Поняття радіоактивності

Закон радіоактивного розпаду

Кількісна оцінка радіоактивності та її одиниці

Іонізуючі випромінювання, їх властивості.

Джерела ІІ

1. Поняття радіоактивності

Радіоактивністю називається спонтанний процес перетворення (розпаду) атомних ядер, що супроводжується випромінюванням особливого виду випромінювання, званим радіоактивним.

При цьому відбувається перетворення атомів одних елементів на атоми інших.

Радіоактивні перетворення властиві лише окремим речовинам.

Речовина вважається радіоактивною, якщо вона містить радіонукліди, і в ній йде процес радіоактивного розпаду.

Радіонукліди (ізотопи) - ядра атомів здатних мимоволі розпадатися називають радіонуклідами.

Як характеристика нукліду використовують символ хімічного елемента, вказують атомний номер (число протонів) і масове число ядра (число нуклонів, тобто. загальне числопротонів та нейтронів).

Наприклад, 239 94 Pu означає, що ядро ​​атома плутонію містить 94 протони і 145 нейтронів, всього 239 нуклонів.

Існують такі види радіоактивного розпаду:

Бета-розпад;

Альфа розпад;

Спонтанний поділ атомних ядер (нейтронний розпад);

Протонна радіоактивність (протонний синтез);

Двопротонна та кластерна радіоактивність.

Бета-розпад – це процес перетворення в ядрі атома протона на нейтрон або нейтрону на протон з викидом бета частинки (позитрону або електрону)

Альфа-розпад – уражає важких елементів, ядра яких, починаючи з номера 82 таблиці Д.И.Менделеева, нестабільні, попри надлишок нейтронів і мимоволі розпадаються. Ядра цих елементів здебільшого викидають ядра атомів гелію.

Спонтанний поділ атомних ядер (нейтронний розпад) – це мимовільне розподіл деяких ядер важких елементів (уран-238, каліфорній 240,248, 249, 250, кюрій 244, 248 та інших.). Імовірність мимовільного поділу ядер незначна проти альфа-распадом. При цьому відбувається розподіл ядра на два уламки (ядра), близьких по масі.

1. Закон радіоактивного розпаду

Стійкість ядер зменшується зі збільшенням загальної кількості нуклонів. Вона залежить також від співвідношення числа нейтронів та протонів.

Процес послідовних ядерних перетворень, зазвичай, закінчується утворенням стабільних ядер.

Радіоактивні перетворення підпорядковуються закону радіоактивного розпаду:

N = N 0 e λ t ,

де N, N 0 - Число атомів, що не розпалися на моменти часу t і t 0 ;

λ – стала радіоактивного розпаду.

Величина λ має своє індивідуальне значеннядля кожного виду радіонукліду. Вона характеризує швидкість розпаду, тобто. показує, скільки ядер розпадається в одиницю часу.

Відповідно до рівняння закону радіоактивного розпаду, його крива є експонентою.

1. Кількісна оцінка радіоактивності та її одиниці

Час, протягом якого, внаслідок мимовільних ядерних перетворень розпадається половина ядер, називається періодом напіврозпаду Т 1/2 . Період напіврозпаду Т 1/2 пов'язаний із постійною розпаду λ залежністю:

Т 1/2 = ln2/λ = 0,693/λ.

Період напіврозпаду Т 1/2 у різних радіонуклідів різний і коливається у межах – від часток секунди до сотень і навіть тисяч років.

Періоди напіврозпаду деяких радіонуклідів:

Йод-131 – 8,04 діб

Цезій-134 – 2,06 року

Стронцій-90 – 29,12 років

Цезій-137 – 30 років

Плутоній-239 – 24065 років

Уран-235 - 7,038. 10 8 років

Калій-40 – 1,4 10 9 років.

Величина, зворотна до постійної розпаду, називаєтьсясереднім часом життя радіоактивного атома t :

Швидкість розпаду визначається активністю речовини А:

А = dN/dt = A 0 e t = N,

де А та А 0 – активності речовини в моменти часу t та t 0 .

Активність– міра радіоактивності. Вона характеризується числом розпадів радіоактивних ядер за одиницю часу.

Активність радіонукліда прямо пропорційна загальної кількості радіоактивних атомних ядер на момент часу t і обернено пропорційна періоду напіврозпаду:

А = 0,693 N/T 1/2.

У системі СІ за одиницю активності прийнято беккерель (Бк). Один беккерель дорівнює одному розпаду на секунду. Позасистемна одиниця активності – кюрі (Кu).

1 Кu = 3,7 10 10 Бк

1Бк = 2,7 10 -11 Кu.

Одиниця активності кюрі відповідає активності 1 г радію. У практиці вимірювань користуються поняттями об'ємної A v (Бк/м 3 , Кu/м 3), поверхневої А s (Бк/м 2 , Кu/м 2), питомої А m (Бк/м, Кu/м) активності.

1. Радіоактивність. Основний закон радіоактивного розпаду. активність.

2. Основні види радіоактивного розпаду.

3. Кількісні характеристики взаємодії іонізуючого випромінювання з речовиною.

4. Природна та штучна радіоактивність. Радіоактивні лави.

5. Використання радіонуклідів у медицині.

6. Прискорювачі заряджених частинок та їх використання у медицині.

7. Біофізичні основи дії іонізуючого випромінювання.

8. Основні поняття та формули.

9. Завдання.

Інтерес медиків до природної та штучної радіоактивності обумовлений наступним.

По-перше, все живе постійно піддається дії природного радіаційного фону, який становлять космічна радіація, випромінювання радіоактивних елементів, що залягають у поверхневих шарах земної кори, та випромінювання елементів, що потрапляють в організм тварин разом із повітрям та їжею.

По-друге, радіоактивне випромінювання застосовується у самій медицині в діагностичних та терапевтичних цілях.

33.1. Радіоактивність. Основний закон радіоактивного розпаду. Активність

Явище радіоактивності було відкрито 1896 р. А. Беккерелем, який спостерігав спонтанне випромінювання солями урану невідомого випромінювання. Незабаром Е. Резерфорд і подружжя Кюрі встановили, що при радіоактивному розпаді випромінюються ядра Не ​​(α-частинки), електрони (β-частинки) та жорстке електромагнітне випромінювання (γ-промені).

У 1934 р. було відкрито розпад з вильотом позитронів (β + -розпад), а 1940 р. було відкрито новий типрадіоактивності - спонтанний розподіл ядер: ядро, що ділиться, розвалюється на два уламки порівнянної маси з одночасним випусканням нейтронів і γ -Квантів. Протонна радіоактивність ядер спостерігалася 1982 р.

Радіоактивність -здатність деяких атомних ядер мимоволі (спонтанно) перетворюватися на інші ядра з випромінюванням частинок.

Атомні ядра складаються з протонів та нейтронів, які мають узагальнюючу назву. нуклони.Кількість протонів у ядрі визначає Хімічні властивостіатома і позначається Z (це порядковий номерхімічного елемента). Кількість нуклонів у ядрі називають масовим числомі позначають А. Ядра з однаковим порядковим номером та різними масовими числами називаються ізотопами.Усі ізотопи одного хімічного елемента мають однаковіХімічні властивості. Фізичні властивостіІзотопи можуть відрізнятися дуже сильно. Для позначення ізотопів використовують символ хімічного елемента із двома індексами: A Z Х. Нижній індекс – порядковий номер, верхній – масове число. Часто нижній індекс опускають, оскільки вказує сам символ елемента. Наприклад, пишуть 14 З замість 14 6 З.

Здатність ядра до розпаду залежить від його складу. У одного й того самого елемента можуть бути і стабільний, і радіоактивний ізотопи. Наприклад, ізотоп вуглецю 12 С стабільний, а ізотоп 14 С радіоактивний.

Радіоактивний розпад – явище статистичне. Здатність ізотопу до розпаду характеризує постійна розпадуλ.

Постійне розпаду- ймовірність того, що ядро ​​цього ізотопу розпадеться за одиницю часу.

Імовірність розпаду ядра за малий час dt знаходиться за формулою

Враховуючи формулу (33.1), отримаємо вираз, що визначає кількість ядер, що розпалися:

Формула (33.3) називається основним законом радіоактивного розпаду.

Число радіоактивних ядер зменшується з часом за експоненційним законом.

