Pojam radioaktivnosti

Zakon radioaktivnog raspada

Kvantifikacija radioaktivnosti i njezine jedinice

Ionizirajuće zračenje, njihove karakteristike.

Izvori AI

1. Pojam radioaktivnosti

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

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

Radioaktivne transformacije karakteristične su samo za pojedinačne tvari.

Tvar se smatra radioaktivnom ako sadrži radionuklide i prolazi kroz proces radioaktivnog raspada.

Radionuklidi (izotopi) – jezgre atoma sposobne za spontani raspad nazivaju se radionuklidi.

Kao karakteristika nuklida koristi se simbol kemijskog elementa, atomski broj (broj protona) i maseni broj jezgre (broj nukleona, tj. ukupni broj protoni i neutroni).

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

Postoje sljedeće vrste radioaktivnog raspada:

beta raspad;

Alfa raspad;

Spontana fisija atomskih jezgri (raspad neutrona);

Radioaktivnost protona (fuzija protona);

Dvoprotonska i klasterska radioaktivnost.

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

Alfa raspad - tipično za teške elemente, čije su jezgre, počevši od broja 82 tablice D. I. Mendelejeva, nestabilne, unatoč višku neutrona i spontano se raspadaju. Jezgre ovih elemenata pretežno izbacuju jezgre atoma helija.

Spontana fisija atomskih jezgri (raspad neutrona) - ovo je spontana fisija nekih jezgri teških elemenata (uran-238, kalifornij 240.248, 249, 250, kurij 244, 248 itd.). Vjerojatnost spontane nuklearne fisije je zanemariva u usporedbi s alfa raspadom. U ovom slučaju jezgra je podijeljena na dva fragmenta (jezgre) koji su bliski po masi.

1. Zakon radioaktivnog raspada

Stabilnost jezgri opada s povećanjem ukupnog broja nukleona. Također ovisi o omjeru broja neutrona i protona.

Proces uzastopnih nuklearnih transformacija, u pravilu, završava stvaranjem stabilnih jezgri.

Radioaktivne transformacije podliježu zakonu radioaktivnog raspada:

N = N 0 e λ t ,

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

λ je konstanta radioaktivnog raspada.

Vrijednost λ ima svoje individualna vrijednost za svaku vrstu radionuklida. Karakterizira brzinu raspadanja, tj. pokazuje koliko se jezgri raspadne u jedinici vremena.

Prema jednadžbi zakona radioaktivnog raspada, njegova krivulja je eksponencijalna.

1. Kvantifikacija radioaktivnosti i njezine jedinice

Naziva se vrijeme u kojem se zbog spontanih nuklearnih transformacija raspadne polovica jezgri Pola zivota T 1/2 . Vrijeme poluraspada T 1/2 povezano je s ovisnošću konstante raspada λ:

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

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

Poluživoti nekih radionuklida:

Jod-131 - 8,04 dana

Cezij-134 - 2,06 godina

Stroncij-90 - 29,12 godina

Cezij-137 - 30 godina

Plutonij-239 - 24065 godina

Uran-235 - 7,038. 10 8 godina

Kalij-40 - 1,4 10 9 godina.

Recipročna konstanta raspada, nazvaoprosječni životni vijek radioaktivnog atoma t :

Brzina raspada određena je aktivnošću tvari A:

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

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

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

Aktivnost radionuklida izravno je proporcionalna ukupnom broju radioaktivnih atomskih jezgri u trenutku t i obrnuto proporcionalna vremenu poluraspada:

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

U SI sustavu za jedinicu aktivnosti uzima se bekerel (Bq). Jedan bekerel je jednak jednoj dezintegraciji u sekundi. Izvansustavna jedinica aktivnosti je curie (Ku).

1 Ku \u003d 3,7 10 10 Bq

1Bq = 2,7·10 -11 Ku.

Jedinica curie aktivnosti odgovara aktivnosti 1 g radija. U praksi mjerenja koriste se pojmovi volumena A v (Bq / m 3, Ku / m 3), površine A s (Bq / m 2, Ku / m 2), specifičnog A m (Bq / m, Ku / m ) također se koriste.

1. Radioaktivnost. Osnovni zakon radioaktivnog raspada. Aktivnost.

2. Glavni tipovi radioaktivnog raspada.

3. Kvantitativne karakteristike međudjelovanja ionizirajućeg zračenja s tvari.

4. Prirodna i umjetna radioaktivnost. radioaktivni redovi.

5. Primjena radionuklida u medicini.

6. Akceleratori nabijenih čestica i njihova primjena u medicini.

7. Biofizičke osnove djelovanja ionizirajućeg zračenja.

8. Osnovni pojmovi i formule.

9. Zadaci.

Zanimanje liječnika za prirodnu i umjetnu radioaktivnost proizlazi iz sljedećeg.

Prvo, sva su živa bića stalno izložena prirodnoj pozadini zračenja, koja je kozmičko zračenje, zračenje radioaktivnih elemenata koji se javljaju u površinskim slojevima zemljine kore, te zračenje elemenata koji sa zrakom i hranom ulaze u tijelo životinja.

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

33.1. Radioaktivnost. Osnovni zakon radioaktivnog raspada. Aktivnost

Fenomen radioaktivnosti otkrio je 1896. A. Becquerel, promatrajući spontanu emisiju nepoznatog zračenja iz uranovih soli. Ubrzo su E. Rutherford i supružnici Curie ustanovili da se tijekom radioaktivnog raspada emitiraju jezgre He (α-čestice), elektroni (β-čestice) i tvrdo elektromagnetsko zračenje (γ-zrake).

Godine 1934. otkriven je raspad s emisijom pozitrona (β + -raspad), a 1940. novi tip radioaktivnost - spontana fisija jezgri: fisijska jezgra se raspada na dva fragmenta usporedive mase uz istovremenu emisiju neutrona i γ - kvanti. Protonska radioaktivnost jezgri uočena je 1982.

radioaktivnost - sposobnost nekih atomskih jezgri da se spontano (spontano) pretvaraju u druge jezgre uz emisiju čestica.

Atomske jezgre sastoje se od protona i neutrona, koji imaju opći naziv - nukleoni. Broj protona u jezgri određuje Kemijska svojstva atoma i označava se sa Z (ovo serijski broj kemijski element). Broj nukleona u jezgri naziva se maseni broj a označavaju A. Zovu se jezgre s istim rednim brojem i različitim masenim brojevima izotopi. Svi izotopi jednog kemijskog elementa imaju isto Kemijska svojstva. Fizička svojstva izotopi mogu jako varirati. Za označavanje izotopa koristi se simbol kemijskog elementa s dva indeksa: A Z X. Donji indeks je serijski broj, gornji je maseni broj. Indeks se često izostavlja jer sam simbol elementa ukazuje na njega. Na primjer, pišu 14 C umjesto 14 6 C.

Sposobnost jezgre da se raspadne ovisi o njenom sastavu. 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. Sposobnost izotopa da se raspadne karakterizira konstanta raspadaλ.

konstanta raspada je vjerojatnost da će se jezgra određenog izotopa raspasti u jedinici vremena.

Vjerojatnost nuklearnog raspada u kratkom vremenu dt nalazi se formulom

Uzimajući u obzir formulu (33.1), dobivamo izraz koji određuje broj raspadnutih jezgri:

Formula (33.3) naziva se glavna zakon radioaktivnog raspada.

Broj radioaktivnih jezgri opada s vremenom po eksponencijalnom zakonu.

