Pojem rádioaktivita

Zákon rádioaktívneho rozpadu

Kvantifikácia rádioaktivity a jej jednotiek

Ionizujúce žiarenie, ich vlastnosti.

Zdroje AI

1. Pojem rádioaktivita

Rádioaktivita je samovoľný proces premeny (rozpadu) atómových jadier sprevádzaný emisiou špeciálneho druhu žiarenia nazývaného rádioaktívne.

V tomto prípade dochádza k premene atómov jedného prvku na atómy iných.

Rádioaktívne premeny sú charakteristické len pre jednotlivé látky.

Látka sa považuje za rádioaktívnu, ak obsahuje rádionuklidy a podlieha procesu rádioaktívneho rozpadu.

Rádionuklidy (izotopy) - jadrá atómov schopné samovoľného rozpadu sa nazývajú rádionuklidy.

Ako charakteristika nuklidu sa používa symbol chemického prvku, atómové číslo (počet protónov) a hmotnostné číslo jadra (počet nukleónov, t.j. celkový počet protóny a neutróny).

Napríklad 239 94 Pu znamená, že jadro atómu plutónia obsahuje 94 protónov a 145 neutrónov, teda spolu 239 nukleónov.

Existujú nasledujúce typy rádioaktívneho rozpadu:

beta rozpad;

Alfa rozpad;

Spontánne štiepenie atómových jadier (rozpad neutrónov);

Protónová rádioaktivita (protónová fúzia);

Dvojprotónová a klastrová rádioaktivita.

beta rozpad - je to proces premeny atómu protónu v jadre na neutrón alebo neutrónu na protón s uvoľnením beta častice (pozitrónu alebo elektrónu)

Alfa rozpad - je typický pre ťažké prvky, ktorých jadrá od čísla 82 v tabuľke D.I. Mendelejeva sú napriek prebytku neutrónov nestabilné a spontánne sa rozpadajú. Jadrá týchto prvkov vyvrhujú prevažne jadrá atómov hélia.

Spontánne štiepenie atómových jadier (neutrónový rozpad) - ide o samovoľné štiepenie niektorých jadier ťažkých prvkov (urán-238, kalifornium 240.248, 249, 250, kúrium 244, 248 atď.). Pravdepodobnosť spontánneho jadrového štiepenia je v porovnaní s alfa rozpadom zanedbateľná. V tomto prípade je jadro rozdelené na dva fragmenty (jadrá), ktoré sú si blízke hmotnosti.

1. Zákon rádioaktívneho rozpadu

Stabilita jadier klesá so zvyšujúcim sa celkovým počtom nukleónov. Závisí to aj od pomeru počtu neutrónov a protónov.

Proces postupných jadrových transformácií spravidla končí vytvorením stabilných jadier.

Rádioaktívne premeny sa riadia zákonom rádioaktívneho rozpadu:

N = N0e λt,

kde N,N° je počet atómov, ktoré sa nerozpadli v časoch t a t°;

λ je konštanta rádioaktívneho rozpadu.

Hodnota λ má svoju vlastnú individuálna hodnota pre každý typ rádionuklidu. Charakterizuje rýchlosť rozpadu, t.j. ukazuje, koľko jadier sa rozpadne za jednotku času.

Podľa rovnice zákona rádioaktívneho rozpadu je jeho krivka exponenciálna.

1. Kvantifikácia rádioaktivity a jej jednotiek

Čas, za ktorý sa v dôsledku samovoľných jadrových premien rozpadne polovica jadier, je tzv polovičný život T 1/2 . Polčas rozpadu T1/2 je spojený so závislosťou rozpadovej konštanty λ:

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

Polčas rozpadu T 1/2 pre rôzne rádionuklidy je rôzny a značne sa líši - od zlomkov sekundy až po stovky a dokonca tisíce rokov.

Polčasy niektorých rádionuklidov:

Jód-131 - 8,04 dňa

Cézium-134 - 2,06 roka

Stroncium-90 - 29,12 rokov

Cézium-137 - 30 rokov

Plutónium-239 - 24065 rokov

Urán-235 - 7,038. 10 8 rokov

Draslík-40 - 1,4 10 9 rokov.

Recipročná konštanta rozpadu, volalpriemerná životnosť rádioaktívneho atómu t :

Rýchlosť rozpadu je určená aktivitou látky A:

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

kde A a Ao sú aktivity látky v časoch t a t 0 .

Aktivita je miera rádioaktivity. Vyznačuje sa počtom rozpadov rádioaktívnych jadier za jednotku času.

Aktivita rádionuklidu je priamo úmerná celkovému počtu rádioaktívnych atómových jadier v čase t a nepriamo úmerná polčasu rozpadu:

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

V sústave SI sa becquerel (Bq) berie ako jednotka aktivity. Jeden becquerel sa rovná jednému rozpadu za sekundu. Mimosystémovou jednotkou aktivity je curie (Ku).

1 Ku \u003d 3,7 10 10 Bq

1Bq = 2,710-11 Ku.

Jednotka curieovej aktivity zodpovedá aktivite 1 g rádia. V praxi meraní sa používajú pojmy objem A v (Bq / m 3, Ku / m 3), povrch A s (Bq / m 2, Ku / m 2), špecifický A m (Bq / m, Ku / m). ) činnosť.

1. Rádioaktivita. Základný zákon rádioaktívneho rozpadu. Aktivita.

2. Hlavné typy rádioaktívneho rozpadu.

3. Kvantitatívne charakteristiky interakcie ionizujúceho žiarenia s látkou.

4. Prirodzená a umelá rádioaktivita. rádioaktívne riadky.

5. Využitie rádionuklidov v medicíne.

6. Urýchľovače nabitých častíc a ich využitie v medicíne.

7. Biofyzikálne základy pôsobenia ionizujúceho žiarenia.

8. Základné pojmy a vzorce.

9. Úlohy.

Záujem lekárov o prirodzenú a umelú rádioaktivitu je spôsobený nasledovným.

Po prvé, všetky živé veci sú neustále vystavené prirodzenému radiačnému pozadiu, čo je kozmického žiarenia, žiarenie rádioaktívnych prvkov, ktoré sa vyskytujú v povrchových vrstvách zemskej kôry, a žiarenie prvkov, ktoré sa dostávajú do tela živočíchov spolu so vzduchom a potravou.

Po druhé, rádioaktívne žiarenie sa používa v samotnej medicíne na diagnostické a terapeutické účely.

33.1. Rádioaktivita. Základný zákon rádioaktívneho rozpadu. Aktivita

Fenomén rádioaktivity objavil v roku 1896 A. Becquerel, ktorý pozoroval spontánnu emisiu neznámeho žiarenia z uránových solí. Čoskoro E. Rutherford a Curiesovci zistili, že počas rádioaktívneho rozpadu sa vyžarujú He jadrá (α-častice), elektróny (β-častice) a tvrdé elektromagnetické žiarenie (γ-lúče).

V roku 1934 bol objavený rozpad s emisiou pozitrónov (β + -rozpad) a v roku 1940 nový typ rádioaktivita - spontánne štiepenie jadier: štiepne jadro sa rozpadne na dva fragmenty porovnateľnej hmotnosti pri súčasnej emisii neutrónov a γ -kvanta. Protónová rádioaktivita jadier bola pozorovaná v roku 1982.

Rádioaktivita - schopnosť niektorých atómových jadier spontánne (spontánne) premeniť sa na iné jadrá s emisiou častíc.

Atómové jadrá sa skladajú z protónov a neutrónov, ktoré majú všeobecný názov - nukleóny. Počet protónov v jadre určuje Chemické vlastnosti atóm a označuje sa Z (toto sériové číslo chemický prvok). Počet nukleónov v jadre sa nazýva hromadné číslo a označujú A. Volajú sa jadrá s rovnakým poradovým číslom a rôznymi číslami hmotnosti izotopy. Všetky izotopy jedného chemického prvku majú rovnaký Chemické vlastnosti. Fyzikálne vlastnosti izotopy sa môžu značne líšiť. Na označenie izotopov sa používa symbol chemického prvku s dvoma indexmi: A Z X. Spodný index je poradové číslo, horný je hmotnostné číslo. Dolný index sa často vynecháva, pretože naň ukazuje samotný symbol prvku. Napríklad píšu 14 C namiesto 14 6 C.

Schopnosť jadra rozpadu závisí od jeho zloženia. Ten istý prvok môže mať stabilné aj rádioaktívne izotopy. Napríklad izotop uhlíka 12C je stabilný, zatiaľ čo izotop 14C je rádioaktívny.

Rádioaktívny rozpad je štatistický jav. Schopnosť izotopu rozpadať sa charakterizuje konštantný rozpadλ.

konštantný rozpad je pravdepodobnosť, že sa jadro daného izotopu rozpadne za jednotku času.

Pravdepodobnosť rozpadu jadra v krátkom čase dt zistíme podľa vzorca

Ak vezmeme do úvahy vzorec (33.1), dostaneme výraz, ktorý určuje počet rozpadnutých jadier:

Vzorec (33.3) sa nazýva hlavný zákon rádioaktívneho rozpadu.

Počet rádioaktívnych jadier klesá s časom podľa exponenciálneho zákona.

V praxi namiesto toho konštantný rozpadλ často používa inú hodnotu tzv polovičný život.

