· - методику приготовления проб для проведения измерений β –излучения радионуклидов;
2. Измеритьактивность проб по Sr-90+Y-90 и K-40.
3. Рассчитать удельные и объемные активности проб.
4. Решить задачу.
Указания по технике безопасности.
Включение лабораторной установки производится с разрешения преподавателя или инженера лаборатории.
2. В лабораторной работе используются очень хрупкие кюветы с порошками. Будьте осторожны!
Контрольные вопросы.
1. Природа β –излучения.
2. Законы смещения при β–распаде (для всех видов распада). Взаимопревращения протонов и нейтронов.
3. Ионизационные и радиационные потери β –излучения.
4. Пробег частицы в веществе. Максимальный пробег β –частиц.
5. Способы защиты от внешнего β -излучения.
6. Принцип действия β-радиометра .
7. Особенности приготовления проб для измерения β –излучения.
8. Принципы нормирования содержания Cs-137 и Sr-90 в продуктах питания.
9. Активность, объемная и удельная активность. Единицы измерения.
I. β-распад
β-излучение это поток β-частиц. β-частицами называют два вида элементарных частиц: электроны и позитроны . Они имеют одинаковые характеристики: массу, величину заряда, спин и т.д., отличаясь лишь знаком электрического заряда. Источниками β-частиц являются радиоактивные ядра, которые испытывают β-распад.
β-распад – самопроизвольное превращение ядра одного химического элемента в ядро другого химического элемента с тем же массовым числом А и с зарядовым числом, отличающимся от исходного на .
Периоды полураспада β -активных ядер лежат в широком интервале времен от 10 с до 2ּ1015 лет. Известны три вида бета-распада:
· электронный или - распад, при котором из ядра вылетает электрон и антинейтрино ( антинейтрино – элементарная незаряженная частица с массой покоя меньше, чем ) и образуется ядро с тем же массовым числом, но с увеличенным на единицу зарядовым числом ( ). Электрон и антинейтрино возникают в ядре в процессе радиоактивного превращения одного из нейтронов в протон
. (1)
Закон смещения для электронного распада имеет вид:
(2)
Примером этого вида распада является радиоактивное превращение :
, (3)
период полураспада Sr-90 равен 29,1 года, дочернее ядро Y-90 также является радиоактивным и тоже испытывает - распад:
, (4)
период полураспада Y-90 равен 64 часа. Электронный распад испытывают все естественные радионуклиды и большинство искусственных радионуклидов.
· позитронный или - распад, при котором из ядра вылетают позитрон и нейтрино , а новое ядро имеет зарядовое число на единицу меньше ( ). Позитрон и нейтрино возникают в результате превращения одного из протонов в нейтрон. Распад свободного протона невозможен энергетически, так как его масса меньше массы нейтрона. Внутри ядра такой процесс может идти за счет энергии ядра:
(5)
Вероятность этого процесса составляет доли процента. Позитронный распад испытывают некоторые искусственные радионуклиды. Закон смещения для позитронного распада:
(6)
· электронный захват или К-захват, при котором ядро захватывает электроны из электронной оболочки и испускает нейтрино. При этом внутри ядра один протон превращается в нейтрон:
Период полураспада К-40 равен 1,26ּ109 лет. Наиболее вероятным является захват электрона из К-оболочки, которая расположена ближе всего к ядру. В этом случае электронный захват называют К-захватом.
При распаде некоторых β-активных ядер наблюдаются одновременно несколько конкурирующих процессов. Например, при распаде радионуклида К-40, доля которого в природном калии составляет 0,0118 %, наблюдается конкуренция - распада и К-захвата.
Так как при электронном и позитронном распаде из ядра вылетают две частицы, а распределение между ними общей энергии, выделяющейся при распаде, происходит статистически, то кинетическая энергия β -частицы может изменяться от нуля до некоторого предельного значения , характерного для рассматриваемого радионуклида. Значения максимальной энергии изменяются от 18 кэВ (для ) до 16,6 МэВ (для ). Средняя энергия β -частиц это энергия, которую имеет наибольшее число β –частиц, испускающихся при распаде данных радионуклидов. Таким образом спектр β –излучения – сплошной.
2. Взаимодействие β-частиц с веществом.
Прохождение β -излучения через вещество имеет ряд особенностей, основной причиной которых является то, что электрон и позитрон обладают малой массой. При каждом столкновении в веществе (как с атомными ядрами, так и с атомными электронами) β -частица может значительно изменять направление движения. Поэтому β -частицы движутся по ломаной траектории и им не свойственна определенная глубина проникновения в вещество. Из-за извилистости траектории глубина проникновения β -частиц в вещество меньше, чем средняя длина пробега.
Процессы прохождения через вещество позитронов и электронов примерно одинаковы. В дальнейшем для определенности рассматривается торможение электронов в веществе. Это оправдано еще и тем, что подавляющее большинство встречающихся в практике радиационного контроля β -активных ядер испытывает электронный распад.
При прохождении через вещество в результате взаимодействия с ядрами и атомными электронами β –частицы постепенно теряют свою энергию. Потери энергии β –частиц складываются из ионизационных и радиационных потерь.
Ионизационные потери возникают вследствие неупругого взаимодействия β–частицы с атомным электроном. Электрон, получив энергию, может покинуть атом (т.е. атом превращается в положительно заряженный ион). Если энергии β –частицы недостаточна для отрыва электрона от атома, атом переходит в возбужденное состояние (т.е. атом приобретает «лишнюю» энергию).
Радиационные потери обусловлены испусканием β –частицей тормозного рентгеновского излучения. Если любая заряженная частица двигается в электрическом поле, то на нее действует сила. Следовательно, частица движется с ускорением. Из электродинамики известно, что движущаяся с ускорением заряженная частица испускает электромагнитное излучение. Поэтому, если β –частицы пролетают вблизи ядра атома, они начинают испускать тормозное рентгеновское излучение. Установлено, что интенсивность тормозного рентгеновского излучения прямо пропорциональна квадрату зарядового числа атомного ядра, в поле которого движется частица, и обратно пропорциональна массе частицы:
(9)
По своему вкладу в потери энергии β –частиц ионизационные потери примерно на три-четыре порядка превосходят радиационные потери. Однако радиационные потери играют огромную роль в обнаружении и определении активности радионуклидов, β –распад которых не сопровождается испусканием γ-излучения. Например, обнаружение чистого β–излучателя Sr-90, попавшего внутрь организма человека, осуществляется по измерению тормозного рентгеновского излучения с помощью гамма-спектрометров излучения человека (СИЧ). Поскольку пробеги β –частиц в биологической ткани невелики, β –излучение не выходит из тела человека. Рентгеновское излучение пронизывает тело человека насквозь и его можно измерить. А затем рассчитать активность человека по Sr-90.