Conceptul de radioactivitate

Legea dezintegrarii radioactive

Cuantificarea radioactivității și unitățile acesteia

Radiațiile ionizante, caracteristicile lor.

Surse de IA

1. Conceptul de radioactivitate

Radioactivitatea este procesul spontan de transformare (dezintegrare) a nucleelor ​​atomice, însoțit de emisia unui tip special de radiație numit radioactiv.

În acest caz, are loc transformarea atomilor unui element în atomi ai altora.

Transformările radioactive sunt caracteristice numai substanțelor individuale.

O substanță este considerată radioactivă dacă conține radionuclizi și suferă un proces de dezintegrare radioactivă.

Radionuclizi (izotopi) - nucleele atomilor capabili de descompunere spontană se numesc radionuclizi.

Ca o caracteristică a unui nuclid, se folosește simbolul unui element chimic, numărul atomic (numărul de protoni) și numărul de masă al nucleului (numărul de nucleoni, de ex. numărul total protoni și neutroni).

De exemplu, 239 94 Pu înseamnă că nucleul unui atom de plutoniu conține 94 de protoni și 145 de neutroni, pentru un total de 239 de nucleoni.

Există următoarele tipuri de dezintegrare radioactivă:

dezintegrare beta;

dezintegrarea alfa;

Fisiunea spontană a nucleelor ​​atomice (desintegrarea neutronilor);

Radioactivitatea protonilor (fuziunea protonilor);

Radioactivitate cu doi protoni și cluster.

dezintegrare beta - acesta este procesul de transformare în nucleul unui atom al unui proton într-un neutron sau a unui neutron într-un proton cu eliberarea unei particule beta (pozitron sau electron)

Dezintegrarea alfa - este tipic pentru elementele grele, ale căror nuclee, pornind de la numărul 82 din tabelul lui D.I. Mendeleev, sunt instabile, în ciuda excesului de neutroni și se descompun spontan. Nucleele acestor elemente ejectează predominant nucleele atomilor de heliu.

Fisiunea spontană a nucleelor ​​atomice (descompunerea neutronilor) - aceasta este fisiunea spontană a unor nuclee de elemente grele (uraniu-238, californiu 240,248, 249, 250, curium 244, 248 etc.). Probabilitatea fisiunii nucleare spontane este neglijabilă în comparație cu dezintegrarea alfa. În acest caz, nucleul este împărțit în două fragmente (nuclee) care sunt apropiate în masă.

1. Legea dezintegrarii radioactive

Stabilitatea nucleelor ​​scade pe măsură ce numărul total de nucleoni crește. Depinde și de raportul dintre numărul de neutroni și protoni.

Procesul transformărilor nucleare succesive, de regulă, se încheie cu formarea de nuclee stabile.

Transformările radioactive se supun legii dezintegrarii radioactive:

N = N 0 e λ t ,

unde N, N 0 este numărul de atomi care nu s-au degradat la momentele t și t 0 ;

λ este constanta dezintegrarii radioactive.

Valoarea λ are propria sa valoare individuală pentru fiecare tip de radionuclid. Ea caracterizează rata de dezintegrare, adică arată câți nuclei se descompun pe unitatea de timp.

Conform ecuației legii dezintegrarii radioactive, curba sa este exponențială.

1. Cuantificarea radioactivității și unitățile acesteia

Se numește timpul în care, din cauza transformărilor nucleare spontane, jumătate din nuclee se descompun jumătate de viață T 1/2 . Timpul de înjumătățire T 1/2 este asociat cu dependența constantă de dezintegrare λ:

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

Timpul de înjumătățire T 1/2 pentru diferiți radionuclizi este diferit și variază foarte mult - de la fracțiuni de secundă la sute și chiar mii de ani.

Timpurile de înjumătățire ale unor radionuclizi:

Iod-131 - 8,04 zile

Cesiu-134 - 2,06 ani

Stronțiu-90 - 29,12 ani

Cesiu-137 - 30 de ani

Plutoniu-239 - 24065 ani

Uraniu-235 - 7.038. 108 ani

Potasiu-40 - 1,4 10 9 ani.

Reciproca constantei de dezintegrare, numitdurata medie de viață a unui atom radioactiv t :

Rata de dezintegrare este determinată de activitatea substanței A:

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

unde A și A 0 sunt activitățile substanței la momentele t și t 0 .

Activitate este o măsură a radioactivității. Se caracterizează prin numărul de dezintegrari ale nucleelor ​​radioactive pe unitatea de timp.

Activitatea unui radionuclid este direct proporțională cu numărul total de nuclee atomice radioactive la momentul t și invers proporțională cu timpul de înjumătățire:

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

În sistemul SI, becquerelul (Bq) este luat ca unitate de activitate. Un becquerel este egal cu o dezintegrare pe secundă. Unitatea de activitate în afara sistemului este curie (Ku).

1 Ku \u003d 3,7 10 10 Bq

1Bq = 2,7 10 -11 Ku.

Unitatea de activitate curie corespunde activității a 1 g de radiu. În practica măsurătorilor, conceptele de volum A v (Bq / m 3, Ku / m 3), suprafață A s (Bq / m 2, Ku / m 2), specific A m (Bq / m, Ku / m ) activitate sunt de asemenea folosite.

1. Radioactivitate. Legea de bază a dezintegrarii radioactive. Activitate.

2. Principalele tipuri de dezintegrare radioactivă.

3. Caracteristicile cantitative ale interacțiunii radiațiilor ionizante cu materia.

4. Radioactivitate naturală și artificială. rânduri radioactive.

5. Utilizarea radionuclizilor în medicină.

6. Acceleratoare de particule încărcate și utilizarea lor în medicină.

7. Bazele biofizice ale acţiunii radiaţiilor ionizante.

8. Concepte și formule de bază.

9. Sarcini.

Interesul medicilor pentru radioactivitatea naturală și artificială se datorează următoarelor.

În primul rând, toate lucrurile vii sunt expuse în mod constant la fondul natural de radiații, adică radiații cosmice, radiația elementelor radioactive care apar în straturile de suprafață ale scoarței terestre și radiația elementelor care pătrund în corpul animalelor împreună cu aerul și hrana.

În al doilea rând, radiațiile radioactive sunt folosite în medicină în scopuri diagnostice și terapeutice.

33.1. Radioactivitate. Legea de bază a dezintegrarii radioactive. Activitate

Fenomenul de radioactivitate a fost descoperit în 1896 de A. Becquerel, care a observat emisia spontană de radiații necunoscute din sărurile de uraniu. Curând, E. Rutherford și Curies au descoperit că în timpul dezintegrarii radioactive sunt emise nuclee He (particule α), electroni (particule β) și radiații electromagnetice dure (raze γ).

În 1934 s-a descoperit dezintegrarea cu emisia de pozitroni (β + -decay), iar în 1940 tip nou radioactivitate - fisiunea spontană a nucleelor: un nucleu fisionabil se destramă în două fragmente de masă comparabilă cu emisia simultană de neutroni și γ -quanta. Radioactivitatea protonilor a nucleelor ​​a fost observată în 1982.

Radioactivitate - capacitatea unor nuclee atomice de a se transforma spontan (spontan) în alte nuclee cu emisia de particule.

Nucleele atomice sunt compuse din protoni și neutroni, care au o denumire generală - nucleonii. Numărul de protoni din nucleu determină Proprietăți chimice atom și este notat cu Z (acest număr de serie element chimic). Numărul de nucleoni dintr-un nucleu se numește numar de masași notează A. Nuclei cu același număr de serie și numere de masă diferite se numesc izotopi. Toți izotopii unui element chimic au aceeași Proprietăți chimice. Proprietăți fizice izotopii pot varia foarte mult. Pentru a desemna izotopii, simbolul unui element chimic este folosit cu doi indici: A Z X. Indicele inferior este numărul de serie, cel de sus este numărul de masă. Adesea indicele este omis deoarece simbolul elementului însuși indică el. De exemplu, ei scriu 14 C în loc de 14 6 C.

Capacitatea unui nucleu de a se descompune depinde de compoziția sa. Același element poate avea atât izotopi stabili, cât și radioactivi. De exemplu, izotopul de carbon 12C este stabil, în timp ce izotopul 14C este radioactiv.

Dezintegrarea radioactivă este un fenomen statistic. Caracterizează capacitatea unui izotop de a se descompune constantă de dezintegrareλ.

constantă de dezintegrare este probabilitatea ca nucleul unui izotop dat să se descompună pe unitatea de timp.

Probabilitatea dezintegrarii nucleare intr-un timp scurt dt se gaseste prin formula

Ținând cont de formula (33.1), obținem o expresie care determină numărul de nuclee degradate:

Formula (33.3) se numește principală legea dezintegrarii radioactive.

Numărul de nuclee radioactive scade cu timpul conform unei legi exponenţiale.

În practică, în loc de constantă de dezintegrareλ folosiți adesea o altă valoare numită jumătate de viață.

