Radiación: fuentes

En una publicación anterior hablé sobre unidades de radiación ionizante. Ahora hablemos sobre las fuentes de radiación.

No escribiré aquí sobre "que no es necesario tocarlo", se ha escrito mucho al respecto, pero no soy Oleg Aizon y no tengo fotos únicas de artefactos radiactivos sin precedentes. En general, diré de dónde proviene la radiación.

La desintegración radiactiva como fenómeno.

¿Qué es la desintegración radiactiva? Alguien, recordando el conocimiento escolar, responderá: este es el fenómeno de la transformación de algunos elementos en otros. Alguien dará una definición diferente, como regla, igualmente inexacta. De hecho, la desintegración radiactiva es cualquier cambio espontáneo en el estado de un núcleo atómico como un sistema de nucleones, acompañado por la liberación de energía, cuyo valor, por regla general, excede varios kiloelectron-voltios. Esta energía es arrastrada por las partículas elementales emitidas por el núcleo, por los cuantos de radiación electromagnética, o transferidas a los electrones del átomo. En este caso, el núcleo mismo puede cambiar su carga, masa, dividirse en dos o más núcleos, o puede permanecer solo, solo al entrar en un estado más estable.

Las características "externas", fácilmente determinadas de un núcleo atómico son su masa A y su carga (o número atómico) Z , medida en las cargas y masas del protón. Estos son valores enteros que tienen un significado físico del número de partículas correspondientes en la composición del núcleo. La carga de neutrones es cero y la masa es casi la misma que la de un protón, así que calcule el número de neutrones: $$$N = A - Z$ . Los núcleos con las mismas cargas se llaman isótopos , con las mismas masas: isobaras , si es lo mismo, entonces, y el otro, estamos tratando con isómeros . Z y A se denotan a la izquierda del símbolo del elemento en los índices inferior y superior, respectivamente.

Por lo que se ha dicho, es obvio que para que Z cambie, el núcleo debe abandonar la partícula cargada, y para que A cambie, algo más pesado que el electrón debe volar lejos del núcleo. Entonces, las siguientes opciones son posibles:

- un electrón y un antineutrino o positrón y neutrino (desintegración beta) salen volando - Z cambia en uno (aumenta en el caso del electrón y disminuye en el caso de la desintegración del positrón), A - no cambia;

$$

$${{} ^ {40} _ {19} K} \ rightarrow \ mathrm {{} ^ {40} _ {20} Ca} + e ^ - + \ bar {\ nu} _e$$

- el núcleo, por el contrario, puede absorber un electrón del nivel K del átomo (captura K) - Z aumenta en uno (como en la desintegración beta-plus), A no cambia, se emiten neutrinos.

$$

$${{} ^ {40} _ {19} K} + e ^ - \ rightarrow \ mathrm {{} ^ {40} _ {18} Ar} + {\ nu} _e$$

- el núcleo de helio-4 sale volando, la llamada partícula alfa (desintegración alfa) - Z disminuye en 2, A disminuye en 4;

$$

$$^ {238} _ {92} {\ rm {U}} \ rightarrow ^ {234} _ {90} {\ rm {Th}} + \ alpha \ (^ 4_2 {\ rm {He})}$$

La desintegración beta (y la captura de electrones) es la conversión de uno de los neutrones en un protón o viceversa, y es una manifestación de una interacción débil que "recarga" uno de los quarks de nucleones. Junto con el electrón, siempre se forma un antineutrino, que elimina parte de la energía, mientras que la energía entre ellos se redistribuye al azar. Debido a esto, el espectro de energía de la radiación beta es continuo.

