Radioaktiivisen hajoamisen yhtälö. Radioaktiivisten elementtien puoliintumisaika - mikä se on ja miten se määritetään? Puoliintumisaikakaava

Radioaktiivisuuden käsite

Radioaktiivisen hajoamisen laki

Radioaktiivisuuden ja sen yksiköiden kvantifiointi

Ionisoiva säteily, niiden ominaisuudet.

AI-lähteet

1. Radioaktiivisuuden käsite

Radioaktiivisuus on atomiytimien spontaani muunnosprosessi (hajoaminen), johon liittyy erityistä radioaktiivista säteilyä.

Tässä tapauksessa tapahtuu joidenkin alkuaineiden atomien muuttuminen muiden atomeiksi.

Radioaktiiviset muutokset ovat ominaisia ​​vain yksittäisille aineille.

Aine katsotaan radioaktiiviseksi, jos se sisältää radionuklideja ja hajoaa radioaktiivisesti.

Radionuklideja (isotooppeja) - spontaanisti hajoavien atomien ytimiä kutsutaan radionuklideiksi.

Symbolia käytetään nuklidin ominaisuutena kemiallinen alkuaine, osoittavat ytimen atomiluvun (protonien lukumäärän) ja massaluvun (nukleonien lukumäärän eli protonien ja neutronien kokonaismäärän).

Esimerkiksi 239 94 Pu tarkoittaa, että plutoniumatomin ydin sisältää 94 protonia ja 145 neutronia eli yhteensä 239 nukleonia.

On olemassa seuraavat radioaktiivisen hajoamisen tyypit:

beeta-hajoaminen;

Alfa hajoaminen;

Atomiytimien spontaani fissio (neutronien hajoaminen);

Protoniradioaktiivisuus (protonifuusio);

Kahden protonin ja klusterin radioaktiivisuus.

Beta hajoaminen on prosessi, jossa protoni muuttuu neutroniksi tai neutroni protoniksi atomin ytimessä vapauttamalla beetahiukkanen (positroni tai elektroni)

Alfa hajoaminen – tyypillistä raskaille alkuaineille, joiden ytimet D.I. Mendelejevin taulukon numerosta 82 alkaen ovat epävakaita huolimatta neutronien ylimäärästä ja spontaanista hajoamisesta. Näiden alkuaineiden ytimet emittoivat pääasiassa heliumatomien ytimiä.

Atomiytimien spontaani fissio (neutronien hajoaminen) - tämä on joidenkin raskaiden alkuaineiden ytimien (uraani-238, kalifornium 240,248, 249, 250, curium 244, 248 jne.) spontaani fissio. Spontaanien ydinfission todennäköisyys on merkityksetön alfahajoamiseen verrattuna. Tässä tapauksessa ydin jakautuu kahdeksi fragmentiksi (ytimeksi), joilla on samanlainen massa.

1. Radioaktiivisen hajoamisen laki

Ytimen stabiilius heikkenee nukleonien kokonaismäärän kasvaessa. Se riippuu myös neutronien ja protonien lukumäärän suhteesta.

Peräkkäisten ydinmuutosten prosessi päättyy yleensä stabiilien ytimien muodostumiseen.

Radioaktiiviset muunnokset noudattavat radioaktiivisen hajoamisen lakia:

N = N 0 e λ t,

missä N, N 0 on niiden atomien lukumäärä, jotka eivät ole hajonneet aikoina t ja t0;

λ on radioaktiivisen hajoamisvakio.

Arvolla λ on oma yksilöllinen merkitys jokaiselle radionuklidityypille. Se luonnehtii hajoamisnopeutta, ts. näyttää kuinka monta ydintä hajoaa aikayksikköä kohti.

Radioaktiivisen hajoamisen lain yhtälön mukaan sen käyrä on eksponentiaalinen.

1. Radioaktiivisuuden ja sen yksiköiden kvantifiointi

Aikaa, jonka aikana puolet ytimistä hajoaa spontaanien ydinmuutosten seurauksena, kutsutaan puolikas elämä T 1/2 . Puoliintumisaika T 1/2 liittyy hajoamisvakioλ riippuvuus:

T1/2 = ln2/λ = 0,693/λ.

Eri radionuklidien puoliintumisaika T 1/2 on erilainen ja vaihtelee suuresti - sekunnin murto-osista satoihin ja jopa tuhansiin vuosiin.

Joidenkin radionuklidien puoliintumisajat:

Jodi-131 - 8,04 päivää

Cesium-134 - 2,06 vuotta

Strontium-90 - 29,12 vuotta

Cesium-137 - 30 vuotta

Plutonium-239 - 24065 vuotta

Uraani-235 - 7,038. 108 vuotta

Kalium-40 - 1,4 10 9 vuotta.

Vaimenemisvakion käänteisluku on nimeltäänradioaktiivisen atomin keskimääräinen elinikä t :

Hajoamisnopeus määräytyy aineen A aktiivisuuden mukaan:

A = dN/dt = A 0 e λ t = λ N,

jossa A ja A 0 ovat aineen aktiivisuudet ajanhetkellä t ja t 0 .

Toiminta– radioaktiivisuuden mitta. Sille on tunnusomaista radioaktiivisten ytimien hajoamisten määrä aikayksikköä kohti.

Radionuklidin aktiivisuus on suoraan verrannollinen radioaktiivisten atomiytimien kokonaismäärään hetkellä t ja kääntäen verrannollinen puoliintumisaikaan:

A = 0,693 N/T 1/2.

Aktiivisuuden SI-yksikkö on becquerel (Bq). Yksi becquerel vastaa yhtä vaimenemista sekunnissa. Järjestelmän ulkopuolinen toimintayksikkö on curie (Ku).

1 Ku = 3,7 10 10 Bq

1 Bq = 2,7 10 -11 Ku.

Curie-aktiivisuusyksikkö vastaa 1 g:n radiumia. Mittauskäytännössä käsitteet tilavuus A v (Bq/m 3, Ku/m 3), pinta A s (Bq/m 2, Ku/m 2) ja ominais A m (Bq/m, Ku/m) toimintaa käytetään myös.

1. Radioaktiivisuus. Radioaktiivisen hajoamisen peruslaki. Toiminta.

2. Radioaktiivisen hajoamisen päätyypit.

3. Vuorovaikutuksen määrälliset ominaisuudet ionisoiva säteily aineen kanssa.

4. Luonnollinen ja keinotekoinen radioaktiivisuus. Radioaktiivinen sarja.

5. Radionuklidien käyttö lääketieteessä.

6. Varautuneiden hiukkasten kiihdyttimet ja niiden käyttö lääketieteessä.

7. Ionisoivan säteilyn vaikutuksen biofysikaaliset perusteet.

8. Peruskäsitteet ja kaavat.

9. Tehtävät.

Lääkäreiden kiinnostus luonnolliseen ja keinotekoiseen radioaktiivisuuteen johtuu seuraavista syistä.