На практиці замість постійного розпадуλ часто використовують іншу величину, яку називають періодом напіврозпаду.

Період напіврозпаду(Т) - час, протягом якого розпадається половинарадіоактивні ядер.

Закон радіоактивного розпаду з використанням періоду напіврозпаду записується так:

Графік залежності (33.4) показано на рис. 33.1.

Період напіврозпаду може бути як дуже великим, так і дуже маленьким (від часток секунди до багатьох мільярдів років). У табл. 33.1 представлені періоди напіврозпаду деяких елементів.

Рис. 33.1.Зменшення кількості ядер вихідної речовини при радіоактивному розпаді

Таблиця 33.1.Періоди напіврозпаду для деяких елементів

Для оцінки ступеня радіоактивностіізотопу використовують спеціальну величину, звану активністю.

Активність -кількість ядер радіоактивного препарату, що розпадаються за одиницю часу:

Одиниця виміру активності в СІ - бекерель(Бк), 1 Бк відповідає одному акту розпаду на секунду. На практиці більш упот-

дитяча позасистемна одиниця активності - кюрі(Кі), що дорівнює активності 1 г 226 Ra: 1 Кі = 3,7 х10 10 Бк.

З часом активність зменшується так само, як зменшується кількість ядер, що не розпалися:

33.2. Основні види радіоактивного розпаду

У процесі вивчення явища радіоактивності було виявлено 3 види променів, що випускаються радіоактивними ядрами, які отримали назви α-, β- та γ-променів. Пізніше було встановлено, що α- та β-частинки - продукти двох різних видіврадіоактивного розпаду, а γ-промені є побічним продуктом цих процесів. Крім того, γ-промені супроводжують і складніші ядерні перетворення, які тут не розглядаються.

Альфа-розпадполягає у мимовільному перетворенні ядер з випромінюваннямα -Частинок (ядра гелію).

Схема α-розпаду записується у вигляді

де Х, Y – символи материнського та дочірнього ядер відповідно. При записі α-розпаду замість α можна писати «Ні».

При цьому розпаді порядковий номер елемента Z зменшується на 2, а масове число А - на 4.

При -розпаді дочірнє ядро, як правило, утворюється в збудженому стані і при переході в основний стан випромінює -квант. Загальна властивість складних мікрооб'єктів полягає в тому, що вони мають дискретнимнабір енергетичних станів. Це стосується і ядер. Тому γ-випромінювання збуджених ядер має дискретний спектр. Отже, і енергетичний спектр α-часток є дискретним.

Енергія α-часток, що випускаються практично для всіх α-активних ізотопів лежить в межах 4-9 МеВ.

Бета-розпадполягає в мимовільному перетворенні ядер з випромінюванням електронів (або позитронів).

Встановлено, що β-розпад завжди супроводжується випромінюванням нейтральної частки - нейтрино (або антинейтрино). Ця частка практично не взаємодіє з речовиною, і надалі не розглядатиметься. Енергія, що виділяється при β-розпаді, розподіляється між β-частинкою та нейтрино випадковим чином. Тому енергетичний спектр β-випромінювання суцільний (рис. 33.2).

Рис. 33.2.Енергетичний спектр β-розпаду

Існує два види β-розпаду.

1. Електроннийβ - -розпад полягає в перетворенні одного ядерного нейтрону на протон та електрон. При цьому з'являється ще одна частка ν" - антинейтрино:

Електрон та антинейтрино вилітають з ядра. Схема електронного β - -розпаду записується у вигляді

При електронному розпаді порядковий номер Z-елемента збільшується на 1, масове число А не змінюється.

Енергія -частинок лежить в діапазоні 0,002-2,3 МеВ.

2. Позитроннийβ + -розпад полягає в перетворенні одного ядерного протона на нейтрон і позитрон. При цьому з'являється ще одна частка ν - нейтрино:

Саме електронне захоплення не породжує іонізуючих частинок, але воно супроводжується рентгенівським випромінюванням.Це випромінювання виникає, коли місце, що звільнилося під час поглинання внутрішнього електрона, заповнюється електроном із зовнішньої орбіти.

Гамма-випромінюваннямає електромагнітну природу і є фотоном з довжиною хвиліλ ≤ 10-10 м.

Гамма-випромінювання не є самостійним виглядомрадіоактивного розпаду. Випромінювання цього типу майже завжди супроводжує не тільки α-розпад та β-розпад, але й складніші ядерні реакції. Воно не відхиляється електричним і магнітним полями, має відносно слабку іонізуючу і дуже велику проникаючу здатність.

33.3. Кількісні характеристики взаємодії іонізуючого випромінювання з речовиною

Вплив радіоактивного випромінювання на живі організми пов'язаний з іонізацією,яку воно викликає у тканинах. Здібність частки до іонізації залежить як від її виду, так і від її енергії. У міру просування частинки в глибину речовини вона втрачає свою енергію. Цей процес називають іонізаційним гальмуванням.

Для кількісної характеристики взаємодії зарядженої частинки з речовиною використовується кілька величин:

Після того, як енергія частинки стане нижче енергії іонізації, її іонізуючу дію припиняється.

Середній лінійний пробіг(R) зарядженої іонізуючої частинки - шлях, пройдений нею в речовині до втрати іонізуючої здатності.

Розглянемо деякі характерні риси взаємодії різних видів випромінювання з речовиною.

Альфа-випромінювання

Альфа-частка практично не відхиляється від початкового напрямку свого руху, оскільки її маса набагато більше

Рис. 33.3.Залежність лінійної щільності іонізації від шляху, пройденого α-часткою в середовищі

маси електрона, з яким вона взаємодіє. У міру її проникнення в глиб речовини щільність іонізації спочатку зростає, а при завершення пробігу (х = R)різко спадає нанівець (рис. 33.3). Це тим, що при зменшенні швидкості руху зростає час, що вона проводить поблизу молекули (атома) середовища. Імовірність іонізації у своїй збільшується. Після того, як енергія α-частки стане порівнянною з енергією молекулярно-теплового руху, вона захоплює два електрони в речовині і перетворюється на атом гелію.

Електрони, що утворилися в процесі іонізації, як правило, йдуть у бік від треку α-частинки та викликають вторинну іонізацію.

Характеристики взаємодії α-часток з водою та м'якими тканинами представлені в табл. 33.2.

Таблиця 33.2.Залежність характеристик взаємодії з речовиною від енергії α-часток

Бета-випромінювання

Для руху β -частинки в речовині характерна криволінійна непередбачувана траєкторія Це з рівністю мас взаємодіючих частинок.

Характеристики взаємодії β -Частинок з водою і м'якими тканинами представлені в табл. 33.3.

Таблиця 33.3.Залежність характеристик взаємодії з речовиною від енергії β-часток

Як і у α-часток, іонізаційна здатність β-частинок зростає при зменшенні енергії.

Гамма-випромінювання

Поглинання γ -випромінювання речовиною підпорядковується експоненційному закону, аналогічному закону поглинання рентгенівського випромінювання:

Основними процесами, які відповідають за поглинання γ -випромінювання, є фотоефект та комптонівське розсіювання. При цьому утворюється відносно невелика кількість вільних електронів (первинна іонізація), які мають дуже високу енергію. Вони й викликають процеси вторинної іонізації, яка незрівнянно вища за первинну.

33.4. Природна та штучна

радіоактивність. Радіоактивні ряди

Терміни природнаі штучнаРадіоактивність є умовними.

Природноюназивають радіоактивність ізотопів, що існують у природі, або радіоактивність ізотопів, що утворюються в результаті природних процесів.

Наприклад, природною є радіоактивність урану. Природною є радіоактивність вуглецю 14 С, який утворюється у верхніх шарах атмосфери під дією сонячного випромінювання.

Штучноюназивають радіоактивність ізотопів, що виникають у результаті діяльності людини.

Такий є радіоактивність всіх ізотопів, одержуваних на прискорювачах частинок. Сюди можна віднести і радіоактивність грунту, води та повітря, що виникає при атомному вибуху.

Природна радіоактивність

У початковий періодвивчення радіоактивності дослідники могли використовувати лише природні радіонукліди (радіоактивні ізотопи), що містяться в земних породах у досить великій кількості: 232 Th, 235 U, 238 U. З цих радіонуклідів починаються три радіоактивні ряди, що закінчуються стабільними ізотопами РЬ. Надалі було виявлено ряд, що починається з 237 Np, з кінцевим стабільним ядром 209 Bi. На рис. 33.4 показаний ряд, що починається з 238 U.