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

Pola zivota(T) - vrijeme tijekom kojeg se raspada pola radioaktivne jezgre.

Zakon radioaktivnog raspada korištenjem vremena poluraspada zapisan je na sljedeći način:

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

Vrijeme poluraspada može biti vrlo dugo ili vrlo kratko (od djelića sekunde do mnogo milijardi godina). U tablici. 33.1 prikazuje vremena poluraspada za neke elemente.

Riža. 33.1. Smanjenje broja jezgri izvorne tvari tijekom radioaktivnog raspada

Tablica 33.1. Poluživoti za neke elemente

Za stopu stupanj radioaktivnosti izotopi koriste posebnu količinu tzv aktivnost.

Aktivnost - broj jezgri radioaktivnog pripravka koji se raspadaju u jedinici vremena:

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

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

Tijekom vremena aktivnost se smanjuje na isti način kao što se smanjuje broj neraspadnutih jezgri:

33.2. Glavni tipovi radioaktivnog raspada

U procesu proučavanja fenomena radioaktivnosti otkrivene su 3 vrste zraka koje emitiraju radioaktivne jezgre, a koje su nazvane α-, β- i γ-zrake. Kasnije je otkriveno da su α- i β-čestice produkti dva razne vrste radioaktivni raspad, a γ-zrake su nusprodukt tih procesa. Osim toga, γ-zrake također prate složenije nuklearne transformacije, koje ovdje nisu razmatrane.

Alfa raspad sastoji se u spontanoj transformaciji jezgri s emisijomα -čestice (jezgre helija).

Shema α-raspada se piše kao

gdje su X, Y simboli jezgre roditelja i djeteta. Kada pišete α-raspad, umjesto "α" možete napisati "Ne".

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

Tijekom α-raspada jezgra kćeri, u pravilu, nastaje u pobuđenom stanju i nakon prijelaza u osnovno stanje emitira γ-kvant. Zajedničko svojstvo složenih mikroobjekata je da imaju diskretna skup energetskih stanja. Ovo se također odnosi na jezgre. Stoga γ-zračenje pobuđenih jezgri ima diskretan spektar. Posljedično je i energetski spektar α-čestica diskretna.

Energija emitiranih α-čestica za gotovo sve α-aktivne izotope je unutar 4-9 MeV.

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

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

Riža. 33.2. Energetski spektar β-raspada

Postoje dvije vrste β-raspada.

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

Elektron i antineutrino izlete iz jezgre. Shema elektronskog β - raspada napisana je kao

Tijekom elektronskog β-raspada, redni broj Z-elementa se povećava za 1, maseni broj A se ne mijenja.

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

2. Pozitronβ + -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 stvara praćen rendgenskim zrakama. Ovo zračenje nastaje kada se prostor koji je ispražnjen apsorpcijom unutarnjeg elektrona ispuni elektronom iz vanjske orbite.

Gama zračenje ima elektromagnetsku prirodu i foton je s valnom duljinomλ ≤ 10 -10 m.

Gama zračenje nije nezavisan pogled radioaktivni raspad. Zračenje ove vrste gotovo uvijek prati ne samo α-raspad i β-raspad, već i složenije nuklearne reakcije. Ne odbijaju ga električna i magnetska polja, ima relativno slabu ionizirajuću i vrlo veliku moć prodora.

33.3. Kvantitativne karakteristike međudjelovanja ionizirajućeg zračenja s tvari

Utjecaj radioaktivnog zračenja na žive organizme povezuje se s ionizacija, koje inducira u tkivima. Sposobnost čestice da ionizira ovisi o njezinoj vrsti i energiji. Kako se čestica pomiče dublje u tvar, ona gubi svoju energiju. Ovaj proces se zove ionizacijsko kočenje.

Za kvantitativno opisivanje interakcije nabijene čestice s materijom koristi se nekoliko veličina:

Nakon što energija čestice padne ispod energije ionizacije, njen ionizirajući učinak prestaje.

Prosječna linearna kilometraža(R) nabijene ionizirajuće čestice - put koji ona prijeđe u tvari prije nego što izgubi svoju ionizirajuću sposobnost.

Razmotrimo neke karakteristične značajke interakcije različitih vrsta zračenja s materijom.

alfa zračenje

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

Riža. 33.3. Ovisnost linearne gustoće ionizacije o putu koji prijeđe α-čestica u mediju

masu elektrona s kojim stupa u interakciju. Prodirući duboko u tvar, prvo se povećava gustoća ionizacije, a kada kraj trčanja (x = R) naglo pada na nulu (sl. 33.3). To se objašnjava činjenicom da se sa smanjenjem brzine kretanja povećava vrijeme koje provodi u blizini molekule (atoma) medija. U tom slučaju povećava se vjerojatnost ionizacije. Nakon što energija α-čestice postane usporediva s energijom toplinskog gibanja molekule, ona zarobi dva elektrona u tvari i pretvori se u atom helija.

Elektroni nastali tijekom procesa ionizacije u pravilu se udaljavaju od staze α-čestice i uzrokuju sekundarnu ionizaciju.

Karakteristike interakcije α-čestica s vodom i mekim tkivima prikazane su u tablici. 33.2.

Tablica 33.2. Ovisnost karakteristika međudjelovanja s materijom o energiji α-čestica

beta zračenje

Za kretanje β -čestice u tvari karakterizira krivuljasta nepredvidljiva putanja. To je zbog jednakosti masa čestica koje međusobno djeluju.

Obilježja interakcije β -čestice s vodom i mekim tkivima prikazane su u tablici. 33.3.

Tablica 33.3. Ovisnost karakteristika međudjelovanja s materijom o energiji β-čestica

Kao i kod α čestica, ionizacijska moć β čestica raste sa smanjenjem energije.

Gama zračenje

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

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

33.4. prirodni i umjetni

radioaktivnost. radioaktivni redovi

Pojmovi prirodni i Umjetna radioaktivnosti su uvjetne.

prirodni nazivamo radioaktivnost izotopa koji postoje u prirodi, odnosno radioaktivnost izotopa nastalih kao posljedica prirodnih procesa.

Na primjer, radioaktivnost urana je prirodna. Prirodna je i radioaktivnost ugljika 14 C koji nastaje u gornjim slojevima atmosfere pod utjecajem sunčevog zračenja.

Umjetna zove se radioaktivnost izotopa koji nastaju kao posljedica ljudskih aktivnosti.

To je radioaktivnost svih izotopa proizvedenih u akceleratorima čestica. Tu spada i radioaktivnost tla, vode i zraka, koja se javlja tijekom atomske eksplozije.

prirodna radioaktivnost

NA početno razdoblje U proučavanju radioaktivnosti istraživači su mogli koristiti samo prirodne radionuklide (radioaktivne izotope) sadržane u kopnenim stijenama u dovoljno velikim količinama: 232 Th, 235 U, 238 U. Tri radioaktivna niza počinju ovim radionuklidima, a završavaju stabilnim izotopima Pb. Naknadno je otkriven niz koji počinje od 237 Np, s konačnom stabilnom jezgrom 209 Bi. Na sl. 33.4 prikazuje red koji počinje s 238 U.

Riža. 33.4. Niz uran-radij

Elementi ove serije glavni su izvor unutarnje ljudske izloženosti. Na primjer, 210 Pb i 210 Po ulaze u tijelo hranom - koncentrirani su u ribama i školjkama. Oba se izotopa nakupljaju u lišajevima i stoga su prisutna u mesu sobova. Najznačajniji od svih prirodnih izvora zračenja je 222 Rn - teški inertni plin koji nastaje raspadom 226 Ra. Ono čini oko polovicu doze prirodnog zračenja koje primaju ljudi. Nastala u Zemljina kora, ovaj plin curi u atmosferu i ulazi u vodu (jako je topiv).

