Dans un article précédent, j'ai parlé d'unités de rayonnement ionisant. Parlons maintenant des sources de rayonnement.
Je n'écrirai pas ici sur "que vous n'avez pas besoin de le toucher" - tant de choses ont été écrites à ce sujet, mais je ne suis pas Oleg Aizon et je n'ai pas de photos uniques d'artefacts radioactifs sans précédent. Je dirai en général - d'où vient le rayonnement.
La désintégration radioactive en tant que phénomène
Qu'est-ce que la désintégration radioactive? Quelqu'un, rappelant les connaissances de l'école, répondra - c'est le phénomène de la transformation de certains éléments en d'autres. Quelqu'un donnera une définition différente, en règle générale, tout aussi inexacte. En fait, la désintégration radioactive est tout changement spontané de l'état d'un noyau atomique en tant que système de nucléons, accompagné d'une libération d'énergie, dont la valeur, en règle générale, dépasse plusieurs kiloélectrons-volts. Cette énergie est ensuite emportée par les particules élémentaires émises par le noyau, par les quanta de rayonnement électromagnétique, ou transférées aux électrons de l'atome. Dans ce cas, le noyau lui-même peut changer sa charge, sa masse, se diviser en deux noyaux ou plus, ou il peut rester seul, seulement en passant dans un état plus stable.
Les caractéristiques «externes» d'un noyau atomique, facilement déterminées, sont sa masse
A et sa charge (ou son numéro atomique)
Z , mesurées dans les charges et les masses du proton. Ce sont des valeurs entières qui ont une signification physique du nombre de particules correspondantes dans la composition du noyau. La charge neutronique est nulle et la masse est presque la même que celle d'un proton, alors calculez le nombre de neutrons:
. Les noyaux avec les mêmes charges sont appelés
isotopes , avec les mêmes masses -
isobares , si les mêmes, alors, et l'autre, nous avons affaire à des
isomères . Z et A sont indiqués à gauche du symbole d'élément dans les indices inférieur et supérieur, respectivement.
D'après ce qui a été dit, il est évident que pour que Z change, le noyau doit quitter la particule chargée, et pour que A change, quelque chose de plus lourd que l'électron doit s'éloigner du noyau. Ainsi, les options suivantes sont possibles:
- un électron et un antineutrino ou un positron et un neutrino (désintégration bêta) s'envolent - Z change de un (augmente dans le cas de l'électron et diminue dans le cas de la désintégration du positron), A - ne change pas;
- le noyau, au contraire, peut absorber un électron du niveau K de l'atome (capture K) - Z augmente de un (comme dans la désintégration beta-plus), A ne change pas, des neutrinos sont émis.
- le noyau d'hélium-4 s'envole, la soi-disant particule alpha (désintégration alpha) - Z diminue de 2, A diminue de 4;
La désintégration bêta (et la capture d'électrons) est la conversion de l'un des neutrons en proton ou vice versa, et est la manifestation d'une interaction faible qui «recharge» l'un des quarks de nucléon. Avec l'électron, un antineutrino est toujours formé, ce qui enlève une partie de l'énergie, tandis que l'énergie entre eux est redistribuée au hasard. Pour cette raison, le spectre d'énergie du rayonnement bêta est continu.
Et la désintégration alpha se produit simplement parce que tout noyau plus lourd que le fer est énergétiquement plus rentable pour "perdre du poids". Mais alors que ce gain n'est pas supérieur à quelques MeV, la barrière énergétique pour retirer une particule alpha ou tout autre fragment du noyau est trop élevée. Et lorsque le gain d'énergie est suffisamment important (mais toujours inférieur à l'énergie de liaison), il devient possible de tunneler une particule alpha à l'extérieur du noyau. En plus d'une particule alpha, un neutron ou un proton peut voler hors du noyau dans des cas extrêmement rares, ou le noyau est plus lourd que la particule alpha. Et enfin, le noyau peut tomber en plusieurs noyaux, tout en émettant plusieurs neutrons. Il s'agit d'une fission spontanée dont seuls les noyaux lourds sont capables, à commencer par le thorium et l'uranium.