Рис. 33.4.Уран-радієвий ряд

Елементи цього є основним джерелом внутрішнього опромінення людини. Наприклад, 210 Pb і 210 Po надходять до організму разом з їжею - вони концентруються в рибі та молюсках. Обидва ці ізотопи накопичуються в лишайниках і тому присутні в м'ясі північного оленя. Найбільш вагомим із усіх природних джерел радіації є 222 Rn - важкий інертний газ, що виходить при розпаді 226 Ra. На нього припадає близько половини дози природної радіації, яку отримує людина. Утворюючись у земної кори, цей газ просочується в атмосферу і потрапляє у воду (він добре розчинний).

У земній корі постійно є радіоактивний ізотоп калію 40 К, який входить до складу природного калію (0,0119 %). З ґрунту цей елемент надходить через кореневу системурослин і з рослинною їжею (зернові, свіжі овочі та фрукти, гриби) – в організм.

Ще одним джерелом природної радіації є космічне випромінювання (15%). Його інтенсивність зростає у гірських районах внаслідок зменшення захисної дії атмосфери. Джерела природного радіаційного фону вказані у табл. 33.4.

Таблиця 33.4.Складова природного радіоактивного фону

33.5. Використання радіонуклідів у медицині

Радіонуклідаминазивають радіоактивні ізотопи хімічних елементів із малим періодом напіврозпаду. У природі такі ізотопи відсутні, тому їх одержують штучно. У сучасної медицинирадіонукліди широко використовуються в діагностичних та терапевтичних цілях.

Діагностичне застосування засноване на вибірковому накопиченні деяких хімічних елементів окремими органами. Йод, наприклад, концентрується у щитовидній залозі, а кальцій – у кістках.

Введення в організм радіоізотопів цих елементів дозволяє виявляти сфери їх концентрації з радіоактивного випромінювання і отримувати таким чином важливу діагностичну інформацію. Такий метод діагностики називається методом мічених атомів.

Терапевтичне використання радіонуклідів засновано на руйнівній дії іонізуючого випромінювання на клітини пухлин.

1. Гама-терапія- використання γ-випромінювання високої енергії (джерело 60 З) для руйнування глибоко розташованих пухлин. Щоб поверхнево розташовані тканини та органи не піддавалися згубній дії, вплив іонізуючого випромінювання здійснюється у різні сеанси з різних напрямків.

2. Альфа-терапія- Лікувальне використання α-часток. Ці частинки мають значну лінійну щільність іонізації і поглинаються навіть невеликим шаром повітря. Тому терапевтичне

застосування альфа-променів можливе при безпосередньому контакті з поверхнею органу або при введенні внутрішньо (за допомогою голки). Для поверхневого впливу застосовується радонова терапія (222 Rn): дія на шкіру (ванни), органи травлення (пиття), органи дихання (інгаляції).

У деяких випадках лікувальне застосування α -Частинок пов'язано з використанням потоку нейтронів. При цьому методі тканина (пухлина) попередньо вводять елементи, ядра яких під дією нейтронів випускають α -частки. Після цього хворий орган опромінюють потоком нейтронів. Таким чином α -Частини утворюються безпосередньо всередині органу, на який вони повинні надати руйнівний вплив.

У таблиці 33.5 наведено характеристики деяких радіонуклідів, що використовуються в медицині.

Таблиця 33.5.Характеристика ізотопів

33.6. Прискорювачі заряджених частинок та їх використання у медицині

Прискорювач- Установка, в якій під дією електричних і магнітних полів виходять спрямовані пучки заряджених частинок з високою енергією (від сотень кеВ до сотень ГеВ).

Прискорювачі створюють вузькіпучки частинок із заданою енергією та малим поперечним перерізом. Це дозволяє надавати спрямованевплив на об'єкти, що опромінюються.

Використання прискорювачів у медицині

Прискорювачі електронів та протонів застосовуються в медицині для променевої терапії та діагностики. При цьому використовуються як прискорені частинки, так і супутнє рентгенівське випромінювання.

Гальмівне рентгенівське випромінюванняотримують, направляючи пучок частинок на спеціальну мішень, яка є джерелом рентгенівських променів. Від рентгенівської трубки це випромінювання відрізняється значно більшою енергією квантів.

Синхротронне рентгенівське випромінюваннявиникає у процесі прискорення електронів на кільцевих прискорювачах - синхротронах. Таке випромінювання має високим ступенемспрямованості.

Пряма дія швидких частинок пов'язана з їх високою здатністю, що проникає. Такі частинки проходять поверхневі тканини, не викликаючи серйозних пошкоджень, і надають іонізуючу дію наприкінці свого шляху. Підбором відповідної енергії частинок можна досягти руйнування пухлин на заданій глибині.

Області застосування прискорювачів у медицині показані у табл. 33.6.

Таблиця 33.6.Застосування прискорювачів у терапії та діагностиці

33.7. Біофізичні основи дії іонізуючого випромінювання

Як зазначалося вище, вплив радіоактивного випромінювання на біологічні системи пов'язані з іонізацією молекул.Процес взаємодії випромінювання з клітинами можна поділити на три послідовні етапи (стадії).

1. Фізична стадія полягає в передачі енергіївипромінювання молекул біологічної системи, внаслідок чого відбувається їх іонізація та збудження. Тривалість цієї стадії 10-16-10-13 с.

2. Фізико-хімічна стадія складається з різноманітних реакцій, що призводять до перерозподілу надлишкової енергії збуджених молекул та іонів. В результаті з'являються високоактивні

продукти: радикали та нові іони з широким спектром хімічних властивостей.

Тривалість цієї стадії 10 -13 -10 -10 с.

3. Хімічна стадія - це взаємодія радикалів та іонів між собою та з навколишніми молекулами. На цій стадії формуються структурні ушкодження різного типу, що призводять до зміни біологічних властивостей: порушуються структура та функції мембран; виникають ураження в молекулах ДНК та РНК.

Тривалість хімічної стадії 10-6-10-3 с.

4. Біологічна стадія На цій стадії пошкодження молекул і субклітинних структур призводять до різноманітних функціональних порушень, передчасної загибелі клітини внаслідок дії механізмів апоптозу або внаслідок некрозу. Ушкодження, отримані на біологічній стадії, можуть передаватися у спадок.

Тривалість біологічної стадії від кількох хвилин до десятків років.

Зазначимо загальні закономірності біологічної стадії:

Великі порушення при малій поглиненій енергії (смертельна для людини доза опромінення викликає нагрівання тіла лише на 0,001°С);

Дія наступні покоління через спадковий апарат клітини;

Характерний прихований, латентний період;

Різні частини клітин мають різну чутливість до випромінювання;

Насамперед уражаються клітини, що діляться, що особливо небезпечно для дитячого організму;

Згубна дія на тканини дорослого організму, в яких є поділ;

Подібність променевих змін із процесами патології раннього старіння.

33.8. Основні поняття та формули

Продовження таблиці

33.9. Завдання

1. Якою є активність препарату, якщо протягом 10 хв розпадається 10 000 ядер цієї речовини?

4. Вік древніх зразків дерева можна приблизно визначити за питомою масовою активністю ізотопу 14 6 C в них. Скільки років тому було зрубано дерево, яке пішло на виготовлення предмета, якщо питома масова активність вуглецю в ньому становить 75 % від питомої маси активності дерева, що росте? Період напіврозпаду радону Т = 5570 років.

9. Після Чорнобильської аваріїу деяких місцях забрудненість ґрунту радіоактивним цезієм-137 була на рівні 45 Кі/км 2 .

Через скільки років активність у цих місцях знизиться відносно безпечного рівня 5 Кі/км 2 . Період напіврозпаду цезію-137 дорівнює Т = 30 років.

10. Допустима активність йоду-131 у щитовидній залозі людини повинна бути не більше 5 нКі. У деяких людей, які перебували в зоні Чорнобильської катастрофи, активність йоду-131 сягала 800 нКи. За скільки днів активність знижувалася до норми? Період напіврозпаду йоду-131 дорівнює 8 діб.

