Radioactivitatea, Tipuri Si Proprietati [PDF]

Zitiervorschau

Radioactivitatea Tipuri de radiatii Proprietati si utilizari a radioactivitatii

1. Ce este Radioactivitatea? Radioactivitatea este o proprietate a nucleelor atomice de a se dezintegra spontan prin emisia unor radiaţii alfa, beta, gama. Unele nuclee emit spontan din interiorul lor particule sau radiatii care exista sau apar în procesele care se petrec acolo. Prin urmare, asemenea nuclee sunt instabile ,sau radioactive. În urma experimentelor s-a stabilit că masa atomului şi toată sarcina pozitivă este concentrată într-un volum mic in centrul atomului, zonă numită nucleu atomic(alcatuit din protoni si neutroni). În jurul nucleului gravitează un număr de electroni care compensează sarcina pozitivă a nucleului. Fenomenul radioactivitatii, desi spontan ,nu se petrece în afara timpului : exista o durata de viata, numita viata medie, a nucleelor unui element,dupa care numarul nucleelor ramase nedezintegrate se reduce. Radiatiile alfa,beta si gamma Radiaţia alfa. Cercetările experimentale au arătat că radiaţiile alfa sunt constituite din particule încărcate pozitiv care s-au dovedit a fi nuclee de km  10 3 s aproximativ 20 .

4 2

He în mişcare rapidă, având o viteză enorma,de

Radiatia Alfa Radiaţia gama. Aceste radiaţii nu sunt influenţate de câmpul electric sau magnetic. Ele sunt de natură electromagnetică şi pot suferi fenomene de reflexie refracţie, difracţie şi interferenţă.

Radiatia Gamma

Radiaţia beta. Mai mult de jumătate dintre nuclizii radioactivi naturali posedă activitate beta. Radiaţia beta este formată din electroni sau pozitroni care se deplasează cu viteze foarte mari fiind numită   şi radiaţii respectiv .

Radiatia Beta

Radioactivitatea naturala a fost descoperita in 1896 de Henri Becquerel, pe cand studia luminescenta unor saruri de uraniu si a demonstrat ca uraniul si sarurile sale emit spontan radiatii care pot traversa corpurile si impresioneaza placa fotografica. Proprietatea nucleelor de-a emite radiatii a fost numita de catre Marie si Pierre Curie radioactivitate. În 1898, soții Marie și Pierre Curie au descoperit thoriului, poloniului, radiului. Uraniul si thoriul au o activitate mai putin intensa decât poloniul si radiul. Radioactivitatea artificială a fost descoperită de soții Irène și Frédéric Joliot-Curie în 1934. Legile generale ale radioactivității au fost elaborate de către Ernest Rutherford și Frederick Soddy în 1903. Radiatiile emise de substantele radioactive au o serie de proprietati caracteristice, ca ionizarea gazelor, impresionarea emulsiei fotografice, provocarea luminiscentei unor substante, degajarea de energie. Prin iradiere, în special cu neutroni, unele elemente care în mod natural sunt stabile, devin radioactive. (În urma proceselor radioactive sunt emise radiatii a, b si g) Din punct de vedere al puterii de patrundere si al puterii de ionizare: razele a au putere mica de patrundere si o mare putere de ionizare razele b au putere mare patrundere si o mai mica putere de ionizare razele g au cea mai mare putere de patrundere si cea mai mica putere de ionizare. Radioactivitatea a fost descoperita initial la elementele grele care se întâlnesc în natura: U, Ra, Ac, Th. Dezintegrarea acestor elemente prin emisia de particule a si bnu duce la formarea unui nucleu stabil, ci aceasta se realizeaza prin formarea unor radioelemente intermediare care deriva unul din altul. Obs. Studiul elementelor radioactive întâlnite în natura a aratat ca acestea pot fi înglobate în trei lanturi succesive, numite serii (familii) radioactive: seria thoriului, seria uraniului, seria actiniului. În anul 1940 a fost descoperita seria neptuniului, care este o serie radioactiva artificiala. Radioactivitatea artificiala. Reactii nucleare