Radioaktivni izotop kalija 40 K stalno je prisutan u zemljinoj kori, koji je dio prirodnog kalija (0,0119%). Ovaj element dolazi iz tla korijenski sustav biljkama i biljnom hranom (žitarice, svježe povrće i voće, gljive) – u organizam.

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

Tablica 33.4. Komponenta prirodne radioaktivne pozadine

33.5. Primjena radionuklida u medicini

radionuklidi nazivaju se radioaktivni izotopi kemijskih elemenata s kratkim vremenom poluraspada. Takvi izotopi ne postoje u prirodi, pa se dobivaju umjetnim putem. NA moderna medicina Radionuklidi se široko koriste u dijagnostičke i terapijske svrhe.

Dijagnostička aplikacija temelji se na selektivnom nakupljanju pojedinih kemijskih elemenata po pojedinim organima. Jod je, primjerice, koncentriran u štitnoj žlijezdi, dok je kalcij koncentriran u kostima.

Unošenje radioizotopa ovih elemenata u organizam omogućuje otkrivanje područja njihove koncentracije radioaktivnim zračenjem i time dobivanje važnih dijagnostičkih podataka. Ova dijagnostička metoda se zove metodom označenog atoma.

Terapeutska upotreba radionuklida temelji se na destruktivnom djelovanju ionizirajućeg zračenja na tumorske stanice.

1. Gama terapija- korištenje visokoenergetskog γ-zračenja (izvor 60 Co) za uništavanje duboko smještenih tumora. Kako površinski smještena tkiva i organi ne bi bili podvrgnuti destruktivnom učinku, učinak ionizirajućeg zračenja provodi se u različitim seansama u različitim smjerovima.

2. alfa terapija- terapijska uporaba α-čestica. Te čestice imaju značajnu linearnu ionizacijsku gustoću i apsorbira ih čak i mali sloj zraka. Stoga, terapeutski

korištenje alfa zraka moguće je izravnim kontaktom s površinom organa ili uvođenjem unutra (s iglom). Za površinsko izlaganje koristi se radonska terapija (222 Rn): izlaganje na kožu (kupke), probavne organe (pijenje), dišne ​​organe (inhalacije).

U nekim slučajevima, medicinska uporaba α -čestica povezuje se s korištenjem toka neutrona. Ovom metodom se u tkivo (tumor) prvo unose elementi čije jezgre pod djelovanjem neutrona emitiraju α -čestice. Nakon toga se oboljeli organ zrači strujom neutrona. Na ovaj način α -čestice se stvaraju neposredno unutar organa, na koji bi trebale djelovati destruktivno.

U tablici 33.5 navedene su karakteristike nekih radionuklida koji se koriste u medicini.

Tablica 33.5. Karakterizacija izotopa

33.6. Akceleratori čestica i njihova primjena u medicini

Akcelerator- instalacija u kojoj se pod djelovanjem električnih i magnetskih polja dobivaju usmjereni snopovi nabijenih čestica visoke energije (od stotina keV do stotina GeV).

Akceleratori stvaraju suziti snopove čestica zadane energije i malog presjeka. To vam omogućuje pružanje usmjerena utjecaj na ozračene objekte.

Primjena akceleratora u medicini

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

Rendgen kočnog zračenja dobiven usmjeravanjem snopa čestica na posebnu metu, koja je izvor x-zrake. Ovo zračenje razlikuje se od rendgenske cijevi po puno većoj energiji fotona.

Sinhrotronsko rendgensko zračenje nastaje u procesu ubrzavanja elektrona u prstenastim akceleratorima – sinkrotronima. Takvo zračenje ima visok stupanj orijentacija.

Izravno djelovanje brzih čestica povezano je s njihovom velikom moći prodora. Takve čestice prolaze kroz površinska tkiva bez ozbiljnog oštećenja, a na kraju svog puta imaju ionizirajući učinak. Odabirom odgovarajuće energije čestica moguće je postići uništavanje tumora na zadanoj dubini.

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

Tablica 33.6. Primjena akceleratora u terapiji i dijagnostici

33.7. Biofizičke osnove djelovanja ionizirajućeg zračenja

Kao što je gore navedeno, utjecaj radioaktivnog zračenja na biološke sustave povezan je s ionizacija molekula. Proces interakcije zračenja sa stanicama može se podijeliti u tri uzastopna stupnja (stupnja).

1. fizički stadij sastoji se od prijenos energije zračenje na molekule biološkog sustava, što rezultira njihovom ionizacijom i ekscitacijom. Trajanje ove faze je 10 -16 -10 -13 s.

2. Fizikalno-kemijski stupanj se sastoji od raznih vrsta reakcija koje dovode do preraspodjele viška energije pobuđenih molekula i iona. Kao rezultat toga, vrlo aktivan

proizvodi: radikali i novi ioni sa širokim rasponom kemijskih svojstava.

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

3. Kemijska faza - ovo je međudjelovanje radikala i iona međusobno i s okolnim molekulama. U ovoj fazi formiraju se strukturna oštećenja različitih vrsta, što dovodi do promjene bioloških svojstava: struktura i funkcije membrana su poremećene; lezije se javljaju u molekulama DNA i RNA.

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

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

Trajanje biološkog stadija je od nekoliko minuta do desetaka godina.

Primjećujemo opće obrasce biološke faze:

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

Djelovanje na sljedeće generacije kroz nasljedni aparat stanice;

Karakteristično je latentno, latentno razdoblje;

Različiti dijelovi stanica imaju različitu osjetljivost na zračenje;

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

Destruktivni učinak na tkiva odraslog organizma, u kojem postoji podjela;

Sličnost zračenja mijenja se s patologijom ranog starenja.

33.8. Osnovni pojmovi i formule

Nastavak tablice

33.9. Zadaci

1. Koja je aktivnost lijeka ako se 10 000 jezgri te tvari raspadne unutar 10 minuta?

4. Starost starih uzoraka drva može se približno odrediti prema specifičnoj masenoj aktivnosti izotopa 14 6 C u njima. Prije koliko je godina posječeno stablo koje je korišteno za izradu predmeta, ako je specifična masena aktivnost ugljika u njemu 75% specifične masene aktivnosti rastućeg stabla? Vrijeme poluraspada radona je T = 5570 godina.

9. Nakon Černobilska nesreća mjestimično je zagađenje tla radioaktivnim cezijem-137 bilo na razini od 45 Ci/km 2 .

Nakon koliko godina će se aktivnost na tim mjestima smanjiti na relativno sigurnu razinu od 5 Ci/km 2 . Vrijeme poluraspada cezija-137 je T = 30 godina.

10. Dopuštena aktivnost joda-131 u ljudskoj štitnjači ne smije biti veća od 5 nCi. Kod nekih ljudi koji su bili u području černobilske katastrofe, aktivnost joda-131 dosegla je 800 nCi. Nakon koliko dana se aktivnost smanjila na normalu? Poluživot joda-131 je 8 dana.

11. Za određivanje volumena krvi u životinje koristi se sljedeća metoda. Životinji se uzima mali volumen krvi, eritrociti se odvajaju od plazme i stavljaju u otopinu s radioaktivnim fosforom koji eritrociti asimiliraju. Označeni eritrociti ponovno se uvode u krvožilni sustav životinje, a nakon nekog vremena utvrđuje se aktivnost uzorka krvi.