Polovičný život(T) - čas, počas ktorého sa rozpadá polovicu rádioaktívne jadrá.

Zákon rádioaktívneho rozpadu s použitím polčasu rozpadu je napísaný takto:

Graf závislosti (33.4) je znázornený na obr. 33.1.

Polčas rozpadu môže byť veľmi dlhý alebo veľmi krátky (od zlomkov sekundy až po mnoho miliárd rokov). V tabuľke. 33.1 ukazuje polčasy premeny niektorých prvkov.

Ryža. 33.1. Pokles počtu jadier pôvodnej látky počas rádioaktívneho rozpadu

Tabuľka 33.1. Polčasy pre niektoré prvky

Pre sadzbu stupeň rádioaktivity izotopy používajú špeciálnu veličinu tzv činnosť.

Aktivita - počet jadier rádioaktívneho prípravku, ktoré sa rozpadajú za jednotku času:

Jednotka miery aktivity v SI - becquerel(Bq), 1 Bq zodpovedá jednej udalosti rozpadu za sekundu. V praxi viac

vynaliezavá mimosystémová jednotka činnosti - curie(Ci) rovná aktivite 1 g 226 Ra: 1 Ci = 3,7 x 1010 Bq.

V priebehu času aktivita klesá rovnakým spôsobom, ako klesá počet nerozpadnutých jadier:

33.2. Hlavné typy rádioaktívneho rozpadu

V procese štúdia fenoménu rádioaktivity boli objavené 3 typy lúčov emitovaných rádioaktívnymi jadrami, ktoré sa nazývali α-, β- a γ-lúče. Neskôr sa zistilo, že α- a β-častice sú produkty dvoch rôzne druhy rádioaktívny rozpad a γ-lúče sú vedľajším produktom týchto procesov. Okrem toho γ-lúče sprevádzajú aj zložitejšie jadrové premeny, ktoré sa tu neuvažujú.

Alfa rozpad spočíva v spontánnej premene jadier s emisiouα -častice (jadrá hélia).

Schéma α-rozpadu je napísaná ako

kde X, Y sú symboly rodičovského a detského jadra. Pri písaní α-rozpadu môžete namiesto „α“ napísať „Nie“.

Pri tomto rozpade sa atómové číslo Z prvku zníži o 2 a hmotnostné číslo A - o 4.

Pri α-rozpade sa dcérske jadro spravidla tvorí v excitovanom stave a pri prechode do základného stavu emituje γ-kvantum. Spoločnou vlastnosťou zložitých mikroobjektov je, že majú diskrétne súbor energetických stavov. To platí aj pre jadrá. Preto γ-žiarenie excitovaných jadier má diskrétne spektrum. V dôsledku toho je energetické spektrum α-častíc tiež diskrétne.

Energia emitovaných α-častíc pre takmer všetky α-aktívne izotopy leží v rozmedzí 4-9 MeV.

beta rozpad spočíva v spontánnej premene jadier s emisiou elektrónov (alebo pozitrónov).

Zistilo sa, že β-rozpad je vždy sprevádzaný emisiou neutrálnej častice - neutrína (alebo antineutrína). Táto častica prakticky neinteraguje s hmotou a nebude sa ňou ďalej zaoberať. Energia uvoľnená počas β-rozpadu je rozdelená medzi β-časticu a neutríno náhodne. Preto je energetické spektrum β-žiarenia spojité (obr. 33.2).

Ryža. 33.2. Energetické spektrum β-rozpadu

Existujú dva typy β-rozpadu.

1. Elektronickéβ - -rozpad spočíva v premene jedného jadrového neutrónu na protón a elektrón. V tomto prípade sa objaví ďalšia častica ν" - antineutríno:

Z jadra vyletí elektrón a antineutríno. Schéma elektronického β - rozpadu sa píše ako

Pri elektronickom β-rozpade sa sériové číslo Z-prvku zväčší o 1, hmotnostné číslo A sa nemení.

Energia β-častíc leží v rozmedzí 0,002-2,3 MeV.

2. Pozitrónβ + -rozpad spočíva v premene jedného jadrového protónu na neutrón a pozitrón. V tomto prípade sa objaví ďalšia častica ν - neutríno:

Samotný elektrónový záchyt negeneruje ionizujúce častice, ale vytvára sprevádzané röntgenovými lúčmi. K tomuto žiareniu dochádza, keď je priestor uvoľnený absorpciou vnútorného elektrónu vyplnený elektrónom z vonkajšej obežnej dráhy.

Gama žiarenie má elektromagnetickú povahu a je to fotón s vlnovou dĺžkouλ ≤ 10 -10 m.

Gama žiarenie nie je nezávislý pohľad rádioaktívny rozpad. Žiarenie tohto typu takmer vždy sprevádza nielen α-rozpad a β-rozpad, ale aj zložitejšie jadrové reakcie. Nie je vychyľovaný elektrickými a magnetickými poľami, má relatívne slabú ionizačnú a veľmi vysokú penetračnú silu.

33.3. Kvantitatívne charakteristiky interakcie ionizujúceho žiarenia s hmotou

Vplyv rádioaktívneho žiarenia na živé organizmy je spojený s ionizácia, ktoré vyvoláva v tkanivách. Schopnosť častice ionizovať závisí od jej typu aj od jej energie. Keď sa častica pohybuje hlbšie do látky, stráca svoju energiu. Tento proces sa nazýva ionizačné brzdenie.

Na kvantitatívnu charakterizáciu interakcie nabitej častice s hmotou sa používa niekoľko veličín:

Keď energia častice klesne pod ionizačnú energiu, jej ionizačný účinok zaniká.

Priemerný lineárny počet najazdených kilometrov(R) nabitej ionizujúcej častice - dráha, ktorú prešla v látke pred stratou svojej ionizačnej schopnosti.

Uvažujme o niektorých charakteristických črtách interakcie rôznych typov žiarenia s hmotou.

alfa žiarenia

Častica alfa sa prakticky neodchyľuje od pôvodného smeru svojho pohybu, pretože jej hmotnosť je mnohonásobne väčšia

Ryža. 33.3. Závislosť hustoty lineárnej ionizácie od dráhy, ktorou prechádza α-častica v médiu

hmotnosť elektrónu, s ktorým interaguje. Keď preniká hlboko do látky, hustota ionizácie sa najprv zvyšuje a keď koniec cyklu (x = R) prudko klesne na nulu (obr. 33.3). Vysvetľuje to skutočnosť, že s poklesom rýchlosti pohybu sa zvyšuje čas, ktorý strávi v blízkosti molekuly (atómu) média. V tomto prípade sa zvyšuje pravdepodobnosť ionizácie. Keď sa energia α-častice stane porovnateľnou s energiou molekulárneho tepelného pohybu, zachytí v látke dva elektróny a zmení sa na atóm hélia.

Elektróny generované počas procesu ionizácie sa spravidla vzďaľujú od dráhy α-častice a spôsobujú sekundárnu ionizáciu.

Charakteristiky interakcie α-častíc s vodou a mäkkými tkanivami sú uvedené v tabuľke. 33.2.

Tabuľka 33.2. Závislosť charakteristík interakcie s hmotou od energie α-častíc

beta žiarenia

Pre pohyb β -častice v hmote sa vyznačujú krivočiarou nepredvídateľnou dráhou. Je to spôsobené rovnakou hmotnosťou interagujúcich častíc.

Charakteristika interakcie β -častice s vodou a mäkkými tkanivami sú uvedené v tabuľke. 33.3.

Tabuľka 33.3. Závislosť charakteristík interakcie s hmotou od energie β-častíc

Rovnako ako u častíc α, ionizačná sila častíc β sa zvyšuje s klesajúcou energiou.

Gama žiarenie

Absorpcia γ - žiarenie látky sa riadi exponenciálnym zákonom podobným zákonu absorpcie röntgenových lúčov:

Hlavné procesy zodpovedné za absorpciu γ -žiarenie sú fotoelektrický efekt a Comptonov rozptyl. Tým vzniká relatívne malé množstvo voľných elektrónov (primárna ionizácia), ktoré majú veľmi vysokú energiu. Práve tie spôsobujú procesy sekundárnej ionizácie, ktorá je neporovnateľne vyššia ako primárna.

33.4. prírodné a umelé

rádioaktivita. rádioaktívnych radov

Podmienky prirodzené a umelé rádioaktivita je podmienená.

prirodzené nazývame rádioaktivitu izotopov, ktoré existujú v prírode, alebo rádioaktivitu izotopov vytvorených v dôsledku prírodných procesov.

Napríklad rádioaktivita uránu je prirodzená. Prirodzená je aj rádioaktivita uhlíka 14 C, ktorý vzniká vo vyšších vrstvách atmosféry vplyvom slnečného žiarenia.

Umelé nazývaná rádioaktivita izotopov, ktoré vznikajú v dôsledku ľudskej činnosti.

Toto je rádioaktivita všetkých izotopov produkovaných v urýchľovačoch častíc. Patrí sem aj rádioaktivita pôdy, vody a vzduchu, ktorá vzniká pri atómovom výbuchu.

prirodzená rádioaktivita

AT počiatočné obdobie Pri skúmaní rádioaktivity mohli výskumníci využívať iba prírodné rádionuklidy (rádioaktívne izotopy) obsiahnuté v pozemských horninách v dostatočne veľkom množstve: 232 Th, 235 U, 238 U. Týmito rádionuklidmi začínajú tri rádioaktívne série, ktoré končia stabilnými izotopmi Pb. Následne bola objavená séria začínajúca od 237 Np s konečným stabilným jadrom 209 Bi. Na obr. 33.4 ukazuje riadok začínajúci 238 U.

