Strahlung: Quellen

In einem früheren Beitrag habe ich über Einheiten ionisierender Strahlung gesprochen. Lassen Sie uns nun über die Strahlungsquellen sprechen.

Ich werde hier nicht darüber schreiben, "dass Sie es nicht anfassen müssen" - es wurde so viel darüber geschrieben, aber ich bin nicht Oleg Aizon und ich habe keine einzigartigen Fotos von beispiellosen radioaktiven Artefakten. Ich werde im Allgemeinen sagen - woher die Strahlung kommt.

Radioaktiver Zerfall als Phänomen

Was ist radioaktiver Zerfall? Jemand, der sich an das Schulwissen erinnert, wird antworten - dies ist das Phänomen der Umwandlung einiger Elemente in andere. Jemand wird in der Regel eine andere, ebenso ungenaue Definition geben. Tatsächlich ist der radioaktive Zerfall jede spontane Änderung des Zustands eines Atomkerns als System von Nukleonen, begleitet von der Freisetzung von Energie, deren Wert in der Regel mehrere Kiloelektronenvolt überschreitet. Diese Energie wird dann von den vom Kern emittierten Elementarteilchen, von elektromagnetischen Strahlungsquanten oder von den Elektronen des Atoms übertragen. In diesem Fall kann der Kern selbst seine Ladung, Masse ändern, in zwei oder mehr Kerne aufspalten oder von selbst bleiben, nur indem er in einen stabileren Zustand übergeht.

"Externe", leicht zu bestimmende Eigenschaften eines Atomkerns sind seine Masse A und seine Ladung (oder Ordnungszahl) Z , gemessen in den Ladungen und Massen des Protons. Dies sind ganzzahlige Werte, die eine physikalische Bedeutung für die Anzahl der entsprechenden Partikel in der Zusammensetzung des Kerns haben. Die Neutronenladung ist Null und die Masse ist fast die gleiche wie die eines Protons. Berechnen Sie also die Anzahl der Neutronen: $$$N = A - Z$. Kerne mit den gleichen Ladungen werden Isotope genannt , mit den gleichen Massen - Isobaren , wenn die gleichen, dann und die anderen, wir haben es mit Isomeren zu tun. Z und A sind im unteren bzw. oberen Index links vom Elementsymbol angegeben.

Aus dem Gesagten geht hervor, dass der Kern das geladene Teilchen verlassen muss, damit sich Z ändert, und dass sich etwas Schwereres als das Elektron vom Kern wegfliegen muss, damit sich A ändert. Folgende Optionen sind also möglich:

- ein Elektron und ein Antineutrino oder ein Positron und ein Neutrino (Beta-Zerfall) fliegen heraus - Z ändert sich um eins (steigt bei Elektronen an und nimmt bei Positronenzerfall ab), A - ändert sich nicht;

$$

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

- Der Kern hingegen kann ein Elektron vom K-Level des Atoms absorbieren (K-Capture) - Z steigt um eins (wie beim Beta-Plus-Zerfall), A ändert sich nicht, Neutrinos werden emittiert.

$$

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

- der Helium-4-Kern fliegt heraus, das sogenannte Alpha-Teilchen (Alpha-Zerfall) - Z nimmt um 2 ab, A nimmt um 4 ab;

$$

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

Beta-Zerfall (und Elektroneneinfang) ist die Umwandlung eines der Neutronen in ein Proton oder umgekehrt und ist Ausdruck einer schwachen Wechselwirkung, die einen der Nukleonenquarks „auflädt“. Zusammen mit dem Elektron wird immer ein Antineutrino gebildet, das einen Teil der Energie wegnimmt, während die Energie zwischen ihnen zufällig umverteilt wird. Aus diesem Grund ist das Energiespektrum der Betastrahlung kontinuierlich.

Und Alpha-Zerfall tritt einfach deshalb auf, weil jeder Kern, der schwerer als Eisen ist, energetisch rentabler ist, um "Gewicht zu verlieren". Während dieser Gewinn nicht mehr als einige MeV beträgt, ist die Energiebarriere zum Entfernen eines Alpha-Partikels oder eines anderen Fragments aus dem Kern zu hoch. Und wenn der Energiegewinn groß genug ist (aber immer noch kleiner als die Bindungsenergie), wird es möglich, ein Alpha-Teilchen außerhalb des Kerns zu tunneln. Zusätzlich zu einem Alpha-Teilchen kann in äußerst seltenen Fällen ein Neutron oder Proton aus dem Kern herausfliegen, oder der Kern ist schwerer als das Alpha-Teilchen. Und schließlich kann der Kern in mehrere Kerne fallen und dabei mehrere Neutronen emittieren. Dies ist eine spontane Spaltung, zu der nur schwere Kerne in der Lage sind, beginnend mit Thorium und Uran.
Nach dem Zerfall kann ein Überschuss an Energie im Kern verbleiben und dieser „aufgewärmte“ Kern muss ihn irgendwie loswerden. Dazu sendet es eine oder mehrere Gammastrahlen aus. Manchmal tritt auch das Phänomen der inneren Umwandlung auf: Energie wird nicht in Form von Photonen abgestrahlt, sondern auf Elektronen übertragen, die aus dem Atom herausfliegen. Im Gegensatz zu Betastrahlen haben Konversionselektronen ein monoenergetisches (lineares) Spektrum.