11. Для визначення об'єму крові у тварин використовується наступний метод. У тварини беруть невеликий об'єм крові, відокремлюють еритроцити від плазми та поміщають їх у розчин з радіоактивним фосфором, що асимілюється еритроцитами. Мічені еритроцити знову вводять у кровоносну систему тварини і через деякий час визначають активність проби крові.

У кров деякої тварини ввели V = 1 мл такого розчину. Початкова активність цього обсягу дорівнювала А 0 = 7000 Бк. Активність 1 мл крові, взятої з вени тварини через добу, дорівнювала 38 імпульсів на хвилину. Визначити обсяг крові тварини, якщо період напіврозпаду радіоактивного фосфору дорівнює Т = 14,3 діб.

Лекція 16

Елементи фізики атомного ядра

Запитання

1. Закон радіоактивного розпаду.

Ядерні реакції та його основні типи.

Закономірності ,  і розпадів.

Дози випромінювань.

Ланцюгова реакція поділу.

6. Реакції синтезу (термоядерні реакції).

1. Закон радіоактивного розпаду

Під радіоактивним розпадом розуміють природне радіоактивне перетворення ядер, що відбувається мимоволі.

Атомне ядро, що зазнає розпаду, називається материнськимядро, що виникає дочірнім.

Теорія радіоактивного розпаду підпорядковується законам статистики. Число ядер d N,розпавшихся за інтервал часу від tдо t+ d t,пропорційно до проміжку часу d tі числа Nядер, що не розпалися, до моменту часу t:

d N = – λ N d t , (1)

λ  постійна радіоактивного розпаду, з  1 ; знак мінус вказує, що загальна кількість радіоактивних ядер у процесі розпаду зменшується.

(2)

де N 0  початкове число нерозпалисяядер у момент часу t = 0;N число нерозпалисяядер у момент часу t.

Закон радіоактивного розпаду: кількість ядер, що не розпалися, зменшується з часом за експоненційним законом.

Інтенсивність процесу розпаду характеризують дві величини:

період напіврозпадуT 1/2  час, за який вихідна кількість радіоактивних ядер зменшується вдвічі;

середній час життя τ радіоактивного ядра.

. (3)

Періоди напіврозпаду, Т 1 /2
				4,510 9 років

Сумарна тривалість життя d Nядер дорівнює t|dN| = λ Nt d t.Проінтегрувавши цей вираз по t(тобто від 0 до ∞) і розділимо на початкове число ядер N 0 , отримаємо середній час життя радіоактивного ядра:

. (4)

Табличний інтеграл:

Таким чином, середній час життя радіоактивного ядра є величина, зворотна постійної радіоактивного розпаду λ.

АктивністюА нукліда в радіоактивному джерелі називається число розпадів, що відбуваються з ядрами речовини в 1 с:

Бк - беккерель, (5)

1Бк – активність нукліду, за якої за 1 с відбувається один акт розпаду.

Позасистемна одиниця – кюрі [Кі]: 1[Кі] = 3,710 10 [Бк].

Радіоактивний розпад відбувається відповідно до так званими правилами усунення (є наслідком законів збереження заряду та масового числа), що дозволяють встановити, яке ядро ​​виникає в результаті розпаду даного материнського ядра.

Правило зміщення для розпаду:
. (6)

Правило зміщення для β-розпаду:
, (7)

де
 материнське ядро; Y символ дочірнього ядра;
- ядро ​​гелію (α-частка);  символічне позначення електрона (заряд його дорівнює  е, А масове число - нулю).

Ядра, що виникають в результаті радіоактивного розпаду, можуть бути, у свою чергу, радіоактивними. Це призводить до виникнення ланцюжка або ряду радіоактивних перетворень , закінчуються стабільним елементом. Кінцевими нуклідами є:
,
,
,
.

1. Ядерні реакції та їх основні типи

Ядерна реакція – це процес взаємодії атомного ядра з іншим ядром або елементарною частинкою, що супроводжується зміною складу та структури ядра та виділенням вторинних частинок або γ– квантів .

, , (8)

X, Y вихідне та кінцеве ядра; З проміжне компаунд-ядро; а, b бомбардуюча та випромінювана частинки.

Перша ядерна реакція була здійснена Е. Резерфордом у 1919 році

(9)

При ядерних реакціях виконується декілька законів збереження: імпульсу, енергії, моменту імпульсу, заряду. Крім цих класичних законів збереження при ядерних реакціях виконується закон збереження так званого баріонного заряду (тобто числа нуклонів – протонів та нейтронів).

Класифікація ядерних реакцій

за родом частинок, що беруть участь :

під дією нейтронів ;

під дією заряджених частинок (протонів, частинок та ін);

під дією квантів.

2. по енергії частинок, що їх викликають :

малі енергії  1 еВ (з нейтронами);

середні енергії  1 МеВ (з квантами, частинками);

високі енергії  10 3 МеВ (народження нових елементарних частинок);

3. За родом ядер, що беруть у них участь:

на легких ядрах (А<50);

на середніх ядрах (50<А<100);

на важких ядрах (А> 100);

4. за характером ядерних перетворень :

з випромінюванням нейтронів;

з випромінюванням заряджених частинок;

реакції захоплення (випромінюється квант).

3. Закономірності ,  та розпадів

розпад: активними є ядра головним чином важких елементів ( А> 200, Z > 82), наприклад:

(10)

 частка утворюється при зустрічі двох протонів і двох нейтронів, має швидкість 1,410 7 …210 7 м/c, що відповідає енергіям 4,0…8,8 МеВ.

Закон Гейгера-Неттола:
, (11)

R  пробіг, відстань проходить частинкою в речовині до повної зупинки;
.Чим менший період напіврозпаду радіоактивного елемента, тим більше пробіг, а отже й енергія частинки.

 частка з енергією 4,2 МеВ оточена потенційним бар'єром кулонівських сил 8,8 МеВ. Її виліт пояснюється у квантовій механіці тунельним ефектом.

 розпад: електрон народжується внаслідок процесів, що відбуваються всередині ядра. Т.к. число нуклонів не змінюється, а Zзбільшується на 1, то один з нейтронів перетворюється на протон з утворенням електрона та вильоту антинейтрино:

(12)

Теорія  розпаду з випромінюванням нейтрино запропонована Паулі в 1931 р. і експериментально підтверджена в 1956 р. Має високу проникаючу здатність: нейтрино з енергією 1 МеВ у свинці пробігає шлях 10 18 м!

розпад:не є самостійним, а супроводжує  та  розпади.  спектр дискретний, йому характерні не хвильові, а корпускулярні властивості.  Кванти, володіючи нульовою масою спокою, не володіючи зарядом, не можуть сповільнюватися в середовищі, а можуть або поглинатися, або розсіюватися. Велика проникаюча здатність  випромінювання використовується у  дефектоскопії.

N=N 0 e - λt – закон радіоактивного розпаду, де N – число ядер, що не розпалися, N 0 – число початкових ядер.

Фізичний змістПостійний розпад – ймовірність розпаду ядра за одиницю часу. Характерні часи життя для радіоактивних ядер 10 -14 с. Часи життя ядер, обумовлені випромінюванням нуклонів 10 -23 с< <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.

Види радіоактивного розпаду. α – розпад, схема розпаду, закономірності розпаду.

Радіоактивний розпад – процес перетворення нестійких атомних ядер на ядра інших елементів, що супроводжується випромінюванням частинок.

Види радіоактивного розпаду:

1) α – розпад – супроводжується випромінюванням атомів гелію.

2) β – розпад – випромінювання електронів і позитронів.

3)γ - розпад - випромінювання фотонів при переходах між станами ядер.

4) Спонтанний поділ ядер.

5) Похила радіоактивність.

α – розпад: A 2 X→ A-Y Z-2 Y+ 4 2 He. Α-розпад спостерігається у важких ядер. Спектр - розпаду дискретний. Довжина пробігу - частинки в повітрі: 3-7см; для щільних речовин: 10 -5 м. T 1/2 10 -7 з ÷ 10 10 років.

β – розпад. Схеми β + , β - та К-захоплення. Закономірності – розпаду.

