РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ ПО РАДИАЦИОННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
Практическая работа №1
В начале занятия Вам будет выдан номер варианта заданий для самостоятельной работы.
ЗАДАНИЕ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ
Задача 1.В какое ядро превратится ядро (см. Таблицу 3, колонку 1), испустив (см. колонку 2)-частицу? Записать уравнение ядерной реакции.
Теория. Атомные ядра (нуклиды) состоят из элементарных частиц двух видов - протонов и нейтронов. Эти частицы объединяют общим названием нуклоны. Число протонов в ядре называется атомным номером и обозначается буквой Z. Общею число нуклонов в ядре называется массовым числом и обозначается буквой А. Для характеристики данного нуклида используют символ его химического элемента X и указывают А и Z: AZX,
Радиоактивность - процесс самопроизвольного превращения одних атомных ядер в другие, сопровождающийся испусканием одной или нескольких частиц. Атомы, подверженные таким превращениям, называют радиоактивными или радионуклидами. Основные виды радиоактивного распада - альфа ( ), бета ( ) и спонтанное деление ядер.
Альфа-распад заключается в самопроизвольном испускании ядром α-частицы (ядра гелия He). Схема -распада:
Бета — распадом называется процесс самопроизвольного превращения радиоактивного ядра в изобарное с испусканием электрона или позитрона. Известны три вида бета распада: электронный ( -распад), позитронный( - распад) распады и электронный захват (k-захват). Схемы -распадов:
k—захват:
Здесь e- , e+ - символы электрона и позитрона, — символы нейтрино и антинейтрино.
Пример решения задачи. В какое ядро превратится ядро 212Bi, испустив α-частицу? Записать уравнение ядерной реакции.
Решение. Обозначим неизвестное ядро символом . Так как при - распаде атомный номер изменяется на -2, а массовое число на -4, то Z=83-2=81, А=212-4=208. Элемент с порядковым номером 81 в периодической системе - таллий. Следовательно, ядро 212Bi превратится в ядро 208Tl. Уравнение реакции имеет вид:
21283Bi→20881Tl +42He.
Задача 2. За какое время распадется 70% начального количества радионуклида (см. колонку 1)? T1/2 радионуклида принять равным (см. колонку 3).
Теория. Закон радиоактивного распада N = N или dN = Ndt , где N0- число ядер в начальный момент времени (t=0), N - число ядер, оставшихся к моменту времени t. dN - число ядер, распавшихся за малый интервал времени dt, ,— постоянная радиоактивного распада (вероятность распада ядра в единицу времени).
Число ядер, распавшихся за время t. . Связь между периодом полураспада Т и постоянной распада Т . Связь между постоянной распада и средним временем жизни ядра .
Пример решения задачи. Какая доля начального количества атомов распадется за два года в радиоактивном изотопе 228Ra. Период полураспада 228Ra принять равным 5 лет.
Решение. Доля распавшихся атомов - это отношение числа распавшихся атомов к начальному числу атомов . Согласно закону радиоактивного распада , где -постоянная распада. . λ=ln2/T1/2. е=2,72.
∆N/N0=1-2,72-(0,693/5)∙2=0,242.
Задача 3. Чугунная плита снизит интенсивность узкого пучка γ-квантов в 10 раз. Во сколько раз снизит интенсивность этого пучка свинцовая плита такой же толщины? Принять линейные коэффициенты ослабления, равные для чугуна (см. колонку 4) и для свинца (см. колонку 5).
Теория. Проходя через вещество, радиоактивные излучения взаимодействуют с атомами вещества. Механизм взаимодействия каждого вида ядерного излучения различен, но в конечном итоге, прохождение всех видов радиоактивных излучений через вещество приводит к ионизации атомов среды. В связи с этим радиоактивные излучения называют ионизирующими. Различают непосредственно ионизирующее и косвенно ионизирующее излучения. Непосредственно ионизирующее излучение - это излучение, состоящее из заряженных частиц, имеющих кинетическую энергию, достаточную для ионизации. Т.е. - и - излучения относятся к непосредственно ионизирующему излучению. Косвенно ионизирующее излучение - это излучение, состоящее из незаряженных частиц (γ-излучение), которые в результате взаимодействия с веществом могут создавать непосредственно ионизирующее излучение.
