Как обнаружить продукты распада радиоактивного газа радона в окружающем нас воздухе

В конце XIX века была открыта радиоактивность. Открытие радиоактивности – явления, доказывающего сложный состав атомного ядра, произошло благодаря счастливой случайности. Рентгеновские лучи, впервые были получены при столкновениях быстрых электронов со стеклянной стенкой разрядной трубки. Беккерель долгое время исследовал родственное явление – свечение веществ, предварительно облучённых солнечным светом. К таким веществам принадлежат , в частности, соли урана , с которыми экспериментировал Беккерель.

И вот у него возник вопрос: не появляются ли после облучения солей урана наряду с видимым светом и рентгеновские лучи? Беккерель завернул фотопластинку в плотную чёрную бумагу, положил сверху крупинки урановой соли и выставил на яркий солнечный свет. После проявления пластинка почернела на тех участках, где лежала соль. Следовательно, уран создавал какое-то излучение, которое подобно рентгеновскому пронизывает непрозрачные тела и действует на фотопластинку. Беккерель думал, что это излучение возникает под влиянием солнечных лучей. Но однажды, в феврале 1896 г. , провести очередной опыт не удалось из-за облачной погоды. Беккерель убрал пластинку в ящик стола, положив на неё сверху медный крест, покрытый солью урана. Проявив на всякий случай пластинку два дня спустя, он обнаружил на ней почернение в форме отчётливой тени креста. Это означало, что соли урана самопроизвольно, без каких-либо внешних влияний создают какое-то излучение. Начались интенсивные исследования. Конечно, не будь этой счастливой случайности, радиоактивные явления все равно были бы открыты, но, по-видимому, значительно позже.

Вскоре Беккерель обнаружил, что излучение урановых солей ионизирует воздух подобно рентгеновским лучам и разряжает электроскоп. Испробовав различные химические соединения урана, он установил очень важный факт: интенсивность излучения определяется только количеством урана в препарате и совершенно не зависит от того, в какие соединения он входит. Следовательно, это свойство присуще не соединениям, а химическому элементу урану, его атомам.

Естественно было попытаться обнаружить, не обладают ли способностью к самопроизвольному излучению другие химические элементы, кроме урана. В 1898 г. Мария Склодовская-Кюри во Франции и другие учёные обнаружили излучения тория. В дальнейшем главные усилия в поисках новых элементов были предприняты Марией Склодовской-Кюри и её мужем Пьером Кюри. Систематическое исследование руд, содержащих уран и торий, позволило им выделить новый, неизвестный ранее химический элемент – полоний, названный так в честь родины Марии Склодовской-Кюри – Польши.

Наконец, был открыт ещё один элемент, дающий очень интенсивное излучение. Он был назван радием (т. е. лучистым). Само же явление самопроизвольного излучения было названо супругами Кюри радиоактивностью.

Радий имеет относительную атомную массу, равную 226, и занимает в таблице Д. И. Менделеева клетку под номером 88. До открытия Кюри эта клетка пустовала. По своим химическим свойствам радий принадлежит к щелочноземельным элементам.

Впоследствии было установлено, что все химические элементы с порядковым номером более 83 являются радиоактивными.

Что такое радиоактивность?

Радиоактивность (от латинского radius-луч и activus-действенный) - самопроизвольное превращение неустойчивых атомных ядер в ядра других элементов, сопровождающееся испусканием ядерных излучений (радиацией). В природе наиболее часто встречаются два типа радиоактивных превращений – альфа-распад и бета-распад. При альфа распаде из радиоактивного ядра выбрасывается альфа-частица (ядро атома изотопа He). При бета распаде из атомного и антинейтрино (электронный бета распад) или позитрон и нейтрон. Если атомное ядро после распада оказывается в возбужденном состоянии, оно очень быстро переходит в основное состояние. При этом самопроизвольном переходе испускается квант электромагнитного излучения, называемый гамма-квантом.

Можно ли описать процесс радиоактивного распада количественно? Да, причем закон радиоактивного распада был получен сначала экспериментально.

