Radioaktiivse lagunemise seadus on radioaktiivse lagunemise aktiivsuse konstant. Radioaktiivse lagunemise põhiseadus

1. Radioaktiivsus. Radioaktiivse lagunemise põhiseadus. Tegevus.

2. Radioaktiivse lagunemise peamised liigid.

3. Ioniseeriva kiirguse ja aine vastasmõju kvantitatiivsed omadused.

4. Looduslik ja tehislik radioaktiivsus. Radioaktiivne seeria.

5. Radionukliidide kasutamine meditsiinis.

6. Laetud osakeste kiirendajad ja nende kasutamine meditsiinis.

7. Ioniseeriva kiirguse toime biofüüsikalised alused.

8. Põhimõisted ja valemid.

9. Ülesanded.

Arstide huvi loodusliku ja tehisliku radioaktiivsuse vastu on tingitud järgnevast.

Esiteks puutuvad kõik elusolendid pidevalt kokku loodusliku taustkiirgusega, mis moodustab kosmiline kiirgus, maakoore pindmistes kihtides paiknevate radioaktiivsete elementide kiirgus ning koos õhu ja toiduga loomade kehasse sattuvate elementide kiirgus.

Teiseks kasutatakse radioaktiivset kiirgust meditsiinis endas diagnostilistel ja ravieesmärkidel.

33.1. Radioaktiivsus. Radioaktiivse lagunemise põhiseadus. Tegevus

Radioaktiivsuse fenomeni avastas 1896. aastal A. Becquerel, kes jälgis uraanisooladest pärinevat tundmatu kiirguse spontaanset emissiooni. Peagi tegid E. Rutherford ja Curies kindlaks, et radioaktiivse lagunemise käigus kiirguvad He tuumad (α-osakesed), elektronid (β-osakesed) ja kõva elektromagnetkiirgus (γ-kiired).

1934. aastal avastati lagunemine positronite emissiooniga (β + -lagunemine) ja 1940. aastal avastati uut tüüpi radioaktiivsus - tuumade spontaanne lõhustumine: lõhustuv tuum laguneb samaaegse emissiooniga kaheks võrreldava massiga fragmendiks. neutronitest ja γ -kvant. Tuumade prootoni radioaktiivsust täheldati 1982. aastal.

Radioaktiivsus - mõne aatomituuma võime osakeste emissiooniga spontaanselt (spontaanselt) teiseneda teisteks tuumadeks.

Aatomituumad koosnevad prootonitest ja neutronitest, millel on üldnimetus - nukleonid. Prootonite arv tuumas määrab Keemilised omadused aatom ja seda tähistatakse Z-ga (see on seerianumber keemiline element). Nukleonide arvu tuumas nimetatakse massiarv ja tähistavad A. Nimetatakse sama aatomnumbri ja erineva massiarvuga tuumad isotoobid. Kõik ühe keemilise elemendi isotoobid omavad sama Keemilised omadused. Füüsikalised omadused isotoobid võivad olla väga erinevad. Isotoopide tähistamiseks kasutage kahe indeksiga keemilise elemendi sümbolit: A Z X. Alumine indeks on seerianumber, ülemine indeks on massiarv. Sageli jäetakse alamindeks välja, kuna seda tähistab elemendi sümbol ise. Näiteks kirjutavad nad 14 6 C asemel 14 C.

Tuuma lagunemisvõime sõltub selle koostisest. Samal elemendil võib olla nii stabiilseid kui ka radioaktiivseid isotoope. Näiteks süsiniku isotoop 12 C on stabiilne, kuid isotoop 14 C on radioaktiivne.

Radioaktiivne lagunemine on statistiline nähtus. Isotoobi lagunemisvõime iseloomustab lagunemise konstantλ.

Lagunemiskonstant- tõenäosus, et antud isotoobi tuum laguneb ajaühikus.

Tuuma lagunemise tõenäosus lühikese aja jooksul dt leitakse valemiga

Võttes arvesse valemit (33.1), saame avaldise, mis määrab lagunenud tuumade arvu:

Valemit (33.3) nimetatakse peamiseks radioaktiivse lagunemise seadus.

Radioaktiivsete tuumade arv väheneb aja jooksul vastavalt eksponentsiaalsele seadusele.

Praktikas hoopis lagunemise konstantλ sageli kasutatakse teist kogust, nn pool elu.

Pool elu(T) - aeg, mille jooksul see laguneb pool radioaktiivsed tuumad.

Poolväärtusaega kasutava radioaktiivse lagunemise seadus on kirjutatud järgmiselt:

Sõltuvuse graafik (33.4) on näidatud joonisel fig. 33.1.

Poolväärtusaeg võib olla väga pikk või väga lühike (sekundi murdosast mitme miljardi aastani). Tabelis Joonis 33.1 näitab mõne elemendi poolestusaega.

Riis. 33.1. Algaine tuumade arvu vähenemine radioaktiivse lagunemise ajal

Tabel 33.1. Mõne elemendi poolestusajad

Hindadeks radioaktiivsuse aste isotoop kasutada spetsiaalset kogust, mida nimetatakse tegevust.

Tegevus – südamike arv radioaktiivne ravim, lagunemine ajaühiku kohta:

SI tegevuse ühik on becquerel(Bq), 1 Bq vastab ühele lagunemissündmusele sekundis. Praktikas rohkem

lapsik mittesüsteemne tegevusüksus - curie(Ci), võrdne 1 g 226 Ra aktiivsusega: 1 Ci = 3,7x10 10 Bq.

Aja jooksul väheneb aktiivsus samamoodi, nagu väheneb lagunemata tuumade arv:

33.2. Radioaktiivse lagunemise peamised liigid

Radioaktiivsuse fenomeni uurimise käigus avastati 3 tüüpi radioaktiivsete tuumade poolt emiteeritud kiiri, mida nimetati α-, β- ja γ-kiirteks. Hiljem leiti, et α- ja β-osakesed on kahe produktid erinevat tüüpi radioaktiivne lagunemine ja y-kiired on nende protsesside kõrvalsaadus. Lisaks kaasnevad y-kiired keerulisemate tuumamuutustega, mida siin ei käsitleta.

Alfa lagunemine seisneb tuumade spontaanses transformatsioonis koos emissioonigaα -osakesed (heeliumi tuumad).

α-lagunemise skeem on kirjutatud kujul

kus X, Y on vastavalt ema- ja tütartuuma sümbolid. α-lagunemise kirjutamisel võite kirjutada "α" asemel "Tema".

Selle lagunemise ajal väheneb elemendi aatomarv Z 2 ja massiarv A 4 võrra.

α-lagunemise ajal moodustub tütartuum reeglina ergastatud olekus ja põhiolekusse üleminekul kiirgab γ-kvanti. Keeruliste mikroobjektide üldine omadus on see, et neil on diskreetne energiaseisundite kogum. See kehtib ka tuumade kohta. Seetõttu on ergastatud tuumade γ-kiirgusel diskreetne spekter. Järelikult on α-osakeste energiaspekter diskreetne.

Emiteeritud α-osakeste energia peaaegu kõigi α-aktiivsete isotoopide puhul jääb vahemikku 4-9 MeV.

Beeta lagunemine seisneb tuumade spontaanses transformatsioonis elektronide (või positronite) emissiooniga.

On kindlaks tehtud, et β-lagunemisega kaasneb alati neutraalse osakese - neutriino (või antineutriino) emissioon. See osake praktiliselt ei suhtle ainega ja seda enam ei käsitleta. Beeta-lagunemise käigus vabanev energia jaotub juhuslikult beetaosakese ja neutriino vahel. Seetõttu on β-kiirguse energiaspekter pidev (joonis 33.2).

Riis. 33.2.β-lagunemise energiaspekter

β-lagunemist on kahte tüüpi.