Après l'acte de décomposition, un excès d'énergie peut rester dans le noyau et ce noyau «réchauffé» doit en quelque sorte s'en débarrasser. Pour ce faire, il émet un ou plusieurs rayons gamma. Parfois, le phénomène de conversion interne se produit également: l'énergie n'est pas rayonnée sous forme de photons, mais est transmise aux électrons qui sortent de l'atome. Contrairement aux rayons bêta, les électrons de conversion ont un spectre monoénergétique (linéaire).
Dans certains cas, un noyau avec un excès d'énergie peut exister pendant longtemps, parfois même des centaines d'années. Il ne diffère pas du même noyau «ordinaire» - ni par la charge ni par la masse, c'est-à-dire qu'il est le même élément chimique et le même isotope. Mais les
isomères sont différents. Le plus souvent, la durée de vie des isomères métastables ne dépasse pas les heures, et seuls quelques-uns ont des années. Il n'y a qu'un seul noyau pour lequel seul l'état isomérique est stable: c'est le tantale 180. À l'état fondamental, il est bêta-actif et de courte durée (demi-vie de 8 heures), et son isomère de tantale de 180 m, semble-t-il, devrait soit entrer dans l'état fondamental avec l'émission de rayons gamma avec une énergie de 75 keV, soit subir une désintégration bêta, mais ni , personne n'a jamais observé: cet isomère, contrairement à l'état fondamental de courte durée,
est stable .
La désintégration d'un isomère nucléaire est le seul exemple de désintégration radioactive accompagnée
exclusivement de rayonnement gamma . Dans tous les autres cas, le rayonnement gamma existe toujours
exclusivement avec un rayonnement alpha ou bêta.
À propos des isotopes et des isomères, nous avons dit. Il reste encore un "iso" - ce sont des isobares. Noyaux avec différentes charges nucléaires et la même masse. Les isobares stables ont généralement des charges différentes de deux unités, et entre elles, il y a presque toujours un isotope radioactif. L'existence de deux isobares stables dans les cellules voisines du tableau périodique est peu probable - cette règle est appelée la règle de Schukarev-Mattauch. Seules deux exceptions en sont connues: l'antimoine et le tellure-123 et l'hafnium-180 et le tantale-180m susmentionné.
Rayons cosmiques et autres sources de rayonnement non radioactifs
En plus des substances radioactives, certains autres processus et phénomènes, à la fois naturels et générés par l'esprit humain, conduisent également à l'apparition de rayonnements aux propriétés similaires.
Vous connaissez probablement le rayonnement cosmique. Les rayons cosmiques remplissent l'Univers entier, ce sont des protons et des noyaux plus lourds, des électrons et des rayons gamma aux énergies exceptionnellement élevées. L'énergie maximale enregistrée par les particules cosmiques atteint le
zept d'un électron-
volt ! C'est
eV. Il est impossible de dire sans équivoque quelle est la source de ces particules de haute énergie, mais les particules et les rayons gamma avec des énergies modérées - à partir de kilo-giga-électrons volts - sont générés par les étoiles, y compris notre Soleil.
Il s'agit du soi-disant rayonnement cosmique primaire. Vous ne pouvez le rencontrer que si vous entrez en orbite terrestre basse, ou au moins montez sur plusieurs dizaines de kilomètres. Malgré la haute énergie, ces particules n'atteignent pas la surface. Chacune de ces particules, ayant volé dans l'atmosphère, provoque toute une cascade de réactions nucléaires, conduisant à la formation de nombreuses particules - principalement des muons - qui atteignent déjà la Terre. Soit dit en passant, ils volent uniquement en raison de la dilatation temporelle relativiste: le temps d'existence d'un muon - deux microsecondes - sans lui permettrait de voler un muon d'un demi-kilomètre seulement avec un petit. Et un autre fait intéressant lié aux muons cosmiques: ils sont chargés négativement, mais les rayons cosmiques primaires sont chargés positivement, car ils sont principalement constitués de protons. C'est pourquoi la Terre a une charge négative et l'ionosphère est positive. Près de la surface de la Terre, en moyenne, un muon vole à travers chaque centimètre carré par minute. Environ un tiers du fond naturel - environ 3,5 μR / h - leur est dû. Et à l'altitude à laquelle les avions de passagers volent, les rayons cosmiques créent un débit de dose de plusieurs microsievert par heure, ce qui pose déjà un certain danger pour la santé des pilotes.