Основной характеристикой распада ядер является вероятность их распада. Если в момент t существует N радиоактивных ядер, то число распадающихся dN ядер за временной интервал dt будет пропорционально N в соответствии с зависимостью

(1)λ=-dN(dt)/N в которой λ является постоянной величиной, называемой константой радиоактивного распада. Правая часть (1) определяет вероятность распада ядер в единицу времени. Эта вероятность является постоянной, определяющей время жизни каждого ядра.

Интегрирование выражения (1) ведет к экспонинцильному закону радиоактивного распада (2)N(t)=Noe-λt, где No число начальных ядер в момент времени t=0. Период полураспада t=½ определяет время необходимое для распада половины начальных ядер. Поэтому, заменяя N=No/2 в выражении (2), получаем t½=0,693/λ(3).

Можно определить для большого числа распадающихся ядер величину так называемого среднего времени жизни. Эта величина определяется суммой времени жизни всех ядер, деленной на начальное число радиоактивных ядер. За время t остается

N(t)=Noe ядер, и за временной интервал t и t+dt распадается ядер -d*N(t)=λNoe. За время t суммарная продолжительность жизни составляет tλNoe dt. Интегрируя по всем временам t, можно получить полную продолжительность жизни tλNoe dt. Тогда среднее время жизни(4) τ=1/No tλNoe dt = txe dt. Преобразуя этот интеграл, получаем (5) τ= ½. Период полураспада t½ = 0,693τ(6).

Где встречается радиоактивность.

В природе явление радиоактивности распространено довольно широко – больше половины элементов системы Менделеева имеют естественные радиоактивные изотопы. Они встречаются повсюду–в воде, воздухе, почве, в тканях растений и животных, в продуктах питания и в человеческом организме, куда поступают от радиоактивных веществ, находящихся в земной коре. Из космоса на поверхность Земли падают радиоактивные осадки (1,7%). Да и сам человек осваивает атомную энергетику, создает искусственную радиацию.

Большая доля радиации приходится на естественные источники земного происхождения.

Основные радиоактивные изотопы, встречающиеся в горных породах Земли, таковы: калий-40, рубидий-87 и члены двух радиоактивных семейств, берущих начало от урана-238и тория- 232. Эти изотопы урана имеют огромный период полураспада:

Т½(238 U)=4,5млрд. лет и Т½(232Th)=14 млрд. лет. За время существования Земли они распались лишь частично и постоянно пополняют концентрацию своих дочерних короткоживущих изотопов. Цепь радиоактивных превращений изотопа урана-238 включает 14 звеньев, заканчивается стабильным изотопом единица полураспада радиоактивным семейством урана.

Совсем недавно ученые поняли, что наиболее весомым из всех естественных источников является невидимый, не имеющий вкуса и запаха тяжелый газ радон, который тоже принадлежит радиоактивному семейству урана. Он образуется в результате альфа-распада радия-226. Поскольку радий содержится практически во всех почвах, повсюду из почвы в атмосферу выделяется радон.

Радон вместе со своими дочерними продуктами радиоактивного распада ответственен примерно за 3/4 годовой индивидуальной дозы облучения, получаемой населением от земных источников радиации, и примерно за половину этой дозы от всех естественных источников радиации. Радиоактивный радон и продукты его распада попадают в организм человека при дыхании, значит облучение радоном внутреннее, что наиболее опасно. Концентрация радона повышается в закрытых непроветриваемых помещениях, в подвалах и в нижних этажах зданий.

Человек с помощью своих органов чувств не способен обнаружить не только малые, но и опасные для него дозы радиоактивного излучения. Поэтому важно изучать явление радиоактивности, уметь его регистрировать.

Дозиметр-радиометр бытовой АНРИ-01-02 «СОСНА».

Дозиметр-радиометр бытовой АНРИ-01-02 «СОСНА» предназначен для индивидуального использования населением с целью контроля радиационной обстановки на местности, в жилых и рабочих помещениях, в том числе:

– измерения мощности экспозиционной (полевой эквивалентной) дозы гамма-излучения;

– измерения плотности потока бета-излучения с загрязненных поверхностей;

– оценки объёмный активности радионуклидов в веществах.