1. Elektroonilineβ - -lagunemine seisneb ühe tuumaneutroni muutumises prootoniks ja elektroniks. Sel juhul ilmub teine ​​osake ν" - antineutriino:

Tuumast lendavad välja elektron ja antineutriino. Elektroni β - lagunemise skeem on kirjutatud kujul

Elektroonilise β-lagunemise ajal suureneb Z-elemendi järjekorranumber 1 võrra, kuid massiarv A ei muutu.

β-osakeste energia jääb vahemikku 0,002-2,3 MeV.

2. Positroonβ + -lagunemine hõlmab ühe tuumaprootoni muutumist neutroniks ja positroniks. Sel juhul ilmub teine ​​osake ν - neutriino:

Elektronide püüdmine ise ioniseerivaid osakesi ei tooda, küll aga millega kaasneb röntgenikiirgus. See kiirgus tekib siis, kui sisemise elektroni neeldumisel vabanenud ruum täidetakse välisorbiidilt pärit elektroniga.

Gamma kiirgus on elektromagnetilise iseloomuga ja esindab footoneid lainepikkusegaλ ≤ 10-10 m.

Gammakiirgus ei ole iseseisev radioaktiivse lagunemise liik. Seda tüüpi kiirgusega kaasneb peaaegu alati mitte ainult α-lagunemine ja β-lagunemine, vaid ka keerulisemad tuumareaktsioonid. Seda ei painuta elektri- ja magnetväljad, sellel on suhteliselt nõrk ioniseeriv ja väga kõrge läbitungimisvõime.

33.3. Ioniseeriva kiirguse ja aine vastasmõju kvantitatiivsed omadused

Mõju radioaktiivne kiirgus elusorganismide kohta on seotud ionisatsioon, mida see kudedes põhjustab. Osakese ioniseerumisvõime sõltub nii selle tüübist kui ka energiast. Kui osake liigub ainesse sügavamale, kaotab see oma energia. Seda protsessi nimetatakse ionisatsiooni pärssimine.

Laetud osakese ja aine interaktsiooni kvantitatiivseks iseloomustamiseks kasutatakse mitmeid koguseid:

Kui osakese energia langeb alla ionisatsioonienergia, siis selle ioniseeriv toime lakkab.

Keskmine lineaarne läbisõit Laetud ioniseeriva osakese (R) - tee, mille see läbib aines enne ioniseerimisvõime kaotamist.

Vaatame mõnda omadused erinevat tüüpi kiirguse vastastikmõju ainega.

Alfa kiirgus

Alfaosake praktiliselt ei erine oma liikumise algsest suunast, kuna selle mass on mitu korda suurem

Riis. 33.3. Lineaarse ionisatsioonitiheduse sõltuvus teest, mille α-osake läbib keskkonnas

elektroni mass, millega see interakteerub. Kui see tungib sügavale ainesse, suureneb ionisatsioonitihedus kõigepealt ja millal jooksu lõpetamine (x = R) langeb järsult nullini (joon. 33.3). Seda seletatakse asjaoluga, et liikumiskiiruse vähenedes pikeneb aeg, mis ta veedab keskkonna molekuli (aatomi) läheduses. Sel juhul suureneb ionisatsiooni tõenäosus. Pärast seda, kui α-osakese energia muutub võrreldavaks molekulaarse soojusliikumise energiaga, haarab see aines kaks elektroni ja muutub heeliumi aatomiks.

Ionisatsiooniprotsessi käigus tekkinud elektronid eemalduvad reeglina α-osakeste rajalt ja põhjustavad sekundaarset ionisatsiooni.

α-osakeste koostoime tunnused vee ja pehmete kudedega on esitatud tabelis. 33.2.

Tabel 33.2. Ainega interaktsiooni karakteristikute sõltuvus α-osakeste energiast

Beeta kiirgus

Liikumiseks β -aineosakesi iseloomustab kõverjooneline ettearvamatu trajektoor. See on tingitud interakteeruvate osakeste masside võrdsusest.

Interaktsiooni omadused β -osakesed veega ja pehmete kudedega on esitatud tabelis. 33.3.

Tabel 33.3. Ainega interaktsiooni omaduste sõltuvus β-osakeste energiast

Sarnaselt α-osakestele suureneb β-osakeste ionisatsioonivõime energia vähenemisega.

Gamma kiirgus

Imendumine γ - aine kiirgus järgib eksponentsiaalset seadust, mis on sarnane röntgenkiirguse neeldumise seadusega:

Peamised imendumise eest vastutavad protsessid γ -kiirgus on fotoelektriline efekt ja Comptoni hajumine. Sel juhul moodustub suhteliselt väike arv vabu elektrone (esmane ionisatsioon), millel on väga kõrge energia. Need põhjustavad sekundaarset ionisatsiooni, mis on võrreldamatult kõrgem kui esmane.

33.4. Looduslik ja kunstlik

radioaktiivsus. Radioaktiivne seeria

Tingimused loomulik Ja kunstlik radioaktiivsus on tingimuslik.

Loomulik nimetatakse looduses eksisteerivate isotoopide radioaktiivsuseks või looduslike protsesside tulemusena tekkinud isotoopide radioaktiivsuseks.

Näiteks uraani radioaktiivsus on loomulik. Loomulik on ka atmosfääri ülemistes kihtides päikesekiirguse mõjul tekkiva süsiniku 14 C radioaktiivsus.

Kunstlik nimetatakse isotoopide radioaktiivsuseks, mis tekib inimtegevuse tagajärjel.

See on kõigi osakeste kiirendites toodetud isotoopide radioaktiivsus. See hõlmab ka pinnase, vee ja õhu radioaktiivsust, mis tekib aatomiplahvatuse ajal.

Looduslik radioaktiivsus

IN algperiood radioaktiivsuse uurimiseks saaksid teadlased kasutada vaid piisavas koguses maakivimites sisalduvaid looduslikke radionukliide (radioaktiivseid isotoope). suured hulgad: 232 Th, 235 U, 238 U. Nende radionukliididega algavad kolm radioaktiivset seeriat, mis lõpevad stabiilsete isotoopidega Pb. Seejärel avastati seeria, mis algas 237 Np-ga, lõpliku stabiilse tuumaga 209 Bi. Joonisel fig. Joonis 33.4 näitab rida, mis algab 238 U-ga.

Riis. 33.4. Uraani-raadiumi seeria

Selle seeria elemendid on inimese sisemise kiirguse peamine allikas. Näiteks 210 Pb ja 210 Po satuvad kehasse toiduga – need on koondunud kaladesse ja karploomadesse. Mõlemad isotoobid kogunevad samblikesse ja on seetõttu lihas põhjapõdrad. Looduslikest kiirgusallikatest on kõige olulisem 222 Rn – 226 Ra lagunemisel tekkiv raske inertgaas. See moodustab ligikaudu poole inimesele saadavast looduslikust kiirgusest. Maakoores moodustunud gaas imbub atmosfääri ja satub vette (lahustub hästi).

Kaaliumi radioaktiivne isotoop 40 K esineb pidevalt maakoores, mis on osa looduslikust kaaliumist (0,0119%). See element pärineb pinnasest taimede juurestiku kaudu ja koos taimse toiduga (teravili, värsked köögiviljad ja puuviljad, seened) – kehasse.

Teine loodusliku kiirguse allikas on kosmiline kiirgus (15%). Selle intensiivsus suureneb mägistel aladel atmosfääri kaitsva toime vähenemise tõttu. Loodusliku taustkiirguse allikad on loetletud tabelis. 33.4.

Tabel 33.4. Loodusliku radioaktiivse fooni komponent

33.5. Radionukliidide kasutamine meditsiinis

Radionukliidid nimetatakse radioaktiivseteks isotoopideks keemilised elemendid lühikese poolväärtusajaga. Selliseid isotoope looduses ei eksisteeri, seega saadakse kunstlikult. Kaasaegses meditsiinis kasutatakse radionukliide laialdaselt diagnostilistel ja ravieesmärkidel.

