Вы, наверное, слышали, как люди говорят о радиации как в художественной литературе, так и в реальной жизни. Например, когда «Энтерпрайз» приближается к звезде «Звездного пути», член экипажа может предупредить об увеличении уровня радиации. В книге Тома Клэнси «Охота за красным октябрем» на российской подводной лодке произошла авария ядерного реактора с утечкой радиации, из-за которой экипаж покинул корабль. В Three Mile Island и Чернобыле, атомные электростанции, выпустили радиоактивные вещества в атмосферу при ядерных авариях. А после землетрясения и цунами в марте 2011 года, обрушившихся на Японию, ядерный кризис вызвал опасения по поводу радиации и вопросы безопасности атомной энергетики.
Ядерная радиация может быть как чрезвычайно полезной, так и чрезвычайно опасной. Это просто зависит от того, как вы его используете. Рентгеновские аппараты, некоторые типы стерилизационного оборудования и атомные электростанции - все используют ядерное излучение, но также и ядерное оружие. Ядерные материалы (то есть вещества, излучающие ядерное излучение) довольно распространены и вошли в наш обычный словарь многими разными способами. Вы, вероятно, слышали (и использовали) многие из следующих терминов:
Содержание
На этом рисунке желтые частицы - это орбитальные электроны, синие частицы - нейтроны, а красные частицы - протоны.
Давайте начнем с самого начала и разберемся, откуда происходит слово «ядерный» в слове «ядерная радиация». Вот что вам уже должно быть комфортно: все состоит из атомов . Атомы соединяются в молекулы. Таким образом, молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода, связанных 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 как элементы. Итак, каждое вещество на Земле - металл, пластик, волосы, одежда, листья, стекло - состоит из комбинаций 92 атомов, которые встречаются в природе.
В Периодической таблице элементов на уроке химии вы видите список элементов, встречающихся в природе, плюс ряд элементов, созданных человеком.
Внутри каждого атома находятся три субатомные частицы: протоны, нейтроны и электроны. Протоны и нейтроны соединяются вместе, образуя ядро атома, а электроны окружают ядро и вращаются вокруг него. Протоны и электроны имеют противоположные заряды и поэтому притягиваются друг к другу (электроны отрицательны, а протоны положительны, а противоположные заряды притягиваются), и в большинстве случаев количество электронов и протонов одинаково для атома (что делает атом нейтральным по заряду). Нейтроны нейтральны. Их цель в ядре - 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.
Число протонов в ядре определяет поведение атома. Например, если вы объедините 13 протонов с 14 нейтронами, чтобы создать ядро, а затем закрутите 13 электронов вокруг этого ядра, у вас получится атом алюминия. Если вы сгруппируете вместе миллионы атомов алюминия, вы получите вещество, которое является алюминием - из него можно сформировать алюминиевые банки, алюминиевую фольгу и алюминиевый сайдинг. Весь алюминий, который встречается в природе, называется алюминием-27. «27» - это массовое атомное число - сумма количества нейтронов и протонов в ядре. Если вы возьмете атом алюминия, поместите его в бутылку и вернетесь через несколько миллионов лет, это все равно будет атом алюминия. Поэтому алюминий-27 называют стабильным.атом. Примерно 100 лет назад считалось, что все атомы так стабильны.
Многие атомы имеют разные формы. Например, медь имеет две стабильные формы: медь-63 (составляет около 70 процентов всей природной меди) и медь-65 (составляет около 30 процентов). Эти две формы называются изотопами. Атомы обоих изотопов меди содержат 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.
Еще около 100 лет назад не понимали, что некоторые элементы содержат изотопы, которые являются радиоактивными.. В некоторых элементах все изотопы радиоактивны. Водород - хороший пример элемента с множеством изотопов, один из которых радиоактивен. Нормальный водород, или водород-1, имеет один протон и не имеет нейтронов (поскольку в ядре есть 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 (составляет около 0,015 процента всего водорода), и хотя он действует как водород-1 (например, из него можно сделать 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 изотопнестабильный. То есть, если у вас есть контейнер, полный трития, и вы вернетесь через миллион лет, вы обнаружите, что весь он превратился в гелий-3 (два протона, один нейтрон), который является стабильным. Процесс, при котором он превращается в гелий, называется радиоактивным распадом.
Некоторые элементы по природе радиоактивны во всех своих изотопах. Уран - лучший пример такого элемента и самый тяжелый радиоактивный элемент природного происхождения. Есть восемь других естественно радиоактивных элементов: полоний, астат, радон, франций, радий, актиний, торий и протактиний. Все другие искусственные элементы тяжелее урана также радиоактивны.
