Основы радиохимии и радиоэкологии. Программа лекций для

Основы радиохимии и радиоэкологии.
Программа лекций
для студентов 3 курса факультета фундаментальной физико-химической инженерии
Лекции 1 и 2. Введение в радиоактивность.
Понятие радиоактивности. История открытия. Стабильные и радиоактивные изотопы.
Нуклидная карта. Радионуклиды в окружающей среде. Естественные ряды первичных
радионуклидов. Космогенные РН.
Ядро. Ядерные силы. Энергия связи нуклонов в ядре. Причины нестабильности атомных ядер.
Основные типы радиоактивного распада. Энергия распада и энергия частиц (фотонов).
Альфа–распад. Энергетические спектры альфа-излучения. Туннельный эффект. Схемы распада.
Бета-распад с испускание электронов. Энергетические спектры бета-излучения. Антинейтрино.
Позитронный распад. Энергетические спектры позитронов и нейтрино. Энергия распада. Схема
распада. Аннигиляция. Электронный захват. Энергия моноэнергетического нейтрино. Вторичные
процессы в атоме после распада ядра путем электронного захвата.
Испускание гамма-квантов при радиоактивном распаде. Изомерные переходы. Энергетические
спектры гамма-излучения. Электроны конверсии. Характеристическое рентгеновское излучение.
Спонтанное деление тяжелых ядер.
Стохастический характер радиоактивного распада. Распределение Пуассона. Основной закон
радиоактивного распада. Период полураспада. Единицы измерения радиоактивности. Кинетика
радиоактивного распада. Цепочки радиоактивных превращений. Радиоактивные равновесия.
Вековое равновесие в ряду урана-тория. Изотопные генераторы.
Сверхтяжелые элементы. Способы получения и причины нестабильности.
Лекции 3 и 4. Взаимодействие ядерного излучения с веществом.
Взаимодействие тяжелых заряженных частиц (-частицы, протоны) с веществом. Основные
механизмы передачи (потери) кинетической энергии: ионизация и возбуждение атомов.
Ионизация среды, дельта-лучи. Зависимость удельной ионизации воздуха от пробега (кривая
Брегга). Трек и пробег α–частиц в воздухе и в конденсированных средах. Ослабление потока α–
частиц. Последствия воздействия α–излучения на биологические объекты.
Взаимодействие электронов и β-излучения с веществом. Ионизационные и радиационные потери
(тормозное излучение) кинетической энергии частиц. Тормозное электромагнитное излучение:
спектр, интенсивность. Соотношение потерь на ионизацию и тормозное излучение. Удельная
ионизация воздуха. Многократное рассеяние электронов, поглощение энергии и трек β-частиц в
воде. Черенковское излучение.Проникающая способность и максимальный пробег β-частиц.
Ослабление потока β-частиц, экспоненциальный закон и границы его применения. Коэффициент
ослабления. Самоослабление β-излучения в источнике. Обратное рассеяния β-излучения, его
зависимость от толщины и материала подложки. Взаимодействие позитронов с веществом.
Двухфотонная аннигиляция.
Количественные характеристики потерь энергии заряженными частицами: тормозная способность
и линейная передача энергии. Сравнение ЛПЭ для α- и β-излучения.
Взаимодействие гамма-излучения с веществом. Основные механизмы передачи энергии.
Фотоэффект, комптоновское рассеяние и эффект образования пар. Резонансное фотопоглощение.
Процессы, сопровождающие фотопоглощение: рентгеновская флуоресценция, каскад Оже.
Энергетическое распределение комптоновских электронов. Сравнение сечений трех первичных
процессов передачи энергии веществу на примере алюминия, свинца и иода. Экспоненциальный
закон ослабления потока γ-квантов. Коэффициенты поглощения. Зависимость массового
коэффициента ослабления от энергии γ-излучения. Проникающая способность γ-излучения, слой
половинного ослабления. Ионизирующее действие жесткого электромагнитного излучения.
Взаимодействие нейтронов с веществом. Источники быстрых нейтронов: лабораторные,
генераторы нейтронов, реакторы. Элементарная теория замедления (рассеяния) быстрых
нейтронов. Передача энергии при упругих соударениях с ядрами. Средняя логарифмическая
потеря энергии. Пробег (проникающая способность) быстрых нейтронов. Диффузия тепловых
нейтронов. Поглощение тепловых нейтронов. Ионизация среды ядрами отдачи.
Лекции 5 и 6. Ядерные реакции. Получение радионуклидов.
Общие сведения о ядерных реакциях: механизм, типы реакций. Эффективное сечение,
зависимость от типа и энергии частиц. Резонансные ЯР.
Энергетические эффекты ядерных реакций. Экзо- и эндоэнергетические превращения.