Ensinnäkin kaikki elävät olennot altistuvat jatkuvasti luonnolliselle taustasäteilylle, joka muodostaa kosminen säteily, maankuoren pintakerroksissa sijaitsevien radioaktiivisten alkuaineiden säteily ja eläinten kehoon ilman ja ruoan mukana tulevien alkuaineiden säteily.

Toiseksi radioaktiivista säteilyä käytetään itse lääketieteessä diagnostisiin ja terapeuttisiin tarkoituksiin.

33.1. Radioaktiivisuus. Radioaktiivisen hajoamisen peruslaki. Toiminta

Radioaktiivisuusilmiön havaitsi vuonna 1896 A. Becquerel, joka havaitsi uraanisuolojen tuntemattoman säteilyn spontaanin emission. Pian E. Rutherford ja Curiet totesivat, että radioaktiivisen hajoamisen aikana säteilee He-ytimiä (α-hiukkasia), elektroneja (β-hiukkasia) ja kovaa sähkömagneettista säteilyä (γ-säteitä).

Vuonna 1934 havaittiin hajoaminen positronien emission kanssa (β + -hajoaminen), ja vuonna 1940 löydettiin uudenlainen radioaktiivisuus - ytimien spontaani fissio: fissioituva ydin hajoaa kahdeksi vertailukelpoisen massan fragmentiksi samanaikaisen emission kanssa. neutroneista ja γ - kvantti. Ytimen protoniradioaktiivisuus havaittiin vuonna 1982.

Radioaktiivisuus - joidenkin atomiytimien kyky muuttua spontaanisti (spontaanisti) toisiksi ytimiksi hiukkasten emission avulla.

Atomiytimet koostuvat protoneista ja neutroneista, joilla on yleinen nimi - nukleonit. Protonien lukumäärä ytimessä määrää Kemialliset ominaisuudet atomi ja sitä merkitään Z (tämä on sarjanumero kemiallinen alkuaine). Nukleonien lukumäärää ytimessä kutsutaan massanumero ja merkitsevät A. Kutsutaan ytimiä, joilla on sama atomiluku ja eri massaluvut isotoopit. Kaikilla yhden alkuaineen isotoopeilla on sama Kemialliset ominaisuudet. Fyysiset ominaisuudet isotoopit voivat vaihdella suuresti. Isotooppien osoittamiseen käytetään kemiallisen alkuaineen symbolia kahdella indeksillä: A Z X. Alempi indeksi on sarjanumero, ylempi indeksi on massaluku. Usein alaindeksi jätetään pois, koska se osoitetaan itse elementin symbolilla. Esimerkiksi he kirjoittavat 14 C 14 6 C sijasta.

Ytimen hajoamiskyky riippuu sen koostumuksesta. Samalla alkuaineella voi olla sekä stabiileja että radioaktiivisia isotooppeja. Esimerkiksi hiilen isotooppi 12 C on stabiili, mutta isotooppi 14 C on radioaktiivinen.

Radioaktiivinen hajoaminen on tilastollinen ilmiö. Isotoopin kyky hajota on ominaista hajoamisvakioλ.

Vaimenemisvakio- todennäköisyys, että tietyn isotoopin ydin hajoaa aikayksikköä kohti.

Ytimen hajoamisen todennäköisyys lyhyessä ajassa dt saadaan kaavalla

Ottaen huomioon kaavan (33.1) saadaan lauseke, joka määrittää hajonneiden ytimien lukumäärän:

Kaavaa (33.3) kutsutaan pääkaavaksi radioaktiivisen hajoamisen laki.

Radioaktiivisten ytimien määrä vähenee ajan myötä eksponentiaalisen lain mukaan.

Käytännössä sen sijaan hajoamisvakioλ usein käytetään toista määrää, ns puolikas elämä.

Puolikas elämä(T) - aika, jonka aikana se hajoaa puoli radioaktiiviset ytimet.

Radioaktiivisen hajoamisen laki puoliintumisajalla on kirjoitettu seuraavasti:

Riippuvuuden käyrä (33.4) on esitetty kuvassa. 33.1.

Puoliintumisaika voi olla hyvin pitkä tai hyvin lyhyt (sekunnin murto-osista useisiin miljardeihin vuosiin). Taulukossa Kuva 33.1 esittää joidenkin elementtien puoliintumisajat.

Riisi. 33.1. Alkuperäisen aineen ytimien lukumäärän väheneminen radioaktiivisen hajoamisen aikana

Taulukko 33.1. Joidenkin elementtien puoliintumisajat

Hintaa varten radioaktiivisuusaste isotooppi käyttää erityistä määrää nimeltä toiminta.

Toiminta - radioaktiivisen aineen hajoavien ytimien lukumäärä aikayksikköä kohti:

Aktiviteetin SI-yksikkö on becquerel(Bq), 1 Bq vastaa yhtä vaimenemistapahtumaa sekunnissa. Käytännössä enemmän

lapsellinen ei-systeeminen toimintayksikkö - curie(Ci), yhtä suuri kuin 1 g 226 Ra:n aktiivisuus: 1 Ci = 3,7 x 10 10 Bq.

Ajan myötä aktiivisuus vähenee samalla tavalla kuin hajoamattomien ytimien määrä vähenee:

33.2. Radioaktiivisen hajoamisen päätyypit

Radioaktiivisuusilmiön tutkimusprosessissa löydettiin 3 tyyppistä radioaktiivisten ytimien lähettämiä säteitä, joita kutsuttiin α-, β- ja γ-säteiksi. Myöhemmin havaittiin, että α- ja β-hiukkaset ovat kahden tuotteita erilaisia ​​tyyppejä radioaktiivinen hajoaminen, ja y-säteet ovat näiden prosessien sivutuote. Lisäksi y-säteet liittyvät monimutkaisempiin ydinmuunnoksiin, joita ei käsitellä tässä.

Alfa hajoaminen koostuu ytimien spontaanista muutoksesta emission kanssaα -hiukkaset (heliumytimet).

α-hajoamiskaavio kirjoitetaan seuraavasti

missä X, Y ovat vastaavasti äiti- ja tytärytimien symbolit. Kun kirjoitat α-hajoamista, voit kirjoittaa "He" "α" sijaan.

Tämän hajoamisen aikana alkuaineen atomiluku Z pienenee 2:lla ja massaluku A - 4:llä.