· ·

Daca un nucleu este bombardat cu o particula neutra sau cu una încarcata electric cu energie destul de mare pentru a patrunde în câmpul central al nucleului, se produce transformarea nucleului dat într-unul nou, cu eliberarea unei alte particule. Obs. Izotopii radioactivi rezultati, spre deosebire de cei naturali, pot da nastere la mai multe tipuri de dezintegrari (a, b-, b+, n, însotiti de emisie g), dupa cum nuclidul respectiv are un exces de protoni sau neutroni. Izotopii radioactivi artificiali sunt mult mai numerosi decât cei naturali, se obtin în reactoarele nucleare si în acceleratorii de particule. Au multe aplicatii practice, inclusiv ca trasori în chimie si biologie. În proba ale carei proprietati se urmaresc, se încorporeaza o cantitate mica dintr-un radioizotop al unuia din elementele constituente ale probei, urmarind traseul lui cu ajutorul detectorului de radiatie. Trebuie însa ca trasorul sa nu modifice proprietatile fizico-chimice ale substantei si sa aiba un timp de înjumatatire mic, de acelasi ordin de marime cu timpul observatiei. Reactiile nucleare provocate sunt de mai multe tipuri: 1. Reactia de împrastiere elastica: particula incidenta loveste nucleul fara pierdere de energie, schimbându-si doar directia. Daca nucleul-tinta este usor, sufera si el o deplasare, în cazul unui nucleu mai greu, deplasarea este neînsemnata. Reactia este simbolizata X(a,a)X. 2. Reactia de împrastiere neelastica: particula pierde o parte din energie în momentul interactiunii. Nucleul trece într-o stare excitata, de unde revine în starea fundamentala prin emisia unei cuante g. Reactia este reprezentata X(a,ag)X. 3. Captura simpla: particula incidenta este absorbita de nucleu si se formeaza un nou nucleu care are un surplus de energie si emite una sau mai multe cuante g. 4. Dezintegrare: nucleul absoarbe particula incidenta si expulzeaza o particula noua. 5. Fotodezintegrare: dezintegrarea este produsa de fotoni g cu energie suficient de mare. Surse de poluare radioactive Sursele radioactivitate sunt grupate in surse naturale si surse artificiale. a) Principalele surse artificiale de poluare radioactivă sunt următoarele: 1) Accidentele şi deşeurile de la reactoarele nucleare; 2) Experienţele şi accidentele cu arme nucleare; 3) Tratamentele medicale ce utilizează radiaţii sau radionuclizi; 4) diferite activităţi profesionale. 1)Reactorii nucleari au fost folosiţi pentru producerea energiei încă din anii '50. Există, practic, două tipuri de reactori : reactori termici şi reactori rapizi. În reactorii termici frecvent utilizaţi - se fo1oseşte uraniu si uniniu. Când un neutron termic pătrunde intr-un nucleu de uraniuse produce fisiunea acestuia din urma cu o mare eliberare de energie, de alţi neutroni 5i de radiaţii 7. Neutronii rezultaţi din fisiune sunt rapizi si nu sunt tot atât de capabili de a produce noi fisiuni. Din acest motiv, neutronii emişi în urma fisiunii uraniului sunt încetiniţi, făcându-i să semnat Ia Moscova tratatul de interzicere a experienţelor cu arma nucleară, cu excepţia celor subterane, marile puteri an efectuat circa 510 teste nucleare în atmosferă: circa 300 S.U.A., 180 fosta URSS, 25 Marea Britanie şi 4 Franţa. Până în anii 1985, Franţa şi China, singurele nesemnatare ale tratatului, au mai explodat in atmosfera 40 si respectiv 25 bombe nucleare. Energia eliberată în testele efectuate pana in 1963 a fost de câteva ori mai mare decât a tuturor explozivilor folosiţi în al doilea război mondial, sau a 20-a parte din puterea explozivă nucleară acumulată în arsenalele americane şi sovietice in 1981 (exprimată în combustibil exploziv convenţional aceasta putere a fost de 600 megatone). In acelaşi timp, aproximativ 10 t plutoniu ,,neexplodat" s-a vaporizat si dispersat

in atmosfera. Exploziile nucleare sovietice, deşi mai puţine, au avut o putere dubla fata de cele americane (450 megatone fata de 150), cea mai teribilă bomba sovietică fund de aproximativ 4 000 de ori mai puternică decât ,,Little boy", folosită împotriva Japoniei. După 1963, testele cu arme nucleare an continuat in subteran. Din 1963 până în 1980, Statele Unite au mai efectuat cam 400 teste subterane cu bombe atomice, iar fosta Uniune Sovietică 300, dar cu o putere explozivă mult mai mare. La nivelul anului 1963 se apreciază că radionuclizii, proveniţi de la testele cu arme nucleare, au produs o iradiere suplimentară anuală de 430 mSv pe individ, în aproape întreaga emisferă nordica (majoritatea exploziilor au fost efectuate în această emisferă). După acest an, valoarea iradierii suplimentare a scăzut substanţial, până la momentul Cernobâl. 3) În clinici şi spitale radiaţiile sunt folosite: - la radiografii; - in scop terapeutic; - în scopuri de investigaţie. 4) Radiaţia artificiala este folosita in multe ramuri ale activităţii omeneşti. De exemplu, în industrie este folosita pentru controlul proceselor şi a calităţii produselor, iar in scop de studiu, este folosita in institute de cercetare şi învăţământ superior. Tot aici trebuie inclusa şi activitatea medicilor sau a personalului sanitar care lucrează cu radiaţii. La acestea trebuie adăugate dozele pe care le primeşte omul Si de la ceasurile luminate cu substanţe radioactive sau de la televizoare (televizoarele moderne sunt bine ecranate). Se apreciază ca din activităţi profesionale doza colectiva (produsul dintre echivalentul dozei efectiv 5i nr. persoanelor care au activităţi profesionale legate de radiata) in Marea Britanie, de exemplu, este de circa 450 Sv/om şi an. b) Problema radiaţiilor nu este numai o consecinţa a progresului tehnic-ştiinţific al omului modern. Radiaţia a existat întotdeauna in natura. După opinia unor oameni de ştiinţă, radiaţia cosmica a avut o mare importanţă in evoluţia vieţii pe Pământ. Astfel, apariţia reptilelor gigantice precum 5i evoluţia ulterioară a speciilor animale Si vegetale este pusa, de mulţi cercetători, sub semnul influentei exercitate de radiaţia cosmica primita de pământ, din univers. Practic, exista doua componente ale iradierii naturale: o componenta cosmica 5i una telurica. Originea radiaţiei cosmice este încă neclara. Unii specialişti sunt de părere ca ar veni din galaxia noastră, a1şi ca ar veni din afara ci. Soarele contribuie mai ales in perioadele de erupţii solare. Radiaţia cosmica pătrunde in cantitate mai mare pe Ia poli decât pe la ecuator. De asemene, oamenii şi animalele care trăiesc in munţi, la mari altitudini, sunt mai expuşi la acest tip de radiaţie decât cei aflaţi Ia nivelul mani. Radiaţia telurica provine din faptul ca toate materialele din scoarţa pământului sunt radioactive. Se crede ca mişcările scoarţei sunt cauzate 5i de radioactivitatea naturala. Cele mai răspândite elemente radioactive din sol şi roci sunt: uraniul, toriul şi potasiul-40. Tipuri de radiatii: Prin radiatie se întelege un proces în care o sursa emite energie si aceasta se propaga în mediul care înconjoara sursa, sau pur si simplu, radiatia defineste energia implicata în acest proces. Dupa natura lor, radiatiile pot fi corpusculare sau electromagnetice. Radiatiile corpusculare sunt formate din particule de substanta având o anumita energie cinetica. Ele pot fi încarcate electric sau pot sa fie neutre: → Radiatiile corpusculare încarcate electric sunt de exemplu: particulele a (nuclee de heliu) rezulta din dezintegrarea radioactiva de tip alfa (contin doua sarcini elementare pozitive iar masa lor este egala cu patru unitati atomice de masa si datorita sarcinii lor electrice pozitive, ele sunt deviate în câmp electric si magnetic).

