Концепцията за радиоактивност

Закон за радиоактивното разпадане

Количествено определяне на радиоактивността и нейните единици

Йонизиращи лъчения, техните характеристики.

Източници на AI

1. Концепцията за радиоактивност

Радиоактивността е спонтанен процес на трансформация (разпад) на атомните ядра, придружен от излъчване на специален вид радиация, наречена радиоактивна.

В този случай се случва трансформацията на атомите на един елемент в атоми на други.

Радиоактивните трансформации са характерни само за отделни вещества.

Едно вещество се счита за радиоактивно, ако съдържа радионуклиди и претърпява процес на радиоактивно разпадане.

Радионуклиди (изотопи) - ядрата на атомите, способни на спонтанен разпад се наричат ​​радионуклиди.

Като характеристика на нуклида се използва символът на химичния елемент, атомното число (броят на протоните) и масовото число на ядрото (броят на нуклоните, т.е. общ бройпротони и неутрони).

Например 239 94 Pu означава, че ядрото на плутониев атом съдържа 94 протона и 145 неутрона, за общо 239 нуклона.

Има следните видове радиоактивен разпад:

бета разпад;

Алфа разпад;

Спонтанно делене на атомни ядра (разпад на неутрони);

Протонна радиоактивност (протонен синтез);

Двупротонна и клъстерна радиоактивност.

бета разпад - това е процесът на трансформация в ядрото на атом на протон в неутрон или неутрон в протон с освобождаване на бета-частица (позитрон или електрон)

Алфа разпад - характеристика на тежките елементи, чиито ядра, започвайки от номер 82 от таблицата на D.I. Менделеев, са нестабилни, въпреки излишъка от неутрони и спонтанно се разпадат. Ядрата на тези елементи изхвърлят предимно ядрата на хелиевите атоми.

Спонтанно делене на атомни ядра (разпад на неутрони) - това е спонтанното делене на някои ядра от тежки елементи (уран-238, калифорний 240.248, 249, 250, кюрий 244, 248 и др.). Вероятността от спонтанно ядрено делене е незначителна в сравнение с алфа разпадането. В този случай ядрото се разделя на два близки по маса фрагмента (ядра).

1. Закон за радиоактивното разпадане

Стабилността на ядрата намалява с увеличаване на общия брой нуклони. Зависи и от съотношението на броя на неутроните и протоните.

Процесът на последователни ядрени трансформации, като правило, завършва с образуването на стабилни ядра.

Радиоактивните трансформации се подчиняват на закона за радиоактивния разпад:

N = N 0 e λ t ,

където N, N 0 е броят на атомите, които не са се разпаднали в моменти t и t 0 ;

λ е константата на радиоактивния разпад.

Стойността λ има своя собствена индивидуална стойностза всеки вид радионуклид. Той характеризира скоростта на разпад, т.е. показва колко ядра се разпадат за единица време.

Според уравнението на закона за радиоактивното разпадане неговата крива е експоненциална.

1. Количествено определяне на радиоактивността и нейните единици

Нарича се времето, през което поради спонтанни ядрени трансформации половината от ядрата се разпадат полуживот T 1/2 . Времето на полуразпад T 1/2 е свързано със зависимостта на константата на разпад λ:

T 1/2 \u003d ln2 / λ \u003d 0,693 / λ.

Времето на полуразпад T 1/2 за различните радионуклиди е различно и варира в широки граници - от части от секундата до стотици и дори хиляди години.

Време на полуразпад на някои радионуклиди:

Йод-131 - 8,04 дни

Цезий-134 - 2,06 години

Стронций-90 - 29,12 години

Цезий-137 - 30 години

Плутоний-239 - 24065 години

Уран-235 - 7.038. 10 8 години

Калий-40 - 1,4 10 9 години.

Реципрочната на константата на разпадане, Нареченсреден живот на радиоактивен атом T :

Скоростта на разпадане се определя от активността на веществото А:

A \u003d dN / dt \u003d A 0 e λ t \u003d λ N,

където A и A 0 са активностите на веществото в моменти t и t 0 .

Дейносте мярка за радиоактивност. Характеризира се с броя на разпадите на радиоактивните ядра за единица време.

Активността на радионуклида е право пропорционална на общия брой радиоактивни атомни ядра в момент t и обратно пропорционална на времето на полуразпад:

A \u003d 0,693 N / T 1/2.

В системата SI за единица активност се приема бекерел (Bq). Един бекерел е равен на едно разпадане в секунда. Извънсистемната единица за активност е кюри (Ku).

1 Ku \u003d 3,7 10 10 Bq

1Bq = 2,7 · 10 -11 Ku.

Единицата кюри активност съответства на активността на 1 g радий. В практиката на измерванията понятията за обем A v (Bq / m 3, Ku / m 3), повърхност A s (Bq / m 2, Ku / m 2), специфичен A m (Bq / m, Ku / m ) дейност също се използват.

1. Радиоактивност. Основен закон на радиоактивното разпадане. Дейност.

2. Основните видове радиоактивен разпад.

3. Количествени характеристики на взаимодействието на йонизиращото лъчение с веществото.

4. Естествена и изкуствена радиоактивност. радиоактивни редове.

5. Използване на радионуклидите в медицината.

6. Ускорители на заредени частици и приложението им в медицината.

7. Биофизични основи на действието на йонизиращите лъчения.

8. Основни понятия и формули.

9. Задачи.

Интересът на лекарите към естествената и изкуствената радиоактивност се дължи на следното.

Първо, всички живи същества са постоянно изложени на естествения радиационен фон, който е космическа радиация, излъчването на радиоактивни елементи, които се срещат в повърхностните слоеве на земната кора, и излъчването на елементи, които влизат в тялото на животните заедно с въздуха и храната.

На второ място, радиоактивното лъчение се използва в самата медицина за диагностични и терапевтични цели.

33.1. Радиоактивност. Основен закон на радиоактивното разпадане. Дейност

Явлението радиоактивност е открито през 1896 г. от А. Бекерел, който наблюдава спонтанното излъчване на неизвестно лъчение от уранови соли. Скоро Е. Ръдърфорд и семейство Кюри установяват, че по време на радиоактивен разпад се излъчват ядра He (α-частици), електрони (β-частици) и силно електромагнитно излъчване (γ-лъчи).

През 1934 г. е открит разпад с излъчване на позитрони (β + -разпад), а през 1940 г. нов типрадиоактивност - спонтанно делене на ядра: делящо се ядро ​​се разпада на два фрагмента със сравнима маса с едновременното излъчване на неутрони и γ - кванти. Протонната радиоактивност на ядрата е наблюдавана през 1982 г.

радиоактивност -способността на някои атомни ядра спонтанно (спонтанно) да се трансформират в други ядра с излъчване на частици.

Атомните ядра са съставени от протони и неутрони, които имат общо име - нуклони.Броят на протоните в ядрото определя Химични свойстваатом и се означава с Z (това сериен номерхимически елемент). Броят на нуклоните в ядрото се нарича масово числои означават А. Наричат ​​се ядра с еднакъв пореден номер и различни масови числа изотопи.Всички изотопи на един химичен елемент имат същотоХимични свойства. Физически свойстваизотопите могат да варират значително. За обозначаване на изотопи символът на химичен елемент се използва с два индекса: A Z X. Долният индекс е серийният номер, горният е масовото число. Често индексът се пропуска, защото самият символ на елемента сочи към него. Например те пишат 14 C вместо 14 6 C.

Способността на ядрото да се разпада зависи от неговия състав. Един и същи елемент може да има както стабилни, така и радиоактивни изотопи. Например въглеродният изотоп 12C е стабилен, докато изотопът 14C е радиоактивен.

Радиоактивното разпадане е статистическо явление. Способността на изотопа да се разпада характеризира константа на разпаданеλ.

константа на разпаданее вероятността ядрото на даден изотоп да се разпадне за единица време.

Вероятността за ядрен разпад за кратко време dt се намира по формулата

Като вземем предвид формула (33.1), получаваме израз, който определя броя на разпадналите се ядра:

Формула (33.3) се нарича основна законът за радиоактивното разпадане.

Броят на радиоактивните ядра намалява с времето по експоненциален закон.

