Koncept radioaktivnosti

Zakon radioaktivnog raspada

Kvantifikacija radioaktivnosti i njenih jedinica

Jonizujuće zračenje, njihove karakteristike.

Izvori AI

1. Koncept radioaktivnosti

Radioaktivnost je spontani proces transformacije (raspada) atomskih jezgara, praćen emisijom posebne vrste zračenja koja se naziva radioaktivna.

U ovom slučaju dolazi do transformacije atoma jednog elementa u atome drugih.

Radioaktivne transformacije su karakteristične samo za pojedinačne supstance.

Supstanca se smatra radioaktivnom ako sadrži radionuklide i podliježe procesu radioaktivnog raspada.

Radionuklidi (izotopi) - jezgra atoma sposobna za spontani raspad nazivaju se radionuklidi.

Kao karakteristika nuklida koristi se simbol hemijskog elementa, atomski broj (broj protona) i maseni broj jezgra (broj nukleona, tj. ukupan broj protoni i neutroni).

Na primjer, 239 94 Pu znači da jezgro atoma plutonijuma sadrži 94 protona i 145 neutrona, što je ukupno 239 nukleona.

Postoje sljedeće vrste radioaktivnog raspada:

beta raspad;

Alfa raspad;

Spontana fisija atomskih jezgara (neutronski raspad);

Protonska radioaktivnost (fuzija protona);

Dvoprotonska i klasterna radioaktivnost.

beta raspad - ovo je proces transformacije u jezgru atoma protona u neutron ili neutrona u proton uz oslobađanje beta čestice (pozitron ili elektron)

Alfa raspad - tipično je za teške elemente, čija su jezgra, počevši od broja 82 tabele D.I. Mendelejeva, nestabilna, uprkos višku neutrona i spontano se raspadaju. Jezgra ovih elemenata pretežno izbacuju jezgra atoma helijuma.

Spontana fisija atomskih jezgara (neutronski raspad) - ovo je spontana fisija nekih jezgara teških elemenata (uranijum-238, kalifornij 240.248, 249, 250, kurijum 244, 248 itd.). Vjerovatnoća spontane nuklearne fisije je zanemarljiva u usporedbi s alfa raspadom. U ovom slučaju, jezgro se dijeli na dva fragmenta (nukleusa) koji su bliski po masi.

1. Zakon radioaktivnog raspada

Stabilnost jezgara opada kako se ukupan broj nukleona povećava. Zavisi i od omjera broja neutrona i protona.

Proces uzastopnih nuklearnih transformacija, po pravilu, završava se formiranjem stabilnih jezgara.

Radioaktivne transformacije poštuju zakon radioaktivnog raspada:

N = N 0 e λ t ,

gdje je N, N 0 broj atoma koji se nisu raspali u trenucima t i t 0 ;

λ je konstanta radioaktivnog raspada.

Vrijednost λ ima svoju individualna vrednost za svaku vrstu radionuklida. Karakteriše brzinu raspada, tj. pokazuje koliko se jezgara raspada u jedinici vremena.

Prema jednadžbi zakona radioaktivnog raspada, njegova kriva je eksponencijalna.

1. Kvantifikacija radioaktivnosti i njenih jedinica

Vrijeme u kojem se, uslijed spontanih nuklearnih transformacija, raspada polovina jezgara, naziva se poluživot T 1/2 . Vrijeme poluraspada T 1/2 povezano je s ovisnošću konstante raspada λ:

T 1/2 \u003d ln2 / λ = 0,693 / λ.

Vrijeme poluraspada T 1/2 za različite radionuklide je različito i uvelike varira - od djelića sekunde do stotina, pa čak i hiljada godina.

Poluživot nekih radionuklida:

Jod-131 - 8,04 dana

Cezijum-134 - 2,06 godina

Stroncijum-90 - 29,12 godina

Cezijum-137 - 30 godina

Plutonijum-239 - 24065 godina

Uranijum-235 - 7.038. 10 8 godina

Kalijum-40 - 1,4 10 9 godina.

Recipročna vrijednost konstante raspada, pozvaoprosječni vijek trajanja radioaktivnog atoma t :

Brzina raspada je određena aktivnošću supstance A:

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

gdje su A i A 0 aktivnosti supstance u vremenima t i t 0 .

Aktivnost je mjera radioaktivnosti. Karakterizira ga broj raspada radioaktivnih jezgara u jedinici vremena.

Aktivnost radionuklida je direktno proporcionalna ukupnom broju radioaktivnih atomskih jezgri u trenutku t i obrnuto proporcionalna poluživotu:

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

U SI sistemu, bekerel (Bq) se uzima kao jedinica aktivnosti. Jedan bekerel je jednak jednom raspadu u sekundi. Vansistemska jedinica aktivnosti je kiri (Ku).

1 Ku \u003d 3,7 10 10 Bq

1Bq = 2,7 10 -11 Ku.

Jedinica kirijeve aktivnosti odgovara aktivnosti 1 g radijuma. U praksi mjerenja koriste se koncepti zapremine A v (Bq / m 3, Ku / m 3), površine A s (Bq / m 2, Ku / m 2), specifičnog A m (Bq / m, Ku / m ) aktivnosti se također koriste.

1. Radioaktivnost. Osnovni zakon radioaktivnog raspada. Aktivnost.

2. Glavni tipovi radioaktivnog raspada.

3. Kvantitativne karakteristike interakcije jonizujućeg zračenja sa materijom.

4. Prirodna i vještačka radioaktivnost. radioaktivnih redova.

5. Upotreba radionuklida u medicini.

6. Akceleratori nabijenih čestica i njihova upotreba u medicini.

7. Biofizičke osnove djelovanja jonizujućeg zračenja.

8. Osnovni pojmovi i formule.

9. Zadaci.

Interes lekara za prirodnu i veštačku radioaktivnost je posledica sledećeg.

Prvo, sva živa bića su stalno izložena prirodnoj radijacijskoj pozadini, tj kosmičko zračenje, zračenje radioaktivnih elemenata koji se javljaju u površinskim slojevima zemljine kore, te zračenje elemenata koji ulaze u tijelo životinja zajedno sa zrakom i hranom.

Drugo, radioaktivno zračenje se u samoj medicini koristi u dijagnostičke i terapeutske svrhe.

33.1. Radioaktivnost. Osnovni zakon radioaktivnog raspada. Aktivnost

Fenomen radioaktivnosti je 1896. godine otkrio A. Becquerel, koji je posmatrao spontanu emisiju nepoznatog zračenja iz soli uranijuma. Ubrzo su E. Rutherford i Curies otkrili da se tokom radioaktivnog raspada emituju He jezgra (α-čestice), elektroni (β-čestice) i tvrdo elektromagnetno zračenje (γ-zraci).

Godine 1934. otkriven je raspad emisijom pozitrona (β + -raspad), a 1940. novi tip radioaktivnost - spontana fisija jezgara: fisivno jezgro se raspada na dva fragmenta uporedive mase uz istovremenu emisiju neutrona i γ -quanta. Protonska radioaktivnost jezgara uočena je 1982.

radioaktivnost - sposobnost nekih atomskih jezgara da se spontano (spontano) transformišu u druga jezgra emisijom čestica.

Atomska jezgra se sastoje od protona i neutrona, koji imaju opšti naziv - nukleoni. Određuje broj protona u jezgru Hemijska svojstva atom i označava se sa Z (ovo serijski broj hemijski element). Broj nukleona u jezgru se naziva maseni broj i označavaju A. Zovu se jezgra sa istim serijskim brojem i različitim masenim brojevima izotopi. Svi izotopi jednog hemijskog elementa imaju isto Hemijska svojstva. Fizička svojstva izotopi mogu značajno varirati. Za označavanje izotopa koristi se simbol hemijskog elementa sa dva indeksa: A Z X. Donji indeks je serijski broj, gornji je maseni broj. Često se indeks izostavlja jer sam simbol elementa ukazuje na njega. Na primjer, pišu 14 C umjesto 14 6 C.

Sposobnost jezgra da se raspadne zavisi od njegovog sastava. Isti element može imati i stabilne i radioaktivne izotope. Na primjer, izotop ugljika 12C je stabilan, dok je izotop 14C radioaktivan.

Radioaktivni raspad je statistički fenomen. Karakterizira sposobnost izotopa da se raspadne konstanta raspadaλ.

konstanta raspada je vjerovatnoća da će se jezgro datog izotopa raspasti u jedinici vremena.

Vjerojatnost nuklearnog raspada u kratkom vremenu dt nalazi se po formuli

Uzimajući u obzir formulu (33.1), dobijamo izraz koji određuje broj raspadnutih jezgara:

Formula (33.3) se naziva glavna zakon radioaktivnog raspada.

Broj radioaktivnih jezgara opada s vremenom prema eksponencijalnom zakonu.

U praksi, umjesto konstanta raspadaλ često koriste drugu vrijednost tzv poluživot.