particulele b- (electroni) rezultând din dezintegrarea radioactiva de tip b minus (poarta o sarcina elementara negativa si numar de masa zero, masa lor fiind egala cu 1/1840 unitati atomice de masa si datorita sarcinii electrice negative sunt deviate în câmp electric si magnetic în sens opus directiei de deviere a radiatiei α). Particulele b+ (pozitroni) si rezulta din dezintegrarea radioactiva de tip beta plus sau prin generare de perechi. Protonii (nuclee de hidrogen) . Radiatii corpusculare neutre din punct de vedere electric: neutronii (particule elementare nucleare cu numar de masa 1). Neutronii pot fi eliberati spontan doar de un numar foarte mic de nuclizi. În majoritatea cazurilor provin din procesele de fisiune ale U-235, U-238, Pu-239 etc. Radiatiile electromagnetice sunt emise si absorbite în natura sub forma de cuante (fotoni). Fotonii sunt particule fara masa de repaus, ce transporta, fiecare, o cantitate de energie E = h ν, unde h este constanta lui Planck, iar ν este frecventa radiatiei. Masa de miscare a fotonilor se leaga de energie prin formula lui Einstein E = m c2, c fiind viteza luminii în vid. Spectrul radiatiilor electromagnetice:

Radiatia γ este o radiatie electromagnetica de natura nucleara, caracterizata prin lungime de unda foarte scurta. Ea nu este deviata în câmp electric sau magnetic si apare de obicei împreuna cu radiatia α sau β. Radiatiile amintite prezinta unele proprietati comune: sunt invizibile, se deplaseaza cu viteza foarte mare si pot patrunde în materiale la adâncimi diferite, în functie de natura si energia radiatiei. Proprietati si utilizari a radioactivitatii

Izotopii multor elemente au proprietăţi radioactive, adică se descompun transformându-se în alte elemente, emiţând în acelaşi timp radiaţii; aceştia se numesc radioizotopi. În centralele atomo-electrice, energia nucleară este transformată în energie electrică, relativ ieftină, utilizată în industrie, transporturi, în viaţa de zi cu zi. În reactoarele nucleare ale acestor centrale atomoelectrice se utilizează izotopul radioactiv al uraniului : 235U. Energia ne poate folosi în diverse domenii : propulsarea unor nave maritime uriaşe, pentru desalinizarea apei de mare, pentru construirea unor mici baterii atomice cu care se pot acţiona diverse dispozitive. În industrie, izotopii radioactivi mai pot fi utilizaţi pentru controlul uzurii şi depistării defectelor unor piese şi instalaţii metalice. De exemplu, cu ajutorul izotopului 60 al cobaltului (60Co) se poate urmări nivelul fontei topite în furnal, iar prin adăugarea de radiosulf se determină conţinutul de sulf din fontă. Cu ajutorul unor izotopi ai carbonului, oxigenului, sulfului au fost studiate şi lamurite mecanismele unor procese tehnologice chimice, ca : vulcanizarea cauciucului, prelucrarea petrolului, descompunerea grăsimilor etc. În medicină, izotopii radioactivi sunt utilizaţi în diagnosticarea şi tratarea unor boli. Astfel, cu izotopul radioactiv al iodului se studiază funcţionarea glandei tiroide, cu calciu radioactiv se examinează stomacul şi se depistează ulcerele. Depistarea şi tratarea tumorilor canceroase reprezintă una dintre cele mai importante aplicaţii ale izotopilor în medicină. Cu ajutorul izotopului radioactiv al 16C, geologii pot stabilii vârsta rocilor, iar arheologii vârsta obiectelor dezgropate care au aparţinut unor civilizaţii dispărute. În agricultură, izotopii îşi găsesc aplicaţii în tratarea seminţelor, în studierea solului. In natura, numai 21 de elemente apar ca elemente unitare (monoizotopice), restul se prezinta ca amestecuri de izotopi. În păturile superioare ale atmosferei, datorită razelor cosmice se formează izotopul 14C. Plantele prin asimilarea dioxidului de carbon (CO2) în procesul de fotosinteză fixează toţi cei trei izotopi ai carbonului natural. Animalele erbivore se hrănesc cu plante, cele carnivore mănâncă animale erbivore şi în final în toate organismele vii se întâlnesc cei trei izotopi 12C 13C 14C, în proporţie constantă.

Utilizarea izotopilor radioactivi în industria siderurgică, matalurgică şi constructoare de maşini Siderurgia, metalurgia, şi construcţia de maşini reprezintă baza industriei grele, de aceea progresul tehnic în aceste ramuri are o importanţă deosebită. Prin folosirea metodelor puse la dispoziţia de fizica nucleară, fiecare fază a proceselor tehnologice de producţie a fontei, a oţelului, a semifabricatelor, sau a pieselor finite poate fi îmbunătăţită. Din punct de vedere al modului în care în care se folosesc izotopii radioactivi, metodele se împart în trei grupe: Metoda atomilor marcaţi Prima metodă cuprinde metodele cu trasori radioactivi. Numeroase aplicaţii ale izotopilor radioactivi se bazează pe proprietatea acestora de a emite radiaţii. O primă categorie de aplicaţii utilizează aceste radiaţii ca semnale ale prezenţei izotopului radioactiv într-un anumit loc. Spre exemplu, dacă o anumită cantitate de fosfor conţine un mic adaos de fosfor radioactiv, se poate urmări circulaţia fosforului în diverse procese tehnologice, prezentă resturilor de fosfor în metal şi aliaje, felul în care fosforul este asimilat de un organism viu şi locul unde se fixează. Această metodă foarte utilă în cercetare poartă numele de metoda “atomilor marcaţi” sau a trasorilor radioactivi. Particularităţi ale metodei trasorilor radioactivi.