Jumătate de viață(T) - timpul în care se degradează jumătate nuclee radioactive.

Legea dezintegrarii radioactive folosind timpul de înjumătățire este scrisă după cum urmează:

Graficul de dependență (33.4) este prezentat în fig. 33.1.

Timpul de înjumătățire poate fi fie foarte lung, fie foarte scurt (de la fracțiuni de secundă la multe miliarde de ani). În tabel. 33.1 prezintă timpii de înjumătățire pentru unele elemente.

Orez. 33.1. Scăderea numărului de nuclee ale substanței originale în timpul dezintegrarii radioactive

Tabelul 33.1. Timpurile de înjumătățire pentru unele elemente

Pentru rata gradul de radioactivitate izotopii folosesc o cantitate specială numită activitate.

Activitate - numărul de nuclee ale unui preparat radioactiv care se descompun pe unitatea de timp:

Unitatea de măsură a activității în SI - becquerel(Bq), 1 Bq corespunde unui eveniment de dezintegrare pe secundă. În practică, mai mult

unitate de activitate în afara sistemului ingenios - curie(Ci) egal cu activitatea a 1 g de 226 Ra: 1 Ci = 3,7x10 10 Bq.

În timp, activitatea scade în același mod în care scade numărul de nuclee nedegradate:

33.2. Principalele tipuri de dezintegrare radioactivă

În procesul de studiu a fenomenului de radioactivitate au fost descoperite 3 tipuri de raze emise de nucleele radioactive, care au fost numite raze α-, β- și γ. Mai târziu s-a descoperit că particulele α și β sunt produse a două diferite feluri dezintegrarea radioactivă, iar razele γ sunt un produs secundar al acestor procese. În plus, razele γ însoțesc și transformări nucleare mai complexe, care nu sunt luate în considerare aici.

Dezintegrarea alfa constă în transformarea spontană a nucleelor ​​cu emisieα -particule (nuclei de heliu).

Schema de dezintegrare α este scrisă ca

unde X, Y sunt simbolurile nucleelor ​​părinte și, respectiv, copil. Când scrieți α-decay, în loc de „α” puteți scrie „Nu”.

În această dezintegrare, numărul atomic Z al elementului scade cu 2, iar numărul de masă A - cu 4.

În timpul dezintegrarii α, nucleul fiică, de regulă, se formează într-o stare excitată și, la trecerea la starea fundamentală, emite un γ-cuantic. O proprietate comună a micro-obiectelor complexe este că au discret ansamblu de stări energetice. Acest lucru este valabil și pentru miezuri. Prin urmare, radiația y a nucleelor ​​excitate are un spectru discret. În consecință, spectrul energetic al particulelor α este de asemenea discret.

Energia particulelor α emise pentru aproape toți izotopii α-activi se află în 4-9 MeV.

dezintegrare beta constă în transformarea spontană a nucleelor ​​cu emisie de electroni (sau pozitroni).

S-a stabilit că dezintegrarea β este întotdeauna însoțită de emisia unei particule neutre - un neutrin (sau antineutrin). Această particulă practic nu interacționează cu materia și nu va fi luată în considerare în continuare. Energia eliberată în timpul dezintegrarii β este distribuită aleatoriu între particula β și neutrin. Prin urmare, spectrul energetic al radiației β este continuu (Fig. 33.2).

Orez. 33.2. Spectrul energetic al dezintegrarii β

Există două tipuri de dezintegrare β.

1. Electronică Dezintegrarea β - - constă în transformarea unui neutron nuclear într-un proton și un electron. În acest caz, apare o altă particulă ν" - un antineutrin:

Un electron și un antineutrin zboară din nucleu. Schema β - dezintegrarii electronice se scrie ca

În timpul dezintegrarii electronice β, numărul de serie al elementului Z crește cu 1, numărul de masă A nu se modifică.

Energia particulelor β se află în intervalul 0,002-2,3 MeV.

2. Pozitron Dezintegrarea β + constă în transformarea unui proton nuclear într-un neutron și un pozitron. În acest caz, apare o altă particulă ν - un neutrin:

Captura de electroni în sine nu generează particule ionizante, dar o face însoțită de raze X. Această radiație apare atunci când spațiul eliberat de absorbția unui electron interior este umplut de un electron de pe o orbită exterioară.

Radiația gamma are o natură electromagnetică și este un foton cu o lungime de undăλ ≤ 10 -10 m.

Radiația gamma nu este vedere independentă dezintegrare radioactivă. Radiațiile de acest tip însoțesc aproape întotdeauna nu numai dezintegrarea α și β, ci și reacțiile nucleare mai complexe. Nu este deviat de câmpurile electrice și magnetice, are o putere ionizantă relativ slabă și o putere de penetrare foarte mare.

33.3. Caracteristicile cantitative ale interacțiunii radiațiilor ionizante cu materia

Impactul radiațiilor radioactive asupra organismelor vii este asociat cu ionizare, pe care o induce în țesuturi. Capacitatea unei particule de a ioniza depinde atât de tipul ei, cât și de energia acesteia. Pe măsură ce particula se mișcă mai adânc în substanță, își pierde energia. Acest proces se numește franare prin ionizare.

Pentru a caracteriza cantitativ interacțiunea unei particule încărcate cu materia, se folosesc mai multe cantități:

După ce energia particulei scade sub energia de ionizare, efectul ei ionizant încetează.

Kilometraj liniar mediu(R) a unei particule ionizante încărcate - calea parcursă de aceasta într-o substanță înainte de a-și pierde capacitatea de ionizare.

Să luăm în considerare câteva trăsături caracteristice ale interacțiunii diferitelor tipuri de radiații cu materia.

radiatii alfa

Particula alfa practic nu se abate de la direcția inițială a mișcării sale, deoarece masa sa este de multe ori mai mare

Orez. 33.3. Dependența densității de ionizare liniară de calea parcursă de o particulă α într-un mediu

masa electronului cu care interacționează. Pe măsură ce pătrunde adânc în substanță, densitatea de ionizare crește mai întâi și când sfârşitul cursei (x = R) scade brusc la zero (Fig. 33.3). Acest lucru se explică prin faptul că odată cu scăderea vitezei de mișcare, timpul petrecut în apropierea moleculei (atomul) mediului crește. În acest caz, probabilitatea ionizării crește. După ce energia particulei α devine comparabilă cu energia mișcării termice moleculare, captează doi electroni în substanță și se transformă într-un atom de heliu.

Electronii generați în timpul procesului de ionizare, de regulă, se îndepărtează de calea particulei α și provoacă ionizare secundară.

Caracteristicile interacțiunii particulelor α cu apa și țesuturile moi sunt prezentate în tabel. 33.2.

Tabelul 33.2. Dependența caracteristicilor de interacțiune cu materia de energia particulelor α

radiații beta

Pentru mișcare β -particulele din materie se caracterizează printr-o traiectorie curbilinie imprevizibilă. Acest lucru se datorează egalității maselor particulelor care interacționează.

Caracteristicile interacțiunii β -particulele cu apa si tesuturile moi sunt prezentate in Tabel. 33.3.

Tabelul 33.3. Dependența caracteristicilor de interacțiune cu materia de energia particulelor β

Ca și în cazul particulelor α, puterea de ionizare a particulelor β crește odată cu scăderea energiei.

Radiația gamma

Absorbţie γ -radiația de către o substanță respectă o lege exponențială similară legii absorbției razelor X:

Principalele procese responsabile de absorbție γ -radiațiile sunt efectul fotoelectric și împrăștierea Compton. Aceasta produce o cantitate relativ mică de electroni liberi (ionizare primară), care au o energie foarte mare. Ei sunt cei care provoacă procesele de ionizare secundară, care este incomparabil mai mare decât cea primară.

33.4. naturale și artificiale

radioactivitate. ranguri radioactive

Termeni naturalși artificial radioactivitatea sunt condiționate.

natural numiți radioactivitatea izotopilor care există în natură sau radioactivitatea izotopilor formați ca urmare a proceselor naturale.

De exemplu, radioactivitatea uraniului este naturală. Radioactivitatea carbonului 14 C, care se formează în straturile superioare ale atmosferei sub influența radiației solare, este de asemenea naturală.

Artificial numită radioactivitatea izotopilor care apar ca urmare a activităților umane.

Aceasta este radioactivitatea tuturor izotopilor produși în acceleratoarele de particule. Aceasta include și radioactivitatea solului, apei și aerului, care are loc în timpul unei explozii atomice.

radioactivitate naturală

LA perioada initialaÎn studierea radioactivității, cercetătorii au putut folosi doar radionuclizi naturali (izotopi radioactivi) conținuti în rocile terestre într-o cantitate suficient de mare: 232 Th, 235 U, 238 U. Cu acești radionuclizi încep trei serii radioactive, care se termină cu izotopi stabili de Pb. Ulterior, a fost descoperită o serie care începe de la 237 Np, cu un nucleu final stabil 209 Bi. Pe fig. 33.4 arată un rând care începe cu 238 U.