β – розпад обумовлений слабкою взаємодією. Слабким воно є по відношенню до сильних ядер. У слабких взаємодіях беруть участь усі частинки, крім фотонів. Суть у виродженні нових частинок. T 1/2 10 -2 з ÷ 10 20 років. Вільний пробіг нейтрону 1019 км.

β – розпад включає 3 види розпаду:

1) - або електронний. Ядро випромінює електрони. У загальному випадку:

A 2 X→ A Z -1 Y+ 0 -1 e+υ e .

2)β + або позитронний. Випускаються античастинки електрона – позитрони: 1 1 p→ 1 0 n+ 0 1 e+υ e – реакція перетворення протону на нейтрон. Самостійно реакція не проходить. Загальний вигляд реакції: X → A Z -1 Y+ 0 1 e+υ e . Спостерігається у штучних радіоактивних ядер.

3) Електронне захоплення. Відбувається перетворення ядра, захоплює K – оболонку і перетворюється на нейтрон: 1 1 p+ 0 -1 e→ 1 0 n+υ e . Загальний вигляд: A X + 0 1 e→ A Z -1 Y + e . Внаслідок електричного захоплення з ядер вилітає лише одна частка. Супроводжується характерним рентгенівським випромінюванням.

Активністю Анукліда(загальна назва атомних ядер, що відрізняються кількістю протонів Zта нейтронів N) у радіоактивному джерелі називається число розпадів, що відбуваються з ядрами зразка в 1 с:

Одиниця активності в СІ - бекерель(Бк): 1 Бк – активність нукліду, при якій за 1 с відбувається один акт розпаду. Досі в ядерній фізиці застосовується і позасистемна одиниця активності нукліду в радіоактивному джерелі кюрі(Кі): 1 Кі = 3,710 10 Бк.

Радіоактивний розпад відбувається відповідно до так званих правилами усунення,що дозволяють встановити, яке ядро ​​виникає внаслідок розпаду даного материнського ядра. Правила усунення:

де Х – материнське ядро, Y – символ дочірнього ядра, Не – ядро ​​гелію (  -частинка), е-символічне позначення електрона (заряд його дорівнює -1 а масове число - нулю). Правила усунення є нічим іншим, як наслідком двох законів, що виконуються при радіоактивних розпадах, - збереження електричного зарядуі збереження масового числа: сума зарядів (масових чисел) ядер і частинок, що виникають, дорівнює заряду (масовому числу) вихідного ядра.

28. Основні закономірності a-розпаду. Тунельний ефект. Властивості a-випромінювання.

α-розпадомназивають мимовільний розпад атомного ядра на дочірнє ядро ​​та α-частинку (ядро атома 4 He).

α-розпад, як правило, відбувається у важких ядрах з масовим числом А≥140 (хоча є кілька винятків). Усередині важких ядер рахунок властивості насичення ядерних сил утворюються відокремлені α-частинки, які з двох протонів і двох нейтронів. α-частка, що утворилася, схильна до більшої дії кулонівських сил відштовхування від протонів ядра, ніж окремі протони. Одночасно α-частка відчуває менше ядерне тяжіння до нуклонів ядра, ніж інші нуклони. Альфа-частка, що утворилася на межі ядра відбивається від потенційного бар'єру всередину, проте з деякою ймовірністю вона може подолати його (див. Тунельний ефект) і вилетіти назовні. Зі зменшенням енергії альфа-частинки проникність потенційного бар'єру експоненційно зменшується, тому час життя ядер з меншою доступною енергією альфа-розпаду за інших рівних умов більший.

Правило усунення Содді для α-розпаду:

В результаті -розпаду елемент зміщується на 2 клітини до початку таблиці Менделєєва, масове число дочірнього ядра зменшується на 4.

Тунельний ефект- подолання мікрочастинкою потенційного бар'єру у разі, коли її повна енергія (що залишається при тунелюванні незмінною) менше висоти бар'єру. Тунельний ефект - явище винятково квантової природи, неможливе і навіть суперечить класичній механіці. Аналогом тунельного ефекту в хвильовій оптиці може бути проникнення світлової хвилі всередину відбиває середовища (на відстані порядку довжини світлової хвилі) в умовах, коли, з точки зору геометричної оптики, відбувається повне внутрішнє відображення. Явище тунелювання лежить в основі багатьох важливих процесів в атомній та молекулярній фізиці, у фізиці атомного ядра, твердого тіла тощо.

Тунельний ефект можна пояснити співвідношенням невизначеності. Записане у вигляді:

воно показує, що при обмеженні квантової частки по координаті, тобто збільшенні її визначеності по x, її імпульс pстає менш певним. Випадково невизначеність імпульсу може додати частинці енергії для подолання бар'єру. Таким чином, з певною ймовірністю квантова частка може проникнути через бар'єр, а середня енергія частки залишиться незмінною.

Альфа-випромінювання має найменшу проникаючу здатність (щоб поглинати альфа-частинки, достатньо листа щільного паперу) у тканині людини на глибину менше міліметра.

29. Основні закономірності b-розпаду та його властивості. Нейтріно. Електронне захоплення. (см 27)

Беккерель довів, що β-промені є потоком електронів. β-розпад – це прояв слабкої взаємодії.

β-розпад(точніше, бета-мінус-розпад, -розпад) - це радіоактивний розпад, що супроводжується випромінюванням з ядра електрона та антинейтрино.

β-розпад є внутрішньонуклонним процесом. Він відбувається внаслідок перетворення одного з d-кварків в одному з нейтронів ядра в u-Кварк; при цьому відбувається перетворення нейтрона в протон з випромінюванням електрона та антинейтрино:

Правило усунення Содді для -розпаду:

Після розпаду елемент зміщується на 1 клітинку до кінця таблиці Менделєєва (заряд ядра збільшується на одиницю), тоді як масове число ядра при цьому не змінюється.

Існують також інші типи бета-розпаду. У позитронний розпад (бета-плюс-розпад) ядро ​​випускає позитрон і нейтрино. При цьому заряд ядра зменшується на одиницю (ядро зміщується на одну клітинку на початок таблиці Менделєєва). Позитронний розпад завждисупроводжується конкуруючим процесом - електронним захопленням (коли ядро ​​захоплює електрон з атомної оболонки та випускає нейтрино, у своїй заряд ядра також зменшується на одиницю). Проте зворотне неправильно: багато нуклідів, котрим позитронний розпад заборонено, відчувають електронний захоплення. Найбільш рідкісним із відомих типів радіоактивного розпаду є подвійний бета-розпад, він виявлений на сьогодні лише для десяти нуклідів, і періоди напіврозпадів перевищують 10 19 років. Усі типи бета-розпаду зберігають масове число ядра.

Нейтріно- нейтральна фундаментальна частка з напівцілим спином, що бере участь тільки в слабкій і гравітаційній взаємодії, і відноситься до класу лептонів.

Електронний захват, e-захоплення - одне із видів бета-распада атомних ядер. При електронному захопленні один із протонів ядра захоплює орбітальний електрон і перетворюється на нейтрон, випускаючи електронне нейтрино. Заряд ядра у своїй зменшується на одиницю. Масове число ядра, як і в інших видах бета-розпаду, не змінюється. Цей процес характерний для протоннадлишкових ядер. Якщо енергетична різниця між батьківським та дочірнім атомом (доступна енергія бета-розпаду) перевищує 1,022 МеВ (подвоєну масу електрона), електронне захоплення завжди конкурує з іншим типом бета-розпаду, позитронним розпадом. Наприклад, рубідій-83 перетворюється на криптон-83 тільки за допомогою електронного захоплення (доступна енергія близько 0,9 МеВ), тоді як натрій-22 розпадається в неон-22 за допомогою електронного захоплення, так і позитронного розпаду (доступна енергія близько 2,8 МеВ).

Оскільки число протонів в ядрі (тобто заряд ядра) при електронному захопленні зменшується, цей процес перетворює ядро ​​одного хімічного елемента на ядро ​​іншого елемента, розташованого ближче до початку таблиці Менделєєва.

Загальна формула електронного захоплення

30. γ-випромінювання ядер та його властивості. Взаємодія γ-випромінювання з речовиною. Виникнення та знищення електрон-позитронних пар.

Експериментально встановлено, що  -випромінювання не є самостійним видом радіоактивності, а лише супроводжує  - І  -Розпади і також виникає при ядерних реакціях, при гальмуванні заряджених частинок, їх розпаді і т.д.  -Спектр є лінійним.  -Спектр – це розподіл числа  -Квантів з енергій. Дискретність  -спектра має важливе значення, оскільки є доказом дискретності енергетичних станів атомних ядер.

