Wzór na rozpad jądrowy. Okres półtrwania pierwiastków promieniotwórczych – co to jest i jak się go określa? Formuła półtrwania

Historia badań nad radioaktywnością rozpoczęła się 1 marca 1896 roku, kiedy słynny francuski naukowiec przypadkowo odkrył dziwność w promieniowaniu soli uranu. Okazało się, że klisze fotograficzne znajdujące się w tym samym pudełku z próbką były prześwietlone. Było to spowodowane dziwnym, silnie przenikliwym promieniowaniem, jakie posiada uran. Właściwość tę stwierdzono w najcięższych pierwiastkach tworzących układ okresowy. Nadano mu nazwę „radioaktywność”.

Podaj charakterystykę promieniotwórczości

Proces ten polega na spontanicznej przemianie atomu izotopu pierwiastka w inny izotop z jednoczesnym uwolnieniem cząstek elementarnych (elektronów, jąder atomów helu). Przemiana atomów okazała się spontaniczna, nie wymagająca pochłaniania energii z zewnątrz. Główną wielkością charakteryzującą proces uwalniania energii podczas tego procesu jest aktywność.

Aktywność próbki promieniotwórczej to prawdopodobna liczba rozpadów danej próbki w jednostce czasu. Międzynarodowa jednostka miary nazywa się bekerel (Bq). 1 bekerel to aktywność próbki, w której średnio następuje 1 rozpad na sekundę.

A=λN, gdzie λ jest stałą rozpadu, N jest liczbą aktywnych atomów w próbce.

Występują rozpady α, β, γ. Odpowiednie równania nazywane są regułami przemieszczenia:

Przedział czasu w radioaktywności

Dla tego konkretnego atomu nie można określić momentu rozpadu cząstki. Dla niego jest to bardziej „wypadek” niż wzór. Wydzielanie energii charakteryzujące ten proces definiuje się jako aktywność próbki.

Zauważono, że zmienia się to w czasie. Chociaż poszczególne elementy wykazują niesamowitą stałość stopnia promieniowania; istnieją substancje, których aktywność spada kilkakrotnie w dość krótkim czasie. Niesamowita różnorodność! Czy w tych procesach można znaleźć wzór?

Ustalono, że istnieje czas, w którym rozpadowi ulega dokładnie połowa atomów danej próbki. Ten przedział czasu nazywany jest „okresem półtrwania”. Jaki jest sens wprowadzenia tego pojęcia?

pół życia?

Wydaje się, że w czasie równym okresowi rozpada się dokładnie połowa wszystkich aktywnych atomów danej próbki. Ale czy to oznacza, że w ciągu dwóch okresów półtrwania wszystkie aktywne atomy ulegną całkowitemu rozkładowi? Zupełnie nie. Po pewnym momencie pozostaje połowa próbki pierwiastki radioaktywne, po tym samym czasie kolejna połowa pozostałych atomów rozpada się i tak dalej. W tym przypadku promieniowanie pozostaje długi czas, znacznie przekraczający okres półtrwania. Oznacza to, że aktywne atomy pozostają w próbce niezależnie od promieniowania

Okres półtrwania to wartość zależna wyłącznie od właściwości danej substancji. Wartość tej wielkości została wyznaczona dla wielu znanych izotopów promieniotwórczych.

Tabela: „Okres półtrwania rozpadu poszczególnych izotopów”

Nazwa	Przeznaczenie	Rodzaj rozkładu	Pół życia
			0,001 sekundy


		beta, gamma
		alfa, gamma
		alfa, gamma	4,5 miliarda lat

Okres półtrwania określono doświadczalnie. Podczas badań laboratoryjnych aktywność jest mierzona wielokrotnie. Od próbek laboratoryjnych rozmiary minimalne(bezpieczeństwo badacza jest najważniejsze), eksperyment prowadzony jest w różnych odstępach czasu, wielokrotnie powtarzany. Opiera się na schemacie zmian aktywności substancji.

W celu określenia okresu półtrwania mierzy się aktywność danej próbki w określonych odstępach czasu. Biorąc pod uwagę fakt, że parametr ten jest powiązany z liczbą rozpadających się atomów, należy skorzystać z prawa rozpad radioaktywny, określić okres półtrwania.

Przykładowa definicja izotopu

Niech liczba aktywnych pierwiastków badanego izotopu będzie wynosić ten moment czas to N, przedział czasu, w którym przeprowadzana jest obserwacja t 2 - t 1, gdzie czasy rozpoczęcia i zakończenia obserwacji są dość zbliżone. Załóżmy, że n jest liczbą atomów, które rozpadły się w danym przedziale czasu, wówczas n = KN(t 2 - t 1).

W tym wyrażeniu K = 0,693/T½ jest współczynnikiem proporcjonalności, zwanym stałą zaniku. T½ to okres półtrwania izotopu.

Przyjmijmy, że przedział czasu wynosi jeden. W tym przypadku K = n/N wskazuje, jaka część obecnych jąder izotopów ulega rozpadowi w jednostce czasu.

Znając wartość stałej rozpadu, można również wyznaczyć okres półtrwania rozpadu: T½ = 0,693/K.

Wynika z tego, że w jednostce czasu rozpada się nie pewna liczba aktywnych atomów, ale pewna ich część.

Prawo rozpadu promieniotwórczego (LDC)

Okres półtrwania jest podstawą ZRR. Wzór został wyprowadzony przez Frederico Soddiego i Ernesta Rutherforda na podstawie wyników badań eksperymentalnych w 1903 roku. Zaskakujące jest, że wielokrotne pomiary, przeprowadzone przy użyciu przyrządów dalekich od doskonałości, w warunkach z początku XX wieku, dały dokładny i rozsądny wynik. Stało się podstawą teorii radioaktywności. Wyprowadźmy zapis matematyczny prawa rozpadu promieniotwórczego.

Niech N 0 będzie liczbą aktywnych atomów w danym czasie. Po upływie czasu t N elementów pozostanie nieuszkodzonych.

W czasie równym okresowi półtrwania pozostanie dokładnie połowa aktywnych pierwiastków: N=N 0 /2.

Po kolejnym okresie półtrwania w próbce pozostają: N=N 0 /4=N 0 /2 2 aktywne atomy.

Po czasie równym kolejnemu okresowi półtrwania w próbce pozostanie tylko: N=N 0 /8=N 0 /2 3 .

Do czasu upływu n okresów półtrwania w próbce pozostanie N=N 0 /2 n aktywnych cząstek. W tym wyrażeniu n=t/T½: stosunek czasu badania do okresu półtrwania.

ZRR ma nieco inne podejście wyrażenie matematyczne, wygodniejszy w rozwiązywaniu problemów: N=N 0 2 - t/ T½.

Wzór pozwala określić, oprócz okresu półtrwania, liczbę atomów aktywnego izotopu, które nie uległy rozpadowi w danym czasie. Znając liczbę atomów próbki na początku obserwacji, po pewnym czasie można określić żywotność tego preparatu.

Wzór na prawo rozpadu promieniotwórczego pomaga określić okres półtrwania tylko wtedy, gdy dostępne są pewne parametry: liczba aktywnych izotopów w próbce, co jest dość trudne do ustalenia.

Konsekwencje prawa

Wzór ZPP można zapisać wykorzystując pojęcia aktywności i masy atomów leku.

Aktywność jest proporcjonalna do liczby atomów radioaktywnych: A=A 0,2 -t/T. We wzorze tym A 0 jest aktywnością próbki w początkowym momencie, A jest aktywnością po t sekundach, T jest okresem półtrwania.

Masę substancji można wykorzystać według następującego wzoru: m=m 0,2 -t/T

W dowolnym jednakowym czasie rozpada się absolutnie taka sama proporcja atomów radioaktywnych obecnych w danym preparacie.

Granice stosowania prawa

Prawo ma charakter statystyczny w każdym sensie, określający procesy zachodzące w mikrokosmosie. Oczywiste jest, że okres półtrwania pierwiastków promieniotwórczych jest wartością statystyczną. Probabilistyczny charakter zdarzeń w jądrach atomowych sugeruje, że dowolne jądro może rozpaść się w dowolnym momencie. Nie da się przewidzieć zdarzenia, można jedynie określić jego prawdopodobieństwo w danym momencie. W konsekwencji okres półtrwania jest bez znaczenia:

dla pojedynczego atomu;
dla próbki o minimalnej masie.