Orez. 33.4. Seria uraniu-radiu

Elementele acestei serii sunt principala sursă de expunere umană internă. De exemplu, 210 Pb și 210 Po intră în organism cu alimente - sunt concentrate în pește și crustacee. Ambii acești izotopi se acumulează în licheni și, prin urmare, sunt prezenți în carnea de ren. Cea mai semnificativă dintre toate sursele naturale de radiație este 222 Rn - un gaz inert greu rezultat din degradarea 226 Ra. Reprezintă aproximativ jumătate din doza de radiații naturale primite de oameni. Format în Scoarta terestra, acest gaz se infiltrează în atmosferă și intră în apă (este foarte solubil).

Izotopul radioactiv al potasiului 40 K este prezent în mod constant în scoarța terestră, care face parte din potasiul natural (0,0119%). Din sol, acest element trece prin sistemul rădăcină plante și cu alimente vegetale (cereale, legume și fructe proaspete, ciuperci) - în organism.

O altă sursă de radiație naturală este radiația cosmică (15%). Intensitatea sa creste in zonele muntoase datorita scaderii efectului protector al atmosferei. Sursele de radiație naturală de fond sunt enumerate în tabel. 33.4.

Tabelul 33.4. Componentă a fondului radioactiv natural

33.5. Utilizarea radionuclizilor în medicină

radionuclizi numiți izotopi radioactivi ai elementelor chimice cu un timp de înjumătățire scurt. Astfel de izotopi nu există în natură, deci sunt obținuți artificial. LA Medicină modernă radionuclizii sunt folosiți pe scară largă în scopuri diagnostice și terapeutice.

Aplicație de diagnostic se bazează pe acumularea selectivă a anumitor elemente chimice de către organele individuale. Iodul, de exemplu, este concentrat în glanda tiroidă, în timp ce calciul este concentrat în oase.

Introducerea radioizotopilor acestor elemente în organism face posibilă detectarea zonelor de concentrație a acestora prin radiații radioactive și astfel obținerea unor informații importante de diagnostic. Această metodă de diagnosticare se numește prin metoda atomului etichetat.

Utilizare terapeutică radionuclizi se bazează pe efectul distructiv al radiațiilor ionizante asupra celulelor tumorale.

1. Gammaterapie- utilizarea radiațiilor γ de înaltă energie (sursa 60 Co) pentru distrugerea tumorilor localizate profund. Pentru ca țesuturile și organele localizate superficial să nu fie supuse unui efect distructiv, efectul radiațiilor ionizante se realizează în diferite sesiuni în direcții diferite.

2. alfa terapie- utilizarea terapeutică a particulelor α. Aceste particule au o densitate de ionizare liniară semnificativă și sunt absorbite chiar și de un strat mic de aer. Prin urmare, terapeutic

utilizarea razelor alfa este posibilă cu contact direct cu suprafața organului sau cu introducerea în interior (cu un ac). Pentru expunerea superficială se utilizează terapia cu radon (222 Rn): expunerea la piele (băi), organele digestive (băutură), organele respiratorii (inhalații).

În unele cazuri, uz medicinal α -particulele este asociată cu utilizarea fluxului de neutroni. Cu această metodă, elementele sunt introduse mai întâi în țesut (tumoare), ale căror nuclee, sub acțiunea neutronilor, emit α -particule. După aceea, organul bolnav este iradiat cu un flux de neutroni. În acest mod α -particulele se formează direct în interiorul organului, asupra cărora ar trebui să aibă un efect distructiv.

Tabelul 33.5 enumeră caracteristicile unor radionuclizi folosiți în medicină.

Tabelul 33.5. Caracterizarea izotopilor

33.6. Acceleratorii de particule și utilizarea lor în medicină

Accelerator- o instalație în care, sub influența câmpurilor electrice și magnetice, se obțin fascicule dirijate de particule încărcate cu energie mare (de la sute de keV la sute de GeV).

Acceleratoarele creează îngust fascicule de particule cu o energie dată și o secțiune transversală mică. Acest lucru vă permite să oferiți regizat impact asupra obiectelor iradiate.

Utilizarea acceleratoarelor în medicină

Acceleratorii de electroni și protoni sunt utilizați în medicină pentru radioterapie și diagnosticare. În acest caz, sunt utilizate atât particulele accelerate în sine, cât și radiația de raze X însoțitoare.

Bremsstrahlung radiografie obţinut prin direcţionarea unui fascicul de particule către o ţintă specială, care este sursa raze X. Această radiație diferă de tubul cu raze X printr-o energie fotonică mult mai mare.

Raze X sincrotron apare în procesul de accelerare a electronilor în acceleratoarele inelare - sincrotroni. O astfel de radiație are un grad înalt orientare.

Acțiunea directă a particulelor rapide este asociată cu puterea lor mare de penetrare. Astfel de particule trec prin țesuturile de suprafață fără a provoca daune grave și au un efect ionizant la sfârșitul călătoriei lor. Prin selectarea energiei adecvate a particulelor, este posibil să se realizeze distrugerea tumorilor la o anumită adâncime.

Domeniile de aplicare a acceleratorilor în medicină sunt prezentate în tabel. 33.6.

Tabelul 33.6. Aplicarea acceleratorilor în terapie și diagnosticare

33.7. Fundamentele biofizice ale acțiunii radiațiilor ionizante

După cum sa menționat mai sus, impactul radiațiilor radioactive asupra sistemelor biologice este asociat cu ionizarea moleculelor. Procesul de interacțiune a radiațiilor cu celulele poate fi împărțit în trei etape succesive (etape).

1. stadiu fizic este format din transfer de energie radiații către moleculele unui sistem biologic, rezultând ionizarea și excitarea acestora. Durata acestei etape este de 10 -16 -10 -13 s.

2. Fizico-chimic etapa constă din diferite tipuri de reacții care conduc la o redistribuire a excesului de energie a moleculelor și ionilor excitați. Ca rezultat, foarte activ

produse: radicali și ioni noi cu o gamă largă de proprietăți chimice.

Durata acestei etape este de 10 -13 -10 -10 s.

3. Etapa chimică - aceasta este interacțiunea radicalilor și ionilor între ei și cu moleculele din jur. În această etapă, se formează daune structurale de diferite tipuri, ceea ce duce la o schimbare a proprietăților biologice: structura și funcțiile membranelor sunt perturbate; apar leziuni în moleculele de ADN și ARN.

Durata etapei chimice este de 10 -6 -10 -3 s.

4. stadiul biologic. În această etapă, deteriorarea moleculelor și a structurilor subcelulare duce la o varietate de tulburări funcționale, la moarte celulară prematură ca urmare a acțiunii mecanismelor de apoptoză sau din cauza necrozei. Daunele primite în stadiul biologic pot fi moștenite.

Durata etapei biologice este de la câteva minute la zeci de ani.

Remarcăm modelele generale ale etapei biologice:

Încălcări mari cu energie absorbită scăzută (o doză letală de radiații pentru o persoană provoacă încălzirea corpului cu doar 0,001 ° C);

Acțiune asupra generațiilor ulterioare prin aparatul ereditar al celulei;

O perioadă latentă, latentă este caracteristică;

Diferite părți ale celulelor au sensibilitate diferită la radiații;

În primul rând, sunt afectate celulele care se divide, ceea ce este deosebit de periculos pentru organismul unui copil;

Efectul distructiv asupra țesuturilor unui organism adult, în care există o diviziune;

Asemănarea radiațiilor se modifică cu patologia îmbătrânirii timpurii.

33.8. Concepte și formule de bază

Continuarea tabelului

33.9. Sarcini

1. Care este activitatea medicamentului dacă 10.000 de nuclee din această substanță se descompun în 10 minute?

4. Vârsta mostrelor de lemn antic poate fi determinată aproximativ de activitatea de masă specifică a izotopului 146C din ele. Cu câți ani în urmă a fost tăiat un copac care a fost folosit pentru a face un obiect, dacă activitatea de masă specifică a carbonului din el este de 75% din activitatea de masă specifică a unui copac în creștere? Timpul de înjumătățire al radonului este T = 5570 ani.

9. După Accident de la Cernobîl pe alocuri, contaminarea solului cu cesiu-137 radioactiv a fost la nivelul de 45 Ci/km 2 .

După câţi ani activitatea în aceste locuri va scădea la un nivel relativ sigur de 5 Ci/km 2 . Timpul de înjumătățire al cesiului-137 este T = 30 de ani.

10. Activitatea permisă a iodului-131 în glanda tiroidă umană nu trebuie să fie mai mare de 5 nCi. La unii oameni care se aflau în zona dezastrului de la Cernobîl, activitatea iodului-131 a ajuns la 800 nCi. După câte zile activitatea a scăzut la normal? Timpul de înjumătățire al iodului-131 este de 8 zile.

