Парообразование, испарение и кипение – свойства, условия и примеры

Испарение, конденсация, кипение. Насыщенные и ненасыщенные пары

Любое вещество при определенных условиях может находиться в различных агрегатных состояниях – твердом, жидком и газообразном. Переход из одного состояния в другое называется фазовым переходом. Испарение и конденсация являются примерами фазовых переходов.

Все реальные газы (кислород, азот, водород и т. д.) при определенных условиях способны превращаться в жидкость. Однако такое превращение может происходить только при температурах ниже определенной, так называемой критической температуры T_кр. Например, для воды критическая температура равна 647,3 К, для азота 126 К, для кислорода 154,3 К. При комнатной температуре (≈ 300 К) вода может находиться и в жидком, и в газообразном состояниях, а азот и кислород существуют только в виде газов.

Испарением называется фазовый переход из жидкого состояния в газообразное. С точки зрения молекулярно-кинетической теории, испарение – это процесс, при котором с поверхности жидкости вылетают наиболее быстрые молекулы, кинетическая энергия которых превышает энергию их связи с остальными молекулами жидкости. Это приводит к уменьшению средней кинетической энергии оставшихся молекул, т. е. к охлаждению жидкости (если нет подвода энергии от окружающих тел).

Конденсация – это процесс, обратный процессу испарения. При конденсации молекулы пара возвращаются в жидкость.

В закрытом сосуде жидкость и ее пар могут находиться в состоянии динамического равновесия, когда число молекул, вылетающих из жидкости, равно числу молекул, возвращающихся в жидкость из пара, т. е. когда скорости процессов испарения и конденсации одинаковы. Такую систему называют двухфазной. Пар, находящийся в равновесии со своей жидкостью, называют насыщенным.

Число молекул, вылетающих с единицы площади поверхности жидкости за одну секунду, зависит от температуры жидкости. Число молекул, возвращающихся из пара в жидкость, зависит от концентрации молекул пара и от средней скорости их теплового движения, которая определяется температурой пара. Отсюда следует, что для данного вещества концентрация молекул пара при равновесии жидкости и ее пара определяется их равновесной температурой. Установление динамического равновесия между процессами испарения и конденсации при повышении температуры происходит при более высоких концентрациях молекул пара. Так как давление газа (пара) определяется его концентрацией и температурой, то можно сделать вывод: давление насыщенного пара p₀ данного вещества зависит только от его температуры и не зависит от объема. Поэтому изотермы реальных газов на плоскости (p, V) содержат горизонтальные участки, соответствующие двухфазной системе (рис. 3.4.1).

Изотермы реального газа. Область I – жидкость, область II – двухфазная система «жидкость + насыщенный пар», область III – газообразное вещество. K – критическая точка

При повышении температуры давление насыщенного пара и его плотность возрастают, а плотность жидкости уменьшается из-за теплового расширения. При температуре, равной критической температуре T_кр для данного вещества, плотности пара и жидкости становятся одинаковыми. При T > T_кр исчезают физические различия между жидкостью и ее насыщенным паром.

Если изотермически сжимать ненасыщенный пар при T 6 –10 7 ) Па), а его температура выше некоторого определенного для каждого вещества значения. К насыщенному пару также можно приближенно применять законы идеального газа при условии, что для каждой температуры T давление p₀ насыщенного пара определяется по кривой равновесия p₀(T) для данного вещества.

Давление p₀ насыщенного пара очень быстро возрастает с ростом температуры T. Зависимость p₀ (T) нельзя получить из законов идеального газа. Давление газа при постоянной концентрации молекул растет прямо пропорционально температуре. В насыщенном паре при повышении температуры возрастает не только средняя кинетическая энергия движения молекул, но и их концентрация. Поэтому давление насыщенного пара при повышении температуры возрастает быстрее, чем давление идеального газа при постоянной концентрации молекул.

Испарение может происходить не только с поверхности, но и в объеме жидкости. В жидкости всегда имеются мельчайшие пузырьки газа. Если давление насыщенного пара жидкости равно внешнему давлению (т. е. давлению газа в пузырьках) или превышает его, жидкость будет испаряться внутрь пузырьков. Пузырьки, наполненные паром, расширяются и всплывают на поверхность. Этот процесс называется кипением. Таким образом, кипение жидкости начинается при такой температуре, при которой давление ее насыщенных паров становится равным внешнему давлению.

В частности, при нормальном атмосферном давлении вода кипит при температуре 100 °С. Это значит, что при такой температуре давление насыщенных паров воды равно 1 атм. При подъеме в горы атмосферное давление уменьшается, и поэтому температура кипения воды понижается (приблизительно на 1 °С на каждые 300 метров высоты). На высоте 7 км давление составляет примерно 0,4 атм, и температура кипения понижается до 70 °С.

В герметически закрытом сосуде жидкость кипеть не может, т. к. при каждом значении температуры устанавливается равновесие между жидкостью и ее насыщенным паром. По кривой равновесия p₀ (T) можно определять температуру кипения жидкости при различных давлениях.

Изображенная на рис. 3.4.1 картина изотерм реального газа описывает процессы испарения и конденсации, т. е. фазовый переход между газообразной и жидкой фазами вещества. На самом деле эта картина является неполной, т. к. из газообразного и жидкого любое вещество может перейти в твердое состояние. При заданной температуре T термодинамическое равновесие между двумя фазами одного и того же вещества возможно лишь при определенном значении давления в системе. Зависимость равновесного давления от температуры называется кривой фазового равновесия. Примером может служить кривая равновесия p₀ (T) насыщенного пара и жидкости. Если кривые равновесия между различными фазами данного вещества построить на плоскости (p, T), то они разбивают эту плоскость на отдельные области, в которых вещество существует в однородном агрегатном состоянии – твердом, жидком или газообразном (рис. 3.4.2). Изображенные в координатной системе (p, T) кривые равновесия называются фазовой диаграммой.

