- 2. "α", "β" и "γ" излучения и их характеристика.
- 3. Законы смещения при "α" и "β" распаде.
- X → Y + e 4019 K
- X → Y + e
- Дифференциальная форма закона.
- Интегральная форма закона.
- 5. Период полураспада и его связь с постоянной распада.
- 6. Искусственные радиоактивные изотопы, их виды и характеристика.
- 7. Активность. Её виды, единицы измерения и количественная оценка. Формула активности.
2.14.15.ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА. Элементы ядерной физики Радиоактивность, её особенности, виды и характеристика. Естественные радиоактивные изотопы и их характеристика
 Скачать 147.5 Kb.
|
|
||||||||
Радиоактивность |
|
Естественная. |
Искусственная. |
|
|
|
Не зависит от внешних условий, происходит в естественно встречающихся элементах вещества. Осуществляется за счет естественных радиоактивных изотопов - первичных и вторичных. |
Радиоактивность элементов веществ, созданных человеком, независимо от того, существуют они в природе или нет. |
Оба вида радиоактивности не имеют физических различий и подчиняются одинаковым законам.
Естественные радиоактивные изотопы и их характеристика.
Естественная радиоактивность осуществляется за счёт радиоактивных изотопов.
Изотопы - это разновидность атомов с одинаковыми зарядами ядра, но с разными массовыми числами: H(протий), H (дейтерий), H (тритий).
Естественные радиоактивные изотопы делят на первичные и вторичные.
Первичные - образованы в земной коре при формировании Земли. Сейчас остались только первичные изотопы, имеющие период полураспада
Т > 108 лет. К ним относятся 238U, 232Th, 235U. Распадаясь, эти элементы порождают три соответствующих семейства:
A. Семейство урана - радия.
Уран (238) - родоначальник семейства 238U в результате 14 радиоактивных превращений дает устойчивый изотоп свинца. 206Pb
Б. Семейство тория 232Th(Т = 1,39 · 1010 лет) в результате 10 превращений даёт изотоп свинца. 208Pb
B. Семейство актиния 235U (Т = 7,3 · 108 лет) в результате 11 превращений даёт изотоп свинца. 207Pb
Вторичные – образуются или из первичных изотопов, или под действием первичных изотопов, или под действием космических лучей (протоны, α - частицы, ядра С, N, O2, фотоны).
Особенности:
А. Подчиняются законам динамического равновесия: их образование уравновешивается распадом.
Б. Они включены в состав живых организмов. Большое биологическое значение имеет вторичный изотоп 14С, который образуется из атмосферного азота под действием космических нейтронов. Изотоп углерода 14С в виде СО2 (углекислого газа) усваивается растениями => животными => человеком. При гибели живых растении и животных радиоактивность в них начинает убывать и по степени убыли можно определить возраст различных ископаемых.
2. "α", "β" и "γ" излучения и их характеристика.
Излучение радиоактивных веществ состоит из трёх компонентов:
α-лучи (α - частицы) – ядра гелия He.
| q | = | 2е | = 3,2 · 10-19Кл.
Массовое число А = 4.
Порядковый номер (заряд ядра) Z = 2.
mα = 6,7 · 10-27 кг.
Свойства:
A. Отклоняются электрическим и магнитным полями.
Б. vα cp = 10 - 20000 км/с.
Еα = 1,8 ÷ 11,7 МэВ.
Спектр - линейчатый.
B. Пробег α - частицы зависит от вида среды
в воде - 0, 1 мм
в воздухе - 1 см.
Г. Обладают невысокими проникающими способностями (легко поглощаются тонкими слоями вещества; защитой от него являются лист картона, х/б ткань и т.п.).
Д. Имеют самую большую ионизационную способность из всех видов радиоактивных излучений (30 - 40 тысяч пар ионов на 1 см пути пробега в воздухе).
Е. При прохождении через слой вещества число α - частиц не изменяется, а постепенно изменяется их скорость. Когда толщина слоя достигает определенной величины, α-частицы поглощаются веществом все сразу.
β-лучи (β - частицы) – электроны е или позитроны е.
| qе | = 1,6 · 10-19Кл
me = 9 · 10-31кг
Электроны и позитроны испускаются при ядерных превращениях или образуются при распаде нейтрона. Свойства:
А. Отклоняются электрическим и магнитным полем.
Б. vβ cp ≈ 150000 км/с.
Еβ = 0,018 ÷ 4,8 МэВ.
Спектр - сплошной.