α-hajoamisen aikana tytärydin muodostuu pääsääntöisesti virittyneessä tilassa ja siirtyessään perustilaan emittoi γ-kvantin. Monimutkaisten mikroobjektien yleinen ominaisuus on, että niillä on diskreetti joukko energiatiloja. Tämä koskee myös ytimiä. Siksi viritetyistä ytimistä peräisin olevalla y-säteilyllä on erillinen spektri. Näin ollen α-hiukkasten energiaspektri on diskreetti.

Lähes kaikkien α-aktiivisten isotooppien emittoimien α-hiukkasten energia on välillä 4-9 MeV.

Beta hajoaminen koostuu ytimien spontaanista muutoksesta elektronien (tai positronien) emission avulla.

On todettu, että β-hajoamiseen liittyy aina neutraalin hiukkasen - neutrinon (tai antineutrinon) - emission. Tämä hiukkanen ei käytännössä ole vuorovaikutuksessa aineen kanssa, eikä sitä käsitellä enempää. Beetahajoamisen aikana vapautuva energia jakautuu satunnaisesti beetahiukkasen ja neutriinon välillä. Siksi β-säteilyn energiaspektri on jatkuva (kuva 33.2).

Riisi. 33.2.β-hajoamisen energiaspektri

β-hajoamista on kahta tyyppiä.

1. Elektroninenβ - -hajoaminen koostuu yhden ydinneutronin muuttumisesta protoniksi ja elektroniksi. Tässä tapauksessa ilmestyy toinen hiukkanen ν" - antineutrino:

Elektroni ja antineutrino lentävät ulos ytimestä. Elektroni β - hajoamiskaavio on kirjoitettu muodossa

Elektronisen β-hajoamisen aikana Z-elementin järjestysnumero kasvaa yhdellä, mutta massaluku A ei muutu.

β-hiukkasten energia on välillä 0,002-2,3 MeV.

2. Positronicβ + -hajoaminen sisältää yhden ydinprotonin muuttumisen neutroniksi ja positroniksi. Tässä tapauksessa ilmestyy toinen hiukkanen ν - neutrino:

Elektronien sieppaus itsessään ei tuota ionisoivia hiukkasia, mutta tuottaa mukana röntgensäteily. Tämä säteily tapahtuu, kun sisäisen elektronin absorptiosta vapautunut tila täyttyy ulkoradalta tulevalla elektronilla.

Gammasäteily sillä on sähkömagneettinen luonne ja se edustaa fotoneja, joilla on aallonpituusλ ≤ 10-10 m.

Gammasäteily ei ole itsenäinen radioaktiivisen hajoamisen tyyppi. Tämän tyyppinen säteily ei liity lähes aina vain α-hajoamiseen ja β-hajoamiseen, vaan myös monimutkaisempiin ydinreaktioihin. Sähkö- ja magneettikentät eivät poikkeuta sitä, sillä on suhteellisen heikko ionisointi ja erittäin korkea läpäisykyky.

33.3. Ionisoivan säteilyn ja aineen vuorovaikutuksen kvantitatiiviset ominaisuudet

Vaikutus radioaktiivista säteilyä eläviin organismeihin liittyy ionisaatio, joita se aiheuttaa kudoksissa. Hiukkasen ionisoitumiskyky riippuu sekä sen tyypistä että sen energiasta. Kun hiukkanen siirtyy syvemmälle aineeseen, se menettää energiansa. Tätä prosessia kutsutaan ionisaation esto.

Varautuneen hiukkasen vuorovaikutuksen kvantitatiiviseksi karakterisoimiseksi aineen kanssa käytetään useita määriä:

Kun hiukkasen energia laskee ionisaatioenergian alapuolelle, sen ionisoiva vaikutus lakkaa.

Keskimääräinen lineaarinen mittarilukema Varautuneen ionisoivan hiukkasen (R) - reitti, jonka se kulkee aineessa ennen kuin se menettää ionisoivan kykynsä.

Katsotaanpa joitain ominaisuudet erilaisten säteilytyyppien vuorovaikutus aineen kanssa.

Alfa-säteily

Alfahiukkanen ei käytännössä poikkea liikkeensä alkuperäisestä suunnasta, koska sen massa on monta kertaa suurempi

Riisi. 33.3. Lineaarisen ionisaatiotiheyden riippuvuus väliaineessa olevan α-hiukkasen kulkemasta reitistä

sen elektronin massa, jonka kanssa se on vuorovaikutuksessa. Kun se tunkeutuu syvälle aineeseen, ionisaatiotiheys ensin kasvaa ja milloin ajon päättyminen (x = R) putoaa jyrkästi nollaan (kuva 33.3). Tämä selittyy sillä, että liikkeen nopeuden pienentyessä aika, jonka se viettää väliaineen molekyylin (atomin) lähellä, kasvaa. Ionisoitumisen todennäköisyys kasvaa tässä tapauksessa. Kun α-hiukkasen energia on verrattavissa molekyylin lämpöliikkeen energiaan, se vangitsee kaksi elektronia aineesta ja muuttuu heliumatomiksi.

Ionisaatioprosessin aikana muodostuneet elektronit siirtyvät pääsääntöisesti pois α-hiukkasradalta ja aiheuttavat sekundaarista ionisaatiota.

α-hiukkasten vuorovaikutuksen ominaispiirteet veden ja pehmytkudosten kanssa on esitetty taulukossa. 33.2.

Taulukko 33.2. Aineen kanssa tapahtuvan vuorovaikutuksen ominaisuuksien riippuvuus α-hiukkasten energiasta

Beeta-säteily

Liikkeelle β -aineen hiukkasille on ominaista kaareva, arvaamaton liikerata. Tämä johtuu vuorovaikutuksessa olevien hiukkasten massojen yhtäläisyydestä.

Vuorovaikutusominaisuudet β -Partikkelit veden ja pehmytkudosten kanssa on esitetty taulukossa. 33.3.

Taulukko 33.3. Aineen kanssa tapahtuvan vuorovaikutuksen ominaisuuksien riippuvuus β-hiukkasten energiasta

Kuten α-hiukkasten, β-hiukkasten ionisaatiokyky kasvaa energian pienentyessä.

Gammasäteily

Imeytyminen γ -aineen aiheuttama säteily noudattaa eksponentiaalista lakia, joka on samanlainen kuin röntgensäteilyn absorption laki:

Pääasialliset prosessit, jotka vastaavat imeytymisestä γ -säteily ovat valosähköinen vaikutus ja Compton-sironta. Tässä tapauksessa muodostuu suhteellisen pieni määrä vapaita elektroneja (primäärinen ionisaatio), joilla on erittäin korkea energia. Ne aiheuttavat sekundaarisia ionisaatioprosesseja, jotka ovat verrattoman korkeampia kuin primaarinen.