Типичная фазовая диаграмма вещества. K – критическая точка, T – тройная точка. Область I – твердое тело, область II – жидкость, область III – газообразное вещество

Кривая 0T, соответствующая равновесию между твердой и газообразной фазами, называется кривой сублимации. Кривая TK равновесия между жидкостью и паром называется кривой испарения, она обрывается в критической точке K. Кривая TM равновесия между твердым телом и жидкостью называется кривой плавления.

Кривые равновесия сходятся в точке T, в которой могут сосуществовать в равновесии все три фазы. Эта точка называется тройной точкой.

Для многих веществ давление p_тр в тройной точке меньше 1 атм ≈ 10 5 Па. Такие вещества при нагревании при атмосферном давлении плавятся. Например, тройная точка воды имеет координаты T_тр = 273,16 К, p_тр = 6,02·10 2 Па и используется в качестве опорной для калибровки абсолютной температурной шкалы Кельвина. Существуют, однако, и такие вещества, у которых p_тр превышает 1 атм. Так для углекислоты (CO₂) давление p_тр = 5,11 атм и температура T_тр = 216,5 К. Поэтому при атмосферном давлении твердая углекислота может существовать только при низкой температуре, а в жидком состоянии при p = 1 атм она вообще не существует. В твердом состоянии в равновесии со своим паром при атмосферном давлении углекислота находится при температуре 173 К или –80 °С. Это широко применяемый «сухой лед», который никогда не плавится, а только испаряется (сублимирует).

Испарение, конденсация, кипение, насыщенный пар

Понятие испарения

Из повседневных наблюдений известно, что количество воды или другой жидкости, которая находится в открытом сосуде, постепенно уменьшается. На самом деле жидкость не может исчезнуть бесследно она превращается в пар.

Испарением называют переход молекул из жидкости в пар.

Процесс испарения можно объяснить с точки зрения молекул. Жидкость покидают молекулы с большей скоростью. То есть обладают большей кинетической энергией. А остаются медленные молекулы, то есть обладающие меньшей энергией. Поэтому температура испаряющейся жидкости понижается.

Отчего зависит испарение.

1. От температуры (Чем выше температура, тем больше молекул может покинут жидкость).

2. Зависит от рода испаряющейся жидкости, то есть от плотности жидкости (опыт: на промокательную бумагу нанесем капельку воды, спирта, масло, эфира. Повесим этот листочек на доску. И мы увидим, что эфир испаряется быстрее, чем другие жидкости. После испарения всех жидкостей, на бумаге останется пятно от масла. Вывод, чем больше плотность жидкости, тем труднее молекулам покинуть жидкость).

3. От ветра (ветер помогает молекулам преодолеть притяжение других молекул и покинуть жидкость).

4. От площади испаряемой поверхности (чем больше площадь, тем больше молекул покинет жидкость).

Понятие о конденсации жидкости. Объяснение конденсации с точки зрения молекул

Летним вечером, когда воздух становится холоднее, выпадает роса. Это водяной пар, находящийся в воздухе. Он при охлаждении конденсируется, и маленькие капельки воды оседают на траве и листьях.

Конденсацией называют переход молекул из пара в жидкость.

Проведем опыт: возьмём колбу и нальем воду. И закроем пробкой с V образной трубкой. Поставим на нагреватель и доведем до кипения. Пар, образующийся при кипении, проходит через трубку. Ударяется о стеклянную пластинку и превращается в воду. Капельки воды начинают падать от поверхности стекла. Молекулы пара, ударяясь о поверхность, уменьшают свою скорость, поэтому происходит переход из одного агрегатного состояния в другое.

Понятие кипения

Испарением и конденсацией сопровождается процесс кипения жидкости.

Кипением называют парообразование происходящее в жидкости при сообщении тепла от нагревателя и при постоянной температуре.

Понаблюдаем это явление на опыте. Для этого будем нагревать воду в открытом стеклянном сосуде. Измеряя её температуру. При нагревании испарение воды с поверхности усиливается. Иногда даже можно заметить над ней туман. Это водяной пар конденсируется в воздухе при охлаждении. Образует мельчайшие капельки. При дальнейшем повышении температуры, мы заметим появление в воде многочисленных мелких пузырьков. Их размеры постепенно растут, это пузырьки воздуха, который растворен в воде. При нагревании излишек воздуха выделяется из воды в виде пузырьков. В них содержится насыщенный водяной пар. Так как вода испаряется внутрь этих пузырьков воздуха. По мере дальнейшего нагревания воды пузырьки становятся крупнее, и их количество увеличивается. С ростом размеров пузырьков возрастает и Сила Архимеда. Выталкивающая их из воды, и они всплывают на поверхность. В этот момент будет слышен шум, предшествующей обычно кипению. При определённой температуре с приближением к поверхности жидкости. Объем пузырьков резко возрастает на поверхности. Они лопают. И находящиеся в них насыщенный пар выходит в атмосферу. Вода кипит.

Признаки кипения

Выделим признаки кипения:

1). Появляются мелкие пузырьки, которые увеличиваются и поднимаются, вверх.

2). Сопровождается испарением.

3). Сопровождается конденсацией.

4) Температура не изменяется.

5) Нужен нагреватель.

6) Сопровождается шумом.

Зависимость температуры кипения от давления.