Poluživot(T) - vrijeme tokom kojeg se raspada pola radioaktivnih jezgara.

Zakon radioaktivnog raspada koji koristi vrijeme poluraspada zapisuje se na sljedeći način:

Grafikon zavisnosti (33.4) prikazan je na sl. 33.1.

Poluživot može biti ili vrlo dug ili vrlo kratak (od djelića sekunde do mnogo milijardi godina). U tabeli. 33.1 prikazuje vrijeme poluraspada za neke elemente.

Rice. 33.1. Smanjenje broja jezgara izvorne supstance tokom radioaktivnog raspada

Tabela 33.1. Poluživot za neke elemente

Za stopu stepen radioaktivnosti izotopi koriste posebnu količinu tzv aktivnost.

Aktivnost - broj jezgara radioaktivnog preparata koji se raspada u jedinici vremena:

Jedinica mjere aktivnosti u SI - becquerel(Bq), 1 Bq odgovara jednom događaju raspada u sekundi. U praksi, više

snalažljiva vansistemska jedinica aktivnosti - curie(Ci) jednako aktivnosti 1 g 226 Ra: 1 Ci = 3,7x10 10 Bq.

Vremenom se aktivnost smanjuje na isti način kao što se smanjuje broj neraspadnutih jezgara:

33.2. Glavne vrste radioaktivnog raspada

U procesu proučavanja fenomena radioaktivnosti otkrivene su 3 vrste zraka koje emituju radioaktivna jezgra, koje su nazvane α-, β- i γ-zraci. Kasnije je ustanovljeno da su α- i β-čestice produkti dva razne vrste radioaktivni raspad, a γ-zraci su nusproizvod ovih procesa. Osim toga, γ-zraci također prate složenije nuklearne transformacije, koje se ovdje ne razmatraju.

Alfa raspad sastoji se u spontanoj transformaciji jezgara sa emisijomα -čestice (jezgra helijuma).

Shema α-raspada je zapisana kao

gdje su X, Y simboli roditeljskog i podređenog jezgra, respektivno. Kada pišete α-raspad, umjesto "α" možete napisati "Ne".

U tom raspadu, atomski broj Z elementa se smanjuje za 2, a maseni broj A - za 4.

Tokom α-raspada, kćerka jezgra se, po pravilu, formira u pobuđenom stanju i po prelasku u osnovno stanje emituje γ-kvant. Zajedničko svojstvo složenih mikro-objekata je da imaju diskretno skup energetskih stanja. Ovo se odnosi i na jezgre. Stoga, γ-zračenje pobuđenih jezgara ima diskretni spektar. Posljedično, energetski spektar α-čestica je također diskretno.

Energija emitovanih α-čestica za skoro sve α-aktivne izotope je u granicama 4-9 MeV.

beta raspad sastoji se u spontanoj transformaciji jezgara uz emisiju elektrona (ili pozitrona).

Utvrđeno je da β-raspad uvijek prati emisija neutralne čestice - neutrina (ili antineutrina). Ova čestica praktično ne stupa u interakciju s materijom i neće se dalje razmatrati. Energija oslobođena tokom β-raspada raspoređuje se između β-čestice i neutrina nasumično. Stoga je energetski spektar β-zračenja kontinuiran (slika 33.2).

Rice. 33.2. Energetski spektar β-raspada

Postoje dvije vrste β-raspada.

1. Elektronskiβ - -raspad se sastoji u transformaciji jednog nuklearnog neutrona u proton i elektron. U ovom slučaju pojavljuje se još jedna čestica ν" - antineutrino:

Elektron i antineutrino izlete iz jezgra. Šema elektronskog β - raspada se zapisuje kao

Tokom elektronskog β-raspada serijski broj Z-elementa se povećava za 1, maseni broj A se ne menja.

Energija β-čestica je u opsegu od 0,002-2,3 MeV.

2. Positronβ + -raspad se sastoji u transformaciji jednog nuklearnog protona u neutron i pozitron. U ovom slučaju pojavljuje se još jedna čestica ν - neutrino:

Samo hvatanje elektrona ne stvara ionizirajuće čestice, ali to čini praćeno rendgenskim snimcima. Ovo zračenje nastaje kada se prostor oslobođen apsorpcijom unutrašnjeg elektrona popuni elektronom iz vanjske orbite.

Gama zračenje ima elektromagnetnu prirodu i foton je talasne dužineλ ≤ 10 -10 m.

Gama zračenje nije nezavisan pogled radioaktivnog raspada. Zračenje ovog tipa gotovo uvijek prati ne samo α-raspad i β-raspad, već i složenije nuklearne reakcije. Ne odbija se od električnih i magnetnih polja, ima relativno slabu jonizujuću i vrlo veliku prodornu moć.

33.3. Kvantitativne karakteristike interakcije jonizujućeg zračenja sa materijom

Uticaj radioaktivnog zračenja na žive organizme je povezan sa jonizacija, koje indukuje u tkivima. Sposobnost čestice da jonizuje zavisi i od njenog tipa i od njene energije. Kako se čestica pomiče dublje u supstancu, ona gubi svoju energiju. Ovaj proces se zove jonizacijsko kočenje.

Da bi se kvantitativno okarakterizirala interakcija nabijene čestice s materijom, koristi se nekoliko veličina:

Nakon što energija čestice padne ispod energije ionizacije, njen jonizujući efekat prestaje.

Prosječna linearna kilometraža(R) nabijene jonizujuće čestice - put koji je prešla u supstanci prije nego što je izgubila svoju jonizujuću sposobnost.

Razmotrimo neke karakteristične karakteristike interakcije različitih vrsta zračenja sa materijom.

alfa zračenje

Alfa čestica praktički ne odstupa od početnog smjera svog kretanja, jer je njena masa višestruko veća

Rice. 33.3. Zavisnost linearne gustine jonizacije o putu koji putuje α-čestica u mediju

masa elektrona s kojim je u interakciji. Kako prodire duboko u supstancu, gustina jonizacije se prvo povećava i kada kraj vožnje (x = R) naglo pada na nulu (slika 33.3). To se objašnjava činjenicom da se sa smanjenjem brzine kretanja povećava vrijeme koje provodi u blizini molekula (atoma) medija. U ovom slučaju se povećava vjerovatnoća ionizacije. Nakon što energija α-čestice postane uporediva sa energijom molekularnog toplotnog kretanja, ona hvata dva elektrona u supstanci i pretvara se u atom helija.

Elektroni koji nastaju tokom procesa jonizacije, po pravilu se udaljavaju od staze α-čestice i izazivaju sekundarnu jonizaciju.

Karakteristike interakcije α-čestica sa vodom i mekim tkivima prikazane su u tabeli. 33.2.

Tabela 33.2. Zavisnost karakteristika interakcije sa materijom od energije α-čestica

beta zračenje

Za kretanje β -čestice u materiji karakteriše krivolinijska nepredvidiva putanja. To je zbog jednakosti masa čestica koje djeluju.

Karakteristike interakcije β -čestice sa vodom i mekim tkivima prikazane su u tabeli. 33.3.

Tabela 33.3. Zavisnost karakteristika interakcije sa materijom o energiji β-čestica

Kao i kod α čestica, snaga ionizacije β čestica raste sa smanjenjem energije.

Gama zračenje

Apsorpcija γ -zračenje tvari podliježe eksponencijalnom zakonu sličnom zakonu apsorpcije rendgenskih zraka:

Glavni procesi odgovorni za apsorpciju γ -zračenje su fotoelektrični efekat i Comptonovo rasejanje. Ovo proizvodi relativno malu količinu slobodnih elektrona (primarna jonizacija), koji imaju vrlo visoku energiju. Upravo oni uzrokuju procese sekundarne ionizacije, koja je neuporedivo veća od primarne.

33.4. prirodni i veštački

radioaktivnost. radioaktivnih redova

Uslovi prirodno i vještački radioaktivnosti su uslovne.

prirodno nazivamo radioaktivnost izotopa koji postoje u prirodi, ili radioaktivnost izotopa nastalih kao rezultat prirodnih procesa.

Na primjer, radioaktivnost uranijuma je prirodna. Prirodna je i radioaktivnost ugljenika 14 C, koji nastaje u gornjim slojevima atmosfere pod uticajem sunčevog zračenja.

Veštačko naziva se radioaktivnost izotopa koji nastaju kao rezultat ljudskih aktivnosti.

Ovo je radioaktivnost svih izotopa proizvedenih u akceleratorima čestica. Ovo također uključuje radioaktivnost tla, vode i zraka, koja se javlja tokom atomske eksplozije.

prirodna radioaktivnost

AT početni period U proučavanju radioaktivnosti istraživači su mogli koristiti samo prirodne radionuklide (radioaktivne izotope) sadržane u kopnenim stijenama u dovoljno velikoj količini: 232 Th, 235 U, 238 U. Sa ovim radionuklidima počinju tri radioaktivne serije, koje se završavaju stabilnim izotopima Pb. Nakon toga je otkrivena serija koja počinje od 237 Np, sa konačnim stabilnim jezgrom 209 Bi. Na sl. 33.4 prikazuje red koji počinje sa 238 U.