В. Пробег β - частиц в среде зависит от вида среды и энергии β - частиц
в воде - до 1,5 см
в воздухе - до 100 см
Г. Обладают более высокой проникающей способностью, чем α – частицы (защитой от него является слой металла толщиной 3 мм).
Д. Ионизационная способность меньше, чем у α - частиц (300 - 400 пар ионов на 1 см пути пробега в воздухе).
E. Электронный β - распад наблюдается в основном у тех ядер, у которых число нейтронов ( n) больше числа протонов ( P)
Nn > NP .
Позитронный β - распад наблюдается, если число протонов больше числа нейтронов
Nn < NP
Ж. β - частицы больших энергий, взаимодействуя с ядрами атомов, дают тормозное рентгеновское излучение.
γ-излучение - электромагнитное излучение, представляющее собой поток фотонов с высокой энергией (Еф = 1 ÷ 3 МэВ).
Это коротковолновое излучение (λ ≈ 0,1÷ 10-5 нм) возникает как вторичное явление при α и β - распаде. Имеет природу, схожую с природой рентгеновского излучения.
Свойства:
A. Не отклоняется электрическим и магнитным полями.
Б. vγ = vсвета = 3 · 108 м/с.
Еγ = от 10 кэВ до 10 МэВ.
Спектр - линейчатый.
B. Длина пробега γ- лучей в воздухе - до нескольких сот метров.
Г. Обладает очень высокой проникающей способностью (защитой является слой свинца, толщиной 20 см и больше).
Д. Обладает ионизационной способностью меньшей, чем у α и β - лучей (3-4 пары ионов на 1 см пути пробега в воздухе).
В медицине широко используется для лечения глубоко расположенных злокачественных опухолей, в фармации — для стерилизации лекарств и лекарственных смесей.
3. Законы смещения при "α" и "β" распаде.
Законы смещения - это законы, по которым изменяются ядра радиоактивных элементов при "α" и "β" распаде.
При формулировке необходимо учитывать закон сохранения массы и закон сохранения заряда.
Закон сохранения массы: Массовое число исходного продукта должно быть равно сумме массовых чисел продуктов реакции.
Закон сохранения заряда:
Заряд ядра исходного продукта должен быть равен сумме зарядов ядер продуктов реакции.
Закон α - распада.
При α - распаде образуется новое ядро с массовым числом на 4 единицы и порядковым номером на 2 единицы меньше, чем у исходного.
X→He+ A-4Z-2Y
226Ra→He+ 222Rn + γ (фотон имеет энергию Е = 0,188 МэВ)
Особенность: в естественных условиях встречается у элементов с порядковым номером Z > 83.
Законы электронного β - распада - (β-).
При электронном β - распаде образуется новое ядро с тем же массовым числом и порядковым номером на 1 больше, чем у исходного:
X→ Y + e
4019K→ 4020Ca + e- распад изотопа калия с превращением его в кальций
Закон позитронного β - распада (β+)
При позитронном β - распаде образуется новое ядро с тем же массовым числом и порядковым номером на 1 меньше, чем у исходного.
X → Y + e
3015P→ 3014Si + e Распад изотопа фосфора
Следствия из 1, 2 и 3 законов:
α и β - распаду в некоторых случаях сопутствует излучение γ - квантов. Это излучение наблюдается так же при изомерном переходе ядер (из возбужденного в невозбужденное состояние);
(X)* = X + n•γ число γ - квантов
возбужд. невозбужд.
состояние состояние
Электронный захват.
При захвате электрона исходным ядром образуется новое ядро с тем же массовым числом, и порядковым номером на 1 меньше, чем у исходного.
Ядро захватывает электрон с ближайшей к нему оболочки.
ZX + -1e Z-1Y
Be + e → Li
4. Основной закон радиоактивного распада в дифференциальной и интегральной форме.
Радиоактивный распад ядер одного и того же элемента происходит постепенно и с разной скоростью для разных радиоактивных элементов. Нельзя указать заранее момент распада ядра, но можно установить вероятность распада одного ядра за единицу времени. Вероятность распада характеризуется коэффициентом λ - постоянной распада, который зависит только от природы элемента.
Дифференциальная форма закона.
Экспериментально установлено, что:
За равные промежутки времени распадается одинаковая доля наличных (т.е. еще не распавшихся к началу данного промежутка) ядер данного элемента (закон радиоактивного распада).
Пусть:
Nt - наличное количество ядер.
dN - убыль наличного количества атомов;
dt - временной интервал.
dN Nt · dt dN = –λ Nt dt
λ - постоянная распада. Смысл этого коэффициента – вероятность распада ядра в единицу времени.