Sensibilitatea ridicată a aparatelor de detecţie a radiaţiilor permite constatarea prezenţei şi urmărirea unor cantităţi extrem de mici de izotopi radioactivi. Nici o altă metodă de analiză folosită până astăzi nu este atât de sensibilă. Un avantaj care decurge imediat din cele de mai sus este că nu sunt necesare intensităţi mari de radiaţii, care ar fi dăunătoare pentru organism şi ar pune problema amenajării de instalaţii de protecţie complexe. Metoda trasorilor se caracterizează pe nivelul redus al intensităţii radiaţiei. În al doilea rând, izotopul radioactiv, care are rolul de trasor, are aceleaşi proprietăţi chimice cu izotopul neradioactiv în care este încorporat. Ca urmare amestecul odată realizat se păstrează în decursul diferitelor procese supuse studiului, comportându-se ca unul şi acelaşi elemente chimic. În felul acesta se pot studia rolul şi transformările anumitor substanţe în procesele complexe. În al treilea rând, măsurarea cu ajutorul detectorilor a radiaţiilor emise de izotopi radioactivi se poate face de la o oarecare distanţă şi în mod continuu. În funcţie de natura, energia, şi intensitatea lor, fascicolele de radiaţii pot străbate distanţe mai mari sau mai mici, trecând chiar prin diverse corpuri. Radiaţiile gama sunt cele mai pătrunzătoare, pot să străbată fără să-piardă prea mult din intensitate, piese groase din fier sau pereţi de beton. După cum am văzut, folosirea trasorilor radioactivi permite studiul şi controlul unor piese de la distantă, chiar când acestea se petrec în vase sau încăperi închise, în locuri inaccesibile sau în care pătrunderea cu alte mijloace de investigaţie ar turbura procesul de cercetat, cum este cazul organismului viu. Consecinţe ale utilizării metodei trasorilor radioactivi Folosind trasori radioactivi cu durata de înjumătăţire mică există certitudinea că, în scurt timp după terminarea cercetărilor propuse, nu va mai rămâne în sistemul studiat practic nimic din izotopul radioactiv introdus. După modul în care radioactivitatea scade în timp, adică după reducerea cantităţii de izotop radioactiv, se poate identifica izotopul radioactiv, sau dacă acesta este cunoscut şi a fost introdus în cantitate cunoscută, se poate afla cât timp a trecut de la introducerea lui. Metoda ce foloseşte activarea probei A doua grupă cuprinde metodele cu activarea probei. În acest caz, materialele sau piesele care se studiază sunt activate prin iradiere cu neutroni. Această operaţie se poate face fie cu sursă de neutroni de laborator, fie prin introducerea probei într-un reactor nuclear. Metodă ce ataşează probei o sursă radioactivă A treia grupă cuprinde metodele fără activarea probei cercetate. Izotopii radioactivii joacă în acest caz numai rolul unor surse de radiaţii, iar ceea ce se foloseşte sunt tocmai aceste radiaţii. Sursa de radiaţii se aşează în faţa materialului de cercetat iar fascicolul emis de sursă străbate materialul şi este apoi detectat cu diferite mijloace. Aplicaţii în procesul de obţinere a fontei, oţelului şi a aliajelor Elaborarea fontei. Elaborarea oţelului Prelucrarea metalelor prin deformare plastică Metodele de deformare plastică se referă la laminare, extruziune şi construcţii de maşini. a) Laminarea b) Extruziunea c) Construcţii de maşini O altă aplicaţie interesantă a izotopilor radioactivi în construcţia de maşini este măsurarea grosimii straturilor de acoperire a tablelor sau al sârmelor zincate sau cositorite. Înainte, determinarea grosimilor acestor straturi nu se putea face decât indirect, prin metode chimice. Cu ajutorul radiaţiilor nucleare această măsurare se poate face destul de exact prin metoda retrodifuziei radiaţiilor.