Y la desintegración alfa ocurre simplemente porque cualquier núcleo más pesado que el hierro es energéticamente más rentable para "perder peso". Pero aunque esta ganancia no es más que unos pocos MeV, la barrera energética para eliminar una partícula alfa o cualquier otro fragmento del núcleo es demasiado alta. Y cuando la ganancia de energía es lo suficientemente grande (pero aún menor que la energía de unión), es posible hacer un túnel con una partícula alfa fuera del núcleo. Además de una partícula alfa, un neutrón o protón puede volar fuera del núcleo en casos extremadamente raros, o el núcleo es más pesado que la partícula alfa. Y finalmente, el núcleo puede caer en varios núcleos, mientras emite varios neutrones. Esta es una fisión espontánea de la que solo son capaces los núcleos pesados, comenzando con torio y uranio.
Después del acto de descomposición, puede quedar un exceso de energía en el núcleo y este núcleo "calentado" debe de alguna manera deshacerse de él. Para hacer esto, emite uno o más rayos gamma. A veces también ocurre el fenómeno de la conversión interna: la energía no se irradia en forma de fotones, sino que se transmite a los electrones que salen del átomo. A diferencia de los rayos beta, los electrones de conversión tienen un espectro monoenergético (lineal).

En algunos casos, puede existir un núcleo con exceso de energía durante mucho tiempo, a veces incluso cientos de años. No difiere del mismo núcleo "ordinario", ni por carga ni por masa, es decir, es el mismo elemento químico y el mismo isótopo. Pero los isómeros son diferentes. Muy a menudo, la vida útil de los isómeros metaestables no excede las horas, y solo unos pocos tienen años. Solo hay un núcleo para el que solo el estado isomérico es estable: es el tantalio-180. En el estado fundamental, es beta-activo y de corta duración (vida media de 8 horas), y parece que su isómero de tántalo de 180 m debe entrar en el estado fundamental con la emisión de rayos gamma con una energía de 75 keV, o sufrir una desintegración beta, pero ninguno , nadie ha observado nunca: este isómero, en contraste con el estado fundamental de corta duración, es estable .

La desintegración de un isómero nuclear es el único ejemplo de desintegración radiactiva, acompañada exclusivamente de radiación gamma . En todos los demás casos, la radiación gamma siempre existe exclusivamente con radiación alfa o beta.
Sobre isótopos e isómeros, dijimos. Queda un "iso" más: estos son isobars. Nucleos con diferentes cargas nucleares y la misma masa. Las isobaras estables generalmente tienen cargas que difieren en dos unidades, y entre ellas casi siempre hay un isótopo radiactivo. La existencia de dos isobaras estables en las celdas vecinas de la tabla periódica es poco probable: esta regla se llama la regla de Schukarev-Mattauch. Solo se conocen dos excepciones: antimonio y telurio-123 y hafnio-180 y el mencionado tantalio-180m.

Rayos cósmicos y otras fuentes de radiación no radiactiva.

Además de las sustancias radiactivas, algunos otros procesos y fenómenos, tanto naturales como generados por la mente humana, también conducen a la aparición de radiación con propiedades similares.

Probablemente sepas sobre la radiación cósmica. Los rayos cósmicos llenan todo el Universo, son protones y núcleos más pesados, electrones y rayos gamma con energías excepcionalmente altas. ¡La energía máxima registrada por las partículas cósmicas alcanza el zept de un electrón volt ! Es $$$10 ^ {21}$ eV. Es imposible decir inequívocamente cuál es la fuente de tales partículas de alta energía, pero las estrellas y nuestro Sol generan partículas y rayos gamma con energías moderadas, a partir de voltios de kilo-giga-electrón.

Esta es la llamada radiación cósmica primaria. Solo puede encontrarlo si entra en una órbita terrestre baja, o al menos sube varias decenas de kilómetros. A pesar de la alta energía, estas partículas no alcanzan la superficie. Cada una de estas partículas, que han volado a la atmósfera, provoca una cascada completa de reacciones nucleares, lo que lleva a la formación de muchas partículas, principalmente muones, que ya llegan a la Tierra. Por cierto, vuelan únicamente debido a la dilatación del tiempo relativista: el tiempo de existencia de un muón, dos microsegundos, sin que sea posible volar un muón de solo medio kilómetro con uno pequeño. Y otro hecho interesante relacionado con los muones cósmicos: están cargados negativamente, pero los rayos cósmicos primarios están cargados positivamente, ya que consisten principalmente en protones. Es por eso que la Tierra tiene una carga negativa y la ionosfera es positiva. Cerca de la superficie de la Tierra, en promedio, un muón vuela a través de cada centímetro cuadrado por minuto. Aproximadamente un tercio del fondo natural, aproximadamente 3.5 μR / h, se debe a ellos. Y a la altitud a la que vuelan los aviones de pasajeros, los rayos cósmicos crean una tasa de dosis de varios microsievert por hora, lo que ya representa un cierto peligro para la salud de los pilotos.