11. Următoarea metodă este utilizată pentru a determina volumul de sânge la un animal. Se prelevează un volum mic de sânge de la animal, eritrocitele sunt separate de plasmă și plasate într-o soluție cu fosfor radioactiv, care este asimilat de către eritrocite. Eritrocitele marcate sunt reintroduse în sistemul circulator al animalului, iar după un timp se determină activitatea probei de sânge.

ΔV = 1 ml din această soluție a fost injectat în sângele unui animal. Activitatea inițială a acestui volum a fost A 0 = 7000 Bq. Activitatea a 1 ml de sânge prelevat din vena animalului o zi mai târziu a fost egală cu 38 de impulsuri pe minut. Determinați volumul sângelui animalului dacă timpul de înjumătățire al fosforului radioactiv este T = 14,3 zile.

Cursul 16

Elemente de fizică nucleul atomic

Întrebări

1. Legea dezintegrarii radioactive.

Reacții nucleare și principalele lor tipuri.

modele ,  și decade.

Doze de radiații.

Reacție în lanț de fisiune.

6. Reacții de fuziune (reacții termonucleare).

1. Legea dezintegrarii radioactive

Sub dezintegrare radioactivă înțelege transformarea radioactivă naturală a nucleelor, care are loc spontan.

Un nucleu atomic aflat în dezintegrare se numește maternă, nucleul emergent este copil.

Teoria dezintegrarii radioactive se supune legilor statisticii. Numărul de miezuri d N, dezintegrat într-o perioadă de timp de la t inainte de t+ d t, proporțional cu intervalul de timp d t si numarul N nuclee nedegradate până la momentul respectiv t:

d N = – λ N d t , (1)

λ  constant dezintegrare radioactivă, s  1 ; semnul minus indică faptul că numărul total de nuclee radioactive scade în timpul procesului de dezintegrare.

(2)

Unde N 0 - numărul inițial nedecăzut nuclee la un moment dat t = 0;N număr nedecăzut nuclee la un moment dat t.

Legea dezintegrarii radioactive: numărul de nuclee nedezintegrate scade cu timpul conform unei legi exponenţiale.

Intensitatea procesului de dezintegrare este caracterizată de două mărimi:

jumătate de viațăT 1/2  timpul în care numărul inițial de nuclee radioactive este înjumătățit;

durata medie de viață τ a unui nucleu radioactiv.

. (3)

jumătate de viață, T 1 /2
				4,510 9 ani

Durata totala de viata d N miezuri este t|dN| = λ Nt d t. Prin integrarea acestei expresii peste t(adică de la 0 la ∞) și împărțiți la numărul inițial de nuclee N 0 , obținem durata medie de viață τ a unui nucleu radioactiv:

. (4)

Integrala tabelului:

Astfel, durata medie de viață τ a unui nucleu radioactiv este reciproca constantei de dezintegrare radioactivă λ.

ActivitateDAR nuclidul dintr-o sursă radioactivă este numărul de dezintegrari care au loc cu nucleele materiei în 1 s:

Bq - becquerel, (5)

1Bq este activitatea nuclidului, la care are loc un act de dezintegrare în 1 s.

Unitatea în afara sistemului este curie [Ci]: 1[Ci] = 3,710 10 [Bq].

Dezintegrarea radioactivă are loc în conformitate cu așa-numitele reguli de deplasare (sunt o consecință a legilor de conservare a sarcinii și a numărului de masă), care fac posibilă stabilirea ce nucleu ia naștere ca urmare a dezintegrarii unui nucleu părinte dat.

Regula deplasării pentru dezintegrarea α:
. (6)

Regula de schimbare pentru dezintegrarea β:
, (7)

Unde
- nucleul matern; Y simbolul nucleului copilului;
 nucleu de heliu (particulă α);  desemnarea simbolică a unui electron (sarcina lui este  e, iar numărul de masă este zero).

Nucleele rezultate din dezintegrarea radioactivă pot fi, la rândul lor, radioactive. Aceasta duce la un lanț sau o serie de transformări radioactive. , terminand cu un element stabil. Nuclizii finali sunt:
,
,
,
.

1. Reacții nucleare și principalele lor tipuri

reacție nucleară – acesta este procesul de interacțiune a unui nucleu atomic cu un alt nucleu sau particulă elementară, însoțit de o modificare a compoziției și structurii nucleului și eliberarea de particule secundare sau γ– cuantice .

, , (8)

X, Y nucleele iniţiale şi finale; DIN miez compus intermediar; A, b particule de bombardare și emise.

Prima reacție nucleară a fost efectuată de E. Rutherford în 1919

(9)

În timpul reacțiilor nucleare, mai multe legi de conservare: moment, energie, moment unghiular, sarcină. Pe lângă aceste legi clasice de conservare, așa-numita lege de conservare este valabilă în reacțiile nucleare. sarcină barionică (adică numărul de nucleoni - protoni și neutroni).

Clasificarea reacțiilor nucleare

în funcţie de tipul de particule implicate :

sub influența neutronilor ;

sub acțiunea particulelor încărcate (protoni, particule  etc.);

sub influenţa quantilor.

2. prin energia particulelor care le provoacă :

energii joase  1 eV (cu neutroni);

energii medii  1 MeV (cu cuante, particule);

energii mari  10 3 MeV (nașterea de noi particule elementare);

3. După tipul de nuclee implicate în acestea:

pe nuclee ușoare (A<50);

pe miezuri medii (50<А<100);

pe nuclee grele (A>100);

4. prin natura transformărilor nucleare :

cu emisie de neutroni;

cu emisia de particule încărcate;

reacţii de captare (iradiate cuantice).

3. Regularități ale dezintegrarilor ,  și 

descompunere: active sunt nucleele elementelor în principal grele ( DAR> 200, Z > 82), de exemplu:

(10)

Particula  se formează când doi protoni și doi neutroni se întâlnesc, are o viteză de 1,410 7 …210 7 m/s, ceea ce corespunde energiilor de 4,0…8,8 MeV.

Legea Geiger-Nattall:
, (11)

R  alergare, distanța parcursă de o particulă dintr-o substanță până la oprirea completă;
.Cu cât timpul de înjumătățire al unui element radioactiv este mai scurt, cu atât este mai mare intervalul și, prin urmare, energia particule.

 particula cu o energie de 4,2 MeV este înconjurată de o barieră potențială a forțelor Coulomb de 8,8 MeV. Plecarea sa este explicată în mecanica cuantică prin efectul de tunel.

 descompunere: electronul se naște ca urmare a proceselor care au loc în interiorul nucleului. pentru că numărul de nucleoni nu se modifică, dar Z crește cu 1, apoi unul dintre neutroni se transformă într-un proton cu formarea unui electron și emisie antineutrino:

(12)

Teoria dezintegrarii  cu emisia de neutrini a fost propusă de Pauli în 1931 și confirmată experimental în 1956. Are o putere mare de penetrare: un neutrin cu o energie de 1 MeV în plumb parcurge un drum de 10 18 m!

descompunere: nu este independentă, dar însoțește dezintegrarile  și .  spectrul este discret, se caracterizează nu prin undă, ci prin proprietăți corpusculare.  quanta, având masa de repaus zero, fără sarcină, nu poate încetini în mediu, dar poate fie fi absorbit, sau risipi. Puterea mare de penetrare a radiației  este utilizată în detectarea defectelor .

N=N 0 e - λt este legea dezintegrarii radioactive, unde N este numărul de nuclee nedesintegrate, N 0 este numărul de nuclee inițiale.

sens fizic constanta de dezintegrare - probabilitatea dezintegrarii nucleare pe unitatea de timp. Duratele de viață caracteristice pentru nucleele radioactive sunt τ> 10 -14 s. Durata de viață a nucleelor ​​datorită emisiei de nucleoni 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.

Tipuri de dezintegrare radioactivă. α - dezintegrare, schema de dezintegrare, modele de dezintegrare.

Dezintegrarea radioactivă este procesul de transformare a nucleelor ​​atomice instabile în nucleele altor elemente, care este însoțită de emisia de particule.

Tipuri de dezintegrare radioactivă:

1)α - dezintegrare - este însoțită de emisia de atomi de heliu.

2)β - dezintegrare - emisie de electroni și pozitroni.

3)γ - dezintegrare - emisia de fotoni în timpul tranzițiilor între stările nucleelor.

4) Fisiunea nucleară spontană.

5) Radioactivitatea nucleonilor.

α - dezintegrare: A 2 X→ A-Y Z-2 Y+ 4 2 He. Dezintegrarea Α se observă în nucleele grele. Spectrul de dezintegrare α este discret. Lungimea cursei α - particule în aer: 3-7 cm; pentru substanţe dense: 10 -5 m. T 1/2 10 -7 s ÷ 10 10 ani.

β - dezintegrare. Scheme β + , β - și K-captură. Regularități ale β - dezintegrare.

β - dezintegrarea se datorează interacțiunii slabe. Este slab în raport cu nucleele puternice. Toate particulele, cu excepția fotonilor, participă la interacțiuni slabe. Ideea este degenerarea particulelor noi. T 1/2 10 -2 s ÷ 10 20 ani. Calea liberă a neutronului este de 10 19 km.