Ryža. 33.4. Uránovo-rádiový rad

Prvky tejto série sú hlavným zdrojom vnútornej expozície človeka. Napríklad 210 Pb a 210 Po vstupujú do tela s potravou - sú koncentrované v rybách a mäkkýšoch. Oba tieto izotopy sa hromadia v lišajníkoch, a preto sú prítomné v sobom mäse. Najvýznamnejším zo všetkých prírodných zdrojov žiarenia je 222 Rn - ťažký inertný plyn vznikajúci pri rozpade 226 Ra. Tvorí asi polovicu dávky prirodzeného žiarenia, ktorú ľudia prijímajú. Vznikol v r zemská kôra, tento plyn presakuje do atmosféry a dostáva sa do vody (je vysoko rozpustný).

V zemskej kôre je neustále prítomný rádioaktívny izotop draslíka 40 K, ktorý je súčasťou prírodného draslíka (0,0119 %). Tento prvok prichádza z pôdy koreňový systém rastlinami a s rastlinnými potravinami (obilniny, čerstvá zelenina a ovocie, huby) - do tela.

Ďalším zdrojom prirodzeného žiarenia je kozmické žiarenie (15 %). Jeho intenzita sa zvyšuje v horských oblastiach v dôsledku poklesu ochranného účinku atmosféry. Zdroje prirodzeného žiarenia na pozadí sú uvedené v tabuľke. 33.4.

Tabuľka 33.4. Zložka prírodného rádioaktívneho pozadia

33.5. Využitie rádionuklidov v medicíne

rádionuklidy nazývané rádioaktívne izotopy chemických prvkov s krátkym polčasom rozpadu. Takéto izotopy v prírode neexistujú, preto sa získavajú umelo. AT moderná medicína rádionuklidy sú široko používané na diagnostické a terapeutické účely.

Diagnostická aplikácia je založená na selektívnom hromadení určitých chemických prvkov jednotlivými orgánmi. Jód sa napríklad koncentruje v štítnej žľaze, zatiaľ čo vápnik sa koncentruje v kostiach.

Zavedenie rádioizotopov týchto prvkov do organizmu umožňuje odhaliť oblasti ich koncentrácie rádioaktívnym žiarením a získať tak dôležité diagnostické informácie. Táto diagnostická metóda sa nazýva metódou značeného atómu.

Terapeutické využitie rádionuklidov je založený na deštruktívnom účinku ionizujúceho žiarenia na nádorové bunky.

1. Gama terapia- použitie vysokoenergetického γ-žiarenia (zdroj 60 Co) na ničenie hlboko uložených nádorov. Aby povrchovo umiestnené tkanivá a orgány neboli vystavené deštruktívnemu účinku, účinok ionizujúceho žiarenia sa uskutočňuje v rôznych reláciách v rôznych smeroch.

2. alfa terapia- terapeutické využitie α-častíc. Tieto častice majú významnú lineárnu hustotu ionizácie a sú absorbované aj malou vrstvou vzduchu. Preto terapeutické

použitie alfa lúčov je možné s priamym kontaktom s povrchom orgánu alebo so zavedením dovnútra (ihlou). Pri povrchovej expozícii sa využíva radónová terapia (222 Rn): expozícia kože (kúpele), tráviace orgány (pitie), dýchacie orgány (inhalácie).

V niektorých prípadoch použitie na lekárske účely α -častice je spojená s využitím toku neutrónov. Touto metódou sa najskôr do tkaniva (nádoru) zavedú prvky, ktorých jadrá pôsobením neutrónov emitujú α -častice. Potom sa chorý orgán ožiari neutrónovým tokom. Týmto spôsobom α -priamo vo vnútri orgánu vznikajú častice, na ktoré by mali pôsobiť deštruktívne.

V tabuľke 33.5 sú uvedené charakteristiky niektorých rádionuklidov používaných v medicíne.

Tabuľka 33.5. Charakterizácia izotopov

33.6. Urýchľovače častíc a ich využitie v medicíne

Urýchľovač- zariadenie, v ktorom sa pôsobením elektrického a magnetického poľa získavajú usmernené lúče nabitých častíc s vysokou energiou (od stoviek keV až po stovky GeV).

Urýchľovače vytvárajú úzky zväzky častíc s danou energiou a malým prierezom. To vám umožňuje poskytnúť riadený dopad na ožiarené predmety.

Použitie urýchľovačov v medicíne

Elektrónové a protónové urýchľovače sa používajú v medicíne na radiačnú terapiu a diagnostiku. V tomto prípade sa využívajú ako samotné urýchlené častice, tak aj sprievodné röntgenové žiarenie.

Bremsstrahlung X-ray získané nasmerovaním lúča častíc na špeciálny cieľ, ktorým je zdroj röntgenových lúčov. Toto žiarenie sa líši od röntgenovej trubice oveľa vyššou energiou fotónu.

Synchrotrónové röntgenové lúče sa vyskytuje v procese urýchľovania elektrónov v prstencových urýchľovačoch - synchrotrónoch. Takéto žiarenie má vysoký stupeň orientácia.

Priame pôsobenie rýchlych častíc je spojené s ich vysokou penetračnou silou. Takéto častice prechádzajú cez povrchové tkanivá bez toho, aby spôsobili vážne poškodenie a na konci svojej cesty majú ionizačný účinok. Výberom vhodnej energie častíc je možné dosiahnuť deštrukciu nádorov v danej hĺbke.

Oblasti použitia urýchľovačov v medicíne sú uvedené v tabuľke. 33.6.

Tabuľka 33.6. Aplikácia urýchľovačov v terapii a diagnostike

33.7. Biofyzikálne základy pôsobenia ionizujúceho žiarenia

Ako je uvedené vyššie, vplyv rádioaktívneho žiarenia na biologické systémy je spojený s ionizácia molekúl. Proces interakcie žiarenia s bunkami možno rozdeliť do troch po sebe nasledujúcich etáp (stupňov).

1. fyzické štádium pozostáva z prenos energiežiarenia na molekuly biologického systému, čo má za následok ich ionizáciu a excitáciu. Trvanie tejto fázy je 10 -16 -10 -13 s.

2. Fyzikálno-chemické štádium pozostáva z rôznych druhov reakcií vedúcich k redistribúcii prebytočnej energie excitovaných molekúl a iónov. V dôsledku toho vysoko aktívny

produkty: radikály a nové ióny so širokým rozsahom chemických vlastností.

Trvanie tejto fázy je 10 -13 -10 -10 s.

3. Chemické štádium - ide o interakciu radikálov a iónov medzi sebou a s okolitými molekulami. V tomto štádiu sa vytvárajú štrukturálne poškodenia rôznych typov, čo vedie k zmene biologických vlastností: štruktúra a funkcie membrán sú narušené; lézie sa vyskytujú v molekulách DNA a RNA.

Trvanie chemického štádia je 10 -6 -10 -3 s.

4. biologické štádium. V tomto štádiu vedie poškodenie molekúl a subcelulárnych štruktúr k rôznym funkčným poruchám, k predčasnej bunkovej smrti v dôsledku pôsobenia mechanizmov apoptózy alebo v dôsledku nekrózy. Poškodenie prijaté v biologickom štádiu môže byť zdedené.

Trvanie biologického štádia je od niekoľkých minút až po desiatky rokov.

Zaznamenávame všeobecné vzorce biologického štádia:

Veľké porušenia s nízkou absorbovanou energiou (smrteľná dávka žiarenia pre človeka spôsobuje zahrievanie tela iba o 0,001 ° C);

Pôsobenie na nasledujúce generácie prostredníctvom dedičného aparátu bunky;

Charakteristické je latentné, latentné obdobie;

Rôzne časti buniek majú rôznu citlivosť na žiarenie;

V prvom rade sú ovplyvnené deliace sa bunky, čo je obzvlášť nebezpečné pre telo dieťaťa;

Deštruktívny účinok na tkanivá dospelého organizmu, v ktorom dochádza k rozdeleniu;

Podobnosť žiarenia sa mení s patológiou skorého starnutia.

33.8. Základné pojmy a vzorce

Pokračovanie tabuľky

33.9. Úlohy

1. Aká je aktivita lieku, ak sa do 10 minút rozpadne 10 000 jadier tejto látky?

4. Vek starých vzoriek dreva možno približne určiť podľa špecifickej hmotnostnej aktivity izotopu 14 6 C v nich. Pred koľkými rokmi bol vyrúbaný strom, ktorý sa použil na výrobu predmetu, ak špecifická hmotnostná aktivita uhlíka v ňom je 75 % špecifickej hmotnostnej aktivity rastúceho stromu? Polčas rozpadu radónu je T = 5570 rokov.

9. Po Černobyľská nehoda na niektorých miestach bola kontaminácia pôdy rádioaktívnym céziom-137 na úrovni 45 Ci/km 2 .

Po koľkých rokoch sa aktivita v týchto miestach zníži na relatívne bezpečnú úroveň 5 Ci/km 2 . Polčas rozpadu cézia-137 je T = 30 rokov.