Чтобы показать, зависимость температуры кипения от давления, рассмотрим опыт: Возьмём колбу, заполненную водой. Поставим на нагреватель. Доведем воду до кипения и плотно закроем колбу пробкой. Перевернем колбу и опустим в кольцо закреплённое в штативе. Под колбой установим пустую чашу. Казалось бы вода в колбе прекратила кипение. Но как только мы начнём обливать эту колбу холодной водой, вода снова закипит. Отсюда можно сделать вывод. При обливании холодной водой, давление в колбе уменьшается. И уменьшается температура кипения. Кипение при низком давлении применяется при изготовлении сахара, различных сладостей, сухого молока и других кондитерских изделий. В скороварках, автоклавах создают условия высокого давления. И при этом повышается температура кипения. Такие устройства используют для стерилизации медицинских инструментов, для быстрого приготовления мясных изделий. Также при изготовлении клея и стеариновой кислоты.

Альфа-, бета-, гамма-излучения — свойства, характеристика и показатели

Под «радиацией» понимают любые разновидности излучений, существующих в природе. Радиоволны, солнечный свет, ультрафиолетовое и рентгеновское излучение – это тоже радиация. Нейтронное, альфа-, бета-, гамма-излучения обладают наибольшей опасностью.

Что такое радиоактивность в физике

Любой атом имеет ядро и вращающиеся вокруг него отрицательные заряженные частицы — электроны.

Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов. Причем число протонов всегда одинаково и соответствует порядковому номеру химического элемента в периодической системе Менделеева. Ядра, в которых количество нейтронов отличается, называются изотопами.

Некоторые атомные ядра могут превращаться в разные изотопы с выделением элементарных частиц или легких ядер. Собственно этот процесс и называется радиоактивностью.

Можно дать такое определение этому явлению: способность атомного ядра бесконтрольно распадаться с испусканием проникающих частиц.

Распад ядер возможен в том случае, если он сопровождается выделением энергии. Сегодня известно около 3 тыс. атомных ядер. Из них не являются радиоактивными всего лишь 264.

В физике существуют такие виды радиоактивного распада:

α-распад с выделением α-частицы;

β-распад с испусканием электрона и антинейтрино, позитрона и нейтрино, а также поглощение ядром электрона с выделением нейтрино;

γ-распад — излучение атомным ядром кванта ионизирующих лучей;

бесконтрольное деление ядра на осколки.

Альфа-излучение

Это поток ядер атомов гелия, имеющих положительный заряд. Возникает из-за распада атомов урана, тория или радия.

Их пробег очень короток (до 8 сантиметров в воздухе). Это означает, что их может задержать бумажный листок.

Вещества, которые испускают эти частицы, имеют большой период полураспада. Попадая в организм, они накапливаются в селезенке или лимфатических узлах и вызывают облучение.

Альфа-частицы опасны: они создают значительное количество ионов. Сами же альфа-частицы распространяются в тело на доли миллиметра.

Бета-излучение

Являет собой поток электронов (частиц с отрицательным зарядом) или позитронов (соответственно, с положительным зарядом). Электрон образуется при превращении нейтрона в протон, а позитрон – в процессе обратного превращения.

Электроны намного меньше ядра атомов гелия. Они могут проникать в тело человека примерно на 15 см. Попадая на кожу живого организма, частицы вызывают сильные ожоги. Чтобы оградиться от бета-излучения, достаточно тонкого оргстекла. Если вещество, излучающее электроны или позитроны, попадет в организм, то оно будет облучать ткани.

Бета-излучение применяется в медицине в качестве лучевой терапии.

Гамма-излучение

Это волны с огромной энергией, образующиеся внутри ядра.

Возникает при:

переходе его из возбужденного состояния в стабильное;

аннигиляции электрона и позитрона.

Гамма-лучи могут проходить значительные расстояния, постепенно теряя свою энергию. Они обладают чрезвычайно высокой проникающей способностью.

Очень интенсивное излучение повреждает не только кожу, но и внутренние органы человека. Особая его опасность в том, что оно способно поражать ДНК, вызывая раковые новообразования.

Чтобы ослабить поток гамма-излучения, достаточно использовать вещества с высоким массовым числом атома и плотные составы.

Нейтронное излучение

Оно являет собой поток нейтронов, без заряда, не имеющих ионизирующего воздействия. Проявляется в результате рассеивания на атомных ядрах вещества.

Вещества, облученные нейтронами, могут обретать радиоактивные характеристики. Это свойство называется наведенной радиоактивностью.

Нейтроны отличаются наибольшей проникающей характеристикой. От них можно защититься материалами, содержащими атомы водорода. Излучение быстрых нейтронов губительно для всего живого в радиусе 2,5 км.

Рентгеновское излучение

Оно имеет внеядерное происхождение. Его источник – рентгеновская трубка и некоторые радиоактивные нуклиды. Рентгеновские лучи возникают в результате сильного ускорения заряженных частиц или в результате переходов в электронных оболочках атомов.

Рентгеновская трубка имеет катод и анод. При нагревании катода происходит излучение электронов. Движение этих частиц ускоряется электромагнитным полем, и частицы падают на анод, резко снижая скорость. Вследствие этого и возникают рентген-лучи.

Рентген-излучение, проходящее сквозь вещество, рассеиваются либо поглощается. Это их свойство используется в медицине.

Какое излучение самое опасное

Наиболее опасным является излучение нейтронов. Оно может пройти толщину вещества до 10 см. Приблизившись к ядру, нейтрон только отклоняется. А при столкновении с протоном нейтрон передает ему половину внутренней энергии, и последний увеличивает свою скорость, вызывая ионизацию.

Именно эти быстрые протоны разрушают весь организм. От наведенной нейтронной радиации нельзя избавиться.

Второе место в рейтинге опасности – гамма-излучение, обладающее высокой проникающей способностью.