Aplicaţii în procesul de fabricaţie al produselor refractare În industria produselor refractare s-au aplicat radionuclizii pentru determinarea unor parametri de care depinde calitatea acestor produse ca: - timpul optim de amestecare a materiei prime - timpul de trecere al materialelor argiloase în cuptorul rotativ de somatizare - rezistenţa produselor refractare la uzură . Determinarea timpului de trecere a materialelor argiloase în cuptorul rotativ de somatizare, cu surse închise de radiaţii nucleare Există două metode ce folosesc surse deschise de radiaţii: a) Metoda marcării materialului cu un radionuclid gama activ, având timpul de înjumătăţire scurt. b) Metoda activări la reactor a unei părţi din material care se introduce în cuptor. Aceste metode prezintă următoarele dezavantaje: - Materialul marcat constituie o sursă deschisă de radiaţii nucleare, ce este răspândită la ieşirea din cuptor în următoarele faze ale procesului tehnologic şi poate produce prin inhalare de praf, contaminări interne de scurtă durată. - Radionuclizii folosiţi având un timp de înjumătăţire mic, trebuie transportaţi de la reactor la locul de aplicaţie cu mijloace de transport foarte rapide - Radionuclizii nu se recuperează Pentru a înlătura aceste dezavantaje s-a recurs la metoda radiometrică cu surse închise de radiaţii nucleare. Această metodă prezintă următoarele avantaje: - Personalul este protejat contra radiaţiilor - Sursa de radiaţii se poate folosi ori de câte ori este nevoie - Se poate face un număr mare de determinări într-un timp scurt - Transportarea surselor de radiaţii la locul de aplicaţii se poate face cu mijloace curente - Metoda este precisă, rapidă şi permite determinarea timpului de trecere în cuptorul rotativ atât pe zone cât şi de-a lungul întregului cuptor. Determinarea timpului optim de amestecare al materiilor prime refractare Durabilitatea produselor refractare de somată în agregatele termice industriale depind în mare măsură de caracteristicile lor fizico-chimice. Un rol determinant în acest sens îl are modul de amestecare a materiilor prime din care se compune reţeta de fabricaţie. Structura produselor refractare depinde de omogenitatea distribuţiei granulelor de somată între acelea de argilă-liant şi influenţează o serie de proprietăţi fizice ca: rezistenţa la şoc termic, la atacul zgurelor, la compresiune. Cunoaştere timpului optim de omogenizare duce la asigurarea calităţii produselor refractare şi la determinarea productivităţii amestecătorului. Spre deosebire de metodele uzuale metoda radiometrică şi autoradiografică arată în mod precis gradul de omogenitate a diverselor componenţi ai masei refractare şi dă indicaţii asupra felului cum s-a distribuit argila-liant în timpul amestecării. Metoda autoradiografică se bazează pe efectuarea autoradiografiei probelor luate din timp în timp din masa marcată, omogenizarea optimă fiind dată de o distribuţie uniformă a particulelor componentului marcat pe autoradiografie. Aceste metode cu indicatori radioactivi s-au aplicat pentru determinare timpului optim de amestecare a materiilor prime refractare, în amestecul Eirich, la fabricaţia produselor de somată. În acest caz având trei componenţi s-au folosit doi radionuclizi unul beta şi altul gama activ, ţinând seama de următoare: - natura şi energia radiaţiilor - timpul de înjumătăţire - combinaţia chimică a radionuclizilor - radionuclizii să rezulte dintr-o reacţie nucleară Utilizarea izotopilor radioactivi la studiul şi controlul uzurii

Consideraţii generale Uzura este un proces ce constă într-o degradare progresivă a suprafeţei unei piese din cauze mecanice, cum ar fi căldura şi frecarea. Ea are urmări nefavorabile asupra capacităţii de funcţionare a pieselor, datorită dereglărilor, jocului între piese, gripările ce le produce şi care pot duce la avarii şi accidente grave. Uzura depinde de mulţi factori ca: - geometria şi stare piesei - materialul din care este construită piesa - presiunea exercitată pe suprafeţele în mişcare - temperatura în locul unde se produce uzura - viteza de mişcare a pieselor - cantitatea şi calitatea lubrifiantului - timpul de funcţionare Cercetările privind uzura se întreprind în următoare scopuri; - determinarea celor mai economice regimuri de funcţionare a maşinilor sau a organelor de maşini - mărirea rezistenţei la uzură a suprafeţelor aflate în mişcare - planificarea cât mai corectă a reparaţiilor - confecţionarea numărului necesar de piese de rezervă - stabilirea celor mai bune medii de ungere - stabilirea gradului de uzură la diferite straturi de lubrifianţi - urmărirea depăşirii gradului admisibil de uzură - cercetarea influenţei prafului care pătrunde în maşină Cercetările privind uzura cuprinde trei domenii: 1 cercetarea uzurii în condiţii de laborator 2 cercetarea uzurii organelor în frecare ale maşinilor în condiţii de exploatare s-au pe bancul de probă 3 cercetarea uzurii sculelor aşchietoare şi neaşchietoare. Procedeele vechi de apreciere a uzurii, cum ar fi cântărirea piesei înainte şi după uzură, care constau în opriri neproductive ale maşinilor, în cheltuieli generate de demontarea şi montarea lor, în variaţii ale uzurii ca urmare a demontării pieselor, de unde rezultă concluzii eronate, fiind necesară şi o aparatură de măsurat costisitoare. Cel mai mare neajuns al vechilor procedee de apreciere a uzurii constă în faptul că aceste fenomene nu puteau fi urmărite în timpul desfăşurării lor. Procedeele noi constau în urmărirea vitezei de uzare a organelor de maşini chiar în timpul funcţionării acestora, ele pot fi de două feluri: Primul procedeu constă în determinarea conţinutului de fier rezultat în urma uzurii în mediul de ungere, probele de ulei fiind analizate pe cale chimică, stabilindu-se astfel conţinutul de fier. Acest procedeu este nesatisfăcător datorită efectuării unor lucrări costisitoare şi de lungă durată. Al doilea procedeu constă în utilizarea izotopilor radioactivi. Utilizarea izotopilor radioactivi nu exclude vechile procedee de cercetare a uzurii, combinarea, în unele cazuri, cu acestea poate duce la rezultate deosebite. Organelor de maşini radioactivate li se desprind particule mici în timpul procesului de uzare, care pot fi regăsite în materialul de ungere. Detectarea se poate face cu ajutorul unui contor care, după numărul de impulsuri ce le dă pe minut indică gradul de uzură în timpul funcţionării maşinii. În cazul maşinilor şi agregatelor cu sistemul de ungere prin circulaţie aparatul de măsurat se poate aşeza favorabil în sistemul de ungere prin circulaţie s-au în apropierea conductei de ulei, putându-se trasa direct diagramele uzurii, după variaţia radioactivităţii înregistrată de contor. Cantitatea de izotop radioactiv, găsită în lubrifiant este proporţională cu uzura. Uzura roţilor dinţate Uzura motoarelor Uzura sculelor aşchietoare Uzura produselor refractare Utilizarea izotopilor radioactivi la studiul şi controlul coroziunii