Наибольшей проникающей способностью обладает -излучение, наименьшей - -излучение. В биологической ткани проникающая способность -частиц с энергией 1 МэВ имеет порядок величины 10 м, частиц - 10 м, а - квантов - десятки метров.
Закон ослабления узкого моноэнергетического пучка -квантов при прохождении через вещество , где - поток -квантов в веществе на глубине , - поток - квантов, падающих на вещество, - литейный коэффициент ослабления.
Слоем половинного ослабления называется слой вещества, толщина X которого такая, что поток проходящих через него - квантов уменьшается в два раза. Связь между толщиной слоя половинного ослабления и линейным коэффициентом ослабления .
Пример решения задачи. Сколько слоев половинного ослабления требуется, чтобы уменьшить интенсивность узкого пучка γ-квантов в 10 раз?
Решение. Закон ослабления узкого пучка γ-квантов слоем вещества толщиной X
n=n0∙е-µх (1) n – поток γ-квантов в веществе на глубине х, n0 – поток γ-квантов, падающих на вещество, µ - линейный коэф-т ослабления.
Слой половинного ослабления – это слой вещества, толщина х1/2 которого такая, что поток проходящих через него γ-квантов снижается в 2 раза. По условию n0/n= 10. Связь между линейным коэффициентом ослабления и толщиной Х1/2 слоя половинного ослабления х1/2 = 1n2/µ =0,693/µ. (2). Величина х/х1/2=k – искомое число половинного ослабления.
Из уравнения (1)находим х=ln(n/n0)/(-µ). (3)
Из уравнений (2) и (3) находим k= х/ х1/2=ln10/0,693=2,303/0,693=3,323.
Задача 4. Определить массу радиоактивного препарата (колонка 1, с Т1/2 – 3 колонка) с начальной активностью, равной начальной активности радионуклида (колонка 6, с Т1/2 – 7 колонка) массой 2 мг.
Теория. Активность А радиоактивного источника - число радиоактивных распадов. происходящих в источнике за единицу времени. Если в источнике за время распадается атомов, то , где — постоянная распада, - число атомов радиоактивного изотопа, равное , где m - масса изотопа, M- его молярная масса, NA - число Авогадро.
Единица активности в системе СИ - беккерель (Бк). Один беккерель равен одному распаду в секунду. Внесистемная единица активности - кюри (Кu). I Ku =3.7 ∙10ю Бк.
Активность источника с течением времени уменьшается по закону А , где А -активность в начальный момент времени (t=0), А - активность в момент времени t.
Активность радиоактивного источника, приходящаяся на единицу его массы, называется удельной массовой активностью А . A , где m - масса источника.
Активность источника, приходящаяся на единицу объема, называется удельной объемной активностью , , где V - объем источника.
Активность источника, приходящаяся на единицу его поверхности, называется удельной поверхностной активностью А .
Удельная массовая активность в системе СИ измеряется в Бк/кг, А - в Бк/м3 , А - в Бк/м2 . Наряду с этими единицами часто применяют внесистемные. Например, удельную поверхностную активность А измеряют в Кu/км2. 1 Кu/км2 = 3,7*10 Бк/м2 = 37кБк/м2.
Пример решения задачи. Определить начальную активность А0 радиоактивного препарата 204Tl массой 0,2 кг, а так же его активность А через 150 дней. Период полураспада 204Tl принять равным 4 суток.
Решение. Начальная активность А0=λN0 (4), где λ - постоянная распада.
λ=ln2/T1/2(5).