Diagnostiline rakendus mis põhineb teatud keemiliste elementide selektiivsel akumuleerumisel üksikute organite poolt. Näiteks jood on koondunud kilpnäärmesse ja kaltsium luudesse.

Nende elementide radioisotoopide kehasse viimine võimaldab tuvastada nende kontsentratsiooni piirkondi radioaktiivse kiirgusega ja seeläbi saada olulist diagnostilist teavet. Seda diagnostilist meetodit nimetatakse märgistatud aatomi meetodil.

Terapeutiline kasutamine radionukliidid põhineb ioniseeriva kiirguse hävitaval toimel kasvajarakkudele.

1. Gamma teraapia- suure energiaga γ-kiirguse (60 Co allikas) kasutamine sügaval paiknevate kasvajate hävitamiseks. Vältimaks pindmiste kudede ja elundite kahjulikku mõju, toimub kokkupuude ioniseeriva kiirgusega erinevatel seanssidel eri suundades.

2. Alfa teraapia- α-osakeste terapeutiline kasutamine. Nendel osakestel on märkimisväärne lineaarne ionisatsioonitihedus ja neid neelab isegi väike õhukiht. Seetõttu terapeutiline

Alfakiirte kasutamine on võimalik otsesel kokkupuutel elundi pinnaga või seespidisel manustamisel (nõela abil). Pinna kokkupuutel kasutatakse radoonravi (222 Rn): kokkupuude nahaga (vannid), seedeelunditega (joomine) ja hingamisteedega (sissehingamine).

Mõnel juhul meditsiiniline kasutamine α -osakesed on seotud neutronvoo kasutamisega. Selle meetodi abil viiakse esmalt koesse (kasvajasse) elemendid, mille tuumad neutronite mõjul kiirgavad. α -osakesed. Pärast seda kiiritatakse haiget elundit neutronite vooluga. Sel viisil α -osakesed tekivad otse elundi sees, millele need peaksid hävitavalt mõjuma.

Tabelis 33.5 on toodud mõnede meditsiinis kasutatavate radionukliidide omadused.

Tabel 33.5. Isotoopide omadused

33.6. Laetud osakeste kiirendid ja nende kasutamine meditsiinis

Kiirendi- paigaldis, milles elektri- ja magnetvälja mõjul toodetakse suure energiaga (sadadest keV kuni sadade GeV) laetud osakeste suunatud kiirteid.

Kiirendid loovad kitsas etteantud energia ja väikese ristlõikega osakeste kiired. See võimaldab teil pakkuda suunatud mõju kiiritatud objektidele.

Kiirendite kasutamine meditsiinis

Elektron- ja prootonkiirendeid kasutatakse meditsiinis kiiritusravis ja diagnostikas. Sel juhul kasutatakse nii kiirendatud osakesi endid kui ka kaasnevat röntgenikiirgust.

Bremsstrahlung röntgenikiirgus saadakse osakeste kiire suunamisel spetsiaalsele sihtmärgile, mis on röntgenikiirguse allikas. See kiirgus erineb röntgentorust oluliselt suurema kvantenergia poolest.

Sünkrotroni röntgenikiirgus tekib elektronide kiirendamisel ringkiirendites – sünkrotronides. Selline kiirgus on kõrge aste suunas.

Kiirete osakeste otsene mõju on seotud nende suure läbitungimisvõimega. Sellised osakesed läbivad pindmisi kudesid ilma tõsiseid kahjustusi tekitamata ja omavad teekonna lõpus ioniseerivat toimet. Valides sobiva osakeste energia, on võimalik kasvajaid etteantud sügavusel hävitada.

Kiirendite kasutusvaldkonnad meditsiinis on toodud tabelis. 33.6.

Tabel 33.6. Kiirendite kasutamine teraapias ja diagnostikas

33.7. Ioniseeriva kiirguse toime biofüüsikaline alus

Nagu eespool märgitud, on radioaktiivse kiirguse mõju bioloogilistele süsteemidele seotud molekulide ionisatsioon. Kiirguse interaktsiooni rakkudega võib jagada kolmeks järjestikuseks etapiks (etapp).

1. Füüsiline staadium koosneb energia ülekanne kiirgus bioloogilise süsteemi molekulidele, mille tulemuseks on nende ionisatsioon ja ergastumine. Selle etapi kestus on 10 -16 -10 -13 s.

2. Füüsikalis-keemiline etapp koosneb erinevat tüüpi reaktsioonidest, mis viivad ergastatud molekulide ja ioonide liigse energia ümberjaotumiseni. Selle tulemusena väga aktiivne

tooted: radikaalid ja uued ioonid koos lai valik keemilised omadused.

Selle etapi kestus on 10 -13 -10 -10 s.

3. Keemiline etapp - see on radikaalide ja ioonide vastastikmõju üksteise ja ümbritsevate molekulidega. Selles etapis moodustuvad erinevat tüüpi struktuurikahjustused, mis põhjustavad muutusi bioloogilistes omadustes: membraanide struktuur ja funktsioonid on häiritud; kahjustused tekivad DNA ja RNA molekulides.

Keemilise etapi kestus on 10 -6 -10 -3 s.

4. Bioloogiline staadium. Selles etapis põhjustab molekulide ja subtsellulaarsete struktuuride kahjustus erinevaid funktsionaalseid häireid, enneaegset rakusurma apoptootiliste mehhanismide toimel või nekroosi tõttu. Bioloogilises staadiumis saadud kahjustused võivad olla pärilikud.

Bioloogilise etapi kestus on mõnest minutist kümnete aastateni.

Märgime bioloogilise staadiumi üldisi mustreid:

Suured häired madala neelduva energiaga (inimesele surmav kiirgusdoos põhjustab keha kuumenemise vaid 0,001°C võrra);

Mõju järgmistele põlvkondadele raku päriliku aparaadi kaudu;

Iseloomustab varjatud, varjatud periood;

Erinevatel rakkude osadel on erinev tundlikkus kiirgusele;

Esiteks mõjutab see jagunevaid rakke, mis on eriti ohtlik lapse kehale;

Kahjulik mõju täiskasvanud organismi kudedele, kus toimub jagunemine;

Kiirgusmuutuste sarnasus varajase vananemise patoloogiaga.

33.8. Põhimõisted ja valemid

Tabeli jätk

33.9. Ülesanded

1. Milline on ravimi aktiivsus, kui 10 minuti jooksul laguneb 10 000 selle aine tuuma?

4. Muistsete puiduproovide vanust saab ligikaudselt määrata neis leiduva 14 6 C isotoobi erimassiaktiivsuse järgi. Mitu aastat tagasi raiuti maha puu, millest eseme valmistati, kui selles sisalduva süsiniku erimassiaktiivsus on 75% kasvava puu erimassiaktiivsusest? Radooni poolestusaeg on T = 5570 aastat.

9. Pärast Tšernobõli avariid oli pinnase saastatus radioaktiivse tseesium-137-ga kohati 45 Ci/km 2 .

Mitme aasta pärast väheneb aktiivsus nendes kohtades suhteliselt ohutu tasemeni 5 Ci/km 2? Tseesium-137 poolestusaeg on T = 30 aastat.

10. Jood-131 lubatud aktiivsus inimese kilpnäärmes ei tohiks olla suurem kui 5 nCi. Mõned inimesed, kes olid tsoonis Tšernobõli katastroof, jõudis jood-131 aktiivsus 800 nCi-ni. Mitme päeva pärast vähenes aktiivsus normaalseks? Jood-131 poolväärtusaeg on 8 päeva.