Procesul de coroziune constă în reacţii chimice sau electrochimice, la limita metal-mediu şi distrugerea superficială sau totală a metalelor sau a aliajelor. Coroziunea este de mai multe feluri: - Coroziune uniformă, când agentul corosiv lucrează simultan şi uniform pe întreaga suprafaţă metalică. - Coroziune locală, agentul corosiv acţionează pe o porţiune restrânsă din suprafaţa metalului. Ea poate progresa rapid în adâncimea materialului putând fi străpuns fără ca acest lucru să se observe la suprafaţă - Coroziune selectivă, când agentul corosiv lucrează numai asupra unor elemente din compoziţia aliajului sau a structurii cristaline. Cauza acestui proces de coroziune şi fenomenul de iniţiere a distrugerii materialului constau în tendinţa metalelor de a forma ioni atunci când vin în contact cu electroliţii şi de a forma combinaţii chimice în contact cu neelectroliţi. Viteza coroziunii este influenţată de următorii factori: - Concentraţia ionilor de hidrogen (pH) - Concentraţia substanţelor oxidante sau a oxigenului - Umiditatea - Temperatura Coroziunea sub influenţa acizilor constă în dizolvarea metalelor în acid. Ea se va produce de la suprafaţa metalului spre interior. Stabilitatea metalului faţă de acid este în mare măsură o caracteristică a proprietăţilor sale anticorozive. Utilizarea izotopilor radioactivi pentru marcare şi numărare Marcarea cu izotopi radioactivi. Pentru a evita confundarea benzilor de oţel de diferite calităţi, laminate la rece, asemănătoare ca aspect exterior, a fost necesară marcarea acestora, astfel încât să fie nedespărţită de banda şi să nu dispară în cadrul diferitelor operaţii tehnologice. Diferite procedee de marcare a metalului cum sunt cele mecanice, magnetice şi electrochimice, s-au dovedit necorespunzătoare pentru acest scop. Tehnica nucleara, prin folosirea izotopilor radioactivi a dat 32 P soluţia definitivă în privinţa marcării acestor benzi de oţel. Astfel folosindu-se un electrod care conţine se aplică, prin scântei electrice, pe banda de oţel câteva semne dinainte stabilite. Benzile de oţel marcate radioactiv se disting între ele prin felul şi energia radiaţiei emise(, sau ), precum şi prin numărul, mărimea şi forma semnelor radioactive de pe produs. Acest procedeu se caracterizează prin simplitatea aplicării şi citirii marcajului în timpul procesului tehnologic şi prin aceea că, în urma acestei marcari, suprafaţa marcată îşi păstrează neschimbate calităţile. Acest procedeu eliberează un mare număr de muncitori care lucrează la controlul calitativ pe diferite faze ale procesului tehnologic. După ce în cursul primei operaţii a procesului tehnologic ale benzilor de oţel s-a făcut marcarea cu 32 P în operaţiile tehnologice următoare constatarea şi descifrarea semnelor radioactive de pe benzile de oţel se efectuează folosind detectoare de radiaţii, pelicule fotografice sau rontgenografice prin autoradiografie. Aparate de numărare pe banda rulantă ce folosesc izotopi radioactivi. Aceste aparate îşi găsesc aplicare în toate ramurile industriale, acolo unde este nevoie de numărat producţia finită sau chiar semifinită. Aparatele de numărat ce funcţionează cu izotopi radioactivi sunt aparate simple şi sigure ca funcţionare. Prin natura lor izotopii radioactivi dau fluxuri de radiaţii radioactive continue. Aparatele de numărat se bazează pe faptul că obiectele care trec pe o bandă rulantă întrerup aceste fluxuri de radiaţii continue.

Pe o parte a benzii rulante, într-un container în formă de ţigară se găseşte o cantitate mică de izotop 90