На практика вместо константа на разпаданеλ често използвайте друга стойност, наречена полуживот.

Половин живот(T) - времето, през което се разпада половинатарадиоактивни ядра.

Законът за радиоактивното разпадане, използвайки полуживота, е написан, както следва:

Графиката на зависимостта (33.4) е показана на фиг. 33.1.

Времето на полуразпад може да бъде много дълго или много кратко (от части от секундата до много милиарди години). В табл. 33.1 показва периодите на полуразпад за някои елементи.

Ориз. 33.1.Намаляването на броя на ядрата на първоначалното вещество по време на радиоактивен разпад

Таблица 33.1.Време на полуразпад за някои елементи

За ставка степен на радиоактивностизотопите използват специално количество, т.нар дейност.

Дейност -броят на разпадащите се за единица време ядра на радиоактивен препарат:

Мерна единица за дейност в SI - бекерел(Bq), 1 Bq съответства на едно събитие на разпад в секунда. На практика повече

находчива извънсистемна единица дейност - кюри(Ci), равна на активността на 1 g 226 Ra: 1 Ci = 3,7x10 10 Bq.

С течение на времето активността намалява по същия начин, както намалява броят на неразпадналите се ядра:

33.2. Основни видове радиоактивен разпад

В процеса на изучаване на явлението радиоактивност са открити 3 вида лъчи, излъчвани от радиоактивни ядра, които са наречени α-, β- и γ-лъчи. По-късно беше установено, че α- и β-частиците са продукти на две различни видоверадиоактивен разпад, а γ-лъчите са страничен продукт от тези процеси. В допълнение, γ-лъчите също придружават по-сложни ядрени трансформации, които не се разглеждат тук.

Алфа разпадсе състои в спонтанна трансформация на ядра с излъчванеα -частици (хелиеви ядра).

Схемата на α-разпадане се записва като

където X, Y са символите съответно на родителското и дъщерното ядро. Когато пишете α-разпад, вместо "α" можете да напишете "Не".

При този разпад атомният номер Z на елемента намалява с 2, а масовото число А - с 4.

По време на α-разпадане дъщерното ядро, като правило, се образува във възбудено състояние и при преминаване към основното състояние излъчва γ-квант. Общо свойство на сложните микрообекти е, че имат отделеннабор от енергийни състояния. Това важи и за ядрата. Следователно γ-излъчването на възбудените ядра има дискретен спектър. Следователно, енергийният спектър на α-частиците също е отделен.

Енергията на излъчените α-частици за почти всички α-активни изотопи е в рамките на 4-9 MeV.

бета разпадсе състои в спонтанна трансформация на ядра с излъчване на електрони (или позитрони).

Установено е, че β-разпадането винаги е придружено от излъчване на неутрална частица - неутрино (или антинеутрино). Тази частица практически не взаимодейства с материята и няма да бъде разглеждана по-нататък. Енергията, освободена по време на β-разпадане, се разпределя на случаен принцип между β-частицата и неутриното. Следователно енергийният спектър на β-лъчението е непрекъснат (фиг. 33.2).

Ориз. 33.2.Енергиен спектър на β-разпадане

Има два вида β-разпад.

1. Електронниβ - -разпадът се състои в превръщането на един ядрен неутрон в протон и електрон. В този случай се появява друга частица ν" - антинеутрино:

От ядрото излитат електрон и антинеутрино. Схемата на електронния β - разпад се записва като

По време на електронен β-разпад поредният номер на Z-елемента се увеличава с 1, масовото число А не се променя.

Енергията на β-частиците е в диапазона 0,002-2,3 MeV.

2. Позитронβ + -разпадането се състои в превръщането на един ядрен протон в неутрон и позитрон. В този случай се появява друга частица ν - неутрино:

Самото улавяне на електрони не генерира йонизиращи частици, но го прави придружен от рентгенови лъчи.Това излъчване възниква, когато пространството, освободено от поглъщането на вътрешен електрон, се запълни от електрон от външна орбита.

Гама радиацияима електромагнитна природа и е фотон с дължина на вълнатаλ ≤ 10 -10 м.

Гама радиацията не е независим погледрадиоактивно разпадане. Излъчването от този тип почти винаги придружава не само α-разпадане и β-разпадане, но и по-сложни ядрени реакции. Не се отклонява от електрически и магнитни полета, има относително слаба йонизираща и много висока проникваща способност.

33.3. Количествени характеристики на взаимодействието на йонизиращото лъчение с веществото

Въздействието на радиоактивното лъчение върху живите организми се свързва с йонизация,които индуцира в тъканите. Способността на една частица да йонизира зависи както от нейния тип, така и от нейната енергия. Докато частицата се движи по-дълбоко в веществото, тя губи своята енергия. Този процес се нарича йонизационно спиране.

За количествено характеризиране на взаимодействието на заредена частица с материята се използват няколко количества:

След като енергията на частицата падне под йонизационната, нейният йонизиращ ефект престава.

Среден линеен пробег(R) на заредена йонизираща частица - пътят, изминат от нея в дадено вещество, преди да загуби своята йонизираща способност.

Нека разгледаме някои характерни особености на взаимодействието на различните видове радиация с материята.

алфа радиация

Алфа-частицата практически не се отклонява от първоначалната посока на движението си, тъй като нейната маса е многократно по-голяма

Ориз. 33.3.Зависимост на линейната плътност на йонизация от пътя, изминат от α-частица в среда

масата на електрона, с който той взаимодейства. Тъй като прониква дълбоко в веществото, йонизационната плътност първо се увеличава и когато край на цикъла (x = R)пада рязко до нула (фиг. 33.3). Това се обяснява с факта, че с намаляване на скоростта на движение се увеличава времето, което прекарва в близост до молекулата (атома) на средата. В този случай вероятността от йонизация се увеличава. След като енергията на α-частицата стане сравнима с енергията на топлинното движение на молекулата, тя улавя два електрона в веществото и се превръща в атом на хелий.

Електроните, генерирани по време на процеса на йонизация, като правило се отдалечават от пистата на α-частицата и предизвикват вторична йонизация.

Характеристиките на взаимодействието на α-частиците с водата и меките тъкани са представени в табл. 33.2.

Таблица 33.2.Зависимост на характеристиките на взаимодействие с материята от енергията на α-частиците

бета радиация

За движение β -частиците в материята се характеризират с криволинейна непредвидима траектория. Това се дължи на равенството на масите на взаимодействащите частици.

Характеристики на взаимодействието β -частици с вода и меки тъкани са представени в табл. 33.3.

Таблица 33.3.Зависимост на характеристиките на взаимодействие с веществото от енергията на β-частиците

Както при α частиците, йонизиращата сила на β частиците нараства с намаляване на енергията.

Гама радиация

Абсорбция γ - излъчването от вещество се подчинява на експоненциален закон, подобен на закона за поглъщане на рентгеновите лъчи:

Основните процеси, отговорни за абсорбцията γ -излъчване са фотоефектът и комптоновото разсейване. Това произвежда относително малко количество свободни електрони (първична йонизация), които имат много висока енергия. Именно те предизвикват процесите на вторична йонизация, която е несравнимо по-висока от първичната.

33.4. естествени и изкуствени

радиоактивност. радиоактивни чинове

Условия естественои изкуственирадиоактивност са условни.

естественонаричаме радиоактивност на изотопи, които съществуват в природата, или радиоактивност на изотопи, образувани в резултат на естествени процеси.

Например радиоактивността на урана е естествена. Естествена е и радиоактивността на въглерод 14 С, който се образува в горните слоеве на атмосферата под въздействието на слънчевата радиация.

Изкуственинаречена радиоактивност на изотопите, които възникват в резултат на човешката дейност.

Това е радиоактивността на всички изотопи, произведени в ускорителите на частици. Това включва и радиоактивността на почвата, водата и въздуха, която възниква по време на атомна експлозия.