11. Looma veremahu määramiseks kasutatakse järgmist meetodit. Loomalt võetakse väike kogus verd, punased verelibled eraldatakse plasmast ja asetatakse lahusesse koos radioaktiivse fosforiga, mida punased verelibled omastavad. Märgistatud punased verelibled viiakse uuesti looma vereringesse ja mõne aja pärast määratakse vereproovi aktiivsus.

ΔV = 1 ml sellist lahust süstiti mõne looma verre. Selle mahu esialgne aktiivsus oli võrdne A 0 = 7000 Bq. Päev hiljem looma veenist võetud 1 ml vere aktiivsus võrdub 38 impulsiga minutis. Määrake looma veremaht, kui radioaktiivse fosfori poolestusaeg on T = 14,3 päeva.

Radioaktiivsus

Ioniseeriv kiirgus

Kiirgusefektid

Maa on pideva kiirete osakeste ja kõvade kvantide voo mõju all elektromagnetiline kiirgus kosmosest pärit. Seda voolu nimetatakse kosmilisteks kiirteks. Kosmilised kiired tulevad universumi sügavustest ja Päikeselt. Osa kosmilisest kiirtevoost jõuab Maa pinnale ja osa neeldub atmosfääris, tekitades sekundaarset kiirgust ja põhjustades erinevate radionukliidide teket. Kosmiliste kiirte koostoime ainega viib selle ioniseerumiseni.

Osakeste voogu ehk elektromagnetilisi kvante, mille interaktsioon keskkonnaga viib selle aatomite ioniseerumiseni, nimetatakse ioniseeriv kiirgus.

Ioniseeriv kiirgus võib olla ka maapealset päritolu. Näiteks tekivad radioaktiivse lagunemise ajal.

Radioaktiivsuse fenomeni avastas 1896. aastal A. Becquerel.

Radioaktiivsus - mõne aatomituuma võime osakeste emissiooniga spontaanselt (spontaanselt) teiseneda teisteks tuumadeks.

Radioaktiivsust on kahte tüüpi:

Looduslik, mida leidub looduslikes ebastabiilsetes tuumades;

Kunstlik, mida leidub erinevate tuumareaktsioonide tulemusena tekkinud radioaktiivsetes tuumades.

Mõlemal radioaktiivsuse tüübil on ühised mustrid.

Radioaktiivne lagunemine on statistiline nähtus. Saab paigaldada tõenäosusühe tuuma lagunemine teatud aja jooksul. Võrdsete ajavahemike jooksul lagunevad võrdsed osad olemasolevatest (st need, mis ei ole teatud ajaperioodi alguses veel lagunenud) tuumad radioaktiivne element.

Laske lühikese aja jooksul sisse dt laguneb laiali dN südamikud. See arv on võrdeline ajaintervalliga dt ja radioaktiivsete tuumade koguarv N:

kus λ - lagunemise konstant, võrdeline radioaktiivse tuuma lagunemise tõenäosusega ja sõltuvalt elemendi olemusest; "-" märk näitab väheneb radioaktiivsete tuumade arv.

Otsuse järgi diferentsiaalvõrrand(12.23) on eksponentsiaalne funktsioon:

Kus N 0- radioaktiivsete tuumade arv hetkel t = 0, a N- lagunemata tuumade arv praegusel ajal t.

Valem (12.24) väljendab radioaktiivse lagunemise seadust.

Radioaktiivsete tuumade arv väheneb aja jooksul vastavalt eksponentsiaalseadusele.

Praktikas kasutatakse lagunemiskonstandi A asemel sageli teist väärtust, nn pool elu.

Poolväärtusaeg (T)- see on aeg, mille jooksul see laguneb pool radioaktiivsed tuumad.

Poolväärtusaeg võib olla väga pikk või väga lühike. Näiteks uraani jaoks T = 4,5 10 9 aastat ja liitiumi puhul T Li = 0,89 s.

Lagunemise omadused T ja λ on seotud:

Poolväärtusaega kasutava radioaktiivse lagunemise seadus on kirjutatud järgmiselt:

Joonisel fig. Joonisel 12.7 on näidatud kahe erineva poolestusajaga aine radioaktiivsed lagunemisprotsessid.

Riis. 12.7. Algaine tuumade arvu vähenemine radioaktiivse lagunemise ajal

Loeng 2. Radioaktiivse lagunemise põhiseadus ja radionukliidide aktiivsus

Radionukliidide lagunemise kiirus on erinev – ühed lagunevad kiiremini, teised aeglasemalt. Radioaktiivse lagunemise kiiruse indikaator on radioaktiivse lagunemise konstant, λ [sek-1], mis iseloomustab ühe aatomi lagunemise tõenäosust ühe sekundi jooksul. Iga radionukliidi puhul on lagunemiskonstandil oma väärtus, mida suurem see on, seda kiiremini lagunevad aine tuumad.

Radioaktiivses proovis ajaühikus registreeritud lagunemiste arvu nimetatakse tegevust (a ) või proovi radioaktiivsust. Aktiivsuse väärtus on otseselt võrdeline aatomite arvuga N radioaktiivne aine:

a =λ· N , (3.2.1)

Kus λ – radioaktiivse lagunemise konstant, [sek-1].

Praegu, vastavalt praegusele Rahvusvaheline süsteem SI ühikud, mida võetakse radioaktiivsuse mõõtühikuna becquerel [Bk]. See üksus sai oma nime prantsuse teadlase Henri Becquereli auks, kes avastas 1856. aastal uraani loodusliku radioaktiivsuse nähtuse. Üks bekerell võrdub ühe lagunemisega sekundis 1 Bk = 1 .

Siiski kasutatakse endiselt sageli mittesüsteemilist tegevusühikut – curie [Ki], mille Curie’d võtsid kasutusele ühe grammi raadiumi lagunemiskiiruse mõõdikuna (milles toimub ~3,7 1010 lagunemist sekundis), mistõttu

1 Ki= 3,7·1010 Bk.

See seade on mugav suurte radionukliidide koguste aktiivsuse hindamiseks.

Radionukliidide kontsentratsiooni vähenemine aja jooksul lagunemise tagajärjel on eksponentsiaalne:

, (3.2.2)

Kus N t– aja möödudes järelejäänud radioaktiivse elemendi aatomite arv t pärast vaatluse algust; N 0 - aatomite arv esialgsel ajahetkel ( t =0 ); λ – radioaktiivse lagunemise konstant.

Kirjeldatud sõltuvust nimetatakse radioaktiivse lagunemise põhiseadus .

Aeg, mis kulub pooleks koguarv radionukliidid nimetatakse pool elu T½ . Pärast ühte poolväärtusaega jääb 100 radionukliidi aatomist alles vaid 50 (joonis 2.1). Järgmisel sarnasel perioodil jääb neist 50 aatomist alles vaid 25 jne.

Seos poolestusaja ja lagunemiskonstandi vahel tuletatakse radioaktiivse lagunemise põhiseaduse võrrandist:

juures t=T½ Ja

saame https://pandia.ru/text/80/150/images/image006_47.gif" width="67" height="41 src="> Þ ;

https://pandia.ru/text/80/150/images/image009_37.gif" width="76" height="21">;

st..gif" width="81" height="41 src=">.

Seetõttu saab radioaktiivse lagunemise seaduse kirjutada järgmiselt:

https://pandia.ru/text/80/150/images/image013_21.gif" width="89" height="39 src=">, (3.2.4)

Kus juures - uimastite aktiivsus aja jooksul t ; a0 - ravimi aktiivsus esialgsel vaatlushetkel.

Sageli on vaja määrata mis tahes radioaktiivse aine teatud koguse aktiivsus.

Pidage meeles, et aine koguse ühik on mool. Mool on aine kogus, mis sisaldab sama arvu aatomeid kui 0,012 kg = 12 g süsiniku isotoobis 12C.

Üks mool mis tahes ainest sisaldab Avogadro numbrit N.A. aatomid:

N.A. = 6,02·1023 aatomit.