ΔV = 1 ml ove otopine ubrizgan je 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 pulseva u minuti. Odredite volumen krvi životinje ako je vrijeme poluraspada radioaktivnog fosfora T = 14,3 dana.

Predavanje 16

Elementi fizike atomska jezgra

Pitanja

1. Zakon radioaktivnog raspada.

Nuklearne reakcije i njihove glavne vrste.

uzorci ,  i raspada se.

Doze zračenja.

Lančana reakcija fisije.

6. Reakcije fuzije (termonuklearne reakcije).

1. Zakon radioaktivnog raspada

Pod, ispod radioaktivni raspad razumjeti prirodnu radioaktivnu transformaciju jezgri, koja se događa spontano.

Atomska jezgra koja se raspada naziva se materinski, jezgra u nastajanju je dijete.

Teorija radioaktivnog raspada pokorava se zakonima statistike. Broj jezgri d N, raspao se kroz neko vrijeme od t prije t+ d t, proporcionalno vremenskom intervalu d t i broj N do tada neraspadnute jezgre t:

d N = – λ N d t , (1)

λ  konstantno radioaktivni raspad, s  1 ; znak minus označava da se ukupni broj radioaktivnih jezgri smanjuje tijekom procesa raspada.

(2)

gdje N 0 - početni broj neraspadnut jezgri u isto vrijeme t = 0;N broj neraspadnut jezgri u isto vrijeme t.

Zakon radioaktivnog raspada: broj neraspadnutih jezgri opada s vremenom po eksponencijalnom zakonu.

Intenzitet procesa raspada karakteriziraju dvije veličine:

Pola zivotaT 1/2  vrijeme tijekom kojeg se početni broj radioaktivnih jezgri prepolovi;

prosječno vrijeme života τ radioaktivne jezgre.

. (3)

Pola zivota, T 1 /2
				4,510 9 godina

Ukupni životni vijek d N jezgre je t|dN| = λ Nt d t. Integracijom ovog izraza preko t(tj. od 0 do ∞) i podijelite s početnim brojem jezgri N 0 , dobivamo prosječno vrijeme života τ radioaktivne jezgre:

. (4)

Integral tablice:

Dakle, prosječno vrijeme života τ radioaktivne jezgre je recipročna vrijednost konstante radioaktivnog raspada λ.

AktivnostALI nuklid u radioaktivnom izvoru je broj raspada jezgri tvari u 1 s:

Bq - bekerel, (5)

1Bq je aktivnost nuklida pri kojoj se jedan akt raspada događa u 1 s.

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

Radioaktivni raspad događa se u skladu s tzv. pravilima pomaka (posljedica su zakona očuvanja naboja i masenog broja), koja omogućuju utvrđivanje koja jezgra nastaje raspadom pojedine matične jezgre.

Pravilo pomaka za α-raspad:
. (6)

Pravilo pomaka za β-raspad:
, (7)

gdje
- matična jezgra; Y simbol dječje jezgre;
 jezgra helija (α-čestica);  simbolička oznaka elektrona (naboj mu je  e, a maseni broj je nula).

Jezgre nastale radioaktivnim raspadom mogu pak biti radioaktivne. To dovodi do lanca ili niza radioaktivnih transformacija. , završavajući stabilnim elementom. Konačni nuklidi su:
,
,
,
.

1. Nuklearne reakcije i njihove glavne vrste

nuklearna reakcija – to je proces međudjelovanja atomske jezgre s drugom jezgrom ili elementarnom česticom, praćen promjenom sastava i strukture jezgre i oslobađanjem sekundarnih čestica ili γ– kvantima .

, , (8)

x, Y početna i završna jezgra; IZ međusložena jezgra; a, b bombardirajuće i emitirane čestice.

Prvu nuklearnu reakciju izveo je E. Rutherford 1919. godine

(9)

Tijekom nuklearnih reakcija, nekoliko zakoni očuvanja: količina gibanja, energija, kutna količina gibanja, naboj. Uz ove klasične zakone očuvanja, u nuklearnim reakcijama vrijedi i tzv. zakon očuvanja. barionski naboj (tj. broj nukleona - protona i neutrona).

Klasifikacija nuklearnih reakcija

prema vrsti uključenih čestica :

pod utjecajem neutrona ;

pod djelovanjem nabijenih čestica (protona,  čestica i dr.);

pod utjecajem kvanta.

2. energijom čestica koje ih uzrokuju :

niske energije  1 eV (s neutronima);

prosječne energije  1 MeV (s kvanta, čestica);

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

3. Prema vrsti jezgri uključenih u njih:

na lakim jezgrama (A<50);

na srednjim jezgrama (50<А<100);

na teškim jezgrama (A>100);

4. po prirodi nuklearnih transformacija :

s emisijom neutrona;

s emisijom nabijenih čestica;

reakcije hvatanja (zračene kvantne).

3. Pravilnosti ,  i raspada

propadanje: aktivne su jezgre uglavnom teških elemenata ( ALI> 200, Z > 82), na primjer:

(10)

 čestica nastaje pri susretu 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  run, put koji prijeđe čestica u tvari do potpunog zaustavljanja;
.Što je kraće vrijeme poluraspada radioaktivnog elementa, to je veći domet, a time i energija čestice.

 čestica energije 4,2 MeV okružena je potencijalnom barijerom Coulombovih sila od 8,8 MeV. Njegov se odlazak u kvantnoj mehanici objašnjava efektom tunela.

 propadanje: elektron se rađa kao rezultat procesa koji se odvijaju unutar jezgre. Jer broj nukleona se ne mijenja, ali Z poraste za 1, tada jedan od neutrona prelazi u proton uz stvaranje elektrona i emisiju antineutrino:

(12)

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

propadanje: nije neovisan, već prati  i  raspade.  spektar je diskretan, karakteriziraju ga ne valna, već korpuskularna svojstva.  kvanti, koji imaju nultu masu mirovanja, ne posjeduju naboj, ne mogu usporiti u mediju, ali mogu biti apsorbiran, ili trošiti. Velika prodorna moć  zračenja koristi se u  detekciji grešaka.

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

fizičko značenje konstanta raspada - vjerojatnost nuklearnog raspada po jedinici vremena. Karakteristična vremena života za radioaktivne jezgre su τ> 10 -14 s. Životna vremena jezgri 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 raspada, obrasci raspada.

Radioaktivni raspad je proces transformacije nestabilnih atomskih jezgri u jezgre drugih elemenata, koji je popraćen emisijom čestica.

Vrste radioaktivnog raspada:

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

2)β - raspad - emisija elektrona i pozitrona.

3)γ - raspad - emisija fotona tijekom prijelaza između stanja jezgre.

4) Spontana nuklearna fisija.

5) Nukleonska radioaktivnost.

α - raspad: A 2 X→ A-Y Z-2 Y+ 4 2 He. Α-raspad se opaža u teškim jezgrama. Spektar α - raspada je diskretan. Duljina α - čestice u zraku: 3-7 cm; za guste tvari: 10 -5 m. T 1/2 10 -7 s ÷ 10 10 godina.

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

β - raspad je zbog slabe interakcije. Slab je u odnosu na jake jezgre. Sve čestice osim fotona sudjeluju u slabim međudjelovanjima. Stvar je u degeneraciji novih čestica. T 1/2 10 -2 s ÷ 10 20 godina. Slobodni put neutrona je 10 19 km.