Żywotność atomu

Istnienie atomu w jego pierwotnym stanie może trwać sekundę, a może miliony lat. Nie ma też potrzeby mówić o czasie życia tej cząstki. Wprowadzając wartość równą średniemu czasowi życia atomów, można mówić o istnieniu atomów izotopu promieniotwórczego i konsekwencjach rozpadu promieniotwórczego. Okres półtrwania jądra atomu zależy od właściwości danego atomu i nie zależy od innych wielkości.

Czy można rozwiązać problem: jak znaleźć okres półtrwania, znając średni czas życia?

Nie mniej pomocny przy wyznaczaniu okresu półtrwania jest wzór na zależność średniego czasu życia atomu od stałej rozpadu.

τ= T 1/2 /ln2= T 1/2 /0,693=1/ λ.

W tym zapisie τ to średni czas życia, λ to stała zaniku.

Stosowanie okresu półtrwania

Wykorzystanie ZRR do określenia wieku poszczególnych próbek stało się powszechne w badaniach pod koniec XX wieku. Dokładność datowania artefaktów kopalnych poprawiła się tak bardzo, że może zapewnić wgląd w długość życia sięgającą tysiącleci p.n.e.

Próbki kopalnych substancji organicznych opierają się na zmianach aktywności węgla-14 (radioaktywnego izotopu węgla), obecnego we wszystkich organizmach. Dostaje się do żywego organizmu podczas metabolizmu i jest w nim zawarty w określonym stężeniu. Po śmierci metabolizm ze środowiskiem ustaje. Stężenie węgla radioaktywnego spada w wyniku naturalnego rozkładu, a aktywność maleje proporcjonalnie.

Jeśli istnieje taka wartość jak okres półtrwania, wzór na prawo rozpadu promieniotwórczego pomaga określić czas od momentu, w którym organizm przestaje funkcjonować.

Łańcuchy transformacji radioaktywnych

Badania radioaktywności przeprowadzono w warunkach laboratoryjnych. Niesamowita zdolność pierwiastki promieniotwórcze pozostają aktywne godzinami, dniami, a nawet latami, nie mogły nie wywołać zaskoczenia wśród fizyków początku XX wieku. Badaniom na przykład nad torem towarzyszył nieoczekiwany wynik: w zamkniętej ampułce jego aktywność była znacząca. Przy najlżejszym oddechu upadła. Wniosek okazał się prosty: przemianie toru towarzyszy wydzielanie radonu (gazu). Wszystkie pierwiastki w procesie radioaktywności przekształcają się w zupełnie inną substancję, różniącą się zarówno właściwościami fizycznymi, jak i chemicznymi. Substancja ta z kolei jest również niestabilna. Obecnie znane są trzy serie podobnych przekształceń.

Znajomość takich przemian jest niezwykle istotna przy ustalaniu czasu niedostępności stref skażonych w wyniku badań atomowych, jądrowych lub katastrof. Okres półtrwania plutonu – w zależności od jego izotopu – waha się od 86 lat (Pu 238) do 80 milionów lat (Pu 244). Stężenie każdego izotopu daje wyobrażenie o okresie dezynfekcji terytorium.

Najdroższy metal

Wiadomo, że w naszych czasach istnieją metale znacznie droższe niż złoto, srebro i platyna. Należą do nich pluton. Co ciekawe, pluton powstający w procesie ewolucji nie występuje w przyrodzie. Większość pierwiastków otrzymuje się w warunkach laboratoryjnych. Działanie plutonu-239 reaktor nuklearny dał mu szansę stać się obecnie niezwykle popularnym. Uzyskanie wystarczającej ilości tego izotopu do wykorzystania w reaktorach sprawia, że jest on praktycznie bezcenny.

Pluton-239 otrzymywany jest w warunkach naturalnych w wyniku łańcucha przemian uranu-239 w neptun-239 (okres półtrwania - 56 godzin). Podobny łańcuch umożliwia gromadzenie plutonu w reaktorach jądrowych. Szybkość pojawiania się wymaganej ilości przekracza naturalną miliardy razy.

Zastosowania energetyczne

Można dużo mówić o wadach energii nuklearnej i o „dziwactwach” ludzkości, która wykorzystuje niemal każde odkrycie do zniszczenia własnego gatunku. Odkrycie plutonu-239, który może brać udział, umożliwiło wykorzystanie go jako źródła pokojowej energii. Uran-235, będący analogiem plutonu, jest niezwykle rzadki na Ziemi; wyizolowanie go od niego jest znacznie trudniejsze niż uzyskanie plutonu.

Wiek Ziemi

Analiza radioizotopowa izotopów pierwiastków promieniotwórczych daje dokładniejsze wyobrażenie o czasie życia konkretnej próbki.

Korzystając z łańcucha przemian „uran – tor” zawartego w skorupa Ziemska, pozwala określić wiek naszej planety. Podstawą tej metody jest średni udział procentowy tych pierwiastków w całej skorupie ziemskiej. Według najnowszych danych wiek Ziemi wynosi 4,6 miliarda lat.

PRACA LABORATORYJNA nr 19

BADANIE PRAWA ROZPADU PROMIENIOTWÓRCZEGO

I SPOSOBY OCHRONY PRZED PROMIENIOWANIEM RADIOAKTYWNYM

Cel pracy : 1) badanie prawa rozpadu promieniotwórczego; 2) badanie prawa absorpcji promieni g i b przez materię.

Cele pracy : 1) definicja współczynniki liniowe absorpcja promieniowania radioaktywnego z różnych materiałów; 2) określenie grubości warstwy półtłumiącej tych materiałów; 3) wyznaczanie okresu półtrwania i stałej rozpadu pierwiastka chemicznego.

Środki wspierające : Komputer z systemem Windows.

CZĘŚĆ TEORETYCZNA

Wstęp

Skład jądra atomowego

Jądro dowolnego atomu składa się z dwóch rodzajów cząstek - protonów i neutronów. Proton to jądro najprostszego atomu – wodoru. Ma ładunek dodatni, równy ładunkowi elektronu i masę 1,67 × 10-27 kg. Neutron, którego istnienie stwierdził dopiero w 1932 roku Anglik James Chadwick, jest elektrycznie obojętny, a jego masa jest prawie taka sama jak protonu. Neutrony i protony, które są dwoma elementami składowymi jądra atomowego, nazywane są wspólnie nukleonami. Liczba protonów w jądrze (lub nuklidzie) nazywana jest liczbą atomową i jest oznaczona literą Z. Całkowita liczba nukleonów, tj. neutrony i protony, oznaczone literą A i zwane liczbą masową. Pierwiastki chemiczne są zwykle oznaczane symbolem lub, gdzie X jest symbolem pierwiastka chemicznego.

Radioaktywność

Zjawisko promieniotwórczości polega na spontanicznej (spontanicznej) przemianie jąder niektórych pierwiastki chemiczne do jąder innych pierwiastków emitujących promieniowanie radioaktywne.

Jądra ulegające takiemu rozpadowi nazywane są radioaktywnymi. Jądra, które nie ulegają rozpadowi radioaktywnemu, nazywane są stabilnymi. W procesie rozpadu zmienia się zarówno liczba atomowa Z, jak i liczba masowa A jądra.

Przekształcenia radioaktywne zachodzą samoistnie. Na prędkość ich przepływu nie mają wpływu zmiany temperatury i ciśnienia, obecność pól elektrycznych i magnetycznych, rodzaj związku chemicznego danego pierwiastka promieniotwórczego oraz stan jego skupienia.

Rozpad promieniotwórczy charakteryzuje się czasem jego wystąpienia, rodzajem i energiami emitowanych cząstek, a w przypadku ucieczki kilku cząstek z jądra także względnymi kątami pomiędzy kierunkami emisji cząstek. Historycznie rzecz biorąc, radioaktywność jest pierwszym procesem jądrowym odkrytym przez człowieka (A. Becquerel, 1896).

Rozróżnia się radioaktywność naturalną i sztuczną.

Naturalna radioaktywność występuje w niestabilnych jądrach, które istnieją naturalne warunki. Sztuczna jest radioaktywność jąder powstałych w wyniku różnych reakcji jądrowych. Nie ma zasadniczej różnicy między radioaktywnością sztuczną i naturalną. Mają wspólne wzorce.

Możliwe i faktycznie obserwowane są cztery główne typy radioaktywności w jądrach atomowych: a-rozpad, b-rozpad, g-rozpad i spontaniczne rozszczepienie.