естествена радиоактивност

AT начален периодПри изучаването на радиоактивността изследователите могат да използват само естествени радионуклиди (радиоактивни изотопи), съдържащи се в земните скали в достатъчно голямо количество: 232 Th, 235 U, 238 U. Три радиоактивни серии започват с тези радионуклиди, завършвайки със стабилни изотопи на Pb. Впоследствие беше открита серия, започваща от 237 Np, с окончателно стабилно ядро ​​209 Bi. На фиг. 33.4 показва ред, започващ с 238 U.

Ориз. 33.4.Серия уран-радий

Елементите от тази серия са основният източник на вътрешно облъчване на хората. Например 210 Pb и 210 Po влизат в тялото с храната - те са концентрирани в рибите и черупчестите. И двата изотопа се натрупват в лишеите и следователно присъстват в месото на северните елени. Най-значимият от всички естествени източници на радиация е 222 Rn - тежък инертен газ, получен в резултат на разпадането на 226 Ra. Той представлява около половината от дозата естествена радиация, получена от хората. Образувана в земната кора, този газ се просмуква в атмосферата и навлиза във водата (силно разтворим е).

В земната кора постоянно присъства радиоактивният изотоп на калий 40 К, който е част от естествения калий (0,0119%). От почвата този елемент идва коренова системарастения и с растителни храни (зърнени култури, пресни зеленчуци и плодове, гъби) - в тялото.

Друг източник на естествена радиация е космическата радиация (15%). Интензивността му се увеличава в планинските райони поради намаляване на защитния ефект на атмосферата. Източниците на естествен радиационен фон са изброени в табл. 33.4.

Таблица 33.4.Компонент на естествения радиоактивен фон

33.5. Използването на радионуклиди в медицината

радионуклидинаречени радиоактивни изотопи на химични елементи с кратък период на полуразпад. Такива изотопи не съществуват в природата, затова се получават изкуствено. AT съвременна медицинарадионуклидите се използват широко за диагностични и терапевтични цели.

Диагностично приложение се основава на селективното натрупване на определени химични елементи от отделни органи. Йодът например е концентриран в щитовидната жлеза, докато калцият е концентриран в костите.

Въвеждането на радиоизотопите на тези елементи в тялото позволява да се открият области на тяхната концентрация чрез радиоактивно излъчване и по този начин да се получи важна диагностична информация. Този диагностичен метод се нарича по метода на белязания атом.

Терапевтична употреба радионуклидите се основава на разрушителния ефект на йонизиращото лъчение върху туморните клетки.

1. Гама терапия- използването на високоенергийно γ-лъчение (източник 60 Co) за унищожаване на дълбоко разположени тумори. Така че повърхностно разположените тъкани и органи не са подложени на разрушителен ефект, ефектът от йонизиращото лъчение се извършва в различни сесии в различни посоки.

2. алфа терапия- терапевтично използване на α-частици. Тези частици имат значителна линейна йонизационна плътност и се абсорбират дори от малък слой въздух. Следователно, терапевтични

използването на алфа лъчи е възможно при директен контакт с повърхността на органа или с въвеждане вътре (с игла). За повърхностно облъчване се използва радонова терапия (222 Rn): излагане на кожата (бани), храносмилателни органи (пиене), дихателни органи (инхалации).

В някои случаи, медицинска употреба α -частици се свързва с използването на неутронен поток. При този метод първо се въвеждат елементи в тъканта (тумора), чиито ядра под действието на неутрони излъчват α - частици. След това болният орган се облъчва с неутронен поток. По този начин α -частиците се образуват директно вътре в органа, върху който те трябва да имат разрушителен ефект.

Таблица 33.5 изброява характеристиките на някои радионуклиди, използвани в медицината.

Таблица 33.5.Изотопна характеристика

33.6. Ускорители на частици и тяхното приложение в медицината

Ускорител- инсталация, в която под въздействието на електрически и магнитни полета се получават насочени лъчи от заредени частици с висока енергия (от стотици keV до стотици GeV).

Ускорителите създават тесниснопове от частици с дадена енергия и малко напречно сечение. Това ви позволява да предоставите насоченивъздействие върху облъчени обекти.

Използването на ускорители в медицината

Ускорителите на електрони и протони се използват в медицината за лъчева терапия и диагностика. В този случай се използват както самите ускорени частици, така и придружаващото ги рентгеново лъчение.

Рентген на спирачното лъчениеполучен чрез насочване на лъч от частици към специална цел, която е източникът рентгенови лъчи. Това лъчение се различава от рентгеновата тръба с много по-висока фотонна енергия.

Синхротронни рентгенови лъчивъзниква в процеса на ускоряване на електрони в пръстеновидни ускорители - синхротрони. Такова излъчване има висока степенориентация.

Прякото действие на бързите частици е свързано с тяхната висока проникваща способност. Такива частици преминават през повърхностните тъкани, без да причиняват сериозни щети, и имат йонизиращ ефект в края на своето пътуване. Чрез избор на подходяща енергия на частиците е възможно да се постигне унищожаване на тумори на дадена дълбочина.

Областите на приложение на ускорителите в медицината са показани в табл. 33.6.

Таблица 33.6.Приложение на ускорителите в терапията и диагностиката

33.7. Биофизични основи на действието на йонизиращите лъчения

Както беше отбелязано по-горе, въздействието на радиоактивното лъчение върху биологичните системи е свързано с йонизация на молекули.Процесът на взаимодействие на радиацията с клетките може да бъде разделен на три последователни етапа (етапи).

1. физически етап състои се от трансфер на енергияизлъчване на молекулите на биологична система, което води до тяхната йонизация и възбуждане. Продължителността на този етап е 10 -16 -10 -13 s.

2. Физико-химични етапът се състои от различни видове реакции, водещи до преразпределение на излишната енергия на възбудени молекули и йони. В резултат на това силно активни

продукти: радикали и нови йони с широк спектър от химични свойства.

Продължителността на този етап е 10 -13 -10 -10 s.

3. Химически етап - това е взаимодействието на радикали и йони помежду си и с околните молекули. На този етап се образуват различни видове структурни увреждания, водещи до промяна в биологичните свойства: структурата и функциите на мембраните се нарушават; лезии възникват в ДНК и РНК молекули.

Продължителността на химичния етап е 10 -6 -10 -3 s.

4. биологичен стадий. На този етап увреждането на молекулите и субклетъчните структури води до различни функционални нарушения, до преждевременна клетъчна смърт в резултат на действието на механизмите на апоптоза или поради некроза. Увреждането, получено на биологичния етап, може да бъде наследено.

Продължителността на биологичния стадий е от няколко минути до десетки години.

Отбелязваме общите модели на биологичния етап:

Големи нарушения с ниска абсорбирана енергия (смъртоносна доза радиация за човек причинява нагряване на тялото само с 0,001 ° C);

Въздействие върху следващите поколения чрез наследствения апарат на клетката;

Характерен е латентен, латентен период;

Различните части на клетките имат различна чувствителност към радиация;

На първо място, се засягат делящите се клетки, което е особено опасно за тялото на детето;

Разрушителният ефект върху тъканите на възрастен организъм, в който има разделение;

Сходството на радиацията се променя с патологията на ранното стареене.

33.8. Основни понятия и формули

Продължение на таблицата

33.9. Задачи

1. Каква е активността на лекарството, ако 10 000 ядра от това вещество се разпаднат за 10 минути?

4. Възрастта на образци от древна дървесина може да се определи приблизително по специфичната масова активност на изотопа 14 6 C в тях. Преди колко години е отсечено дърво, което е използвано за направата на предмет, ако специфичната масова активност на въглерода в него е 75% от специфичната масова активност на растящо дърво? Времето на полуразпад на радона е T = 5570 години.

9. След Чернобилска аварияна места замърсяването на почвата с радиоактивен цезий-137 е на ниво 45 Ci/km 2 .

След колко години активността на тези места ще намалее до относително безопасно ниво от 5 Ci/km 2 . Времето на полуразпад на цезий-137 е T = 30 години.

10. Допустимата активност на йод-131 в щитовидната жлеза на човека трябва да бъде не повече от 5 nCi. При някои хора, които са били в района на Чернобилската катастрофа, активността на йод-131 достига 800 nCi. След колко дни активността намаля до нормалната? Полуживотът на йод-131 е 8 дни.