Además de los muones, también hay electrones y neutrones en los rayos cósmicos secundarios. Estos últimos juegan un papel importante en la formación de los llamados radionucleidos cosmogénicos.

Los rayos cósmicos secundarios tienen un poder de penetración muy alto. Para protegerte de ellos, debes entrar en profundas bodegas y minas. Por supuesto, uno tiene que defenderse no porque sean perjudiciales para la salud, sino porque interfieren con la detección de eventos raros y débiles en experimentos de física nuclear, medición de actividades de radionucleidos pequeños, etc. Pero hay algún beneficio de ellos: con su ayuda, es posible "brillar a través de" estructuras geológicas, estructuras grandes (como las pirámides egipcias).

Por cierto, la atmósfera de la Tierra es equivalente a aproximadamente un metro de plomo para los rayos cósmicos. No solo una atmósfera protege a la Tierra y a todos nosotros de los rayos cósmicos; además, hay un campo magnético que desvía las partículas cargadas. Pero uno no debe subestimar las propiedades protectoras de la atmósfera. Durante las inversiones geomagnéticas, el escudo magnético de la Tierra puede prácticamente desaparecer por un cierto tiempo, pero a diferencia de las historias de terror de los alarmistas, esto no conducirá al cese de la vida en la Tierra, y el nivel de radiación en la superficie aumentará solo 2-3 veces.

Particularmente, las partículas de alta energía que llegan del espacio causan la formación de una lluvia de partículas, que cubre un área grande, provocando el registro simultáneo de muchas partículas en detectores espaciados a distancias considerables. Estas son las llamadas duchas de aire amplias. Su registro con la ayuda de una variedad de detectores espaciados permite determinar la energía de la partícula primaria, y es así como se determinan las energías de las partículas de rayos cósmicos de mayor energía. Además, dicha partícula provoca un potente destello de radiación de Cherenkov en la atmósfera.

Las fuentes terrenales de ráfagas cortas de radiación gamma y electrones de alta energía son los rayos y otras descargas atmosféricas.

Y el trabajo de las manos humanas son numerosos dispositivos que generan corrientes de partículas y cuantos de alta energía, no necesariamente intencionalmente. Especialmente para esto, hay tubos de rayos X y varios tipos de aceleradores, desde pequeños que caben casi en la palma de su mano, hasta el monstruo LHC, que ocupa el territorio de varios países. Y las fuentes, como dicen en el lenguaje seco de los documentos oficiales, de la radiación de rayos X no utilizada son los dispositivos de electrovacío. Pero generalmente puede salir cuando el voltaje en el ánodo es de decenas de kilovoltios. Por lo tanto, los kenotrones de alto voltaje, las lámparas moduladoras de pulso y las lámparas de microondas de onda viajera, klystrons, etc., se convierten en fuentes de rayos X. en estaciones de radar. Y también, en manos de varios amantes de los experimentos caseros.

A menudo puede escuchar sobre el hecho de que la fuente de radiación de rayos X es el tubo de imagen de un televisor o monitor. Quizás, pero generalmente no. El hecho es que el vidrio en el tubo de imagen es bastante grueso, y la radiación de rayos X a un voltaje anódico de 15-25 kV es demasiado suave para pasar a través de dicho vidrio. Aquí hay kinescopios de televisores de proyección, que operaban a voltajes de hasta 50 kV y tenían pequeñas dimensiones y paredes delgadas de la bombilla, "radiografiadas" incluso así. Y entre los televisores, el ULPTC con su circuito para estabilizar el voltaje del ánodo "se distinguió". La lámpara GP-5 se usó en este circuito, operando a un voltaje anódico igual al voltaje en el segundo ánodo (es decir, 25 kV), una corriente anódica notable pasó a través de él y las paredes de esta lámpara eran delgadas. Como resultado, brilló brillantemente en el rango de rayos X. Al colocar una hoja de papel fotográfico envuelta en papel negro en un televisor de este tipo, puede obtener una imagen clara de su interior, especialmente si quitó la cubierta protectora de la lámpara.