33.4. Luonnollinen ja keinotekoinen

radioaktiivisuus. Radioaktiivinen sarja

Ehdot luonnollinen Ja keinotekoinen radioaktiivisuus ovat ehdollisia.

Luonnollinen jota kutsutaan luonnossa esiintyvien isotooppien radioaktiivisuudeksi tai luonnollisten prosessien seurauksena muodostuneiden isotooppien radioaktiivisuudeksi.

Esimerkiksi uraanin radioaktiivisuus on luonnollista. Auringon säteilyn vaikutuksesta ilmakehän ylemmissä kerroksissa muodostuvan hiilen 14 C radioaktiivisuus on myös luonnollista.

Keinotekoinen kutsutaan isotooppien radioaktiivisuudeksi, joka syntyy ihmisen toiminnan seurauksena.

Tämä on kaikkien hiukkaskiihdyttimissä tuotettujen isotooppien radioaktiivisuus. Tämä sisältää myös atomiräjähdyksen aikana tapahtuvan maaperän, veden ja ilman radioaktiivisuuden.

Luonnollinen radioaktiivisuus

SISÄÄN alkukausi tutkijat voisivat käyttää radioaktiivisuuden tutkimiseen vain maakivissä olevia luonnollisia radionuklideja (radioaktiivisia isotooppeja) riittävässä määrin suuria määriä: 232 Th, 235 U, 238 U. Näistä radionuklideista alkaa kolme radioaktiivista sarjaa, jotka päättyvät stabiileihin isotoopeihin Pb. Myöhemmin löydettiin sarja, joka alkoi 237 Np:stä ja lopullinen vakaa ydin oli 209 Bi. Kuvassa Kuva 33.4 näyttää rivin, joka alkaa 238 U:lla.

Riisi. 33.4. Uraani-radium-sarja

Tämän sarjan elementit ovat ihmisen sisäisen säteilyn päälähde. Esimerkiksi 210 Pb ja 210 Po pääsevät kehoon ruoan mukana - ne ovat keskittyneet kaloihin ja äyriäisiin. Molemmat isotoopit kerääntyvät jäkäläihin ja ovat siksi läsnä lihassa poro. Kaikista luonnollisista säteilylähteistä merkittävin on 222 Rn - raskas inertti kaasu, joka syntyy 226 Ra:n hajoamisesta. Se on noin puolet ihmisen saamasta luonnollisesta säteilyannoksesta. Tämä maankuoreen muodostunut kaasu tihkuu ilmakehään ja pääsee veteen (se on erittäin liukoinen).

Kaliumin radioaktiivinen isotooppi 40 K on jatkuvasti läsnä maankuoressa, joka on osa luonnon kaliumia (0,0119 %). Tämä alkuaine tulee maaperästä kasvien juurijärjestelmän kautta ja kasviravinnon (viljat, tuoreet vihannekset ja hedelmät, sienet) - kehoon.

Toinen luonnonsäteilyn lähde on kosminen säteily (15 %). Sen voimakkuus kasvaa vuoristoalueilla ilmakehän suojaavan vaikutuksen heikkenemisen vuoksi. Luonnollisen taustasäteilyn lähteet on lueteltu taulukossa. 33.4.

Taulukko 33.4. Luonnollisen radioaktiivisen taustan komponentti

33.5. Radionuklidien käyttö lääketieteessä

Radionuklidit Niitä kutsutaan kemiallisten alkuaineiden radioaktiivisiksi isotoopeiksi, joilla on lyhyt puoliintumisaika. Tällaisia ​​isotooppeja ei ole luonnossa, joten ne saadaan keinotekoisesti. Nykyaikaisessa lääketieteessä radionuklideja käytetään laajalti diagnostisiin ja terapeuttisiin tarkoituksiin.

Diagnostinen sovellus perustuu tiettyjen kemiallisten alkuaineiden selektiiviseen kertymiseen yksittäisissä elimissä. Esimerkiksi jodi on keskittynyt kilpirauhaseen ja kalsium luihin.

Näiden alkuaineiden radioisotooppien tuominen kehoon mahdollistaa niiden pitoisuuksien alueiden havaitsemisen radioaktiivisella säteilyllä ja siten tärkeän diagnostisen tiedon saamisen. Tätä diagnostista menetelmää kutsutaan leimatun atomin menetelmällä.

Terapeuttinen käyttö radionuklidit perustuvat ionisoivan säteilyn tuhoavaan vaikutukseen kasvainsoluja.

1. Gamma terapia- korkeaenergisen y-säteilyn (60 Co-lähde) käyttö syvällä olevien kasvainten tuhoamiseksi. Jotta pinnalliset kudokset ja elimet eivät altistu haitallisille vaikutuksille, altistetaan ionisoivalle säteilylle eri istunnoissa eri suuntiin.

2. Alfa terapiaa- α-hiukkasten terapeuttinen käyttö. Näillä hiukkasilla on merkittävä lineaarinen ionisaatiotiheys ja ne imeytyvät jopa pieneen ilmakerrokseen. Terapeuttinen siis

Alfasäteiden käyttö on mahdollista suorassa kosketuksessa elimen pintaan tai sisäisesti (neulalla) annettuna. Pintaaltistukseen käytetään radonterapiaa (222 Rn): altistuminen iholle (kylpy), ruoansulatuselimille (juominen) ja hengityselimille (hengitys).

Joissakin tapauksissa lääkekäyttöön α -hiukkaset liittyvät neutronivuon käyttöön. Tällä menetelmällä elementit viedään ensin kudokseen (kasvain), jonka ytimet neutronien vaikutuksesta emittoivat α -hiukkasia. Tämän jälkeen sairas elin säteilytetään neutronivirralla. Tällä tavalla α -hiukkaset muodostuvat suoraan elimen sisälle, joihin niillä pitäisi olla tuhoisa vaikutus.

Taulukossa 33.5 on esitetty joidenkin lääketieteessä käytettyjen radionuklidien ominaisuudet.

Taulukko 33.5. Isotooppien ominaisuudet

33.6. Ladatut hiukkaskiihdyttimet ja niiden käyttö lääketieteessä

Kiihdytin- laitteisto, jossa sähkö- ja magneettikenttien vaikutuksesta tuotetaan suunnattuja säteitä varautuneista hiukkasista, joilla on korkea energia (sadasta keV satoihin GeV).

Kiihdyttimet luovat kapea hiukkassäteet, joilla on tietty energia ja pieni poikkileikkaus. Tämän avulla voit tarjota ohjattu vaikutusta säteilytettyihin esineisiin.