N0 - начальное число радиоактивных атомов. N0=NA∙(m/M) (6), где NA - число Авогадро, М - молярная масса. Подставив в (4) (5) и (6), получим A0=(m/M)∙(ln2/T1/2)∙NA. Активность спустя время tравно (7). Учитывая, что T1/2=4 суток=4сут∙24ч∙3600с=345600=3,5∙105с; m=0,2 кг=0,2∙103г; ln2=0,693; NA=6,02∙1023 моль-1; M=204г∙моль-1, получаем А0=(0,2∙103/204)∙(0,693/3,5∙105)∙6,02∙1023=1,2∙1018Бк.
Учитывая, что е=2,72; t=150сут=150сут∙24ч∙3600с=12960000с.
А=1,2∙1018∙2,72-(0,693/345600)∙12960000=6,1∙106Бк.
Задача 5. Оценить эквивалентную дозу, полученную за счет внешнего γ-облучения за год проживания на территории с уровнем поверхностной активности 137Cs (колонка 8).
Теория. Для характеристики радиоактивных излучений и их воздействия на облучаемый объект вводят дозиметрические величины.
Экспозиционная доза X - величина, численно равная отношению суммарного заряда dQ всех ионов одного знака, образовавшихся под действием фотонного излучения в элементарном объеме сухого воздуха, к массе этого объема dm: . Единица экспозиционной дозы в СИ - кулон на килограмм (Кл/кг). Используемой до настоящего времени внесистемной единицей является рентген (Р). 1Р = 2,58∙10 Кл/кг; 1 Кл/кг = 3876 Р.
Поглощавшая доза D - энергия излучения, переданная единице массы вещества: , где dE - энергия, переданная излучением веществу массой dm. Единица поглощенной дозы в СИ - грей (Гр). Один грей - это такая доза, при которой в веществе массой 1 кг поглощается энергия радиоактивных излучений 1 Дж: 1 Гр = 1 Дж/1 кг. Внесистемной единицей поглощенной дозы является рад: 1рад= 1Гр=100рад.
Экспозиционной дозе в 1 Р соответствует поглощаемая биологическими объектами доза, приблизительно равная 0,01 Гр = 1 рад.
Эквивалентная доза Н - произведение поглощенной дозы на коэффициент качества излучения К: H=K∙D. При облучении смешанным излучением эквивалентная доза определяется как сумма произведений поглощенных доз D от отдельных видов излучений на соответствующие этим излучениям коэффициенты качества К : . Значения коэффициентов качества излучений приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Коэффициенты качества излучения КК
Вид излучения | КК |
Рентгеновское и гамма— излучение | |
Бета — излучение | |
Альфа — излучение с энергией меньше 10 МэВ | |
Нейтроны с энергией меньше 20 КэВ | |
Нейтроны с энергией 0,1 — 10 МэВ | |
Протоны с энергией меньше 10 МэВ | |
Тяжелые ядра отдачи |
Единица эквивалентной дозы в СИ - зиверт (Зв). Один зиверт - это такая эквивалентная доза, которая производит такой же биологический эффект, как и поглощенная доза в 1 Гр рентгеновского или гамма-излучения. Внесистемная единица эквивалентной дозы — биологический эквивалент рентгена - бэр. 1 Зв = 100 бэр.
Эффективная эквивалентная доза Н - сумма произведений эквивалентных доз Н полученных отдельными органами человека на соответствующие этим органам коэффициенты радиационного риска (взвешивающие коэффициенты): . Значения коэффициентов радиационного риска приведены в таблице 2.
Таблица 2 - Коэффициенты радиационного риска
Орган или ткань | |
Яичники или семенники | 0.25 |
Молочные железы | 0.15 |
Красный костный мозг | 0.12 |
Легкие | 0.12 |
Щитовидная железа | 0.03 |
Костная ткань | 0.03 |
Остальные ткани | 0.3 |
Организм в целом | 1.0 |
Эффективная эквивалентная доза измеряется в тех же единицах, что и эквивалентная.
Мощность дозы излучения - отношение приращения дозы dД ионизирующего излучения к интервалу времени dt, за который это увеличение произошло: .