β - dezintegrarea include 3 tipuri de dezintegrare:

1) β - sau electronic. Nucleul emite electroni. În general:

A 2 X→ A Z -1 Y+ 0 -1 e+υ e .

2)β + sau pozitron. Sunt emise antiparticule de electroni – pozitroni: 1 1 p→ 1 0 n+ 0 1 e+υ e – reacție de transformare a unui proton într-un neutron. Reacția nu dispare de la sine. Vedere generală a reacției: A Z X→ A Z -1 Y+ 0 1 e+υ e . Se observă în nuclee radioactive artificiale.

3) Captură electronică. Are loc o transformare a nucleului, captează învelișul K și se transformă într-un neutron: 1 1 p+ 0 -1 e→ 1 0 n+υ e . Vedere generală: A Z X+ 0 1 e→ A Z -1 Y+υ e . Ca urmare a captării electrice, doar o particulă zboară din nuclee. Însoțită de radiații cu raze X caracteristice.

Activitate DAR nuclidul(denumire generală pentru nucleele atomice care diferă prin numărul de protoni Zși neutroni N) într-o sursă radioactivă este numărul dezintegrarilor care apar cu nucleele probei în 1 s:

Unitatea de activitate SI - becquerel(Bq): 1 Bq este activitatea nuclidului, la care are loc un act de dezintegrare în 1 s. Până acum, în fizica nucleară, este folosită și o unitate de activitate a nuclizilor în afara sistemului într-o sursă radioactivă - curie(Ci): 1 Ci = 3,710 10 Bq.

Dezintegrarea radioactivă are loc conform așa-numitului reguli de deplasare, permițând să se stabilească ce nucleu ia naștere ca urmare a dezintegrarii unui nucleu părinte dat. Reguli de compensare:

unde X este nucleul părinte, Y este simbolul nucleului fiică, El este nucleul de heliu (  -particule), e- desemnarea simbolică a unui electron (sarcina lui este -1, iar numărul său de masă este zero). Regulile de deplasare nu sunt altceva decât o consecință a două legi care se aplică în timpul dezintegrarii radioactive - conservarea incarcare electricași conservarea numărului de masă: suma sarcinilor (numerele de masă) ale nucleelor ​​și particulelor emergente este egală cu sarcina (numărul de masă) nucleului original.

28. Principalele regularități ale a-decay-ului. efect de tunel. Proprietățile radiației a.

α-degradare numită dezintegrarea spontană a nucleului atomic într-un nucleu fiică și o particulă α (nucleul atomului 4 He).

Dezintegrarea α, de regulă, are loc în nucleele grele cu un număr de masă DAR≥140 (deși există câteva excepții). În interiorul nucleelor ​​grele, datorită proprietății de saturație a forțelor nucleare, se formează particule α separate, formate din doi protoni și doi neutroni. Particula α rezultată este supusă unei acțiuni mai mari a forțelor de respingere Coulomb din protonii nucleului decât protonii individuali. În același timp, particula α experimentează mai puțină atracție nucleară față de nucleonii nucleului decât restul nucleonilor. Particula alfa rezultată la limita nucleului este reflectată spre interior de bariera potențială, dar cu o oarecare probabilitate o poate depăși (vezi efectul tunel) și zbura afară. Pe măsură ce energia particulei alfa scade, permeabilitatea barierei de potențial scade exponențial, astfel încât durata de viață a nucleelor ​​cu o energie disponibilă mai mică a dezintegrarii alfa, cu toate celelalte lucruri fiind egale, este mai lungă.

Regula de schimbare a lui Soddy pentru dezintegrarea α:

Ca urmare a dezintegrarii α, elementul este deplasat cu 2 celule la începutul tabelului periodic, numărul de masă al nucleului fiu scade cu 4.

efect de tunel- depășirea unei bariere potențiale de către o microparticulă în cazul în care energia sa totală (rămânând neschimbată în timpul tunelului) este mai mică decât înălțimea barierei. Efectul de tunel este un fenomen de natură exclusiv cuantică, imposibil și chiar complet contrar mecanicii clasice. Un analog al efectului de tunel în optica undelor poate fi pătrunderea unei unde luminoase într-un mediu reflectorizant (la distanțe de ordinul lungimii de undă a luminii) în condițiile în care, din punctul de vedere al opticii geometrice, are loc o reflexie internă totală. . Fenomenul tunelului stă la baza multor procese importante din fizica atomică și moleculară, în fizica nucleului atomic, a stării solide etc.

Efectul de tunel poate fi explicat prin relația de incertitudine. Scris ca:

arată că atunci când o particulă cuantică este limitată de-a lungul coordonatei, adică certitudinea ei de-a lungul X, impulsul său p devine mai puțin sigur. În mod aleatoriu, incertitudinea de impuls poate adăuga energie particulei pentru a depăși bariera. Astfel, cu o anumită probabilitate, o particulă cuantică poate pătrunde în barieră, în timp ce energia medie a particulei rămâne neschimbată.

Radiația alfa are cea mai mică putere de penetrare (pentru a absorbi particulele alfa, este suficientă o foaie de hârtie groasă) în țesutul uman la o adâncime mai mică de un milimetru.

29. Regularitățile de bază ale dezintegrarii b și proprietățile sale. Neutrino. Captură electronică. (vezi 27)

Becquerel a demonstrat că razele β sunt un flux de electroni. Dezintegrarea β este o manifestare a interacțiunii slabe.

β-degradare(mai precis, beta minus decay, -decay) este o dezintegrare radioactivă, însoțită de emisia unui electron și a unui antineutrin din nucleu.

Dezintegrarea β este un proces intranucleon. Apare ca urmare a transformării unuia dintre d-cuarcuri într-unul dintre neutronii nucleului în u-quarc; în acest caz, neutronul este convertit într-un proton cu emisia unui electron și a unui antineutrin:

Regula de schimbare a lui Soddy pentru -decay:

După dezintegrare, elementul este deplasat cu 1 celulă până la sfârșitul tabelului periodic (sarcina nucleară crește cu unu), în timp ce numărul de masă al nucleului nu se modifică.

Există și alte tipuri de dezintegrare beta. În dezintegrarea pozitronilor (beta plus dezintegrarea), nucleul emite un pozitron și un neutrin. În acest caz, sarcina nucleului scade cu unu (nucleul este deplasat cu o celulă la începutul tabelului periodic). Dezintegrarea pozitronilor mereuînsoțită de un proces concurent - captarea electronilor (când nucleul captează un electron din învelișul atomic și emite un neutrin, în timp ce încărcătura nucleului scade și ea cu unul). Cu toate acestea, invers nu este adevărat: mulți nuclizi, pentru care dezintegrarea pozitronilor este interzisă, experimentează captarea de electroni. Cel mai rar cunoscut tip de descompunere radioactivă este descompunerea dublă beta, care a fost detectată până în prezent pentru doar zece nuclizi, cu timpi de înjumătățire depășind 10-19 ani. Toate tipurile de dezintegrare beta conservă numărul de masă al nucleului.

Neutrino- o particulă fundamentală neutră cu spin semiîntreg, participând doar la interacțiuni slabe și gravitaționale și aparținând clasei leptonilor.

Mâner electronic, e captura - unul dintre tipurile de dezintegrare beta a nucleelor ​​atomice. În captarea electronilor, unul dintre protonii nucleului captează un electron în orbită și se transformă într-un neutron, emițând un neutrin electronic. Sarcina nucleului este apoi redusă cu unu. Numărul de masă al nucleului, ca în toate celelalte tipuri de dezintegrare beta, nu se modifică. Acest proces este caracteristic nucleelor ​​bogate în protoni. Dacă diferența de energie dintre atomul părinte și atomul copil (energia disponibilă a dezintegrarii beta) depășește 1,022 MeV (de două ori masa unui electron), captarea electronilor concurează întotdeauna cu un alt tip de dezintegrare beta, dezintegrarea pozitronilor. De exemplu, rubidiul-83 este convertit în krypton-83 numai prin captarea de electroni (energia disponibilă este de aproximativ 0,9 MeV), în timp ce sodiul-22 se descompune în neon-22 atât prin captarea electronilor, cât și prin dezintegrarea pozitronilor (energia disponibilă este de aproximativ 2,8 MeV).

Deoarece numărul de protoni din nucleu (adică sarcina nucleară) scade în timpul captării electronilor, acest proces transformă nucleul unui element chimic în nucleul altui element situat mai aproape de începutul tabelului periodic.

Formula generală pentru captarea electronilor

30. γ-radiația nucleelor ​​și proprietățile sale. Interacțiunea radiației γ cu materia. Apariția și distrugerea perechilor electron-pozitron.