11. Следният метод се използва за определяне на обема на кръвта в животно. От животното се взема малко количество кръв, еритроцитите се отделят от плазмата и се поставят в разтвор с радиоактивен фосфор, който се усвоява от еритроцитите. Белязаните еритроцити се въвеждат отново в кръвоносната система на животното и след известно време се определя активността на кръвната проба.

ΔV = 1 ml от този разтвор се инжектира в кръвта на някакво животно. Първоначалната активност на този обем беше A 0 = 7000 Bq. Активността на 1 ml кръв, взета от вената на животното ден по-късно, е равна на 38 импулса в минута. Определете обема на кръвта на животното, ако времето на полуразпад на радиоактивния фосфор е T = 14,3 дни.

Лекция 16

Елементи на физиката атомно ядро

Въпроси

1. Закон за радиоактивното разпадане.

Ядрени реакции и техните основни видове.

модели ,  и разлага се.

Дози радиация.

Верижна реакция на делене.

6. Реакции на синтез (термоядрени реакции).

1. Закон за радиоактивното разпадане

Под радиоактивно разпадане разбират естествената радиоактивна трансформация на ядрата, която се случва спонтанно.

Атомно ядро, което се разпада, се нарича майчина, възникващото ядро ​​е дете.

Теорията за радиоактивния разпад се подчинява на законите на статистиката. Брой ядра d Н,се разпада за период от време от Tпреди t+д T,пропорционално на интервала от време d Tи номер ннеразпаднали се до момента ядра T:

д н = – λ нд T , (1)

λ  постоянен радиоактивно разпадане, s  1 ; знакът минус показва, че общият брой на радиоактивните ядра намалява по време на процеса на разпадане.

(2)

където н 0 - начално число неразложенядра наведнъж t = 0;н номер неразложенядра наведнъж T.

Закон за радиоактивното разпадане: броят на неразпадналите се ядра намалява с времето по експоненциален закон.

Интензивността на процеса на гниене се характеризира с две величини:

половин животT 1/2  времето, през което първоначалният брой радиоактивни ядра намалява наполовина;

средно време на живот τ на радиоактивно ядро.

. (3)

полуживот, T 1 /2
				4.510 9 години

Общ живот d нядра е T|dN| = λ Ntд T.Чрез интегриране на този израз върху T(т.е. от 0 до ∞) и разделете на първоначалния брой ядра н 0 , получаваме средното време на живот τ на радиоактивно ядро:

. (4)

Интеграл на таблицата:

По този начин средният живот τ на радиоактивно ядро ​​е реципрочната стойност на константата на радиоактивен разпад λ.

ДейностНО нуклид в радиоактивен източник е броят на разпаданията, които се случват с ядрата на материята за 1 s:

Bq - бекерел, (5)

1Bq е активността на нуклида, при която се извършва един акт на разпадане за 1 s.

Извънсистемната единица е кюри [Ci]: 1[Ci] = 3,710 10 [Bq].

Радиоактивното разпадане се извършва в съответствие с така наречените правила за изместване (те са следствие от законите за запазване на заряда и масовото число), които позволяват да се установи кое ядро ​​възниква в резултат на разпадането на дадено родителско ядро.

Правило за изместване за α-разпадане:
. (6)

Правило за изместване за β-разпадане:
, (7)

където
- майчино ядро; Y символ на дъщерно ядро;
 хелиево ядро ​​(α-частица);  символично обозначение на електрон (зарядът му е  д, а масовото число е нула).

Ядрата, получени в резултат на радиоактивен разпад, могат от своя страна да бъдат радиоактивни. Това води до верига или серия от радиоактивни трансформации. , завършващ със стабилен елемент. Крайните нуклиди са:
,
,
,
.

1. Ядрени реакции и техните основни видове

ядрена реакция – това е процес на взаимодействие на атомно ядро ​​с друго ядро ​​или елементарна частица, придружен от промяна в състава и структурата на ядрото и освобождаване на вторични частици или γ– кванти .

, , (8)

х, Y начални и крайни ядра; ОТ междинно съставно ядро; а, bбомбардиращи и излъчени частици.

Първата ядрена реакция е извършена от Е. Ръдърфорд през 1919 г

(9)

По време на ядрени реакции няколко закони за опазване: импулс, енергия, ъглов момент, заряд. В допълнение към тези класически закони за запазване, така нареченият закон за запазване е валиден при ядрените реакции. барионен заряд (т.е. броят на нуклоните - протони и неутрони).

Класификация на ядрените реакции

според вида на участващите частици :

под въздействието на неутрони ;

под действието на заредени частици (протони,  частици и др.);

под въздействието на кванти.

2. от енергията на частиците, които ги причиняват :

ниски енергии  1 eV (с неутрони);

средни енергии  1 MeV (с кванти, частици);

високи енергии  10 3 MeV (раждане на нови елементарни частици);

3. Според вида на участващите в тях ядра:

на леки ядра (A<50);

на средни ядра (50<А<100);

върху тежки ядра (A>100);

4. от естеството на ядрените трансформации :

с излъчване на неутрони;

с излъчване на заредени частици;

реакции на улавяне (излъчени квантови).

3. Закономерности на ,  и разпад

гниене: активни са ядрата предимно на тежки елементи ( НО> 200, З > 82), например:

(10)

 частицата се образува при среща на два протона и два неутрона, има скорост 1,410 7 …210 7 m/s, което съответства на енергии от 4,0…8,8 MeV.

Закон на Гайгер-Натал:
, (11)

Р  пробег, разстоянието, изминато от частица във вещество до пълно спиране;
.Колкото по-кратък е периодът на полуразпад на радиоактивен елемент, толкова по-голям е обхватът, а оттам и енергията частици.

 частица с енергия 4,2 MeV е заобиколена от потенциална бариера от кулонови сили от 8,8 MeV. Неговото излизане се обяснява в квантовата механика с тунелния ефект.

 гниене: Електронът се ражда в резултат на процеси, протичащи вътре в ядрото. защото броят на нуклоните не се променя, но Зсе увеличава с 1, тогава един от неутроните се превръща в протон с образуването на електрон и излъчване антинеутрино:

(12)

Теорията за  разпад с излъчване на неутрино е предложена от Паули през 1931 г. и експериментално потвърдена през 1956 г. Тя има висока проникваща способност: неутрино с енергия 1 MeV в олово изминава път от 10 18 m!

гниене:не е независим, а придружава  и  разпади.  спектърът е дискретен, характеризира се не с вълнови, а с корпускулярни свойства.  кванти, които имат нулева маса на покой, не притежават заряд, не могат да се забавят в средата, но могат да се абсорбира, или разсейвам се. Голямата проникваща способност на  лъчение се използва при  дефектоскопията.

N=N 0 e - λt е законът на радиоактивния разпад, където N е броят на неразпадналите се ядра, N 0 е броят на първоначалните ядра.

физически смисълконстанта на разпадане - вероятността от ядрен разпад за единица време. Характерните времена на живот на радиоактивните ядра са τ> 10 -14 s. Времето на живот на ядрата поради излъчването на нуклони 10 -23 s< <10 -20 c. T 1/2 – период полураспада – время, за которое распадается половина начального количества ядер. Активность радиоактивного источника – число распадов в единицу времени: A=λN.

Видове радиоактивен разпад. α - разпад, схема на разпад, модели на разпад.

Радиоактивният разпад е процесът на превръщане на нестабилни атомни ядра в ядра на други елементи, който е придружен от излъчване на частици.

Видове радиоактивно разпадане:

1)α - разпадане - придружава се от излъчване на хелиеви атоми.

2)β - разпад - излъчване на електрони и позитрони.

3)γ - разпад - излъчването на фотони по време на преходи между състоянията на ядрата.

4) Спонтанно ядрено делене.

5) Нуклонна радиоактивност.

α - разпад: A 2 X→ A-Y Z-2 Y+ 4 2 He. Α-разпад се наблюдава при тежки ядра. Спектърът на α - разпадането е дискретен. Дължина на движение α - частици във въздуха: 3-7cm; за плътни вещества: 10 -5 м. T 1/2 10 -7 s ÷ 10 10 години.

β - разпад. Схеми β + , β - и K-улавяне. Закономерности на β - разпадане.