Sr

radioactiv. Ca izotop radioactive se foloseşte .De cealaltă parte a benzii rulante pe care trec obiectele se găseşte detectorul de radiaţii , cuplat cu numărătorul electro-mecanic. La trecerea unui obiect între sursa radioactivă şi contor, fluxul de radiaţii se întrerupe şi intră în funcţiune numărătorul electro-mecanic. Un asemenea aparat poate număra până la 180 obiecte pe minut. Acest procedeu de numărare prezintă avantaje mult mai mari decât metoda fotoelectrică, întrucât nu mai este necesară aparatura optică şi nici dispozitive, care să ferească de lumină aparatul receptor. Radiaţiile ionizante pot fi periculoase pentru om. La fel cum soarele poate arde pielea, aşa şi radiaţiile ionizante pot cauza daune corpului. Cum se întâmplă acest lucru? În drumul lor, radiaţiile ionizante, care eliberează o cantitate suficientă de energie, pentru a putea îndepărta unul sau mai mulţi electroni din atomii ţesuturilor iradiate, dereglând în consecinţă activitatea lor chimică normală în ţesuturile vii. La un anumit grad de dereglare a acestor procese chimice, celulele vii nu se mai pot regenera pe cale naturală şi rămân permanent dereglate sau mor (în cazul distrugerii ADN-ului). Gradul de severitate al efectelor radiaţiei depinde de: -durata expunerii -intensitatea radiaţiilor -tipul radiaţiilor Expunerea la o doză foarte mare de radiaţii poate conduce în scurt timp la arsuri ale pielii, stări de vomă şi hemoragii interne; organismul nu poate genera celule noi într-un timp foarte scurt. Expunerea îndelungată la doze mai mici de radiaţii poate cauza apariţia cu întârziere a cancerului şi posibil a unor boli ereditare, lucru constatat în special la supravieţuitorii bombardamentelor de la Hiroshima şi Nagasaki. Doza de radiaţii Măsurăm nivelul de radiaţii la care o persoană este expusă şi riscul rezultat în urma expunerii, folosind conceptul de doză, care în termeni simpli, este o măsură a energiei livrate de respectiva radiaţie către ţesutul uman. Cea mai simplă formă de exprimare a dozei este doza absorbită, care se defineşte ca fiind energia absorbită de radiaţie într-un kilogram de ţesut. Unitatea de doză absorbită se exprimă în Joule pe Kilogram (J/kg) şi are denumirea de gray (Gy)Unitatea tolerată de doză absorbită este rad-ul (radiation absorbed dose). 1 Gy = 100 rad. Deoarece o doză absorbită, în cazul unei radiaţii alfa, produce mai multe distrugeri ţesuturilor vii faţă de aceeaşi doză produsă de radiaţiile beta şi gama, doza absorbită se înmulţeşte cu o constantă (care este egală cu 20 pentru radiaţiile alfa şi cu 1 pentru cele gama şi beta), pentru a obţine doza echivalentă. Această doză echivalentă este măsurată în următoarele unităţi – Sievert (Sv) sau rem (1 Sv = 100 rem). Deoarece un 1 Sv reprezintă o doză extrem de ridicată şi, prin urmare, dozele sunt deseori exprimate în mSv (miimi de Sievert). De exemplu, o persoană normală, care nu este expusă unor surse suplimentare naturale sau artificiale de radioactivitate, primeşte o doză a radiaţiei naturale între 2 şi 3 mSv pe an. Sensibilitatea ţesuturilor umane la radiaţie diferă în funcţie de ţesut, de exemplu o doză de 1 Sv la organele de reproducere este mai dăunătoare decât 1 Sv la ficat. Doza efectivă se calculează prin aplicarea factorilor de ponderare la dozele echivalente pentru fiecare organ şi prin însumarea contribuţiilor din diferite organe. Unitatea de măsură pentru doza efectivă este de asemenea sievertul (Sv). Doza efectivă reprezintă suma ponderată a dozelor echivalente, provenite din expunere externă şi internă, efectuată pentru toate ţesuturile şi organele corpului uman. Unitatea de doză efectivă este tot sievert-ul.

Unitatea tolerată de doză echivalentă este rem-ul (röntgen equivalent man). 1 Sv = 100 rem. Exemple de doze Activitate Doza medie mondială din toate sursele Zbor cu avionul dus – întors Europa–SUA Radiografie pulmonară Procedură medicală cu doză ridicată

Doza echivalentă primită de o persoană 2,8 mSv pe an 0,1 mSv 0,1 mSv 5–10 mSv

Căile de contaminare ale organismului uman In situaţia expunerii la doze care depăşesc limitele maxim admise, fie că vorbim de personal care lucrează în mod direct cu sursele de radiaţii sau de persoane afectate în cazul unui accident nuclear efectele asupra sănătăţii acestora depind în mare măsură şi de modul de contaminare. Contaminarea externă se referă la depunerea accidentală pe piele sau îmbrăcăminte a radionuclizilor fixaţi, incluşi sau adsorbiţi pe/în particule de praf. Iradierea organismului rezultă din radiaţiile beta şi gamma ale radionuclizilor contaminanţi care produc arsuri caracteristice, în funcţie de activitatea şi timpul de înjumătăţire fizică a acestora şi de energia radiaţiilor. Acestea pot evolua asemănător cu arsurile produse de orice alt agent fizic sau chimic. Contaminarea internă este dată de pătrunderea accidentală a radionuclizilor în organism prin inhalare, ingestie sau prin piele. Contaminarea internă prin inhalare se datorează prafului sau aerosolilor contaminaţi de căderile radioactive provenite de la testele sau de la accidentele nucleare majore. Gradul de contaminare internă pe această cale depinde de caracteristicile particulelor radioactive (încărcare radioactivă şi electrostatică, mărime, densitate, compoziţie chimică etc.). Contaminarea internă pe cale digestivă se realizează în urma consumării de alimente şi apă contaminate, direct din depuneri sau prin transferul diferitelor substanţe radioactive în interiorul lanţului trofic. Contaminarea prin piele (absorbţie tegumentară), are importanţă redusă; puţini radionuclizi diluaţi în apă pătrund prin tegumentele intacte (cazul celor din grupele alcalinelor şi alcalino-pământoaselor). In primele 12 zile de după accidentul de la Cernobâl, principala cale de contaminare a omului a fost cea prin inhalare, după care ponderea a trecut la cea prin ingestie. In primele 12 zile de după accidentul de la Cernobâl, principala cale de contaminare a omului a fost cea prin inhalare, după care ponderea a trecut la cea prin ingestie. Efectele biologice Radionuclizii pătrunşi în organismul omului pot fi repede detectaţi în sânge, urină (iod 131, cesiu 137) şi fecale (stronţiu 90). Majoritatea radionuclizilor pătrunşi în organism se comportă foarte asemănător cu elementele chimice din care provin sau cu care se aseamănă din punct de vedere al proprietăţilor chimice; astfel ritmul de acumularea şi eliminarea radionuclizilor în şi din om, pot fi calculate suficient de precis cu ajutorul unor modele matematice . Toxicitatea radionuclizilor patrunsi in organism depinde de: activitatea acestora, forma chimică, tipul şi energia radiaţiilor emise, timpii de înjumătăţire fizică şi biologică. În contaminările externe radionuclizii beta emiţători sunt cei mai periculoşi, în contaminările interne cei alfa emiţători, în timp ce radionuclizii gamma emiţători produc iradiere, dar mai redusă, în ambele cazuri.