S-a stabilit experimental că  -radiatia nu este un tip independent de radioactivitate, ci doar insoteste  - și  -se descompune si apare si in timpul reactiilor nucleare, in timpul decelerarii particulelor incarcate, dezintegrarii acestora etc.  - Spectrul este o linie.  -Spectrul este distribuția unui număr  -cuante în energie. discretie  -spectrul are o importanţă fundamentală, deoarece este dovada caracterului discret al stărilor energetice ale nucleelor ​​atomice.

Acum este ferm stabilit că  -radiatiile sunt emise de nucleul copilului (si nu al parintelui). Nucleul fiică în momentul formării sale, fiind excitat, pentru un timp de aproximativ 10–13 -10–14 s, mult mai scurt decât durata de viață a unui atom excitat (aproximativ 10–8 s), trece în starea fundamentală cu emisie  -radiații. Revenind la starea fundamentală, nucleul excitat poate trece printr-o serie de stări intermediare, deci  -radiaţia aceluiaşi izotop radioactiv poate conţine mai multe grupări  -cuante care diferă unele de altele prin energia lor.

La  - radiatii DARși Z nucleele nu se schimbă, deci nu este descris de nicio regulă de deplasare.  - Radiația majorității nucleelor ​​are o lungime de undă atât de scurtă încât proprietățile sale de undă se manifestă foarte slab. Aici, proprietățile corpusculare ies, așadar, în prim-plan  -radiația este considerată ca un flux de particule -  -quanta. În timpul descompunerilor radioactive ale diferitelor nuclee  -quantele au energii de la 10 keV la 5 MeV.

Un nucleu aflat în stare excitată poate trece la starea fundamentală nu numai prin emitere  -cuantică, dar și cu transfer direct de energie de excitație (fără emisie prealabilă  -cuantică) la unul dintre electronii aceluiaşi atom. Aceasta produce așa-numitul electron de conversie. Fenomenul în sine este numit conversie internă. Conversia internă este un proces cu care concurează  -radiații.

Electronii de conversie corespund unor valori discrete de energie, care depind de funcția de lucru a electronului din învelișul din care iese electronul și de energia E, dat de nucleu în timpul trecerii de la starea excitată la starea fundamentală. Dacă toată energia E iese în evidență în formă  -cuantică, apoi frecvența radiației  se determină din relaţia cunoscută E=h. Dacă sunt emiși electroni de conversie internă, atunci energiile lor sunt egale cu E-A K , E-A L , .... Unde A K , A L , ... - funcția de lucru a unui electron LA-și L- scoici. Natura monoenergetică a electronilor de conversie face posibilă deosebirea lor de  -electroni, al căror spectru este continuu. Locul vacant de pe învelișul interior al atomului care a apărut ca urmare a emisiei unui electron va fi umplut cu electroni din învelișurile de deasupra. Prin urmare, conversia internă este întotdeauna însoțită de emisia caracteristică de raze X.

 -Cuanticele, având masa de repaus zero, nu pot încetini în mediu, prin urmare, la trecere  - radiații prin substanță, acestea sunt fie absorbite, fie împrăștiate de aceasta.  -Quante nu poartă o sarcină electrică și, prin urmare, nu experimentează influența forțelor Coulomb. La trecerea fasciculului  -cuante prin materie, energia lor nu se modifică, dar ca urmare a ciocnirilor, intensitatea este slăbită, a cărei modificare este descrisă de legea exponențială eu=eu 0e- x (eu 0 și eu- intensitate  -radiatie la intrarea si iesirea stratului de material absorbant cu o grosime x,  - coeficient de absorbție). pentru că  radiația este radiația cea mai pătrunzătoare, atunci  pentru multe substanțe - o valoare foarte mică;  depinde de proprietățile materiei și de energie  -quanta.

 -Quante, trecând prin materie, pot interacționa atât cu învelișul de electroni a atomilor materiei, cât și cu nucleele acestora. În electrodinamica cuantică, se dovedește că principalele procese care însoțesc pasajul  -radiatiile prin materie sunt efectul fotoelectric, efectul Compton (difuzarea Compton) si formarea perechilor electron-pozitron.

efect fotoelectric, sau absorbția fotoelectrică  - radiatii, este procesul prin care un atom absoarbe  -cuantică și emite un electron. Deoarece electronul este scos dintr-una dintre învelișurile interioare ale atomului, spațiul eliberat este umplut cu electroni din învelișurile de deasupra, iar efectul fotoelectric este însoțit de radiația caracteristică de raze X. Efectul fotoelectric este mecanismul de absorbție predominant în regiunea cu energie scăzută  -quanta ( E 100 keV). Efectul fotoelectric poate apărea numai asupra electronilor legați, deoarece un electron liber nu poate absorbi  -cuantică, în timp ce legile conservării energiei și impulsului nu sunt îndeplinite simultan.

Pe măsură ce energia crește  -quanta ( E0,5 MeV) probabilitatea efectului fotoelectric este foarte mică și principalul mecanism de interacțiune  -quanta cu materia este împrăștiere Compton.

La E>1,02 MeV=2 m e c 2 (t e - masa în repaus a unui electron) procesul de formare a perechilor electron-pozitron în câmpuri electrice nuclee. Probabilitatea acestui proces este proporțională cu Z 2 și crește odată cu creșterea E. Prin urmare, când E10 MeV proces principal de interacțiune  -radiatiile in orice substanta este au format perechi electron-pozitron.

Dacă energia  -cuantica depaseste energia de legare a nucleonilor din nucleu (7-8 MeV), apoi ca urmare a absorbtiei  - se poate observa cuantica efect fotoelectric nuclear- ejectia din nucleul unuia dintre nucleoni, cel mai adesea un neutron.

Putere mare de penetrare  - radiația este utilizată în detectarea defectelor gamma - o metodă de detectare a defectelor bazată pe diferite absorbții  -radiatia cand se propaga pe aceeasi distanta in medii diferite. Localizarea și dimensiunea defectelor (cavități, fisuri etc.) sunt determinate de diferența de intensități ale radiației care a trecut prin diferite părți ale produsului translucid.

Impact  - caracterizează radiațiile (precum și alte tipuri de radiații ionizante) asupra unei substanțe doza de radiatii ionizante. Diferă:

Doza de radiație absorbită - cantitate fizica, egal cu raportul dintre energia radiației și masa substanței iradiate.

Unitatea de măsură a dozei de radiație absorbită - gri(Gy)*: 1 Gy= 1 J/kg - doza de radiație la care energia oricărei radiații ionizante de 1 J este transferată unei substanțe iradiate cu greutatea de 1 kg.

31. Obținerea elementelor transuraniu. Legile de bază ale reacțiilor de fisiune nucleară.

ELEMENTE TRANSURANE, elemente chimice situat în sistem periodic după uraniu, adică cu numar atomic Z >92.

Toate elementele transuraniului au fost sintetizate prin reacții nucleare (în natură s-au găsit doar urme de Np și Pu). Elementele transuraniu sunt radioactive; cu creşterea Z jumătate de viață T 1/2 elementele transuraniu sunt reduse brusc.

În 1932, după descoperirea neutronului, s-a sugerat că atunci când uraniul a fost iradiat cu neutroni, ar trebui să se formeze izotopi ai primelor elemente transuraniu. Și în 1940, E. Macmillan și F. Ableson au sintetizat neptuniul (numărul de serie 93) folosind o reacție nucleară și i-au studiat cele mai importante proprietăți chimice și radioactive. În același timp, a avut loc și descoperirea următorului element transuraniu, plutoniul. Ambele elemente noi au fost numite după planetele din sistemul solar.

Toate elementele transuraniu până la 101 inclusiv au fost sintetizate prin utilizarea particulelor de bombardare ușoară: neutroni, deutroni și particule alfa. Procesul de sinteză a constat în iradierea țintei cu fluxuri de neutroni sau particule încărcate. Dacă U este folosit ca țintă, atunci cu ajutorul fluxurilor puternice de neutroni generate în reactoarele nucleare sau în timpul exploziei dispozitivelor nucleare, este posibil să se obțină toate elementele transuraniu, până la Fm ( Z= 100) inclusiv. Elemente cu Z Cu 1 sau 2 mai puțin decât elementul sintetizat. Între 1940 și 1955 Oamenii de știință americani conduși de G. Seaborg au sintetizat nouă elemente noi care nu există în natură: Np (neptuniu), Pu (plutoniu), Am (americiu), Cm (curiu), Bk (berkeliu), Cf (californiu), Es ( einsteiniu), Fm (fermium), Md (mendelevium). În 1951, G. Seaborg și E. M. Macmillan au fost premiați Premiul Nobel„pentru descoperirile lor în chimia elementelor transuraniului”.

Posibilitățile metodei pentru sinteza grele elemente radioactive, în care se folosește iradierea cu particule luminoase, sunt limitate, nu permite obținerea de nuclee cu Z> 100. Elementul cu Z = 101 (mendelevium) a fost descoperit în 1955 prin iradierea a 253 99Es (einsteiniu) cu particule a accelerate. Sinteza noilor elemente transuraniu a devenit din ce în ce mai dificilă pe măsură ce am trecut la valori mai mari Z. Valorile timpilor de înjumătățire ale izotopilor lor s-au dovedit a fi din ce în ce mai mici.