β - raspad uključuje 3 vrste raspada:

1) β - ili elektronički. Jezgra emitira elektrone. Općenito:

A 2 X→ A Z -1 Y+ 0 -1 e+υ e .

2)β + ili pozitron. Emitiraju se antičestice elektrona – pozitroni: 1 1 p→ 1 0 n+ 0 1 e+υ e – reakcija pretvorbe protona u neutron. Reakcija ne nestaje sama od sebe. Opći prikaz reakcije: A Z X→ A Z -1 Y+ 0 1 e+υ e . Uočeno u umjetnim radioaktivnim jezgrama.

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

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

SI jedinica aktivnosti - bekerela(Bq): 1 Bq je aktivnost nuklida pri kojoj se jedan akt raspada događa u 1 s. Do sada se u nuklearnoj fizici koristi i izvansustavna jedinica aktivnosti nuklida u radioaktivnom izvoru - curie(Ci): 1 Ci = 3,710 10 Bq.

Do radioaktivnog raspada dolazi prema tzv pravila pomaka, omogućujući da se ustanovi koja jezgra nastaje kao rezultat raspada date roditeljske jezgre. Pravila ofseta:

gdje je X roditeljska jezgra, Y je simbol jezgre kćeri, He je jezgra helija (  -čestica), e- simbolička oznaka elektrona (naboj mu je -1, a maseni broj nula). Pravila pomaka nisu ništa drugo nego posljedica dvaju zakona koji vrijede tijekom radioaktivnih raspada - konzervacije električno punjenje i očuvanje masenog broja: zbroj naboja (masenih brojeva) jezgri i čestica u nastajanju jednak je naboju (masenom broju) izvorne jezgre.

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

α-raspad naziva spontani raspad atomske jezgre na jezgru kćer i α-česticu (jezgru atoma 4 He).

α-raspad se u pravilu događa u teškim jezgrama s masenim brojem ALI≥140 (iako postoji nekoliko iznimaka). Unutar teških jezgri, zbog svojstva zasićenja nuklearnih sila, nastaju zasebne α-čestice koje se sastoje od dva protona i dva neutrona. Nastala α-čestica je podložna većem djelovanju Coulombovih odbojnih sila od strane protona jezgre nego pojedinačnih protona. U isto vrijeme, α-čestica manje privlači nukleone jezgre od ostalih nukleona. Rezultirajuća alfa čestica na granici jezgre reflektira se prema unutra od potencijalne barijere, ali je s određenom vjerojatnošću može prevladati (vidi efekt tunela) i izletjeti. Kako se energija alfa čestice smanjuje, propusnost potencijalne barijere se eksponencijalno smanjuje, pa je životni vijek jezgri s manjom dostupnom energijom alfa raspada, uz ostale uvjete, dulji.

Soddyjevo pravilo pomaka za α-raspad:

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

efekt tunela- prevladavanje potencijalne barijere mikročesticom u slučaju kada je njezina ukupna energija (koja ostaje nepromijenjena tijekom tuneliranja) manja od visine barijere. Efekt tunela je fenomen isključivo kvantne prirode, nemoguć pa čak i potpuno suprotan klasičnoj mehanici. Analog efekta tuneliranja u valnoj optici može biti prodor svjetlosnog vala u reflektirajući medij (na udaljenostima reda valne duljine svjetlosti) u uvjetima kada, s gledišta geometrijske optike, dolazi do totalne unutarnje refleksije. . Fenomen tuneliranja je temelj mnogih važnih procesa u atomskoj i molekularnoj fizici, u fizici atomske jezgre, čvrstog stanja itd.

Efekt tunela može se objasniti relacijom nesigurnosti. Napisano kao:

pokazuje da kada je kvantna čestica ograničena duž koordinate, tj. kada je njena određenost povećana duž x, njegov zamah str postaje manje izvjesno. Nasumično, neizvjesnost momenta može dodati energiju čestici da prevlada barijeru. Dakle, uz određenu vjerojatnost, kvantna čestica može probiti barijeru, dok prosječna energija čestice ostaje nepromijenjena.

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

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

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

β-raspad(točnije, beta minus raspad, -raspad) je radioaktivni raspad, popraćen emisijom elektrona i antineutrina iz jezgre.

β raspad je intranukleonski proces. Nastaje kao rezultat preobrazbe jednog od d-kvarkovi u jednom od neutrona jezgre u u-kvark; u ovom slučaju neutron se pretvara u proton uz emisiju elektrona i antineutrina:

Soddyjevo pravilo pomaka za -raspad:

Nakon -raspada element se pomakne za 1 ćeliju na kraj periodnog sustava (naboj jezgre se poveća za jedinicu), dok se maseni broj jezgre ne mijenja.

Postoje i druge vrste beta raspada. U raspadu pozitrona (beta plus raspad), jezgra emitira pozitron i neutrino. U tom se slučaju naboj jezgre smanjuje za jedan (jezgra se pomakne za jednu ćeliju na početak periodnog sustava). Raspad pozitrona stalno praćen konkurentnim procesom - zahvatom elektrona (kada jezgra zarobi elektron iz atomske ljuske i emitira neutrino, a naboj jezgre također se smanji za jedinicu). Međutim, obrnuto nije točno: mnogi nuklidi, za koje je raspad pozitrona zabranjen, doživljavaju zarobljavanje elektrona. Najrjeđi poznati tip radioaktivnog raspada je dvostruki beta raspad, koji je do danas otkriven za samo deset nuklida, s poluživotom većim od 10 19 godina. Sve vrste beta raspada čuvaju maseni broj jezgre.

Neutrino- neutralna temeljna čestica s polucijelim spinom, koja sudjeluje samo u slabim i gravitacijskim interakcijama i pripada klasi leptona.

Elektronski zahvat, e hvatanje - jedna od vrsta beta raspada atomskih jezgri. U hvatanju elektrona, jedan od protona jezgre hvata elektron u orbiti i pretvara se u neutron, emitirajući elektronski neutrino. Naboj jezgre tada se smanji za jedan. Maseni broj jezgre, kao i kod svih drugih vrsta beta raspada, ne mijenja se. Ovaj proces karakterističan je za jezgre bogate protonima. Ako razlika u energiji između matičnog i podređenog atoma (raspoloživa energija beta raspada) prelazi 1,022 MeV (dvostruka masa elektrona), hvatanje elektrona uvijek se natječe s drugom vrstom beta raspada, pozitronskim raspadom. Na primjer, rubidij-83 se pretvara u kripton-83 samo hvatanjem elektrona (raspoloživa energija je oko 0,9 MeV), dok se natrij-22 raspada u neon-22 hvatanjem elektrona i raspadom pozitrona (raspoloživa energija je oko 2,8 MeV).

Budući da se broj protona u jezgri (tj. nuklearni naboj) smanjuje tijekom zarobljavanja elektrona, ovaj proces pretvara jezgru jednog kemijskog elementa u jezgru drugog elementa koji se nalazi bliže početku periodnog sustava elemenata.

Opća formula za zahvat elektrona

30. γ-zračenje jezgri i njegova svojstva. Interakcija γ-zračenja s materijom. Pojava i razaranje parova elektron-pozitron.

Eksperimentalno je utvrđeno da  -zračenje nije samostalna vrsta radioaktivnosti, već samo prateća  - i  -raspada se i javlja tijekom nuklearnih reakcija, tijekom usporavanja nabijenih čestica, njihovog raspada itd.  - Spektar je linija.  -Spektar je raspodjela broja  -kvanti u energiji. diskretnost  -spektar je od temeljne važnosti, jer je dokaz diskretnosti energetskih stanja atomskih jezgri.

