагнитных колебаний, сек^-1. Частота электромагнитных колебаний v зависит от длины волны γ (в см) и скорости распространения волн С = 2,997 * 10¹⁰ см/сек.

v = C/γ.

Следовательно, энергия кванта будет выражена как

E = h (C/γ) эрг.

На практике энергия гамма-излучения измеряется также в электронвольтах (эв). 1 эв = 1,602 * 10^-12 эрг. Используются и более крупные единицы: кило- и мегаэлектронвольты (1 Кэв = 10³ эв; 1 Мэв = 10⁶ эв).

γ-лучи образуются при распаде ядер радиоактивных элементов, когда ядро переходит из высокого в более низкое энергетическое состояние.

Рис. 62. Схема радиоактивного распада урана

Так, распад радия происходит по схеме:

₈₈Ra²²⁶ → ₈₆Ra²²² + ₂Не⁴ + γ.

В результате распада массовое число 226 уменьшается на 4, а атомный номер 88 — на две единицы. Сам радий испускает только альфа-частицы, а возникновение бета-частиц и гамма-излучения объясняется наличием в радии продуктов его распада, дающих эти излучения.

Распад урана-238 происходит по схеме, представленной на рис. 62. Уран-238 в процессе распада самопроизвольно превращается в торий-230, радий и, наконец, нерадиоактивный свинец.

Однако применение естественных радиоактивных элементов крайне ограничено ввиду очень высокой стоимости их получения. Поэтому широко используются искусственные радиоактивные элементы (радиоактивные изотопы), которые получаются при распаде ядер атомов в результате их бомбардировки частицами, протонами, ядрами тяжелого водорода (дейтронами), нейтронами и γ-квантами высоких энергий.

Скорость распада отдельного изотопа измеряется в кюри. Кюри — количество радиоактивного вещества, в котором происходит 3,7 * 10¹⁰ распадов за 1 сек.

Производные от кюри — милликюри (1 мкюри = 10^-3 кюри), микрокюри (1 мккюри = 10^-6 кюри).

Активность источника излучения измеряется в миллиграмм-эквивалентах радия (Мг*экв Ra). Эта единица, хотя и не установлена стандартом, широко применяется в практике и обозначает мощность гамма-излучения 1 мг радия государственного эталона радия при платиновом фильтре толщиной 0,5 мм.

Точечный источник в 1 мг радия, находящийся в равновесии с продуктами распада, после начальной фильтрации через платиновый фильтр толщиной 0,5 мм создает на расстоянии 1 см мощность экспозиционной дозы 8,4 р/ч.

Экспозиционная доза рентгеновского или гамма-излучения, отнесенная к единице времени, называется мощностью экспозиционной дозы, которая равна:

P_э = D_э/t,

где Р_э — мощность экспозиционной дозы, а/кг; D_э — экспозиционная доза излучения, к/кг; t — время облучения объекта, сек.

За единицу измерения мощности экспозиционной дозы рентгеновского и гамма-излучения принят ампер на килограмм (а/кг) или рентген в секунду (р/сек). 1 р/сек = 2,57976*10^-4 а/кг.

В дефектоскопии гамма-излучением широкое применение нашли радиоактивные изотопы, указанные в табл. 7.

При выборе источника излучения для целей дефектоскопии руководствуются следующими данными: жесткостью излучения, периодом полураспада, удельной активностью, стоимостью изотопа и физическими свойствами, обеспечивающими удобство обращения с ними.

Таблица 7. Радиоактивные изотопы

Л.П. Шебеко, А.П. Яковлев. "Контроль качества сварных соединений".