10. Prípustná aktivita jódu-131 v ľudskej štítnej žľaze by nemala byť väčšia ako 5 nCi. U niektorých ľudí, ktorí boli v oblasti černobyľskej katastrofy, aktivita jódu-131 dosiahla 800 nCi. Po koľkých dňoch sa aktivita znížila na normálnu? Polčas rozpadu jódu-131 je 8 dní.

11. Na stanovenie objemu krvi u zvieraťa sa používa nasledujúca metóda. Zvieraťu sa odoberie malý objem krvi, erytrocyty sa oddelia od plazmy a umiestnia sa do roztoku s rádioaktívnym fosforom, ktorý je asimilovaný erytrocytmi. Značené erytrocyty sa znovu zavedú do obehového systému zvieraťa a po určitom čase sa stanoví aktivita vzorky krvi.

ΔV = 1 ml tohto roztoku sa vstrekol do krvi nejakého zvieraťa. Počiatočná aktivita tohto objemu bola A 0 = 7000 Bq. Aktivita 1 ml krvi odobratej zo žily zvieraťa o deň neskôr sa rovnala 38 pulzom za minútu. Určte objem krvi zvieraťa, ak polčas rozpadu rádioaktívneho fosforu je T = 14,3 dňa.

Prednáška 16

Prvky fyziky atómové jadro

Otázky

1. Zákon rádioaktívneho rozpadu.

Jadrové reakcie a ich hlavné typy.

vzory ,  a rozkladá.

Dávky žiarenia.

Reťazová štiepna reakcia.

6. Fúzne reakcie (termonukleárne reakcie).

1. Zákon rádioaktívneho rozpadu

Pod rádioaktívny rozpad pochopiť prirodzenú rádioaktívnu premenu jadier, ku ktorej dochádza spontánne.

Rozpadajúce sa atómové jadro sa nazýva tzv materská, vznikajúce jadro je dieťa.

Teória rádioaktívneho rozpadu sa riadi štatistickými zákonmi. Počet jadier d N, rozpadla sa v priebehu času od t predtým t+ d t,úmerné časovému intervalu d t a číslo N nerozpadnuté jadrá časom t:

d N = – λ N d t , (1)

λ  konštantný rádioaktívny rozpad, s  1 ; znamienko mínus znamená, že celkový počet rádioaktívnych jadier sa počas procesu rozpadu znižuje.

(2)

kde N 0 - počiatočné číslo neskazený jadrá naraz t = 0;N číslo neskazený jadrá naraz t.

Zákon rádioaktívneho rozpadu: počet nerozpadnutých jadier klesá s časom podľa exponenciálneho zákona.

Intenzitu procesu rozpadu charakterizujú dve veličiny:

polovičný životT 1/2  čas, počas ktorého sa počiatočný počet rádioaktívnych jadier zníži na polovicu;

priemerná životnosť τ rádioaktívneho jadra.

. (3)

polovičný život, T 1 /2
				4,510 9 rokov

Celková životnosť d N jadrá je t|dN| = λ Nt d t. Integrovaním tohto výrazu cez t(t.j. od 0 do ∞) a vydeľte počiatočným počtom jadier N 0 , získame priemernú dobu života τ rádioaktívneho jadra:

. (4)

Tabuľkový integrál:

Priemerná doba života τ rádioaktívneho jadra je teda prevrátená hodnota konštanty rádioaktívneho rozpadu λ.

AktivitaALE nuklid v rádioaktívnom zdroji je počet rozpadov, ktoré nastanú s jadrami hmoty za 1 s:

Bq - becquerel, (5)

1Bq je aktivita nuklidu, pri ktorej dôjde k jednému rozpadu za 1 s.

Mimosystémová jednotka je curie [Ci]: 1[Ci] = 3,710 10 [Bq].

Rádioaktívny rozpad prebieha v súlade s takzvanými pravidlami premiestňovania (sú dôsledkom zákonov zachovania náboja a hmotnostného čísla), ktoré umožňujú zistiť, ktoré jadro vzniká ako výsledok rozpadu daného materského jadra.

Pravidlo posunutia pre α-rozpad:
. (6)

Pravidlo posunu pre β-rozpad:
, (7)

kde
- materské jadro; Y symbol detského jadra;
 jadro hélia (α-častica);  symbolické označenie elektrónu (jeho náboj je  e a hmotnostné číslo je nula).

Jadrá vyplývajúce z rádioaktívneho rozpadu môžu byť naopak rádioaktívne. To vedie k reťazcu alebo sérii rádioaktívnych transformácií. , končiace stabilným prvkom. Konečné nuklidy sú:
,
,
,
.

1. Jadrové reakcie a ich hlavné typy

jadrovej reakcie – ide o proces interakcie atómového jadra s iným jadrom alebo elementárnou časticou sprevádzaný zmenou zloženia a štruktúry jadra a uvoľňovaním sekundárnych častíc resp. γ– kvantá .

, , (8)

X, Y počiatočné a konečné jadrá; OD stredné zložené jadro; a, b bombardovanie a emitované častice.

Prvú jadrovú reakciu uskutočnil E. Rutherford v roku 1919

(9)

Počas jadrových reakcií niekoľko zákony ochrany: hybnosť, energia, uhlová hybnosť, náboj. Okrem týchto klasických zákonov zachovania platí pri jadrových reakciách aj takzvaný zákon zachovania. baryónový náboj (t.j. počet nukleónov – protónov a neutrónov).

Klasifikácia jadrových reakcií

podľa typu použitých častíc :

pod vplyvom neutrónov ;

pôsobením nabitých častíc (protónov, častíc  atď.);

pod vplyvom kvant.

2. energiou častíc, ktoré ich spôsobujú :

nízke energie  1 eV (s neutrónmi);

priemerné energie  1 MeV (s kvantami, časticami);

vysoké energie  10 3 MeV (zrod nových elementárnych častíc);

3. Podľa typu jadier v nich zahrnutých:

na ľahkých jadrách (A<50);

na stredných jadrách (50<А<100);

na ťažkých jadrách (A>100);

4. charakterom jadrových premien :

s emisiou neutrónov;

s emisiou nabitých častíc;

zachytávacie reakcie (vyžiarené kvantové).

3. Zákonitosti rozpadov ,  a 

rozpad: aktívne sú jadrá najmä ťažkých prvkov ( ALE> 200, Z > 82), napríklad:

(10)

Častica  vzniká pri stretnutí dvoch protónov a dvoch neutrónov, má rýchlosť 1,410 7 …210 7 m/s, čo zodpovedá energiám 4,0…8,8 MeV.

Geigerov-Nattallov zákon:
, (11)

R  beh, vzdialenosť, ktorú prejde častica v látke do úplného zastavenia;
.Čím kratší je polčas rozpadu rádioaktívneho prvku, tým väčší je dosah, a teda aj energia častice.

Častica  s energiou 4,2 MeV je obklopená potenciálnou bariérou Coulombových síl 8,8 MeV. Jeho odchod sa v kvantovej mechanike vysvetľuje tunelovým efektom.

 rozpad: elektrón sa rodí ako výsledok procesov prebiehajúcich vo vnútri jadra. Pretože počet nukleónov sa nemení, ale Z sa zvýši o 1, potom sa jeden z neutrónov zmení na protón za vzniku elektrónu a emisie antineutrino:

(12)

Teóriu  rozpadu s emisiou neutrín navrhol Pauli v roku 1931 a experimentálne potvrdil v roku 1956. Má vysokú penetračnú silu: neutríno s energiou 1 MeV v olove prebehne dráhu 10 18 m!

rozpad: nie je samostatný, ale sprevádza  a  rozpady.  spektrum je diskrétne, je charakterizované nie vlnovými, ale korpuskulárnymi vlastnosťami.  kvantá, ktoré majú nulovú pokojovú hmotnosť a nemajú náboj, sa nemôžu v médiu spomaliť, ale môžu tiež byť absorbovaný, alebo rozplynúť sa. Veľká penetračná sila  žiarenia sa využíva pri  defektoskopii.

N=N 0 e - λt je zákon rádioaktívneho rozpadu, kde N je počet nerozpadnutých jadier, N 0 je počet počiatočných jadier.

fyzický význam rozpadová konštanta - pravdepodobnosť jadrového rozpadu za jednotku času. Charakteristické doby života pre rádioaktívne jadrá sú τ> 10 -14 s. Životnosť jadier v dôsledku emisie nukleónov 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.

Druhy rádioaktívneho rozpadu. α - rozpad, schéma rozpadu, vzorce rozpadu.

Rádioaktívny rozpad je proces premeny nestabilných atómových jadier na jadrá iných prvkov, ktorý je sprevádzaný emisiou častíc.

Druhy rádioaktívneho rozpadu:

1)α - rozpad - je sprevádzaný emisiou atómov hélia.

2)β - rozpad - emisia elektrónov a pozitrónov.

3)γ - rozpad - emisia fotónov pri prechodoch medzi stavmi jadier.

4) Spontánne jadrové štiepenie.

5) Nukleónová rádioaktivita.

α - rozpad: A 2 X→ A-Y Z-2 Y+ 4 2 He. Α-rozpad sa pozoruje v ťažkých jadrách. Spektrum α - rozpadu je diskrétne. Dĺžka chodu α - častice vo vzduchu: 3-7 cm; pre husté látky: 10 -5 m T 1/2 10 -7 s ÷ 10 10 rokov.