Kiihdyttimien käyttö lääketieteessä

Elektroni- ja protonikiihdyttimiä käytetään lääketieteessä sädehoidossa ja diagnostiikassa. Tässä tapauksessa käytetään sekä itse kiihdytettyjä hiukkasia että niihin liittyvää röntgensäteilyä.

Bremsstrahlung röntgensäteet saadaan suuntaamalla hiukkassäde erityiseen kohteeseen, joka on röntgensäteiden lähde. Tämä säteily eroaa röntgenputkesta huomattavasti suuremmalla kvanttienergialla.

Synkrotroni röntgensäteet tapahtuu elektronien kiihdytyksen aikana rengaskiihdyttimissä - synkrotroneissa. Sellaista säteilyä on korkea aste suunta.

Nopeiden hiukkasten suora vaikutus liittyy niiden korkeaan läpäisykykyyn. Tällaiset hiukkaset kulkevat pintakudosten läpi aiheuttamatta vakavia vaurioita ja niillä on ionisoiva vaikutus matkansa lopussa. Valitsemalla sopiva hiukkasenergia on mahdollista tuhota kasvaimia tietyllä syvyydellä.

Kiihdyttimien käyttöalueet lääketieteessä on esitetty taulukossa. 33.6.

Taulukko 33.6. Kiihdyttimien käyttö terapiassa ja diagnostiikassa

33.7. Ionisoivan säteilyn toiminnan biofyysinen perusta

Kuten edellä todettiin, radioaktiivisen säteilyn vaikutus biologisiin järjestelmiin liittyy molekyylien ionisaatio. Säteilyn vuorovaikutusprosessi solujen kanssa voidaan jakaa kolmeen peräkkäiseen vaiheeseen (vaiheeseen).

1. Fyysinen vaihe koostuu energian siirto säteily biologisen järjestelmän molekyyleihin, mikä johtaa niiden ionisaatioon ja virittymiseen. Tämän vaiheen kesto on 10 -16 -10 -13 s.

2. Fysikaalis-kemiallinen vaihe koostuu erilaisista reaktioista, jotka johtavat virittyneiden molekyylien ja ionien ylimääräisen energian uudelleen jakautumiseen. Tämän seurauksena erittäin aktiivinen

tuotteet: radikaalit ja uudet ionit laaja valikoima kemialliset ominaisuudet.

Tämän vaiheen kesto on 10 -13 -10 -10 s.

3. Kemiallinen vaihe - tämä on radikaalien ja ionien vuorovaikutusta keskenään ja ympäröivien molekyylien kanssa. Tässä vaiheessa muodostuu erilaisia ​​rakenteellisia vaurioita, jotka johtavat muutoksiin biologisissa ominaisuuksissa: kalvojen rakenne ja toiminnot häiriintyvät; vaurioita esiintyy DNA- ja RNA-molekyyleissä.

Kemiallisen vaiheen kesto on 10 -6 -10 -3 s.

4. Biologinen vaihe. Tässä vaiheessa molekyylien ja subsellulaaristen rakenteiden vaurioituminen johtaa erilaisiin toimintahäiriöihin, ennenaikaiseen solukuolemaan apoptoottisten mekanismien vaikutuksesta tai nekroosin seurauksena. Biologisessa vaiheessa saadut vauriot voivat olla periytyviä.

Biologisen vaiheen kesto on muutamasta minuutista kymmeniin vuosiin.

Huomioikaa biologisen vaiheen yleiset mallit:

Suuret häiriöt alhaisella absorboituneella energialla (ihmisille tappava säteilyannos saa kehon lämpenemään vain 0,001 °C);

Vaikutus seuraaviin sukupolviin solun perinnöllisen laitteen kautta;

Ominaista piilotettu, piilevä ajanjakso;

Solun eri osilla on erilainen herkkyys säteilylle;

Ensinnäkin se vaikuttaa jakautuviin soluihin, mikä on erityisen vaarallista lapsen keholle;

Haitallinen vaikutus aikuisen organismin kudoksiin, joissa on jakautumista;

Säteilymuutosten samankaltaisuus varhaisen ikääntymisen patologian kanssa.

33.8. Peruskäsitteet ja kaavat

Taulukon jatko

33.9. Tehtävät

1. Mikä on lääkkeen aktiivisuus, jos 10 000 tämän aineen ydintä hajoaa 10 minuutissa?

4. Muinaisten puunäytteiden ikä voidaan likimäärin määrittää niissä olevan 14 6 C isotoopin ominaismassaaktiivisuudella. Kuinka monta vuotta sitten esineen valmistukseen käytetty puu kaadettiin, jos siinä olevan hiilen ominaismassaaktiivisuus on 75 % kasvavan puun ominaismassaaktiivisuudesta? Radonin puoliintumisaika on T = 5570 vuotta.

9. Tshernobylin onnettomuuden jälkeen maaperän saastuminen radioaktiivisella cesium-137:llä oli paikoin tasolla 45 Ci/km 2 .

Kuinka monen vuoden kuluttua aktiivisuus näissä paikoissa laskee suhteellisen turvalliselle tasolle 5 Ci/km 2? Cesium-137:n puoliintumisaika on T = 30 vuotta.

10. Jodi-131:n sallittu aktiivisuus ihmisen kilpirauhasessa saa olla enintään 5 nCi. Jotkut ihmiset, jotka olivat alueella Tshernobylin katastrofi, jodi-131:n aktiivisuus saavutti 800 nCi. Kuinka monen päivän kuluttua aktiivisuus laski normaaliksi? Jodi-131:n puoliintumisaika on 8 päivää.

11. Eläimen veritilavuuden määrittämiseksi käytetään seuraavaa menetelmää. Eläimestä otetaan pieni määrä verta, punasolut erotetaan plasmasta ja asetetaan liuokseen, jossa on radioaktiivista fosforia, jonka punasolut imeytyvät. Leimatut punasolut viedään takaisin eläimen verenkiertoelimistöön, ja jonkin ajan kuluttua verinäytteen aktiivisuus määritetään.

ΔV = 1 ml tällaista liuosta injektoitiin jonkin eläimen vereen. Tämän tilavuuden alkuaktiivisuus oli yhtä suuri kuin A 0 = 7000 Bq. Eläimen suonesta vuorokautta myöhemmin otetun 1 ml:n verta aktiivisuus oli 38 pulssia minuutissa. Määritä eläimen veritilavuus, jos radioaktiivisen fosforin puoliintumisaika on T = 14,3 päivää.

Luento 2. Radioaktiivisen hajoamisen peruslaki ja radionuklidien aktiivisuus

Radionuklidien hajoamisnopeus on erilainen - toiset hajoavat nopeammin, toiset hitaammin. Radioaktiivisen hajoamisnopeuden indikaattori on radioaktiivisen hajoamisen vakio, λ [sek-1], joka kuvaa yhden atomin hajoamisen todennäköisyyttä sekunnissa. Jokaisen radionuklidin hajoamisvakiolla on oma arvonsa; mitä suurempi se on, sitä nopeammin aineen ytimet hajoavat.