In einigen Fällen kann ein Kern mit überschüssiger Energie für eine lange Zeit existieren, manchmal sogar Hunderte von Jahren. Es unterscheidet sich nicht von demselben "gewöhnlichen" Kern - weder durch Ladung noch durch Masse, dh es ist dasselbe chemische Element und dasselbe Isotop. Die Isomere sind jedoch unterschiedlich. Meistens überschreitet die Lebensdauer metastabiler Isomere Stunden nicht, und nur wenige von ihnen haben Jahre. Es gibt nur einen Kern, für den nur der isomere Zustand stabil ist: Tantal-180. Im Grundzustand ist es beta-aktiv und kurzlebig (Halbwertszeit von 8 Stunden), und sein Tantal-180-m-Isomer sollte entweder mit der Emission von Gammastrahlen mit einer Energie von 75 keV in den Grundzustand übergehen oder Beta-Zerfall erfahren, aber keines hat noch niemand beobachtet: Dieses Isomer ist im Gegensatz zum kurzlebigen Grundzustand stabil .

Der Zerfall eines Kernisomers ist das einzige Beispiel für den radioaktiven Zerfall, der ausschließlich von Gammastrahlung begleitet wird . In allen anderen Fällen existiert Gammastrahlung immer ausschließlich mit Alpha- oder Betastrahlung.
Über Isotope und Isomere haben wir gesagt. Eine weitere "Iso" bleibt übrig - das sind Isobaren. Kerne mit unterschiedlichen Kernladungen und gleicher Masse. Stabile Isobaren haben normalerweise Ladungen, die sich um zwei Einheiten unterscheiden, und zwischen ihnen befindet sich fast immer ein radioaktives Isotop. Die Existenz von zwei stabilen Isobaren in benachbarten Zellen des Periodensystems ist unwahrscheinlich - diese Regel wird als Schukarev-Mattauch-Regel bezeichnet. Es sind nur zwei Ausnahmen bekannt: Antimon und Tellur-123 und Hafnium-180 und das oben erwähnte Tantal-180m.

Kosmische Strahlung und andere nicht radioaktive Strahlungsquellen

Neben radioaktiven Substanzen führen einige andere Prozesse und Phänomene, sowohl natürliche als auch vom menschlichen Geist erzeugte, zum Auftreten von Strahlung mit ähnlichen Eigenschaften.

Sie kennen wahrscheinlich die kosmische Strahlung. Kosmische Strahlen füllen das gesamte Universum, sie sind Protonen und schwerere Kerne, Elektronen und Gammastrahlen mit außergewöhnlich hohen Energien. Die maximale Energie, die von kosmischen Teilchen aufgezeichnet wird, erreicht den Zept eines Elektronenvolt! Das $$$10 ^ {21}$eV. Was die Quelle solcher hochenergetischen Teilchen ist, kann man nicht eindeutig sagen, aber Teilchen und Gammastrahlen mit mäßigen Energien - von Kilo-Giga-Elektronenvolt - werden von Sternen, einschließlich unserer Sonne, erzeugt.

Dies ist die sogenannte primäre kosmische Strahlung. Sie können ihm nur begegnen, wenn Sie sich in einer erdnahen Umlaufbahn befinden oder zumindest einige zehn Kilometer hinaufsteigen. Trotz der hohen Energie erreichen diese Partikel die Oberfläche nicht. Jedes dieser Partikel, das in die Atmosphäre geflogen ist, verursacht eine ganze Kaskade von Kernreaktionen, die zur Bildung vieler Partikel - hauptsächlich Myonen - führen, die bereits die Erde erreichen. Übrigens fliegen sie nur aufgrund der relativistischen Zeitdilatation: Die Existenzzeit eines Myons - zwei Mikrosekunden - ohne sie würde es ermöglichen, ein Myon nur einen halben Kilometer mit einem kleinen zu fliegen. Und noch eine interessante Tatsache im Zusammenhang mit kosmischen Myonen: Sie sind negativ geladen, aber die primären kosmischen Strahlen sind positiv geladen, da sie hauptsächlich aus Protonen bestehen. Deshalb ist die Erde negativ geladen und die Ionosphäre positiv. In der Nähe der Erdoberfläche fliegt durchschnittlich ein Myon pro Quadratzentimeter pro Minute. Etwa ein Drittel des natürlichen Hintergrunds - etwa 3,5 μR / h - ist auf sie zurückzuführen. Und in der Höhe, in der Passagierflugzeuge fliegen, erzeugen kosmische Strahlen eine Dosisrate von mehreren Mikrosievert pro Stunde, was bereits eine gewisse Gefahr für die Gesundheit der Piloten darstellt.