Sada je čvrsto utvrđeno da  -zračenje emitira dječja (a ne roditeljska) jezgra. Jezgra kćer u trenutku svog nastanka, pobuđena, prelazi u osnovno stanje s emisijom  -radijacija. Vraćajući se u osnovno stanje, pobuđena jezgra može proći kroz niz međustanja, pa  -zračenje istog radioaktivnog izotopa može sadržavati više skupina  - kvanti koji se međusobno razlikuju po svojoj energiji.

Na  - radijacija ALI i Z jezgre se ne mijenjaju, pa se ne opisuje nikakvim pravilima pomaka.  - Zračenje većine jezgri je toliko kratkovalno da se njegova valna svojstva vrlo slabo očituju. Ovdje dolaze do izražaja, dakle, korpuskularna svojstva  -zračenje se smatra strujom čestica -  - kvanti. Tijekom radioaktivnih raspada raznih jezgri  -kvanti imaju energiju od 10 keV do 5 MeV.

Jezgra u pobuđenom stanju može prijeći u osnovno stanje ne samo emitiranjem  -kvantno, ali i s izravnim prijenosom energije pobude (bez prethodne emisije  -kvant) jednom od elektrona istog atoma. Time se proizvodi tzv konverzijski elektron. Sama pojava tzv interna pretvorba. Interna konverzija je proces koji se natječe sa  -radijacija.

Konverzijski elektroni odgovaraju diskretnim vrijednostima energije, koje ovise o radu izlaza elektrona iz ljuske iz koje elektron izlazi, te o energiji E, daje jezgra pri prijelazu iz pobuđenog stanja u osnovno stanje. Ako sva energija E ističe se u obliku  -kvant, zatim frekvencija zračenja  određuje se iz poznate relacije E=h. Ako se emitiraju elektroni unutarnje konverzije, tada su njihove energije jednake E-A K, E-A L, .... gdje A K, A L, ... - izlazni rad elektrona DO- i L- školjke. Monoenergetska priroda pretvorbenih elektrona omogućuje njihovo razlikovanje od  -elektroni, čiji je spektar kontinuiran. Prazno mjesto na unutarnjoj ljusci atoma koje je nastalo kao rezultat emisije elektrona bit će ispunjeno elektronima iz gornjih ljuski. Stoga unutarnju pretvorbu uvijek prati karakteristična emisija X-zraka.

 -Kvanti, koji imaju nultu masu mirovanja, ne mogu usporiti u mediju, dakle, kada prolaze kroz njega  - zračenje kroz tvar, ona ih ili apsorbira ili raspršuje.  -Kvanti ne nose električni naboj i stoga ne doživljavaju utjecaj Coulombovih sila. Prilikom prolaska grede  -kvanti kroz materiju, njihova energija se ne mijenja, ali uslijed sudara dolazi do slabljenja intenziteta čija se promjena opisuje eksponencijalnim zakonom ja=ja 0e- x (ja 0 i ja- intenzitet  -zračenje na ulazu i izlazu iz sloja apsorbirajućeg materijala debljine x,  - koeficijent apsorpcije). Jer  zračenje je najprodornije zračenje, dakle  za mnoge tvari - vrlo mala vrijednost;  ovisi o svojstvima materije i o energiji  - kvanti.

 -Kvanti, prolazeći kroz materiju, mogu djelovati kako s elektronskom ljuskom atoma materije, tako i s njihovim jezgrama. U kvantnoj elektrodinamici dokazano je da su glavni procesi koji prate prolaz  -zračenje kroz tvar su fotoelektrični efekt, Comptonov efekt (Comptonovo raspršenje) i stvaranje parova elektron-pozitron.

fotoelektrični efekt, odn fotoelektrična apsorpcija  - radijacija, je proces kojim atom apsorbira  -kvant i emitira elektron. Budući da je elektron izbačen iz jedne od unutarnjih ljuski atoma, ispražnjeni prostor se ispunjava elektronima iz gornjih ljuski, a fotoelektrični efekt prati karakteristično rendgensko zračenje. Fotoelektrični efekt je dominantni mehanizam apsorpcije u niskoenergetskom području  -kvanti ( E 100 keV). Fotoelektrični efekt se može pojaviti samo na vezanim elektronima, budući da slobodni elektron ne može apsorbirati  -kvantna, dok zakoni održanja energije i količine gibanja nisu istovremeno zadovoljeni.

Kako se energija povećava  -kvanti ( E0,5 MeV) vjerojatnost fotoelektričnog efekta je vrlo mala i glavni mehanizam interakcije  -kvanti s materijom je Comptonovo raspršenje.

Na E>l,02 MeV=2 m e c 2 (t e - masa mirovanja elektrona) proces nastanka parova elektron-pozitron u električna polja jezgre. Vjerojatnost ovog procesa proporcionalna je Z 2 i raste s rastom E. Stoga, kada E10 MeV glavni interakcijski proces  -zračenje u bilo kojoj tvari je formirane parove elektron-pozitron.

Ako energija  -kvant premašuje energiju vezanja nukleona u jezgri (7-8 MeV), zatim kao rezultat apsorpcije  - može se promatrati kvantum nuklearni fotoelektrični efekt- izbacivanje iz jezgre jednog od nukleona, najčešće neutrona.

Velika moć prodiranja  - zračenje se koristi u gama detekciji grešaka - metoda detekcije grešaka koja se temelji na različitoj apsorpciji  -zračenje kada se širi na istu udaljenost u različite sredine. Položaj i veličina nedostataka (šupljine, pukotine itd.) određeni su razlikom u intenzitetu zračenja koje je prošlo kroz različite dijelove prozirnog proizvoda.

Udarac  - zračenje (kao i druge vrste ionizirajućeg zračenja) na tvar karakteriziraju doza ionizirajućeg zračenja. Razlikovati se:

Apsorbirana doza zračenja - fizička količina, jednaka omjeru energije zračenja i mase ozračene tvari.

Jedinica apsorbirane doze zračenja - siva(Gy)*: 1 Gy= 1 J/kg - doza zračenja pri kojoj se energija bilo kojeg ionizirajućeg zračenja od 1 J prenosi na ozračenu tvar mase 1 kg.

31. Dobivanje transuranijevih elemenata. Osnovni zakoni reakcija nuklearne fisije.

TRANSURANSKI ELEMENTI, kemijski elementi smješten u periodni sustav nakon urana, odnosno sa atomski broj Z >92.

Svi transuranijevi elementi sintetizirani su nuklearnim reakcijama (u prirodi su pronađene samo količine Np i Pu u tragovima). Transuranijevi elementi su radioaktivni; s povećanjem Z Pola zivota T 1/2 transuranijskih elemenata naglo je smanjen.

Godine 1932., nakon otkrića neutrona, sugerirano je da bi pri ozračivanju urana neutronima trebali nastati izotopi prvih transuranijevih elemenata. A 1940. E. Macmillan i F. Ableson sintetizirali su neptunij (serijski broj 93) pomoću nuklearne reakcije i proučavali njegova najvažnija kemijska i radioaktivna svojstva. U isto vrijeme došlo je do otkrića sljedećeg transuranijevog elementa, plutonija. Oba nova elementa dobila su imena po planetima Sunčevog sustava.

