Одиниці радіоактивності та дози
Повний довідник одиниць радіації
Ядерні інженери та фізики здоров'я використовують специфічний набір одиниць. Розуміння якої кількості вимірює кожна одиниця — та коли використовувати яку — важливо.
Активність (сила джерела):
- Беккерель (Bq): 1 Bq = 1 радіоактивний розпад в секунду. Одиниця SI.
- Кюрі (Ci): 1 Ci = 3,7 × 10¹⁰ Bq. Визначено як активність 1 грама Ra-226. Все ще широко використовується в США для ядерної медицини. 1 mCi = 3,7 × 10⁷ Bq.
Активність розповідає вам силу джерела — скільки розпадів в секунду — але нічого не говорить про біологічний ефект.
Експозиція (йонізація в повітрі):
- Рентген (R): Кількість X чи гама радіації, що виробляє 2,58 × 10⁻⁴ кулона іонного заряду на кілограм сухого повітря. Зараз в основному замінена одиниці SI, але все ще використовується в старішій дозиметрійній літературі.
Поглинута доза (енергія відкладена в тканину):
- Грей (Gy): 1 Gy = 1 джоуль енергії відкладено на кілограм тканини. Одиниця SI.
- Рад: 1 рад = 0,01 Gy = 10 mGy. Старіша одиниця (поглинута дозу радіації).
Поглинута доза розповідає вам енергію відкладено, але різні типи радіації спричиняють різні біологічні шкоди для однієї енергії.
Ефективна доза (біологічний ефект):
- Сієверт (Sv): Ефективна доза = поглинута доза × коефіцієнт ваги радіації (w_R). Одиниця SI.
- Рем: 1 рем = 0,01 Sv = 10 mSv. (Рентген еквівалент людини). Старіша одиниця.
Коефіцієнти ваги радіації (w_R):
- Гама промені, X-промені, бета: w_R = 1 (1 Gy = 1 Sv)
- Нейтрони (1 МеВ): w_R = 20
- Альфа-частинки: w_R = 20
- Так 1 Gy альфа-радіації = 20 Sv біологічний ефект — 20× більше шкідливо на джоуль ніж гама
Темп доз проти інтегрованої дози:
Темп дози (Sv/hr чи mSv/hr) — це миттєвий темп енергії. Інтегрована доза (Sv) — це загальна накопичена протягом часу.
Темп дози × час = інтегрована доза. Але біологічні ефекти залежать від обох темпу та всього — гострої високої дози темпу спричиняє хворобу радіації; та сама доза розповсюджена протягом років має нижче ефект.
Еталонні дози:
- Щорічна фонова радіація (середня США): ~3,1 mSv/рік
- Рентген грудей: ~0,1 mSv
- КТ сканування (черевне): ~8 mSv
- Професійна границя (USA ядерні робітники): 50 mSv/рік
- Поріг гострої хвороби радіації: ~1 Sv цілого тіла гострої дози
- LD50/30 (смертельна доза для 50% населення в 30 днів без лікування): ~4-5 Sv гостра цілого тіла
Застосування одиниць радіації
Пацієнт ядерної медицини отримує вприск Tc-99m (технецій-99m) для скану кісток. Введена активність становить 20 mCi.
Tc-99m розпадається через гама емісію тільки (E_γ = 140 кеВ), t₁/₂ = 6,0 годин.
Приблизно 30% введеної активності локалізується в кісток; 70% очищено нирками протягом 24 годин.
Ефективна доза до пацієнта від скану 20 mCi Tc-99m кісток становить приблизно 4,0 mSv (від розрахунків дозиметрії).
Ядерна фізика у світі
Де ця фізика з'являється
Типи реакторів в експлуатації сьогодні:
- Реактор під тиском (PWR): ~70% глобальної ядерної потужності. H₂O модератор та охолоджувач, 155 бар тиск, 315°C температура охолоджувача, 3-5% збагачений UO₂ паливо.
- Реактор кипіння (BWR): H₂O модератор, кипить в-ядре при 75 бар, один контур (охолоджувач = пара безпосередньо спускає турбіну). Компактніший, дещо простіший.
- CANDU: D₂O модератор та охолоджувач, природна уран паливо, можна переробляти з-ядро.
- RBMK (Чорнобиль тип): Графіт модератор, легка вода охолоджувач. Позитивний коефіцієнт порожнечі — коли охолоджувач кипить, реактивність збільшується (нестабільна на низькій потужності). Зараз зняті з експлуатації.
- Швидкі реактори (SFR, тощо): Ніякого модератора. Швидкі нейтрони. Можуть розводити плутоній з U-238 (розсадниковий реактор), спалювати дельтовідні радіаційні відходи. Натрієм охолоджувач (висока теплова провідність, без модерації). BN-800 Росії в комерційній експлуатації.