Neben Myonen gibt es in sekundären kosmischen Strahlen auch Elektronen und Neutronen. Letztere spielen eine wichtige Rolle bei der Bildung der sogenannten kosmogenen Radionuklide.

Sekundäre kosmische Strahlen haben eine sehr hohe Durchdringungskraft. Um sich vor ihnen zu schützen, müssen Sie in tiefe Keller und Minen gehen. Natürlich muss man sich verteidigen, nicht weil sie gesundheitsschädlich sind - sondern weil sie die Erkennung seltener und schwacher Ereignisse in kernphysikalischen Experimenten, die Messung kleiner Radionuklidaktivitäten usw. stören. Aber sie haben einige Vorteile: Mit ihrer Hilfe ist es möglich, geologische Strukturen, große Strukturen (wie die ägyptischen Pyramiden), zu „durchscheinen“.

Übrigens entspricht die Erdatmosphäre etwa einem Meter Blei für kosmische Strahlung. Nicht nur eine Atmosphäre schützt die Erde und uns alle vor kosmischen Strahlen - außerdem gibt es ein Magnetfeld, das geladene Teilchen ablenkt. Die Schutzeigenschaften der Atmosphäre sind jedoch nicht zu unterschätzen. Während geomagnetischer Inversionen kann der magnetische Schutzschild der Erde für eine bestimmte Zeit praktisch verschwinden. Im Gegensatz zu den Horrorgeschichten von Alarmisten führt dies jedoch nicht zur Beendigung des Lebens auf der Erde, und die Strahlung an der Oberfläche steigt nur um das 2-3-fache.

Besonders energiereiche Partikel, die aus dem Weltraum kommen, verursachen die Bildung einer Partikeldusche, die einen großen Bereich bedeckt und die gleichzeitige Registrierung vieler Partikel an Detektoren bewirkt, die über beträchtliche Entfernungen verteilt sind. Dies sind die sogenannten breiten Luftduschen. Ihre Registrierung mit Hilfe einer Vielzahl von beabstandeten Detektoren ermöglicht es, die Energie des Primärteilchens zu bestimmen, und auf diese Weise werden die Energien der Teilchen der kosmischen Strahlung mit der höchsten Energie bestimmt. Zusätzlich verursacht ein solches Teilchen einen starken Blitz von Cherenkov-Strahlung in der Atmosphäre.

Irdische Quellen für kurze Gammastrahlungsstöße und hochenergetische Elektronen sind Blitze und andere atmosphärische Entladungen.

Und die Arbeit menschlicher Hände besteht aus zahlreichen Geräten, die nicht unbedingt absichtlich Ströme energiereicher Teilchen und Quanten erzeugen. Speziell dafür gibt es Röntgenröhren und verschiedene Arten von Beschleunigern - von kleinen, die fast in Ihre Handfläche passen, bis zum LHC-Monster, das das Territorium mehrerer Länder einnimmt. Und die Quellen für nicht verwendete Röntgenstrahlung, wie sie in der trockenen Sprache offizieller Zeitungen sagen, sind Elektrovakuumgeräte. Normalerweise kann es jedoch nach draußen gehen, wenn die Spannung an der Anode mehrere zehn Kilovolt beträgt. So werden Hochspannungs-Kenotrons, gepulste Modulatorlampen und Wanderwellen-Mikrowellenlampen, Klystrons usw. zu Röntgenquellen. in Radarstationen. Und auch - in den Händen verschiedener Liebhaber von Heimversuchen.

Sie können oft davon hören, dass die Quelle der Röntgenstrahlung die Bildröhre eines Fernsehgeräts oder Monitors ist. Vielleicht, aber normalerweise nicht. Tatsache ist, dass das Glas an der Bildröhre ziemlich dick ist und die Röntgenstrahlung bei einer Anodenspannung von 15-25 kV zu weich ist, um durch ein solches Glas zu gelangen. Hier sind Kineskope von Projektionsfernsehern, die bei Spannungen bis zu 50 kV betrieben wurden und kleine Abmessungen und dünne Wände der Glühbirne hatten, die sogar so "geröntgt" wurden. Und unter den Fernsehern hat sich die ULPTC mit ihrer Schaltung zur Stabilisierung der Anodenspannung „ausgezeichnet“. In dieser Schaltung wurde die GP-5-Lampe verwendet, die bei einer Anodenspannung arbeitete, die gleich der Spannung an der zweiten Anode (d. H. 25 kV) war, durch die ein merklicher Anodenstrom floss, und die Wände dieser Lampe waren dünn. Infolgedessen leuchtete es im Röntgenbereich hell. Wenn Sie ein in schwarzes Papier eingewickeltes Blatt Fotopapier auf ein solches Fernsehgerät legen, können Sie ein klares Bild von dessen Innenseiten erhalten - insbesondere, wenn Sie die Schutzabdeckung von der Lampe entfernt haben.