β - rozpad. Schémy β+, β- a K-záchyt. Zákonitosti β - rozpadu.

β - rozpad je spôsobený slabou interakciou. Vo vzťahu k silným jadrám je slabý. Všetky častice okrem fotónov sa podieľajú na slabých interakciách. Ide o degeneráciu nových častíc. T 1/2 10 -2 s ÷ 10 20 rokov. Voľná ​​dráha neutrónu je 10 19 km.

β - rozpad zahŕňa 3 typy rozpadu:

1) β - alebo elektronické. Jadro emituje elektróny. Všeobecne:

A2X→AZ-1Y+0-1e+υe.

2)p+ alebo pozitrón. Vyžarujú sa elektrónové antičastice – pozitróny: 1 1 p→ 1 0 n+ 0 1 e+υ e – reakcia premeny protónu na neutrón. Reakcia sama od seba nezmizne. Celkový pohľad na reakciu: A Z X→ A Z -1 Y+ 0 1 e+υ e . Pozorované v umelých rádioaktívnych jadrách.

3) Elektronické snímanie. Dochádza k premene jadra, zachytáva K-obal a mení sa na neutrón: 1 1 p+ 0 -1 e→ 1 0 n+υ e . Celkový pohľad: A Z X+ 0 1 e→ A Z -1 Y+υ e . V dôsledku elektrického záchytu vyletí z jadier iba jedna častica. Sprevádzané charakteristickým röntgenovým žiarením.

Aktivita ALE nuklid(všeobecný názov pre atómové jadrá, ktoré sa líšia počtom protónov Z a neutróny N) v rádioaktívnom zdroji je počet rozpadov, ktoré nastanú v jadrách vzorky za 1 s:

jednotka aktivity SI - becquerel(Bq): 1 Bq je aktivita nuklidu, pri ktorej dôjde k jednému rozpadu za 1 s. Doteraz sa v jadrovej fyzike používa aj mimosystémová jednotka aktivity nuklidov v rádioaktívnom zdroji - curie(Ci): 1 Ci = 3,71010 Bq.

K rádioaktívnemu rozpadu dochádza podľa tzv pravidlá premiestňovania, umožňujúce zistiť, ktoré jadro vzniká v dôsledku rozpadu daného materského jadra. Pravidlá pre posun:

kde X je materské jadro, Y je symbol dcérskeho jadra, On je jadro hélia (  - častice), e- symbolické označenie elektrónu (jeho náboj je -1 a jeho hmotnostné číslo je nula). Pravidlá premiestňovania nie sú ničím iným ako dôsledkom dvoch zákonov, ktoré platia pri rádioaktívnych rozpadoch – ochrany nabíjačka a zachovanie hmotnostného čísla: súčet nábojov (hmotnostných čísel) vznikajúcich jadier a častíc sa rovná náboju (hmotnostnému číslu) pôvodného jadra.

28. Hlavné zákonitosti a-rozpadu. tunelový efekt. Vlastnosti a-žiarenia.

α-rozpad nazývaný samovoľný rozpad atómového jadra na dcérske jadro a α-časticu (jadro atómu 4 He).

α-rozpad sa spravidla vyskytuje v ťažkých jadrách s hmotnostným číslom ALE≥140 (hoci existuje niekoľko výnimiek). Vo vnútri ťažkých jadier sa vďaka vlastnosti nasýtenia jadrových síl vytvárajú samostatné α-častice pozostávajúce z dvoch protónov a dvoch neutrónov. Výsledná α-častica je vystavená väčšiemu pôsobeniu Coulombových odpudivých síl z protónov jadra ako jednotlivé protóny. Zároveň α-častica zažíva menšiu jadrovú príťažlivosť k nukleónom jadra ako zvyšok nukleónov. Výsledná alfa častica na hranici jadra sa odráža od potenciálnej bariéry smerom dovnútra, ale s určitou pravdepodobnosťou ju môže prekonať (pozri tunelový efekt) a vyletieť. Keď energia alfa častice klesá, priepustnosť potenciálnej bariéry klesá exponenciálne, takže životnosť jadier s nižšou dostupnou energiou alfa rozpadu, ak sú ostatné veci rovnaké, je dlhšia.

Soddyho pravidlo posunu pre α-rozpad:

V dôsledku α-rozpadu sa prvok posunie o 2 bunky na začiatok periodickej tabuľky, hmotnostné číslo dcérskeho jadra sa zníži o 4.

tunelový efekt- prekonanie potenciálnej bariéry mikročasticou v prípade, že jej celková energia (pri razení nezmenená) je menšia ako výška bariéry. Tunelový efekt je jav výlučne kvantovej povahy, nemožný a dokonca úplne v rozpore s klasickou mechanikou. Obdobou tunelovacieho efektu vo vlnovej optike môže byť prienik svetelnej vlny do odrazového prostredia (vo vzdialenostiach rádovo vlnovej dĺžky svetla) za podmienok, keď z pohľadu geometrickej optiky dochádza k úplnému vnútornému odrazu. . Fenomén tunelovania je základom mnohých dôležitých procesov v atómovej a molekulovej fyzike, vo fyzike atómového jadra, pevných látok atď.

Tunelový efekt možno vysvetliť vzťahom neurčitosti. Napísané ako:

ukazuje, že keď je kvantová častica obmedzená pozdĺž súradnice, teda jej istota pozdĺž X, jeho hybnosť p sa stáva menej istým. Neistota hybnosti môže náhodne pridať energiu častici na prekonanie bariéry. S určitou pravdepodobnosťou teda kvantová častica môže preniknúť cez bariéru, pričom priemerná energia častice zostáva nezmenená.

Alfa žiarenie má najnižšiu penetračnú silu (na pohltenie alfa častíc stačí hárok hrubého papiera) v ľudskom tkanive do hĺbky menej ako milimeter.

29. Základné zákonitosti b-rozpadu a jeho vlastnosti. Neutrino. Elektronické snímanie. (pozri 27)

Becquerel dokázal, že β-lúče sú prúdom elektrónov. β-rozpad je prejavom slabej interakcie.

β-rozpad(presnejšie beta mínus rozpad, -rozpad) je rádioaktívny rozpad, sprevádzaný emisiou elektrónu a antineutrína z jadra.

β rozpad je intranukleónový proces. Vyskytuje sa v dôsledku transformácie jedného z d-kvarky v jednom z neutrónov jadra v u-kvark; v tomto prípade sa neutrón premení na protón emisiou elektrónu a antineutrína:

Soddyho pravidlo posunu pre -rozpad:

Po -rozpade sa prvok posunie o 1 bunku na koniec periodickej tabuľky (jadrový náboj sa zvýši o jednu), pričom sa hmotnostné číslo jadra nemení.

Existujú aj iné typy rozpadu beta. Pri pozitrónovom rozpade (beta plus rozpad) jadro emituje pozitrón a neutríno. V tomto prípade sa náboj jadra zníži o jednu (jadro je posunuté o jednu bunku na začiatok periodickej tabuľky). Pozitrónový rozpad vždy sprevádzaný konkurenčným procesom - záchytom elektrónov (keď jadro zachytí elektrón z atómového obalu a vyžaruje neutríno, pričom náboj jadra tiež klesne o jednu). Opak však neplatí: u mnohých nuklidov, pre ktoré je pozitrónový rozpad zakázaný, dochádza k záchytu elektrónov. Najvzácnejším známym typom rádioaktívneho rozpadu je dvojitý beta rozpad, ktorý bol doteraz zistený len u desiatich nuklidov s polčasmi presahujúcimi 10 19 rokov. Všetky typy beta rozpadu zachovávajú hmotnostné číslo jadra.

Neutrino- neutrálna fundamentálna častica s polovičným celočíselným spinom, zúčastňujúca sa len slabých a gravitačných interakcií a patriaca do triedy leptónov.

Elektronické uchopenie, e zachytávanie - jeden z typov beta rozpadu atómových jadier. Pri zachytávaní elektrónov jeden z protónov jadra zachytáva obiehajúci elektrón a mení sa na neutrón, pričom emituje elektrónové neutríno. Náboj jadra sa potom zníži o jeden. Hmotnostné číslo jadra, rovnako ako pri všetkých ostatných typoch beta rozpadu, sa nemení. Tento proces je charakteristický pre jadrá bohaté na protóny. Ak energetický rozdiel medzi materským a detským atómom (dostupná energia beta rozpadu) presiahne 1,022 MeV (dvojnásobok hmotnosti elektrónu), záchyt elektrónu vždy konkuruje inému typu beta rozpadu, pozitrónovému rozpadu. Napríklad rubídium-83 sa premieňa na kryptón-83 iba prostredníctvom elektrónového záchytu (dostupná energia je asi 0,9 MeV), zatiaľ čo sodík-22 sa rozpadá na neón-22 prostredníctvom záchytu elektrónov aj pozitrónu (dostupná energia je asi 2,8 MeV).

Keďže pri zachytávaní elektrónov sa počet protónov v jadre (t.j. jadrový náboj) znižuje, tento proces mení jadro jedného chemického prvku na jadro iného prvku, ktorý sa nachádza bližšie k začiatku periodickej tabuľky.