Sest lihtsad ained(elemendid) ühe mooli massile vastab arvuliselt aatommass A element

1 mol = A G.

Näiteks: Magneesiumi puhul: 1 mol 24Mg = 24 g.

226Ra puhul: 1 mol 226Ra = 226 g jne.

Võttes arvesse öeldut m ainet grammides N aatomid:

https://pandia.ru/text/80/150/images/image015_20.gif" width="156" height="43 src="> (3.2.6)

Näide: Arvutame 1 grammi 226Ra aktiivsuse, mis λ = 1,38·10-11 sek-1.

a= 1,38·10-11·1/226·6,02·1023 = 3,66·1010 Bq.

Kui kompositsioonis on radioaktiivne element keemiline ühend, siis tuleb ravimi aktiivsuse määramisel arvestada selle valemiga. Võttes arvesse aine koostist, määratakse massiosa χ radionukliid aines, mis määratakse suhtega:

https://pandia.ru/text/80/150/images/image017_17.gif" width="118" height="41 src=">

Näide probleemi lahendamisest

Seisukord:

Tegevus A0 radioaktiivne element 32P vaatluspäevas on 1000 Bk. Määrake nädala pärast selle elemendi aktiivsus ja aatomite arv. Pool elu T½ 32P = 14,3 päeva.

Lahendus:

a) Leiame fosfor-32 aktiivsuse 7 päeva pärast:

https://pandia.ru/text/80/150/images/image019_16.gif" width="57" height="41 src=">

Vastus: nädala pärast on ravimi 32P aktiivsus 712 Bk, ja radioaktiivse isotoobi 32P aatomite arv on 127,14·106 aatomit.

Kontrollküsimused

1) Mis on radionukliidi aktiivsus?

2) Nimetage radioaktiivsuse ühikud ja nendevaheline seos.

3) Mis on radioaktiivse lagunemise konstant?

4) Määratlege radioaktiivse lagunemise põhiseadus.

5) Mis on poolestusaeg?

6) Milline on seos radionukliidi aktiivsuse ja massi vahel? Kirjutage valem.

Ülesanded

1. Arvutage tegevus 1 G 226Ra. T½ = 1602 aastat.

2. Arvutage tegevus 1 G 60Co. T½ = 5,3 aastat.

3. Üks M-47 tanki kest sisaldab 4.3 kg 238U. Т½ = 2,5·109 aastat. Määrake mürsu aktiivsus.

4. Arvutage 137Cs aktiivsus 10 aasta pärast, kui see algsel vaatlushetkel võrdub 1000 Bk. T½ = 30 aastat.

5. Arvutage 90Sr aktiivsus aasta tagasi, kui see on praegu võrdne 500-ga Bk. T½ = 29 aastat.

6. Millise tegevuse 1 loob? kg radioisotoop 131I, T½ = 8,1 päeva?

7. Määrake võrdlusandmete põhjal 1. tegevus G 238U. Т½ = 2,5·109 aastat.

Määrake võrdlusandmete abil tegevus 1 G 232th, Т½ = 1,4·1010 aastat.

8. Arvutage ühendi aktiivsus: 239Pu316O8.

9. Arvutage radionukliidi mass, mille aktiivsus on 1 Ki:

9.1. 131I, T1/2 = 8,1 päeva;

9.2. 90Sr, T1/2=29 aastat;

9.3. 137Cs, Т1/2=30 aastat;

9.4. 239Pu, Т1/2=2,4·104 aastat.

10. Määrake mass 1 mCi radioaktiivne süsiniku isotoop 14C, T½ = 5560 aastat.

11. On vaja valmistada fosfori 32P radioaktiivne preparaat. Millise aja möödudes jääb alles 3% ravimist? Т½ = 14,29 päeva.

12. Looduslik kaaliumisegu sisaldab 0,012% 40K radioaktiivset isotoopi.

1) Määrake loodusliku kaaliumi mass, mis sisaldab 1 Ki 40K. Т½ = 1,39·109 aastat = 4,4·1018 sek.

2) Arvutage pinnase radioaktiivsus 40K abil, kui on teada, et mullaproovis on kaaliumisisaldus 14 kg/t.

13. Mitu poolestusaega on vaja, et radioisotoobi algaktiivsus väheneks 0,001%-ni?

14. Et määrata 238U mõju taimedele, leotati seemneid 100 ml lahus UO2(NO3)2 6H2O, milles radioaktiivse soola mass oli 6 G. Määrake 238U aktiivsus ja eriaktiivsus lahuses. Т½ = 4,5·109 aastat.

15. Tuvastage 1. tegevus grammi 232th, Т½ = 1,4·1010 aastat.

16. Määrake mass 1 Ki 137Cs, Т1/2=30 aastat.

17. Kaaliumi stabiilsete ja radioaktiivsete isotoopide sisalduse suhe looduses on püsiv väärtus. 40K sisaldus on 0,01%. Arvutage pinnase radioaktiivsus 40K abil, kui on teada, et mullaproovis on kaaliumisisaldus 14 kg/t.

18. Keskkonna litogeenne radioaktiivsus tekib peamiselt ajal loe kolm peamised looduslikud radionukliidid: 40K, 238U, 232Th. Radioaktiivsete isotoopide osatähtsus isotoopide looduslikus summas on vastavalt 0,01, 99,3, ~100. Radioaktiivsuse arvutamine 1 T muld, kui on teada, et suhteline kaaliumisisaldus mullaproovis on 13600 g/t, uraan – 1·10-4 g/t, toorium – 6·10-4 g/t.

19. Kahepoolmeliste molluskite kestadest leiti 23 200 Bq/kg 90Sr. Määrake proovide aktiivsus 10, 30, 50, 100 aasta pärast.

20. Tšernobõli tsooni suletud veehoidlate peamine reostus leidis aset esimesel aastal pärast tuumaelektrijaama avariid. Järve põhjasetetes. Azbuchin avastas 1999. aastal 137Cs eriaktiivsusega 1,1·10 Bq/m2. Määrata mahalangenud 137Cs kontsentratsioon (aktiivsus) põhjasetete m2 kohta seisuga 1986-1987. (12 aastat tagasi).

21. 241Am (T½ = 4,32·102 aastat) moodustub 241Pu-st (T½ = 14,4 aastat) ja on aktiivne geokeemiline rändaja. Kasu lõikama võrdlusmaterjalid, arvutage 1% täpsusega plutoonium-241 aktiivsuse vähenemine ajas, mis aastal pärast Tšernobõli katastroofi tekkis 241Am keskkond saab olema maksimaalne.

22. Arvutage 241Am aktiivsus Tšernobõli reaktori emissioonides aprilli seisuga
2015 tingimusel, et 1986. aasta aprillis oli 241Am aktiivsus 3,82 1012 Bk,Т½ = 4,32·102 aastat.

23. Mullaproovidest leiti 390 nCi/kg 137Cs. Arvutage proovide aktiivsus 10, 30, 50, 100 aasta pärast.

24. Järvepõhja reostuse keskmine kontsentratsioon. Tšernobõli keelutsoonis asuv Glubokoje on 6,3 104 Bk 241Am ja 7,4·104 238+239+240Pu 1 m2 kohta. Arvutage, mis aastal need andmed saadi.

Under radioaktiivne lagunemine või lihtsalt lagunemine, mõista tuumade loomulikku radioaktiivset transformatsiooni, mis toimub spontaanselt. Radioaktiivset lagunemist läbivat aatomituuma nimetatakse emalik, tärkav tuum - tütarettevõtted.