Rice. 33.4. Serija uranijum-radijum

Elementi ove serije su glavni izvor unutrašnjeg izlaganja ljudi. Na primjer, 210 Pb i 210 Po ulaze u organizam s hranom - koncentrirani su u ribama i školjkama. Oba ova izotopa akumuliraju se u lišajevima i stoga su prisutna u mesu sobova. Najznačajniji od svih prirodnih izvora zračenja je 222 Rn - teški inertni gas koji nastaje raspadom 226 Ra. To čini otprilike polovinu doze prirodnog zračenja koju primaju ljudi. Formirano u zemljine kore, ovaj gas prodire u atmosferu i ulazi u vodu (visoko je rastvorljiv).

Radioaktivni izotop kalijuma 40 K stalno je prisutan u zemljinoj kori, koji je deo prirodnog kalijuma (0,0119%). Iz tla ovaj element dolazi korijenski sistem biljke i sa biljnom hranom (žitarice, sveže povrće i voće, pečurke) - u organizam.

Drugi izvor prirodnog zračenja je kosmičko zračenje (15%). Njegov intenzitet se povećava u planinskim područjima zbog smanjenja zaštitnog efekta atmosfere. Izvori prirodnog pozadinskog zračenja navedeni su u tabeli. 33.4.

Tabela 33.4. Komponenta prirodne radioaktivne pozadine

33.5. Upotreba radionuklida u medicini

radionuklida nazivaju radioaktivnim izotopima hemijskih elemenata s kratkim poluraspadom. Takvi izotopi ne postoje u prirodi, pa se dobivaju umjetno. AT moderne medicine radionuklidi se široko koriste u dijagnostičke i terapeutske svrhe.

Dijagnostička aplikacija zasniva se na selektivnom akumulaciji određenih hemijskih elemenata od strane pojedinih organa. Jod je, na primjer, koncentrisan u štitnoj žlijezdi, dok je kalcij koncentriran u kostima.

Unošenje radioizotopa ovih elemenata u organizam omogućava otkrivanje područja njihove koncentracije radioaktivnim zračenjem i na taj način dobijanje važnih dijagnostičkih informacija. Ova dijagnostička metoda se zove metodom označenog atoma.

Terapeutska upotreba radionuklida zasniva se na destruktivnom dejstvu jonizujućeg zračenja na tumorske ćelije.

1. Gama terapija- upotreba visokoenergetskog γ-zračenja (izvor 60 Co) za uništavanje duboko lociranih tumora. Kako površinski locirana tkiva i organi ne bi bili podvrgnuti destruktivnom djelovanju, djelovanje jonizujućeg zračenja provodi se u različitim sesijama u različitim smjerovima.

2. alfa terapija- terapeutska upotreba α-čestica. Ove čestice imaju značajnu linearnu gustinu jonizacije i apsorbuju ih čak i mali sloj vazduha. Stoga, terapeutski

upotreba alfa zraka je moguća uz direktan kontakt s površinom organa ili s uvođenjem unutra (iglom). Za površinsko izlaganje koristi se radonska terapija (222 Rn): izlaganje kože (kupke), organa za varenje (pijenje), respiratornih organa (inhalacije).

U nekim slučajevima, medicinska upotreba α -čestica je povezana sa upotrebom neutronskog fluksa. Ovom metodom se u tkivo (tumor) prvo unose elementi, čija jezgra pod dejstvom neutrona emituju α -čestice. Nakon toga, oboljeli organ se ozrači neutronskim fluksom. Na ovaj način α -čestice se formiraju direktno unutar organa, na koje bi trebale imati destruktivno djelovanje.

Tabela 33.5 navodi karakteristike nekih radionuklida koji se koriste u medicini.

Tabela 33.5. Karakterizacija izotopa

33.6. Akceleratori čestica i njihova upotreba u medicini

Accelerator- instalacija u kojoj se pod uticajem električnih i magnetnih polja dobijaju usmereni snopovi naelektrisanih čestica visoke energije (od stotina keV do stotina GeV).

Akceleratori stvaraju usko snopovi čestica sa zadatom energijom i malim poprečnim presjekom. Ovo vam omogućava da pružite usmjereno uticaj na ozračene objekte.

Upotreba akceleratora u medicini

Akceleratori elektrona i protona koriste se u medicini za radioterapiju i dijagnostiku. U ovom slučaju se koriste i same ubrzane čestice i prateće rendgensko zračenje.

Rendgen s kočnim zrakama dobijen usmjeravanjem zraka čestica na posebnu metu, koja je izvor x-zrake. Ovo zračenje se razlikuje od rendgenske cijevi po mnogo većoj energiji fotona.

Sinhrotronski X-zraci nastaje u procesu ubrzanja elektrona u prstenastim akceleratorima – sinhrotronima. Takvo zračenje ima visok stepen orijentacija.

Direktno djelovanje brzih čestica povezano je s njihovom velikom moći prodiranja. Takve čestice prolaze kroz površinska tkiva bez izazivanja ozbiljnih oštećenja, a na kraju svog putovanja imaju jonizujući efekat. Odabirom odgovarajuće energije čestica moguće je postići uništavanje tumora na datoj dubini.

Područja primjene akceleratora u medicini prikazana su u tabeli. 33.6.

Tabela 33.6. Primjena akceleratora u terapiji i dijagnostici

33.7. Biofizičke osnove djelovanja jonizujućeg zračenja

Kao što je gore navedeno, uticaj radioaktivnog zračenja na biološke sisteme povezan je sa jonizacija molekula. Proces interakcije zračenja sa ćelijama može se podijeliti u tri uzastopne faze (faze).

1. fizička faza sastoji se od prijenos energije zračenja na molekule biološkog sistema, što rezultira njihovom jonizacijom i ekscitacijom. Trajanje ove faze je 10 -16 -10 -13 s.

2. Fizičko-hemijski faza se sastoji od različitih vrsta reakcija koje dovode do preraspodjele viška energije pobuđenih molekula i jona. Kao rezultat toga, vrlo aktivan

proizvodi: radikali i novi joni sa širokim spektrom hemijskih svojstava.

Trajanje ove faze je 10 -13 -10 -10 s.

3. Hemijska faza - ovo je interakcija radikala i jona jedni s drugima i sa okolnim molekulima. U ovoj fazi se formiraju strukturna oštećenja različitih vrsta, što dovodi do promjene bioloških svojstava: struktura i funkcije membrana su poremećene; lezije se javljaju u molekulima DNK i RNK.

Trajanje hemijske faze je 10 -6 -10 -3 s.

4. biološki stadijum. U ovoj fazi, oštećenje molekula i subcelularnih struktura dovodi do raznih funkcionalnih poremećaja, do prerane stanične smrti kao rezultat djelovanja mehanizama apoptoze ili zbog nekroze. Oštećenja nastala u biološkoj fazi mogu se naslijediti.

Trajanje biološke faze je od nekoliko minuta do desetina godina.

Primećujemo opšte obrasce biološke faze:

Veliki poremećaji s niskom apsorbiranom energijom (smrtonosna doza zračenja za osobu uzrokuje zagrijavanje tijela za samo 0,001 ° C);

Djelovanje na sljedeće generacije kroz nasljedni aparat ćelije;

Karakteristično je latentno, latentno razdoblje;

Različiti dijelovi ćelija imaju različitu osjetljivost na zračenje;

Prije svega, pogođene su ćelije koje se dijele, što je posebno opasno za dječji organizam;

Destruktivno djelovanje na tkiva odraslog organizma, u kojem postoji podjela;

Sličnost zračenja se mijenja s patologijom ranog starenja.

33.8. Osnovni pojmovi i formule

Nastavak tabele

33.9. Zadaci

1. Kolika je aktivnost lijeka ako se 10.000 jezgara ove supstance raspadne u roku od 10 minuta?

4. Starost drevnih uzoraka drveta može se približno odrediti specifičnom aktivnošću mase izotopa 14 6 C u njima. Prije koliko godina je posječeno drvo koje je korišteno za izradu predmeta, ako je specifična masena aktivnost ugljika u njemu 75% specifične masene aktivnosti rastućeg drveta? Poluživot radona je T = 5570 godina.

9. Poslije Černobilska nesreća na pojedinim mjestima kontaminacija tla radioaktivnim cezijumom-137 bila je na nivou od 45 Ci/km 2 .

Nakon koliko godina aktivnost na ovim mjestima će se smanjiti na relativno siguran nivo od 5 Ci/km 2 . Poluživot cezijuma-137 je T = 30 godina.