En plus des muons, il y a aussi des électrons et des neutrons dans les rayons cosmiques secondaires. Ces derniers jouent un rôle important dans la formation des soi-disant radionucléides cosmogéniques.
Les rayons cosmiques secondaires ont un pouvoir de pénétration très élevé. Pour vous en protéger, vous devez vous rendre dans des caves et des mines profondes. Bien sûr, il faut se défendre non pas parce qu'ils sont nocifs pour la santé - mais parce qu'ils interfèrent avec la détection d'événements rares et faibles dans les expériences de physique nucléaire, la mesure des activités des petits radionucléides, etc. Mais ils en retirent certains avantages: avec leur aide, il est possible de «faire briller» les structures géologiques, les grandes structures (comme les pyramides égyptiennes).
Soit dit en passant, l'atmosphère terrestre équivaut à environ un mètre de plomb pour les rayons cosmiques. Non seulement une atmosphère protège la Terre et nous tous des rayons cosmiques, mais en plus il y a un champ magnétique qui dévie les particules chargées. Mais il ne faut pas sous-estimer les propriétés protectrices de l'atmosphère. Pendant les inversions géomagnétiques, le bouclier magnétique de la Terre peut pratiquement disparaître pendant un certain temps, mais contrairement aux histoires d'horreur des alarmistes, cela n'entraînera pas la cessation de la vie sur Terre, et le niveau de rayonnement à la surface n'augmentera que 2-3 fois.
Des particules particulièrement énergétiques provenant de l'espace provoquent la formation d'une pluie de particules, qui couvre une grande surface, provoquant l'enregistrement simultané de nombreuses particules sur des détecteurs espacés sur des distances considérables. Ce sont les douches à air dites larges. Leur enregistrement à l'aide d'une variété de détecteurs espacés permet de déterminer l'énergie de la particule primaire, et c'est ainsi que les énergies des particules de rayons cosmiques de plus haute énergie sont déterminées. De plus, une telle particule provoque un puissant éclair de rayonnement Cherenkov dans l'atmosphère.
Les sources terrestres de courtes rafales de rayonnement gamma et d'électrons de haute énergie sont la foudre et d'autres décharges atmosphériques.
Et le travail des mains humaines sont de nombreux appareils qui génèrent des flux de particules et quanta de haute énergie, pas nécessairement intentionnellement. Surtout pour cela, il existe des tubes à rayons X et divers types d'accélérateurs - des petits qui tiennent presque dans la paume de votre main, au monstre du LHC, qui occupe le territoire de plusieurs pays. Et les sources, comme on dit dans le langage sec des journaux officiels, des rayonnements X inutilisés sont des appareils à électro-vide. Mais il est généralement capable de sortir lorsque la tension à l'anode est de plusieurs dizaines de kilovolts. Ainsi, les kénotrons à haute tension, les lampes à modulateur pulsé et les lampes à micro-ondes à ondes progressives, les klystrons, etc., deviennent des sources de rayons X. dans les stations radar. Et aussi - entre les mains de divers amateurs d'expériences à domicile.
Vous pouvez souvent entendre parler du fait que la source de rayonnement X est le tube à image d'un téléviseur ou d'un moniteur. Peut-être, mais généralement pas. Le fait est que le verre du tube cathodique est assez épais et que le rayonnement des rayons X à une tension d'anode de 15-25 kV est trop mou pour passer à travers un tel verre. Voici des cinéscopes de téléviseurs à projection, qui fonctionnaient à des tensions allant jusqu'à 50 kV et avaient de petites dimensions et des parois minces de l'ampoule, "radiographiées" même comme ça. Et parmi les téléviseurs, l'ULPTC avec son circuit de stabilisation de la tension anodique s'est «distingué». Dans ce circuit, la lampe GP-5 a été utilisée, fonctionnant à une tension d'anode égale à la tension à la deuxième anode (c.-à-d. 25 kV), un courant anodique notable l'a traversée et les parois de cette lampe étaient minces. En conséquence, il brillait brillamment dans la gamme des rayons X. En mettant une feuille de papier photo enveloppée dans du papier noir sur un tel téléviseur, vous pouvez obtenir une image claire de son intérieur - surtout si vous retirez le couvercle de protection de la lampe.