В природе существует много разновидностей радиационного излучения. Не каждое их них опасно для здоровья. Соблюдая меры предосторожности, можно защитить себя от вредных лучей.

Виды радиоактивных излучений

Навигация по статье:

Радиация и виды радиоактивных излучений, состав радиоактивного (ионизирующего) излучения и его основные характеристики. Действие радиации на вещество.

Что такое радиация

Для начала дадим определение, что такое радиация:

В процессе распада вещества или его синтеза происходит выброс элементов атома (протонов, нейтронов, электронов, фотонов), иначе можно сказать происходит излучение этих элементов. Подобное излучение называют – ионизирующее излучение или что чаще встречается радиоактивное излучение, или еще проще радиация. К ионизирующим излучениям относится так же рентгеновское и гамма излучение.

Радиация – это процесс излучения веществом заряженных элементарных частиц, в виде электронов, протонов, нейтронов, атомов гелия или фотонов и мюонов. От того, какой элемент излучается, зависит вид радиации.

Ионизация – это процесс образования положительно или отрицательно заряженных ионов или свободных электронов из нейтрально заряженных атомов или молекул.

Радиоактивное (ионизирующее) излучение можно разделить на несколько типов, в зависимости от вида элементов из которого оно состоит. Разные виды излучения вызваны различными микрочастицами и поэтому обладают разным энергетическим воздействие на вещество, разной способностью проникать сквозь него и как следствие различным биологическим действием радиации.

Альфа, бета и нейтронное излучение – это излучения, состоящие из различных частиц атомов.

Гамма и рентгеновское излучение – это излучение энергии.

Альфа излучение

• излучаются: два протона и два нейтрона
• проникающая способность: низкая
• облучение от источника: до 10 см
• скорость излучения: 20 000 км/с
• ионизация: 30 000 пар ионов на 1 см пробега
• биологическое действие радиации: высокое

Альфа (α) излучение возникает при распаде нестабильных изотопов элементов.

Альфа излучение – это излучение тяжелых, положительно заряженных альфа частиц, которыми являются ядра атомов гелия (два нейтрона и два протона). Альфа частицы излучаются при распаде более сложных ядер, например, при распаде атомов урана, радия, тория.

Альфа частицы обладают большой массой и излучаются с относительно невысокой скоростью в среднем 20 тыс. км/с, что примерно в 15 раз меньше скорости света. Поскольку альфа частицы очень тяжелые, то при контакте с веществом, частицы сталкиваются с молекулами этого вещества, начинают с ними взаимодействовать, теряя свою энергию и поэтому проникающая способность данных частиц не велика и их способен задержать даже простой лист бумаги.

Однако альфа частицы несут в себе большую энергию и при взаимодействии с веществом вызывают его значительную ионизацию. А в клетках живого организма, помимо ионизации, альфа излучение разрушает ткани, приводя к различным повреждениям живых клеток.

Из всех видов радиационного излучения, альфа излучение обладает наименьшей проникающей способностью, но последствия облучения живых тканей данным видом радиации наиболее тяжелые и значительные по сравнению с другими видами излучения.

Облучение радиацией в виде альфа излучения может произойти при попадании радиоактивных элементов внутрь организма, например, с воздухом, водой или пищей, а также через порезы или ранения. Попадая в организм, данные радиоактивные элементы разносятся током крови по организму, накапливаются в тканях и органах, оказывая на них мощное энергетическое воздействие. Поскольку некоторые виды радиоактивных изотопов, излучающих альфа радиацию, имеют продолжительный срок жизни, то попадая внутрь организма, они способны вызвать в клетках серьезные изменения и привести к перерождению тканей и мутациям.

Радиоактивные изотопы фактически не выводятся с организма самостоятельно, поэтому попадая внутрь организма, они будут облучать ткани изнутри на протяжении многих лет, пока не приведут к серьезным изменениям. Организм человека не способен нейтрализовать, переработать, усвоить или утилизировать, большинство радиоактивных изотопов, попавших внутрь организма.

Нейтронное излучение

• излучаются: нейтроны
• проникающая способность: высокая
• облучение от источника: километры
• скорость излучения: 40 000 км/с
• ионизация: от 3000 до 5000 пар ионов на 1 см пробега
• биологическое действие радиации: высокое

Нейтронное излучение – это техногенное излучение, возникающие в различных ядерных реакторах и при атомных взрывах. Также нейтронная радиация излучается звездами, в которых идут активные термоядерные реакции.

Не обладая зарядом, нейтронное излучение сталкиваясь с веществом, слабо взаимодействует с элементами атомов на атомном уровне, поэтому обладает высокой проникающей способностью. Остановить нейтронное излучение можно с помощью материалов с высоким содержанием водорода, например, емкостью с водой. Так же нейтронное излучение плохо проникает через полиэтилен.

Нейтронное излучение при прохождении через биологические ткани, причиняет клеткам серьезный ущерб, так как обладает значительной массой и более высокой скоростью чем альфа излучение.

Бета излучение

• излучаются: электроны или позитроны
• проникающая способность: средняя
• облучение от источника: до 20 м
• скорость излучения: 300 000 км/с
• ионизация: от 40 до 150 пар ионов на 1 см пробега
• биологическое действие радиации: среднее

Бета (β) излучение возникает при превращении одного элемента в другой, при этом процессы происходят в самом ядре атома вещества с изменением свойств протонов и нейтронов.

При бета излучении, происходит превращение нейтрона в протон или протона в нейтрон, при этом превращении происходит излучение электрона или позитрона (античастица электрона), в зависимости от вида превращения. Скорость излучаемых элементов приближается к скорости света и примерно равна 300 000 км/с. Излучаемые при этом элементы называются бета частицы.