10. Dozvoljena aktivnost joda-131 u ljudskoj štitnoj žlijezdi ne bi trebala biti veća od 5 nCi. Kod nekih ljudi koji su bili u zoni černobilske katastrofe, aktivnost joda-131 dostigla je 800 nCi. Nakon koliko dana se aktivnost smanjila na normalu? Poluživot joda-131 je 8 dana.

11. Sljedeća metoda se koristi za određivanje volumena krvi kod životinje. Životinji se uzima mali volumen krvi, eritrociti se odvajaju od plazme i stavljaju u otopinu sa radioaktivnim fosforom, koji asimiliraju eritrociti. Obilježeni eritrociti se ponovo unose u krvožilni sistem životinje i nakon nekog vremena se utvrđuje aktivnost uzorka krvi.

ΔV = 1 ml ovog rastvora je ubrizgan u krv neke životinje. Početna aktivnost ovog volumena bila je A 0 = 7000 Bq. Aktivnost 1 ml krvi uzete iz vene životinje dan kasnije bila je jednaka 38 impulsa u minuti. Odredite volumen krvi životinje ako je poluživot radioaktivnog fosfora T = 14,3 dana.

Predavanje 16

Elementi fizike atomsko jezgro

Pitanja

1. Zakon radioaktivnog raspada.

Nuklearne reakcije i njihove glavne vrste.

uzorci ,  i propada.

Doze zračenja.

Lančana reakcija fisije.

6. Reakcije fuzije (termonuklearne reakcije).

1. Zakon radioaktivnog raspada

Ispod radioaktivnog raspada razumiju prirodnu radioaktivnu transformaciju jezgara, koja se događa spontano.

Atomsko jezgro koje se raspada naziva se majčinski, jezgro u nastajanju je dijete.

Teorija radioaktivnog raspada pokorava se zakonima statistike. Broj jezgara d N, dezintegrisala tokom određenog vremenskog perioda od t prije t+ d t, proporcionalno vremenskom intervalu d t i broj N neraspadnuta jezgra do tog vremena t:

d N = – λ N d t , (1)

λ  konstantan radioaktivni raspad, s  1 ; znak minus označava da se ukupan broj radioaktivnih jezgara smanjuje tokom procesa raspada.

(2)

gdje N 0 - početni broj untrule jezgra u isto vreme t = 0;N broj untrule jezgra u isto vreme t.

Zakon radioaktivnog raspada: broj neraspadnutih jezgara opada s vremenom prema eksponencijalnom zakonu.

Intenzitet procesa raspadanja karakteriziraju dvije veličine:

poluživotT 1/2  vrijeme tokom kojeg se početni broj radioaktivnih jezgara prepolovi;

prosječni vijek trajanja τ radioaktivnog jezgra.

. (3)

poluživot, T 1 /2
				4,510 9 godina

Ukupni životni vijek d N jezgra je t|dN| = λ Nt d t. Integracijom ovog izraza preko t(tj. od 0 do ∞) i podijeliti sa početnim brojem jezgara N 0 , dobijamo prosječno vrijeme života τ radioaktivnog jezgra:

. (4)

Integral tabele:

Dakle, prosječno vrijeme života τ radioaktivnog jezgra je recipročna konstanta radioaktivnog raspada λ.

AktivnostALI nuklid u radioaktivnom izvoru je broj raspada koji se dešava sa jezgrima materije u 1 s:

Bq - bekerel, (5)

1Bq je aktivnost nuklida, pri kojoj se jedan čin raspadanja javlja u 1 s.

Vansistemska jedinica je curie [Ci]: 1[Ci] = 3,710 10 [Bq].

Radioaktivni raspad se dešava u skladu sa tzv. pravilima pomeranja (ona su posledica zakona održanja naelektrisanja i masenog broja), koja omogućavaju da se ustanovi koje jezgro nastaje kao rezultat raspada datog matičnog jezgra.

Pravilo pomaka za α-raspad:
. (6)

Pravilo pomaka za β-raspad:
, (7)

gdje
- majčino jezgro; Y simbol jezgra djeteta;
 jezgro helijuma (α-čestica);  simbolička oznaka elektrona (njegov naboj je  e, a maseni broj je nula).

Jezgra nastala radioaktivnim raspadom mogu, zauzvrat, biti radioaktivna. To dovodi do lanca ili serije radioaktivnih transformacija. , završava sa stabilnim elementom. Konačni nuklidi su:
,
,
,
.

1. Nuklearne reakcije i njihove glavne vrste

nuklearna reakcija – ovo je proces interakcije atomskog jezgra s drugim jezgrom ili elementarnom česticom, praćen promjenom sastava i strukture jezgra i oslobađanjem sekundarnih čestica ili γ– kvanti .

, , (8)

X, Y početna i završna jezgra; OD srednje složeno jezgro; a, b bombardovanje i emitovane čestice.

Prvu nuklearnu reakciju izveo je E. Rutherford 1919. godine

(9)

Tokom nuklearnih reakcija nekoliko zakoni o očuvanju: zamah, energija, ugaoni moment, naboj. Pored ovih klasičnih zakona održanja, takozvani zakon očuvanja vrijedi u nuklearnim reakcijama. barion naboj (tj. broj nukleona - protona i neutrona).

Klasifikacija nuklearnih reakcija

prema vrsti uključenih čestica :

pod uticajem neutrona ;

pod dejstvom naelektrisanih čestica (protona,  čestica itd.);

pod uticajem kvanta.

2. energijom čestica koje ih uzrokuju :

niske energije  1 eV (sa neutronima);

prosječne energije  1 MeV (sa kvantima, čestica);

visoke energije  10 3 MeV (rađanje novih elementarnih čestica);

3. Prema vrsti jezgara uključenih u njih:

na lakim jezgrima (A<50);

na srednjim jezgrama (50<А<100);

na teška jezgra (A>100);

4. po prirodi nuklearnih transformacija :

sa emisijom neutrona;

sa emisijom naelektrisanih čestica;

reakcije hvatanja (zračene kvantne).

3. Pravilnosti ,  i raspada

raspadanje: aktivna su jezgra uglavnom teških elemenata ( ALI> 200, Z > 82), na primjer:

(10)

 čestica nastaje kada se sretnu dva protona i dva neutrona, ima brzinu od 1,410 7 …210 7 m/s, što odgovara energijama od 4,0…8,8 MeV.

Geiger-Nattallov zakon:
, (11)

R  trčanje, put koji je prešla čestica u supstanci do potpunog zaustavljanja;
.Što je kraći poluživot radioaktivnog elementa, veći je domet, a time i energija čestice.

 čestica sa energijom od 4,2 MeV okružena je potencijalnom barijerom Kulonove sile od 8,8 MeV. Njegov odlazak se u kvantnoj mehanici objašnjava tunelskim efektom.

 raspadanje: Elektron se rađa kao rezultat procesa koji se odvijaju unutar jezgra. Jer broj nukleona se ne menja, ali Z povećava se za 1, tada se jedan od neutrona pretvara u proton sa formiranjem elektrona i emisijom antineutrino:

(12)

Teoriju  raspada sa emisijom neutrina predložio je Pauli 1931. godine i eksperimentalno je potvrdio 1956. Ima veliku prodornu moć: neutrino sa energijom od 1 MeV u olovu prolazi put od 10 18 m!

raspadanje: nije nezavisna, već prati  i  raspad.  spektar je diskretan, karakteriše ga ne talasna, već korpuskularna svojstva.  kvanti, koji imaju nultu masu mirovanja, ne posjeduju naboj, ne mogu usporiti u mediju, ali mogu biti apsorbovan, ili raspršiti. Velika prodorna moć  zračenja se koristi u  detekciji kvarova.

N=N 0 e - λt je zakon radioaktivnog raspada, gdje je N broj neraspadnutih jezgara, N 0 broj početnih jezgara.

fizičko značenje konstanta raspada - vjerovatnoća nuklearnog raspada u jedinici vremena. Karakteristični životni vijek za radioaktivna jezgra je τ> 10 -14 s. Životni vijek jezgara uslijed emisije nukleona 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.

Vrste radioaktivnog raspada. α - raspad, shema raspadanja, obrasci raspada.

Radioaktivni raspad je proces transformacije nestabilnih atomskih jezgara u jezgra drugih elemenata, koji je praćen emisijom čestica.

Vrste radioaktivnog raspada:

1)α - raspad - je praćen emisijom atoma helijuma.

2)β - raspad - emisija elektrona i pozitrona.

3)γ - raspad - emisija fotona tokom prelaza između stanja jezgara.

4) Spontana nuklearna fisija.

5) Nukleonska radioaktivnost.

α - raspad: A 2 X→ A-Y Z-2 Y+ 4 2 He. Α-raspad je uočen u teškim jezgrima. Spektar α - raspada je diskretan. Dužina rada α - čestice u vazduhu: 3-7cm; za guste supstance: 10 -5 m T 1/2 10 -7 s ÷ 10 10 godina.

β - raspad. Šeme β + , β - i K-hvatanje. Pravilnosti β - raspada.