Aber wir werden zur Radioaktivität zurückkehren.

Uranus und Thorium und ihre Töchter

Uran und Thorium wurden die ersten dem Menschen bekannten radioaktiven Elemente. Auf Uranerz entdeckte Henri Becquerel eine neue durchdringende Strahlung, ähnlich der Röntgenstrahlung. Maria Skłodowska Curie produzierte von ihr die ersten Körner aus Radium und Polonium.

Diese Elemente sind eine Art „Inseln der Stabilität“ inmitten eines Meeres von Elementen, deren Leben im Vergleich zur Lebensdauer der Erde zu kurz ist. Sie blieben von der Zeit an, als sie sich im Darm einer Supernova bildeten, während deren Explosion diese Gase und Staub gebildet wurden, aus denen dann unser Sonnensystem gebildet wurde. Und sie befinden sich inmitten von Elementen, deren Halbwertszeiten in Minuten, Stunden, Jahren, Jahrtausenden gemessen werden. Wenn Sie also die Zelle im Periodensystem in die rechte (im Beta-Zerfall) oder die linke Zelle ändern, wird dieses Element noch instabiler und ein radioaktives Element, das wieder zerfällt - und so, bis die Zerfallskette schließlich zu einem stabilen Element führt - Blei oder Wismut.





In diesem Zusammenhang kann man in Diskussionen in verschiedenen Foren über radioaktive Artefakte wie japanische Linsen oder Uranglas sowie in der Geschichte des abgereicherten Urans in Waffen und Flugzeugen oft einen Irrtum hören: Sie sagen, dass Uran und Thorium Alpha-Emitter sind und in diesem Zusammenhang ihre Radioaktivität vernachlässigt, wenn sie nicht in den Körper gelangen. Ja, Uran-238 und Thorium-232 unterliegen einem Alpha-Zerfall, der nicht von Gammastrahlung begleitet wird. Die nachfolgenden Mitglieder der Uran-238-Reihe, deren Zerfälle bis zum langlebigen Uran-234 schnell aufeinander folgen, sind jedoch beta-aktiv, und Protactinium-234m gibt intensive Gammastrahlung ab.

Zusätzlich gibt es in natürlichem Uran neben dem 238. Isotop immer das 235. und 234. Isotop. Die spezifische Aktivität des ersten in natürlichem Uran ist 21-mal niedriger als $$${} ^ {238} U$Es hat jedoch eine intensive Gammastrahlung wie Uran-234, dessen Aktivität fast immer der Aktivität von Uran-238 entspricht, da es sich im säkularen Gleichgewicht damit befindet. Daher „leuchtet“ ein Stück Uran-238 anständig genug und beleuchtet den Film, auf dem es liegt, etwa eine Stunde lang. Die Geschichte mit Thorium ist ungefähr dieselbe, mit dem einzigen Unterschied, dass frisch isoliertes Thorium-232 tatsächlich fast reiner Alpha-Emitter ist und beispielsweise das Thoriumglas japanischer Linsen zum Zeitpunkt ihrer Herstellung keine besondere Strahlengefahr darstellte. Wenn das Gleichgewicht darin wiederhergestellt ist, steigt die Intensität der Beta-Strahlung und der Gammastrahlung von Thorium innerhalb von 10 bis 15 Jahren aufgrund der Anreicherung von Radium-228 und nachfolgenden Mitgliedern der Reihe signifikant an - bis zum endgültigen „Gruß“ von Thallium-208, der sehr viel ergibt harte Gammastrahlung mit einer Energie von 2,6 MeV. Diese Linie ist normalerweise die letzte in den Gammaspektren, dahinter gibt es nichts als kosmische Strahlung.

Die berühmteste „Tochter“ von Uran-238 ist natürlich Radium-226, das auch von den Curie-Ehepartnern entdeckt wurde und mit dessen Gewinnung Mayakovsky seine Arbeit verglich:

Belästigen Sie ein einziges Wort für
Tausende Tonnen verbales Erz ...

Frisches Uran enthält jedoch fast kein Radium. Vor ihm weitere 245 Tausend Jahre, um auf den Zerfall von Uran-234 und dann 75 Tausend Jahre zu warten - Thorium-230 mit dem schönen Namen "Ion". Aber in Uranerz befindet sich Radium im Gleichgewicht mit Uran und seine Aktivität ist gleich der Aktivität Uran. Daher ist Uranerz viel radioaktiver als Uran selbst.