β - разпадът се дължи на слабо взаимодействие. Той е слаб по отношение на силните ядра. Всички частици с изключение на фотоните участват в слаби взаимодействия. Въпросът е в израждането на нови частици. T 1/2 10 -2 s ÷ 10 20 години. Свободният път на неутрона е 10 19 km.

β - разпадът включва 3 вида разпад:

1) β - или електронен. Ядрото излъчва електрони. Общо взето:

A 2 X→ A Z -1 Y+ 0 -1 e+υ e .

2)β + или позитрон. Излъчват се електронни античастици – позитрони: 1 1 p→ 1 0 n+ 0 1 e+υ e – реакция на превръщане на протон в неутрон. Реакцията не изчезва от само себе си. Общ изглед на реакцията: A Z X→ A Z -1 Y+ 0 1 e+υ e . Наблюдава се в изкуствени радиоактивни ядра.

3) Електронно улавяне. Има трансформация на ядрото, улавя К-обвивката и се превръща в неутрон: 1 1 p+ 0 -1 e→ 1 0 n+υ e . Общ изглед: A Z X+ 0 1 e→ A Z -1 Y+υ e . В резултат на електрическо улавяне само една частица излита от ядрата. Придружен от характерно рентгеново лъчение.

Дейност НОнуклид(общо наименование за атомни ядра, които се различават по броя на протоните Зи неутрони н) в радиоактивен източник е броят на разпаданията, които се случват с ядрата на пробата за 1 s:

SI единица за дейност - бекерел(Bq): 1 Bq е активността на нуклида, при която се извършва един акт на разпадане за 1 s. Досега в ядрената физика се използва и извънсистемна единица за нуклидна активност в радиоактивен източник - кюри(Ci): 1 Ci = 3,710 10 Bq.

Радиоактивният разпад става по т.нар правила за изместване,което позволява да се установи кое ядро ​​възниква в резултат на разпадането на дадено родителско ядро. Правила за компенсиране:

където X е родителското ядро, Y е символът на дъщерното ядро, Той е хелиевото ядро ​​(  -частица), д-символично обозначение на електрон (зарядът му е -1, а масовото му число е нула). Правилата за изместване не са нищо повече от следствие от два закона, които се прилагат по време на радиоактивните разпади - запазването електрически заряди запазване на масовото число: сумата от зарядите (масовите числа) на възникващите ядра и частици е равна на заряда (масовото число) на първоначалното ядро.

28. Основни закономерности на a-разпадане. тунелен ефект. Свойства на a-лъчението.

α-разпаднаречено спонтанно разпадане на атомното ядро ​​на дъщерно ядро ​​и α-частица (ядрото на 4 He атома).

α-разпадането, като правило, се случва в тежки ядра с масово число НО≥140 (въпреки че има няколко изключения). Вътре в тежките ядра, поради свойството на насищане на ядрените сили, се образуват отделни α-частици, състоящи се от два протона и два неутрона. Получената α-частица е обект на по-голямо действие на кулоновите сили на отблъскване от протоните на ядрото, отколкото отделните протони. В същото време α-частицата изпитва по-малко ядрено привличане към нуклоните на ядрото, отколкото останалите нуклони. Получената алфа частица на границата на ядрото се отразява навътре от потенциалната бариера, но с известна вероятност може да я преодолее (виж тунелен ефект) и да излети. Тъй като енергията на алфа частицата намалява, пропускливостта на потенциалната бариера намалява експоненциално, така че животът на ядрата с по-ниска налична енергия на алфа разпад, при равни други условия, е по-дълъг.

Правилото за изместване на Soddy за α-разпадане:

В резултат на α-разпадане елементът се измества с 2 клетки към началото на периодичната таблица, масовото число на дъщерното ядро ​​намалява с 4.

тунелен ефект- преодоляване на потенциална бариера от микрочастица в случай, че нейната обща енергия (оставаща непроменена по време на тунелирането) е по-малка от височината на бариерата. Тунелният ефект е явление с изключително квантово естество, невъзможно и дори напълно противоречащо на класическата механика. Аналог на ефекта на тунелиране във вълновата оптика може да бъде проникването на светлинна вълна в отразяваща среда (на разстояния от порядъка на дължината на вълната на светлината) при условия, когато от гледна точка на геометричната оптика възниква пълно вътрешно отражение . Феноменът на тунелирането е в основата на много важни процеси в атомната и молекулярната физика, във физиката на атомното ядро, твърдото тяло и др.

Тунелният ефект може да се обясни със съотношението на неопределеността. Написано като:

това показва, че когато една квантова частица е ограничена по координатата, тоест нейната сигурност по дължината х, неговата инерция стрстава по-малко сигурно. Случайно несигурността на импулса може да добави енергия към частицата, за да преодолее бариерата. По този начин, с известна вероятност, квантовата частица може да проникне през бариерата, докато средната енергия на частицата остава непроменена.

Алфа радиацията има най-ниска проникваща способност (за поглъщане на алфа частици е достатъчен лист дебела хартия) в човешката тъкан на дълбочина по-малка от милиметър.

29. Основни закономерности на b-разпадането и неговите свойства. Неутрино. Електронно улавяне. (вижте 27)

Бекерел доказа, че β-лъчите са поток от електрони. β-разпадането е проява на слабото взаимодействие.

β-разпад(по-точно бета минус разпад, -разпад) е радиоактивен разпад, придружен от излъчване на електрон и антинеутрино от ядрото.

β разпадането е интрануклонен процес. Възниква в резултат на трансформацията на един от д-кварки в един от неутроните на ядрото в u-кварк; в този случай неутронът се превръща в протон с излъчване на електрон и антинеутрино:

Правилото за преместване на Soddy за -decay:

След -разпад елементът се измества с 1 клетка към края на периодичната таблица (ядреният заряд се увеличава с единица), докато масовото число на ядрото не се променя.

Има и други видове бета разпад. При позитронно разпадане (бета плюс разпад) ядрото излъчва позитрон и неутрино. В този случай зарядът на ядрото намалява с единица (ядрото се измества с една клетка към началото на периодичната таблица). Позитронно разпадане винагипридружен от конкурентен процес - улавяне на електрони (когато ядрото улавя електрон от атомната обвивка и излъчва неутрино, докато зарядът на ядрото също намалява с единица). Обратното обаче не е вярно: много нуклиди, за които позитронният разпад е забранен, изпитват улавяне на електрони. Най-редкият известен тип радиоактивно разпадане е двойното бета разпадане, което е открито до момента само за десет нуклида, с полуживот над 10 19 години. Всички видове бета разпад запазват масовото число на ядрото.

Неутрино- неутрална фундаментална частица с полуцяло спин, участваща само в слаби и гравитационни взаимодействия и принадлежаща към класа на лептоните.

Електронен захват, дулавяне - един от видовете бета разпад на атомни ядра. При улавяне на електрон един от протоните на ядрото улавя орбитиращ електрон и се превръща в неутрон, излъчвайки електронно неутрино. След това зарядът на ядрото се намалява с единица. Масовото число на ядрото, както при всички други видове бета-разпад, не се променя. Този процес е характерен за богатите на протони ядра. Ако енергийната разлика между родителския и дъщерния атом (наличната енергия на бета разпада) надвишава 1,022 MeV (два пъти масата на един електрон), улавянето на електрони винаги се конкурира с друг тип бета разпад, позитронно разпадане. Например, рубидий-83 се превръща в криптон-83 само чрез улавяне на електрони (наличната енергия е около 0,9 MeV), докато натрий-22 се разпада до неон-22 както чрез улавяне на електрони, така и чрез разпадане на позитрони (наличната енергия е около 2,8 MeV).

Тъй като броят на протоните в ядрото (т.е. ядреният заряд) намалява по време на улавянето на електрони, този процес превръща ядрото на един химичен елемент в ядрото на друг елемент, разположен по-близо до началото на периодичната таблица.

Обща формула за улавяне на електрони

30. γ-лъчение на ядрата и неговите свойства. Взаимодействие на γ-лъчението с веществото. Появата и разрушаването на двойки електрон-позитрон.