β - raspad je posljedica slabe interakcije. Slab je u odnosu na jaka jezgra. Sve čestice osim fotona učestvuju u slabim interakcijama. Poenta je degeneracija novih čestica. T 1/2 10 -2 s ÷ 10 20 godina. Slobodni put neutrona je 10 19 km.

β - raspadanje uključuje 3 vrste raspada:

1) β - ili elektronski. Jezgro emituje elektrone. Uglavnom:

A 2 X→ A Z -1 Y+ 0 -1 e+υ e .

2)β + ili pozitron. Emituju se elektronske antičestice – pozitroni: 1 1 p→ 1 0 n+ 0 1 e+υ e – reakcija transformacije protona u neutron. Reakcija ne prolazi sama od sebe. Opšti pogled na reakciju: A Z X→ A Z -1 Y+ 0 1 e+υ e . Uočeno u umjetnim radioaktivnim jezgrima.

3) Elektronsko snimanje. Dolazi do transformacije jezgra, hvata K-ljusku i pretvara se u neutron: 1 1 p+ 0 -1 e→ 1 0 n+υ e . Opšti izgled: A Z X+ 0 1 e→ A Z -1 Y+υ e . Kao rezultat električnog hvatanja, samo jedna čestica izleti iz jezgara. Praćeno karakterističnim rendgenskim zračenjem.

Aktivnost ALI nuklid(opći naziv za atomske jezgre koje se razlikuju po broju protona Z i neutrone N) u radioaktivnom izvoru je broj raspada koji se dešava sa jezgrima uzorka u 1 s:

SI jedinica aktivnosti - becquerel(Bq): 1 Bq je aktivnost nuklida, pri kojoj se jedan čin raspadanja javlja u 1 s. Do sada se u nuklearnoj fizici koristila i vansistemska jedinica aktivnosti nuklida u radioaktivnom izvoru - curie(Ci): 1 Ci = 3,710 10 Bq.

Radioaktivni raspad nastaje prema tzv pravila pomjeranja, omogućavajući da se ustanovi koje jezgro nastaje kao rezultat raspada datog roditeljskog jezgra. Pravila ofseta:

gdje je X matično jezgro, Y je simbol kćerke jezgre, On je jezgro helijuma (  -čestica), e- simbolička oznaka elektrona (njegov naboj je -1, a maseni broj nula). Pravila pomjeranja nisu ništa drugo nego posljedica dva zakona koji vrijede tokom radioaktivnog raspada - očuvanja električni naboj i očuvanje masenog broja: zbir naboja (masenih brojeva) jezgara i čestica u nastajanju jednak je naboju (masenom broju) originalnog jezgra.

28. Glavne zakonitosti a-raspada. efekat tunela. Svojstva a-zračenja.

α-raspad naziva spontanim raspadom atomskog jezgra u jezgro kćer i α-česticu (jezgro atoma 4 He).

α-raspad se po pravilu javlja u teškim jezgrima sa masenim brojem ALI≥140 (iako postoji nekoliko izuzetaka). Unutar teških jezgara, zbog svojstva zasićenja nuklearnih sila, formiraju se zasebne α-čestice koje se sastoje od dva protona i dva neutrona. Rezultirajuća α-čestica podliježe većem djelovanju Kulonovih odbojnih sila od protona jezgra nego pojedinačni protoni. U isto vrijeme, α-čestica doživljava manje nuklearne privlačnosti prema nukleonima jezgre od ostalih nukleona. Rezultirajuća alfa čestica na granici jezgra reflektuje se prema unutra od potencijalne barijere, ali sa određenom vjerovatnoćom može je savladati (vidi efekat tunela) i izletjeti van. Kako se energija alfa čestice smanjuje, propusnost potencijalne barijere opada eksponencijalno, pa je životni vijek jezgara sa nižom dostupnom energijom alfa raspada, uz ostale jednake stvari, duži.

Soddyjevo pravilo pomaka za α-raspad:

Kao rezultat α-raspada, element se pomiče za 2 ćelije na početak periodnog sistema, maseni broj kćerke jezgre se smanjuje za 4.

efekat tunela- savladavanje potencijalne barijere mikročesticom u slučaju kada je njena ukupna energija (koja ostaje nepromenjena tokom tuneliranja) manja od visine barijere. Efekt tunela je fenomen isključivo kvantne prirode, nemoguć, pa čak i potpuno suprotan klasičnoj mehanici. Analog efekta tunela u valnoj optici može biti prodor svjetlosnog vala u reflektirajući medij (na udaljenosti reda valne dužine svjetlosti) u uvjetima kada, sa stanovišta geometrijske optike, dolazi do totalne unutrašnje refleksije. . Fenomen tuneliranja leži u osnovi mnogih važnih procesa u atomskoj i molekularnoj fizici, u fizici atomskog jezgra, čvrstog stanja itd.

Efekt tunela se može objasniti relacijom nesigurnosti. Napisano kao:

pokazuje da kada je kvantna čestica ograničena duž koordinate, odnosno njena sigurnost duž x, njegov zamah str postaje manje izvjesno. Nasumično, nesigurnost impulsa može dodati energiju čestici da savlada barijeru. Dakle, sa određenom vjerovatnoćom, kvantna čestica može probiti barijeru, dok prosječna energija čestice ostaje nepromijenjena.

Alfa zračenje ima najmanju prodornu moć (za apsorpciju alfa čestica dovoljan je list debelog papira) u ljudsko tkivo do dubine manje od milimetra.

29. Osnovne pravilnosti b-raspada i njegova svojstva. Neutrino. Elektronsko snimanje. (vidi 27)

Becquerel je dokazao da su β-zraci tok elektrona. β-raspad je manifestacija slabe interakcije.

β-raspad(tačnije, beta minus raspad, -raspad) je radioaktivni raspad, praćen emisijom elektrona i antineutrina iz jezgra.

β raspad je intranukleonski proces. Nastaje kao rezultat transformacije jednog od d-kvarkovi u jednom od neutrona jezgra u u-kvark; u ovom slučaju, neutron se pretvara u proton emisijom elektrona i antineutrina:

Soddyjevo pravilo promjene za -raspad:

Nakon -raspada, element se pomiče za 1 ćeliju do kraja periodnog sistema (nuklearni naboj se povećava za jedan), dok se maseni broj jezgra ne mijenja.

Postoje i druge vrste beta raspadanja. Kod raspada pozitrona (beta plus raspad), jezgro emituje pozitron i neutrino. U ovom slučaju, naelektrisanje jezgra se smanjuje za jedan (jezgro se pomera za jednu ćeliju na početak periodnog sistema). Raspad pozitrona uvijek praćen konkurentskim procesom - hvatanjem elektrona (kada jezgro hvata elektron iz atomske ljuske i emituje neutrino, dok se naboj jezgra također smanjuje za jedan). Međutim, obrnuto nije tačno: mnogi nuklidi, za koje je raspad pozitrona zabranjen, doživljavaju hvatanje elektrona. Najrjeđi poznati tip radioaktivnog raspada je dvostruki beta raspad, koji je do danas otkriven za samo deset nuklida, s poluraspadom koji prelazi 10 19 godina. Sve vrste beta raspada čuvaju maseni broj jezgra.

Neutrino- neutralna fundamentalna čestica sa polucijelim spinom, koja učestvuje samo u slabim i gravitacionim interakcijama i pripada klasi leptona.

Elektronski grip, e capture - jedan od tipova beta raspada atomskih jezgara. U hvatanju elektrona, jedan od protona u jezgri hvata elektron u orbiti i pretvara se u neutron, emitujući elektronski neutrino. Naboj jezgra se tada smanjuje za jedan. Maseni broj jezgra, kao i kod svih drugih vrsta beta raspada, ne mijenja se. Ovaj proces je karakterističan za jezgra bogata protonima. Ako razlika u energiji između roditeljskog i podređenog atoma (dostupna energija beta raspada) premašuje 1,022 MeV (dvostruka masa elektrona), hvatanje elektrona se uvijek nadmeće s drugom vrstom beta raspada, raspadom pozitrona. Na primjer, rubidijum-83 se pretvara u kripton-83 samo hvatanjem elektrona (dostupna energija je oko 0,9 MeV), dok se natrijum-22 raspada u neon-22 i hvatanjem elektrona i raspadom pozitrona (dostupna energija je oko 2,8 MeV).

Budući da se broj protona u jezgri (tj. nuklearni naboj) smanjuje tokom hvatanja elektrona, ovaj proces pretvara jezgro jednog kemijskog elementa u jezgro drugog elementa koji se nalazi bliže početku periodnog sistema.

Opća formula za hvatanje elektrona

30. γ-zračenje jezgara i njegova svojstva. Interakcija γ-zračenja sa materijom. Pojava i uništavanje parova elektron-pozitron.