В даний час твердо встановлено, що  -випромінювання випускається дочірнім (а чи не материнським) ядром. Дочірнє ядро ​​в момент своєї освіти, виявляючись збудженим, за час приблизно 10 -13 -10 -14 с, значно менше часу життя збудженого атома (приблизно 10 -8 с), переходить в основний стан із випромінюванням  -випромінювання. Повертаючись до основного стану, збуджене ядро ​​може пройти через низку проміжних станів, тому  -випромінювання одного і того ж радіоактивного ізотопу може містити декілька груп  -Квантів, що відрізняються одна від одної своєю енергією.

При  -випромінювання Аі Zядра не змінюються, тому воно не описується жодними правилами усунення.  -Випромінювання більшості ядер є настільки короткохвильовим, що його хвильові властивості проявляються дуже слабо. Тут першому плані виступають корпускулярні властивості, тому  -випромінювання розглядають як потік частинок -  -Квантів. При радіоактивних розпадах різних ядер  -Кванти мають енергії від 10 кеВ до 5 МеВ

Ядро, що знаходиться у збудженому стані, може перейти в основний стан не тільки при випромінюванні  -кванта, а й за безпосередньої передачі енергії збудження (без попереднього випромінювання  -Кванта) одному з електронів того ж атома. При цьому випускається так званий електрон конверсії.Саме явище називається внутрішньою конверсією.Внутрішня конверсія - процес, що конкурує з  -випромінюванням.

Електронам конверсії відповідають дискретні значення енергії, яка залежить від роботи виходу електрона з оболонки, з якої електрон виривається, та від енергії Е,віддається ядром при переході зі збудженого стану в основний. Якщо вся енергія Евиділяється у вигляді  -кванта, то частота випромінювання  визначається із відомого співвідношення E=h.Якщо ж випускаються електрони внутрішньої конверсії, їх енергії рівні Е-А K, E-AL, ....де A K , A L , ... -робота виходу електрона з К-і L-оболонок. Моноенергетичність електронів конверсії дозволяє відрізнити їх від  -Електронів, спектр яких безперервний. Вакантне місце на внутрішній оболонці атома, що виникло в результаті вильоту електрона, заповнюватиметься електронами з вищележачих оболонок. Тому внутрішня конверсія завжди супроводжується характерним рентгенівським випромінюванням.

 -Кванти, маючи нульову масу спокою, не можуть сповільнюватися в середовищі, тому при проходженні  -випромінювання крізь речовину вони або поглинаються, або розсіюються ним.  -Кванти не несуть електричного заряду і тим самим не зазнають впливу кулонівських сил. При проходженні пучка  -квантів крізь речовину їхня енергія не змінюється, але в результаті зіткнень послаблюється інтенсивність, зміна якої описується експоненційним законом I=I 0 e – x (I 0 та I- Інтенсивності  -випромінювання на вході та виході шару поглинаючої речовини завтовшки х,  -коефіцієнт поглинання). Так як  -випромінювання - найпроникаюче випромінювання, то  для багатьох речовин – дуже мала величина;  залежить від властивостей речовини та від енергії  -Квантів.

 -Кванти, проходячи крізь речовину, можуть взаємодіяти як із електронною оболонкою атомів речовини, і з їх ядрами. У квантовій електродинаміці доводиться, що основними процесами, що супроводжують проходження  -випромінювання через речовину, є фотоефект, комптон-ефект (комптонівське розсіювання) та утворення електронно-позитронних пар.

Фотоефект, або фотоелектричне поглинання  -випромінювання,- це процес, у якому атом поглинає  -Квант і випускає електрон. Так як електрон вибивається з однієї з внутрішніх оболонок атома, то місце, що звільнилося заповнюється електронами з вищележачих оболонок, і фотоефект супроводжується характеристичним рентгенівським випромінюванням. Фотоефект є переважним механізмом поглинання у сфері малих енергій  -Квантів ( E  100 кеВ). Фотоефект може йти тільки на зв'язаних електронах, тому що вільний електрон не може поглинути  -Квант, при цьому одночасно не задовольняються закони збереження енергії та імпульсу.

У міру збільшення енергії  -Квантів ( E 0,5 МеВ) ймовірність фотоефекту дуже мала і основним механізмом взаємодії  -квантів з речовиною є комптонівське розсіювання.

При E >l,02 МеВ=2 m e з 2 (т e -маса спокою електрона) стає можливим процес утворення електронно-позитронних пар у електричних поляхядер. Імовірність цього процесу пропорційна Z 2 і збільшується зі зростанням E . Тому при E 10 МеВ основним процесом взаємодії  -випромінювання в будь-якій речовині є утворено електронно-позитронну пару.

Якщо енергія  -кванта перевищує енергію зв'язку нуклонів у ядрі (7-8 МеВ), то в результаті поглинання  -Кванта може спостерігатися ядерний фотоефект- Викид з ядра одного з нуклонів, найчастіше нейтрону.

Велика проникаюча здатність  -випромінювання використовується в гамма-дефектоскопії - метод дефектоскопії, заснованому на різному поглинанні  -випромінювання при поширенні його на однакову відстань різних середовищах. Розташування та розміри дефектів (раковини, тріщини і т. д.) визначаються за різницею в інтенсивності випромінювання, що пройшло через різні ділянки виробу, що просвічується.

Вплив  -випромінювання (а також інших видів іонізуючого випромінювання) на речовину характеризують дозою іонізуючого випромінювання. Розрізняються:

Поглинена доза випромінювання - фізична величина, рівна відношенню енергії випромінювання до маси речовини, що опромінюється.

Одиниця поглиненої дози випромінювання - грей(Гр)*: 1 Гр= 1 Дж/кг - доза випромінювання, за якої опроміненої речовини масою 1 кг передається енергія будь-якого іонізуючого випромінювання 1 Дж.

31. Одержання трансуранових елементів. Основні закономірності реакцій поділу ядер.

ТРАНСУРАНОВІ ЕЛЕМЕНТИ, хімічні елементи, розташовані в періодичній системіпісля урану, тобто з атомним номером Z >92.

Усі трансуранові елементи синтезовані за допомогою ядерних реакцій (у природі виявлено лише мікрокількості Np та Pu). Трансуранові елементи радіоактивні; зі збільшенням Zперіод напіврозпаду T 1/2трансуранових елементів різко зменшується.

У 1932 р., після відкриття нейтрону, було висловлено припущення, що при опроміненні урану нейтронами повинні утворюватися ізотопи перших трансуранових елементів. І в 1940 р. Е. Макміллан і Ф. Ейблсон за допомогою ядерної реакції синтезували нептуній (порядковий номер 93) та вивчили його найважливіші хімічні та радіоактивні властивості. Тоді ж відбулося відкриття і наступного трансуранового елемента - плутонію. Обидва нові елементи були названі на честь планет Сонячної системи.

Всі трансуранові елементи до 101-го включно були синтезовані завдяки застосуванню легких частинок, що бомбардують: нейтронів, дейтронів і альфа-часток. Процес синтезу полягав у опроміненні мішені потоками нейтронів чи заряджених частинок. Якщо в якості мішені використовується U, то за допомогою потужних нейтронних потоків, що утворюються в ядерних реакторах або вибуху ядерних пристроїв, можна отримати всі трансуранові елементи, до Fm ( Z= 100) включно. Як мішені використовувалися також елементи з Zна 1 або 2 менше, ніж у синтезованого елемента. У період із 1940 по 1955 рр. американськими вченими під керівництвом Г. Сиборга було синтезовано дев'ять нових елементів, що не існують у природі: Np (нептуній), Pu (плутоній), Am (америцій), Cm (кюрій), Bk (берклій), Cf (каліфорній), Es ( ейнштейний), Fm (фермій), Md (менделевий). У 1951 р. Сіборгу та Е. М. Макміллану була присуджена Нобелівська премія"за відкриття в галузі хімії трансуранових елементів".