Експериментално е установено, че  -радиацията не е самостоятелен вид радиоактивност, а само съпътстваща  - и  -разпада се и възниква при ядрени реакции, при забавяне на заредени частици, разпадането им и др.  - Спектърът е линия.  -Спектърът е разпределението на число  -кванти в енергията. дискретност  -спектърът е от фундаментално значение, тъй като е доказателство за дискретността на енергийните състояния на атомните ядра.

Вече е твърдо установено, че  -лъчението се излъчва от детското (а не от родителското) ядро. Дъщерното ядро ​​в момента на своето образуване, възбудено, преминава в основно състояние с излъчване  - радиация. Връщайки се в основното състояние, възбуденото ядро ​​може да премине през поредица от междинни състояния, така че  -излъчването на един и същи радиоактивен изотоп може да съдържа няколко групи  -кванти, различаващи се един от друг по своята енергия.

При  - радиация НОи Зядрата не се променят, така че не се описва от никакви правила за изместване.  - Излъчването на повечето ядра е толкова късовълново, че вълновите му свойства са много слабо проявени. Следователно тук на преден план излизат корпускулярните свойства  - радиацията се разглежда като поток от частици -  - кванти. При радиоактивни разпадания на различни ядра  -квантите имат енергия от 10 keV до 5 MeV.

Едно ядро ​​във възбудено състояние може да премине в основно състояние не само чрез излъчване  -квантова, но и с директен трансфер на енергия на възбуждане (без предварително излъчване  -квант) към един от електроните на същия атом. Така се получава т.нар преобразуващ електрон.Самото явление се нарича вътрешно преобразуване.Вътрешното преобразуване е процес, който се конкурира с  - радиация.

Електроните за преобразуване съответстват на дискретни енергийни стойности, които зависят от работата на електрона от обвивката, от която електронът излиза, и от енергията Д,дадено от ядрото при прехода от възбудено състояние към основно състояние. Ако цялата енергия дсе откроява във формата  -квант, след това честотата на излъчване  се определя от известната зависимост E=h.Ако се излъчват вътрешни преобразуващи електрони, тогава техните енергии са равни на E-A K, E-A L, ....където A K, A L, ... -работа на един електрон ДА СЕ-и Л-черупки. Моноенергетичният характер на преобразуващите електрони позволява да се разграничат от  -електрони, чийто спектър е непрекъснат. Свободното място във вътрешната обвивка на атома, възникнало в резултат на излъчването на електрон, ще бъде запълнено с електрони от горните обвивки. Следователно вътрешното преобразуване винаги е придружено от характерно рентгеново излъчване.

 -Квантите, имащи нулева маса на покой, не могат да се забавят в средата, следователно, когато преминават през нея  - излъчване през веществото, те се поглъщат или разсейват от него.  -Квантите не носят електрически заряд и по този начин не изпитват влиянието на силите на Кулон. При преминаване на гредата  -кванти през материята, тяхната енергия не се променя, но в резултат на сблъсъци интензитетът отслабва, промяната на която се описва от експоненциалния закон аз=аз 0e- x (аз 0 и аз- интензивност  -излъчване на входа и изхода на слоя поглъщащ материал с дебел x,  -коефициент на поглъщане). защото  тогава радиацията е най-проникващата радиация  за много вещества - много малка стойност;  зависи от свойствата на материята и от енергията  - кванти.

 -Квантите, преминавайки през материята, могат да взаимодействат както с електронната обвивка на атомите на материята, така и с техните ядра. В квантовата електродинамика е доказано, че основните процеси, съпътстващи преминаването  -излъчване през материята са фотоелектричният ефект, ефектът на Комптън (комптъновото разсейване) и образуването на двойки електрон-позитрон.

фотоелектричен ефект или фотоелектрична абсорбция  - радиация,е процесът, при който един атом абсорбира  -квантов и излъчва електрон. Тъй като електронът е избит от една от вътрешните обвивки на атома, освободеното пространство се запълва с електрони от горните обвивки и фотоелектричният ефект е придружен от характерно рентгеново лъчение. Фотоелектричният ефект е преобладаващият механизъм на абсорбция в нискоенергийната област  -кванти ( E 100 keV). Фотоелектричният ефект може да възникне само върху свързани електрони, тъй като свободният електрон не може да абсорбира  -квантов, докато законите за запазване на енергията и импулса не са изпълнени едновременно.

Тъй като енергията се увеличава  -кванти ( E0,5 MeV) вероятността за фотоелектричния ефект е много малка и основният механизъм на взаимодействие  -кванти с материя е Комптъново разсейване.

При E>1,02 MeV=2 m e c 2 (т е -маса на покой на електрон) процесът на образуване на двойки електрон-позитрон в електрически полетаядра. Вероятността за този процес е пропорционална на З 2 и се увеличава с растежа E. Следователно, когато E10 MeV основен процес на взаимодействие  -радиация във всяко вещество е образувани електрон-позитронни двойки.

Ако енергията  -квантът превишава енергията на свързване на нуклоните в ядрото (7-8 MeV), след това в резултат на абсорбция  - може да се наблюдава квант ядрен фотоелектричен ефект- изхвърляне от ядрото на един от нуклоните, най-често неутрон.

Голяма проникваща способност  - радиацията се използва в гама дефектоскопията - метод за дефектоскопия, базиран на различно поглъщане  -лъчение, когато се разпространява на същото разстояние в различни среди. Местоположението и големината на дефектите (кухини, пукнатини и др.) се определят от разликата в интензитетите на лъчението, преминало през различните части на полупрозрачния продукт.

Въздействие  - характеризиране на радиация (както и други видове йонизиращо лъчение) върху дадено вещество доза йонизиращо лъчение. Различават:

Погълната доза радиация - физическо количество, равна на съотношението на енергията на излъчване към масата на облъченото вещество.

Единица погълната доза радиация - сиво(Gy)*: 1 Gy= 1 J/kg - доза радиация, при която енергията на всяко йонизиращо лъчение от 1 J се предава на облъчено вещество с тегло 1 kg.

31. Получаване на трансуранови елементи. Основни закони на реакциите на ядрено делене.

ТРАНСУРАННИ ЕЛЕМЕНТИ, химически елементиразположен в периодична системаслед уран, тоест с атомно число З >92.

Всички трансуранови елементи са синтезирани чрез ядрени реакции (в природата са открити само следи от Np и Pu). Трансураниевите елементи са радиоактивни; с увеличаване Зполовин живот Т 1/2трансуранови елементи рязко намалява.

През 1932 г., след откриването на неутрона, се предполага, че когато уранът се облъчва с неутрони, трябва да се образуват изотопи на първите трансуранови елементи. И през 1940 г. Е. Макмилан и Ф. Абълсън синтезират нептуний (сериен номер 93) с помощта на ядрена реакция и изследват най-важните му химични и радиоактивни свойства. По същото време се случи откриването на следващия трансуранов елемент - плутоний. И двата нови елемента бяха кръстени на планети от Слънчевата система.

Всички трансуранови елементи до и включително 101 са синтезирани с помощта на светлинно бомбардиращи частици: неутрони, дейтрони и алфа частици. Процесът на синтез се състоеше в облъчване на целта с потоци от неутрони или заредени частици. Ако U се използва като мишена, тогава с помощта на мощни неутронни потоци, генерирани в ядрени реактори или по време на експлозия на ядрени устройства, е възможно да се получат всички трансуранови елементи до Fm ( З= 100) включително. Елементи с З 1 или 2 по-малко от синтезирания елемент. Между 1940 и 1955г Американски учени, ръководени от G. Seaborg, синтезираха девет нови елемента, които не съществуват в природата: Np (нептуний), Pu (плутоний), Am (америций), Cm (курий), Bk (беркелий), Cf (калифорний), Es ( айнщайний), Fm (фермий), Md (менделевий). През 1951 г. са наградени Г. Сиборг и Е. М. Макмилан Нобелова награда"за техните открития в химията на трансурановите елементи."

Възможности на метода за синтез на теж радиоактивни елементи, при които се използва облъчване с леки частици, са ограничени, не позволява получаването на ядра с З> 100. Елементът с Z = 101 (менделевий) е открит през 1955 г. чрез облъчване на 253 99Es (айнщайний) с ускорени a-частици. Синтезът на нови трансуранови елементи ставаше все по-труден, докато преминавахме към по-високи стойности З. Стойностите на полуразпада на техните изотопи се оказват все по-малки.