При этом образуются четыре разных вида радиоактивных лучей:
Если бы вы смотрели на отдельный атом америция-241, было бы невозможно предсказать, когда он выбросит альфа-частицу. Однако, если у вас есть большая коллекция атомов америция, скорость распада становится вполне предсказуемой. Для америция-241 известно, что половина атомов распадается за 458 лет. Следовательно, период полураспада америция-241 составляет 458 лет . Каждый радиоактивный элемент имеет разный период полураспада, от долей секунды до миллионов лет, в зависимости от конкретного изотопа. Например, америций-243 имеет период полураспада 7370 лет.
Тритий (водород-3) - хороший пример элемента, который подвергается бета-распаду. При бета-распаде нейтрон в ядре спонтанно превращается в протон, электрон и третью частицу, называемую антинейтрино. Ядро выбрасывает электрон и антинейтрино, а протон остается в ядре. Выброшенный электрон называется бета-частицей . Ядро теряет один нейтрон и приобретает один протон. Следовательно, атом водорода-3, подвергающийся бета-распаду, становится атомом гелия-3. Если вы нажмете кнопку «Go» на рисунке ниже, вы увидите изменение нейтронов.
При спонтанном делении атом на самом деле расщепляется, а не отбрасывает альфа- или бета-частицу. Слово «деление» означает «расщепление». Тяжелый атом, такой как фермий-256, подвергается спонтанному делению примерно в 97 процентах случаев, когда распадается, и в процессе этого он становится двумя атомами. Например, один атом фермия-256 может стать атомом ксенона-140 и атома палладия-112, и в процессе он выбрасывает четыре нейтрона (известные как «быстрые 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 атомных кораблях, а также в ускорителях элементарных частиц, устройствах, используемых для изучения субатомной физики.
Во многих случаях ядро, которое подверглось альфа-распаду, бета-распаду или спонтанному делению, будет очень энергичным и, следовательно, нестабильным. Он устранит свою дополнительную энергию в виде электромагнитного импульса, известного как гамма-луч . Гамма-лучи похожи на рентгеновские лучи в том, что они проникают в вещество, но они более энергичны, чем рентгеновские лучи. Гамма-лучи состоят из энергии, а не из движущихся частиц, таких как альфа- и бета-частицы.
Что касается различных лучей, то есть также космические лучи, постоянно бомбардирующие Землю. Космические лучи исходят от Солнца, а также от взрывающихся звезд. Большинство космических лучей (около 85 процентов) - это протоны, движущиеся со скоростью, близкой к скорости света., в то время как, возможно, 12 процентов - это альфа-частицы, перемещающиеся очень быстро. Кстати, именно скорость частиц дает им способность проникать в 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. Вторичные космические лучи постоянно попадают в нас, 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 открытом космосе.
Поскольку альфа-частицы имеют большие размеры, они не могут проникать очень далеко в материю. Например, они не могут проникнуть сквозь лист бумаги, поэтому, когда они находятся вне тела, они не оказывают никакого воздействия на людей. Однако, если вы едите или вдыхаете атомы, которые испускают альфа-частицы, альфа-частицы могут нанести значительный ущерб вашему телу.
Бета-частицы проникают немного глубже, но, опять же, опасны, только если их есть или вдыхать; бета-частицы можно остановить с помощью листа алюминиевой фольги или оргстекла. Гамма-лучи, как и рентгеновские лучи, задерживаются свинцом.
Нейтроны из-за отсутствия заряда проникают очень глубоко и лучше всего задерживаются чрезвычайно толстыми слоями бетона или жидкостей, таких как вода или мазут. Гамма-лучи и нейтроны из-за своей проникающей способности могут оказывать серьезное воздействие на клетки людей и других животных. Возможно, вы когда-нибудь слышали о ядерном устройстве, называемом нейтронной бомбой. Вся идея этой бомбы состоит в том, чтобы оптимизировать производство нейтронов и гамма-лучей, чтобы бомба оказывала максимальное воздействие на живые существа.
Как мы видели, радиоактивность «естественна», и все мы содержат такие вещества, как радиоактивный углерод-14. В окружающей среде также имеется ряд вредных антропогенных ядерных элементов. Ядерная радиация имеет огромные преимущества, например, ядерная энергия для выработки электроэнергии и ядерная медицина для обнаружения и лечения болезней, а также значительные опасности.