Можливості методу синтезу важких радіоактивних елементів, при якому застосовується опромінення легкими частинками, обмежені, він не дозволяє отримувати ядра з Z> 100. Елемент з Z = 101 (менделевий) було відкрито 1955 р. при опроміненні 253 99Es (ейнштейнія) прискореними a-частинками. Синтези нових трансуранових елементів ставали дедалі складнішими у міру переходу до більших значень Z. Все меншими виявлялися величини періодів напіврозпаду їх ізотопів.

Ядерна реакція - процес перетворення атомних ядер, що відбувається при їх взаємодії з елементарними частинками, гамма-квантами та один з одним, що часто призводить до виділення колосальної кількості енергії. При протіканні ядерних реакцій виконуються такі закони: збереження електричного заряду та числа нуклонів, збереження енергії та

імпульсу, збереження моменту імпульсу, збереження парності та

ізотопічний спина.

Реакція розподілу – розподіл атомного ядра на кілька легших ядер. Поділу бувають вимушені та спонтанні.

Реакція синтезу – реакція злиття легких ядер на одне. Ця реакція відбувається лише за високих температур, близько 10 8 К і називається термоядерною реакцією.

Енергетичним виходом реакції Q називається різницю між сумарними енергіями спокою всіх частинок до і після ядерної реакції. Якщо Q >0, то сумарна енергія спокою зменшується у процесі ядерної реакції. Такі ядерні реакції називаються екзоенергетичними. Вони можуть протікати при скільки завгодно малої початкової кінетичної енергії частинок. Навпаки, при 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. Ланцюгова реакція поділу. Керована ланцюгова реакція. Ядерний реактор.

Вторинні нейтрони, що випускаються при розподілі ядер, можуть викликати нові акти поділу, що уможливлює здійснення ланцюгової реакції поділу- Ядерної реакції, в якій частинки, що викликають реакцію, утворюються як продукти цієї реакції. Ланцюгова реакція поділу характеризується коефіцієнтом розмноження kнейтронів, який дорівнює відношенню числа нейтронів у даному поколінні до їхнього числа в попередньому поколінні. Необхідною умовоюдля розвитку ланцюгової реакції поділу є вимога k 1.

Виявляється, що не всі вторинні нейтрони, що утворюються, викликають подальше розподіл ядер, що призводить до зменшення коефіцієнта розмноження. По-перше, через кінцеві розміри активної зони(простір, де відбувається ланцюгова реакція) і великий проникаючої здатності нейтронів частина їх покине активну зону раніше, ніж буде захоплена яким-небудь ядром. По-друге, частина нейтронів захоплюється ядрами домішок, що не діляться, завжди присутніх в активній зоні. Крім того, поряд з розподілом можуть мати місце конкуруючі процеси радіаційного захоплення та непружного розсіювання.

Коефіцієнт розмноження залежить від природи речовини, що ділиться, а для даного ізотопу - від його кількості, а також розмірів і форми активної зони. Мінімальні розміри активної зони, за яких можливе здійснення ланцюгової реакції, називаються критичними розмірами.Мінімальна маса речовини, що ділиться, що знаходиться в системі критичних розмірів, необхідна для здійснення ланцюгова реакція,називається критичною масою.

Швидкість розвитку ланцюгових реакцій різна. Нехай Т -середній час життя одного покоління, а N -число нейтронів у цьому поколінні. У наступному поколінні їхнє число дорівнює kN, тобто.е. приріст числа нейтронів за одне покоління dN = kN-N = N(k- 1). Приріст числа нейтронів за одиницю часу, тобто швидкість наростання ланцюгової реакції,

Інтегруючи (266.1), отримаємо

де N 0 - число нейтронів у початковий момент часу, а N -їх кількість у момент часу t. Nвизначається знаком ( k- 1). При k> 1 йде реакція, що розвивається, Число поділів безперервно зростає і реакція може стати вибуховою. При k=1 йде самопідтримувана реакція, коли кількість нейтронів з часом не змінюється. При k<1 идет затухающая реакция.

Ланцюгові реакції поділяються на керованіі некеровані.Вибух атомної бомби, наприклад, є некерованою реакцією. Щоб атомна бомба при зберіганні не вибухнула, у ній U (або Pu) ділиться на дві віддалені одна від одної частини з масами нижче критичних. Потім за допомогою звичайного вибуху ці маси зближуються, загальна маса речовини, що ділиться, стає більш критичною і виникає вибухова ланцюгова реакція, що супроводжується миттєвим виділенням величезної кількості енергії і великими руйнуваннями. Вибухова реакція починається за рахунок наявних нейтронів спонтанного поділу або нейтронів космічного випромінювання. Керовані ланцюгові реакції здійснюються в ядерних реакторах.

У природі є три ізотопи, які можуть служити ядерним паливом (U: у природному урані його міститься приблизно 0,7%) або сировиною для його отримання (Th і U: у природному урані його міститься приблизно 99,3%). Th служить вихідним продуктом для отримання штучного ядерного палива U (див. реакцію (265.2)), a U, поглинаючи нейтрони, за допомогою двох послідовних  – -Розпадів - для перетворення в ядро ​​Pu:

Реакції (266.2) та (265.2), таким чином, відкривають реальну можливість відтворення ядерного пального в процесі ланцюгової реакції поділу.

Ядерний реактор- це пристрій, у якому здійснюється керована ланцюгова ядерна реакція, що супроводжується виділенням енергії. Перший ядерний реактор побудований і запущений у грудні 1942 року в США під керівництвом Е. Фермі. Першим реактором, побудованим поза США, став ZEEP, запущений у Канаді у вересні 1945 року. У Європі першим ядерним реактором стала установка Ф-1, яка запрацювала 25 грудня 1946 року у Москві під керівництвом І. У. Курчатова.

До 1978 року у світі працювало близько сотні ядерних реакторів різних типів. Складовими частинами будь-якого ядерного реактора є: активна зона з ядерним паливом, зазвичай оточена відбивачем нейтронів, теплоносій, система регулювання ланцюгової реакції, радіаційний захист, система дистанційного керування. Основною характеристикою ядерного реактора є його потужність. Потужність 1 МВт відповідає ланцюгової реакції, в якій відбувається 3 · 10 16 актів поділу в 1 сек.

33. Термоядерний синтез. Енергія зірок. Керований термоядерний синтез.

Термоядерна реакція- це реакція синтезу легких ядер на більш тяжкі.

Для її здійснення необхідно, щоб вихідні нуклони або легкі ядра зблизилися до відстаней, рівних або менших за радіус сфери дії ядерних сил тяжіння (тобто до відстаней 10 -15 м). Такому взаємному зближенню ядер перешкоджають кулонівські сили відштовхування, які діють між позитивно зарядженими ядрами. Для виникнення реакції синтезу необхідно нагріти речовину великої щільності до надвисоких температур (близько сотень мільйонів Кельвін), щоб кінетична енергія теплового руху ядер виявилася достатньою для подолання кулонівських сил відштовхування. За таких температур речовина існує у вигляді плазми. Оскільки синтез може відбуватися тільки за дуже високих температур, ядерні реакції синтезу і отримали назву термоядерних реакцій (від грец. therme"тепло, жар").

У термоядерних реакціях виділяється величезна енергія. Наприклад, у реакції синтезу дейтерію з утворенням гелію

виділяється 3,2 МеВ енергії. В реакції синтезу дейтерію з утворенням тритію

виділяється 4,0 МеВ енергії, а реакції

виділяється 17,6 МеВ енергії.

Керований термоядерний синтез (УТС) - синтез більш важких атомних ядер з легших з метою отримання енергії, який, на відміну від вибухового термоядерного синтезу (що використовується в термоядерних вибухових пристроях), носить керований характер. Керований термоядерний синтез відрізняється від традиційної ядерної енергетики тим, що в останній використовується реакція розпаду, в ході якої важкі ядер виходять більш легкі ядра. В основних ядерних реакціях, які планується використовувати з метою здійснення керованого термоядерного синтезу, будуть застосовуватися дейтерій (2 H) і тритій (3 H), а в більш віддаленій перспективі гелій-3 (3 He) і бор-11 (11 B).

34. Джерела та методи реєстрації елементарних частинок. Типи взаємодій та класи елементарних частинок. Античастинки.

Лічильник Гейгера
- служить для підрахунку кількості радіоактивних частинок (переважно електронів).