Mais nous reviendrons à la radioactivité.
Uranus et thorium et leurs filles
L'uranium et le thorium sont devenus les premiers éléments radioactifs connus de l'homme. C'est sur du minerai d'uranium qu'Henri Becquerel a découvert un nouveau rayonnement pénétrant, semblable aux rayons X, c'est d'elle que Maria Skłodowska Curie a produit les premiers grains de radium et de polonium.
Ces éléments sont une sorte d’îlots de stabilité au milieu d’une mer d’éléments dont la vie est trop courte par rapport à la durée de vie de la Terre. Ils sont restés à partir du moment où ils se sont formés dans les entrailles d'une supernova, lors de l'explosion de laquelle ces gaz et poussières se sont formés, à partir desquels notre système solaire s'est alors formé. Et ils sont situés au milieu d'éléments dont les demi-vies sont mesurées en minutes, heures, années, millénaires ... Donc, en changeant la cellule du tableau périodique en celle de droite (en désintégration bêta) ou celle de gauche, cet élément devient encore plus instable et un élément radioactif qui se désintègre à nouveau - Et ainsi, jusqu'à ce que la chaîne de désintégration mène finalement à un élément stable - le plomb ou le bismuth.
À cet égard, dans les discussions sur divers forums d'artefacts radioactifs tels que les lentilles japonaises ou le verre d'uranium, ainsi que sur l'histoire de l'uranium appauvri dans les armes et les avions, on peut souvent entendre une erreur: ils disent que l'uranium et le thorium sont des émetteurs alpha et à cet égard, leur radioactivité peut négligés s'ils n'entrent pas dans le corps. Oui, l'uranium 238 et le thorium 232 subissent une désintégration alpha, non accompagnée d'un rayonnement gamma. Cependant, les membres suivants de la série de l'uranium-238, dont les désintégrations se succèdent rapidement jusqu'à l'uranium-234 à longue durée de vie, sont bêta-actifs, et le protactinium-234m donne un rayonnement gamma intense.
De plus, dans l'uranium naturel, en plus du 238e isotope, il y a toujours les 235e et 234e isotopes. L'activité spécifique du premier dans l'uranium naturel est 21 fois inférieure à
Cependant, il a un rayonnement gamma intense, comme l'uranium-234, dont l'activité est presque toujours égale à l'activité de l'uranium-238, car il est en
équilibre séculaire avec lui. Par conséquent, un morceau d'uranium 238 décemment assez "brille" et illumine le film sur lequel il repose pendant environ une heure. L'histoire avec le thorium est à peu près la même, la seule différence étant que le thorium-232 fraîchement isolé est en fait un émetteur alpha presque pur, et, par exemple, le verre au thorium des lentilles japonaises au moment de leur fabrication ne constituait pas un risque de rayonnement particulier. Mais à mesure que l'équilibre y est rétabli, en 10 à 15 ans, l'intensité des rayonnements bêta et gamma du thorium augmente considérablement, en raison de l'accumulation en lui de radium-228 et des membres suivants de la série - jusqu'au «salut» final du thallium-208, qui donne très rayonnement gamma dur avec une énergie de 2,6 MeV. Cette raie est généralement la dernière du spectre gamma, au-delà, il n'y a que du rayonnement cosmique.
La «fille» la plus célèbre de l'uranium-238 est, bien sûr, le radium-226, le même que celui découvert par les époux Curie et dont l'extraction de Mayakovsky a comparé son travail:
Harceler un seul mot pour
Des milliers de tonnes de minerai verbal ...
Mais il n'y a presque pas de radium dans l'uranium frais. Devant lui encore 245 mille ans pour attendre la décomposition de l'uranium-234 puis 75 mille ans - le thorium-230 avec le beau nom "ion". Mais dans le minerai d'uranium, le radium est en équilibre avec l'uranium et son activité est égale à lui, l'uranium, l'activité. Par conséquent, le minerai d'uranium est beaucoup plus radioactif que l'uranium lui-même.
C'est pourquoi l'uranium frais n'est pas une source de radon-222 (un autre mythe moins un sur le verre d'uranium).
Le thorium a également son propre radium dans sa rangée - deux cent vingt-huitième. Étant donné que l'équilibre dans la série du thorium est rapidement établi, le radium 228, et avec lui le radon 220, ne tarde pas à venir.