Všeobecný vzorec na zachytávanie elektrónov

30. γ-žiarenie jadier a jeho vlastnosti. Interakcia γ-žiarenia s hmotou. Vznik a deštrukcia elektrón-pozitrónových párov.

Experimentálne sa zistilo, že  -žiarenie nie je samostatný druh rádioaktivity, ale iba sprevádza  - a  -rozpadá sa a vzniká aj pri jadrových reakciách, pri spomaľovaní nabitých častíc, ich rozpade a pod.  - Spektrum je čiara.  -Spektrum je rozdelenie čísla  - kvantá v energii. diskrétnosť  -spektrum má zásadný význam, pretože je dôkazom diskrétnosti energetických stavov atómových jadier.

Teraz je to už pevne stanovené  -žiarenie vyžaruje detské (a nie rodičovské) jadro. Dcérske jadro v momente svojho vzniku, excitované, prechádza do základného stavu s emisiou  -žiarenie. Po návrate do základného stavu môže excitované jadro prejsť sériou prechodných stavov, tzv  -žiarenie toho istého rádioaktívneho izotopu môže obsahovať niekoľko skupín  -kvantá, ktoré sa navzájom líšia svojou energiou.

O  - žiarenie ALE a Z jadrá sa nemenia, takže nie je popísaný žiadnymi pravidlami premiestňovania.  - Žiarenie väčšiny jadier je tak krátkovlnné, že jeho vlnové vlastnosti sa prejavujú veľmi slabo. Tu sa teda dostávajú do popredia korpuskulárne vlastnosti  - žiarenie sa považuje za prúd častíc -  -kvanta. Pri rádioaktívnych rozpadoch rôznych jadier  -kvantá majú energie od 10 keV do 5 MeV.

Jadro v excitovanom stave môže prejsť do základného stavu nielen vyžarovaním  -kvantové, ale aj s priamym prenosom excitačnej energie (bez predchádzajúcej emisie  -quantum) na jeden z elektrónov toho istého atómu. Tým vzniká tzv konverzný elektrón. Samotný jav je tzv vnútorná konverzia. Vnútorná konverzia je proces, ktorý si konkuruje  -žiarenie.

Konverzné elektróny zodpovedajú diskrétnym energetickým hodnotám, ktoré závisia od pracovnej funkcie elektrónu z obalu, z ktorého elektrón uniká, a od energie E, daný jadrom pri prechode z excitovaného stavu do základného. Ak všetka energia E vyniká vo forme  -kvantové, potom frekvencia žiarenia  sa určuje zo známeho vzťahu E=h. Ak sú emitované vnútorné konverzné elektróny, potom sa ich energie rovnajú E-AK , E-AL , .... kde A K, AL, ... - pracovná funkcia elektrónu TO- a L- mušle. Monoenergetická povaha konverzných elektrónov umožňuje ich odlíšenie od  -elektróny, ktorých spektrum je spojité. Prázdne miesto na vnútornom obale atómu, ktoré vzniklo v dôsledku emisie elektrónu, bude vyplnené elektrónmi z prekrývajúcich sa obalov. Preto je vnútorná konverzia vždy sprevádzaná charakteristickou emisiou röntgenového žiarenia.

 -Kvanty, ktoré majú nulovú pokojovú hmotnosť, sa teda nemôžu pri prechode v médiu spomaliť  - žiarenie cez látku, sú ňou buď absorbované alebo rozptýlené.  -Quanta nenesú elektrický náboj, a preto nezažívajú vplyv Coulombových síl. Pri prechode lúča  -kvantá hmotou, ich energia sa nemení, ale v dôsledku zrážok sa oslabuje intenzita, ktorej zmenu popisuje exponenciálny zákon ja=ja 0e- x (ja 0 a ja- intenzita  -žiarenie na vstupe a výstupe z vrstvy absorbujúceho materiálu s hrúbkou x,  - absorpčný koeficient). Pretože  žiarenie je teda najprenikavejšie žiarenie  pre mnohé látky - veľmi malá hodnota;  závisí od vlastností hmoty a od energie  -kvanta.

 -Quanta, prechádzajúca hmotou, môže interagovať s elektrónovým obalom atómov hmoty, ako aj s ich jadrami. V kvantovej elektrodynamike je dokázané, že hlavné procesy sprevádzajúce prechod  -žiarenie hmotou sú fotoelektrický jav, Comptonov jav (Comptonov rozptyl) a tvorba elektrón-pozitrónových párov.

fotoelektrický efekt, príp fotoelektrická absorpcia  - žiarenie, je proces, pri ktorom atóm absorbuje  -kvantový a vyžaruje elektrón. Keďže elektrón je vyrazený z jedného z vnútorných obalov atómu, uvoľnený priestor je vyplnený elektrónmi z nad ním ležiacich obalov a fotoelektrický efekt je sprevádzaný charakteristickým röntgenovým žiarením. Fotoelektrický efekt je prevládajúcim absorpčným mechanizmom v nízkoenergetickej oblasti  -kvanta ( E 100 keV). Fotoelektrický efekt sa môže vyskytnúť iba na viazaných elektrónoch, pretože voľný elektrón nemôže absorbovať  -kvantové, pričom nie sú súčasne splnené zákony zachovania energie a hybnosti.

So zvyšujúcou sa energiou  -kvanta ( E0,5 MeV) pravdepodobnosť fotoelektrického javu je veľmi malá a hlavný mechanizmus interakcie  -kvanta s hmotou je Comptonov rozptyl.

O E>1,02 MeV=2 m e c 2 (t e - pokojová hmotnosť elektrónu) proces tvorby elektrón-pozitrónových párov v elektrické polia jadrá. Pravdepodobnosť tohto procesu je úmerná Z 2 a zvyšuje sa s rastom E. Preto, kedy E10 MeV hlavný interakčný proces  -žiarenie v akejkoľvek látke je vytvorené elektrón-pozitrónové páry.

Ak energiu  -kvantové prevyšuje väzbovú energiu nukleónov v jadre (7-8 MeV), potom v dôsledku absorpcie  - možno pozorovať kvantum jadrový fotoelektrický jav- vymrštenie z jadra niektorého z nukleónov, najčastejšie neutrónu.

Veľká prenikavá sila  - žiarenie sa používa pri gama defektoskopii - metóda detekcie defektov založená na rozdielnej absorpcii  -žiarenie, keď sa šíri na rovnakú vzdialenosť v rôzne prostredia. Miesto a veľkosť defektov (dutín, prasklín atď.) sú určené rozdielom v intenzitách žiarenia, ktoré prešlo rôznymi časťami priesvitného produktu.

Vplyv  - žiarenie (ako aj iné druhy ionizujúceho žiarenia) na látku charakterizovať dávka ionizujúceho žiarenia. Rozdiel:

Absorbovaná dávka žiarenia - fyzikálne množstvo, ktorá sa rovná pomeru energie žiarenia k hmotnosti ožiarenej látky.

Jednotka absorbovanej dávky žiarenia - sivá(Gy)*: 1 Gy= 1 J/kg - dávka žiarenia, pri ktorej sa energia akéhokoľvek ionizujúceho žiarenia 1 J prenesie na ožiarenú látku s hmotnosťou 1 kg.

31. Získavanie transuránových prvkov. Základné zákony jadrových štiepnych reakcií.

TRANSURÁNOVÉ PRVKY, chemické prvky nachádza sa v periodický systém po uráne, teda s atómové číslo Z >92.

Všetky transuránové prvky boli syntetizované jadrovými reakciami (v prírode sa našli iba stopové množstvá Np a Pu). Transuránové prvky sú rádioaktívne; s rastúcim Z polovičný život T 1/2 transuránových prvkov je výrazne znížená.

V roku 1932, po objavení neutrónu, sa objavil návrh, že pri ožarovaní uránu neutrónmi by sa mali vytvárať izotopy prvých transuránových prvkov. A v roku 1940 E. Macmillan a F. Ableson syntetizovali neptúnium (sériové číslo 93) pomocou jadrovej reakcie a študovali jeho najdôležitejšie chemické a rádioaktívne vlastnosti. Súčasne došlo k objavu ďalšieho transuránového prvku, plutónia. Oba nové prvky boli pomenované po planétach v slnečnej sústave.

Všetky transuránové prvky až do 101 vrátane boli syntetizované pomocou častíc bombardujúcich svetlo: neutrónov, deuterónov a častíc alfa. Proces syntézy spočíval v ožiarení cieľa tokmi neutrónov alebo nabitých častíc. Ak sa ako terč použije U, potom pomocou silných neutrónových tokov generovaných v jadrových reaktoroch alebo pri výbuchu jadrových zariadení je možné získať všetky transuránové prvky až do Fm ( Z= 100) vrátane. Prvky s Z 1 alebo 2 menej ako syntetizovaný prvok. V rokoch 1940 až 1955 Americkí vedci pod vedením G. Seaborga syntetizovali deväť nových prvkov, ktoré v prírode neexistujú: Np (neptúnium), Pu (plutónium), Am (amerícium), Cm (kúrium), Bk (berkelium), Cf (kalifornium), Es ( einsteinium), Fm (fermium), Md (mendelevium). V roku 1951 boli ocenení G. Seaborg a E. M. Macmillan nobelová cena"za ich objavy v chémii transuránových prvkov."