Svi transuranijevi elementi do i uključujući 101 sintetizirani su korištenjem svjetlosnih bombardirajućih čestica: neutrona, deuterona i alfa čestica. Proces sinteze sastojao se u ozračivanju mete tokovima neutrona ili nabijenih čestica. Ako se U koristi kao meta, tada je uz pomoć snažnih neutronskih tokova nastalih u nuklearnim reaktorima ili tijekom eksplozije nuklearnih uređaja moguće dobiti sve transuranijske elemente, do Fm ( Z= 100) uključivo. Elementi sa Z 1 ili 2 manje od sintetiziranog elementa. Između 1940. i 1955. god Američki znanstvenici predvođeni G. Seaborgom sintetizirali su devet novih elemenata koji ne postoje u prirodi: Np (neptunij), Pu (plutonij), Am (americij), Cm (kurij), Bk (berkelij), Cf (kalifornij), Es ( einsteinij), Fm (fermij), Md (mendelevij). Godine 1951. nagrađeni su G. Seaborg i E. M. Macmillan Nobelova nagrada"za njihova otkrića u kemiji transuranijevih elemenata."

Mogućnosti metode za sintezu teških radioaktivni elementi, u kojima se koristi ozračivanje lakim česticama, ograničeni su, ne dopuštaju dobivanje jezgri s Z> 100. Element sa Z = 101 (mendelevij) otkriven je 1955. godine ozračivanjem 253 99Es (einsteinij) ubrzanim a-česticama. Sinteza novih transuranijevih 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 jezgri, koji se javlja kada oni međusobno djeluju elementarne čestice, gama zraka i međusobno, često rezultirajući oslobađanjem enormnih količina energije. Tijekom nuklearnih reakcija ispunjavaju se zakoni očuvanja električnog naboja i broja nukleona, održanja energije i

očuvanje količine gibanja, očuvanje kutne količine gibanja, očuvanje pariteta i

izotopski spin.

Reakcija fisije – dioba atomske jezgre na više lakših jezgri. Podjele su iznuđene i spontane.

Reakcija fuzije je spajanje lakih jezgri u jednu. Ova se reakcija odvija samo pri 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 poslije nuklearne reakcije. Ako je Q > 0, tada ukupna energija mirovanja opada tijekom nuklearne reakcije. Takve nuklearne reakcije nazivaju se egzoenergetske. Mogu se odvijati uz proizvoljno malu početnu kinetičku energiju čestica. Obrnuto, 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. Kontrolirana lančana reakcija. Nuklearni reaktor.

Sekundarni neutroni emitirani tijekom nuklearne fisije mogu izazvati nove događaje fisije, što omogućuje izvođenje lančana reakcija fisije- nuklearna reakcija u kojoj čestice koje uzrokuju reakciju nastaju kao produkti te reakcije. Lančanu reakciju fisije karakterizira faktor množenja k neutrona, što je jednako omjeru broja neutrona u određenoj generaciji prema njihovom broju u prethodnoj generaciji. Neophodan uvjet za razvoj lančane reakcije fisije je zahtjev k 1.

Ispada da ne uzrokuju svi rezultirajući sekundarni neutroni naknadnu nuklearnu fisiju, što dovodi do smanjenja faktora množenja. Prvo, zbog konačnih dimenzija jezgra(prostor u kojem se odvija lančana reakcija) i veliku moć prodora neutrona, neki od njih će napustiti jezgru prije nego što ih zarobi bilo koja jezgra. Drugo, dio neutrona hvataju jezgre nefisijskih nečistoća, koje su uvijek prisutne u jezgri. Osim toga, zajedno s fisijom mogu se odvijati kompetitivni procesi radijacijskog hvatanja i neelastičnog raspršenja.

Faktor množenja ovisi o prirodi fisijskog materijala, a za određeni izotop o njegovoj količini, kao io veličini i obliku aktivne zone. Minimalne dimenzije aktivne zone pri kojima je moguća lančana reakcija nazivaju se kritične dimenzije. Minimalna masa fisibilnog materijala smještenog u sustavu kritičnih veličina, potrebna za provedbu lančana reakcija, nazvao kritična masa.

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

Integrirajući (266.1), dobivamo

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

Lančane reakcije dijele se na uspio i neupravljan. Eksplozija atomske bombe, na primjer, nekontrolirana je reakcija. Kako bi se spriječilo da atomska bomba eksplodira tijekom skladištenja, U (ili Pu) u njoj je podijeljen na dva dijela udaljena jedan od drugog 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 trenutačnim oslobađanjem ogromne količine energije i velikim razaranjima. Eksplozivna reakcija započinje zbog dostupnih neutrona spontane fisije ili neutrona kozmičkog zračenja. U nuklearnim reaktorima provode se kontrolirane lančane reakcije.

U prirodi postoje tri izotopa koji mogu poslužiti kao nuklearno gorivo (U: prirodni uran sadrži približno 0,7%) ili sirovine za njegovu proizvodnju (Th i U: prirodni uran sadrži približno 99,3%). Th služi kao početni proizvod za dobivanje umjetnog nuklearnog goriva U (vidi reakciju (265.2)), a U, apsorbirajući neutrone, kroz dva uzastopna  – -raspadi - za transformaciju u Pu jezgru:

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 odvija kontrolirana nuklearna lančana reakcija popraćena oslobađanjem energije. Prvi nuklearni reaktor izgrađen je i pušten u rad u prosincu 1942. u SAD pod vodstvom E. Fermija. Prvi reaktor izgrađen izvan Sjedinjenih Država bio je ZEEP, pokrenut u Kanadi u rujnu 1945. godine. U Europi je prvi nuklearni reaktor bila instalacija F-1, koja je pokrenuta 25. prosinca 1946. u Moskvi pod vodstvom I. V. Kurchatova.

Do 1978. godine u svijetu je već radilo stotinjak nuklearnih reaktora raznih vrsta. Komponente svakog nuklearnog reaktora su: jezgra s nuklearnim gorivom, obično okružena reflektorom neutrona, rashladna tekućina, sustav upravljanja lančanom reakcijom, zaštita od zračenja, sustav daljinskog upravljanja. Glavna karakteristika nuklearnog reaktora je njegova snaga. Snaga od 1 MW odgovara lančanoj reakciji u kojoj se dogodi 3·10 16 događaja fisije u 1 sekundi.

33. Termonuklearna fuzija. Zvjezdana energija. Kontrolirana termonuklearna fuzija.

termonuklearna reakcija je reakcija fuzije lakih jezgri u teže.

Za njegovu provedbu potrebno je da se početni nukleoni ili lake jezgre približavaju jedna drugoj na udaljenosti jednake ili manje od radijusa sfere djelovanja nuklearnih sila privlačenja (tj. do udaljenosti od 10 -15 m). Takvo međusobno približavanje jezgri sprječavaju Coulombove odbojne sile koje djeluju između pozitivno nabijenih jezgri. Da bi došlo do reakcije fuzije, potrebno je zagrijati tvar velike gustoće na ultravisoke temperature (reda stotine milijuna Kelvina) tako da kinetička energija toplinskog gibanja jezgri bude dovoljna da svlada Coulombovo odbojno djelovanje. snage. Na takvim temperaturama materija postoji u obliku plazme. Budući da se fuzija može dogoditi samo pri vrlo visokim temperaturama, reakcije nuklearne fuzije nazivaju se termonuklearne reakcije (od grč. therme"toplina, toplina").

Termonuklearne reakcije oslobađaju ogromnu energiju. Na primjer, u reakciji fuzije deuterija s nastankom helija

Oslobađa se 3,2 MeV energije. U reakciji sinteze deuterija uz nastajanje tricija

Oslobađa se 4,0 MeV energije, a u reakciji

Oslobađa se 17,6 MeV energije.