Reacție nucleară - procesul de transformare a nucleelor ​​atomice, care are loc atunci când interacționează cu aceștia particule elementare, razele gamma și unele cu altele, ducând adesea la eliberarea de cantități enorme de energie. În cursul reacțiilor nucleare sunt îndeplinite următoarele legi: conservarea sarcinii electrice și a numărului de nucleoni, conservarea energiei și

conservarea momentului, conservarea momentului unghiular, conservarea parității și

spin izotopic.

Reacție de fisiune - împărțirea unui nucleu atomic în mai multe nuclee mai ușoare. Diviziunile sunt forțate și spontane.

Reacția de fuziune este fuziunea nucleelor ​​ușoare într-unul singur. Această reacție are loc numai la temperaturi ridicate, de ordinul a 10 8 K, și se numește reacție termonucleară.

Randamentul energetic al reacției Q este diferența dintre energiile totale de repaus ale tuturor particulelor înainte și după reacția nucleară. Dacă Q > 0, atunci energia totală de repaus scade în cursul unei reacții nucleare. Astfel de reacții nucleare se numesc exoenergetice. Ele pot proceda la o energie cinetică inițială arbitrară mică a particulelor. În schimb, pentru 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. Reacție în lanț de fisiune. Reacție în lanț controlată. Reactor nuclear.

Neutronii secundari emiși în timpul fisiunii nucleare pot provoca noi evenimente de fisiune, ceea ce face posibilă efectuarea reacție în lanț de fisiune- o reacție nucleară în care particulele care provoacă reacția se formează ca produse ale acestei reacții. Reacția în lanț de fisiune se caracterizează prin factor de multiplicare k neutroni, care este egal cu raportul dintre numărul de neutroni dintr-o generație dată și numărul lor din generația anterioară. Stare necesară pentru dezvoltarea unei reacţii în lanţ de fisiune este cerința k 1.

Se pare că nu toți neutronii secundari rezultați provoacă fisiunea nucleară ulterioară, ceea ce duce la o scădere a factorului de multiplicare. În primul rând, datorită dimensiunilor finite miez(spațiul în care are loc reacția în lanț) și puterea mare de penetrare a neutronilor, unii dintre ei vor părăsi nucleul înainte de a fi capturați de orice nucleu. În al doilea rând, o parte din neutroni este captată de nucleele de impurități nefisibile, care sunt întotdeauna prezente în miez. În plus, împreună cu fisiunea, pot avea loc procese concurente de captare radiativă și împrăștiere inelastică.

Factorul de multiplicare depinde de natura materialului fisionabil, iar pentru un izotop dat, de cantitatea acestuia, precum și de mărimea și forma zonei active. Se numesc dimensiunile minime ale zonei active la care este posibilă o reacție în lanț dimensiuni critice. Masa minimă de material fisionabil situat într-un sistem de dimensiuni critice, necesară implementării reacție în lanț, numit masa critica.

Rata de dezvoltare a reacțiilor în lanț este diferită. Lăsa T - durata medie de viață a unei generații și N- numărul de neutroni dintr-o generație dată. În generația următoare, numărul lor este kN, t. e. creşterea numărului de neutroni pe generaţie dN=kN-N=N(k- unu). Creșterea numărului de neutroni pe unitatea de timp, adică rata de creștere a reacției în lanț,

Integrând (266.1), obținem

Unde N 0 este numărul de neutroni în momentul inițial de timp și N- numărul lor la un moment dat t. N este definit de semnul ( k- unu). La k> 1 vine dezvoltarea reacției, numărul de diviziuni crește continuu și reacția poate deveni explozivă. La k=1 merge reacție autosusținută, la care numărul de neutroni nu se modifică în timp. La k<1 идет затухающая реакция.

Reacțiile în lanț sunt împărțite în gestionateși negestionate. Explozia unei bombe atomice, de exemplu, este o reacție necontrolată. Pentru a preveni explozia unei bombe atomice în timpul depozitării, U (sau Pu) din ea este împărțit în două părți îndepărtate una de cealaltă, cu mase sub nivelul critic. Apoi, cu ajutorul unei explozii obișnuite, aceste mase se apropie una de cealaltă, masa totală a materialului fisionabil devine mai critică și are loc o reacție explozivă în lanț, însoțită de o eliberare instantanee a unei cantități uriașe de energie și o mare distrugere. Reacția explozivă începe datorită neutronilor de fisiune spontană disponibili sau neutronilor radiațiilor cosmice. Reacțiile controlate în lanț sunt efectuate în reactoare nucleare.

Există trei izotopi în natură care pot servi drept combustibil nuclear (U: uraniul natural conține aproximativ 0,7%) sau materii prime pentru producerea acestuia (Th și U: uraniul natural conține aproximativ 99,3%). Th servește ca produs inițial pentru obținerea combustibilului nuclear artificial U (vezi reacția (265.2)) și U, absorbind neutroni, prin două succesive  – -dezintegrare - pentru transformarea într-un miez Pu:

Reacțiile (266.2) și (265.2), astfel, deschid o posibilitate reală de reproducere a combustibilului nuclear în procesul unei reacții în lanț de fisiune.

Reactor nuclear- Acesta este un dispozitiv în care se realizează o reacție nucleară controlată în lanț, însoțită de eliberarea de energie. Primul reactor nuclear a fost construit și lansat în decembrie 1942 în SUA sub conducerea lui E. Fermi. Primul reactor construit în afara Statelor Unite a fost ZEEP, lansat în Canada în septembrie 1945. În Europa, primul reactor nuclear a fost instalația F-1, care a fost lansată la 25 decembrie 1946 la Moscova sub conducerea lui I. V. Kurchatov.

Până în 1978, aproximativ o sută de reactoare nucleare de diferite tipuri funcționau deja în lume. Componentele oricărui reactor nuclear sunt: ​​un miez cu combustibil nuclear, de obicei înconjurat de un reflector de neutroni, un lichid de răcire, un sistem de control cu ​​reacție în lanț, protecție împotriva radiațiilor, un sistem de control de la distanță. Principala caracteristică a unui reactor nuclear este puterea sa. O putere de 1 MW corespunde unei reacții în lanț în care au loc 3·10 16 evenimente de fisiune în 1 sec.

33. Fuziunea termonucleară. Energia stelară. Fuziune termonucleară controlată.

reactie termonucleara este o reacție de fuziune a nucleelor ​​ușoare în altele mai grele.

Pentru implementarea ei este necesar ca nucleonii sau nucleii ușori inițiali să se apropie unul de celălalt la distanțe egale sau mai mici decât raza sferei de acțiune a forțelor nucleare de atracție (adică până la distanțe de 10 -15 m). O astfel de apropiere reciprocă a nucleelor ​​este împiedicată de forțele de respingere Coulomb care acționează între nucleele încărcate pozitiv. Pentru ca o reacție de fuziune să aibă loc, este necesară încălzirea unei substanțe cu densitate mare la temperaturi ultraînalte (de ordinul a sute de milioane de Kelvin), astfel încât energia cinetică a mișcării termice a nucleelor ​​să fie suficientă pentru a depăși respingerea coulombiană. forte. La astfel de temperaturi, materia există sub formă de plasmă. Deoarece fuziunea poate avea loc numai la temperaturi foarte ridicate, reacțiile de fuziune nucleară sunt numite reacții termonucleare (din greacă. therme„caldura, caldura”).

Reacțiile termonucleare eliberează o energie enormă. De exemplu, în reacția de fuziune a deuteriului cu formarea heliului

Se eliberează 3,2 MeV de energie. În reacția sintezei deuteriului cu formarea tritiului

Se eliberează 4,0 MeV de energie, iar în reacție

Se eliberează 17,6 MeV de energie.

Fuziune termonucleară controlată (TCB) - sinteza nucleelor ​​atomice mai grele din cele mai usoare in vederea obtinerii de energie care, spre deosebire de fuziunea termonucleara exploziva (folosita in dispozitivele explozive termonucleare), este controlata. Fuziunea termonucleară controlată diferă de energia nucleară tradițională prin aceea că aceasta din urmă folosește o reacție de fisiune, în timpul căreia nuclee mai ușoare sunt obținute din nuclee grele. Principalele reacții nucleare planificate a fi utilizate pentru fuziunea controlată vor folosi deuteriu (2 H) și tritiu (3 H), iar pe termen lung heliu-3 (3 He) și bor-11 (11 B).

34. Surse și metode de înregistrare a particulelor elementare. Tipuri de interacțiuni și clase de particule elementare. Antiparticule.

Contor Geiger
- servește la numărarea numărului de particule radioactive (în principal electroni).

Este un tub de sticlă umplut cu gaz (argon) cu doi electrozi în interior (catod și anod).
În timpul trecerii unei particule, are loc ionizarea prin impact a gazului și are loc un impuls de curent electric.