Radioaktiiviseen näytteeseen aikayksikköä kohti tallennettujen hajoamisten lukumäärää kutsutaan toiminta (a ) tai näytteen radioaktiivisuutta. Aktiivisuusarvo on suoraan verrannollinen atomien lukumäärään N radioaktiivinen aine:

a =λ· N , (3.2.1)

Missä λ – radioaktiivisen hajoamisvakio, [sek-1].

Tällä hetkellä nykyisen mukaan Kansainvälinen järjestelmä SI-yksiköt, radioaktiivisuuden mittayksikkönä becquerel [Bk]. Tämä yksikkö sai nimensä ranskalaisen tiedemiehen Henri Becquerelin kunniaksi, joka löysi uraanin luonnollisen radioaktiivisuuden ilmiön vuonna 1856. Yksi becquerel vastaa yhtä vaimenemista sekunnissa 1 Bk = 1 .

Ei-systeemistä toiminnan yksikköä käytetään kuitenkin edelleen usein – curie [Ki], jonka Curiet ottivat käyttöön yhden radiumigramman hajoamisnopeuden mittana (jossa tapahtuu ~3,7 1010 hajoamista sekunnissa), joten

1 Ki= 3,7·1010 Bk.

Tämä yksikkö on kätevä suurten radionuklidimäärien aktiivisuuden arvioimiseen.

Radionuklidipitoisuuden väheneminen ajan myötä hajoamisen seurauksena noudattaa eksponentiaalista suhdetta:

, (3.2.2)

Missä N t– radioaktiivisen alkuaineen atomien määrä, joka on jäljellä ajan kuluttua t tarkkailun alkamisen jälkeen; N 0 – atomien lukumäärä alkuhetkellä ( t =0 ); λ – radioaktiivisen hajoamisen vakio.

Kuvattua riippuvuutta kutsutaan radioaktiivisen hajoamisen peruslaki .

Aikaa kuluu puolet kokonaismäärä radionuklideja kutsutaan puolikas elämä T½ . Yhden puoliintumisajan jälkeen 100 radionuklidiatomista on jäljellä enää 50 (kuva 2.1). Seuraavan samanlaisen ajanjakson aikana näistä 50 atomista on jäljellä vain 25 ja niin edelleen.

Puoliintumisajan ja hajoamisvakion välinen suhde johdetaan radioaktiivisen hajoamisen peruslain yhtälöstä:

klo t=T½ Ja

saamme 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">;

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

Siksi radioaktiivisen hajoamisen laki voidaan kirjoittaa seuraavasti:

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

Missä klo – huumeiden aktiivisuus ajan mittaan t ; a0 – lääkkeen aktiivisuus ensimmäisellä tarkkailuhetkellä.

Usein on tarpeen määrittää minkä tahansa radioaktiivisen aineen tietyn määrän aktiivisuus.

Muista, että aineen määrän yksikkö on mooli. Mooli on aineen määrä, joka sisältää saman määrän atomeja kuin 0,012 kg = 12 g hiili-isotooppia 12C.

Yksi mooli mitä tahansa ainetta sisältää Avogadron numeron N.A. atomit:

N.A. = 6,02·1023 atomia.

varten yksinkertaiset aineet(elementtejä) yhden moolin massa vastaa numeerisesti atomimassa A elementti

1 mol = A G.

Esimerkiksi: Magnesium: 1 mol 24Mg = 24 g.

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

Ottaen huomioon, mitä on sanottu m grammaa ainetta tulee olemaan N atomit:

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

Esimerkki: Lasketaan 1 gramman 226Ra aktiivisuus, mikä λ = 1,38·10-11 s-1.

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

Jos koostumukseen sisältyy radioaktiivista alkuainetta kemiallinen yhdiste, silloin lääkkeen aktiivisuutta määritettäessä on otettava huomioon sen kaava. Kun otetaan huomioon aineen koostumus, määritetään massaosuus χ radionuklidi aineessa, joka määräytyy suhteella:

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

Esimerkki ongelman ratkaisusta

Kunto:

Toiminta A0 radioaktiivinen alkuaine 32P havaintopäivää kohti on 1000 Bk. Määritä tämän alkuaineen aktiivisuus ja atomien lukumäärä viikon kuluttua. Puolikas elämä T½ 32P = 14,3 päivää.

Ratkaisu:

a) Etsitään fosfori-32:n aktiivisuus 7 päivän kuluttua:

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

Vastaus: viikon kuluttua lääkkeen 32P aktiivisuus on 712 Bk, ja radioaktiivisen isotoopin 32P atomien lukumäärä on 127,14·106 atomia.

Kontrollikysymykset

1) Mikä on radionuklidin aktiivisuus?

2) Nimeä radioaktiivisuuden yksiköt ja niiden välinen suhde.

3) Mikä on radioaktiivisen hajoamisvakio?

4) Määrittele radioaktiivisen hajoamisen peruslaki.

5) Mikä on puoliintumisaika?

6) Mikä on radionuklidin aktiivisuuden ja massan välinen suhde? Kirjoita kaava.

Tehtävät

1. Laske aktiivisuus 1 G 226Ra. T½ = 1602 vuotta.

2. Laske aktiviteetti 1 G 60Co. T½ = 5,3 vuotta.

3. Yksi M-47 tankin kuori sisältää 4.3 kg 238U. Т½ = 2,5·109 vuotta. Määritä ammuksen aktiivisuus.

4. Laske 137Cs:n aktiivisuus 10 vuoden kuluttua, jos se on havaintohetkellä 1000 Bk. T½ = 30 vuotta.

5. Laske 90Sr:n aktiivisuus vuosi sitten, jos se on tällä hetkellä 500 Bk. T½ = 29 vuotta.

6. Millaista toimintaa 1 luo? kg radioisotooppi 131I, T½ = 8,1 päivää?

7. Määritä toiminta 1 referenssitietojen avulla G 238U. Т½ = 2,5·109 vuotta.

Määritä toiminta 1 referenssitietojen avulla G 232th, Т½ = 1,4·1010 vuotta.

8. Laske yhdisteen aktiivisuus: 239Pu316O8.

9. Laske radionuklidin massa, jonka aktiivisuus on 1 Ki:

9.1. 131I, T1/2 = 8,1 päivää;

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

9.3. 137Cs, Т1/2 = 30 vuotta;

9.4 239Pu, Т1/2=2,4·104 vuotta.