Це скляна трубка, заповнена газом (аргоном), із двома електродами всередині (катод та анод).
При прольоті частки виникає ударна іонізація газу та виникає імпульс електричного струму.

Переваги:
- компактність
- ефективність
- швидкодія
- Висока точність (10ООО частинок / с).
Де використовується:
- Реєстрація радіоактивних забруднень на місцевості, в приміщеннях, одягу, продуктів і т.д.
- на об'єктах зберігання радіоактивних матеріалів або з працюючими ядерними реакторами
- при пошуку покладів радіоактивної руди (U, Th)

Камера Вільсона
- служить для спостереження та фотографування слідів від прольоту частинок (треків).
Внутрішній об'єм камери заповнений парами спирту або води у перенасиченому стані:
при опусканні поршня зменшується тиск усередині камери та знижується температура, в результаті адіабатного процесу утворюється перенасичена пара.
Після прольоту частки конденсуються крапельки вологи і утворюється трек – видимий слід.
При поміщенні камери в магнітне поле по треку можна визначити енергію, швидкість, масу та заряд частинки.

По довжині і товщині треку, з його викривлення в магнітному полі визначають характеристики радіоактивної частки, що пролетіла.
Наприклад, альфа-частка дає суцільний товстий трек,
протон - тонкий трек,
електрон – пунктирний трек.

Пухирцева камера

Варіант камери Вільсона

При різкому зниженні поршня рідина, що під високим тиск, перетворюється на перегріте стан. При швидкому русі частинки слідом утворюються бульбашки пари, тобто. рідина закипає, видно трек.
Переваги перед камерою Вільсона:
- велика щільність середовища, отже короткі треки
- частинки застряють у камері і можна проводити подальше спостереження частинок
- Більша швидкодія.
Метод товстошарових фотоемульсій
- служить для реєстрації частинок
- дозволяє реєструвати рідкісні явища через великий час експозиції.
Фотоемульсія містить велику кількість мікрокристалів броміду срібла.
Частини, що влітають, іонізують поверхню фотоемульсій. Кристаліки AgВr розпадаються під впливом заряджених частинок і за прояві виявляється слід від прольоту частки - трек.
По довжині та товщині треку можна визначити енергію та масу частинок.

Класи частинок та типи взаємодій

Нині існує тверде переконання, що це у природі побудовано з елементарних частинок, проте природні процеси зумовлені взаємодією цих частинок. Під елементарними частинками сьогодні розуміють кварки, лептони, калібрувальні бозони та хіггсівські скалярні частки. Під фундаментальними взаємодіями - сильне, електро-слабке та гравітаційне. Таким чином, умовно можна виділити чотири класи елементарних частинок і три типи фундаментальних взаємодій.

Нейтрино електрично нейтральні; електрон, мюон і тау-лептон мають електричні заряди. Лептони беруть участь в електрослабкій і гравітаційній взаємодії.

Третій клас- це кварки. Сьогодні відомо шість кварків - кожен з яких може бути "забарвлений" в один із трьох кольорів. Як і лептони їх зручно розташувати у вигляді трьох сімейств

Кварки у вільному вигляді немає. Разом з глюонами є складовими адронів, яких кілька сотень. Адрони, як і їх кварки, беруть участь у всіх типах взаємодій.

Четвертий клас- хіггсовські частки, експериментально поки що не виявлені. У мінімальній схемі достатньо одного хіггсовського скаляра. Їх роль у природі на сьогодні-в основному "теоретична" і полягає в тому, щоб зробити електрослабку взаємодію перенормованою. Зокрема, маси всіх елементарних частинок - це "справа рук" хіггсовського конденсату. Можливо, введення хіггсовських полів необхідне для вирішення фундаментальних проблем космології, таких як однорідність та причинна зв'язність Всесвіту.

Наступні лекції з теорії кваркової структури адронів присвячені адронам та кваркам. Основна увага приділятиметься класифікації частинок, симетріям та законам збереження.

35. Закони збереження при перетворення елементарних частинок. Концепція кварки.

Кварк - фундаментальна частка в Стандартній моделі, що має електричний заряд, кратний e/3, і яка спостерігається у вільному стані. Кварки є точковими частинками аж до масштабу приблизно 0,5 10 -19 м, що приблизно в 20 тисяч разів менше розміру протона. З кварків складаються адрони, зокрема протон і нейтрон. В даний час відомо 6 різних "сортів" (частіше кажуть - "ароматів") кварків, властивості яких дано в таблиці. Крім того, для калібрувального опису сильної взаємодії постулюється, що кварки мають і додаткову внутрішню характеристику, яка називається «колір». Кожному кварку відповідає антикварк із протилежними квантовими числами.

Гіпотеза у тому, що адрони побудовані зі специфічних субодиниць, було вперше висунуто М. Гелл-Манном і, незалежно від цього, Дж. Цвейгом 1964 року.

Слово "кварк" було запозичене Гелл-Манном з роману Дж. Джойса "Поминки по Фіннегану", де в одному з епізодів звучить фраза "Three quarks for Muster Mark!" (зазвичай перекладається як «Три кварки для Майстра/Мюстера Марка!»). Саме слово «quark» у цій фразі імовірно є звуконаслідуванням крику морських птахів.

Радіоактивність. Основний закон радіоактивного розпаду.

Радіоактивність - мимовільний розпад нестійких ядер з випромінюванням інших ядер та елементарних частинок.

Види радіоактивності:

1. Природна

2. Штучна.

Ернест Резерфорд - будова атома.

Види радіоактивного розпаду:

α-розпад: à +; β-розпад: à +

Основний закон радіоактивного розпаду. N = N o e-лt

Кількість радіоактивних ядер, що не розпалися, зменшується за експоніціальним законом. Л(лямбда) – постійна розпаду.

Постійна розпад. Період напіврозпаду. активність. Види радіоактивного розпаду та їх спектри.

Л(лямбда)-постійна розпаду, пропорційна ймовірності розпаду радіоактивного ядра та різна для різних радіоактивних речовин.

Період напіврозпаду ( T )- цей час, протягом якого розпадається половина радіоактивних ядер. T=ln2/л=0,69/л.

Активність характеризується швидкістю розпаду. A=-dN/dT=lN=lN o e -лt =(N/T)*ln2

[A]-бекерель (Бк) = 1розпад/секунду.

[А]-кюрі (Кі). 1 Кі = 3,7 * 10 10 Бк = 3,7 * 10 10 з -1

[А]-резерфорд (РД). 1Рд = 10 6

Види радіоактивного розпаду. Правило усунення.

Альфа-розпад (найслабше): А Z X> 4 2 He + A-4 Z-2 Y

Бета-розпад: A Z X > 0 -1 e + A Z+1 Y

Енергетичні спектри частинок багатьох радіоактивних елементів складаються з кількох ліній. Причина появи такої структури спектра – розпад початкового ядра (А, Z) на збуджений стан ядра (А-4, Z-2. Для альфа – розпаду, наприклад). Вимірюючи спектри частинок можна отримати інформацію про природу порушених станів ядра.

Характеристики взаємодії заряджених частинок із речовиною: лінійна щільність іонізації, лінійна гальмівна здатність, середній лінійний пробіг. Проникаюча та іонізуюча здатність альфа, бета та гамма випромінювання.

Заряджені частинки, поширюючись у речовині, взаємодіють із електронами і ядрами, у результаті змінюється стан як речовини, і частинок.

Лінійна щільність іонізації- це відношення іонів знака dn, утворених заряджених іонізованою частинкою на елементарному шляху dL до довжини цього шляху. I=dn/dL.

Лінійна гальмівна здатність-це відношення енергії dE, що втрачається зарядженою іонізуючою частинкою при проходженні елементарного шляху dL до довжини цього шляху. S = dE/dL.

Середній лінійний пробіг-це відстань, яку іонізуюча частка проходить у речовині без зіткнення. R-середній лінійний пробіг.

Необхідно враховувати проникаючу здатність випромінювань. Наприклад, важкі ядра атомів та альфа-частинки мають вкрай малу довжину пробігу в речовині, тому радіоактивні альфа – джерела небезпечні при попаданні всередину організму. Навпаки, гамма-випромінювання має значну проникаючу здатність, оскільки складаються з високоенергетичних фотонів, що не мають заряду.

Проникаюча здатність всіх видів іонізуючого випромінювання залежить від енергії.