Zjawisko rozpadu a polega na tym, że ciężkie jądra spontanicznie emitują cząstki a (jądra helu 2 H 4). W tym przypadku liczba masowa jądra zmniejsza się o cztery jednostki, a liczba atomowa o dwie:

Z X A® Z -2 Y A-4 + 2 H 4 .

Cząstka a składa się z czterech nukleonów: dwóch neutronów i dwóch protonów.

W procesie rozpadu promieniotwórczego jądro może emitować nie tylko cząstki wchodzące w jego skład, ale także nowe cząstki, które powstają w procesie rozpadu. Procesy tego rodzaju to rozpady b i g.

Koncepcja rozpadu b łączy w sobie trzy rodzaje przemian jądrowych: rozpad elektronu (b -), rozpad pozytonu (b +) i wychwyt elektronów.

Zjawisko rozpadu b polega na tym, że jądro samoistnie emituje elektron e - oraz najlżejszą elektrycznie obojętną cząstkę antyneutrino, przechodząc do jądra o tej samej liczbie masowej A, ale o liczbie atomowej Z, ale o jeden większej niż jeden:

Z X A ® Z +1 Y A + e - + .

Należy podkreślić, że elektron emitowany podczas rozpadu b nie jest powiązany z elektronami orbitalnymi. Rodzi się w samym jądrze: jeden z neutronów zamienia się w proton i jednocześnie emituje elektron.

Innym rodzajem rozpadu b jest proces, w którym jądro emituje pozyton e + i inną najlżejszą elektrycznie obojętną cząstkę, neutrino n. W tym przypadku jeden z protonów zamienia się w neutron:

Z X A ® Z -1 Y A + e + +n.

Rozpad ten nazywany jest rozpadem pozytonowym lub b+.

Do zakresu zjawisk rozpadu b zalicza się także wychwyt elektronów (często nazywany również wychwytem K), podczas którego jądro absorbuje jeden z elektronów powłoki atomowej (zwykle z powłoki K), emitując neutrino. W tym przypadku, podobnie jak w przypadku rozpadu pozytonu, jeden z protonów zamienia się w neutron:

e - + Z X A ® Z -1 Y A +n.

Promieniowanie G obejmuje fale elektromagnetyczne, którego długość jest znacznie mniejsza niż odległości międzyatomowe:

gdzie d - jest rzędu 10 -8 cm. Na obrazie korpuskularnym promieniowanie to jest strumieniem cząstek zwanym kwantami g. Dolna granica energii kwantów g

mi= 2p s/l

jest rzędu kilkudziesięciu keV. Nie ma naturalnego górnego limitu. Nowoczesne akceleratory wytwarzają kwanty o energiach do 20 GeV.

Rozpad jądra z emisją promieniowania g pod wieloma względami przypomina emisję fotonów przez wzbudzone atomy. Podobnie jak atom, jądro może znajdować się w stanie wzbudzonym. Po przejściu do stanu o niższej energii, czyli stanu podstawowego, jądro emituje foton. Ponieważ promieniowanie g nie niesie ładunku, podczas rozpadu g nie następuje przemiana jednego pierwiastka chemicznego w drugi.

Podstawowe prawo rozpadu promieniotwórczego

Rozpad radioaktywny jest zjawiskiem statystycznym: nie da się przewidzieć, kiedy dane niestabilne jądro ulegnie rozpadowi, można jedynie dokonać pewnych probabilistycznych ocen tego zdarzenia. Dla dużego zbioru jąder promieniotwórczych można otrzymać prawo statystyczne wyrażające zależność jąder nierozłożonych od czasu.

Niech jądra rozpadną się w wystarczająco krótkim odstępie czasu. Liczba ta jest proporcjonalna do przedziału czasu, a także całkowitej liczby jąder radioaktywnych:

gdzie jest stałą rozpadu, proporcjonalną do prawdopodobieństwa rozpadu jądra promieniotwórczego i różną dla różnych substancje radioaktywne. Znak „-” umieszczony jest dlatego, że< 0, так как число не распавшихся радиоактивных ядер убывает со временем.

Rozdzielmy zmienne i całkujmy (1) biorąc pod uwagę, że dolne granice całkowania odpowiadają warunkom początkowym (w , gdzie jest początkowa liczba jąder promieniotwórczych), a górne granice odpowiadają wartościom bieżącym oraz :

(2)

Wyrażenie wzmacniające (3) mamy

To jest to podstawowe prawo rozpadu promieniotwórczego: liczba nierozłożonych jąder promieniotwórczych maleje z czasem zgodnie z prawem wykładniczym.

Rysunek 1 przedstawia krzywe rozpadu 1 i 2, odpowiadające substancjom o różnych stałych rozpadu (λ 1 > λ 2), ale o tej samej początkowej liczbie jąder promieniotwórczych. Linia 1 odpowiada bardziej aktywnemu elementowi.

W praktyce zamiast stałej rozpadu częściej stosuje się inną cechę izotopu promieniotwórczego - pół życia . Jest to czas, w którym rozpada się połowa jąder radioaktywnych. Oczywiście ta definicja obowiązuje dla wystarczająco dużej liczby rdzeni. Rysunek 1 pokazuje, jak za pomocą krzywych 1 i 2 można znaleźć okresy półtrwania jąder: narysuj linię prostą równoległą do osi odciętych przez punkt rzędnych, aż przetnie się ona z krzywymi. Odcięte punktów przecięcia linii prostej i linii 1 i 2 podają okresy półtrwania T 1 i T 2.

(8)

Zatem im więcej jąder radioaktywnych i im krótszy okres półtrwania, tym większa aktywność leku. Aktywność leku maleje z czasem zgodnie z prawem wykładniczym.

Jednostka aktywności – bekerel(Bq), co odpowiada aktywności nuklidu w źródle promieniotwórczym, w którym w ciągu 1 sekundy następuje jeden rozpad.

Najczęściej stosowaną jednostką aktywności jest curie(Ci): 1 Ki = 3,7 × 10 10 s -1, poza tym istnieje jeszcze jedna pozasystemowa jednostka aktywności - Rutherforda(Рд): 1 Рд = 10 6 Bq = 10 6 s -1

Aby scharakteryzować aktywność jednostkowej masy źródła promieniotwórczego, wielkość tzw specyficzna masowa działalność I równy stosunkowi aktywność izotopu na jego masę. Specyficzną aktywność masową wyraża się w bekerelach na kilogram ().

Powiązana informacja.

Radioaktywność

Promieniowanie jonizujące

Skutki promieniowania

Ziemia znajduje się pod ciągłym wpływem przepływu szybkich cząstek i twardych kwantów promieniowanie elektromagnetyczne pochodzi z kosmosu. Strumień ten nazywany jest promieniami kosmicznymi. Promienie kosmiczne pochodzą z głębi wszechświata i ze Słońca. Część strumienia promieniowania kosmicznego dociera do powierzchni Ziemi, a część jest pochłaniana przez atmosferę, wytwarzając promieniowanie wtórne i prowadząc do powstania różnych radionuklidów. Oddziaływanie promieni kosmicznych z materią prowadzi do jej jonizacji.

Nazywa się przepływ cząstek lub kwantów elektromagnetycznych, których oddziaływanie z ośrodkiem prowadzi do jonizacji jego atomów promieniowanie jonizujące.

Promieniowanie jonizujące może być również pochodzenia ziemskiego. Na przykład występują podczas rozpadu radioaktywnego.

Zjawisko promieniotwórczości odkrył w 1896 roku A. Becquerel.

Radioaktywność - zdolność niektórych jąder atomowych do spontanicznego (spontanicznego) przekształcania się w inne jądra wraz z emisją cząstek.

Istnieją dwa rodzaje radioaktywności:

Naturalny, który występuje w naturalnych niestabilnych jądrach;

Sztuczny, który znajduje się w jądrach radioaktywnych powstałych w wyniku różnych reakcji jądrowych.

Obydwa typy radioaktywności mają wspólne wzorce.

Rozpad promieniotwórczy jest zjawiskiem statystycznym. Można zainstalować prawdopodobieństwo rozpad jednego jądra w określonym czasie. W równych okresach czasu równe udziały dostępnych (tj. jeszcze nierozpadniętych na początku danego okresu) jąder pierwiastka promieniotwórczego rozpadają się.

Niech to nastąpi w krótkim czasie dt rozpada się dN rdzenie. Liczba ta jest proporcjonalna do przedziału czasu dt i całkowitą liczbę jąder radioaktywnych N:

gdzie λ - stała zaniku, proporcjonalna do prawdopodobieństwa rozpadu jądra promieniotwórczego i zależna od charakteru pierwiastka; wskazuje znak „-”. malejące liczba jąder radioaktywnych.