Мощность экспозиционной дозы: .
Мощность поглощенной дозы: .
Единица измерения мощности экспозиционной дозы в СИ - ампер на килограмм (А/кг или Кл/(кг∙с)). Широко употребляются внесистемные единицы мР/час, мкР/час.
Единица измерения мощности поглощенной дозы излучения - грей в секунду (Гр/с), единица измерения мощности эквивалентной дозы - зиверт в секунду (Зв/с).
С помощью приборов (дозиметров) можно измерить экспозиционную дозу, а также при определенных условиях - поглощенную дозу. Все остальные дозы приборами не измеряются, а могут быть только рассчитаны или оценены по известным радиометрическим величинам или экспозиционной дозе. Для этого необходимо знать переходные коэффициенты. Для внешнего гамма - облучения в условиях нашей республики это следующие коэффициенты: 1 Бк/м2 приводит к эквивалентной дозе 0,022 мкЗв/год, 1 Ku/км2 приводит к эквивалентной дозе 0,8 мЗв/год, 1 мкР/час приводит к эквивалентной дозе 0,05 мЗв/год.
Пример решения задачи.Оценить эквивалентную дозу, получаемую за счет внешнего γ-облучения за месяц нахождения на территории с уровнем поверхностной активности 137Cs 30Ku/км2.
Решение. Переходной коэффициент от уровня поверхностной активности к эквивалентной дозе за счет внешнего γ-облучения – 0,8 мЗв/год на 1 Кu/км2. Следовательно, при уровне поверхностной активности 30 Ku/км2 эквивалентная доза за год составит 0,8x30 = 24мЗв. Доза за месяц будет в 12 раз меньше: 24/12=2мЗв.
Таблица 3 - Варианты заданий для самостоятельной работы
N | радионуклид | тип распада | Т1/2 | лин. коэф. ослабл., см-1 | радионуклид | Т1/2 | ур. пов. акт., Ku/км2 | |
1. | Rb-79 | β+ | 23 мин | 0,11 | 0,3 | Pm-147 | 3 года | 1,2 |
2. | Rb-84 | β- | 33 сут | 0,12 | 0,31 | Eu-146 | 5 сут | 1,4 |
3. | Cs-130 | β+ | 30 мин | 0,13 | 0,32 | Sm-153 | 47 ч | 1,6 |
4. | Cs-132 | β- | 7 сут | 0,14 | 0,33 | Eu-148 | 55 сут | 1,8 |
5. | Cs-137 | β- | 30 лет | 0,15 | 0,34 | Eu-152 | 13 лет | |
6. | Mn-52 | β+ | 6 сут | 0,16 | 0,35 | Eu-147 | 24 сут | 2,2 |
7. | Fr-223 | β- | 22 мин | 0,17 | 0,36 | Gd-151 | 120 сут | 2,4 |
8. | Cu-60 | β+ | 23 мин | 0,18 | 0,37 | Tb-160 | 72 сут | 2,6 |
9. | Co-58 | β+ | 71 сут | 0,19 | 0,38 | Tm-171 | 2 года | 2,8 |
10. | Ag-103 | β+ | 66 мин | 0,2 | 0,39 | Lu-174 | 3 года | |