Ядерная радиация может быть как чрезвычайно полезной, так и чрезвычайно опасной. Это просто зависит от того, как вы его используете. Рентгеновские аппараты, некоторые типы стерилизационного оборудования и атомные электростанции - все используют ядерное излучение, но также и ядерное оружие. Ядерные материалы (то есть вещества, излучающие ядерное излучение) довольно распространены и вошли в наш обычный словарь многими разными способами. Вы, вероятно, слышали (и использовали) многие из следующих терминов:
- Уран
- Плутоний
- Альфа-лучи
- Бета-лучи
- Гамма излучение
- Рентгеновские лучи
- Космические лучи
- Радиация
- Атомная энергия
- Ядерные бомбы
- Ядерные отходы
- Радиоактивные осадки
- Ядерное деление
- Нейтронные бомбы
- Период полураспада
- Газ радон
- Ионизационные детекторы дыма
- Датирование углерода-14
Содержание
- «Ядерная» в «Ядерной радиации»
- Радиоактивный распад
- «Естественная» опасность
«Ядерная» в «Ядерной радиации»
На этом рисунке желтые частицы - это орбитальные электроны, синие частицы - нейтроны, а красные частицы - протоны.
Давайте начнем с самого начала и разберемся, откуда происходит слово «ядерный» в слове «ядерная радиация». Вот что вам уже должно быть комфортно: все состоит из атомов . Атомы соединяются в молекулы. Таким образом, молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода, связанных 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 как элементы. Итак, каждое вещество на Земле - металл, пластик, волосы, одежда, листья, стекло - состоит из комбинаций 92 атомов, которые встречаются в природе.
В Периодической таблице элементов на уроке химии вы видите список элементов, встречающихся в природе, плюс ряд элементов, созданных человеком.
Внутри каждого атома находятся три субатомные частицы: протоны, нейтроны и электроны. Протоны и нейтроны соединяются вместе, образуя ядро атома, а электроны окружают ядро и вращаются вокруг него. Протоны и электроны имеют противоположные заряды и поэтому притягиваются друг к другу (электроны отрицательны, а протоны положительны, а противоположные заряды притягиваются), и в большинстве случаев количество электронов и протонов одинаково для атома (что делает атом нейтральным по заряду). Нейтроны нейтральны. Их цель в ядре - 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.
Число протонов в ядре определяет поведение атома. Например, если вы объедините 13 протонов с 14 нейтронами, чтобы создать ядро, а затем закрутите 13 электронов вокруг этого ядра, у вас получится атом алюминия. Если вы сгруппируете вместе миллионы атомов алюминия, вы получите вещество, которое является алюминием - из него можно сформировать алюминиевые банки, алюминиевую фольгу и алюминиевый сайдинг. Весь алюминий, который встречается в природе, называется алюминием-27. «27» - это массовое атомное число - сумма количества нейтронов и протонов в ядре. Если вы возьмете атом алюминия, поместите его в бутылку и вернетесь через несколько миллионов лет, это все равно будет атом алюминия. Поэтому алюминий-27 называют стабильным.атом. Примерно 100 лет назад считалось, что все атомы так стабильны.
Многие атомы имеют разные формы. Например, медь имеет две стабильные формы: медь-63 (составляет около 70 процентов всей природной меди) и медь-65 (составляет около 30 процентов). Эти две формы называются изотопами. Атомы обоих изотопов меди содержат 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.
Еще около 100 лет назад не понимали, что некоторые элементы содержат изотопы, которые являются радиоактивными.. В некоторых элементах все изотопы радиоактивны. Водород - хороший пример элемента с множеством изотопов, один из которых радиоактивен. Нормальный водород, или водород-1, имеет один протон и не имеет нейтронов (поскольку в ядре есть 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 (составляет около 0,015 процента всего водорода), и хотя он действует как водород-1 (например, из него можно сделать 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 изотопнестабильный. То есть, если у вас есть контейнер, полный трития, и вы вернетесь через миллион лет, вы обнаружите, что весь он превратился в гелий-3 (два протона, один нейтрон), который является стабильным. Процесс, при котором он превращается в гелий, называется радиоактивным распадом.
Некоторые элементы по природе радиоактивны во всех своих изотопах. Уран - лучший пример такого элемента и самый тяжелый радиоактивный элемент природного происхождения. Есть восемь других естественно радиоактивных элементов: полоний, астат, радон, франций, радий, актиний, торий и протактиний. Все другие искусственные элементы тяжелее урана также радиоактивны.