Rozwiązaniem równania różniczkowego (12.23) jest: funkcja wykładnicza:

Gdzie N 0- liczba jąder radioaktywnych w danej chwili t = 0, A N- liczba nierozłożonych jąder w ten moment czas T.

Wzór (12.24) wyraża prawo rozpadu promieniotwórczego.

Liczba jąder promieniotwórczych maleje w czasie zgodnie z prawem wykładniczym.

W praktyce zamiast stałej zaniku A często stosuje się inną wielkość, tzw pół życia.

Okres półtrwania (T)- jest to czas, w którym ulega rozpadowi połowa jądra radioaktywne.

Okres półtrwania może być bardzo długi lub bardzo krótki. Na przykład w przypadku uranu T = 4,5 10 9 lat i dla litu T Li = 0,89 sek.

Charakterystyka rozpadu T i λ są powiązane zależnością:

Prawo rozpadu promieniotwórczego z wykorzystaniem okresu półtrwania jest zapisane w następujący sposób:

Na ryc. Rysunek 12.7 przedstawia procesy rozpadu radioaktywnego dwóch substancji o różnych okresach półtrwania.

Ryż. 12.7. Zmniejszenie liczby jąder substancji pierwotnej podczas rozpadu radioaktywnego

Prawa rozpadu promieniotwórczego jąder

Zdolność jąder do samoistnego rozpadu, emitując cząstki, nazywa się radioaktywnością. Rozpad promieniotwórczy jest procesem statystycznym. Każde jądro promieniotwórcze może rozpadać się w dowolnym momencie, a wzór obserwuje się jedynie średnio, w przypadku rozpadu odpowiednio dużej liczby jąder.
Stały zanikλ jest prawdopodobieństwem rozpadu jądrowego w jednostce czasu.
Jeżeli w chwili t w próbce znajduje się N jąder radioaktywnych, to liczba jąder dN, które uległy rozpadowi w czasie dt, jest proporcjonalna do N.

dN = -λNdt. (13.1)

Całkując (1) otrzymujemy prawo rozpadu promieniotwórczego

N(t) = N 0 mi -λt. (13.2)

N 0 to liczba jąder radioaktywnych w chwili t = 0.
Średni czas życia τ –

. (13.3)

Pół życia T 1/2 - czas, w którym początkowa liczba jąder promieniotwórczych zmniejszy się o połowę

T 1/2 = ln2/λ=0,693/λ = τln2. (13.4)

Działalność A - średnia liczba jąder rozpadających się w jednostce czasu

A(t) = λN(t). (13.5)

Aktywność mierzy się w curie (Ci) i bekerelach (Bq)

1 Ki = 3,7*10 10 rozpadów/s, 1 Bq = 1 rozpad/s.

Rozpad pierwotnego jądra 1 na jądro 2, a następnie jego rozpad na jądro 3, opisuje układ równań różniczkowych

(13.6)

gdzie N 1 (t) i N 2 (t) to liczba jąder, a λ 1 i λ 2 to stałe rozpadu odpowiednio jąder 1 i 2. Rozwiązanie układu (6) z warunkami początkowymi N 1 (0) = N 10 ; N 2 (0) = 0 będzie

, (13,7a)

. (13.7b)

Rysunek 13. 1

Liczba rdzeni 2 osiąga maksymalną wartość przy .

Jeśli λ2< λ 1 (), суммарная активностьN 1 (t)λ 1 + N 2 (t)λ 2 будет монотонно уменьшаться.
Jeśli λ 2 > λ 1 ()), całkowita aktywność początkowo wzrasta w wyniku akumulacji jąder 2.
Jeśli λ 2 >> λ 1 , w dostatecznie długich czasach udział drugiego wykładnika w (7b) staje się pomijalny w porównaniu z udziałem pierwszego i aktywności drugiego A 2 = λ 2 N 2 i pierwszych izotopów A 1 = λ 1 N 1 są prawie równe . W przyszłości aktywność zarówno pierwszego, jak i drugiego izotopu będzie się zmieniać w czasie w ten sam sposób.

ZA 1 (t) = N 10 λ 1 = N 1 (t) λ 1 = ZA 2 (t) = N 2 (t) λ 2 .(13.8)

Czyli tzw odwieczna równowaga, w którym liczba jąder izotopowych w łańcuchu rozpadu jest powiązana ze stałymi rozpadu (okresami półtrwania) prostą zależnością.

. (13.9)

Dlatego w stanie naturalnym wszystkie izotopy spokrewnione genetycznie w szeregi radioaktywne zwykle występują w określonych stosunkach ilościowych, w zależności od ich okresów półtrwania.
W ogólnym przypadku, gdy istnieje łańcuch rozpadów 1 → 2 →... n, proces ten opisuje układ równań różniczkowych

dN ja /dt = -λ ja N ja + λ i-1 N i-1 .(13.10)

Rozwiązanie układu (10) dla działań z warunkami początkowymi N 1 (0) = N 10 ; N ja (0) = 0 będzie

(13.12)

Liczba pierwsza oznacza, że w iloczynie znajdującym się w mianowniku pomija się czynnik o i = m.

Izotopy

IZOTOPY– odmiany tego samego pierwiastka chemicznego, które mają podobne właściwości fizykochemiczne, ale różnią się masami atomowymi. Nazwę „izotopy” zaproponował w 1912 roku angielski radiochemik Frederick Soddy, tworząc ją z dwóch greckich słów: isos – identyczny i topos – miejsce. Izotopy zajmują to samo miejsce w komórce układ okresowy Elementy Mendelejewa.

Atom dowolnego pierwiastka chemicznego składa się z dodatnio naładowanego jądra i otaczającej go chmury ujemnie naładowanych elektronów ( cm.Również JĄDRO ATOMU). Położenie pierwiastka chemicznego w układzie okresowym Mendelejewa (jego liczba atomowa) zależy od ładunku jądra jego atomów. Izotopy nazywane są zatem odmianami tego samego pierwiastka chemicznego, których atomy mają ten sam ładunek jądrowy (a zatem praktycznie takie same powłoki elektronowe), ale różnią się wartościami mas jądrowych. Według przenośnego wyrażenia F. Soddy'ego atomy izotopów są takie same „na zewnątrz”, ale różne „wewnątrz”.

Neutron został odkryty w 1932 r – cząstka nie posiadająca ładunku, o masie zbliżonej do masy jądra atomu wodoru – proton , w rezultacie powstał protonowo-neutronowy model jądra, nauka ustaliła ostateczną współczesną definicję pojęcia izotopów: izotopy to substancje, których jądra atomowe składają się z tej samej liczby protonów i różnią się jedynie liczbą neutronów w. jądro . Każdy izotop jest zwykle oznaczony zestawem symboli, gdzie X to symbol pierwiastka chemicznego, Z to ładunek jądra atomowego (liczba protonów), A to liczba masowa izotopu ( Łączna nukleony - protony i neutrony w jądrze, A = Z + N). Ponieważ wydaje się, że ładunek jądra jest jednoznacznie powiązany z symbolem pierwiastka chemicznego, często używa się po prostu zapisu A X w skrócie.

Ze wszystkich znanych nam izotopów tylko izotopy wodoru mają swoje własne nazwy. Zatem izotopy 2H i 3H nazywane są deuterem i trytem i są oznaczone odpowiednio jako D i T (izotop 1H jest czasami nazywany protem).

Występuje w przyrodzie w postaci trwałych izotopów , i niestabilny - radioaktywny, którego jądra atomów ulegają samoistnej przemianie w inne jądra z emisją różnych cząstek (lub procesami tzw. rozpadu promieniotwórczego). Obecnie znanych jest około 270 izotopów stabilnych, a izotopy stabilne występują tylko w pierwiastkach o liczbie atomowej Z Ј 83. Liczba izotopów niestabilnych przekracza 2000, zdecydowana większość z nich została otrzymana sztucznie w wyniku różnych reakcji jądrowych. Liczba radioaktywnych izotopów wielu pierwiastków jest bardzo duża i może przekraczać dwa tuziny. Liczba stabilnych izotopów jest znacznie mniejsza. Niektóre pierwiastki chemiczne składają się tylko z jednego stabilnego izotopu (beryl, fluor, sód, glin, fosfor, mangan, złoto i szereg innych pierwiastków). Największa liczba stabilne izotopy - 10 znaleziono w cynie, na przykład w żelazie jest ich 4, w rtęci - 7.