Radioaktiivse lagunemise teooria põhineb eeldusel, et radioaktiivne lagunemine on spontaanne protsess, mis järgib statistika seadusi. Kuna üksikud radioaktiivsed tuumad lagunevad üksteisest sõltumatult, võime eeldada, et tuumade arv d N, lagunes keskmiselt ajavahemikul alates t enne t + dt, võrdeline ajavahemikuga dt ja number N tol ajal lagunemata tuumad t:

kus on antud radioaktiivse aine konstantne väärtus, nn radioaktiivse lagunemise konstant; miinusmärk näitab seda koguarv radioaktiivsed tuumad vähenevad lagunemisprotsessi käigus.

Muutujaid eraldades ja integreerides, s.o.

(256.2)

kus on lagunemata tuumade esialgne arv (hetkel t = 0), N- lagunemata tuumade arv korraga t. Valem (256.2) väljendab radioaktiivse lagunemise seadus, mille kohaselt lagunemata tuumade arv väheneb aja jooksul eksponentsiaalselt.

Radioaktiivse lagunemisprotsessi intensiivsust iseloomustavad kaks suurust: radioaktiivse tuuma poolestusaeg ja keskmine eluiga. Pool elu– aeg, mille jooksul radioaktiivsete tuumade esialgne arv väheneb keskmiselt poole võrra. Seejärel vastavalt (256.2)

Looduslikult radioaktiivsete elementide poolestusajad ulatuvad kümnest miljondikust sekundist paljude miljardite aastateni.

Kogu eeldatav eluiga dN südamikud on võrdne . Olles integreerinud selle väljendi üle kõige võimaliku t(st 0-st kuni) ja jagades tuumade esialgse arvuga, saame keskmine eluiga radioaktiivne tuum:

(arvestatud (256,2)). Seega on radioaktiivse tuuma keskmine eluiga radioaktiivse lagunemise konstandi pöördväärtus.

Tegevus A nukliid (üldnimetus aatomituumad, mis erinevad prootonite arvu poolest Z ja neutronid N) radioaktiivses allikas on lagunemiste arv, mis toimub proovi tuumadega 1 sekundi jooksul:

(256.3)

SI tegevuse ühik on becquerel(Bq): 1 Bq - nukliidi aktiivsus, mille korral toimub üks lagunemissündmus 1 sekundi jooksul. Ikka veel sees tuumafüüsika Kasutatakse ka radioaktiivses allikas oleva nukliidi aktiivsuse süsteemivälist ühikut - curie(Ci): 1 Ci = 3,7 × 10 10 Bq. Radioaktiivne lagunemine toimub vastavalt nn nihkumise reeglid, mis võimaldab meil kindlaks teha, milline tuum tekib antud lähtetuuma lagunemise tulemusena. Tasaarvestuse reeglid:

Sest - lagunemine

(256.4)

Sest - lagunemine

(256.5)

kus on ematuum, Y on tütartuuma sümbol, on heeliumi tuum (-osake), on elektroni sümboolne tähis (selle laeng on –1 ja massiarv null). Nihkereeglid ei ole midagi muud kui kahe radioaktiivse lagunemise ajal kehtiva seaduse – elektrilaengu jäävuse ja massiarvu säilimise – tagajärg: tekkivate tuumade ja osakeste laengute (massiarvude) summa on võrdne laenguga. (massiarv) algtuuma.

Radioaktiivse lagunemise tagajärjel tekkivad tuumad võivad omakorda olla radioaktiivsed. See viib tekkimiseni ketid, või seeria, radioaktiivsed transformatsioonid lõpetades stabiilse elemendiga. Sellise ahela moodustavate elementide kogumit nimetatakse radioaktiivne perekond.

Nihkereeglitest (256.4) ja (256.5) järeldub, et -lagunemise ajal massiarv väheneb 4 võrra, kuid ei muutu -lagunemise ajal. Seetõttu on sama radioaktiivse perekonna kõigi tuumade puhul massiarvu 4-ga jagamisel jääk sama. Seega on neli erinevat radioaktiivset perekonda, millest igaühe massiarvud on antud ühega järgmistest valemitest:

A = 4n, 4n+1, 4n+2, 4n+3,

Kus P on positiivne täisarv. Perekondi nimetab pikima elueaga (pikima poolestusajaga) "esivanem": tooriumi (alates), neptuuniumi (alates), uraani (alates) ja merianemooni (alates) perekonnad. Lõplikud nukliidid on vastavalt , , , st ainuke neptuuniumi perekond (kunstlikult radioaktiivsed tuumad) lõpeb nukliidiga Bi ja kõik ülejäänud (loomulikult radioaktiivsed tuumad) on nukliidid Pb.

§ 257. Lagunemise seadused

Praegu on teada üle kahesaja aktiivse tuuma, peamiselt rasked ( A > 200, Z> 82). Ainult väike rühm -aktiivseid tuumasid esineb piirkondades, kus A= 140 ¸ 160 ( haruldased muldmetallid). -Lagunemine järgib nihkereeglit (256.4). Lagunemise näide on uraani isotoobi lagunemine koos moodustumisega Th:

Lagunemisel eralduvate osakeste kiirused on väga suured ja jäävad erinevate tuumade puhul vahemikku 1,4 × 10 7 kuni 2 × 10 7 m/s, mis vastab energiatele 4–8,8 MeV. Kaasaegsete kontseptsioonide kohaselt tekivad -osakesed radioaktiivse lagunemise hetkel, kui kohtuvad kaks tuuma sees liikuvat prootonit ja kaks neutronit.

Konkreetse tuuma poolt emiteeritud osakestel on tavaliselt teatud energia. Peenemad mõõtmised on aga näidanud, et antud radioaktiivse elemendi poolt kiiratavate -osakeste energiaspekter on "peenstruktuuriga", st kiirgub mitu osakeste rühma ja igas rühmas on nende energia praktiliselt konstantne. -osakeste diskreetne spekter näitab, et aatomituumadel on diskreetne energiatase.

-lagunemist iseloomustab tugev seos poolestusaja ja energia vahel E lendavad osakesed. See suhe määratakse empiiriliselt Geiger-Nattalli seadus(1912) (D. Nattall (1890-1958) - inglise füüsik, H. Geiger (1882-1945) - saksa füüsik), mida tavaliselt väljendatakse seosena läbisõit(vahemaa, mille aines osake läbib enne selle täielikku seiskumist) - osakesed õhus ja radioaktiivse lagunemise konstant:

(257.1)

Kus A Ja IN- empiirilised konstandid, . Vastavalt (257.1) on radioaktiivse elemendi poolestusaeg lühem, seda suurem on tema poolt kiiratavate osakeste ulatus ja seega ka energia. Õhus leiduvate osakeste ulatus (at normaalsetes tingimustes) on mitu sentimeetrit, rohkem tihedad keskkonnad see on palju väiksem, ulatudes millimeetri sajandikku (-osakesi saab kinni pidada tavalise paberilehega).

Rutherfordi katsed -osakeste hajumise kohta uraani tuumadel näitasid, et -osakesed energiaga kuni 8,8 MeV kogevad Rutherfordi hajumist tuumadel, st tuumadest pärit -osakestele mõjuvaid jõude kirjeldab Coulombi seadus. Seda tüüpi osakeste hajumine näitab, et nad ei ole veel tuumajõudude toimepiirkonda sisenenud, st võime järeldada, et tuuma ümbritseb potentsiaalse barjäär, mille kõrgus ei ole väiksem kui 8,8 MeV. Teisest küljest on uraani poolt eralduvate osakeste energia 4,2 MeV. Järelikult lendavad -osakesed -radioaktiivsest tuumast välja energiaga, mis on märgatavalt madalam kui potentsiaalse barjääri kõrgus. Klassikaline mehaanika ei suutnud seda tulemust seletada.

Selgitus -lagunemine antud kvantmehaanika, mille kohaselt on osakese emissioon tuumast võimalik tänu tunneliefektile (vt §221) - osakese tungimine läbi potentsiaalse barjääri. Alati on nullist erinev tõenäosus, et seda läbib osake, mille energia on väiksem kui potentsiaalbarjääri kõrgus, st radioaktiivsest tuumast võivad osakesed välja lennata energiaga, mis on väiksem kui potentsiaalse barjääri kõrgus . See efekt on täielikult tingitud -osakeste lainelisest olemusest.