11. | Co-56 | β+ | 79 сут | 0,21 | 0,4 | Th-228 | 2 года | 3,2 |
12. | Au-194 | β+ | 40 ч | 0,22 | 0,41 | Th-234 | 24 сут | 3,4 |
13. | Au-199 | β- | 3 сут | 0,23 | 0,42 | Pa-230 | 17 сут | 3,6 |
14. | Ag-111 | β- | 8 сут | 0,24 | 0,43 | Pa-233 | 27 сут | 3,8 |
15. | Mg-28 | β- | 21 ч | 0,25 | 0,44 | U-230 | 21 сут | |
16. | Ca-45 | β- | 163 сут | 0,26 | 0,45 | U-232 | 72 года | 4,2 |
17. | Sr-89 | β- | 51 сут | 0,27 | 0,46 | U-237 | 7 сут | 4,4 |
18. | Sr-90 | β- | 29 лет | 0,28 | 0,47 | Np-235 | 396 сут | 4,6 |
19. | Ba-131 | β+ | 12 сут | 0,29 | 0,48 | Np234 | 4 сут | 4,8 |
20. | Ba-140 | β- | 13 сут | 0,3 | 0,49 | Np-239 | 2 сут | |
21. | Ra-223 | α | 11 сут | 0,31 | 0,5 | Pu-236 | 3 года | 5,2 |
22. | Ra-228 | β- | 6 лет | 0,32 | 0,51 | Pu-241 | 14 лет | 5,4 |
23. | Zn-65 | β+ | 244 сут | 0,33 | 0,52 | Am-240 | 51 ч | 5,6 |
24. | Zn-72 | β- | 47 ч | 0,34 | 0,53 | Cm-244 | 18 лет | 5,8 |
25. | Cd-107 | β+ | 7ч | 0,35 | 0,54 | Cm-249 | 64 мин | |
26. | Cd-115 | β- | 54 ч | 0,36 | 0,55 | Bk-245 | 5 сут | 6,2 |
27. | Hg-193 | β+ | 4 ч | 0,37 | 0,56 | Cf-250 | 13 лет | 6,4 |
28. | Hg-203 | β- | 47 сут | 0,38 | 0,57 | Sn-125 | 10 сут | 6,6 |
29. | Co-60 | β- | 5 лет | 0,39 | 0,58 | Pb-210 | 22 года | 6,8 |
30. | In-109 | β+ | 4 ч | 0,4 | 0,59 | Zr-95 | 64 сут | |
31. | Tl-202 | β+ | 12 сут | 0,41 | 0,6 | Hf-181 | 42 сут | 7,2 |
32. | Tl-204 | β- | 4 года | 0,42 | 0,61 | P-33 | 25 сут | 7,4 |
33. | Sc-46 | β- | 84 сут | 0,43 | 0,62 | As-74 | 18 сут | 7,6 |
34. | Y-88 | β+ | 107 сут | 0,44 | 0,63 | Sb125 | 60 сут | 7,8 |
35. | Y-91 | β- | 59 сут | 0,45 | 0,64 | Bi-205 | 15 сут | |
36. | Ac-225 | α | 10 сут | 0,46 | 0,65 | V-48 | 16 сут | 8,2 |
37. | Ac227 | β- | 28 лет | 0,47 | 0,66 | Nb-95 | 35 сут | 8,4 |
38. | Ce-141 | β- | 325 сут | 0,48 | 0,67 | Ta-183 | 5 сут | 8,6 |
39. | Nd-147 | β- | 11 сут | 0,49 | 0,68 | Po-210 | 138 сут | 8,8 |
40. | Pm-147 | β- | 3 года | 0,5 | 0,69 | W-185 | 75 сут | |
41. | Eu-146 | β+ | 5 сут | 0,51 | 0,7 | I-126 | 13 сут | 9,2 |
42. | Sm-153 | β- | 47 ч | 0,52 | 0,71 | Rb-79 | 23 мин | 9,4 |
43. | Eu-148 | α | 55 сут | 0,53 | 0,72 | Rb-84 | 33 сут | 9,6 |
44. | Eu-152 | β- | 13 лет | 0,54 | 0,73 | Cs-130 | 30 мин | 9,8 |
45. | Eu-147 | β+ | 24 сут | 0,55 | 0,74 | Cs-132 | 7 сут | |