Прибор допускает подключение выносных блоков детектирования.

Краткое описание принципа работы.

При работе прибора преобразователь напряжения подает через токоограничивающие R-C цепочки на аноды газоразрядных счетчиков напряжение ≈ 400В. При попадании в рабочие объемы счетчиков ионизирующих частиц на нагрузке счетчиков появляются импульсы. Эти импульсы подаются на табло жидкокристаллического индикатора. При установке переключателя режимов работы в положение «МД», в приборе работает внутренний таймер, который через заданное время прекращает счет импульсов.

Величины длительности временного интервала таймера и частоты следования импульсов генератора таймера подбираются при регулировке таким образом, чтобы обеспечить прямой отсчет величины мощности экспозиционной дозы гамма-излучения в мР/ч на цифровом табло.

При установке переключателя режимов работы в положение «Т», таймер прибора не работает. Время счета импульсов контролируется потребителем по часам. На цифровом табло индицируется количество импульсов за заданный период времени.

Прибор имеет четыре режима работы.

• В режиме «Поиск» (переключатель режима работы в положение «Т») прибор служит для грубой оценки радиационной обстановки по частоте следования звуковых сигналов. В этом режиме прибор ведет счет импульсов от счетчиков прибора и подает короткий звуковой сигнал через каждые десять импульсов.

• В режиме измерения мощности экспозиционной (полевой эквивалентной) дозы (переключатель режима работы в положении «МД») прибор ведет в течение 20±5 с счет импульсов от счетчиков прибора. По окончании счета, время которого задается внутренним таймером прибора, на цифровом табло индицируется число, соответствующее мощности экспозиционной дозы гамма-излучения в мР/ч.

• В режиме измерения плотности потока бета-излучения с загрязненных поверхностей необходимо проведение двух измерений исследуемой поверхности: с закрытой и открытой задней крышкой прибора. Время измерений в обоих замерах задается внутренним таймером прибора. Результат измерений вычисляется по формуле q=Ks(Nγ+β-Nγ); част/см²мин;

• В режиме оценки объемной активности радионуклидов в пробах необходимо также проведение двух измерений. Оба измерения проводятся с открытой задней крышкой, а прибор устанавливается на кювету. Первое измерение проводится с кюветой, заполненной чистой питьевой водой, второе измерение с кюветой, заполненной исследуемым веществом. Время измерения контролируется по секундомеру или часам. Результат измерения вычисляется по

Nф+n Nф формуле A=Kn( —— - ―― ), Ки/л; t2 t1

Источники радиации.

Естественные источники радиации.

Учет радиоактивных изотопов, их использование.

Естественная радиоактивность. Естественная радиоактивность

Существует миллиарды лет, она присутствует буквально повсюду. Ионизирующие излучения существовали на Земле задолго до зарождения на ней жизни и присутствовали в космосе до возникновения самой Земли. Радиоактивные материалы вошли в состав Земли с самого ее рождения. Любой человек слегка радиоактивен: в тканях человеческого тела одним из главных источников природной радиации являются калий-40 и рубидий-87, причем не существует способа от них избавиться. Учтем, что современный человек до 80% времени проводит в помещениях – дома или на работе, где и получает основную дозу радиации: хотя здания защищают от излучений из вне, в стройматериалах, из которых они построены, содержится природная радиоактивность. Существует вклад в облучение человека вносит радон и продукты его распада.

1. Биологические действия. Радиоактивные излучения гибельно действуют на живые клетки. Механизм этого действия связан с ионизацией атомов и разложением молекул внутри клеток при прохождении быстрых заряженных частиц. Особенно чувствительны к воздействию излучений клетки, находящиеся в состоянии быстрого роста и размножения. Это обстоятельство используется для лечения раковых опухолей. Для целей терапии употребляют радиоактивные препараты, испускающие γ - лучи, так как последние без заметного ослабления проникают внутрь организма. При слишком больших дозах облучения, раковые клетки гибнут, тогда организму больного не причиняется существенного ущерба. Следует отметить, что радиотерапия рака, так же как и рентгенотерапия, отнюдь не является универсальным средством, всегда приводящим к излучению. Чрезмерно большие дозы радиоактивных излучений вызывают тяжелые заболевания животных и человека (лучевая болезнь) и могут привести к смерти. В очень малых дозах радиоактивные излучения, главным образом α - лучи, оказывают, напротив, стимулирующее действие на организм. С этим связан целебный эффект радиоактивных минеральных вод, содержащих небольшое количество радия или радона.