Deshalb ist frisches Uran keine Radon-222-Quelle (ein weiterer minus ein Mythos über Uranglas).

Thorium hat auch sein eigenes Radium in seiner Reihe - zweihundertachtundzwanzig. Da sich das Gleichgewicht in der Thoriumreihe schnell einstellt, lässt Radium-228 und damit Radon-220 nicht lange auf sich warten.

Ein paar Worte zu Radon

Radon ist ein Inertgas. In dieser Hinsicht scheint es, dass es keinen hohen Grad an Radiotoxizität aufweisen sollte, da es praktisch nicht absorbiert wird und sich nicht ansammelt. Das dachten sie lange, und selbst wenn sie viel über die Gefahren der Strahlung wussten, waren Radonbäder die beliebteste Behandlungsmethode.

Tatsache ist jedoch, dass Radon (das ist Uran 222, das von Thorium 220), das in der Mitte der radioaktiven Reihe steht, schnell zu einem der radioaktiven Isotope von Blei (214 für Radon und 212 für Thoron) wird, das sich in der Lunge absetzt und dort für immer verbleibt. Eher bis es verfällt. Und bereits er (und die nachfolgenden Mitglieder der Serie - in der Uranserie zum Beispiel Polonium-210) bestrahlt die Lunge effektiv und effizient. Es sind Radon und seine Zerfallsprodukte, die den Hauptbeitrag zur jährlichen Strahlungsdosis leisten.

Übrigens fallen diese radioaktiven Zerfallsprodukte von Radon ständig auf unsere Köpfe. Und wenn Sie die Hintergrundstrahlung auf der Straße bei starkem Regen messen, stellt sich heraus, dass sie gewachsen ist - manchmal sogar 2-3 Mal. Dies ist nicht der "Tschernobyl-Regen" und die Folgen von Fukushima, sondern nur die Zerfallsprodukte von Radon aus einer kilometerlangen Atmosphäre, die sich auf der Erdoberfläche angesammelt hat.
Dann werden diese Blei und Wismut-214 zu einer relativ langlebigen (22 Jahre) Blei-210, mit der bestimmt werden kann, wie viel Zeit seit dem Moment vergangen ist, als die Sedimentschicht am Meeresboden oder ein anderes Reservoir durch neue Schichten blockiert wurde.

Und sie werden auch leicht von Flechten aufgenommen, zum Beispiel Rentiermoos, von dem sich die Hirsche dann ernähren. Die Konzentration von Tochterprodukten des Radonzerfalls in Flechten ist um ein Vielfaches höher als ihr ursprünglicher Gehalt in Regenwasser und Boden. Der Blei-210-Gehalt im Rentiermoos erreicht 500 Bq / kg, was zu einem hohen Gehalt dieses Nuklids (und damit Polonium-210) im Rentierfleisch führt - und in den Knochen der Vertreter der Völker des hohen Nordens, in denen dieses Fleisch (sowie Fisch) enthalten ist die auch in Blei-210 hoch ist) werden zugeführt. Das Ergebnis ist eine 35-mal höhere jährliche Dosis als bei einem Einwohner, beispielsweise in Moskau.

Über Kalium, Bananen und andere Orangen

Neben Uran und Thorium mit „Töchtern“ sind Quellen natürlicher Radioaktivität eine Reihe von Elementen, die neben stabilen radioaktiven natürlichen Isotopen auch solche aufweisen. Unter ihnen befinden sich Isotope, die während der Herrschaft der Erbsen vor der Geburt des Sonnensystems gebildet wurden.Ihre Halbwertszeiten überschreiten wie die von Uran und Thorium die Lebensdauer des Sonnensystems und sogar des Universums. Andere haben relativ kurze Halbwertszeiten, die es ihnen nicht erlauben, aus alten Zeiten zu überleben. Sie konnten sich während des Zerfalls anderer radioaktiver Isotope nicht gebildet haben, was bedeutet, dass irgendwo eine andere Quelle ihres Aussehens vorhanden sein muss. Das sind kosmische Strahlen.

Hochgeschwindigkeitsprotonen, die in die Atomkerne krachen, verursachen selbst Kernreaktionen und führen zur Geburt von Neutronen und hochenergetischen Gammastrahlen, die neue Kernreaktionen verursachen. Infolgedessen führt jedes der in die Atmosphäre fliegenden kosmischen Protonen nicht nur zur Bildung eines Bündels von Myonen und Elektronen, sondern auch zur Bildung vieler instabiler Kerne - kosmogener Radionuklide. Aufgrund der Tatsache, dass sie ständig gebildet werden, sind sie trotz der relativ kurzen Lebensdauer (von Sekunden bis zu Tausenden von Jahren) immer in der Atmosphäre vorhanden. Das vielleicht wichtigste kosmogene Radionuklid ist Kohlenstoff-14, der unter Einwirkung von kosmischen Strahlen aus Stickstoff gebildet wird. Andere Beispiele sind Beryllium-7, das zusammen mit den Zerfallsprodukten von Radon im Regenwasser durch die charakteristische Gammastrahlung Tritium leicht nachgewiesen werden kann.