Имея изначально высокую скорость излучения и малые размеры излучаемых элементов, бета излучение обладает более высокой проникающей способностью чем альфа излучение, но обладает в сотни раз меньшей способность ионизировать вещество по сравнению с альфа излучением.

Бета радиация с легкостью проникает сквозь одежду и частично сквозь живые ткани, но при прохождении через более плотные структуры вещества, например, через металл, начинает с ним более интенсивно взаимодействовать и теряет большую часть своей энергии передавая ее элементам вещества. Металлический лист в несколько миллиметров может полностью остановить бета излучение.

Если альфа радиация представляет опасность только при непосредственном контакте с радиоактивным изотопом, то бета излучение в зависимости от его интенсивности, уже может нанести существенный вред живому организму на расстоянии несколько десятков метров от источника радиации.

Если радиоактивный изотоп, излучающий бета излучение попадает внутрь живого организма, он накапливается в тканях и органах, оказывая на них энергетическое воздействие, приводя к изменениям в структуре тканей и со временем вызывая существенные повреждения.

Некоторые радиоактивные изотопы с бета излучением имеют длительный период распада, то есть попадая в организм, они будут облучать его годами, пока не приведут к перерождению тканей и как следствие к раку.

Гамма излучение

• излучаются: энергия в виде фотонов
• проникающая способность: высокая
• облучение от источника: до сотен метров
• скорость излучения: 300 000 км/с
• ионизация: от 3 до 5 пар ионов на 1 см пробега
• биологическое действие радиации: низкое

Гамма (γ) излучение – это энергетическое электромагнитное излучение в виде фотонов.

Гамма радиация сопровождает процесс распада атомов вещества и проявляется в виде излучаемой электромагнитной энергии в виде фотонов, высвобождающихся при изменении энергетического состояния ядра атома. Гамма лучи излучаются ядром со скоростью света.

Когда происходит радиоактивный распад атома, то из одних веществ образовываются другие. Атом вновь образованных веществ находятся в энергетически нестабильном (возбужденном) состоянии. Воздействую друг на друга, нейтроны и протоны в ядре приходят к состоянию, когда силы взаимодействия уравновешиваются, а излишки энергии выбрасываются атомом в виде гамма излучения

Гамма излучение обладает высокой проникающей способностью и с легкостью проникает сквозь одежду, живые ткани, немного сложнее через плотные структуры вещества типа металла. Чтобы остановить гамма излучение потребуется значительная толщина стали или бетона. Но при этом гамма излучение в сто раз слабее оказывает действие на вещество чем бета излучение и десятки тысяч раз слабее чем альфа излучение.

Основная опасность гамма излучения – это его способность преодолевать значительные расстояния и оказывать воздействие на живые организмы за несколько сотен метров от источника гамма излучения.

Рентгеновское излучение

• излучаются: энергия в виде фотонов
• проникающая способность:высокая
• облучение от источника: до сотен метров
• скорость излучения: 300 000 км/с
• ионизация: от 3 до 5 пар ионов на 1 см пробега
• биологическое действие радиации: низкое

Рентгеновское излучение – это энергетическое электромагнитное излучение в виде фотонов, возникающие при переходе электрона внутри атома с одной орбиты на другую.

Рентгеновское излучение сходно по действию с гамма излучением, но обладает меньшей проникающей способностью, потому что имеет большую длину волны.

Рассмотрев различные виды радиоактивного излучения, видно, что понятие радиация включает в себя совершенно различные виды излучения, которые оказывают разное воздействие на вещество и живые ткани, от прямой бомбардировки элементарными частицами (альфа, бета и нейтронное излучение) до энергетического воздействия в виде гамма и рентгеновского излечения.

Каждое из рассмотренных излучений опасно!

Сравнительная таблица с характеристиками различных видов радиации

Как видно из таблицы, в зависимости от вида радиации, излучение при одной и той же интенсивности, например в 0.1 Рентген, будет оказать разное разрушающее действие на клетки живого организма. Для учета этого различия, был введен коэффициент k, отражающий степень воздействия радиоактивного излучения на живые объекты.

Чем выше “коэффициент k” тем опаснее действие определенного вида радиции для тканей живого организма.

Видео: Виды радиации

Особенности и типы радиационного излучения

Радиационное излучение образуется в результате реакций на уровне атомов. Процесс характеризуется выбросом потока микрочастиц, имеющих заряд: протонов, электронов, фотонов и нейтральных микроэлементов – нейтронов. Они определяют тип радиационного излучения.

Излучение подразделяется на энергетическое, к нему относятся потоки гамма и рентгеновских частиц, и атомное, в его основе лежит выделение элементов вещества: альфа, бета и гамма-частиц. Классифицируется излучение в зависимости от структуры частиц, расстояния их действия, способности проникать в ткани, клетки и степени воздействия на них, скорости излучения.
Практически все типы излучения, за исключением альфа-излучения можно обнаружить с помощью бытового дозиметра радиации.

Альфа-излучение (α)

Альфа-частицы – результат распада нестабильных изотопов атома. Они имеют положительный заряд, состоят из 2-х пар протонов и нейтронов. Частицы образуются в результате распада таких элементов, как радий, уран характеризуются низкой скоростью излучения – 20 000км/с, обладают небольшой проникающей способностью из-за высокой удельной массы. Препятствие небольшой толщины и плотности остановит альфа частицы. Защитой от них может стать даже бумага.

Низкая проникающая способность альфа частиц, их большой энергетический заряд, обуславливает высокий уровень взаимодействия с клетками организма. Это приводит к мутации, патогенным изменениям тканей. Альфа частицы оседают в организме человека, попадая через повреждения кожи, воду, воздух, оказывают на него длительное воздействие. Поэтому они опасны для живых организмов, вывести их из тканей практически невозможно.