Ядрена реакция - процесът на трансформация на атомните ядра, който възниква, когато те взаимодействат с елементарни частици, гама лъчи и един с друг, което често води до освобождаване на огромни количества енергия. По време на протичането на ядрените реакции се изпълняват следните закони: запазване на електрическия заряд и броя на нуклоните, запазване на енергията и

запазване на импулса, запазване на ъгловия момент, запазване на паритета и

изотопно въртене.

Реакция на делене - разделяне на атомно ядро ​​на няколко по-леки ядра. Разделите са принудителни и спонтанни.

Реакцията на синтез е сливането на леки ядра в едно. Тази реакция протича само при високи температури, от порядъка на 10 8 K, и се нарича термоядрена реакция.

Енергийният добив на реакцията Q е разликата между общата енергия на покой на всички частици преди и след ядрената реакция. Ако Q > 0, тогава общата енергия на покой намалява в хода на ядрената реакция. Такива ядрени реакции се наричат ​​екзоенергетични. Те могат да протичат при произволно малка начална кинетична енергия на частиците. Обратно, за Q<0 часть исходной кинетической энергии частиц превращается в энергию покоя. Такие ядерные реакции называются эндоэнергетическими. Для их протекания необходимо, чтобы кинетическая энергия частиц превышала некоторую величину.

32. Верижна реакция на делене. Контролирана верижна реакция. Ядрен реактор.

Вторичните неутрони, излъчвани по време на ядрено делене, могат да причинят нови събития на делене, което прави възможно извършването верижна реакция на делене- ядрена реакция, при която частиците, предизвикващи реакцията, се образуват като продукти на тази реакция. Верижната реакция на делене се характеризира с коефициент на умножение кнеутрони, което е равно на отношението на броя на неутроните в дадено поколение към техния брой в предходното поколение. Необходимо условиеза развитието на верижна реакция на делене е изискване k 1.

Оказва се, че не всички получени вторични неутрони причиняват последващо ядрено делене, което води до намаляване на коефициента на умножение. Първо, поради крайните размери сърцевина(пространството, където протича верижната реакция) и високата проникваща способност на неутроните, някои от тях ще напуснат ядрото, преди да бъдат уловени от някое ядро. Второ, част от неутроните се улавят от ядрата на неделящи се примеси, които винаги присъстват в ядрото. В допълнение, заедно с деленето могат да се осъществят конкуриращи се процеси на радиационно улавяне и нееластично разсейване.

Коефициентът на умножение зависи от природата на делящия се материал, а за даден изотоп - от неговото количество, както и от размера и формата на активната зона. Наричат ​​се минималните размери на активната зона, при които е възможна верижна реакция критични измерения.Минималната маса на делящия се материал, разположен в система от критични размери, необходима за изпълнението верижна реакция,Наречен критична маса.

Скоростта на развитие на верижните реакции е различна. Позволявам T -средната продължителност на живота на едно поколение и Н-броя на неутроните в дадено поколение. В следващото поколение броят им е kN, t.д. увеличаване на броя на неутроните на поколение dN=kN-N=N(к-един). Увеличаването на броя на неутроните за единица време, т.е. скоростта на нарастване на верижната реакция,

Интегрирайки (266.1), получаваме

където н 0 е броят на неутроните в началния момент от време и Н-техния брой наведнъж T. нсе определя със знака ( к-един). При k> 1 идва развиваща се реакция, броят на деленията нараства непрекъснато и реакцията може да стане експлозивна. При к=1 отива самоподдържаща се реакция, при което броят на неутроните не се променя с времето. При к<1 идет затухающая реакция.

Верижните реакции се делят на управляванаи неуправляван.Експлозията на атомна бомба например е неконтролирана реакция. За да се предотврати експлозия на атомна бомба по време на съхранение, U (или Pu) в нея е разделен на две части, отдалечени една от друга с маси под критичната. След това, с помощта на обикновена експлозия, тези маси се приближават една към друга, общата маса на делящия се материал става по-критична и възниква експлозивна верижна реакция, придружена от мигновено освобождаване на огромно количество енергия и големи разрушения. Експлозивната реакция започва поради налични неутрони от спонтанно делене или неутрони от космическа радиация. В ядрените реактори се извършват контролирани верижни реакции.

В природата има три изотопа, които могат да служат като ядрено гориво (U: естественият уран съдържа приблизително 0,7%) или суровини за производството му (Th и U: естественият уран съдържа приблизително 99,3%). Th служи като първоначален продукт за получаване на изкуствено ядрено гориво U (виж реакция (265.2)) и U, абсорбиращ неутрони, чрез две последователни  – -разпад - за трансформация в Pu ядро:

По този начин реакциите (266.2) и (265.2) откриват реална възможност за възпроизвеждане на ядрено гориво в процеса на верижна реакция на делене.

Ядрен реактор- Това е устройство, в което се осъществява контролирана верижна ядрена реакция, съпроводена с отделяне на енергия. Първият ядрен реактор е построен и пуснат през декември 1942 г. в САЩ под ръководството на Е. Ферми. Първият реактор, построен извън Съединените щати, е ZEEP, пуснат в Канада през септември 1945 г. В Европа първият ядрен реактор беше инсталацията F-1, която беше пусната на 25 декември 1946 г. в Москва под ръководството на И. В. Курчатов.

До 1978 г. в света вече работят около сто ядрени реактора от различни видове. Компонентите на всеки ядрен реактор са: ядро ​​с ядрено гориво, обикновено заобиколено от неутронен рефлектор, охлаждаща течност, система за управление на верижна реакция, радиационна защита, система за дистанционно управление. Основната характеристика на ядрения реактор е неговата мощност. Мощност от 1 MW съответства на верижна реакция, при която 3·10 16 събития на делене се случват за 1 секунда.

33. Термоядрен синтез. Звездна енергия. Контролиран термоядрен синтез.

термоядрена реакцияе реакция на сливане на леки ядра в по-тежки.

За осъществяването му е необходимо първоначалните нуклони или леки ядра да се приближават едно до друго на разстояния, равни или по-малки от радиуса на сферата на действие на ядрените сили на привличане (т.е. до разстояния 10 -15 m). Такова взаимно сближаване на ядрата се предотвратява от кулоновите сили на отблъскване, действащи между положително заредените ядра. За да се осъществи реакция на синтез, е необходимо вещество с висока плътност да се нагрее до свръхвисоки температури (от порядъка на стотици милиони келвини), така че кинетичната енергия на топлинното движение на ядрата да е достатъчна, за да преодолее отблъскването на Кулон сили. При такива температури материята съществува под формата на плазма. Тъй като синтезът може да се случи само при много високи температури, реакциите на ядрен синтез се наричат ​​термоядрени реакции (от гръцки. therme„топлина, топлина“).

Термоядрените реакции освобождават огромна енергия. Например при реакцията на синтез на деутерий с образуването на хелий

Отделя се 3,2 MeV енергия. В реакцията на синтез на деутерий с образуването на тритий

Отделя се 4,0 MeV енергия и при реакцията

Отделя се 17,6 MeV енергия.

Контролиран термоядрен синтез (TCB) - синтез на по-тежки атомни ядра от по-леки с цел получаване на енергия, която за разлика от експлозивния термоядрен синтез (използван в термоядрени взривни устройства) се контролира. Контролираният термоядрен синтез се различава от традиционната ядрена енергия по това, че последният използва реакция на делене, по време на която се получават по-леки ядра от тежки ядра. Основните ядрени реакции, планирани да бъдат използвани за контролиран синтез, ще използват деутерий (2 H) и тритий (3 H), а в по-дългосрочен план хелий-3 (3 He) и бор-11 (11 B).

34. Източници и методи за регистриране на елементарни частици. Видове взаимодействия и класове елементарни частици. Античастици.

Гайгеров брояч
- служи за преброяване на броя на радиоактивните частици (главно електрони).