Einige kosmogene Radionuklide bildeten sich nicht in der Erdatmosphäre unter dem Einfluss kosmischer Strahlen, sondern kamen mit diesen kosmischen Strahlen an. Dies sind Chlor-36 und Beryllium-10.
Kosmogene Radionuklide sind wichtige Indikatoren für die Untersuchung verschiedener natürlicher Prozesse des Substanztransfers, radioaktiver „Uhren“ für die Datierung (jeder kennt die Radiokohlenstoffmethode), aber ihre Rolle bei der Schaffung des natürlichen Strahlungshintergrunds ist gering - niemand kann dabei mit Kalium konkurrieren - 40. Ihre (hauptsächlich Kohlenstoff-14) Aktivität im menschlichen Körper ist nur geringfügig geringer als die Kalium-40-Aktivität, jedoch beträgt die Zerfallsenergie des letzteren eineinhalb MeVa und die von Kohlenstoff-14 156 keV. Dementsprechend ist die Dosis daraus um eine Größenordnung niedriger - nur etwa 15 μSv / Jahr.

Die Besonderheit von Kalium ist, dass es das wichtigste lebenswichtige Element für fast jede Lebensform ist. Gleichzeitig ist Kalium untrennbar mit radioaktivem Kalium-40 verbunden, was zu einer sehr auffälligen Radioaktivität führt. Die Aktivität eines Gramms natürlichem Kalium beträgt 31 Bq / g, und die Kaliumaktivität im menschlichen Körper beträgt ungefähr 60 Bq / kg. Diese Aktivität erzeugt eine jährliche Dosis von 170 μSv / Jahr - etwas weniger als ein Zehntel der gesamten Strahlendosis.

Wie Sie wissen, sind Bananen reich an Kalium und damit an seinem radioaktiven Isotop. Kalium, in der Tat sind viele Dinge reichhaltig - getrocknete Aprikosen, Datteln, Nüsse und im Allgemeinen Bananen sind nicht führend unter ihnen, aber es ist immer noch viel Kalium darin. Eine durchschnittliche Banane enthält etwa ein halbes Gramm Kalium, was 15-16 Becquerel Kalium entspricht. Diese Aktivität sowie die Höhe des Beitrags zur Strahlendosis, der durch den Verbrauch einer Banane (geschätzt als 0,1 μSv) während des Unfalls auf Three Mile Island verursacht wurde, wurde scherzhaft als „Bananenäquivalent“ bezeichnet.

Tatsächlich ist das "Bananenäquivalent" in Bezug auf die Dosis nahezu Null. Tatsache ist, dass die Kaliumkonzentration im Körper ziemlich konstant ist. Der Körper nimmt jede ernsthafte Abweichung der Kaliumkonzentration im Gewebe sehr schmerzhaft wahr und hält diese Konzentration sorgfältig in engen Grenzen. Wenn viel Kalium in den Körper gelangt, wird viel Kalium von den Nieren ausgeschieden. Nicht genug Kalium - die Nieren sparen Kalium mit aller Kraft. Der Inhalt des Körpers bleibt jedoch unverändert. Die verzehrte Banane verändert also nicht die Kaliummenge im Körper, was bedeutet, dass keine zusätzliche Strahlungsdosis entsteht.

Es gibt immer noch Rubidium-87. Es verhält sich auch im Körper wie Kalium, aber aufgrund seiner Seltenheit ist sein Beitrag zur Dosis gering - etwas im Bereich von 6 μSv / Jahr.

Menschliche Handarbeit

Von der Entdeckung der Radioaktivität bis 1934 beschäftigten sich die Wissenschaftler nur mit den in der Natur vorhandenen radioaktiven Elementen. Im Jahr 1934 stellten Frederic und Irene Joliot-Curie, die die Bildung freier Neutronen unter dem Einfluss eines Flusses von Alpha-Partikeln untersuchten, fest, dass das Aluminiumtarget nach Beendigung der Bestrahlung weiterhin einige Partikel emittiert (die sich später als Positronen herausstellten), deren Fluss schnell zerfiel. So wurde die erste künstliche Synthese eines radioaktiven Isotops durchgeführt:

$$

$${}^{27}_{13}Al + \alpha\rightarrow n+{}^{30}_{15}P$$

Die Bildung von radioaktivem Phosphor wurde chemisch nachgewiesen: Wenn radioaktiv gewordenes Aluminium in Salzsäure gelöst wurde, ging die gesamte Aktivität in Form von Phosphorwasserstoff in das freigesetzte Gas über. Dann zeigten die Joliot-Curie-Ehepartner auch die Bildung anderer künstlicher radioaktiver Isotope: Durch Bestrahlung von Bor mit Alpha-Partikeln wurde radioaktiver Stickstoff und durch Bestrahlung von Magnesium-Aluminium erhalten. Der Traum der Alchemisten, einige Elemente in andere zu verwandeln, wurde wahr. Produktiver war die Verwendung kürzlich entwickelter Beschleuniger geladener Teilchen, mit deren Hilfe nicht nur viele radioaktive Isotope bekannter Elemente, sondern auch solche Elemente, die in der Natur nicht existierten, synthetisiert werden konnten. Das erste davon war das 1937 entdeckte Technetium von Emilio Segre, dessen Name seitdem auf seinen künstlichen Ursprung hinweist. Dann gab es Frankreich, Astatine,dann die ersten transuranischen Elemente - Neptunium, Plutonium ...

Schließlich wurde vielleicht die stärkste Quelle für neue künstliche Isotope entdeckt: die Kernspaltung.

Wie ich oben sagte, ist für schwere Kerne die gesamte Existenz eines ganzen Kerns weniger energetisch vorteilhaft als seine Zerstörung. Trotzdem bleibt der Kern intakt, da zwischen den Zuständen des „ganzen Kerns“ und der „einzelnen Fragmente“ eine signifikante Energiebarriere besteht. Die Wahrscheinlichkeit einer spontanen Überwindung einer solchen Barriere selbst für die schwersten Kerne - Uran-, Thorium- und Transuranelemente - ist unbedeutend. Es ist viel größer, wenn das ablösbare Fragment ein Alpha-Teilchen ist, das die Alpha-Aktivität solcher Kerne bestimmt. Es bleibt jedoch eine sehr geringe Wahrscheinlichkeit, dass der Kern in mehrere ungefähr identische „Teile“ zerfällt, die unter dem Einfluss elektrostatischer Abstoßung sofort auseinander fliegen. Die Wahrscheinlichkeit einer Kernspaltung steigt jedoch stark an, wenn der Kern "erwärmt" wird und von einem Partikel von außen angeregt wird. Der einfachste Weg, dies zu tun, ist mit einem Neutron:Er muss die Coulomb-Barriere nicht überwinden. Der angeregte Kern wird verformt und dann gebrochen. Es ist wichtig, dass die Spaltung normalerweise nicht nur „Fragmente“ produziert, sondern auch freie Neutronen, die auch in anderen Kernen eine Spaltung verursachen können. Dieser Prozess ist die Grundlage aller Kernenergie unserer Zeit und produziert eine große Anzahl der verschiedensten radioaktiven Isotope: Kernfragmente können fast alle sein, und wir können sie nachweisen und isolieren oder nicht, sie werden nur durch ihre Lebensdauer bestimmt. Ein starker Neutronenfluss, der während einer intensiven Kernreaktion (insbesondere bei einer Kernexplosion) erzeugt wird, kann sehr schwere transuranische Elemente erzeugen. Einsteinium und Fermium wurden zu solchen "Nachkommen einer nuklearen Explosion". Und leichteres Plutonium, Americium,Curium und Kalifornien werden in Reaktoren in vollständig industriellen Mengen gewonnen.

Die Wiederaufbereitung von bestrahltem Kernbrennstoff und die Bestrahlung verschiedener Elemente in Reaktoren durch Neutronen ist zu einer wirksamen und billigen Quelle für nahezu alle radioaktiven Isotope geworden, so dass sie in beliebigen Mengen gewonnen werden können - von kleinen Kontrollquellen zur Kalibrierung von Taschen-Dosimetern, die mit ihnen geliefert werden und keine ernsthafte Gefahr darstellen diejenigen im Strahl, an denen sogar Bakterien fast augenblicklich absterben und die Luft wie eine Glühbirne leuchtet.

Und dann das Gas ablassen und den Reaktor starten ...

Das radioaktive Isotop als Strahlungsquelle hat eine Eigenschaft, die sowohl ein Vorteil als auch ein Nachteil ist. Es "funktioniert" von alleine, unabhängig von irgendetwas. Es ist unmöglich, eine radioaktive Quelle auszuschalten - verstecken Sie sie nur hinter einer dicken Bleischicht.