Odkrycie izotopów, tło historyczne. W 1808 roku angielski przyrodnik John Dalton po raz pierwszy wprowadził definicję pierwiastka chemicznego jako substancji składającej się z atomów tego samego typu. W 1869 roku chemik D.I. Mendelejew odkrył okresowe prawo pierwiastków chemicznych. Jedną z trudności w uzasadnieniu koncepcji pierwiastka jako substancji zajmującej określone miejsce w komórce układu okresowego były zaobserwowane eksperymentalnie niecałkowite masy atomowe pierwiastków. W 1866 roku angielski fizyk i chemik Sir William Crookes wysunął hipotezę, że każdy naturalny pierwiastek chemiczny jest pewną mieszaniną substancji o identycznych właściwościach, ale różnych masach atomowych, ale wówczas takie założenie jeszcze nie obowiązywało. potwierdzenie eksperymentalne i dlatego nie zostało długo zauważone.

Ważnym krokiem w kierunku odkrycia izotopów było odkrycie zjawiska radioaktywności i hipoteza rozpadu promieniotwórczego sformułowana przez Ernsta Rutherforda i Fredericka Soddy'ego: radioaktywność to nic innego jak rozpad atomu na cząstkę naładowaną i atom innego pierwiastka , różniący się właściwościami chemicznymi od pierwotnego. W rezultacie zrodził się pomysł serii radioaktywnych lub rodzin radioaktywnych , na początku którego znajduje się pierwszy pierwiastek macierzysty, czyli radioaktywny, a na końcu ostatni pierwiastek stabilny. Analiza łańcuchów przemian wykazała, że w trakcie ich przebiegu w jednej komórce układu okresowego mogą pojawić się te same pierwiastki promieniotwórcze, różniące się jedynie masami atomowymi. W rzeczywistości oznaczało to wprowadzenie pojęcia izotopów.

Samodzielne potwierdzenie istnienia stabilnych izotopów pierwiastków chemicznych uzyskano następnie w doświadczeniach J. J. Thomsona i Astona w latach 1912–1920 z wiązkami cząstek dodatnio naładowanych (tzw. wiązkami kanałowymi ) wydobywającego się z rury wylotowej.

W 1919 roku Aston zaprojektował instrument zwany spektrografem mas (lub spektrometrem mas). . Jako źródło jonów nadal używano rury wyładowczej, ale Aston znalazł metodę, w której sekwencyjne ugięcie wiązki cząstek w ładunkach elektrycznych i elektrycznych pola magnetyczne doprowadziło do skupienia cząstek o tym samym stosunku ładunku do masy (niezależnie od ich prędkości) w tym samym punkcie ekranu. Wraz z Astonem w tych samych latach powstał spektrometr masowy o nieco innej konstrukcji, autorstwa amerykańskiego Dempstera. W wyniku późniejszego stosowania i udoskonalania spektrometrów mas, dzięki wysiłkom wielu badaczy, do 1935 r. pełny stół składy izotopowe wszystkich znanych wówczas pierwiastków chemicznych.

Metody rozdziału izotopów. Aby zbadać właściwości izotopów, a zwłaszcza ich wykorzystanie do celów naukowych i stosowanych, konieczne jest uzyskanie ich w mniej lub bardziej zauważalnych ilościach. W konwencjonalnych spektrometrach mas osiąga się prawie całkowite rozdzielenie izotopów, lecz ich ilość jest zaniedbywalnie mała. Dlatego wysiłki naukowców i inżynierów miały na celu poszukiwanie innych możliwe metody separacja izotopów. Przede wszystkim opanowano fizykochemiczne metody rozdziału, bazujące na różnicach we właściwościach izotopów tego samego pierwiastka, takich jak szybkości parowania, stałe równowagi, reakcje chemiczne i tak dalej. Najbardziej efektywne były wśród nich metody rektyfikacji i wymiany izotopów, które znajdują szerokie zastosowanie w przemysłowej produkcji izotopów pierwiastków lekkich: wodoru, litu, boru, węgla, tlenu i azotu.

Kolejną grupę metod stanowią tzw. metody kinetyki molekularnej: dyfuzja gazu, dyfuzja termiczna, dyfuzja masowa (dyfuzja w strumieniu pary), wirowanie. Metody dyfuzji gazowej, oparte na różnych szybkościach dyfuzji składników izotopowych w silnie rozproszonych ośrodkach porowatych, zostały wykorzystane podczas II wojny światowej do zorganizowania przemysłowej produkcji separacji izotopów uranu w Stanach Zjednoczonych w ramach tzw. Projektu Manhattan mającego na celu utworzenie bomba atomowa. Aby uzyskać wymagane ilości uranu wzbogaconego do 90% w lekki izotop 235 U, główny „palny” składnik bomby atomowej, zbudowano zakłady zajmujące obszar około czterech tysięcy hektarów. Na utworzenie centrum atomowego z zakładami do produkcji wzbogaconego uranu przeznaczono ponad 2 miliardy dolarów. Po wojnie opracowano i rozwinięto zakłady do produkcji wzbogaconego uranu do celów wojskowych, również w oparciu o metodę separacji dyfuzyjnej. zbudowany w ZSRR. W ostatnie lata metoda ta ustąpiła miejsca skuteczniejszej i tańszej metodzie wirowania. W metodzie tej efekt rozdziału mieszaniny izotopowej uzyskuje się poprzez różne działanie sił odśrodkowych na składniki mieszaniny izotopowej wypełniającej wirnik wirówki, który stanowi cienkościenny cylinder ograniczony od góry i od dołu, obracający się z prędkością bardzo duża prędkość. wysoka prędkość w komorze próżniowej. Setki tysięcy wirówek połączonych kaskadami, z których każdy wirnik wykonuje ponad tysiąc obrotów na sekundę, są obecnie stosowane w nowoczesnych instalacjach separacyjnych zarówno w Rosji, jak i w innych krajach. kraje rozwinięte pokój. Wirówki służą nie tylko do produkcji wzbogaconego uranu potrzebnego do zasilania reaktorów jądrowych elektrowni jądrowych, ale także do produkcji izotopów około trzydziestu pierwiastków chemicznych ze środkowej części układu okresowego. Do oddzielania różnych izotopów stosuje się również jednostki separacji elektromagnetycznej z silnymi źródłami jonów, w ostatnich latach powszechne stały się również metody separacji laserowej.

Zastosowanie izotopów. Szeroko stosowane są różne izotopy pierwiastków chemicznych badania naukowe w różnych dziedzinach przemysłu i rolnictwa, w energetyce nuklearnej, współczesnej biologii i medycynie, w badaniach środowisko i inne obszary. W badaniach naukowych (na przykład w analizie chemicznej) z reguły potrzebne są niewielkie ilości rzadkich izotopów różnych pierwiastków, obliczane w gramach, a nawet miligramach rocznie. Jednocześnie w przypadku szeregu izotopów szeroko stosowanych w energetyce jądrowej, medycynie i innych gałęziach przemysłu zapotrzebowanie na ich produkcję może sięgać wielu kilogramów, a nawet ton. Tak więc, ze względu na zastosowanie ciężkiej wody D 2 O w reaktorach jądrowych, jej światowa produkcja na początku lat 90. ubiegłego wieku wynosiła około 5000 ton rocznie. Izotop wodoru, deuter, będący częścią ciężkiej wody, której stężenie w naturalnej mieszaninie wodoru wynosi zaledwie 0,015%, wraz z trytem, staną się w przyszłości, zdaniem naukowców, głównym składnikiem paliwa energii termojądrowej reaktory działające w oparciu o reakcje syntezy jądrowej. W tym przypadku zapotrzebowanie na produkcję izotopów wodoru będzie ogromne.

W badaniach naukowych izotopy stabilne i radioaktywne są szeroko stosowane jako wskaźniki izotopowe (znaczniki) w badaniu różnorodnych procesów zachodzących w przyrodzie.

W rolnictwo izotopy („znakowane” atomy) wykorzystywane są m.in. do badania procesów fotosyntezy, strawności nawozów, a także do określania efektywności wykorzystania przez rośliny azotu, fosforu, potasu, pierwiastków śladowych i innych substancji.