Možnosti metódy syntézy ťažkých rádioaktívne prvky, v ktorých sa používa ožarovanie ľahkými časticami, sú obmedzené, neumožňuje získať jadrá s Z> 100. Prvok so Z = 101 (mendelevium) bol objavený v roku 1955 ožiarením 253 99Es (einsteinium) urýchlenými a-časticami. Syntéza nových transuránových prvkov bola čoraz ťažšia, keď sme sa posúvali k vyšším hodnotám Z. Hodnoty polčasov ich izotopov sa ukázali byť stále menšie.

Jadrová reakcia - proces transformácie atómových jadier, ku ktorému dochádza, keď s nimi interagujú elementárne častice gama lúčmi a navzájom, čo často vedie k uvoľneniu obrovského množstva energie. V priebehu jadrových reakcií sa plnia tieto zákony: zachovanie elektrického náboja a počtu nukleónov, zachovanie energie a

zachovanie hybnosti, zachovanie momentu hybnosti, zachovanie parity a

izotopový spin.

Štiepna reakcia – rozdelenie atómového jadra na niekoľko ľahších jadier. Rozdelenia sú vynútené a spontánne.

Fúzna reakcia je fúzia ľahkých jadier do jedného. Táto reakcia prebieha len pri vysokých teplotách, rádovo 10 8 K, a nazýva sa termonukleárna reakcia.

Energetický výťažok reakcie Q je rozdiel medzi celkovými pokojovými energiami všetkých častíc pred a po jadrovej reakcii. Ak Q > 0, potom celková pokojová energia v priebehu jadrovej reakcie klesá. Takéto jadrové reakcie sa nazývajú exoenergetické. Môžu prebiehať pri ľubovoľne malej počiatočnej kinetickej energii častíc. Naopak, pre 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. Reťazová štiepna reakcia. Riadená reťazová reakcia. Nukleárny reaktor.

Sekundárne neutróny emitované počas jadrového štiepenia môžu spôsobiť nové štiepne udalosti, čo umožňuje uskutočniť štiepna reťazová reakcia- jadrová reakcia, pri ktorej vznikajú častice spôsobujúce reakciu ako produkty tejto reakcie. Reťazová štiepna reakcia sa vyznačuje multiplikačný faktor k neutrónov, čo sa rovná pomeru počtu neutrónov v danej generácii k ich počtu v predchádzajúcej generácii. Nevyhnutná podmienka pre rozvoj štiepnej reťazovej reakcie je požiadavka k 1.

Ukazuje sa, že nie všetky vzniknuté sekundárne neutróny spôsobujú následné jadrové štiepenie, čo vedie k zníženiu multiplikačného faktora. Po prvé, kvôli konečným rozmerom jadro(priestor, kde prebieha reťazová reakcia) a vysoká penetračná sila neutrónov, niektoré z nich opustia jadro skôr, než ich zachytí akékoľvek jadro. Po druhé, časť neutrónov je zachytená jadrami neštiepiteľných nečistôt, ktoré sú vždy prítomné v jadre. Okrem toho spolu so štiepením môžu prebiehať konkurenčné procesy zachytávania žiarenia a nepružného rozptylu.

Multiplikačný faktor závisí od povahy štiepneho materiálu a pre daný izotop od jeho množstva, ako aj od veľkosti a tvaru aktívnej zóny. Nazývajú sa minimálne rozmery aktívnej zóny, pri ktorej je možná reťazová reakcia kritické rozmery. Minimálne množstvo štiepneho materiálu umiestneného v systéme kritických veľkostí, potrebné na realizáciu reťazová reakcia, volal kritické množstvo.

Rýchlosť vývoja reťazových reakcií je rôzna. Nechaj T - priemerná dĺžka života jednej generácie a N- počet neutrónov v danej generácii. V ďalšej generácii je ich počet kN, t. e) zvýšenie počtu neutrónov za generáciu dN=kN-N=N(k- jeden). Nárast počtu neutrónov za jednotku času, t.j. rýchlosť rastu reťazovej reakcie,

Integráciou (266.1) získame

kde N 0 je počet neutrónov v počiatočnom časovom okamihu a N- ich počet naraz t. N je definovaný znakom ( k- jeden). O k> 1 prichádza rozvíjajúca sa reakcia, počet delení neustále rastie a reakcia sa môže stať výbušnou. O k=1 ide samoudržiavacia reakcia, pri ktorej sa počet neutrónov s časom nemení. O k<1 идет затухающая реакция.

Reťazové reakcie sa delia na organizovaný a nezvládnutý. Nekontrolovanou reakciou je napríklad výbuch atómovej bomby. Aby sa zabránilo výbuchu atómovej bomby počas skladovania, U (alebo Pu) v nej je rozdelený na dve časti vzdialené od seba s hmotnosťou pod kritickou hodnotou. Potom sa pomocou obyčajnej explózie tieto masy priblížia k sebe, celková hmotnosť štiepneho materiálu sa stane kritickejšou a dôjde k výbušnej reťazovej reakcii sprevádzanej okamžitým uvoľnením obrovského množstva energie a veľkou deštrukciou. Výbušná reakcia začína v dôsledku dostupných spontánnych štiepnych neutrónov alebo neutrónov kozmického žiarenia. Riadené reťazové reakcie sa uskutočňujú v jadrových reaktoroch.

V prírode existujú tri izotopy, ktoré môžu slúžiť ako jadrové palivo (U: prírodný urán obsahuje približne 0,7 %) alebo suroviny na jeho výrobu (Th a U: prírodný urán obsahuje približne 99,3 %). Th slúži ako počiatočný produkt na získanie umelého jadrového paliva U (pozri reakciu (265.2)) a U, absorbujúceho neutróny, prostredníctvom dvoch po sebe nasledujúcich  – -rozpadá sa - na transformáciu na jadro Pu:

Reakcie (266.2) a (265.2) tak otvárajú reálnu možnosť reprodukcie jadrového paliva v procese štiepnej reťazovej reakcie.

Nukleárny reaktor- Ide o zariadenie, v ktorom prebieha riadená jadrová reťazová reakcia sprevádzaná uvoľňovaním energie. Prvý jadrový reaktor postavili a spustili v decembri 1942 v USA pod vedením E. Fermiho. Prvý reaktor postavený mimo USA bol ZEEP, ktorý bol spustený v Kanade v septembri 1945. V Európe bol prvým jadrovým reaktorom zariadenie F-1, ktoré bolo spustené 25. decembra 1946 v Moskve pod vedením I. V. Kurčatova.

V roku 1978 už vo svete fungovalo asi sto jadrových reaktorov rôznych typov. Komponenty akéhokoľvek jadrového reaktora sú: jadro s jadrovým palivom, zvyčajne obklopené neutrónovým reflektorom, chladivo, systém riadenia reťazovej reakcie, radiačná ochrana, systém diaľkového ovládania. Hlavnou charakteristikou jadrového reaktora je jeho výkon. Výkon 1 MW zodpovedá reťazovej reakcii, pri ktorej dôjde k 3·10 16 štiepnym udalostiam za 1 sekundu.

33. Termonukleárna fúzia. Hviezdna energia. Riadená termonukleárna fúzia.

termonukleárna reakcia je reakciou fúzie ľahkých jadier na ťažšie.

Na jeho realizáciu je potrebné, aby sa počiatočné nukleóny alebo svetelné jadrá k sebe priblížili na vzdialenosti rovné alebo menšie ako je polomer sféry pôsobenia jadrových príťažlivých síl (tj. do vzdialenosti 10 -15 m). Takémuto vzájomnému priblíženiu jadier bránia Coulombove odpudivé sily pôsobiace medzi kladne nabitými jadrami. Aby došlo k fúznej reakcii, je potrebné zahriať látku s vysokou hustotou na ultravysoké teploty (rádovo stovky miliónov Kelvinov), aby kinetická energia tepelného pohybu jadier postačovala na prekonanie Coulombovho odpudivého sily. Pri takýchto teplotách existuje hmota vo forme plazmy. Keďže k fúzii môže dôjsť len pri veľmi vysokých teplotách, reakcie jadrovej fúzie sa nazývajú termonukleárne reakcie (z gréčtiny. therme„teplo, teplo“).

Termonukleárne reakcie uvoľňujú obrovskú energiu. Napríklad pri reakcii fúzie deutéria za vzniku hélia

Uvoľní sa 3,2 MeV energie. Pri reakcii syntézy deutéria s tvorbou trícia

Pri reakcii sa uvoľní 4,0 MeV energie

Uvoľní sa 17,6 MeV energie.

Riadená termonukleárna fúzia (TCB) - syntéza ťažších atómových jadier z ľahších za účelom získania energie, ktorá je na rozdiel od výbušnej termonukleárnej fúzie (používanej v termonukleárnych výbušných zariadeniach) riadená. Riadená termonukleárna fúzia sa od tradičnej jadrovej energie líši tým, že využíva štiepnu reakciu, počas ktorej sa z ťažkých jadier získavajú ľahšie jadrá. Hlavné jadrové reakcie, ktoré sa plánujú využiť na riadenú fúziu, budú využívať deutérium (2H) a trícium (3H) a z dlhodobého hľadiska hélium-3 (3He) a bór-11 (11B).

34. Zdroje a metódy registrácie elementárnych častíc. Typy interakcií a triedy elementárnych častíc. Antičastice.

Geigerov počítač
- slúži na počítanie počtu rádioaktívnych častíc (hlavne elektrónov).