Aber die Spaltreaktion kann (und sollte) gesteuert werden. Eine Voraussetzung für das Auftreten einer sich selbst erhaltenden Spaltreaktion ist, dass die Anzahl der Neutronen, die während Spaltungsereignissen erzeugt werden, ausreicht, um sowohl die Neutronen zu füllen, die für die Spaltung selbst verbraucht werden, als auch diejenigen, die die aktive Zone verlassen, ohne eine Spaltung zu verursachen: absorbiert oder eingefangen wurden oder einfach flog darüber hinaus. Dies ist ein kritischer Zustand. Es werden mehr Neutronen gebildet als nötig - die Reaktion beschleunigt sich und erhöht ihre Intensität exponentiell wie eine Lawine. Nicht genug Neutronen - die Reaktion lässt nach.

Kernreaktoren werden üblicherweise hauptsächlich als Neutronenquellen betrachtet. Um einen solchen Forschungsreaktor (oder mehrere) herum wird normalerweise ein ganzes wissenschaftliches Zentrum gebaut, in dem eine Vielzahl von Studien und Experimenten durchgeführt werden, die einen intensiven Neutronenfluss erfordern. Dies sind Untersuchungen der Kristallstruktur mittels Neutronenbeugung, verschiedene Methoden der chemischen Analyse basierend auf der Umwandlung stabiler Elemente in radioaktive Isotope (Neutronenaktivierungsanalyse), die Untersuchung der Wirkung von Strahlung auf Materie, einschließlich Biomoleküle und lebender Organismen im Allgemeinen, und vieles mehr.

Eine der Optionen für einen solchen Reaktor ist ein gepulster Kernreaktor. Dies ist nach Ansicht einiger Popularisierer der Kernphysik fast eine Atombombe: "Wenn wir zwei Uranstücke nehmen und zusammenfügen, erhalten wir einen Trichter mit einem Durchmesser von einer halben Meile." Genau das passiert in einem gepulsten Reaktor: Eine kritische Masse entsteht für einen Moment, in dem ein Stück Uran schnell an einem anderen vorbeifliegt. Der in diesem Fall gebildete Neutronenstoß kann tausendfach intensiver sein als der Neutronenfluss eines herkömmlichen Energie- oder Forschungsreaktors.

Ein Kernreaktor ist eine gute Quelle für Neutronen, aber stationär, teuer, sperrig und gefährlich. In einem gewöhnlichen Labor oder auf dem Feld wird entweder California-252, das durch spontane Spaltung Neutronen erzeugt, oder Quellen, die auf Reaktionen von Alpha-Partikeln mit Beryllium, Bor oder Aluminium beruhen, zur Erzeugung eines Neutronenflusses verwendet. Solche Quellen sind jedoch von geringer Intensität und erzeugen zwangsläufig zusammen mit Neutronen Gammastrahlung. Solche Quellen haben eine Alternative in Form der sogenannten Neutronenröhre.

Tatsächlich ist dies auch ein Reaktor, nur ein thermonuklearer : Eine Kernfusionsreaktion wird in einem Neutronenrohr durchgeführt. Zwar wird viel mehr Energie für die Implementierung aufgewendet als freigesetzt, aber es entsteht ein Neutronenfluss. Und am wichtigsten ist, dass eine ausgeschaltete Neutronenröhre praktisch sicher ist (mit Ausnahme einer gewissen Aktivierung der Elemente ihrer Struktur und einer gewissen Menge Tritium in der Röhre) und in diesem Sinne einer Röntgenröhre ähnelt. Die Kernfusion erfolgt an einem Ziel aus Tritium unter dem Einfluss von Deuteriumkernen - Deuteronen, die durch eine Gasentladung im Deuterium beschleunigt werden.

Nachwort

Ionisierende Strahlung ist kein neues Phänomen. Entgegen der landläufigen Meinung (ich habe bereits in früheren Artikeln über einige Mythen zu diesem Thema geschrieben) ist der Anteil anthropogener Strahlungsquellen an der Strahlungsdosis der überwiegenden Mehrheit der Menschen sehr gering. Es sind jedoch anthropogene Quellen, die die größte Gefahr einer akuten Strahlenschädigung darstellen. Natürliche terrestrische Strahlung bedroht das Leben fast nie direkt - die einzige Ausnahme ist die Arbeit an der Entwicklung einiger der reichsten Uranvorkommen. Aber künstliche Quellen haben es bereits geschafft, viele Menschen zu töten. Dies sind Physiker, die mit Uran und Plutonium gearbeitet haben und unter den Ausbrüchen von SCR gefallen sind, sowie die Opfer der Bombenanschläge auf Hiroshima und Nagasaki sowie die Opfer von Tschernobyl und anderen weniger bekannten Strahlenunfällen. Es gab auch Fälle, in denen Menschen durch eine verlorene oder gestohlene Strahlungsquelle getötet wurden oder sich Menschen unwissentlich in einer Zone intensiver Strahlung befanden und innerhalb von Sekunden tödliche Dosen erhielten.

Ich werde darüber - oder vielmehr über die Strahlenschutzsicherheit - im nächsten Artikel berichten.

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