Pero volveremos a la radiactividad.

Urano y torio y sus hijas

El uranio y el torio se convirtieron en los primeros elementos radiactivos conocidos por el hombre. Fue en el mineral de uranio que Henri Becquerel descubrió una nueva radiación penetrante, similar a los rayos X, fue de ella que Maria Skłodowska Curie produjo los primeros granos de radio y polonio.

Estos elementos son una especie de "islas de estabilidad" en medio de un mar de elementos cuya vida es demasiado corta en comparación con la vida de la Tierra. Permanecieron desde el momento en que se formaron en las entrañas de una supernova, durante la explosión de la cual se formaron esos gases y polvo, a partir de los cuales se formó nuestro sistema solar. Y se encuentran en medio de elementos cuyas vidas medias se miden en minutos, horas, años, milenios ... Entonces, al cambiar la celda en la tabla periódica a la de la derecha (en desintegración beta) o a la izquierda, este elemento se vuelve aún más inestable y un elemento radiactivo que se descompone nuevamente, y así, hasta que la cadena de descomposición finalmente conduce a un elemento estable, plomo o bismuto.





En este sentido, en las discusiones en varios foros de artefactos radiactivos, como lentes japonesas o vidrio de uranio, así como en la historia del uranio empobrecido en armas y aviones, a menudo se escucha una falacia: dicen que el uranio y el torio son emisores alfa y, en este sentido, su radioactividad puede descuidado si no entran en el cuerpo. Sí, el uranio 238 y el torio 232 sufren desintegración alfa, no acompañados de radiación gamma. Sin embargo, los miembros subsiguientes de la serie de uranio-238, cuyas desintegraciones siguen rápidamente uno tras otro hasta el uranio-234 de larga vida, son beta-activos, y el protactinio-234m da radiación gamma intensa.

Además, en el uranio natural, además del isótopo 238, siempre hay los isótopos 235 y 234. La actividad específica del primero en uranio natural es 21 veces menor que $$${} ^ {238} U$ Sin embargo, tiene radiación gamma intensa, como el uranio-234, cuya actividad es casi siempre igual a la actividad del uranio-238, ya que está en equilibrio secular con él. Por lo tanto, una pieza de uranio-238 "brilla" con bastante decencia e ilumina la película sobre la que descansa durante aproximadamente una hora. La historia con el torio es casi la misma, con la única diferencia de que el torio-232 recién aislado es en realidad un emisor alfa casi puro, y, por ejemplo, el vidrio de torio de las lentes japonesas en el momento de su fabricación no constituía un peligro de radiación particular. Pero a medida que se restablece el equilibrio, dentro de 10-15 años la intensidad de la radiación beta y gamma del torio aumenta significativamente, debido a la acumulación en él de radio-228 y miembros posteriores de la serie, hasta el "saludo" final de talio-208, que da muy Radiación gamma dura con una energía de 2.6 MeV. Esta línea suele ser la última en el espectro gamma, más allá de ella no hay nada más que radiación cósmica.

La "hija" más famosa del uranio-238 es, por supuesto, el radio-226, el mismo que fue descubierto por los cónyuges de Curie y con la extracción de la cual Mayakovsky comparó su trabajo:

Acosar una sola palabra para
Miles de toneladas de mineral verbal ...

Pero casi no hay radio en el uranio fresco. Antes de él otros 245 mil años para esperar la descomposición del uranio-234 y luego 75 mil años - torio-230 con el hermoso nombre de "ion". Pero en el mineral de uranio, el radio está en equilibrio con el uranio y su actividad es igual a ella, uranio, actividad. Por lo tanto, el mineral de uranio es mucho más radiactivo que el uranio mismo.

Es por eso que el uranio fresco no es una fuente de radón 222 (otro mito menos uno sobre el vidrio de uranio).