Бета-излучение (β)

Появление бета-частиц обусловлено процессами, происходящими в ядре вещества. Их результат – изменение свойств нейтронов и протонов. В итоге образуется поток частиц с положительным зарядом. Этот тип излучения характеризуется:

• небольшой дальностью действия – не более 20м;
• высокой скоростью излучения – 300 000км/с;
• средней проникающей способностью. От бета частиц защитит металлический лист толщиной более 3мм;
• средней степенью воздействия на клетки тканей.

Бета-частицы обладают способностью накапливаться в тканях и оказывать на них длительное ионизирующее воздействие. Его результатом становятся тяжелые онкологические заболевания.

Нейтронное излучение

Поток нейтронов образуется в результате техногенной деятельности – работы ректоров, взрывов ядерных боеприпасов. Не имеющие заряда частицы, имеют наибольшую дальность действия по сравнению с другими типами радиационного излучения. Человек получает опасную для жизни дозу излучения на расстоянии 1,3–1,5км от его источника.

Нейтроны глубоко проникают в ткани, провоцируя мутации, патогенные изменения. Защитой от таких частиц станет вода и другие вещества, где много водорода. Нейтронное излучение является наиболее опасным для человека из-за большого радиуса действия.

Рентгеновское излучение

В результате смены орбит электронов в структуре атома, образуются фотоны или электромагнитное, энергетическое излучение. Оно характеризуется:

• небольшим радиусом действия – до 100м;
• высокой скоростью – 300 000км/с;
• высокой проникающей способностью.

Фотоны оказывают слабое воздействие на клетки, ткани живых организмов, поэтому широко используются в медицине для проведения диагностических исследований.

Гамма излучение (y)

Поток фотонов, образующийся в результате изменения энергетического состояния атомов. Гамма излучение обладает высокой проникающей способностью, поэтому для защиты от него используется толстый слой металла или бетона. Его дальность действия достигает нескольких сотен метров. Гамма излучение не оказывает серьезного патогенного воздействия на клетки и ткани, менее опасно, чем альфа, бета или нейтронное.

Дозиметр – функциональные особенности

Прибор позволяет измерить дозу излучения, которую получают организмы за определенный промежуток времени. Не стоит его путать с радиометром, который показывает активность частиц. Он дает представление о радиационном фоне в то время, как дозиметр определяет мощность дозы излучения, что помогает оценить нанесенный человеку ущерб и его возможные последствия.

Гамма-излучение: опасность для человека и польза

Невидимые лучи проникают сквозь все предметы вокруг и сквозь нас самих. Мы их никак не воспринимаем и не чувствуем. Защититься от них невозможно, они неуловимы и всепроникающи. Они могут излечивать и могут убивать, могут способствовать рождению невиданных ранее существ на земле и приводить к возникновению новых звёздных скоплений в отдалённых уголках нашей галактики.

Ионизирующее излучение

Всё это- не фрагмент бреда сумасшедшего, взятый из истории его болезни и не краткий синопсис очередного голливудского боевика. Это окружающая нас реальность, которая называется радиоактивное или ионизирующее излучение, если коротко — радиация.

Явление радиоактивности в общих чертах было сформулировано французским физиком А. Беккерелем в 1896 году. Конкретизировал это явление и более подробно описал Э. Резерфорд в 1899 году. Именно он смог установить, что радиоактивное излучение неоднородно по своей природе и состоит, как минимум, из трёх видов лучей. Эти лучи по-разному отклонялись в магнитном поле и поэтому получили разное название. Проникающая способность альфа, бета и гамма-излучения различна.

Альфа-лучи

В магнитном поле они отклоняются так же, как и и положительно заряженные частицы. В дальнейшем было выяснено что это тяжёлые, положительно заряженные ядра атомов гелия. Возникают при распаде более сложных атомных ядер, например, урана, радия или тория. Обладают большой массой и относительно низкой скоростью излучения. Это обуславливает их невысокую проникающую способность. Они не могут проникнуть даже сквозь лист бумаги.

Но при этом альфа-частицы обладают очень большой ионизирующей энергией, что является причиной их способности наносить очень серьёзные повреждения на клеточном уровне. Из всех видов лучей именно альфа характеризуются самыми тяжёлыми последствиями в случае их воздействия на организм.

Это разрушающее влияние случается только в случае непосредственного контакта с предметами, излучающими альфа-лучи. На практике это происходит в результате попадания радиоактивных элементов внутрь организма через желудочно-кишечный тракт при приёме пищи или воды, а также при вдыхании воздуха, насыщенного радиоактивной пылью. Кроме того альфа-частицы могут легко проникнуть в организм через повреждения кожных покровов. Разносясь с током крови по всему организму, они обладают способностью накапливаться, оказывая сильнейшее разрушающее воздействие в течение многих лет.

Необходимо иметь в виду, что попадающие в организм радиоактивные вещества, не выводятся из него самостоятельно. Человеческий организм практически никак не защищён от подобного рода проникновений. Он не может нейтрализовать, переработать, усвоить или вывести самостоятельно радиоактивный изотоп, попавший внутрь.

Бета-лучи

Отклоняются в ту же сторону что и отрицательно заряженные частицы. Источником бета-излучения являются внутриядерные процессы, связанные с превращением протона в нейтрон и наоборот- нейтрона в протон. При этом происходит излучение электрона или позитрона. Скорость распространения довольно высокая и приближается к скорости света. Бета-излучение обладает гораздо большей проникающей способностью, чем альфа-излучение, но ионизирующее воздействие выражено гораздо слабее.