Technologie izotopowe mają szerokie zastosowanie w medycynie. I tak, według statystyk, w USA dziennie wykonuje się ponad 36 tysięcy zabiegów medycznych i około 100 milionów badań laboratoryjnych z wykorzystaniem izotopów. Do najczęściej stosowanych zabiegów zalicza się tomografię komputerową. Izotop węgla C13 wzbogacony do 99% (zawartość naturalna ok. 1%) jest aktywnie wykorzystywany w tzw. „diagnostycznej kontroli oddechu”. Istota testu jest bardzo prosta. Wzbogacony izotop wprowadzany jest do pożywienia pacjenta i po wzięciu udziału w procesie metabolicznym w różnych narządach organizmu uwalnia się w postaci wydychanego przez pacjenta dwutlenku węgla CO 2, który jest zbierany i analizowany za pomocą spektrometru. Różnice w szybkości procesów związanych z uwalnianiem różnych ilości dwutlenku węgla znakowanego izotopem C 13 pozwalają ocenić stan poszczególnych narządów pacjenta. W USA liczbę pacjentów poddawanych temu badaniu szacuje się na 5 milionów rocznie. Obecnie metody separacji laserowej są wykorzystywane do produkcji wysoko wzbogaconego izotopu C13 na skalę przemysłową.

Powiązana informacja.

1. Radioaktywność. Podstawowe prawo rozpadu promieniotwórczego. Działalność.

2. Główne rodzaje rozpadu promieniotwórczego.

3. Ilościowa charakterystyka oddziaływania promieniowania jonizującego z materią.

4. Promieniotwórczość naturalna i sztuczna. Seria radioaktywna.

5. Zastosowanie radionuklidów w medycynie.

6. Akceleratory cząstek naładowanych i ich zastosowanie w medycynie.

7. Biofizyczne podstawy działania promieniowania jonizującego.

8. Podstawowe pojęcia i wzory.

9. Zadania.

Zainteresowanie lekarzy radioaktywnością naturalną i sztuczną wynika z następujących przyczyn.

Po pierwsze, wszystkie żywe istoty są stale narażone na naturalne promieniowanie tła, które stanowi promieniowanie kosmiczne, promieniowanie pierwiastków promieniotwórczych znajdujących się w powierzchniowych warstwach skorupy ziemskiej oraz promieniowanie pierwiastków dostających się do organizmu zwierząt wraz z powietrzem i pożywieniem.

Po drugie, promieniowanie radioaktywne wykorzystywane jest w samej medycynie do celów diagnostycznych i terapeutycznych.

33.1. Radioaktywność. Podstawowe prawo rozpadu promieniotwórczego. Działalność

Zjawisko radioaktywności odkrył w 1896 roku A. Becquerel, który zaobserwował spontaniczną emisję nieznanego promieniowania z soli uranu. Wkrótce E. Rutherford i Curie ustalili, że podczas rozpadu radioaktywnego emitowane są jądra He (cząstki α), elektrony (cząstki β) i twarde promieniowanie elektromagnetyczne (promienie γ).

W 1934 r. odkryto rozpad z emisją pozytonów (rozpad β+), a w 1940 r. odkryto nowy rodzaj promieniotwórczości – spontaniczne rozszczepienie jąder: jądro rozszczepialne rozpada się na dwa fragmenty o porównywalnej masie przy jednoczesnej emisji neutronów i γ -kwanty. Protonową radioaktywność jąder zaobserwowano w 1982 roku.

Radioaktywność - zdolność niektórych jąder atomowych do spontanicznego (spontanicznego) przekształcania się w inne jądra wraz z emisją cząstek.

Jądra atomowe składają się z protonów i neutronów, które mają ogólną nazwę - nukleony. Określa liczbę protonów w jądrze Właściwości chemiczne atom i jest oznaczony przez Z (to jest numer seryjny pierwiastek chemiczny). Nazywa się liczbą nukleonów w jądrze Liczba masowa i oznacz A. Jądra o tej samej liczbie atomowej i różnych liczbach masowych są nazywane izotopy. Wszystkie izotopy jednego pierwiastka chemicznego mają ten sam Właściwości chemiczne. Właściwości fizyczne izotopy mogą się znacznie różnić. Do oznaczenia izotopów należy zastosować symbol pierwiastka chemicznego posiadający dwa indeksy: A Z X. Dolny indeks to numer seryjny, górny to liczba masowa. Często indeks dolny jest pomijany, ponieważ jest oznaczony przez sam symbol elementu. Na przykład piszą 14 C zamiast 14 6 C.

Zdolność jądra do rozpadu zależy od jego składu. Ten sam pierwiastek może mieć zarówno izotopy stabilne, jak i radioaktywne. Na przykład izotop węgla 12 C jest stabilny, ale izotop 14 C jest radioaktywny.

Rozpad promieniotwórczy jest zjawiskiem statystycznym. Charakteryzuje się zdolnością izotopu do rozpadu stała zanikuλ.

Stały zanik- prawdopodobieństwo, że jądro danego izotopu ulegnie rozpadowi w jednostce czasu.

Prawdopodobieństwo rozpadu jądrowego w krótkim czasie dt oblicza się ze wzoru

Biorąc pod uwagę wzór (33.1) otrzymujemy wyrażenie określające liczbę rozpadających się jąder:

Formuła (33.3) nazywana jest główną prawo rozpadu promieniotwórczego.

Liczba jąder radioaktywnych maleje z czasem zgodnie z prawem wykładniczym.

W praktyce zamiast tego stała zanikuλ często używana jest inna wielkość, tzw pół życia.

Pół życia(T) - czas w jakim zanika połowa jądra radioaktywne.

Prawo rozpadu promieniotwórczego z wykorzystaniem okresu półtrwania jest zapisane w następujący sposób:

Wykres zależności (33.4) pokazano na ryc. 33.1.

Okres półtrwania może być bardzo długi lub bardzo krótki (od ułamków sekundy do wielu miliardów lat). W tabeli Rysunek 33.1 pokazuje okresy półtrwania niektórych pierwiastków.

Ryż. 33.1. Zmniejszenie liczby jąder substancji pierwotnej podczas rozpadu radioaktywnego

Tabela 33.1. Okresy półtrwania niektórych pierwiastków

Dla stawki stopień radioaktywności izotop wykorzystuje specjalną ilość zwaną działalność.

Działalność - liczba jąder leku radioaktywnego rozpadającego się w jednostce czasu:

Jednostką aktywności w układzie SI jest bekerel(Bq), 1 Bq odpowiada jednemu zdarzeniu zaniku na sekundę. W praktyce więcej

dziecinna, niesystemowa jednostka działania - curie(Ci), równa aktywności 1 g 226 Ra: 1 Ci = 3,7x10 10 Bq.

Z biegiem czasu aktywność maleje w taki sam sposób, jak maleje liczba nierozłożonych jąder:

33.2. Główne rodzaje rozpadu promieniotwórczego

W procesie badania zjawiska radioaktywności odkryto 3 rodzaje emitowanych promieni jądra radioaktywne, które nazywane są promieniami α, β i γ. Później odkryto, że cząstki α i β są iloczynami dwójki różne rodzaje rozpad radioaktywny, a produktem ubocznym tych procesów są promienie γ. Ponadto promienie γ towarzyszą bardziej złożonym przemianom jądrowym, które nie są tutaj brane pod uwagę.

Rozpad alfa polega na spontanicznej transformacji jąder wraz z emisjąα -cząstki (jądra helu).

Schemat rozpadu α jest zapisany jako

gdzie X, Y są odpowiednio symbolami jądra matki i córki. Pisząc o rozpadzie α, możesz napisać „He” zamiast „α”.

Podczas tego rozpadu liczba atomowa Z pierwiastka zmniejsza się o 2, a liczba masowa A - o 4.

Podczas rozpadu α jądro potomne z reguły powstaje w stanie wzbudzonym i po przejściu do stanu podstawowego emituje kwant γ. Ogólną właściwością złożonych mikroobiektów jest to, że mają oddzielny zespół stanów energetycznych. Dotyczy to również jąder. Dlatego promieniowanie γ ze wzbudzonych jąder ma dyskretne widmo. W konsekwencji widmo energii cząstek α wynosi oddzielny.

Energia emitowanych cząstek α dla prawie wszystkich izotopów α-aktywnych mieści się w przedziale 4-9 MeV.

Rozpad beta polega na spontanicznej transformacji jąder z emisją elektronów (lub pozytonów).

Ustalono, że rozpadowi β towarzyszy zawsze emisja cząstki neutralnej – neutrina (lub antyneutrina). Cząstka ta praktycznie nie oddziałuje z materią i nie będzie dalej rozpatrywana. Energia uwalniana podczas rozpadu beta jest rozdzielana losowo pomiędzy cząstkę beta i neutrino. Dlatego widmo energii promieniowania β jest ciągłe (ryc. 33.2).