10. Määritä massa 1 mCi radioaktiivisen hiilen isotooppi 14C, T½ = 5560 vuotta.

11. On keitetty radioaktiivinen lääke fosfori 32P. Minkä ajan kuluttua 3 % lääkkeestä jää jäljelle? Т½ = 14,29 päivää.

12. Luonnollinen kaliumseos sisältää 0,012 % 40K radioaktiivista isotooppia.

1) Määritä luonnollisen kaliumin massa, joka sisältää 1 Ki 40K. Т½ = 1,39·109 vuotta = 4,4·1018 s.

2) Laske maaperän radioaktiivisuus käyttämällä 40K, jos tiedetään, että maanäytteen kaliumpitoisuus on 14 kg/t.

13. Kuinka monta puoliintumisaikaa tarvitaan, jotta radioisotoopin alkuaktiivisuus laskee 0,001 prosenttiin?

14. Jotta voidaan määrittää 238U:n vaikutus kasveihin, siemenet liotettiin 100 ml liuos UO2(NO3)2 6H2O, jossa radioaktiivisen suolan massa oli 6 G. Määritä 238U:n aktiivisuus ja ominaisaktiivisuus liuoksessa. Т½ = 4,5·109 vuotta.

15. Tunnista tehtävä 1 grammaa 232th, Т½ = 1,4·1010 vuotta.

16. Määritä massa 1 Ki 137Cs, Т1/2 = 30 vuotta.

17. Kaliumin stabiilien ja radioaktiivisten isotooppien pitoisuus luonnossa on vakioarvo. 40K-sisältö on 0,01 %. Laske maaperän radioaktiivisuus käyttämällä 40K, jos tiedetään, että maanäytteen kaliumpitoisuus on 14 kg/t.

18. Ympäristön litogeeninen radioaktiivisuus muodostuu pääasiassa aikana laske kolmesta tärkeimmät luonnolliset radionuklidit: 40K, 238U, 232Th. Radioaktiivisten isotooppien osuus isotooppien luonnollisesta summasta on 0,01, 99,3 ja ~100. Laske radioaktiivisuus 1 T maaperä, jos tiedetään, että maanäytteen suhteellinen kaliumpitoisuus on 13600 g/t, uraani – 1,10-4 g/t, torium – 6·10-4 g/t.

19. 23 200 löydettiin simpukoiden kuorista Bq/kg 90Sr. Määritä näytteiden aktiivisuus 10, 30, 50, 100 vuoden kuluttua.

20. Tšernobylin vyöhykkeen suljettujen säiliöiden pääasiallinen saastuminen tapahtui ensimmäisenä vuonna ydinvoimalaitoksen onnettomuuden jälkeen. Järven pohjasedimentissä. Azbuchin löysi vuonna 1999 137Cs:n ominaisaktiivisuuden ollessa 1,1·10 Bq/m2. Määritä pudonneiden 137Cs:n pitoisuus (aktiivisuus) pohjasedimenttien neliömetriä kohti vuosina 1986-1987. (12 vuotta sitten).

21. 241Am (T½ = 4,32·102 vuotta) muodostuu 241Pu:sta (T½ = 14,4 vuotta) ja on aktiivinen geokemiallinen siirtoaine. Hyödyntää referenssimateriaalit, laske 1 %:n tarkkuudella plutonium-241:n aktiivisuuden väheneminen ajassa, minä vuonna Tšernobylin katastrofin jälkeen 241Am muodostui ympäristöön tulee olemaan maksimi.

22. Laske 241Am:n aktiivisuus Tšernobylin reaktorin päästöissä huhtikuussa
2015 edellyttäen, että huhtikuussa 1986 241Am:n aktiivisuus oli 3,82 1012 Bk,Т½ = 4,32·102 vuotta.

23. Maanäytteistä löydettiin 390 nCi/kg 137Cs. Laske näytteiden aktiivisuus 10, 30, 50, 100 vuoden kuluttua.

24. Järven pohjan saastumisen keskimääräinen pitoisuus. Glubokoje, joka sijaitsee Tšernobylin suojavyöhykkeellä, on 6,3 104 Bk 241Am ja 7,4·104 238+239+240Pu per 1 m2. Laske minä vuonna nämä tiedot on saatu.

LABORATORIOTYÖ nro 19

RADIOAKTIIVISEN HAJOAMINEN LAIN TUKIMISEKSI

JA MENETELMÄT SUOJAAMINEN RADIOAKTIIVILTA SÄTEILYTTÄ VASTAAN

Työn tavoite 1) radioaktiivisen hajoamisen lain tutkimus; 2) g- ja b-säteiden aineen absorption lain tutkiminen.

Työn tavoitteet : 1) radioaktiivisen säteilyn lineaaristen absorptiokertoimien määritys erilaisia ​​materiaaleja; 2) näiden materiaalien puolivaimennuskerroksen paksuuden määrittäminen; 3) kemiallisen alkuaineen puoliintumisajan ja hajoamisvakion määrittäminen.

Tukikeino : Windows-tietokone.

TEOREETTINEN OSA

Johdanto

Atomiytimen koostumus

Minkä tahansa atomin ydin koostuu kahden tyyppisistä hiukkasista - protoneista ja neutroneista. Protoni on yksinkertaisimman atomin - vedyn - ydin. Hänellä on positiivinen varaus, suuruudeltaan yhtä suuri kuin elektronin varaus ja massa 1,67 × 10-27 kg. Neutroni, jonka olemassaolon totesi vasta vuonna 1932 englantilainen James Chadwick, on sähköisesti neutraali ja sen massa on lähes sama kuin protonilla. Neutroneja ja protoneja, jotka ovat kaksi atomiytimen osatekijää, kutsutaan yhteisesti nukleoneiksi. Ytimen (tai nuklidin) protonien lukumäärää kutsutaan atomiluvuksi ja sitä merkitään kirjaimella Z. Nukleonien kokonaismäärä, ts. neutronit ja protonit, joita merkitään kirjaimella A ja kutsutaan massaluvuksi. Kemialliset alkuaineet merkitään yleensä symbolilla tai, missä X on kemiallisen alkuaineen symboli.

Radioaktiivisuus

Radioaktiivisuusilmiö koostuu joidenkin kemiallisten alkuaineiden ytimien spontaanista (spontaanista) muuttumisesta muiden alkuaineiden ytimiksi radioaktiivista säteilyä lähettäen..

Ytimet, jotka läpikäyvät tällaisen hajoamisen, kutsutaan radioaktiivisiksi. Ydintä, jossa ei tapahdu radioaktiivista hajoamista, kutsutaan stabiileiksi. Hajoamisprosessin aikana sekä ytimen atomiluku Z että massaluku A voivat muuttua.