El torio también tiene su propio radio en su fila: doscientos veintiocho. Dado que el equilibrio en la serie de torio se establece rápidamente, el radio-228, y con él el radón-220, no se hace esperar.

Algunas palabras sobre el radón

El radón es un gas inerte. A este respecto, parecería que no debería tener un alto grado de radiotoxicidad, ya que prácticamente no se absorbe y no se acumula. Lo pensaron durante mucho tiempo, e incluso cuando sabían mucho sobre los peligros de la radiación, los baños de radón eran el método de tratamiento más popular.

Pero el hecho es que el radón (es decir, el uranio 222, el torio 220), de pie en medio de la fila radiactiva, se convierte rápidamente en uno de los isótopos radiactivos de plomo (214 para el radón y 212 para el torón), que se deposita en los pulmones y permanece allí para siempre. Más bien, hasta que se descomponga. Y ya él (y los miembros posteriores de la serie, en la serie de uranio, por ejemplo, el polonio 210) irradia de manera efectiva y eficiente los pulmones. Es el radón y sus productos de descomposición los que hacen la principal contribución a la dosis anual de radiación.

Por cierto, estos productos de desintegración radiactiva del radón caen constantemente sobre nuestras cabezas. Y si mide la radiación de fondo en la calle bajo una fuerte lluvia, resulta que ha crecido, a veces incluso 2-3 veces. Esta no es la "lluvia de Chernobyl" y las consecuencias de Fukushima, son solo los productos de descomposición del radón de una atmósfera de un kilómetro de longitud reunida en la superficie de la tierra.
Entonces, el plomo y el bismuto-214 se convertirán en un plomo-210 relativamente longevo (22 años), que puede usarse para determinar cuánto tiempo ha pasado desde el momento en que la capa de sedimento en el fondo del mar u otro depósito fue bloqueada por nuevas capas.

Y también son fácilmente absorbidos por los líquenes, por ejemplo, el musgo de reno, del cual los ciervos se alimentan. La concentración de productos secundarios de la descomposición del radón en los líquenes es muchas veces mayor que su contenido inicial en el agua de lluvia y el suelo. El contenido de plomo 210 en el musgo de reno alcanza los 500 Bq / kg, lo que conduce a un alto contenido de este nucleido (y, por lo tanto, de polonio 210) en la carne de reno, y en los huesos de los representantes de los pueblos del extremo norte, que esta carne (así como el pescado, en que también es alto en plomo-210) son alimentados. El resultado es una dosis anual 35 veces mayor que un residente, por ejemplo, Moscú.

Sobre potasio, plátanos y otras naranjas

Además del uranio y el torio con "hijas", las fuentes de radiactividad natural son una serie de elementos que tienen, además de isótopos naturales radiactivos estables. Entre ellos hay isótopos que se formaron durante el reinado de Guisantes antes del nacimiento del sistema solar.Sus vidas medias, como la del uranio y el torio, exceden la vida útil del sistema solar e incluso del universo. Otros tienen vidas medias relativamente cortas que no les permiten sobrevivir desde la antigüedad. No podrían haberse formado durante la descomposición de otros isótopos radiactivos, lo que significa que en algún lugar debe haber una fuente diferente de su apariencia. Estos son rayos cósmicos.

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La peculiaridad del potasio es que es el elemento vital más importante para casi cualquier forma de vida. Y al mismo tiempo, el potasio es inseparable del potasio radiactivo-40, lo que causa su radiactividad muy notable. La actividad de un gramo de potasio natural es de 31 Bq / g, y la actividad de potasio en el cuerpo humano es de aproximadamente 60 Bq / kg. Esta actividad crea una dosis anual de 170 μSv / año, en algún lugar un poco menos de una décima parte de la dosis de radiación total.

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Finalmente, se descubrió, quizás la fuente más poderosa de nuevos isótopos artificiales: la fisión nuclear.

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El isótopo radiactivo como fuente de radiación tiene una propiedad, que es tanto una ventaja como una desventaja. "Funciona" por sí solo, sin depender de nada. Es imposible "apagar" una fuente radiactiva, solo ocultarla detrás de una gruesa capa de plomo.