Je to sklenená trubica naplnená plynom (argónom) s dvoma elektródami vo vnútri (katóda a anóda).
Pri prechode častice dochádza k nárazovej ionizácii plynu a vzniká impulz elektrického prúdu.

Výhody:
- kompaktnosť
- efektívnosť
- výkon
- vysoká presnosť (10 000 častíc/s).
Kde sa používa:
- registrácia rádioaktívnej kontaminácie na zemi, v priestoroch, odevoch, výrobkoch atď.
- v skladoch rádioaktívnych materiálov alebo pri prevádzkovaných jadrových reaktoroch
- pri hľadaní ložísk rádioaktívnej rudy (U,Th)

oblaková komora
- slúži na pozorovanie a fotografovanie stôp z prechodu častíc (stop).
Vnútorný objem komory je naplnený parami alkoholu alebo vody v presýtenom stave:
pri spúšťaní piesta klesá tlak vo vnútri komory a klesá teplota, následkom adiabatického procesu vzniká presýtená para.
Kvapky vlhkosti kondenzujú pozdĺž dráhy prechodu častice a vytvára sa stopa - viditeľná stopa.
Keď je kamera umiestnená v magnetickom poli, stopu možno použiť na určenie energie, rýchlosti, hmotnosti a náboja častice.

Charakteristiky lietajúcej rádioaktívnej častice sú určené dĺžkou a hrúbkou dráhy, jej zakrivením v magnetickom poli.
Napríklad častica alfa vytvára súvislú hrubú stopu,
protón - tenká dráha,
elektrón - bodkovaná stopa.

bublinková komora

Variant oblačnej komory

S prudkým poklesom piestu prechádza kvapalina pod vysokým tlakom do prehriateho stavu. Pri rýchlom pohybe častice po stope sa vytvárajú bubliny pary, t.j. kvapalina vrie, stopa je viditeľná.
Výhody oproti oblačnej komore:
- vysoká hustota média, teda krátke dráhy
- častice uviaznu v komore a je možné vykonať ďalšie pozorovanie častíc
- väčšia rýchlosť.
Metóda hrubovrstvových fotografických emulzií
- slúži na registráciu častíc
- umožňuje registrovať zriedkavé javy vďaka dlhej dobe expozície.
Fotografická emulzia obsahuje veľké množstvo mikrokryštálov bromidu strieborného.
Prichádzajúce častice ionizujú povrch fotografických emulzií. Kryštály AgBr sa pôsobením nabitých častíc rozpadajú a pri vývoji sa odhalí stopa z prechodu častice, stopa.
Energiu a hmotnosť častíc možno určiť z dĺžky a hrúbky dráhy.

Triedy častíc a typy interakcií

V súčasnosti existuje pevné presvedčenie, že všetko v prírode je postavené z elementárnych častíc a všetky prírodné procesy sú spôsobené interakciou týchto častíc. Dnes sú elementárne častice chápané ako kvarky, leptóny, kalibračné bozóny a Higgsove skalárne častice. Pod základnými interakciami - silnými, elektroslabými a gravitačnými. Podmienečne je teda možné vyčleniť štyri triedy elementárnych častíc a tri typy základných interakcií.

Neutrína sú elektricky neutrálne; elektrón, mión a tau leptón majú elektrický náboj. Leptóny sa zúčastňujú elektroslabých a gravitačných interakcií.

Tretia trieda sú kvarky. Dnes je známych šesť kvarkov – každý z nich môže byť „zafarbený“ jednou z troch farieb. Rovnako ako leptóny je vhodné usporiadať ich do troch rodín

Voľné kvarky nie sú pozorované. Spolu s gluónmi sú zložkami hadrónov, ktorých je niekoľko stoviek. Hadróny, podobne ako kvarky, ktoré ich tvoria, sa zúčastňujú všetkých typov interakcií.

štvrtá trieda- Higgsove častice, experimentálne ešte nezistené. V minimálnej schéme stačí jeden Higgsov skalár. Ich úloha v prírode je dnes väčšinou „teoretická“ a spočíva v tom, aby bola elektro-slabá interakcia renormalizovateľná. Najmä hmotnosti všetkých elementárnych častíc sú „dielom“ Higgsovho kondenzátu. Možno je zavedenie Higgsových polí nevyhnutné na vyriešenie základných problémov kozmológie, ako je homogenita a kauzalita vesmíru.

Následné prednášky z teórie kvarkovej štruktúry hadrónov sú venované hadrónom a kvarkom. Dôraz bude kladený na klasifikáciu častíc, symetrie a zákony zachovania.

35. Zákony zachovania pri premenách elementárnych častíc. Koncept kvarkov.

Kvark je základná častica v štandardnom modeli, ktorá má elektrický náboj, ktorý je násobkom e/3, a vo voľnom stave sa nedodržiava. Kvarky sú bodové častice do veľkosti asi 0,5·10 −19 m, čo je asi 20-tisíckrát menšia veľkosť ako protón. Kvarky tvoria hadróny, konkrétne protón a neutrón. V súčasnosti je známych 6 rôznych "druhov" (častejšie sa hovorí - "príchutí") kvarkov, ktorých vlastnosti sú uvedené v tabuľke. Okrem toho sa pre mierový popis silnej interakcie predpokladá, že kvarky majú aj ďalšiu vnútornú charakteristiku nazývanú „farba“. Každý kvark zodpovedá antikvarku s opačnými kvantovými číslami.

Hypotézu, že hadróny sú postavené zo špecifických podjednotiek, prvýkrát predložili M. Gell-Mann a nezávisle od neho J. Zweig v roku 1964.

Slovo "quark" si Gell-Mann požičal z románu Finnegans Wake od J. Joyce, kde v jednej z epizód zaznela veta "Tri kvarky pre Muster Mark!" (zvyčajne sa prekladá ako „Tri kvarky pre Majstra/Značku vzoru!“). Samotné slovo „quark“ v tomto slovnom spojení je údajne onomatopojou kriku morských vtákov.

Rádioaktivita. Základný zákon rádioaktívneho rozpadu.

Rádioaktivita je samovoľný rozpad nestabilných jadier s emisiou iných jadier a elementárnych častíc.

Druhy rádioaktivity:

1. Prirodzený

2. Umelé.

Ernest Rutherford - štruktúra atómu.

Druhy rádioaktívneho rozpadu:

α-rozpad: à + ; β-rozpad: à +

Základný zákon rádioaktívneho rozpadu. N \u003d N o e -lt

Počet nerozložených rádioaktívnych jadier klesá exponenciálne. L(lambda) je konštanta rozpadu.

konštantný rozpad. Polovičný život. Aktivita. Druhy rádioaktívneho rozpadu a ich spektrá.

L (lambda) - rozpadová konštanta, úmerná pravdepodobnosti rozpadu rádioaktívneho jadra a rozdielna pre rôzne rádioaktívne látky.

Polovičný život ( T )- je čas, za ktorý sa rozpadne polovica rádioaktívnych jadier. T=ln2/l=0,69/l.

Aktivita je charakterizovaná rýchlosťou rozpadu. A=-dN/dT=lN=lN o e -lt =(N/T)*ln2

[A]-becquerel (Bq) = 1 rozpad/sekundu.

[A]-curie (Ci). 1 Ci=3,7*1010 Bq=3,7*1010 s-1

[A]-rutherford(Rd). 1Rd=106

Druhy rádioaktívneho rozpadu. posunové pravidlo.

Alfa rozpad (najslabší): A Z X> 4 2 He + A-4 Z-2 Y

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

Energetické spektrá častíc mnohých rádioaktívnych prvkov pozostávajú z niekoľkých čiar. Dôvodom vzniku takejto štruktúry spektra je rozpad počiatočného jadra (A, Z) do excitovaného stavu jadra (A-4, Z-2. Napríklad pre rozpad alfa). Meraním spektier častíc možno získať informácie o povahe excitovaných stavov jadra.

Charakteristika interakcie nabitých častíc s látkou: lineárna hustota ionizácie, lineárna brzdná sila, priemerný lineárny dosah. Penetračné a ionizačné schopnosti alfa, beta a gama žiarenia.

Nabité častice, šíriace sa v hmote, interagujú s elektrónmi a jadrami, v dôsledku čoho sa mení stav hmoty aj častíc.

Lineárna ionizačná hustota je pomer iónov so znamienkom dn, tvorených nabitými ionizovanými časticami na elementárnej dráhe dL, k dĺžke tejto dráhy. I=dn/dl.

Lineárna brzdná sila - toto je pomer energie dE stratenej nabitou ionizačnou časticou počas prechodu elementárnej dráhy dL k dĺžke tejto dráhy. S = dE/dl.

Priemerný lineárny priebeh - je vzdialenosť, ktorú prejde ionizujúca častica v látke bez toho, aby sa zrazila. R je priemerný lineárny počet najazdených kilometrov.

Je potrebné vziať do úvahy prenikavú silu žiarenia. Napríklad ťažké jadrá atómov a častice alfa majú v hmote extrémne krátku cestu, takže rádioaktívne zdroje alfa sú nebezpečné, ak sa dostanú do tela. Naopak, gama lúče majú výraznú prenikavú silu, keďže pozostávajú z vysokoenergetických fotónov, ktoré nemajú náboj.

Prenikavá sila všetkých druhov ionizujúceho žiarenia závisí od energie.