Энергетический порог реакции. Кулоновский потенциальный барьер.
Реакции с участием тепловых нейтронов. Радиационный захват, примеры (n, γ)-реакций с
аномально высоким эффективным сечением (поглощение тепловых нейтронов). Реакции на
быстрых нейтронах: (n, α), (n, p), (n, 2n) и другие. Фотоядерные реакции. Пороговая энергия
фотонов. Примеры реакций, активированных γ-излучением. Превращения ядер при
взаимодействии с тяжелыми заряженными частицами. Зависимость сечения реакции от энергии
бомбардирующей частицы. Примеры ядерных превращений, активированных природными αизлучателями. Реакции вынужденного деления. Цепная ядерная реакция. Критическая масса.
Общая характеристика методов получения радионуклидов. Радионуклидная и радиохимическая
чистота, удельная активность целевого радионуклида. Реакторные радионуклиды. Накопление
радионуклида в облучаемой мишени. Расчет абсолютной активности. Частные случаи большого и
малого времени облучения. Случай тонкой мишени. Получение радионуклидов на ускорителях
заряженных частиц. Циклотрон. Выбор мишени и условий облучения. Расчет наработки
радионуклидов.
Лекции 7 и 8. Регистрация и измерение ионизирующих излучений. Спектрометрия.
Общие принципы регистрации излучений. Основные методы регистрации и детекторы
ионизирующих излучений.
Ионизационные методы. Газовые ионизационные камеры и счетчики. Процессы, происходящие в
газонаполненном объеме ионизационной камеры под действием ионизирующего излучения и
электрического поля. Возможности ионизационных камер при регистрации различных видов
излучения, эффективность регистрации. Пропорциональный
счетчик. Механизм газового
усиления. Эффективность счетчика к различным видам излучения. Использование для
спектрометрии заряженных частиц и рентгеновского излучения. Счетчик Гейгера-Мюллера.
Развитие разряда в счетчике. Механизм разряда. Конструкции счетчиков для регистрации бета-,
гамма- и нейтронного излучения. Полупроводниковый детектор - аналог ионизационной камеры с
твердым диэлектриком. Собственная и примесная проводимость. Процессы преобразования
энергии, формирование импульса тока.
Конструкции детекторов альфа- и гамма-излучения.
Эффективность ППД к различным видам излучения.
Сцинтилляционные методы. Принцип работы сцинтилляционных детекторов. Устройство и
подключение фотоэлектронного умножителя. Процессы преобразования энергии частиц (фотонов)
в сцинтилляционным детекторе, формирование сигнала детектора. Классификация и
характеристика основных типов неорганических и органических сцинтилляторов. Жидкие
сцинтилляторы: растворители, активаторы. Газовые сцинтилляторы. Области применения
различных сцинтилляторов: сцинтилляторы для детектирования альфа-, бета-, гамма- и
нейтронного излучения.
Авторадиография.
Физико-химические основы метода. Достоинства и недостатки. Область
применения. Диэлектрические детекторы - аналог ядерных эмульсий. Использование для
регистрации нейтронов. Камера Вильсона. Физические основы метода. Факторы, влияющие на
качество следов.
Гамма-спектрометрия с использованием сцинтилляционных и полупроводниковых детекторов.
Блок-схема спектрометра. Аппаратурный γ-спектр. Пик полного поглощения энергии,
комптоновский континуум, пики «вылета». Относительное энергетическое разрешение.
Спектрометрия α- -излучения с помощью сцинтилляционных и полупроводниковых детекторов.
Жидкостно-сцинтилляционная спектрометрия. Процессы преобразования энергии ионизирующего
излучения в жидких сцинтилляторах. Коктейли для различных видов ЖС измерений. Химическое
и оптическое тушение люминесценции. Аппаратура для ЖС измерений.
Влияние свойств радионуклида и условий измерения на величину регистрируемой активности.
Связь регистрируемой и абсолютной активности. Поправки на разрешающее время и фон, на
кинетику и схему распада, геометрию измерения, ослабление, самоослабление и рассеяние
излучения, эффективность детектора. Определение абсолютной активности радионуклида с
помощью счетчиков и спектрометров методом относительных измерений.
Лекции 9 и 10. Основы радиационная безопасность и основные понятия дозиметрии.
Общие представления о биологическом действия ионизирующего излучения. Поглощенная доза.
Мощность дозы. Непосредственно и косвенно ионизирующее излучение. Керма. Электронное
равновесие. Экспозиционная доза как условная мера облучения биологической ткани.
Биологическое действие различных типов ядерных излучений. Детерминированные и
стохастические эффекты облучения. Зависимость «доза-эффект». Линейная беспороговая модель.
Эквивалентная доза, взвешивающие коэффициенты для отдельных видов излучений. Эффективная
доза, взвешивающие коэффициенты для тканей и органов.