Kontrolirana termonuklearna fuzija (TCB) - sinteza težih atomskih jezgri iz lakših radi dobivanja energije, koja je za razliku od eksplozivne termonuklearne fuzije (koristi se u termonuklearnim eksplozivnim napravama) kontrolirana. Kontrolirana termonuklearna fuzija razlikuje se od tradicionalne nuklearne energije po tome što potonja koristi reakciju fisije, tijekom koje se iz teških jezgri dobivaju lakše jezgre. Glavne nuklearne reakcije koje se planiraju koristiti za kontroliranu fuziju koristit će deuterij (2 H) i tricij (3 H), a dugoročno helij-3 (3 He) i bor-11 (11 B).

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

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

To je staklena cijev ispunjena plinom (argonom) s dvije elektrode unutra (katodom i anodom).
Tijekom prolaska čestice dolazi do udarne ionizacije plina i javlja se impuls električne struje.

Prednosti:
- kompaktnost
- učinkovitost
- izvođenje
- visoka točnost (10000 čestica/s).
Gdje se koristi:
- evidentiranje radioaktivnog onečišćenja na tlu, u prostorijama, odjeći, proizvodima i sl.
- u skladištima radioaktivnih materijala ili kod nuklearnih reaktora koji rade
- kod traženja nalazišta radioaktivne rude (U, Th)

komora za oblake
- služi za promatranje i fotografiranje tragova od prolaska čestica (tragova).
Unutarnji volumen komore ispunjen je parama alkohola ili vode u prezasićenom stanju:
kada se klip spusti, tlak unutar komore se smanjuje i temperatura se smanjuje, kao rezultat adijabatskog procesa nastaje prezasićena para.
Kapljice vlage kondenziraju se duž putanje prolaska čestice i nastaje trag – vidljivi trag.
Kada se kamera postavi u magnetsko polje, trag se može koristiti za određivanje energije, brzine, mase i naboja čestice.

Karakteristike leteće radioaktivne čestice određene su duljinom i debljinom traga, njegovom zakrivljenošću u magnetskom polju.
Na primjer, alfa čestica daje kontinuirani debeli trag,
proton - tanka staza,
elektron - točkasta staza.

komora s mjehurićima

Varijanta oblačne komore

S oštrim smanjenjem klipa, tekućina pod visokim tlakom prelazi u pregrijano stanje. Brzim kretanjem čestice duž traga stvaraju se mjehurići pare, tj. tekućina vrije, trag je vidljiv.
Prednosti u odnosu na komoru s oblakom:
- velika gustoća medija, stoga kratki tragovi
- čestice se zaglave u komori i može se provesti daljnje promatranje čestica
- veća brzina.
Metoda debeloslojnih fotografskih emulzija
- služi za registraciju čestica
- omogućuje registraciju rijetkih pojava zbog dugog vremena ekspozicije.
Fotografska emulzija sadrži veliku količinu mikrokristala srebrnog bromida.
Nadolazeće čestice ioniziraju površinu fotografskih emulzija. Kristali AgBr raspadaju se pod djelovanjem nabijenih čestica, a razvojem se otkriva trag od prolaska čestice, trag.
Energija i masa čestica mogu se odrediti prema duljini i debljini staze.

Klase čestica i vrste međudjelovanja

Trenutno postoji čvrsto uvjerenje da je sve u prirodi izgrađeno od elementarnih čestica, a svi prirodni procesi nastaju zahvaljujući međudjelovanju tih čestica. Danas se pod elementarnim česticama podrazumijevaju kvarkovi, leptoni, baždarni bozoni i Higgsove skalarne čestice. Pod fundamentalnim međudjelovanjima - jakim, elektroslabim i gravitacijskim. Dakle, uvjetno je moguće izdvojiti četiri klase elementarnih čestica i tri vrste temeljnih interakcija.

Neutrini su električki neutralni; elektron, mion i tau lepton imaju električni naboj. Leptoni sudjeluju u elektroslabim i gravitacijskim 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 tri obitelji

Slobodni kvarkovi se ne opažaju. Zajedno s gluonima sastavni su dijelovi hadrona kojih ima nekoliko stotina. Hadroni, kao i kvarkovi koji ih čine, sudjeluju u svim vrstama interakcija.

četvrti razred- Higgsove čestice, eksperimentalno još nisu otkrivene. U minimalnoj shemi dovoljan je jedan Higgsov skalar. Njihova je uloga u današnjoj prirodi uglavnom "teorijska" i sastoji se u tome da elektro-slabu interakciju učine renormalibilnom. Konkretno, mase svih elementarnih čestica su "ručni rad" Higgsovog kondenzata. Možda je uvođenje Higgsovih polja nužno za rješavanje temeljnih problema kozmologije, kao što su homogenost i kauzalnost svemira.

Sljedeća predavanja iz teorije kvarkovske strukture hadrona posvećena su hadronima i kvarkovima. Fokus će biti na klasifikaciji čestica, simetrijama i zakonima očuvanja.

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

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

Hipotezu da su hadroni izgrađeni od specifičnih podjedinica prvi su iznijeli M. Gell-Mann i, neovisno o njemu, J. Zweiga 1964. godine.

Riječ "kvark" Gell-Mann je posudio iz romana Finneganovo bdjenje 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 "quark" u ovoj frazi je navodno onomatopeja krika morskih ptica.

Radioaktivnost. Osnovni zakon radioaktivnog raspada.

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

Vrste radioaktivnosti:

1. Prirodno

2. Umjetan.

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 jezgri se eksponencijalno smanjuje. L(lambda) je konstanta raspada.

konstanta raspada. Pola zivota. Aktivnost. Vrste radioaktivnog raspada i njihovi spektri.

L (lambda) - konstanta raspada, proporcionalna vjerojatnosti raspada radioaktivne jezgre i različita za različite radioaktivne tvari.

Pola zivota ( T )- je vrijeme koje je potrebno da se polovica radioaktivnih jezgri raspadne. T=ln2/l=0,69/l.

Aktivnost je karakterizirana brzinom raspadanja. A=-dN/dT=lN=lN o e -lt =(N/T)*ln2

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

[A]-kiri (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 početne jezgre (A, Z) u pobuđeno stanje jezgre (A-4, Z-2. Za alfa raspad npr.). Mjerenjem spektra čestica mogu se dobiti podaci o prirodi pobuđenih stanja jezgre.

Karakteristike međudjelovanja nabijenih čestica s tvari: linearna gustoća ionizacije, linearna zaustavna moć, srednji linearni raspon. Prodorne i ionizirajuće sposobnosti alfa, beta i gama zračenja.

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

Linearna gustoća ionizacije je omjer iona predznaka dn, koje tvore nabijene ionizirane čestice na elementarnom putu dL, prema duljini tog puta. I=dn/dL.

Linearna zaustavna snaga - ovo je omjer energije dE koju je nabijena ionizirajuća čestica izgubila tijekom prolaska elementarne staze dL i duljine te staze. S=dE/dL.

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

Potrebno je uzeti u obzir prodornu moć zračenja. Primjerice, teške jezgre atoma i alfa čestice imaju iznimno kratak put u materiji, pa su radioaktivni alfa izvori opasni ako uđu u tijelo. Naprotiv, gama zrake imaju značajnu moć prodiranja, budući da se sastoje od fotona visoke energije koji nemaju naboj.

Prodorna moć svih vrsta ionizirajućeg zračenja ovisi o energiji.