Бета-излучение легко проникает сквозь одежду, но тонкий лист металла или средней толщины деревянный брусок полностью останавливают его. В отличие от альфа-излучения, бета-лучи способны наносить дистанционное поражение на расстоянии нескольких десятков метров от источника радиации.

Гамма- лучи

Эти лучи оказались нейтрально заряженными и никак не отклонялись в магнитном поле. Гамма-излучение представляет собою электромагнитную энергию, излучаемую в виде фотонов. Эта энергия освобождается в момент изменения энергетического состояния ядра атома.

Данный вид излучения характеризуется высокой скоростью, равной скорости света и крайне высокой проникающей способностью. Чтобы остановить гамма-излучение необходимы толстые бетонные стены. Парадокс состоит в том, что данный вид лучей менее всего способен оказывать разрушающее действие на организм. Их ионизирующее воздействие в сотни раз слабее бета-излучения и в десятки тысяч раз слабее альфа-излучения. Но способность преодолевать значительные расстояния и высокие проникающие свойства делают эти лучи потенциально наиболее опасными для человека. Поэтому остановимся на этом виде излучения более подробно.

Гамма-излучение

Является разновидностью электромагнитного излучения. Обладает очень малой длиной волны. В результате этого у него сильно выражены корпускулярные свойства и крайне слабо выражены свойства волновые. Малая длина волны обуславливает очень большое количество энергии, присущей этому виду излучения. Относится к так называемой группе ионизирующих излучений, к которой также принадлежат альфа, бета, рентгеновское и нейтронное. В то же время видимый свет и ультрафиолетовое излучение не являются ионизирующими, как и инфракрасное или излучение радиодиапазонов. Гамма-излучение — это поток нейтральных частиц в виде электромагнитных волн.

Процесс ионизации

В обычном состоянии внутриатомное ядро и вращающиеся вокруг него электроны представляют из себя довольно устойчивую систему с нейтральным зарядом, так как положительный заряд атома уравновешивается отрицательным зарядом электронов. Чтобы нарушить это равновесие необходимо выбить из атома один или несколько электронов. В результате атом перестаёт быть нейтральным и приобретает некоторый заряд или квант, который может быть как положительным, так и отрицательным.

Атом становится ионом с соответствующим зарядом, а сам процесс выбивания электронов из атома называется процессом ионизации.

Радиация или ионизирующее излучение — это поток частиц которые способны выбить электроны из атома и тем самым придать ему особые свойства, резко отличающиеся от обычных.

Разрушающее воздействие радиации

Под радиацией прежде всего понимают именно гамма-излучение, свойства которого делают его самым опасным из всех существующих видов. Разрушающее воздействие проявляется в следующем:

• Оно приводит к образованию ионов, которые, в свою очередь, сами делаются источниками ионизации. Возникает своего рода цепная реакция, которую крайне тяжело остановить.
• Под воздействием излучения происходят разрушения на молекулярном уровне, что приводит к образованию эндогенных ядов, которые начинают отравлять организм изнутри.
• Многократно увеличиваются генные мутации, который приводят к возникновению патологически изменённых клеточных новообразований.
• Наиболее восприимчивыми к повреждениям оказываются клетки, способные к быстрому делению. В результате генные мутации быстро передаются новым поколениям клеток.
• В первую очередь страдают кроветворная, пищеварительная и репродуктивная системы.

Источники излучения

Можно выделить несколько потенциально опасных источников гамма-излучения. Некоторые из них существовали задолго до появления человека и существуют до сих пор, а некоторые являются искусственно созданными самим человеком для своих нужд:

• Внешние естественные источники. Космические лучи и солнечная радиация. Источники на поверхности земли в определённых местах залегания радиоактивных пород.
• Внутренние источники — попадают в наш организм с водой или продуктами питания, а также в результате вдыхания радиоактивной пыли.
• Внешние искусственные источники. Все являются продуктами современной техногенной цивилизации. Это предприятия ядерной энергетики, горнодобывающие заводы, специализирующиеся на добыче и обогащении урана. Сюда же можно отнести приборы и инструменты, которые содержат в своём составе некоторое количество радиоактивных веществ и являются потенциальными излучателями.

Высокий уровень радиации может наблюдаться в высокогорной местности, вблизи действующих вулканов, в кабинах авиалайнеров во время полёта на больших высотах или в космических кораблях.

Необходимо иметь в виду, что существует определённый запас прочности, в пределах которого организм способен комфортно себя чувствовать, не испытывая негативного воздействия радиации. Этот запас индивидуален для каждого конкретного человека.

Мирный атом

Как и всякое сложное и неоднозначное явление природы, излучение несёт в себе не только смерть, погибель и разрушение, но и пользу. Гамма-лучи нашли очень широкое применение в повседневной жизни человека:

• В медицине производят высокоэффективную стерилизацию инструментов и перевязочного материала.
• В онкологии нашло широкое применение свойство гамма-лучей вызывать глубокую ионизацию и последующее разрушение живых клеток. Раковые клетки характеризуются безудержным хаотичным делением и соответствующим ростом. В этом случае гамма-излучение применение нашло в качестве оружия последнего шанса, когда другие методы оказываются бессильными, и оказывают своё разрушающее воздействие на данные виды клеток.
• В высокоточных отраслях промышленности, например, в космической, с помощью гамма-лучей проверяют скрытые дефекты в металлических изделиях.
• В горнодобывающей промышленности замеряют глубину залегания горных пород и в последующем определяют глубину бурения.
• В сельском хозяйстве с помощью строго дозированного потока гамма-лучей, направленных на семена определённых растений, вызывают искусственные мутации с целью получения растений с новыми свойствами- например, устойчивых к засухе или к низким температурам.
• С помощью гамма-лучей определяют траекторию, скорость и расстояния во время пилотирования космических аппаратов.