2. Светящиеся составы. Люминесцирующие вещества светятся под действием радиоактивных излучений. Прибавляя к люминесцирующему веществу очень небольшое количество соли радия, приготовляют постоянно светящиеся краски. Эти краски, будучи нанесены на циферблаты и стрелки часов, прицельные приспособления и т. п. делают их видимыми в темноте.

3. Определение возраста Земли. Атомный вес обыкновенного свинца, добываемого из руд, не содержащих радиоактивных элементов, составляет 207,2. Атомный вес свинца, образующийся в результате распада урана, равен 206. Атомный вес свинца, содержащийся в некоторых урановых минералах, оказывается очень близким к 206. Отсюда следует, эти минералы в момент образования не содержит свинец; весь типичный в таких минералах свинец накопился в результате распада урана. Используя закон радиоактивного распада, можно по отношению количеств свинца и урана в минералах определить его возраст. Возрастом Земли принято считать время, прошедшее с момента образования твердой земной коры. По многим измерениям, основанным на радиоактивности урана, а также тория и калия возраст Земли превышает 4 миллиарда лет.

4. Радиоактивные изотопы в промышленности. Не менее обширны применения радиоактивных изотопов в промышленности. Одним из примеров этого может служить следующий способ контроля износа поршневых колец в двигателях внутреннего сгорания. Облучая поршневое кольцо нейтронами, вызывают в нем ядерные реакции и делают его радиоактивным. При работе двигателя частички материала кольца попадают в смазочное масло. Исследуя уровень радиоактивности масла после определенного времени работы двигателя, определяют износ кольца. Радиоактивные изотопы позволяют судить о диффузии металлов, процессах в доменных печах и т. д. Мощное гамма-излучение радиоактивных препаратов используют для исследования внутренней структуры металлических отливок с целью обнаружения в них дефектов.

5. Применение в сельском хозяйстве. Радиоактивные изотопы в сельском хозяйстве. Все более широкое применение получают радиоактивные изотопы в сельском хозяйстве. Облучение семян растений (хлопчатника, капусты, редиса, и др. ) небольшими домами гамма-лучей от радиоактивных препаратов приводит к заметному увеличению урожайности. Большие дозы радиации вызывают мутации у растений и микроорганизмов, что в отдельных случаях приводит к появлению мутантов с новыми ценными свойствами (радиоселекция). Так выведены ценные сорта пшеницы, фасоли и других культур, а также получены высоко продуктивные микроорганизмы, применяемые в производстве антибиотиков. Гамма-излучение радиоактивных изотопов используется также для борьбы с вредными насекомыми и для консервации пищевых продуктов. Широкое применение получили «меченые атомы» в агротехнике. Например, чтобы выяснить, какое из фосфорных удобрений лучше усваивается растением, помечают различные удобрения радиоактивным фосфором 15 32P. Исследуя затем растения на радиоактивность, можно определить количество усвоенного ими фосфора из разных сортов удобрения.

6. Радиоактивные изотопы в археологии. Интересное применение для определения возраста древних предметов органического происхождения (дерева, древесного угля, тканей и т. д. ) получил метод радиоактивного углерода. В растениях всегда имеется бетта-радиоактивный изотоп углерода 614С с периодом полураспада Т=5700 лет. Он образуется в атмосфере Земли в небольшом количестве из изотопа под действием нейтронов. Последние же возникают за счет ядерных реакций, вызванных быстрыми частицами, которые поступают в атмосферу из космоса (космические лучи). Соединяясь с кислородом, этот углерод образует, углекислый газ, поглощаемый растениями, а через них и животными. Один грамм углерода из образцов молодого леса испускает около пятнадцати бета-частиц в секунду. После гибели организма пополнение его радиоактивным углеродом прекращается. Имеющееся же количество этого изотопа убывает за счет радиоактивности. Определяя процентное содержание радиоактивного углерода в органических остатках, можно определить их возраст, если он лежит в пределах от 1000 до 50000 и даже до 100000 лет. Таким методом узнают возраст египетских мумий, остатков доисторических костров и т. д.