Медична фізика:
- PET скан: Позитрон випромінювачі (¹⁸F, t₁/₂ = 110 хв) виробляють спину 511 кеВ гама від e⁺e⁻ знищення — виявлені в збігу для образу метаболізму.
- Радіаційна терапія: Лінійні прискорювачі виробляють 6-18 МВ X-промені. Протонна терапія використовує Bragg піку фізику — протони відкладають максимум дозу на специфічній дистанції, щадячи навколишньої тканини.
- Нейтронна захватна терапія (BNCT): Теплові нейтрони захоплені ¹⁰B в пухлинні клітини → ¹¹B* → ⁴He + ⁷Li + гама, відкладання дози в пухлину клітину себе.
Фізика ядерної зброї:
- Бомба поділу: Надкритична маса зібрана в мікросекунди. Дизайн імплозії (Trinity, Fat Man) чи гарматного типу (Little Boy). Вихід в kt-Mt TNT еквівалент.
- Термоядерна зброя: Поділ первинний стискає та нагріває синтезну вторинну (D-T чи Li-D паливо). Вихід до ~50 Mt (Tsar Bomba). Поділ — це спусковий механізм; синтез забезпечує більшість вихідної потужності.
Геофізика:
- Радіометрична датування: ¹⁴C (t₁/₂ = 5 730 років) для свіжого органічного матеріалу; U-Pb системи для скель до 4,5 мільярдів років; K-Ar для вулканічних скель. Все на основі N(t) = N₀e^(−λt).
- Теплота Землі: ~45 TW теплу потоку з земного інтер'єру. Близько половини — первісна (з утворення); половина — з розпаду довгоживучих радіоактивних ізотопів (²³⁸U, ²³²Th, ⁴⁰K) — планета все ще гарячого через радіоактивний розпад.
Кінцевий синтез
Ви тепер охопили: ядерну структуру та модель оболонки, сильну та слабку взаємодію, альфа/бета/гама/EC розпад з квантовою механікою, кінетику напіврозпаду та світське рівновага, енергію зв'язку та криву, перерізи поділу та ланцюгові реакції, плазму синтезу та критерій Лоусона, E=mc² розрахунки, та одиниці вимірювання радіації.
Що ви навчилися
Ядерна фізика 101 — Повна
Ви охопили повний обсяг вступної фізики ядерної інженерії:
Ядерна структура: Нуклони, таблиця нуклідів, модель оболонки, магічні числа (2, 8, 20, 28, 50, 82, 126), ядерний спін та парність, та ядерний радіус масштабування як R₀A^(1/3).
Сильна взаємодія: Короткодіапазонна взаємодія Юкави, насичення, обмін глюоном на рівні кварку, залишкова сила через обмін піоном, та модель рідкої краплі як наслідок насичення.
Радіоактивний розпад: Альфа (квантове тунелювання, фактор Гамова, Гейгер-Наттал), бета мінус та плюс (слабка взаємодія, W бозон, зміна аромату кварку), захоплення електрона, гама де-збудження, внутрішнє перетворення, та повний ланцюг U-238 → Pb-206.
Кінетика напіврозпаду: N(t) = N₀e^(−λt), активність в Bq та Ci, специфічна активність, середня тривалість життя, світське рівновага, та реальні розрахунки розпаду.
Енергія зв'язку: Розрахунок дефекту маси (Δm × 931,5 МеВ/u), терміни формули Бете-Вайцзекера, та розроблені приклади для Fe-56 та U-235.
Крива енергії зв'язку: Чому синтез звільняє енергію для легких ядер, чому поділ звільняє енергію для важких ядер, чому залізо — кінцева точка нуклеосинтезу зірок, та енергетичні щільності в J/kg.
Фізика поділу: Складне ядро, розповсюдження енергії фрагментів поділу, перерізи нейтронів та сарай, закон 1/v, захоплення резонансу, формула шести факторів, затримані нейтрони, та критичність.
Фізика синтезу: Бар'єр Кулона, квантове тунелювання, усереднення Максвелла-Больцмана, D-T проти D-D проти p-B11 компроміси, критерій Лоусона, прогрес токамака, та запалювання NIF.
Розрахунки E=mc²: Повне перетворення маси (1 g = 90 TJ), дефект маси при поділі U-235 (0,186 u = 173 МеВ), та порівняння енергетичної щільності.
Одиниці радіації: Активність (Bq, Ci), поглинута доза (Gy, рад), ефективна доза (Sv, рем), коефіцієнти ваги радіації, та еталонні дози.
Кінцева рефлексія
Ви щойно охопили фізику, яка лежить в основі генерування ядерної енергії, ядерної медицини, безпеки радіації, астрофізики, та непроліферації ядерної зброї.
Це фундамент, з якого ядерні інженери конструюють реактори, фізики здоров'я розраховують границі дози, та розробники політики приймають рішення про роль ядерної енергії в декарбонізації.