Защита от пагубного воздействия

Как правило, все природные источники повышенного излучения не представляют особой опасности для человека в силу своей труднодоступности. Гораздо большую опасность представляют искусственно созданные источники, такие как атомные электростанции, предприятия по добыче и обогащению урана, предметы домашнего быта, содержащие в своём устройстве те или иные вещества, излучающие гамма-лучи.

На всех предприятиях, связанных с повышенным радиационным фоном, осуществляют следующие меры защиты:

• Строго регламентируется время и частота контакта с источником излучения.
• Для работы в очаге излучения используют специальную защитную одежду, а по окончании работы проходят многоуровневую систему интоксикации.
• При возведении строений в очаге излучения или вблизи него используют специальные материалы, эффективно задерживающие данный вид излучения. К таким материалам относятся высокопрочный армированный бетон, чистый свинец и свинцовое стекло, а также некоторые виды специальных сталей.
• При работе в зонах с одновременно повышенной радиацией и высокой температурой, например, в термоядерном реакторе, свинец не может применяться, так как обладает низкой температурой плавления, поэтому в этих случаях применяют более дорогостоящие редкоземельные металлы — такие как вольфрам и тантал.

Повседневная защита

Одним из самых эффективных способов защиты в повседневной жизни является применение так называемых счётчиков радиации или индивидуальных дозиметров. Это особенно актуально в силу того, что человеческий организм лишён возможности воспринимать радиацию через органы чувств, он её просто не замечает. Выделяют следующие индивидуальные дозировки:

• Нормальная повседневная доза: 10−20 микрорентген в час.
• Нормальная одноразовая доза: 100 микрорентген.
• Смертельная доза: 600 рентген. При получении такой одноразовой дозы облучения человек погибает в течение одной-двух недель.

Необходимо иметь в виду что элементарное мытьё рук чистой водой с мылом является профилактикой радиоактивного заражения, так как в этом случае происходит эффективное удаление заражённых радиоактивных веществ с поверхности кожи.

Не нужно пытаться открыть или разбирать случайно найденные предметы с радиационной маркировкой. Это не только опасно для вашего здоровья и здоровья окружающих. Нужно иметь в виду, что в Уголовном кодексе имеется соответствующая статья за намеренное или случайное радиоактивное загрязнение, поэтому лучше сразу сообщите об опасной находке в соответствующие службы.

Радиоактивность. Альфа, бета, гамма – излучения

Радиоактивностью называют свойство самопроизвольного излучения каких – либо веществ, при отсутствии внешних влияний.

Радиоактивные свойства впервые были обнаружены у урана в 1896 г французским физиком Анри Беккерелем (опыт с солями урана)

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

Свойства радиоактивных излучений

1. Вызывают ионизацию газов

2. Оказывают химическое действие

3. Радиоактивность представляет собой не молекулярное явление, а внутреннее свойство атомов радиоактивного элемента

4. Радиоактивность препарата с любым химическим составом равна радиоактивности чистых радиоактинвых элементов, взятых в количестве, в котором они содержатся в этом препарате

5. Радиоактивные излучения не зависят от внешних воздействий (нагревания, увеличение давления), химические реакции, в которые вступают радиоактивные вещества не влияют на интенсивность излучения.

6. В результате радиоактивного излучения образуется вещество совершенно нового вида, полностью отличное по своим физическим и химическим свойствам от первоначального. Цепочка радиоактивных превращений заканчивается образованием нерадиоактивного (стабильного) изотопа.

7. Для каждого радиоактивного вещества существует определенный интервал времени, на протяжении которого активность убывает в 2 раза. Этот интервал носит название периода полураспада .

Период полураспада Т – это время, в течение которого распадается половина наличного числа радиоактивных атомов.

– закон радиоактивного распада

N₀ – число радиоактивных атомов в начальный момент времени

N – число радиоактивных атомов в конечный момент времени

T – период полураспада

8. Различают естественную радиоактивность (радиоактивность элементов встречающихся в природе) и искусственную радиоактивность ) радиоактивность элементов получаемых при ядерных реакциях).

Чтобы обнаружить сложный состав радиоактивного излучения был проведен следующий опыт: радиоактивный препарат помещался на дно узкого канала в куске свинца. Против канала находилась фотопластинка. На выходе из канала на излучение действовало сильное магнитное поле, линии индукции которого перпендикулярны лучу. Вся установка помещалась в вакууме.

В отсутствии магнитного поля на фотопластинке после проявления обнаруживалось одно темное пятно, точно против канала.

В магнитном поле пучок распадался на три пучка.

– это поток положительно заряженных частиц – ядер атомов гелия. Скорости альфа частиц значительно меньше скорости бета частиц и лежат в пределах 10000- 20000 км/с. Кинетическая энергия альфа частиц велика: 4-10 Мэв.

Альфа излучение обладает наименьшей проникающей способностью. Слой бумаги толщиной около 0,1 мм полностью их задерживает.

– это поток быстрых электронов, вылетающих из атомов радиоактивного вещества. Скорости бета частиц огромны и составляют 0,99 скорости света. Энергия бета частиц доходит до нескольких мегаэлектронвольт.

Бета излучение является средним по свое проникающей способности. Их задерживает алюминиевая пластинка толщиной в несколько милиметров.

– это поток электромагнитных волн очень малой длины (10 -8 – 10 -11 см). Скорость распространения гамма лучей в вакууме такая же, как у других электромагнитных волн 300000 км/с.

Гамма – излучение обладает наибольшей проникающей способностью. Слой свинца толщиной в 1 см уменьшает интенсивность гамма – излучение вдвое.

Гамма излучение и рентгеновское излучение равной длины волны, кроме способа получения, ничем друг от друга не отличаются.