Eksperimentalno je utvrđeno da  -zračenje nije samostalna vrsta radioaktivnosti, već samo prati  - i  -raspada, a nastaje i tokom nuklearnih reakcija, prilikom usporavanja naelektrisanih čestica, njihovog raspada itd.  - Spektar je linija.  -Spektar je distribucija broja  -kvanta u energiji. diskretnost  -spektar je od fundamentalnog značaja, jer je dokaz diskretnosti energetskih stanja atomskih jezgara.

Sada je to čvrsto utvrđeno  -zračenje emituje dječje (a ne roditeljsko) jezgro. Kćerka jezgra u trenutku svog formiranja, pobuđena, prelazi u osnovno stanje sa emisijom  -zračenje. Vraćajući se u osnovno stanje, pobuđeno jezgro može proći kroz niz međustanja, tako da  -zračenje istog radioaktivnog izotopa može sadržavati nekoliko grupa  -kvantima koji se međusobno razlikuju po svojoj energiji.

At  - zračenje ALI i Z kerneli se ne mijenjaju, tako da nije opisano nikakvim pravilima pomicanja.  - Zračenje većine jezgara je tako kratkotalasno da se njegova valna svojstva vrlo slabo ispoljavaju. Dakle, korpuskularna svojstva ovdje dolaze do izražaja  -zračenje se smatra strujom čestica -  -quanta. Tokom radioaktivnih raspada različitih jezgara  -kvanti imaju energiju od 10 keV do 5 MeV.

Jezgro u pobuđenom stanju može prijeći u osnovno stanje ne samo emitiranjem  -kvantnog, ali i sa direktnim prijenosom energije pobude (bez prethodne emisije  -quantum) na jedan od elektrona istog atoma. Time nastaje tzv konverzioni elektron. Sama pojava se zove interna konverzija. Interna konverzija je proces koji se takmiči  -zračenje.

Konverzioni elektroni odgovaraju diskretnim vrijednostima energije, koje zavise od rada elektrona iz ljuske iz koje elektron izlazi i od energije E, koju daje jezgro tokom prelaska iz pobuđenog stanja u osnovno stanje. Ako sva energija E ističe se po formi  -kvant, zatim frekvenciju zračenja  određuje se iz poznate relacije E=h. Ako se emituju elektroni unutrašnje konverzije, tada su njihove energije jednake E-A K , E-A L , .... gdje A K , A L , ... - radna funkcija elektrona TO- i L-školjke. Monoenergetska priroda konverzijskih elektrona omogućava njihovo razlikovanje od  -elektroni čiji je spektar neprekidan. Prazan prostor na unutrašnjoj ljusci atoma koji je nastao kao rezultat emisije elektrona popuniće se elektronima iz gornjih ljuski. Stoga je unutrašnja konverzija uvijek praćena karakterističnom rendgenskom emisijom.

 -Kvanti, koji imaju nultu masu mirovanja, ne mogu usporiti u mediju, dakle, kada prolaze kroz njega  - zračenja kroz supstancu, ona se ili apsorbuju ili raspršuju.  -Kvante ne nose električni naboj i samim tim ne doživljavaju uticaj Kulonovih sila. Prilikom prolaska zraka  -kvanta kroz materiju, njihova energija se ne menja, ali kao rezultat sudara, intenzitet je oslabljen, čija se promena opisuje eksponencijalnim zakonom I=I 0e- x (I 0 i I- intenzitet  -zračenje na ulazu i izlazu sloja upijajućeg materijala debljine x,  - koeficijent apsorpcije). Jer  onda je zračenje najprodornije zračenje  za mnoge supstance - vrlo mala vrijednost;  zavisi od svojstava materije i energije  -quanta.

 -Kvante, prolazeći kroz materiju, mogu stupiti u interakciju kako sa elektronskom ljuskom atoma materije, tako i sa njihovim jezgrima. U kvantnoj elektrodinamici je dokazano da su glavni procesi koji prate prolaz  -zračenje kroz materiju su fotoelektrični efekat, Comptonov efekat (Comptonovo raspršivanje) i formiranje parova elektron-pozitron.

fotoelektrični efekat, ili fotoelektrična apsorpcija  - zračenje, je proces kojim atom apsorbuje  -kvantnim i emituje elektron. Pošto je elektron izbačen iz jedne od unutrašnjih ljuski atoma, ispražnjeni prostor se ispunjava elektronima iz gornjih ljuski, a fotoelektrični efekat je praćen karakterističnim rendgenskim zračenjem. Fotoelektrični efekat je preovlađujući mehanizam apsorpcije u niskoenergetskom području  -kvanta ( E 100 keV). Fotoelektrični efekat se može pojaviti samo na vezanim elektronima, pošto slobodni elektron ne može apsorbovati  -kvantni, dok zakoni održanja energije i impulsa nisu istovremeno zadovoljeni.

Kako se energija povećava  -kvanta ( E0,5 MeV) vjerovatnoća fotoelektričnog efekta je vrlo mala i glavni mehanizam interakcije  -kvanta sa materijom je Comptonovo raspršivanje.

At E>l,02 MeV=2 m e c 2 (t e - masa mirovanja elektrona) proces formiranja parova elektron-pozitron u električna polja jezgra. Vjerovatnoća ovog procesa je proporcionalna Z 2 i raste s rastom E. Stoga, kada E10 MeV glavni proces interakcije  -zračenje u bilo kojoj supstanci je formirani parovi elektron-pozitron.

Ako je energija  -kvant premašuje energiju vezivanja nukleona u jezgru (7-8 MeV), a zatim kao rezultat apsorpcije  - kvant se može posmatrati nuklearni fotoelektrični efekat- izbacivanje iz jezgra jednog od nukleona, najčešće neutrona.

Velika prodorna moć  - zračenje se koristi u gama detekciji grešaka - metoda detekcije grešaka zasnovana na različitoj apsorpciji  -zračenje kada se širi na istoj udaljenosti u različitim okruženjima. Lokacija i veličina defekata (šupljine, pukotine, itd.) određuju se razlikom u intenzitetima zračenja koje je prošlo kroz različite dijelove prozirnog proizvoda.

Uticaj  - zračenje (kao i druge vrste jonizujućeg zračenja) na supstancu karakteriše doza jonizujućeg zračenja. razlika:

Apsorbovana doza zračenja - fizička količina, jednak omjeru energije zračenja i mase ozračene tvari.

Jedinica apsorbovane doze zračenja - siva(Gy)*: 1 Gy= 1 J/kg - doza zračenja pri kojoj se energija bilo kojeg jonizujućeg zračenja od 1 J prenosi na ozračenu supstancu težine 1 kg.

31. Dobijanje transuranijumskih elemenata. Osnovni zakoni reakcija nuklearne fisije.

TRANSURAN ELEMENTI, hemijski elementi nalazi se u periodični sistem nakon uranijuma, odnosno sa atomski broj Z >92.

Svi transuranski elementi su sintetizirani nuklearnim reakcijama (u prirodi su pronađene samo količine Np i Pu u tragovima). Transuranski elementi su radioaktivni; sa povećanjem Z poluživot T 1/2 transuranijumski elementi su naglo smanjeni.

Godine 1932., nakon otkrića neutrona, predloženo je da kada se uranijum ozrači neutronima, treba da se formiraju izotopi prvih transuranijumskih elemenata. A 1940. godine, E. Macmillan i F. Ableson sintetizirali su neptunijum (serijski broj 93) koristeći nuklearnu reakciju i proučavali njegova najvažnija hemijska i radioaktivna svojstva. U isto vrijeme došlo je do otkrića sljedećeg transuranskog elementa, plutonijuma. Oba nova elementa su dobila imena po planetama u Sunčevom sistemu.

Svi transuranski elementi do i uključujući 101 sintetizirani su korištenjem čestica koje bombardiraju svjetlo: neutrona, deuterona i alfa čestica. Proces sinteze sastojao se u ozračivanju mete fluksovima neutrona ili nabijenih čestica. Ako se kao meta koristi U, onda je uz pomoć snažnih neutronskih tokova koji nastaju u nuklearnim reaktorima ili prilikom eksplozije nuklearnih uređaja moguće dobiti sve transuranske elemente, do Fm ( Z= 100) uključujući. Elementi sa Z 1 ili 2 manje od sintetiziranog elementa. Između 1940. i 1955 Američki naučnici predvođeni G. Seaborgom sintetizirali su devet novih elemenata koji ne postoje u prirodi: Np (neptunijum), Pu (plutonijum), Am (americij), Cm (kurijum), Bk (berkelijum), Cf (kalifornij), Es ( einsteinium), Fm (fermijum), Md (mendelevium). Godine 1951. nagrađeni su G. Seaborg i E. M. Macmillan nobelova nagrada"za njihova otkrića u hemiji transuranijumskih elemenata."