Принципы, лежащие в основе радиационной безопасности. Нормы радиационной безопасности
(НРБ-99/2009). Пределы доз облучения.
Радиационный естественный фон. Его составляющие. Вклад различных факторов в величину дозы
естественного (фонового) облучения. Радон. Флуктуации фона в различных географических зонах
и на местности. Облучение при медицинском обследовании.
Расчет доз от внешних источников ионизирующих излучений. Принцип расчета дозы от
источников β–излучений. Расчета дозы от точечного источника γ–излучения. Керма в воздухе.
Керма-постоянная. Соотношение кермы в воздухе и эквивалентной (эффективной) дозы в
биологической ткани. Расчет и конструирование защиты от внешних источников бета- и гаммаизлучения. Защиты от лабораторных источников нейтронов.
Пути поступления радиоактивные веществ во внешнюю среду и в организм человека. Внешнее и
внутренне облучение. Мощность эквивалентной дозы в критическом органе. Период полураспада
и период полувыведения РН. Радиобиологические характеристики некоторых РН - потенциальных
источников внутреннего облучения. Допустимые уровни радиоактивного загрязнения поверхности
рабочих помещений и оборудования. Общие принципы организации и проведения химических
экспериментов с - и -радиоактивными веществами. Средства защиты.
Лекции 11. Изотопный обмен. Синтез меченых соединений.
Изотопный обмен. Механизмы реакций изотопного обмена. Причины протекания изотопного
обмена. Равнораспределение изотопов. Степень обмена. Кинетика гомогенного изотопного
обмена. Использование изотопного обмена для синтеза меченых соединений. Изотопные эффекты.
Особенности синтеза меченых соединений и их номенклатура. Основные методы синтеза меченых
органических соединений (прямой химический синтез, специфические радиохимические методы,
биосинтез, физико-химические методы).
Лекция 12. Особенности поведения радиоактивных веществ.
Особенности поведения радионуклидов в ультраразбавленных растворах. Коллоидообразование,
адсорбция, соосаждение микроколичеств радиоактивных веществ. Радиолиз растворов.
Эффекты, обусловленные радиационной отдачей. Реакции Сцилларда–Чалмерса. Использование
эффекта отдачи для получения препаратов с высокой удельной активностью.
Лекция 13. Методы выделения, разделения и концентрирования радионуклидов.
Экстракция. Экстракционные равновесия. Количественные расчеты при экстракции.
Хроматографические методы. Практические вопросы ионнообменных разделений. Ионный обмен
в колонках. Тонкослойная хроматография.
Лекция 14. Применение РН в научных исследованиях. Метод радиоактивных индикаторов.
Радионуклиды как изотопные метки. Принципы применения и возможные ограничения.
Методы изотопной геохронологии. Определение возраста Земли. Космогенные радионуклиды.
Радиоуглеродное датирование
Применение радионуклидов в аналитической химии. Активационный анализ. Методы анализа,
основанные на использовании стехиометрических реакций. Метод изотопного разбавления.
Применение радиоактивных индикаторов в неорганической и физической химии: определение
произведения растворимости, определение давления насыщенных паров, определение
коэффициентов диффузии и самодиффузии в твердых телах и в жидкостях.
Лекция 15. Радионуклиды в медицине.
Выбор радионуклида для терапии или диагностики. Радиофармпрепараты. Биомолекулы носители РН. Брахиотерапия. Гамма-нож.
Применение радионуклидов в медицине для терапии (на примере 117Lu, 131I, 67Cu). Возможности
применения –излучающих РН. Применение короткоживущих позитрон-испускающих
радионуклидов в медицине: 18F, 11C. Изотопные генераторы и радиохимические синтезы в ПЭТлаборатории. Перспективные РН для ПЭТ – 44Sc, 68Ga, 82Rb. Радионуклиды для однофотонной томографии (99mTe).
Лекция 16 и 17. Ядерный топливный цикл.
Ядерная энергетика. Спонтанное и нейтронно-индуцированное деление ядер. Радионуклиды для
ядерной энергетики. Цепная реакция. Энергетический эффект. Критическая масса. Типы ядерных
реакторов.
Регенерация ядерного топлива, радиоактивные отходы. Переработка, хранение и захоронение
ОЯТ. Многобарьерная защита хранилищ радиоактивных отходов
Экологические проблемы ядерного топливного цикла. Радиационные аварии. Поступление
техногенных радионуклидов в окружающую среду, их вклад в дозу облучения населения.
Сопоставление радиационных рисков от различных источников техногенных радиоактивных
загрязнений и ионизирующих излучений. Миграция РН в биосфере. Атмосферные выпадения.
Распространение и концентрирование радионуклидов в водных экосистемах, в почве, в растениях.