Радиоактивный распад
Радиоактивный распад - естественный процесс. Атом радиоактивного изотопа спонтанно распадется на другой элемент в результате одного из трех общих процессов:- Альфа-распад
- Бета-распад
- Самопроизвольное деление
При этом образуются четыре разных вида радиоактивных лучей:
- Альфа-лучи
- Бета-лучи
- Гамма излучение
- Нейтронные лучи
Если бы вы смотрели на отдельный атом америция-241, было бы невозможно предсказать, когда он выбросит альфа-частицу. Однако, если у вас есть большая коллекция атомов америция, скорость распада становится вполне предсказуемой. Для америция-241 известно, что половина атомов распадается за 458 лет. Следовательно, период полураспада америция-241 составляет 458 лет . Каждый радиоактивный элемент имеет разный период полураспада, от долей секунды до миллионов лет, в зависимости от конкретного изотопа. Например, америций-243 имеет период полураспада 7370 лет.
Тритий (водород-3) - хороший пример элемента, который подвергается бета-распаду. При бета-распаде нейтрон в ядре спонтанно превращается в протон, электрон и третью частицу, называемую антинейтрино. Ядро выбрасывает электрон и антинейтрино, а протон остается в ядре. Выброшенный электрон называется бета-частицей . Ядро теряет один нейтрон и приобретает один протон. Следовательно, атом водорода-3, подвергающийся бета-распаду, становится атомом гелия-3. Если вы нажмете кнопку «Go» на рисунке ниже, вы увидите изменение нейтронов.
При спонтанном делении атом на самом деле расщепляется, а не отбрасывает альфа- или бета-частицу. Слово «деление» означает «расщепление». Тяжелый атом, такой как фермий-256, подвергается спонтанному делению примерно в 97 процентах случаев, когда распадается, и в процессе этого он становится двумя атомами. Например, один атом фермия-256 может стать атомом ксенона-140 и атома палладия-112, и в процессе он выбрасывает четыре нейтрона (известные как «быстрые 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 атомных кораблях, а также в ускорителях элементарных частиц, устройствах, используемых для изучения субатомной физики.
Во многих случаях ядро, которое подверглось альфа-распаду, бета-распаду или спонтанному делению, будет очень энергичным и, следовательно, нестабильным. Он устранит свою дополнительную энергию в виде электромагнитного импульса, известного как гамма-луч . Гамма-лучи похожи на рентгеновские лучи в том, что они проникают в вещество, но они более энергичны, чем рентгеновские лучи. Гамма-лучи состоят из энергии, а не из движущихся частиц, таких как альфа- и бета-частицы.
Что касается различных лучей, то есть также космические лучи, постоянно бомбардирующие Землю. Космические лучи исходят от Солнца, а также от взрывающихся звезд. Большинство космических лучей (около 85 процентов) - это протоны, движущиеся со скоростью, близкой к скорости света., в то время как, возможно, 12 процентов - это альфа-частицы, перемещающиеся очень быстро. Кстати, именно скорость частиц дает им способность проникать в 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. Вторичные космические лучи постоянно попадают в нас, 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 открытом космосе.
«Естественная» опасность
Хотя они «естественны» 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 как ионизирующее излучение, а это означает, что, когда эти лучи взаимодействуют с атомом, они могут сбить орбитальный электрон. Потеря электрона может вызвать проблемы, в том числе все, от гибели клеток до генетических мутаций (ведущих к раку), у любого живого существа.Поскольку альфа-частицы имеют большие размеры, они не могут проникать очень далеко в материю. Например, они не могут проникнуть сквозь лист бумаги, поэтому, когда они находятся вне тела, они не оказывают никакого воздействия на людей. Однако, если вы едите или вдыхаете атомы, которые испускают альфа-частицы, альфа-частицы могут нанести значительный ущерб вашему телу.
Бета-частицы проникают немного глубже, но, опять же, опасны, только если их есть или вдыхать; бета-частицы можно остановить с помощью листа алюминиевой фольги или оргстекла. Гамма-лучи, как и рентгеновские лучи, задерживаются свинцом.
Нейтроны из-за отсутствия заряда проникают очень глубоко и лучше всего задерживаются чрезвычайно толстыми слоями бетона или жидкостей, таких как вода или мазут. Гамма-лучи и нейтроны из-за своей проникающей способности могут оказывать серьезное воздействие на клетки людей и других животных. Возможно, вы когда-нибудь слышали о ядерном устройстве, называемом нейтронной бомбой. Вся идея этой бомбы состоит в том, чтобы оптимизировать производство нейтронов и гамма-лучей, чтобы бомба оказывала максимальное воздействие на живые существа.
Как мы видели, радиоактивность «естественна», и все мы содержат такие вещества, как радиоактивный углерод-14. В окружающей среде также имеется ряд вредных антропогенных ядерных элементов. Ядерная радиация имеет огромные преимущества, например, ядерная энергия для выработки электроэнергии и ядерная медицина для обнаружения и лечения болезней, а также значительные опасности.