Radionuclizii pătrunşi în organism, în funcţie de proprietăţile fizice şi chimice (ale elementelor chimice din care fac parte) sunt metabolizaţi diferit, putând fi împărţiţi astfel: transferabili, sunt radionuclizii în combinaţii solubile în mediul biologic, care difuzează cu uşurinţă în organism, precum: hidrogen 3, carbon 14, radiu 226, cesiu 137, cesiu 134, stronţiu 90, stronţiu 89, iod 131 etc., netransferabili, radionuclizii în combinaţii insolubile la orice pH din mediul biologic, practic difuzează puţin sau de loc în corp, chiar dacă au trecut de bariera intestinală. Acesta este cazul plutoniului 239 care are ca organ critic ficatul, unde staţionează ceva timp, după care este eliminat prin urină. Radionuclizii odată ajunşi în sânge, trec în în ţesuturi, unde o parte este fixată ( între 30 şi 70 la sută), cealaltă fiind eliminată prin urină, fecale şi transpiraţie. In funcţie de activitatea metabolică a diverselor ţesuturi, radionuclizii pot fi eliminaţi sau recirculaţi în sânge şi fixaţi din nou. De exemplu, în comparaţie cu stronţiul radioactiv, care odată fixat în sistemul osos nu mai poate fi eliminat cu uşurinţă, cesiul radioactiv care se acumulează în organele moi şi în sistemul muscular, este metabolizat intens, ceea ce permite eliminarea sa mult mai rapidă din organism. Astfel, în cazul unui om adult, dacă stronţiul 90 fixat în sistemul osos se reduce la jumătate abia după cca 7000 zile, cesiul 137 se reduce la jumătate mult mai repede, în 50 – 150 zile. O atenţie deosebită este acordată de specialiştii în radioprotecţie radionuclidului hidrogen 3, numit şi tritiu, cu care se poate contamina mediul, implicit şi omul, în condiţii de funcţionare necorespunzătoare a unei centrale nucleare cu reactor CANDU (cum este şi cea de la Cernavodă). Tritiul este reţinut în organism aproape 100% la pătrunderea pe cale pulmonară, 50% prin pielea intactă şi 100% pe cale digestivă (mai ales din apa contaminată), dar este eliminat repede. Alţi izotopi "ţintesc" anumite organe şi ţesuturi şi au o rată de eliminare mult mai scăzută. De exemplu, glanda tiroidă absoarbe o mare parte din iodul 131 care intră în corpul uman. Dacă sunt inhalate sau înghiţite cantităţi suficiente de iod radioactiv, glandă tiroidă poate fi afectată serios în timp ce alte ţesuturi sunt relativ puţin afectate. Iodul radioactiv este unul din produşii reacţiilor de fisiune nucleară şi a fost unul din componentele majore ale contaminării produse de explozia de la Cernobâl. Acumularea sa în organismele unor copii a dus la multe cazuri de cancer tiroidian la copii din zonele foarte contaminate din Belarus (Gomel). Radioizotopii şi organele lor ţintă Element radioactiv I-131 Sr -90, Pb-210 S-35 H-3 C-14

Organele, ţesuturile afectate Tiroidă Măduva şi suprafaţa oaselor Întreg corpul Fluidele din corp Ţesuturile grase

Activitatea radionuclizilor pătrunşi în organism prin una din căile de contaminare amintite, este proporţională cu cantitatea sau concentraţile existente la intrarea în organism. După ce radionuclizii au intrat în sânge, situaţia devine mai gravă după ce aceştia s-au fixat deja în organele lor "ţintă". In consecinţă, este mult mai important ca în caz de contaminare radioactivă, să se acţioneze rapid pentru limitarea expunerii la respectiva sursă, de exemplu prin îndepărtarea şi izolarea sursei respective, sau prin părăsirea zonei contaminate. Caracterul determinist şi probabilistic sau stochastic al efectelor Odată ce radionuclizii respectivi intră în organismul uman, energia eliberată de radiaţiile ionizante poate fi dăunătoare. In situaţia încasării unei doze mari (6 – 10 Sv) în timp scurt, celulele diferitelor organe pot fi distruse, ducând la moartea persoanei în urma expunerii la radiaţii. La un nivel de expunere mai scăzut, persoana respectivă poate suferi vătămări ireversibile, cum ar fi arsuri profunde cauzate de radiaţii. Dacă expunerea este mai redusă (dar în continuare foarte ridicată în comparaţie cu nivelurile normale) efectele

sunt de natură temporară, cum ar fi înroşirea pielii. Sub un anumit nivel de expunere – numit prag – aceste efecte nu mai apar. Peste acest prag, gravitatea efectelor creşte odată cu doza. Aceste tipuri de efecte se numesc efecte determininiste. Dacă acestea se produc, putem fi siguri că au fost cauzate de radiaţii. Nivelurile de radiaţii mai scăzute – inclusiv nivelurile la care suntem expuşi în mod normal – nu distrug celulele dar pot cauza modificări la nivelul acestora (prin deteriorarea ADN-ului). În multe cazuri, modificările vor fi benigne sau vor putea fi remediate de organism. Cu toate acestea, există posibilitatea ca, ulterior, modificările să devină maligne adică să ducă la apariţia cancerului sau, dacă sunt afectate organele de reproducere, copii persoanei respective pot fi afectaţi. Probabilitatea producerii unor astfel de efecte – cunoscute ca efecte stocastice – creşte odată cu doza, dar nu se poate determina, prin examinarea unei anumite persoane, dacă efectul de care suferă a fost cauzat de radiaţii sau de altceva. Se presupune că orice nivel de expunere, oricât ar fi de mic, implică un risc: la niveluri de expunere foarte scăzute riscul este foarte mic, dar se presupune că nu este zero.