Mogućnosti metode za sintezu teških radioaktivnih elemenata, u kojima se koristi zračenje svjetlosnim česticama, ograničeni su, ne dozvoljavaju dobijanje jezgara sa Z> 100. Element sa Z = 101 (mendelevijum) otkriven je 1955. ozračivanjem 253 99Es (einsteinium) ubrzanim a-česticama. Sinteza novih transuranskih elemenata postajala je sve teža kako smo prelazili na veće vrijednosti Z. Pokazalo se da su vrijednosti poluraspada njihovih izotopa sve manje i manje.

Nuklearna reakcija - proces transformacije atomskih jezgara, koji se javlja kada su u interakciji sa elementarne čestice, gama zraka i međusobno, što često rezultira oslobađanjem enormnih količina energije. U toku nuklearnih reakcija ispunjavaju se sljedeći zakoni: očuvanje električnog naboja i broja nukleona, očuvanje energije i

očuvanje momenta kretanja, očuvanje ugaonog momenta, očuvanje pariteta i

izotopski spin.

Reakcija fisije - podjela atomskog jezgra na nekoliko lakših jezgara. Podjele su iznuđene i spontane.

Reakcija fuzije je fuzija lakih jezgara u jedno. Ova reakcija se događa samo na visokim temperaturama, reda veličine 10 8 K, i naziva se termonuklearna reakcija.

Energetski prinos reakcije Q je razlika između ukupnih energija mirovanja svih čestica prije i nakon nuklearne reakcije. Ako je Q > 0, tada se ukupna energija mirovanja smanjuje u toku nuklearne reakcije. Takve nuklearne reakcije nazivaju se egzoenergetskim. Oni mogu nastaviti sa proizvoljno malom početnom kinetičkom energijom čestica. Suprotno tome, za 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. Lančana reakcija fisije. Kontrolisana lančana reakcija. Nuklearni reaktor.

Sekundarni neutroni koji se emituju tokom nuklearne fisije mogu izazvati nove događaje fisije, što omogućava izvođenje lančana reakcija fisije- nuklearna reakcija u kojoj se kao produkti te reakcije formiraju čestice koje izazivaju reakciju. Lančanu reakciju fisije karakteriše faktor množenja k neutrona, što je jednako omjeru broja neutrona u datoj generaciji prema njihovom broju u prethodnoj generaciji. Neophodan uslov za razvoj lančane reakcije fisije je zahtev k 1.

Ispostavilo se da svi nastali sekundarni neutroni ne uzrokuju naknadnu nuklearnu fisiju, što dovodi do smanjenja faktora umnožavanja. Prvo, zbog konačnih dimenzija jezgro(prostor u kojem se odvija lančana reakcija) i veliku prodornu moć neutrona, neki od njih će napustiti jezgro prije nego što ih uhvati bilo koje jezgro. Drugo, dio neutrona hvataju jezgra nefisilnih nečistoća, koje su uvijek prisutne u jezgru. Osim toga, uz fisiju, mogu se odvijati konkurentni procesi radijacijskog hvatanja i neelastičnog raspršenja.

Faktor umnožavanja zavisi od prirode fisijskog materijala, a za dati izotop od njegove količine, kao i od veličine i oblika aktivne zone. Zovu se minimalne dimenzije aktivne zone u kojoj je moguća lančana reakcija kritične dimenzije. Minimalna masa fisionog materijala koja se nalazi u sistemu kritičnih veličina, neophodna za implementaciju lančana reakcija, pozvao kritična masa.

Brzina razvoja lančanih reakcija je različita. Neka T - prosječan životni vijek jedne generacije, i N- broj neutrona u datoj generaciji. U sljedećoj generaciji njihov broj je kN, t. e. povećanje broja neutrona po generaciji dN=kN-N=N(k- jedan). Povećanje broja neutrona u jedinici vremena, odnosno brzina rasta lančane reakcije,

Integrirajući (266.1) dobijamo

gdje N 0 je broj neutrona u početnom trenutku vremena, i N- njihov broj po jedan t. N je definisan znakom ( k- jedan). At k> 1 dolazi razvijanje reakcije, broj podjela kontinuirano raste i reakcija može postati eksplozivna. At k=1 ide samoodrživa reakcija, pri čemu se broj neutrona ne mijenja s vremenom. At k<1 идет затухающая реакция.

Lančane reakcije se dijele na uspio i unmanaged. Eksplozija atomske bombe, na primjer, je nekontrolirana reakcija. Kako bi se spriječilo da atomska bomba eksplodira tokom skladištenja, U (ili Pu) u njoj je podijeljen na dva udaljena dijela s masama ispod kritične. Zatim se uz pomoć obične eksplozije te mase približavaju jedna drugoj, ukupna masa fisionog materijala postaje kritičnija i dolazi do eksplozivne lančane reakcije, praćene trenutnim oslobađanjem ogromne količine energije i velikim razaranjem. Eksplozivna reakcija počinje zbog dostupnih neutrona spontane fisije ili neutrona kosmičkog zračenja. Kontrolirane lančane reakcije izvode se u nuklearnim reaktorima.

U prirodi postoje tri izotopa koji mogu poslužiti kao nuklearno gorivo (U: prirodni uranijum sadrži oko 0,7%) ili sirovina za njegovu proizvodnju (Th i U: prirodni uranijum sadrži oko 99,3%). Th služi kao početni proizvod za dobijanje vještačkog nuklearnog goriva U (vidi reakciju (265.2)), a U, apsorbirajući neutrone, kroz dva uzastopna  – -raspada - za transformaciju u Pu jezgro:

Reakcije (266.2) i (265.2), dakle, otvaraju realnu mogućnost reprodukcije nuklearnog goriva u procesu lančane reakcije fisije.

Nuklearni reaktor- Riječ je o uređaju u kojem se provodi kontrolirana nuklearna lančana reakcija, praćena oslobađanjem energije. Prvi nuklearni reaktor izgrađen je i pušten u rad u decembru 1942. u SAD pod vodstvom E. Fermija. Prvi reaktor izgrađen izvan Sjedinjenih Država bio je ZEEP, lansiran u Kanadi u septembru 1945. godine. U Evropi je prvi nuklearni reaktor bila instalacija F-1, koja je lansirana 25. decembra 1946. u Moskvi pod vodstvom I. V. Kurčatova.

Do 1978. godine u svijetu je već radilo stotinjak nuklearnih reaktora različitih tipova. Komponente svakog nuklearnog reaktora su: jezgra sa nuklearnim gorivom, obično okružena reflektorom neutrona, rashladna tečnost, sistem kontrole lančane reakcije, zaštita od zračenja, sistem daljinskog upravljanja. Glavna karakteristika nuklearnog reaktora je njegova snaga. Snaga od 1 MW odgovara lančanoj reakciji u kojoj se 3·10 16 događaja fisije dešava u 1 sekundi.

33. Termonuklearna fuzija. Zvezdana energija. Kontrolisana termonuklearna fuzija.

termonuklearna reakcija je reakcija fuzije lakih jezgara u teža.

Za njegovu implementaciju potrebno je da se početni nukleoni ili laka jezgra približe jedan drugom na udaljenosti jednake ili manje od poluprečnika sfere djelovanja nuklearnih sila privlačenja (tj. do udaljenosti od 10 -15 m). Takvo međusobno približavanje jezgara sprječavaju Kulonove odbojne sile koje djeluju između pozitivno nabijenih jezgara. Da bi došlo do reakcije fuzije, potrebno je zagrijati supstancu velike gustine na ultravisoke temperature (reda stotina miliona Kelvina) tako da kinetička energija toplotnog kretanja jezgara bude dovoljna da savlada Kulonovu odbojnost snage. Na takvim temperaturama materija postoji u obliku plazme. Budući da se fuzija može dogoditi samo na vrlo visokim temperaturama, reakcije nuklearne fuzije nazivaju se termonuklearne reakcije (od grčkog. therme"toplina, toplina").

Termonuklearne reakcije oslobađaju ogromnu energiju. Na primjer, u reakciji fuzije deuterija sa stvaranjem helija

Oslobađa se 3,2 MeV energije. U reakciji sinteze deuterija sa stvaranjem tricija

Oslobađa se 4,0 MeV energije i to u reakciji

Oslobađa se 17,6 MeV energije.

Kontrolisana termonuklearna fuzija (TCB) - sinteza težih atomskih jezgara iz lakših radi dobivanja energije, koja se, za razliku od eksplozivne termonuklearne fuzije (koja se koristi u termonuklearnim eksplozivnim uređajima), kontrolira. Kontrolirana termonuklearna fuzija razlikuje se od tradicionalne nuklearne energije po tome što potonja koristi reakciju fisije, tokom koje se lakša jezgra dobivaju iz teških jezgara. Glavne nuklearne reakcije koje se planiraju koristiti za kontroliranu fuziju koristit će deuterijum (2 H) i tricij (3 H), a dugoročno helijum-3 (3 He) i bor-11 (11 B).

34. Izvori i metode registracije elementarnih čestica. Vrste interakcija i klase elementarnih čestica. Antičestice.

Geigerov brojač
- služi za brojanje broja radioaktivnih čestica (uglavnom elektrona).