Osakese potentsiaalibarjääri läbimise tõenäosuse määrab selle kuju ja see arvutatakse Schrödingeri võrrandi alusel. Lihtsamal juhul ristkülikukujuliste vertikaalsete seintega potentsiaalse barjääri puhul (vt joonis 298, A) läbipaistvuskoefitsient, mis määrab selle läbimise tõenäosuse, määratakse eelnevalt käsitletud valemiga (221.7):

Seda avaldist analüüsides näeme, et läbipaistvuskoefitsient D mida pikem (seega lühem poolväärtusaeg), seda väiksem on kõrgus ( U) ja laius ( l) barjäär jääb -osakese teele. Lisaks, sama potentsiaalikõvera korral, mida suurem on osakese energia, seda väiksem on takistus selle teele. E. Seega on Geigeri-Nattalli seadus kvalitatiivselt kinnitatud (vt (257.1)).

§ 258. -Lagunemine. Neutriino

Nähtus -laguneb (tulevikus näidatakse, et on olemas ja (-lagunemine) järgib nihkereeglit (256.5))

ja on seotud elektroni vabanemisega. Pidime lagunemise tõlgendamisel ületama mitmeid raskusi.

Esiteks oli vaja põhjendada lagunemisprotsessi käigus emiteeritud elektronide päritolu. Tuuma prooton-neutron struktuur välistab elektroni tuumast väljapääsu võimaluse, kuna tuumas ei ole elektrone. Eeldus, et elektronid lendavad välja mitte tuumast, vaid elektronkihist, on alusetu, kuna siis tuleks jälgida optilist või röntgenkiirgust, mida katsed ei kinnita.

Teiseks oli vaja selgitada emiteeritud elektronide energiaspektri pidevust (kõikidele isotoopidele tüüpiline -osakeste energiajaotuse kõver on näidatud joonisel 343).

Kuidas saavad aktiivsed tuumad, millel on täpselt määratletud energia enne ja pärast lagunemist, väljutada elektrone, mille energiaväärtus on nullist teatud maksimumini? See tähendab, et emiteeritud elektronide energiaspekter on pidev? Hüpotees, et -lagunemise ajal lahkuvad elektronid tuumast rangelt määratletud energiaga, kuid mõne sekundaarse interaktsiooni tulemusena kaotavad nad ühe või teise osa oma energiast, nii et nende algne diskreetne spekter muutub pidevaks, lükati ümber otsese kalorimeetria abil. katsed. Kuna maksimaalse energia määrab ema- ja tütartuumade masside erinevus, siis laguneb, milles elektroni energia< , как бы протекают с нарушением закона сохранения энергии. Н. Бор даже пытался обосновать это нарушение, высказывая предположение, что закон сохранения энергии носит статистический характер и выполняется лишь в среднем для большого числа элементарных процессов. Отсюда видно, насколько принципиально важно было разрешить это затруднение.

Kolmandaks oli vaja tegeleda spinni mittesäilimisega -lagunemise ajal. -lagunemise ajal nukleonide arv tuumas ei muutu (kuna massiarv ei muutu A), seega tuuma spinn, mis võrdub paarisarvuga täisarvuga A ja pooltäisarv paaritu jaoks A. Spinniga /2 elektroni vabanemine peaks aga muutma tuuma spinni koguse /2 võrra.

Viimased kaks raskust viisid W. Pauli hüpoteesini (1931), et -lagunemise ajal emiteeritakse koos elektroniga veel üks neutraalne osake - neutriino. Neutriinol on nulllaeng, spin /2 ja null (või õigemini< 10 -4 ) массу покоя; обозначается . Впоследствии оказалось, что при - lagunemine, ei eraldu neutriinosid, vaid antineutriino(antiosake neutriinode suhtes; tähistatud ).

Hüpotees neutriinode olemasolust võimaldas E. Fermil luua -lagunemise teooria (1934), mis on suures osas säilitanud oma tähtsuse tänapäevani, kuigi neutriinode olemasolu tõestati eksperimentaalselt rohkem kui 20 aastat hiljem (1956). Nii pikka neutriinode otsimist seostatakse suurte raskustega neutriinode elektrilaengu ja massi puudumise tõttu. Neutriino on ainus osake, mis ei osale ei tugevas ega elektromagnetilises vastasmõjus; Ainus interaktsiooni tüüp, milles neutriinod võivad osaleda, on nõrk interaktsioon. Seetõttu on neutriinode otsene jälgimine väga keeruline. Neutriinode ioniseerimisvõime on nii madal, et 500 km läbitud teekonna kohta toimub üks ionisatsioonisündmus õhus. Neutriinode läbitungimisvõime on nii tohutu (1 MeV energiaga neutriinode leviala pliis on umbes 1018 m!), mis teeb nende osakeste seadmetes sisaldumise keeruliseks.

Neutriinode (antineutriinode) eksperimentaalseks tuvastamiseks kasutati seetõttu kaudset meetodit, mis põhines asjaolul, et reaktsioonides (sealhulgas neutriinodega seotud) on impulsi jäävuse seadus täidetud. Nii avastati neutriinod, uurides aatomituumade tagasilööki lagunemise ajal. Kui tuuma lagunemise ajal paiskub välja antineutriino koos elektroniga, siis kolme impulsi - tagasilöögituuma, elektroni ja antineutriino - vektorsumma peaks olema võrdne nulliga. Seda on tõepoolest kogemus kinnitanud. Neutriinode otsene tuvastamine sai võimalikuks alles palju hiljem, pärast võimsate reaktorite tulekut, mis võimaldasid saada intensiivseid neutriinovooge.

Neutriinode (antineutriinode) kasutuselevõtt võimaldas mitte ainult selgitada spinni näilist mittesäilivust, vaid mõista ka väljapaisatud elektronide energiaspektri järjepidevuse küsimust. -osakeste pidev spekter tuleneb energia jaotusest elektronide ja antineutriinode vahel ning mõlema osakese energiate summa on võrdne . Mõne lagunemise korral saab antineutriino rohkem energiat, teistes - elektron; kõvera piiripunktis joonisel fig. 343, kus elektroni energia on võrdne , kannab elektron ära kogu lagunemisenergia ja antineutriinoenergia on null.

Lõpuks käsitleme elektronide päritolu küsimust lagunemise ajal. Kuna elektron ei lenda tuumast välja ega pääse aatomi kestast välja, siis eeldati, et elektron sünnib tuuma sees toimuvate protsesside tulemusena. Kuna -lagunemise käigus nukleonide arv tuumas ei muutu, a Z suureneb ühe võrra (vt (256.5)), siis on ainus võimalus nende tingimuste samaaegseks rakendamiseks ühe neutroni - aktiivse tuuma - muundumine prootoniks koos elektroni moodustumise ja antineutriino emissiooniga:

(258.1)

Selle protsessiga kaasneb looduskaitseseaduste täitmine elektrilaengud, impulsi ja massi arvud. Lisaks on see muundumine energeetiliselt võimalik, kuna neutroni ülejäänud mass ületab vesinikuaatomi massi, st prootoni ja elektroni koos. See masside erinevus vastab energiale, mis on võrdne 0,782 MeV. Tänu sellele energiale võib toimuda neutroni spontaanne muundumine prootoniks; energia jaotub elektroni ja antineutriino vahel.