Pero la reacción de fisión puede (y debe) controlarse. Un requisito previo para una reacción de fisión autosuficiente es que la cantidad de neutrones que se producen durante los eventos de fisión es suficiente para reponer tanto los neutrones que se gastan en la propia fisión como los que abandonaron la zona activa sin causar fisión: fueron absorbidos o capturados, o simplemente voló más allá. Esta es una condición crítica. Se forman más neutrones de los necesarios: la reacción se acelera, aumentando su intensidad exponencialmente, como una avalancha. No hay suficientes neutrones: la reacción se está desvaneciendo.

Los reactores nucleares generalmente se consideran principalmente como fuentes de neutrones. Alrededor de tal reactor de investigación (o varios), generalmente se construye un centro científico completo en el que se llevan a cabo una variedad de estudios y experimentos, que requieren un intenso flujo de neutrones. Estos son estudios de la estructura cristalina utilizando difracción de neutrones, varios métodos de análisis químico basados ​​en la conversión de elementos estables en isótopos radiactivos (análisis de activación de neutrones), el estudio del efecto de la radiación en la materia, incluidas las biomoléculas y los organismos vivos en general, y mucho más.

Una de las opciones para tal reactor es un reactor nuclear pulsado. Esto es casi una bomba atómica a juicio de algunos divulgadores de la física nuclear: "si tomamos dos piezas de uranio y las juntamos, obtendremos un embudo de media milla de diámetro". Esto es exactamente lo que sucede en un reactor pulsado: se forma una masa crítica por un instante cuando una pieza de uranio vuela rápidamente sobre otra. La explosión de neutrones, que se forma en este caso, puede ser miles de veces más intensa que el flujo de neutrones de un reactor de investigación o de energía convencional.

Un reactor nuclear es una buena fuente de neutrones, pero estacionario, costoso, voluminoso y peligroso. En las condiciones de un laboratorio privado o en el campo, se utiliza California-252, que genera neutrones a través de la fisión espontánea, o fuentes basadas en las reacciones de partículas alfa con berilio, boro o aluminio, para obtener un flujo de neutrones. Sin embargo, tales fuentes son de baja intensidad e inevitablemente producen radiación gamma junto con neutrones. Dichas fuentes tienen una alternativa en forma del llamado tubo de neutrones.

De hecho, este también es un reactor, solo uno termonuclear : una reacción de fusión nuclear se lleva a cabo en un tubo de neutrones. Es cierto que se gasta mucha más energía en su implementación de la que se libera, pero proporciona un flujo de neutrones. Y lo más importante, un tubo de neutrones apagado es prácticamente seguro (con la excepción de alguna activación de los elementos de su estructura y cierta cantidad de tritio dentro del tubo) y, en este sentido, es similar a un tubo de rayos X. La fusión nuclear se produce en un objetivo a partir del tritio bajo la influencia de los núcleos de deuterio - deuterones, acelerados por una descarga de gas en el deuterio.

Epílogo

La radiación ionizante no es un fenómeno nuevo. Contrariamente a las creencias populares (ya escribí sobre algunos mitos sobre este tema en artículos anteriores), la proporción de fuentes de radiación antropogénicas en la dosis de radiación de la gran mayoría de las personas es muy pequeña. Sin embargo, son las fuentes antropogénicas las que representan el mayor peligro de daño por radiación aguda . La radiación terrestre natural casi nunca amenaza la vida directamente; la única excepción es trabajar en el desarrollo de algunos de los depósitos de uranio más ricos. Pero las fuentes artificiales ya han logrado matar a muchas personas. Estos son físicos que trabajaron con uranio y plutonio y cayeron bajo los brotes de SCR, y las víctimas del bombardeo de Hiroshima y Nagasaki, y las víctimas de Chernobyl y otros accidentes de radiación menos conocidos. Hubo casos en que las personas fueron asesinadas por una fuente de radiación perdida o robada, o cuando personas sin saberlo se encontraron en una zona de radiación intensa y obtuvieron dosis letales en segundos.

En el próximo artículo contaré sobre esto, o más bien, sobre seguridad radiológica.

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