"–" – говорит о том, что с течением времени количество распадающихся атомов уменьшается.
Следствие № 1:
λ = –dN/(Nt · dt) - относительная скорость радиоактивного распада для данного вещества есть величина постоянная.
Следствие № 2:
dN/dt = – λ · Nt - абсолютная скорость радиоактивного распада пропорциональна количеству нераспавшихся ядер к моменту времени dt. Она не является постоянной, т.к. уменьшатся с течением времени.
Таким образом, дифференциальная форма закона устанавливает зависимость между временным интервалом (dt), постоянной распада λ, числом нераспавшихся ядер в данный момент времени (Nt), числом распавшихся ядер (dN) за временной интервал (dt) (следующий после момента времени (t)).
Интегральная форма закона.
Эта форма устанавливает зависимость числа нераспавшихся ядер в данный момент времени (Nt) от числа ядер в начальный момент времени (No), а так же от времени распада (t) и постоянной распада λ. Интегральная форма получается из дифференциальной.
dN = – λ Nt dt
Разделим переменные:
dN/Nt = – λ dt
Проинтегрируем обе части равенства:
∫ dN/Nt= – λ ∫dt
ln Nt= – λt + C
Nt = С · e-λt - общее решение
Найдем частное решение:
Если t = t0 = 0 Nt = N0
(начало (исходное число
распада) атомов)
N0 =С · e-λ·0 =C · 1 = C
Nt = N0 · e-λt
Nt - число нераспавшихся ядер к моменту времени t;
N0 - исходное число ядер при t = 0;
λ - постоянная распада;
t - время распада
Вывод: Наличное количество не распавшихся атомов исходному количеству и убывает с течением времени по экспоненциальному закону.
Nt
N0
Nt= N0·2 λ1 λ2>λ1 Nt = N0·eλ·t
T21
λ2
0 T1 T2 t [c]
5. Период полураспада и его связь с постоянной распада.
Период полураспада (Т) - это время, в течение которого распадается половина исходного числа радиоактивных ядер.
Он характеризует скорость распада различных элементов.
Основные условия определения "Т":
t = Т - период полураспада.
Nt = No/2 - половина от исходного числя ядер за "Т".
Формулу связи можно получить, если эти условия подставить в интегральную форму закона радиоактивного распада
Nt = N0 · e-λt
1. N0/2 = N0·e-λT
2. ½ = e-λT
3. ½ = e-λT 2 = eλT
4. ln2 = ln eλT ln2 = λT
T = (ln2)/λ
Период полураспада изотопов различается в широких пределах:
238U T = 4,51· 109 лет
60Co T = 5,3 года
24Na T = 15,06 часов
8Li T = 0,89 c
6. Искусственные радиоактивные изотопы, их виды и характеристика.
Искусственная радиоактивность была открыта в 1934 году Ирен и Фредериком Кюри. Они обнаружили, что если долго облучать некоторые вещества α - частицами, то эти вещества сами становятся радиоактивными.
Радиоактивные изотопы (радионуклиды) можно получить при бомбардировке различных веществ протонами, нейтронами, α - частицами, γ - квантами большой энергии. Радиоактивные изотопы изготавливают на ядерных реакторах и в ускорителях заряженных частиц. В настоящее время получены радиоактивные изотопы всех химических элементов, встречающихся в природе. Они активно используются в науке и технике.
Различают 3 основных метода:
-
Метод меченых атомов - использует радиоактивность как сигнал о присутствии данного изотопа. В качестве "метки" используют радионуклиды, которые можно легко обнаружить и измерить, зная их период полураспада, тип и энергию излучения. В качестве радиоактивных меток применяют: 3Н, 14С, 32Р, 35Са, 59Fe, 131I, 95Nb, 60Co, 24Na
Методы, использующие большую проникающую способность радиоактивного излучения – используют для определения структуры молекул.
Методы, использующие действие самого излучения - используют для изучения распределения веществ в системе и пути их перемещения, для выяснения механизма химической реакции, для количественного анализа.
Медицинское применение.
В медицине широко используются радиоактивные изотопы, т.к. они довольно быстро выводятся из организма, относительно недороги и обладают необходимой избирательностью действия. Применяются в диагностике, исследовании и лечении некоторых заболеваний.
Радиоизотопная диагностика - это физический метод применения радиоактивных изотопов для распознавания болезней и изучения функций организма.
Особенности:
A. Очень высокая чувствительность (10-19 гр. вещества)
Б. Высокая специфичность метода (при анализе нельзя спутать 2 изотопа, каждый имеет свой спектр).