Quelques mots sur le radon
Le radon est un gaz inerte. À cet égard, il semblerait qu'il ne devrait pas avoir un degré élevé de radiotoxicité, car il n'est pratiquement pas absorbé et ne s'accumule pas. Ils le pensaient depuis longtemps, et même lorsqu'ils en savaient beaucoup sur les dangers des radiations, les bains de radon étaient la méthode de traitement la plus populaire.
Mais le fait est que le radon (c'est-à-dire l'uranium 222, celui du thorium 220), au milieu de la rangée radioactive, se transforme rapidement en l'un des isotopes radioactifs du plomb (214 pour le radon et 212 pour le thoron), qui s'installe dans les poumons et y reste pour toujours. Plutôt, jusqu'à ce qu'il se désintègre. Et déjà lui (et les membres suivants de la série - dans la série de l'uranium, par exemple, le polonium-210) irradie efficacement et efficacement les poumons. C'est le radon et ses produits de désintégration qui contribuent le plus à la dose annuelle de rayonnement.
Soit dit en passant, ces produits de désintégration radioactive du radon tombent constamment sur nos têtes. Et si vous mesurez le rayonnement de fond dans la rue sous de fortes pluies, il s'avère qu'il a augmenté - parfois même 2-3 fois. Ce n'est pas la «pluie de Tchernobyl» et les conséquences de Fukushima, ce sont juste les produits de décomposition du radon d'une atmosphère longue d'un kilomètre rassemblés à la surface de la terre.
Ensuite, ces plomb et bismuth-214 se transformeront en plomb-210 à durée de vie relativement longue (22 ans), qui peut être utilisé pour déterminer combien de temps s'est écoulé depuis le moment où la couche de sédiments au fond de la mer ou un autre réservoir a été bloqué par de nouvelles couches.
Et ils sont également facilement absorbés par les lichens, par exemple la mousse de renne, dont les cerfs se nourrissent ensuite. La concentration de produits dérivés de la décomposition du radon dans les lichens est plusieurs fois supérieure à leur teneur initiale dans l'eau de pluie et le sol. La teneur en plomb 210 de la mousse de renne atteint 500 Bq / kg, ce qui conduit à une teneur élevée de ce nucléide (et donc du polonium 210) dans la viande de renne - et dans les os des représentants des peuples de l'extrême nord, que cette viande (ainsi que le poisson, dans qui est également riche en plomb 210) sont alimentés. Le résultat est une dose annuelle 35 fois plus élevée qu'un résident, par exemple, Moscou.
À propos du potassium, des bananes et d'autres oranges
En plus de l'uranium et du thorium avec «filles», les sources de radioactivité naturelle sont un certain nombre d'éléments qui ont, en plus des isotopes naturels radioactifs stables. Parmi eux, il y a des isotopes qui se sont formés
pendant le règne des pois avant la naissance du système solaire. , , , . , . , , - . — .
, , , -, . , — . , , , ( ) . , -14, . — -7, -, .
, . -36 -10.
, «» ( ), — , -40. ( , -14) -40, — , -14 — 156 . , — 15 /.
, - . , -40, . 31 /, — 60 /. 170 / — - .
, , , , . , - — , , , - , . , 15-16 . , , (, 0,1 ) - « ».
« » . , — . . , . — . . , , .
-87. , , - — - 6 /.
1934 , . 1934 -, -, , ( ), . :
: . - : - , — . . , , , . 1937 , . , , — , …
, , , : .
, , . , , « » « » . — , , — . , — -, - . , «», . , «», - . : . , . , «», , . , : «» , , . , ( ) . « » . , , .
, — , , , , , .
, ...
L'isotope radioactif en tant que source de rayonnement a une propriété, qui est à la fois un avantage et un inconvénient. Il "fonctionne" seul, ne dépendant de rien. Il est impossible de «désactiver» une source radioactive - il suffit de la cacher derrière une épaisse couche de plomb.