Ryż. 33.2. Widmo energetyczne rozpadu β

Istnieją dwa rodzaje rozpadu β.

1. Elektroniczny Rozpad β - - polega na przekształceniu jednego neutronu jądrowego w proton i elektron. W tym przypadku pojawia się kolejna cząstka ν” – antyneutrino:

Z jądra wylatują elektron i antyneutrino. Schemat rozpadu elektronu β zapisano w postaci

Podczas elektronicznego rozpadu β liczba porządkowa pierwiastka Z wzrasta o 1, ale liczba masowa A nie ulega zmianie.

Energia cząstek β mieści się w przedziale 0,002-2,3 MeV.

2. Pozytonowy Rozpad β+ polega na przekształceniu jednego protonu jądrowego w neutron i pozyton. W tym przypadku pojawia się kolejna cząstka ν – neutrino:

Samo wychwytywanie elektronów nie powoduje wytwarzania cząstek jonizujących, ale tak się dzieje towarzyszy promieniowanie rentgenowskie. Promieniowanie to występuje, gdy przestrzeń zwolniona w wyniku absorpcji elektronu wewnętrznego zostaje wypełniona elektronem z orbity zewnętrznej.

Promieniowanie gamma ma naturę elektromagnetyczną i reprezentuje fotony o długości faliλ ≤ 10 -10 m.

Promieniowanie gamma nie jest niezależnym rodzajem rozpadu promieniotwórczego. Promieniowanie tego typu prawie zawsze towarzyszy nie tylko rozpadowi α i β, ale także bardziej złożonemu reakcje jądrowe. Nie ulega odchyleniu od pól elektrycznych i magnetycznych, ma stosunkowo słabą zdolność jonizującą i bardzo wysoką zdolność penetracji.

33.3. Ilościowa charakterystyka oddziaływania promieniowania jonizującego z materią

Wpływ promieniowania radioaktywnego na organizmy żywe wiąże się z jonizacja, które powoduje w tkankach. Zdolność cząstki do jonizacji zależy zarówno od jej rodzaju, jak i energii. Gdy cząstka wnika głębiej w materię, traci swoją energię. Proces ten nazywa się hamowanie jonizacji.

Aby ilościowo scharakteryzować oddziaływanie naładowanej cząstki z materią, stosuje się kilka wielkości:

Gdy energia cząstki spadnie poniżej energii jonizacji, jej działanie jonizujące ustanie.

Średni przebieg liniowy(R) naładowanej cząstki jonizującej - droga, jaką przebywa ona w substancji, zanim utraci zdolność jonizującą.

Spójrzmy na niektóre cechy oddziaływania różnych rodzajów promieniowania z materią.

Promieniowanie alfa

Cząstka alfa praktycznie nie odbiega od początkowego kierunku swojego ruchu, gdyż jej masa jest wielokrotnie większa

Ryż. 33.3. Zależność gęstości liniowej jonizacji od drogi, jaką przebywa cząstka α w ośrodku

masa elektronu, z którym oddziałuje. Gdy wnika głęboko w substancję, gęstość jonizacji najpierw wzrasta i kiedy zakończenie przebiegu (x = R) spada gwałtownie do zera (ryc. 33.3). Wyjaśnia to fakt, że wraz ze spadkiem prędkości ruchu wzrasta czas przebywania w pobliżu cząsteczki (atomu) ośrodka. W tym przypadku wzrasta prawdopodobieństwo jonizacji. Gdy energia cząstki α stanie się porównywalna z energią molekularnego ruchu termicznego, wychwytuje ona dwa elektrony w substancji i zamienia się w atom helu.

Elektrony powstałe w procesie jonizacji z reguły oddalają się od toru cząstek α i powodują jonizację wtórną.

Charakterystykę oddziaływania cząstek α z wodą i tkankami miękkimi przedstawiono w tabeli. 33.2.

Tabela 33.2. Zależność charakterystyki oddziaływania z materią od energii cząstek α

Promieniowanie beta

Do ruchu β -cząstki w materii charakteryzują się krzywoliniową, nieprzewidywalną trajektorią. Wynika to z równości mas oddziałujących cząstek.

Charakterystyka interakcji β -cząstki z wodą i tkankami miękkimi przedstawiono w tabeli. 33.3.

Tabela 33.3. Zależność charakterystyki oddziaływania z materią od energii cząstek β

Podobnie jak cząstki α, zdolność jonizacji cząstek β wzrasta wraz ze spadkiem energii.

Promieniowanie gamma

Wchłanianie γ -promieniowanie przez materię podlega prawu wykładniczemu podobnemu do prawa absorpcji promieniowania rentgenowskiego:

Główne procesy odpowiedzialne za wchłanianie γ -promieniowanie to efekt fotoelektryczny i rozpraszanie Comptona. W wyniku tego powstaje stosunkowo niewielka liczba wolnych elektronów (jonizacja pierwotna), które mają bardzo wysoką energię. Powodują procesy jonizacji wtórnej, która jest nieporównywalnie większa od pierwotnej.

33,4. Naturalne i sztuczne

radioaktywność. Seria radioaktywna

Warunki naturalny I sztuczny radioaktywność jest warunkowa.

Naturalny nazywana radioaktywnością izotopów występujących w przyrodzie lub radioaktywnością izotopów powstałych w wyniku procesów naturalnych.

Na przykład radioaktywność uranu jest naturalna. Naturalna jest także radioaktywność węgla 14 C, który powstaje w górnych warstwach atmosfery pod wpływem promieniowania słonecznego.

Sztuczny nazywana radioaktywnością izotopów powstających w wyniku działalności człowieka.

Jest to radioaktywność wszystkich izotopów wytwarzanych w akceleratorach cząstek. Obejmuje to również radioaktywność gleby, wody i powietrza, która występuje podczas wybuchu atomowego.

Naturalna radioaktywność

W początkowym okresie badań radioaktywności badacze mogli wykorzystywać jedynie naturalne radionuklidy (izotopy promieniotwórcze) zawarte w skałach ziemnych w wystarczających ilościach. duże ilości: 232 Th, 235 U, 238 U. Trzy serie radioaktywne zaczynają się od tych radionuklidów, a kończą na stabilnych izotopach Pb. Następnie odkryto serię zaczynającą się od 237 Np, a końcowym stabilnym jądrem 209 Bi. Na ryc. Rysunek 33.4 przedstawia rząd rozpoczynający się od 238 U.

Ryż. 33,4. Seria uranowo-radowa

Elementy tej serii są głównym źródłem wewnętrznego promieniowania człowieka. Na przykład 210 Pb i 210 Po dostają się do organizmu z pożywieniem - gromadzą się w rybach i skorupiakach. Obydwa te izotopy kumulują się w porostach i dlatego są obecne w mięsie reniferów. Najważniejszym ze wszystkich naturalnych źródeł promieniowania jest 222 Rn – ciężki gaz obojętny powstały w wyniku rozpadu 226 Ra. Stanowi około połowę dawki naturalne promieniowanie otrzymany przez osobę. Gaz ten powstający w skorupie ziemskiej przedostaje się do atmosfery i przedostaje się do wody (jest wysoce rozpuszczalny).

W skorupie ziemskiej stale występuje radioaktywny izotop potasu 40 K, który wchodzi w skład naturalnego potasu (0,0119%). Pierwiastek ten pochodzi z gleby poprzez system korzeniowy roślinami i pokarmami roślinnymi (zboża, świeże warzywa i owoce, grzyby) - do organizmu.

Kolejnym źródłem promieniowania naturalnego jest promieniowanie kosmiczne (15%). Jego intensywność wzrasta na obszarach górskich ze względu na zmniejszenie ochronnego działania atmosfery. Źródła naturalnego promieniowania tła zestawiono w tabeli. 33,4.

Tabela 33.4. Składnik naturalnego tła promieniotwórczego

33,5. Zastosowanie radionuklidów w medycynie

Radionuklidy nazywane są radioaktywnymi izotopami pierwiastków chemicznych o krótkim okresie półtrwania. Takie izotopy nie występują w przyrodzie, dlatego są uzyskiwane sztucznie. We współczesnej medycynie radionuklidy są szeroko stosowane w celach diagnostycznych i terapeutycznych.

Aplikacja diagnostyczna opiera się na selektywnej akumulacji określonych pierwiastków chemicznych przez poszczególne narządy. Na przykład jod koncentruje się w tarczycy, a wapń w kościach.