B. Возможность применения малых доз изотопа.
Г. Не разрушаемость живого организма.
Д. Простота и точность регистрации.
Виды методов:
Метод разведения. Суть: вводят изотоп в организм в определённой концентрации, берут пробы, сравнивают активность пробы с активностью введённого препарата и судят о разведении изотопа в организме.
Метод изучения скорости введения изотопа. После введения изотопа через некоторое время берут пробы и сравнивают активность; делают вывод, например, о выделительной функции почек.
Метод распределения изотопов (метод меченых атомов). Основан на избирательном скоплении изотопов в отдельных тканях. С помощью специальной аппаратуры определяют топографию и особенности щитовидной железы (131I), определяют скорость кровотока (24Na) и т.д.
Радиоизотопная терапия - совокупность методов лечения заболеваний радиоактивными изотопами. В её основе лежит биологическое действие радиоактивного излучения и избирательное накопление изотопов при их введении внутрь.
A. Для лечения злокачественных опухолей:
60Сo помещается в излучатель специальной формы, и излучение направляется на участок, подлежащий лечению.
198Au вводится в виде коллоидного раствора непосредственно в опухоль. Золото не вступает в биохимическую реакцию с тканями и облучение тканевых клеток продолжается до тех пор, пока сохраняется активность препарата. Лучевого поражения при этом не возникает, т.к. Т = 2,7 суток.
Б. Для лечения болезней крови.
32Р концентрируется в трубчатых костях и, распадаясь, излучает β - частицы, которые облучают костный мозг, что во многих случаях восстанавливает функцию кроветворения.
B. Для лечения кожных и глазных заболеваний.
32Р и 90Sr - фильтрованную бумагу пропитывают раствором радиоактивного изотопа и в целлофановом конверте накладывают на поражённый участок. При распаде изотопы излучают β - частицы, которые не проникают глубоко в организм и не повреждают здоровые ткани.
Г. Для лечения органов пищеварения, дыхания, воздействия на кожу.
222Rn вводится внутрь с помощью иглы, распадаясь, излучает α - частицы. Дополнительные пути воздействия - через ванны, питьё, ингаляции.
7. Активность. Её виды, единицы измерения и количественная оценка. Формула активности.
На практике основное значение имеет общее число распадов, происходящих в источнике радиоактивного излучения за единицу времени => количественно меру распада определяют активностью радиоактивного вещества.
Активность (А) зависит от скорости распада "λ" и от наличного числа ядер (т.е. от массы изотопа).
"А" - это абсолютная скорость распада изотопа в данном источнике.
3 варианта записи формулы активности:
А. Из закона радиоактивного распада в дифференциальной форме следует:
dN = – λ Ntdt – dN/dt = λ Nt A = λ Nt A = – dN/dt
(абсолютная скорость
р/акт. распада)
Б. Из закона радиоактивного распада в интегральной форме следует:
Nt = N0 · e-λt
1. A = λ Nt
} λ Nt/A = λ N0 e-λt/A0
2. λ N0 = A0 исходная активность при t = 0
3. A =A0 · e-λt убыль активности идет по экспоненциальному закону
В. При использовании формулы связи постоянной распада "λ" с периодом полураспада "Т" следует:
T = (ln2)/λ
1. λ = (ln2)/T Nt λ/A = Nt ln2/T
2. A = Nt ln2/T
Единицы измерения активности:
А. Системные единицы измерения.
A = dN/dt
1[расп/с] = 1[Бк] – беккерель
1Мрасп/с =106 расп/с = 1 [Рд] - резерфорд
Б. Внесистемные единицы измерения.
[Ки] - кюри (соответствует активности 1г радия).
1[Ки] = 3,7 · 1010[расп/с] - в 1г радия за 1с распадается 3,7· 106 радиоактивных ядер.
Виды активности:
Удельная - это активность единицы массы вещества.
Ауд. = dA/dm [Бк/кг].
Её используют для характеристики активности порошкообразных и газообразных радиоактивных веществ.
Объёмная - это активность в единице объёма вещества или среды.
Аоб = dA/dV [Бк/м3]
Её используют для характеристики активности жидких радиоактивных веществ.
На практике убыль активности измеряется с помощью специальных радиометрических приборов. Например, зная активность препарата и продукта, образующегося при распаде 1 ядра, можно вычислить, сколько частиц каждого вида испускает препарат за 1 секунду.
Если при делении одного ядра образуется n штук нейтронов, то за 1с испускается поток нейтронов "N". N = n · А.