Mais la réaction de fission peut (et devrait) être contrôlée. Une condition préalable à la survenue d'une réaction de fission auto-entretenue est que le nombre de neutrons produits pendant les événements de fission est suffisant pour remplir à la fois les neutrons qui sont dépensés pour la fission elle-même et ceux qui ont quitté la zone active sans provoquer de fission: ont été absorbés ou capturés, ou simplement a volé au-delà. Il s'agit d'une condition critique. Plus de neutrons sont formés que nécessaire - la réaction accélère, augmentant son intensité de façon exponentielle, comme une avalanche. Pas assez de neutrons - la réaction est en train de disparaître.
Les réacteurs nucléaires sont généralement considérés principalement comme des sources de neutrons. Autour d'un tel réacteur de recherche (ou de plusieurs), tout un centre scientifique est généralement construit dans lequel sont menées diverses études et expériences, qui nécessitent un flux neutronique intense. Ce sont des études de la structure cristalline utilisant la diffraction des neutrons, diverses méthodes d'analyse chimique basées sur la conversion d'éléments stables en isotopes radioactifs (analyse d'activation des neutrons), l'étude de l'effet des rayonnements sur la matière, y compris les biomolécules et les organismes vivants en général, et bien plus encore.
L'une des options pour un tel réacteur est un réacteur nucléaire pulsé. C’est presque comme une bombe atomique aux yeux de certains vulgarisateurs de la physique nucléaire: "si nous prenons deux morceaux d’uranium et les assemblons, nous obtiendrons un entonnoir d’un demi-mile de diamètre". C'est exactement ce qui se passe dans un réacteur pulsé: une masse critique se forme un instant lorsqu'un morceau d'uranium passe rapidement devant un autre. L'éclatement de neutrons, qui se forme dans ce cas, peut être des milliers de fois plus intense que le flux de neutrons d'un réacteur à énergie ou de recherche conventionnel.
Un réacteur nucléaire est une bonne source de neutrons, mais stationnaire, cher, encombrant et dangereux. Dans les conditions d'un laboratoire privé ou sur le terrain, soit le California-252, qui génère des neutrons par fission spontanée, soit des sources basées sur les réactions des particules alpha avec le béryllium, le bore ou l'aluminium, sont utilisées pour obtenir un flux neutronique. Cependant, ces sources sont de faible intensité et produisent inévitablement un rayonnement gamma avec des neutrons. Ces sources ont une alternative sous la forme de ce que l'on appelle le tube à neutrons.
En fait, il s'agit également d'un réacteur, seulement
thermonucléaire : une réaction de fusion nucléaire est réalisée dans un tube à neutrons. Certes, beaucoup plus d'énergie est dépensée pour sa mise en œuvre que ce qui est libéré, mais cela donne un flux neutronique. Et surtout, un tube à neutrons éteint est pratiquement sûr (à l'exception d'une certaine activation des éléments de sa structure et d'une certaine quantité de tritium à l'intérieur du tube) et, en ce sens, est similaire à un tube à rayons X. La fusion nucléaire se produit sur une cible à partir de tritium sous l 'influence de noyaux de deutérium - deutérons, accélérée par une décharge de gaz dans le deutérium.
Postface
Le rayonnement ionisant n'est pas un phénomène nouveau. Contrairement aux croyances populaires (j'ai déjà écrit quelques mythes sur ce sujet dans des articles précédents), la proportion de sources de rayonnement anthropiques dans la dose à la grande majorité des gens est très faible. Cependant, ce sont les sources anthropiques qui présentent le plus grand danger de dommages radioactifs
aigus . Le rayonnement terrestre naturel ne menace presque jamais directement la vie - la seule exception concerne les travaux de mise en valeur de certains des gisements d'uranium les plus riches. Mais des sources artificielles ont déjà réussi à tuer beaucoup de gens. Ce sont des physiciens qui ont travaillé avec l'uranium et le plutonium et qui sont tombés sous les foyers de SCR, et les victimes des bombardements d'Hiroshima et de Nagasaki, et les victimes de Tchernobyl et d'autres accidents radiologiques moins connus. Il y a également eu des cas où des personnes ont été tuées par une source de rayonnement perdue ou volée, ou lorsque des personnes se sont retrouvées sans le savoir dans une zone de rayonnement intense et ont pris des doses mortelles en quelques secondes.
J'en parlerai - ou plutôt, de la radioprotection, dans le prochain article.
Tous les articles de la série
Rayonnement: Laboratoire radiochimique en semaineRayonnement: unitésRayonnement: risques, sécurité, protection