Радон-Radon(Rn).

Основным источником этого радиоактивного инертного газа является земная кора. Проникая через трещины и щели в фундаменте, полу и стенах, радон задерживается в помещениях. Другой источник радонов помещении – это сами строительные материалы (бетон, кирпич и т. д. ), содержащие естественные радионуклиды, которые являются 7 источником радона. Радон может поступать в дома также с водой (особенно если она подается из артезианских скважин), при сжигании природного газа и т. д. Радон в 7,5 раз тяжелее воздуха. Как следствие, концентрация радона в верхних этажах многоэтажных домов обычно ниже, чем на первом этаже. Основную часть дозы облучения от радона человек получает, находясь в закрытом, непроветриваемом помещении; регулярное проветривание может снизить концентрацию радона в несколько раз. При длительном поступлении радона и его продуктов в организм человека многократно возрастает риск возникновения рака легких. Сравнить мощность излучения различных источников радона поможет следующая диаграмма.

Этот газ обладает удивительными свойствами. Он светится в темноте, без нагревания испускает тепло, со временем образует новые элементы: один из них - газообразный, другой - твердое вещество. Он в 110 раз тяжелее водорода, в 55 раз тяжелее гелия. Один литр этого газа весит почти 10 грамм. Однако никогда ни один ученый не имел возможности собрать такое количество газа. У этого газа было три имени. И каждое из них имело свою историю.

После открытия радия, когда ученые с большим увлечением познавали тайны радиоактивности, было установлено что твердые вещества, находящиеся в близком соседствии с солями радия, становились радиоактивными. Однако спустя несколько дней, радиоактивность этих веществ исчезала бесследно. В 1902г. Дорн, изучавший это явление, пришел к выводу, что радий непрерывно испускает радиоактивное вещество, невесомое количество которого оседают на близлежащие предметы. Это вещество оказалось в свою очередь, радиоактивным газом, который Резерфордом был назван эманацией радия.

Радон - бесцветный газ, химически совершенно инертный, как и другие газы нулевой группы периодической системы. Радон лучше других инертных газов растворяется в воде (в 100 объемах воды растворяется до 50 объемов радона). При охлаждении до -62° радон сгущается в жидкость, которая в 7 раз тяжелее воды. При -71° радон «замерзает».

Количество радона, выделяемое солями радия, очень мало, и чтобы получить 1 литр радона нужно иметь более 500киллограммов радия, в то время как на всем земном шаре в 1950г. , его было получено 700граммов. Радон – радиоактивный элемент. Испуская, альфа лучи, он превращается в гелий, и, твердый, тоже радиоактивный элемент, который является одним из промежуточных продуктов в цели радиоактивных превращений радия.

Радон в ничтожных количествах в растворенном состоянии в водах минеральных источников, озер и лечебных грязях. Он находится в воздухе, наполняющем пещеры, глубокие узкие долины. В атмосферном воздухе количество радона измеряется величинами порядка 5*10 % -5*10 % по объему.

Благотворное действие минеральных вод, а также лечебных грязей при лечении различных заболеваний некоторыми учеными объясняется действием ничтожных количеств радона, растворимого в воде и грязях. Воды с повышенным количеством радона - радоновые ванны применяются в медицине большой популярностью. Помимо медицины радон используется в научных исследованиях, связанные с явлением радиоактивности. Новыми месторождением радона являлись атомные реакторы, в которых радон образуется как продукт ядерных реакций.

Методика исследования.

Можно ли обнаружить радон и продукты его радиоактивного распада в окружающем нас воздухе?