Това е стъклена тръба, пълна с газ (аргон) с два електрода вътре (катод и анод).
По време на преминаването на частица се получава ударна йонизация на газа и възниква импулс на електрически ток.

Предимства:
- компактност
- ефективност
- производителност
- висока точност (10000 частици/s).
Къде се използва:
- регистриране на радиоактивно замърсяване на земята, в помещения, облекло, продукти и др.
- в хранилища за радиоактивни материали или с работещи ядрени реактори
- при търсене на находища на радиоактивна руда (U, Th)

облачна камера
- служи за наблюдение и фотографиране на следи от преминаване на частици (следи).
Вътрешният обем на камерата се запълва с изпарения на алкохол или вода в свръхнаситено състояние:
когато буталото се спусне, налягането вътре в камерата намалява и температурата намалява, в резултат на адиабатния процес се образува пренаситена пара.
Капките влага кондензират по пътя на преминаване на частицата и се образува следа – видима следа.
Когато камерата е поставена в магнитно поле, следата може да се използва за определяне на енергията, скоростта, масата и заряда на частица.

Характеристиките на летяща радиоактивна частица се определят от дължината и дебелината на следата, от нейната кривина в магнитно поле.
Например алфа частица дава непрекъсната дебела следа,
протон - тънка писта,
електрон - пунктирана писта.

балонна камера

Вариант с облачна камера

При рязко намаляване на буталото течността под високо налягане преминава в прегрято състояние. При бързото движение на частицата по следата се образуват парни мехурчета, т.е. течността кипи, следата се вижда.
Предимства пред облачната камера:
- висока плътност на средата, следователно къси следи
- частиците се забиват в камерата и може да се извърши по-нататъшно наблюдение на частиците
- повече скорост.
Метод на дебелослойните фотографски емулсии
- служи за регистриране на частици
- позволява ви да регистрирате редки явления поради дългото време на експозиция.
Фотографската емулсия съдържа голямо количество микрокристали сребърен бромид.
Входящите частици йонизират повърхността на фотографските емулсии. Кристалите AgBr се разпадат под действието на заредени частици и при развитие се разкрива следа от преминаването на частица, следа.
Енергията и масата на частиците могат да бъдат определени от дължината и дебелината на пистата.

Класове частици и видове взаимодействия

В момента има твърдо убеждение, че всичко в природата е изградено от елементарни частици и всички природни процеси се дължат на взаимодействието на тези частици. Днес под елементарни частици се разбират кварки, лептони, калибровъчни бозони и скаларни частици на Хигс. При фундаментални взаимодействия - силни, електрослаби и гравитационни. Така условно е възможно да се отделят четири класа елементарни частици и три вида фундаментални взаимодействия.

Неутриното са електрически неутрални; електронът, мюонът и тау-лептонът имат електрически заряди. Лептоните участват в електрослабите и гравитационните взаимодействия.

Трети класса кварки. Днес са известни шест кварка - всеки от които може да бъде "оцветен" в един от три цвята. Подобно на лептоните, удобно е да ги подредите под формата на три семейства

Свободни кварки не се наблюдават. Заедно с глуоните те са компонентите на адроните, които са няколкостотин. Адроните, подобно на кварките, които ги изграждат, участват във всички видове взаимодействия.

четвърти клас- Хигс частици, все още неоткрити експериментално. В минималната схема е достатъчен един скалар на Хигс. Тяхната роля в природата днес е предимно "теоретична" и е да направят електро-слабото взаимодействие пренормируемо. По-специално, масите на всички елементарни частици са „дело“ на кондензата на Хигс. Може би въвеждането на полетата на Хигс е необходимо за решаване на фундаментални проблеми на космологията, като хомогенността и причинността на Вселената.

Следващите лекции по теорията на кварковата структура на адроните са посветени на адроните и кварките. Фокусът ще бъде върху класификацията на частиците, симетриите и законите за запазване.

35. Закони за запазване при трансформации на елементарни частици. Концепцията за кварките.

Кварк е фундаментална частица в Стандартния модел, която има електрически заряд, кратен на д/3, и не се наблюдава в свободно състояние. Кварките са точкови частици с мащаб от около 0,5·10 −19 m, което е около 20 хиляди пъти по-малко от размера на протона. Кварките изграждат адроните, по-специално протона и неутрона. Понастоящем са известни 6 различни "вида" (по-често казват - "вкусове") кварки, чиито свойства са дадени в таблицата. В допълнение, за измервателното описание на силното взаимодействие се предполага, че кварките имат и допълнителна вътрешна характеристика, наречена "цвят". Всеки кварк съответства на антикварк с противоположни квантови числа.

Хипотезата, че адроните са изградени от специфични субединици, е изложена за първи път от М. Гел-Ман и, независимо от него, Дж. Цвайг през 1964 г.

Думата "кварк" е заимствана от Гел-Ман от романа "Бъдене по Финеган" от Дж. Джойс, където в един от епизодите фразата "Три кварка за Muster Mark!" (обикновено се превежда като "Три кварка за Master/Muster Mark!"). Самата дума "кварк" в тази фраза се предполага, че е ономатопея на крясъка на морските птици.

Радиоактивност. Основен закон на радиоактивното разпадане.

Радиоактивността е спонтанен разпад на нестабилни ядра с излъчване на други ядра и елементарни частици.

Видове радиоактивност:

1. Естествено

2. Изкуствени.

Ърнест Ръдърфорд – структурата на атома.

Видове радиоактивно разпадане:

α-разпадане: à + ; β-разпад: à +

Основен закон на радиоактивното разпадане. N \u003d No e -lt

Броят на неразпадналите се радиоактивни ядра намалява експоненциално. L(ламбда) е константата на разпадане.

константа на разпадане. Половин живот. Дейност. Видове радиоактивен разпад и техните спектри.

L (ламбда) - константа на разпадане, пропорционална на вероятността за разпадане на радиоактивно ядро ​​и различна за различните радиоактивни вещества.

полуживот ( T )- е времето, необходимо на половината от радиоактивните ядра да се разпаднат. T=ln2/l=0,69/l.

Активността се характеризира със скоростта на разпад. A=-dN/dT=lN=lN o e -lt =(N/T)*ln2

[A]-бекерел (Bq)= 1 разпадане/секунда.

[A]-кюри (Ci). 1 Ci=3,7*10 10 Bq=3,7*10 10 s -1

[A]-ръдърфорд(Rd). 1Rd=10 6

Видове радиоактивен разпад. правило за изместване.

Алфа разпад (най-слаб): A Z X> 4 2 He + A-4 Z-2 Y

Бета разпад: A Z X> 0 -1 e + A Z+1 Y

Енергийният спектър на частиците на много радиоактивни елементи се състои от няколко линии. Причината за появата на такава структура на спектъра е разпадането на първоначалното ядро ​​(A, Z) във възбудено състояние на ядрото (A-4, Z-2. За алфа-разпадане, например). Чрез измерване на спектрите на частиците може да се получи информация за природата на възбудените състояния на ядрото.

Характеристики на взаимодействието на заредените частици с веществото: линейна плътност на йонизация, линейна спирачна сила, среден линеен обхват. Проникваща и йонизираща способност на алфа, бета и гама лъчение.

Заредените частици, разпространявайки се в материята, взаимодействат с електрони и ядра, в резултат на което се променя състоянието както на материята, така и на частиците.

Линейна йонизационна плътносте отношението на йони със знак dn, образувани от заредени йонизирани частици по елементарния път dL, към дължината на този път. I=dn/dL.

Линейна спирачна сила -това е отношението на енергията dE, загубена от заредена йонизираща частица по време на преминаването на елементарен път dL към дължината на този път. S=dE/dL.

Среден линеен ход-е разстоянието, което йонизираща частица изминава в вещество без сблъсък. R е средният линеен пробег.

Необходимо е да се вземе предвид проникващата способност на радиацията. Например, тежките ядра на атомите и алфа частиците имат изключително къс път в материята, така че радиоактивните алфа източници са опасни, ако попаднат в тялото. Напротив, гама лъчите имат значителна проникваща способност, тъй като се състоят от високоенергийни фотони, които нямат заряд.

Проникващата способност на всички видове йонизиращи лъчения зависи от енергията.