Kui neutroni muundumine prootoniks on energeetiliselt soodne ja üldiselt võimalik, siis tuleks jälgida vabade neutronite (ehk tuumast väljapoole jäävate neutronite) radioaktiivset lagunemist. Selle nähtuse avastamine oleks väidetud lagunemisteooria kinnitus. Tõepoolest, 1950. aastal tekkivates suure intensiivsusega neutronivoogudes tuumareaktorid, avastati vabade neutronite radioaktiivne lagunemine, mis toimub vastavalt skeemile (258.1). Saadud elektronide energiaspekter vastas joonisel fig. 343 ja elektronide energia ülempiir osutus võrdseks ülal arvutatuga (0,782 MeV).

Eeltingimus radioaktiivne lagunemine on see, et algtuuma mass peab ületama lagunemissaaduste masside summat. Seetõttu toimub iga radioaktiivne lagunemine koos energia vabanemisega.

Radioaktiivsus jagatud looduslikeks ja tehislikeks. Esimene on seotud radioaktiivsete tuumadega, mis on olemas looduslikud tingimused, teine ​​- tuumareaktsioonide kaudu saadud tuumadele laboritingimustes. Põhimõtteliselt ei erine nad üksteisest.

Peamised radioaktiivsuse tüübid hõlmavad α-, β- ja γ-lagunemist. Enne nende üksikasjalikumat iseloomustamist vaatleme nende protsesside toimumise seadust ajas, mis on ühine kõikidele radioaktiivsuse tüüpidele.

Identsed tuumad lagunevad erinevatel aegadel, mida ei saa ette ennustada. Seetõttu võime eeldada, et lühikese aja jooksul lagunevate tuumade arv dt, võrdeline arvuga N hetkel saadaolevad tuumad ja dt:

Seost (3.5) nimetatakse radioaktiivse lagunemise põhiseaduseks. Nagu näete, number N tuumade arv, mis pole veel lagunenud, väheneb aja jooksul eksponentsiaalselt.

Radioaktiivse lagunemise intensiivsust iseloomustab ajaühikus lagunevate tuumade arv. Alates (3.4) on selge, et see kogus | dN / dt | = λN. Seda nimetatakse tegevuseks A. Seega tegevus:

.

Seda mõõdetakse bekerellides (Bq), 1 Bk = 1 lagunemine/s; ja ka curies (Ci), 1 Ci = 3,7∙10 10 Bq.

Radioaktiivse ravimi aktiivsust massiühiku kohta nimetatakse eriaktiivsuseks.

Pöördume tagasi valemi (3.5) juurde. Koos pidevaga λ ja aktiivsus A radioaktiivse lagunemise protsessi iseloomustavad veel kaks suurust: poolestusaeg T 1/2 ja keskmine eluiga τ tuumad.

Pool elu T 1/2- aeg, mille jooksul radioaktiivsete tuumade esialgne arv väheneb keskmiselt poole võrra:

,

Keskmine eluiga τ Määratleme selle järgmiselt. Südamike arv δN(t), mis teatud aja jooksul lagunes ( t, t + dt), määratakse avaldise (3.4) parema poolega: δN(t) = λNdt. Iga sellise tuuma eluiga on t. See tähendab kõigi eluea summat N 0 algselt saadaolevate tuumade osa määratakse ekspressiooni integreerimise teel tδN(t) ajas 0 kuni ∞. Kõigi eluea summa jagamine N 0 südamikud per N 0, leiame keskmise eluea τ kõnealusest tuumast:

Märka seda τ on (3.5) kohaselt võrdne ajavahemikuga, mille jooksul tuumade esialgne arv väheneb eüks kord.

Võrreldes (3.8) ja (3.9.2), näeme, et poolestusaeg T 1/2 ja keskmine eluiga τ neil on sama järjekord ja need on omavahel seotud suhte kaudu:

.

Kompleksne radioaktiivne lagunemine võib toimuda kahel juhul:

Füüsiline tähendus Nendest võrranditest on see, et tuumade 1 arv väheneb nende lagunemise tõttu ja tuumade 2 arv täieneb tuumade 1 lagunemise tõttu ja väheneb selle enda lagunemise tõttu. Näiteks esialgsel ajahetkel t= 0 saadaval N 01 südamikud 1 ja N 02 2 südamikku. Selliste algtingimuste korral on süsteemi lahendus järgmine:

Kui samal ajal N 02= 0, siis

.

Väärtuse hindamiseks N 2(t) saab kõverate koostamiseks kasutada graafilist meetodit (vt joonis 3.2). e−λt ja (1- e−λt). Veelgi enam, funktsiooni eriomaduste tõttu e−λt väga mugav on konstrueerida väärtustele kõverordinaate t, vastav T, 2T, … jne. (vt tabel 3.1). Seos (3.13.3) ja joonis 3.2 näitavad, et radioaktiivse tütaraine kogus suureneb aja jooksul ja koos t >> T 2 (λ 2 t>> 1) läheneb oma piirväärtusele:

ja seda nimetatakse sajandeid vanaks või ilmalik tasakaal. Iidse võrrandi füüsiline tähendus on ilmne.

Joonis 3.3. Kompleksne radioaktiivne lagunemine.

Kuna võrrandi (3.4) kohaselt λN on võrdne lagunemiste arvuga ajaühikus, siis seos λ 1 N 1 = λ 2 N 2 tähendab, et tütaraine lagunemiste arv λ 2 N 2 võrdne lähteaine lagunemiste arvuga, s.o. sel juhul tekkinud tütaraine tuumade arv λ 1 N 1. Ilmalikku võrrandit kasutatakse laialdaselt pikaealiste poolestusaegade määramiseks radioaktiivsed ained. Seda võrrandit saab kasutada kahe vastastikku muunduva aine võrdlemisel, millest teisel on palju lühem poolestusaeg kui esimesel ( T 2 << T 1) eeldusel, et see võrdlus tehti sel ajal t >> T 2 (T 2 << t << T 1). Kahe radioaktiivse aine järjestikuse lagunemise näide on raadiumi Ra muutumine radooniks Rn. 88 Ra 226 eraldub teadaolevalt poolestusajaga T 1 >> 1600 aastatα-osakesed, muutub radioaktiivseks gaasiks radooniks (88 Rn 222), mis on ise radioaktiivne ja eraldab poolestusajaga α-osakesi T 2 ≈ 3.8 päeval. Selles näites lihtsalt T 1 >> T 2, nii korraks t << T 1 võrrandite (3.12) lahendi saab kirjutada kujul (3.13.3).

Edasiseks lihtsustamiseks on vajalik, et tuumade Rn esialgne arv oleks võrdne nulliga ( N 02= 0 at t= 0). See saavutatakse spetsiaalse katse loomisega, milles uuritakse Ra Rn-ks muutmise protsessi. Selles katses asetatakse Ra-ravim klaaskolbi, mille toru on ühendatud pumbaga. Pumba töötamise ajal pumbatakse eralduv gaasiline Rn kohe välja ja selle kontsentratsioon koonuses on null. Kui mingil hetkel pumba töötamise ajal on koonus pumbast isoleeritud, siis sellest hetkest, mida saab võtta kui t= 0, hakkab tuumade Rn arv koonuses kasvama vastavalt seadusele (3.13.3):N Ra ja N Rn- täpne kaalumine ja λ Rn- määrates poolestusaja Rn, mille mõõtmiseks sobiv väärtus on 3,8 päeval. Seega neljas kogus λRa saab arvutada. See arvutus annab raadiumi poolestusaja TRa ≈ 1600 aastat, mis langeb kokku definitsiooni tulemustega TRa emiteeritud α-osakeste absoluutloendamise meetod.

Erinevate radioaktiivsete ainete aktiivsuse võrdlemisel valiti standardiks Ra ja Rn radioaktiivsus. Radioaktiivsuse ühiku kohta - 1 Ki- vastu võetud 1 g raadiumi aktiivsus või sellega tasakaalus oleva radooni kogus. Viimast saab hõlpsasti leida järgmistest arutlustest.

On teada, et 1 G raadium läbib ~3,7∙10 10 sekundis laguneb. Seega.