Можно ли обнаружить разницу в концентрациях радона в различных помещениях? Именно получение ответов на оба вопроса и посвящена наша практическая работа. Продукты распада радона являются металлами. Атомы металлов не могут находиться в атмосфере в свободном состоянии продолжительное время. При встрече с твердыми частицами дыма, пыли, капельками тумана, всегда присутствующими в атмосферном воздухе, радиоактивные атомы оседают на их поверхности. С течением времени продукты распада радона скапливаются в непроветриваемых помещениях и в тех, которые находятся ближе к земле. Несмотря на малые концентрации естественных радиоактивных изотопов в атмосферном воздухе, их присутствие можно обнаружить.

Итак, мы получили положительный ответ на поставленный в начале работы вопрос о том, можно ли обнаружить продукты распада радона. Остается ответить на вопрос, можно ли обнаружить разницу в уровнях радиоактивности, если регистрировать её в разных условиях.

Проводя эксперимент, сначала мы спустились в подвал школы, произвели замеры там и построили график изменения активности образца от времени. Мы получили кривую распада с тем же полупериодом, но начальная активность составляла 330расп/мин, т. е. была выше почти в три раза! Мы заинтересовались и провели ряд измерений в домашних условиях, но уже не снимали кривую распада в зависимости от времени, а сравнивали начальные значения активностей. Полученные результаты представлены в таблице (Уровень радиоактивности) и на диаграмме (График активности).

Уровень радиоактивности.

Место, где измеряли радиоактивность Начальный уровень радиоактивности, расп/мин.

Класс в школе 115

Подвал в школе 325

Жилая комната дома 135

Кухня до приготовления пищи 185

Кухня после приготовления пищи 300

Ванная комната после принятия душа 208

График активности.

Дома, так же как и в школе, мы видели разницу в уровнях радиоактивности в разных помещениях. Оказалось, что самый низкий уровень радиоактивности был в жилой комнате. Он почти такой же, как и в классе. На кухне до приготовления пищи уровень активности был выше, чем в комнате, а после приготовления пищи вырос в полтора раза. В ванной комнате после принятия душа уровень радиоактивности в полтора раза был больше, чем в жилой комнате.

С чем связаны эти различия в уровнях радиоактивности? Из наших экспериментов следует, что в разных помещениях была разная концентрация газа радона и продуктов его распада. В классе и в жилой комнате активность была минимальной. Эти помещения хорошо проветривались, и радоновые продукты в них скапливались мало. Все же в жилой комнате активность была несколько выше. Класс находился на втором этаже, а комната на первом, разница могла быть вызвана близостью к земле. (Но поскольку эта разница не превышает погрешности эксперимента, не будем делать преждевременных выводов. )

Но вот увеличение активности в подвале уже не вызывает сомнения. Подвал имеет земляной пол. В земле находится радий - непосредственный источник радона. Кроме того, и из-за своей тяжести радон оседает вниз.

Почему повышен уровень активности на кухне, особенно после приготовления пищи? Пища готовилась при сжигании газа. А ведь газ – это природное соединение, его добывают из земли, поэтому в нем содержится радон. И хотя радон частично распадается за время транспортировки газа, но некоторое количество его все же остается и потому уровень радиоактивности после сжигания газа повышается.

По литературным данным , в воде обычно содержится мало радона. Однако вода из некоторых источников (особенно из глубоких колодцев или артезианских скважин) может содержать радон. Например, воду добывают из артезианских скважин. И мы могли убедиться, что после принятия душа, когда повышается концентрация паров воды в воздухе, вместе с этим повышается и радиационная активность воздуха. Надо добавить, что вдыхание паров воды с высоким содержанием радона в легкие представляет наибольшую опасность для человека.

Выводы:

• В окружающей нас атмосфере содержится радиоактивный газ радон и продукты его распада.

• С помощью бытового радиометра Анри-01-02 «Сосна» можно регистрировать радиационную активность, окружающего нас воздуха.

• Период полураспада короткоживущих радиоактивных изотопов атмосферного воздуха составляет 35±5 мин. , что хорошо согласуется с данными, представленными в литературе.

• Концентрация радона и его продуктов распада повышается при близости помещения к земле, наличии земляного пола, паров воды, а также при сгорании в помещении природного газа.