Wprowadzenie do organizmu radioizotopów tych pierwiastków umożliwia wykrycie obszarów ich koncentracji za pomocą promieniowania radioaktywnego i uzyskanie w ten sposób ważnych informacji diagnostycznych. Ta metoda diagnostyczna nazywa się metodą znakowanego atomu.

Zastosowanie terapeutyczne radionuklidów opiera się na destrukcyjnym działaniu promieniowania jonizującego na komórki nowotworowe.

1. Terapia gamma- zastosowanie wysokoenergetycznego promieniowania γ (źródło 60 Co) do niszczenia głęboko położonych guzów. Aby zapobiec narażeniu powierzchniowych tkanek i narządów na szkodliwe działanie, ekspozycję na promieniowanie jonizujące przeprowadza się w różnych sesjach w różnych kierunkach.

2. Terapia alfa- zastosowanie lecznicze cząstki α. Cząsteczki te charakteryzują się znaczną liniową gęstością jonizacji i są pochłaniane przez nawet niewielką warstwę powietrza. Dlatego terapeutyczny

Zastosowanie promieni alfa możliwe jest poprzez bezpośredni kontakt z powierzchnią narządu lub podanie wewnętrzne (za pomocą igły). W przypadku narażenia powierzchniowego stosuje się terapię radonem (222 Rn): narażenie przez skórę (kąpiele), narządy trawienne (picie) i narządy oddechowe (inhalacja).

W niektórych przypadkach zastosowanie lecznicze α -cząstki są związane z wykorzystaniem strumienia neutronów. Metodą tą w pierwszej kolejności do tkanki (guza) wprowadzane są pierwiastki, których jądra pod wpływem neutronów emitują α -cząstki. Następnie chory narząd naświetla się strumieniem neutronów. W ten sposób α -cząstki powstają bezpośrednio wewnątrz narządu, na który powinny działać destrukcyjnie.

Tabela 33.5 przedstawia charakterystykę niektórych radionuklidów stosowanych w medycynie.

Tabela 33.5. Charakterystyka izotopów

33,6. Akceleratory cząstek naładowanych i ich zastosowanie w medycynie

Akcelerator- instalacja, w której pod wpływem pól elektrycznych i magnetycznych powstają ukierunkowane wiązki naładowanych cząstek o dużej energii (od setek keV do setek GeV).

Akceleratory tworzą wąski wiązki cząstek o danej energii i małym przekroju. Dzięki temu możesz zapewnić skierowany wpływ na napromieniowane obiekty.

Zastosowanie akceleratorów w medycynie

Akceleratory elektronów i protonów znajdują zastosowanie w medycynie w radioterapii i diagnostyce. Wykorzystuje się w tym przypadku zarówno same przyspieszone cząstki, jak i towarzyszące im promieniowanie rentgenowskie.

Rentgen Bremsstrahlunga uzyskuje się poprzez skierowanie wiązki cząstek na specjalny cel, będący źródłem promieni rentgenowskich. Promieniowanie to różni się od lampy rentgenowskiej znacznie wyższą energią kwantową.

Synchrotronowe promieniowanie rentgenowskie zachodzi podczas przyspieszania elektronów w akceleratorach pierścieniowych – synchrotronach. Takie promieniowanie ma wysoki stopień kierunkowości.

Bezpośrednie działanie szybkich cząstek wiąże się z ich dużą zdolnością penetracji. Cząsteczki takie przechodzą przez tkanki powierzchniowe, nie powodując poważnych uszkodzeń, a na końcu swojej podróży działają jonizująco. Dobierając odpowiednią energię cząstek, możliwe jest zniszczenie nowotworów na danej głębokości.

Obszary zastosowania akceleratorów w medycynie przedstawiono w tabeli. 33,6.

Tabela 33.6. Zastosowanie akceleratorów w terapii i diagnostyce

33,7. Biofizyczne podstawy działania promieniowania jonizującego

Jak wspomniano powyżej, wpływ promieniowania radioaktywnego na układy biologiczne jest związany z jonizacja cząsteczek. Proces oddziaływania promieniowania z komórkami można podzielić na trzy kolejne etapy (etapy).

1. Etap fizyczny składa się z transfer energii promieniowanie na cząsteczki układu biologicznego, powodujące ich jonizację i wzbudzenie. Czas trwania tego etapu wynosi 10 -16 -10 -13 s.

2. Fizykochemiczne etap ten składa się z różnego rodzaju reakcji prowadzących do redystrybucji nadmiaru energii wzbudzonych cząsteczek i jonów. W rezultacie bardzo aktywny

produkty: rodniki i nowe jony z szeroki zasięg właściwości chemiczne.

Czas trwania tego etapu wynosi 10 -13 -10 -10 s.

3. Etap chemiczny - jest to oddziaływanie rodników i jonów ze sobą oraz z otaczającymi cząsteczkami. Na tym etapie powstają różnego rodzaju uszkodzenia strukturalne, prowadzące do zmian we właściwościach biologicznych: zaburzona zostaje struktura i funkcje błon; zmiany zachodzą w cząsteczkach DNA i RNA.

Czas trwania etapu chemicznego wynosi 10 -6 -10 -3 s.

4. Etap biologiczny. Na tym etapie uszkodzenie cząsteczek i struktur subkomórkowych prowadzi do różnych zaburzeń funkcjonalnych, do przedwczesnej śmierci komórki w wyniku działania mechanizmów apoptotycznych lub na skutek martwicy. Uszkodzenia otrzymane na etapie biologicznym można odziedziczyć.

Czas trwania etapu biologicznego waha się od kilku minut do kilkudziesięciu lat.

Zwróćmy uwagę na ogólne wzorce etapu biologicznego:

Duże zaburzenia o niskiej pochłoniętej energii (śmiertelna dawka promieniowania dla człowieka powoduje nagrzanie organizmu zaledwie o 0,001°C);

Wpływ na kolejne pokolenia poprzez dziedziczny aparat komórkowy;

Charakteryzuje się ukrytym, utajonym okresem;

Różne części komórek mają różną wrażliwość na promieniowanie;

Przede wszystkim wpływa to na dzielące się komórki, co jest szczególnie niebezpieczne dla organizmu dziecka;

Szkodliwy wpływ na tkanki dorosłego organizmu, w którym następuje podział;

Podobieństwo zmian radiacyjnych z patologią wczesnego starzenia się.

33,8. Podstawowe pojęcia i wzory

Kontynuacja tabeli

33,9. Zadania

1. Jaka jest aktywność leku, jeśli w ciągu 10 minut rozpadnie się 10 000 jąder tej substancji?

4. Wiek starożytnych próbek drewna można w przybliżeniu określić na podstawie specyficznej aktywności masowej zawartego w nich izotopu 14 6 C. Ile lat temu ścięto drzewo, z którego wykonano przedmiot, jeśli specyficzna aktywność masowa zawartego w nim węgla wynosi 75% właściwej aktywności masowej rosnącego drzewa? Okres półtrwania radonu wynosi T = 5570 lat.

9. Po awarii w Czarnobylu w niektórych miejscach zanieczyszczenie gleby radioaktywnym cezem-137 osiągnęło poziom 45 Ci/km 2 .

Po ilu latach aktywność w tych miejscach spadnie do w miarę bezpiecznego poziomu 5 Ci/km 2? Okres półtrwania cezu-137 wynosi T = 30 lat.

10. Dopuszczalna aktywność jodu-131 w tarczycy człowieka nie powinna przekraczać 5 nCi. U niektórych osób znajdujących się w strefie katastrofy w Czarnobylu aktywność jodu-131 osiągnęła 800 nCi. Po ilu dniach aktywność spadła do normy? Okres półtrwania jodu-131 wynosi 8 dni.

11. Aby określić objętość krwi zwierzęcia, stosuje się następującą metodę. Od zwierzęcia pobiera się niewielką objętość krwi, czerwone krwinki oddziela się od osocza i umieszcza w roztworze z radioaktywnym fosforem, który jest przyswajany przez czerwone krwinki. Wyznakowane czerwone krwinki ponownie wprowadza się do układu krążenia zwierzęcia i po pewnym czasie określa się aktywność próbki krwi.

ΔV = 1 ml takiego roztworu wstrzyknięto do krwi jakiegoś zwierzęcia. Początkowa aktywność tej objętości była równa A 0 = 7000 Bq. Aktywność 1 ml krwi pobranej dzień później z żyły zwierzęcia wynosiła 38 uderzeń na minutę. Określ objętość krwi zwierzęcia, jeśli okres półtrwania radioaktywnego fosforu wynosi T = 14,3 dnia.