To je staklena cijev ispunjena plinom (argonom) s dvije elektrode unutar (katoda i anoda).
Tokom prolaska čestice dolazi do udarne jonizacije gasa i javlja se impuls električne struje.

Prednosti:
- kompaktnost
- efikasnost
- performanse
- visoka tačnost (10000 čestica/s).
Gdje se koristi:
- registraciju radioaktivne kontaminacije na tlu, u prostorijama, odjeći, proizvodima itd.
- u skladištima radioaktivnih materijala ili sa nuklearnim reaktorima koji rade
- prilikom traženja nalazišta radioaktivne rude (U, Th)

komora za oblake
- služi za uočavanje i fotografisanje tragova od prolaska čestica (tragova).
Unutrašnji volumen komore ispunjen je parama alkohola ili vode u prezasićenom stanju:
kada se klip spusti, pritisak unutar komore opada i temperatura opada, kao rezultat adijabatskog procesa nastaje prezasićena para.
Kapljice vlage kondenzuju se duž putanje prolaska čestice i formira se trag - vidljivi trag.
Kada se kamera postavi u magnetsko polje, staza se može koristiti za određivanje energije, brzine, mase i naboja čestice.

Karakteristike leteće radioaktivne čestice određene su dužinom i debljinom staze, njenom zakrivljenošću u magnetnom polju.
Na primjer, alfa čestica daje kontinuirani debeli trag,
proton - tanak trag,
elektron - tačkasta staza.

komora sa mjehurićima

Varijanta Cloud komore

S naglim smanjenjem klipa, tekućina pod visokim tlakom prelazi u pregrijano stanje. Brzim kretanjem čestice duž traga nastaju mjehurići pare, tj. tečnost proključa, trag se vidi.
Prednosti u odnosu na komoru u oblaku:
- velika gustina medija, dakle kratke staze
- čestice se zaglave u komori i moguće je dalje posmatranje čestica
- veća brzina.
Metoda debeloslojnih fotografskih emulzija
- služi za registraciju čestica
- omogućava vam da registrujete retke pojave zbog dugog vremena ekspozicije.
Fotografska emulzija sadrži veliku količinu mikrokristala srebrnog bromida.
Dolazeće čestice ioniziraju površinu fotografskih emulzija. Kristali AgBr se pod djelovanjem nabijenih čestica raspadaju, a razvojem se otkriva trag prolaska čestice, trag.
Energija i masa čestica mogu se odrediti iz dužine i debljine staze.

Klase čestica i vrste interakcija

Trenutno postoji čvrsto uvjerenje da je sve u prirodi izgrađeno od elementarnih čestica, a svi prirodni procesi su posljedica interakcije ovih čestica. Danas se pod elementarnim česticama podrazumijevaju kvarkovi, leptoni, gauge bozoni i Higgsove skalarne čestice. Pod fundamentalnim interakcijama - jakim, elektro-slabim i gravitacionim. Dakle, uslovno je moguće izdvojiti četiri klase elementarnih čestica i tri vrste fundamentalnih interakcija.

Neutrini su električno neutralni; elektron, mion i tau lepton imaju električni naboj. Leptoni učestvuju u elektroslabim i gravitacionim interakcijama.

Treća klasa su kvarkovi. Danas je poznato šest kvarkova - od kojih se svaki može "obojiti" u jednu od tri boje. Poput leptona, zgodno ih je rasporediti u obliku tri porodice

Slobodni kvarkovi se ne primjećuju. Zajedno sa gluonima, oni su komponente hadrona, kojih ima nekoliko stotina. Hadroni, poput kvarkova koji ih čine, učestvuju u svim vrstama interakcija.

četvrti razred- Higgsove čestice, eksperimentalno još nisu otkrivene. U minimalnoj shemi dovoljan je jedan Higgsov skalar. Njihova uloga u prirodi danas je uglavnom "teorijska" i sastoji se u tome da elektro-slabu interakciju učine renormalizujućom. Konkretno, mase svih elementarnih čestica su "ručno djelo" Higgsovog kondenzata. Možda je uvođenje Higgsovih polja neophodno da bi se rešili fundamentalni problemi kosmologije, kao što su homogenost i kauzalnost univerzuma.

Naredna predavanja o teoriji kvark strukture adrona posvećena su hadronima i kvarkovima. Fokus će biti na klasifikaciji čestica, simetriji i zakonima održanja.

35. Zakoni održanja u transformacijama elementarnih čestica. Koncept kvarkova.

Kvark je fundamentalna čestica u Standardnom modelu koja ima električni naboj koji je višekratnik e/3, a ne posmatra se u slobodnom stanju. Kvarkovi su tačkaste čestice do skale od oko 0,5·10 −19 m, što je oko 20 hiljada puta manje od veličine protona. Kvarkovi čine hadrone, posebno proton i neutron. Trenutno je poznato 6 različitih "vrsta" (češće kažu - "okusi") kvarkova, čija su svojstva data u tabeli. Osim toga, za mjerni opis jake interakcije, pretpostavlja se da kvarkovi također imaju dodatnu unutrašnju karakteristiku zvanu "boja". Svaki kvark odgovara antikvarku sa suprotnim kvantnim brojevima.

Hipotezu da se hadroni grade od specifičnih podjedinica prvi su izneli M. Gell-Mann i, nezavisno od njega, J. Zweig 1964.

Reč "kvark" je Gell-Mann pozajmio iz romana Finnegans Wake J. Joycea, gdje je u jednoj od epizoda fraza "Tri kvarka za Muster Marka!" (obično se prevodi kao "Tri kvarka za Master/Muster Mark!"). Sama riječ "kvark" u ovoj frazi je navodno onomatopeja krika morskih ptica.

Radioaktivnost. Osnovni zakon radioaktivnog raspada.

Radioaktivnost je spontani raspad nestabilnih jezgara uz emisiju drugih jezgara i elementarnih čestica.

Vrste radioaktivnosti:

1. Prirodno

2. Veštački.

Ernest Rutherford - struktura atoma.

Vrste radioaktivnog raspada:

α-raspad: à + ; β-raspad: à +

Osnovni zakon radioaktivnog raspada. N \u003d N o e -lt

Broj neraspadnutih radioaktivnih jezgara se eksponencijalno smanjuje. L(lambda) je konstanta raspada.

konstanta raspada. Poluživot. Aktivnost. Vrste radioaktivnog raspada i njihovi spektri.

L (lambda) - konstanta raspada, proporcionalna vjerovatnoći raspada radioaktivnog jezgra i različita za različite radioaktivne supstance.

Poluživot ( T )- je vrijeme potrebno da se polovina radioaktivnih jezgara raspadne. T=ln2/l=0,69/l.

Aktivnost karakterizira stopa raspadanja. A=-dN/dT=lN=lN o e -lt =(N/T)*ln2

[A]-bekerel (Bq)= 1 dezintegracija/sekundi.

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

[A]-rutherford(Rd). 1Rd=10 6

Vrste radioaktivnog raspada. pravilo pomaka.

Alfa raspad (najslabiji): A Z X> 4 2 He + A-4 Z-2 Y

Beta raspad: A Z X> 0 -1 e + A Z+1 Y

Energetski spektri čestica mnogih radioaktivnih elemenata sastoje se od nekoliko linija. Razlog za pojavu takve strukture spektra je raspad početnog jezgra (A, Z) u pobuđeno stanje jezgra (A-4, Z-2. Za alfa raspad, na primjer). Mjerenjem spektra čestica može se dobiti informacija o prirodi pobuđenih stanja jezgra.

Karakteristike interakcije naelektrisanih čestica sa materijom: linearna gustina jonizacije, linearna zaustavna moć, srednji linearni opseg. Prodorne i jonizujuće sposobnosti alfa, beta i gama zračenja.

Nabijene čestice, šireći se u materiji, stupaju u interakciju s elektronima i jezgrama, uslijed čega se mijenja stanje tvari i čestica.

Linearna gustina jonizacije je odnos jona predznaka dn, formiranih od naelektrisanih jonizovanih čestica na elementarnoj putanji dL, prema dužini ove putanje. I=dn/dL.

Linearna zaustavna snaga - ovo je odnos energije dE koju gubi naelektrisana jonizujuća čestica tokom prolaska elementarne putanje dL i dužine ove putanje. S=dE/dL.

Prosječno linearno trčanje- je udaljenost koju jonizujuća čestica prijeđe u tvari bez sudara. R je prosječna linearna kilometraža.

Potrebno je uzeti u obzir prodornu moć zračenja. Na primjer, teške jezgre atoma i alfa čestica imaju izuzetno kratak put u materiji, pa su radioaktivni alfa izvori opasni ako uđu u tijelo. Naprotiv, gama zraci imaju značajnu prodornu moć, jer se sastoje od fotona visoke energije koji nemaju naboj.

Prodorna moć svih vrsta jonizujućeg zračenja zavisi od energije.