46. | Gd-151 | α | 120 сут | 0,56 | 0,75 | Cs-137 | 30 лет | 10,2 |
47. | Tb-160 | β- | 72 сут | 0,57 | 0,76 | Mn-52 | 6 сут | 10,4 |
48. | Tm-171 | β- | 2 года | 0,58 | 0,77 | Fr-223 | 22 мин | 10,6 |
49. | Lu-174 | β+ | 3 года | 0,59 | 0,78 | Cu-60 | 23 мин | 10,8 |
50. | Th-228 | α | 2 года | 0,6 | 0,79 | Co-58 | 71 сут | |
51. | Th-234 | β- | 24 сут | 0,61 | 0,8 | Ag-103 | 66 мин | 11,2 |
52. | Pa-230 | α | 17 сут | 0,62 | 0,4 | Co-56 | 79 сут | 11,4 |
53. | Pa-233 | β- | 27 сут | 0,63 | 0,41 | Au-194 | 40 ч | 11,6 |
54. | U-230 | α | 21 сут | 0,64 | 0,42 | Au-199 | 3 сут | 11,8 |
55. | U-232 | α | 72 года | 0,65 | 0,43 | Ag-111 | 8 сут | |
56. | U-237 | β- | 7 сут | 0,66 | 0,44 | Mg-28 | 21 ч | 12,2 |
57. | Np-235 | α | 396 сут | 0,67 | 0,45 | Ca-45 | 163 сут | 12,4 |
58. | Np234 | β+ | 4 сут | 0,68 | 0,46 | Sr-89 | 51 сут | 12,6 |
59. | Np-239 | β- | 2 сут | 0,69 | 0,47 | Sr-90 | 29 лет | 12,8 |
60. | Pu-236 | α | 3 года | 0,7 | 0,48 | Ba-131 | 12 сут | |
61. | Pu-241 | β- | 14 лет | 0,1 | 0,49 | Ba-140 | 13 сут | 13,2 |
62. | Am-240 | α | 51 ч | 0,12 | 0,5 | Ra-223 | 11 сут | 13,4 |
63. | Cm-244 | α | 18 лет | 0,13 | 0,51 | Ra-228 | 6 лет | 13,6 |
64. | Cm-249 | β- | 64 мин | 0,14 | 0,52 | Zn-65 | 244 сут | 13,8 |
65. | Bk-245 | α | 5 сут | 0,15 | 0,53 | Zn-72 | 47 ч | |
66. | Cf-250 | α | 13 лет | 0,16 | 0,54 | Cd-107 | 7ч | 14,2 |
67. | Sn-125 | β- | 10 сут | 0,17 | 0,55 | Cd-115 | 54 ч | 14,4 |
68. | Pb-210 | β- | 22 года | 0,18 | 0,56 | Hg-193 | 4 ч | 14,6 |
69. | Zr-95 | β- | 64 сут | 0,19 | 0,57 | Hg-203 | 47 сут | 14,8 |
70. | Hf-181 | β- | 42 сут | 0,2 | 0,58 | Co-60 | 5 лет | |
71. | P-33 | β- | 25 сут | 0,22 | 0,59 | In-109 | 4 ч | 15,2 |
72. | As-74 | β+ | 18 сут | 0,24 | 0,6 | Tl-202 | 12 сут | 15,4 |
73. | Sb125 | β- | 60 сут | 0,26 | 0,61 | Tl-204 | 4 года | 15,6 |
74. | Bi-205 | β+ | 15 сут | 0,28 | 0,62 | Sc-46 | 84 сут | 15,8 |
75. | V-48 | β+ | 16 сут | 0,3 | 0,63 | Y-88 | 107 сут | |
76. | Nb-95 | β- | 35 сут | 0,32 | 0,64 | Y-91 | 59 сут | 16,2 |
77. | Ta-183 | β- | 5 сут | 0,34 | 0,65 | Ac-225 | 10 сут | 16,4 |
78. | Po-210 | α | 138 сут | 0,36 | 0,66 | Ac227 | 28 лет | 16,6 |
79. | W-185 | β- | 75 сут | 0,38 | 0,67 | Ce-141 | 325 сут | 16,8 |
80. | I-126 | β+ | 13 сут | 0,4 | 0,68 | Nd-147 | 11 сут |
Практическая работа №2