Avantaje:
- compactitate
- eficienta
- performanta
- precizie ridicată (10000 particule/s).
Unde se foloseste:
- înregistrarea contaminării radioactive pe sol, în spații, îmbrăcăminte, produse etc.
- la depozitele de materiale radioactive sau cu reactoare nucleare în exploatare
- la căutarea zăcămintelor de minereu radioactiv (U, Th)

camera cu nori
- servește la observarea și fotografiarea urmelor din trecerea particulelor (urme).
Volumul intern al camerei este umplut cu vapori de alcool sau apă în stare suprasaturată:
când pistonul este coborât, presiunea din interiorul camerei scade și temperatura scade, ca urmare a procesului adiabatic, se formează abur suprasaturat.
Picăturile de umiditate se condensează de-a lungul căii de trecere a particulei și se formează o urmă - o urmă vizibilă.
Când o cameră este plasată într-un câmp magnetic, pista poate fi folosită pentru a determina energia, viteza, masa și încărcătura unei particule.

Caracteristicile unei particule radioactive zburătoare sunt determinate de lungimea și grosimea pistei, de curbura acesteia într-un câmp magnetic.
De exemplu, o particulă alfa dă o urmă groasă continuă,
proton - pistă subțire,
electron - pistă punctată.

camera cu bule

Varianta cu camera de nor

Cu o scădere bruscă a pistonului, fluidul sub presiune mare intră într-o stare supraîncălzită. Odată cu mișcarea rapidă a particulei de-a lungul traseului, se formează bule de vapori, de exemplu. lichidul fierbe, pista este vizibilă.
Avantaje față de camera de nor:
- densitate mare a pistelor medii, deci scurte
- particulele se blochează în cameră și pot fi efectuate observații suplimentare ale particulelor
- mai multa viteza.
Metoda emulsiilor fotografice în strat gros
- servește la înregistrarea particulelor
- vă permite să înregistrați fenomene rare datorită timpului lung de expunere.
Emulsia fotografică conține o cantitate mare de microcristale de bromură de argint.
Particulele care intră ionizează suprafața emulsiilor fotografice. Cristalele de AgBr se dezintegrează sub acțiunea particulelor încărcate și, la dezvoltare, se dezvăluie o urmă din trecerea unei particule, o urmă.
Energia și masa particulelor pot fi determinate din lungimea și grosimea pistei.

Clase de particule și tipuri de interacțiuni

În prezent, există credința fermă că totul în natură este construit din particule elementare și toate procesele naturale se datorează interacțiunii acestor particule. Astăzi, particulele elementare sunt înțelese ca quarci, leptoni, bosoni gauge și particule scalare Higgs. Sub interacțiuni fundamentale - puternic, electro-slab și gravitațional. Astfel, este posibil să se evidențieze în mod condiționat patru clase de particule elementare și trei tipuri de interacțiuni fundamentale.

Neutrinii sunt neutri din punct de vedere electric; electronul, muonul și leptonul tau au sarcini electrice. Leptonii participă la interacțiunile electroslabe și gravitaționale.

Clasa a treia sunt quarci. Astăzi sunt cunoscuți șase quarci - fiecare dintre care poate fi „colorat” într-una din cele trei culori. La fel ca leptonii, este convenabil să le aranjați sub formă de trei familii

Cuarcii liberi nu sunt observați. Împreună cu gluonii, ei sunt componentele hadronilor, dintre care există câteva sute. Hadronii, ca și quarcurile care îi alcătuiesc, participă la toate tipurile de interacțiuni.

clasa a patra- Particule Higgs, încă nedetectate experimental. În schema minimă, un scalar Higgs este suficient. Rolul lor în natură astăzi este în mare parte „teoretic” și este de a face renormalizabilă interacțiunea electro-slabă. În special, masele tuturor particulelor elementare sunt „lucrarea manuală” a condensatului Higgs. Poate că introducerea câmpurilor Higgs este necesară pentru a rezolva probleme fundamentale ale cosmologiei, cum ar fi omogenitatea și cauzalitatea universului.

Prelegerile ulterioare despre teoria structurii cuarci a hadronilor sunt dedicate hadronilor și cuarcilor. Accentul va fi pus pe clasificarea particulelor, simetrii și legile de conservare.

35. Legile conservării în transformările particulelor elementare. Conceptul de quarci.

Un quarc este o particulă fundamentală în modelul standard care are o sarcină electrică care este un multiplu a lui e/3, și nu se observă în stare liberă. Quarcii sunt particule punctiforme cu o scară de aproximativ 0,5·10 -19 m, care este de aproximativ 20 de mii de ori mai mică decât dimensiunea unui proton. Quarcii formează hadronii, în special protonul și neutronul. În prezent, sunt cunoscute 6 „sorturi” diferite (mai des se spune - „arome”) de quarci, ale căror proprietăți sunt date în tabel. În plus, pentru descrierea gauge a interacțiunii puternice, se postulează că quarcii au și o caracteristică internă suplimentară numită „culoare”. Fiecare quarc corespunde unui antiquarc cu numere cuantice opuse.

Ipoteza conform căreia hadronii sunt construiți din subunități specifice a fost formulată pentru prima dată de M. Gell-Mann și, independent de el, J. Zweig în 1964.

Cuvântul „quark” a fost împrumutat de Gell-Mann din romanul Finnegans Wake de J. Joyce, unde într-unul dintre episoade expresia „Three quarks for Muster Mark!” (tradus de obicei prin „Trei quarci pentru Master/Muster Mark!”). Însuși cuvântul „quark” din această frază este o onomatopee a strigătului păsărilor marine.

Radioactivitate. Legea de bază a dezintegrarii radioactive.

Radioactivitate - dezintegrarea spontană a nucleelor ​​instabile cu emisia altor nuclee și particule elementare.

Tipuri de radioactivitate:

1. Natural

2. Artificial.

Ernest Rutherford - structura atomului.

Tipuri de dezintegrare radioactivă:

dezintegrarea α: à + ; dezintegrarea β: à +

Legea de bază a dezintegrarii radioactive. N \u003d N o e -lt

Numărul de nuclee radioactive nedezintegrate scade exponențial. L(lambda) este constanta de dezintegrare.

constantă de dezintegrare. Jumătate de viață. Activitate. Tipuri de dezintegrare radioactivă și spectrele acestora.

L (lambda) - constantă de dezintegrare, proporțională cu probabilitatea de dezintegrare a unui nucleu radioactiv și diferită pentru diferite substanțe radioactive.

Jumătate de viață ( T )- este timpul necesar pentru ca jumătate din nucleele radioactive să se descompună. T=ln2/l=0,69/l.

Activitatea este caracterizată de rata de dezintegrare. A=-dN/dT=lN=lN o e -lt =(N/T)*ln2

[A]-becquerel (Bq)= 1 dezintegrare/secundă.

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

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

Tipuri de dezintegrare radioactivă. regula deplasării.

Dezintegrare alfa (cel mai slab): A Z X> 4 2 He + A-4 Z-2 Y

Dezintegrare beta: A Z X> 0 -1 e + A Z+1 Y

Spectrele energetice ale particulelor multor elemente radioactive constau din mai multe linii. Motivul apariției unei astfel de structuri de spectru este dezintegrarea nucleului inițial (A, Z) într-o stare excitată a nucleului (A-4, Z-2. Pentru dezintegrarea alfa, de exemplu). Măsurând spectrele particulelor, se pot obține informații despre natura stărilor excitate ale nucleului.

Caracteristici ale interacțiunii particulelor încărcate cu materia: densitatea de ionizare liniară, puterea de oprire liniară, intervalul liniar mediu. Capacități de penetrare și ionizare ale radiațiilor alfa, beta și gama.

Particulele încărcate, care se propagă în materie, interacționează cu electronii și nucleele, în urma cărora starea atât a materiei, cât și a particulelor se schimbă.

Densitatea de ionizare liniară este raportul dintre ionii cu semnul dn, formați de o particulă ionizată încărcată pe calea elementară dL, și lungimea acestei căi. I=dn/dL.

Puterea de oprire liniară - acesta este raportul dintre energia dE pierdută de o particulă ionizantă încărcată în timpul trecerii unei căi elementare dL și lungimea acestei căi. S=dE/dL.

rulare liniară medie- este distanța pe care o parcurge o particulă ionizantă într-o substanță fără a se ciocni. R este kilometrajul liniar mediu.

Este necesar să se țină cont de puterea de penetrare a radiațiilor. De exemplu, nucleele atomice grele și particulele alfa au o cale extrem de scurtă în materie, așa că sursele alfa radioactive sunt periculoase dacă intră în organism. Dimpotrivă, razele gamma au o putere de penetrare semnificativă, deoarece sunt formate din fotoni de înaltă energie care nu au încărcătură.

Puterea de penetrare a tuturor tipurilor de radiații ionizante depinde de energie.