Radioaktiiviset muutokset tapahtuvat spontaanisti. Niiden virtausnopeuteen eivät vaikuta lämpötilan ja paineen muutokset, sähkö- ja magneettikenttien esiintyminen, tietyn radioaktiivisen alkuaineen kemiallisen yhdisteen tyyppi ja sen aggregaatiotila.

Radioaktiiviselle hajoamiselle on tunnusomaista sen esiintymisaika, säteilevien hiukkasten tyyppi ja energiat sekä useiden hiukkasten poistuessa ytimestä myös hiukkasten päästösuuntien väliset suhteelliset kulmat. Historiallisesti radioaktiivisuus on ensimmäinen ihmisen löytämä ydinprosessi (A. Becquerel, 1896).

Luonnollinen ja keinotekoinen radioaktiivisuus erotetaan toisistaan.

Luonnollista radioaktiivisuutta esiintyy epävakaissa ytimissä luonnolliset olosuhteet. Keinotekoinen on erilaisten ytimien radioaktiivisuutta ydinreaktiot. Keinotekoisen ja luonnollisen radioaktiivisuuden välillä ei ole perustavaa laatua olevaa eroa. Niillä on yhteisiä kuvioita.

Neljä radioaktiivisuuden päätyyppiä ovat mahdollisia ja tosiasiallisesti havaittavissa atomiytimissä: a-hajoaminen, b-hajoaminen, g-hajoaminen ja spontaani fissio.

A-hajoamisen ilmiö on se, että raskaat ytimet säteilevät spontaanisti a-hiukkasia (heliumytimiä 2 H 4). Tässä tapauksessa ytimen massaluku pienenee neljällä yksiköllä ja atomiluku kahdella:

ZXA® Z-2 YA-4 + 2 H4.

A-hiukkanen koostuu neljästä nukleonista: kahdesta neutronista ja kahdesta protonista.

Ydin voi radioaktiivisen hajoamisprosessin aikana lähettää paitsi siihen kuuluvia hiukkasia, myös uusia hiukkasia, jotka syntyvät hajoamisprosessin aikana. Tällaisia ​​prosesseja ovat b- ja g-hajoaminen.

B-hajoamisen käsite yhdistää kolmen tyyppisiä ydinmuunnoksia: elektronien (b -) hajoamisen, positronihajoamisen (b +) ja elektronien sieppauksen.

b - hajoamisen ilmiö on, että ydin emittoi spontaanisti elektronin e - ja kevyimmän sähköisesti neutraalin hiukkasen antineutrinon siirtyen ytimeen, jolla on sama massaluku A, mutta atomiluku Z, mutta yksi suurempi kuin yksi:

Z X A ® Z +1 Y A + e - + .

On korostettava, että b - hajoamisen aikana emittoitu elektroni ei liity kiertoradan elektroneihin. Se syntyy itse ytimen sisällä: yksi neutroneista muuttuu protoniksi ja emittoi samalla elektronin.

Toinen b-hajoamisen tyyppi on prosessi, jossa ydin emittoi positroni e + ja toinen kevyin sähköisesti neutraali hiukkanen, neutrino n. Tässä tapauksessa yksi protoneista muuttuu neutroniksi:

ZXA® Z-1 YA + e + +n.

Tätä hajoamista kutsutaan positroniksi tai b+-hajoamiseksi.

B-hajoamisilmiöiden joukkoon kuuluu myös elektronien sieppaus (usein myös K-kaappaus), jossa ydin absorboi yhden atomikuoren elektroneista (yleensä K-kuoresta) lähettäen neutriinon. Tässä tapauksessa, kuten positronien hajoamisessa, yksi protoneista muuttuu neutroniksi:

e-+ZXA®Z-1YA+n.

G-säteily sisältää elektromagneettiset aallot, jonka pituus on huomattavasti pienempi kuin atomien väliset etäisyydet:

jossa d - on suuruusluokkaa 10 -8 cm Korpuskulaarisessa kuvassa tämä säteily on partikkelivirtaa, jota kutsutaan g-kvanteiksi. G-kvanttien energian alaraja

E= 2p s/l

on kymmenien keV:n luokkaa. Luonnollista ylärajaa ei ole. Nykyaikaiset kiihdyttimet tuottavat kvantteja, joiden energia on jopa 20 GeV.

Ytimen hajoaminen g-säteilyn emission kanssa muistuttaa monin tavoin virittyneiden atomien fotonien emissiona. Kuten atomi, ydin voi olla virittyneessä tilassa. Siirtyessään alemman energian tilaan tai perustilaan, ydin lähettää fotonin. Koska g-säteily ei sisällä varausta, g-hajoamisen aikana yksi kemiallinen alkuaine ei muutu toiseksi.

Radioaktiivisen hajoamisen peruslaki

Radioaktiivinen hajoaminen on tilastollinen ilmiö: on mahdotonta ennustaa, milloin tietty epävakaa ydin hajoaa, tästä tapahtumasta voidaan tehdä vain joitakin todennäköisyysarvioita. Suurelle radioaktiivisten ytimien joukolle voidaan saada tilastollinen laki, joka ilmaisee hajoamattomien ytimien riippuvuuden ajasta.

Anna ytimien hajota riittävän lyhyen aikavälin sisällä. Tämä luku on verrannollinen aikaväliin, samoin kuin kokonaismäärä radioaktiiviset ytimet:

, (1)

missä on hajoamisvakio, verrannollinen radioaktiivisen ytimen hajoamisen todennäköisyyteen ja erilainen eri radioaktiiviset aineet. "-"-merkki on sijoitettu, koska< 0, так как число не распавшихся радиоактивных ядер убывает со временем.

Erotetaan muuttujat ja integroidaan (1) ottamalla huomioon, että integroinnin alarajat vastaavat alkuolosuhteita (at , missä on radioaktiivisten ytimien alkumäärä), ja ylärajat vastaavat nykyisiä arvoja ja:

Vahvistava ilmaisu (3), meillä on

Sitä se on radioaktiivisen hajoamisen peruslaki: hajoamattomien radioaktiivisten ytimien määrä vähenee ajan myötä eksponentiaalisen lain mukaan.

Kuvassa 1 on esitetty hajoamiskäyrät 1 ja 2, jotka vastaavat aineita, joilla on erilaiset hajoamisvakiot (λ 1 > λ 2), mutta joilla on sama alkumäärä radioaktiivisia ytimiä. Rivi 1 vastaa aktiivisempaa elementtiä.

Käytännössä hajoamisvakion sijaan käytetään useammin toista radioaktiivisen isotoopin ominaisuutta - puolikas elämä . Tämä on aika, jonka aikana puolet radioaktiivisista ytimistä hajoaa. Luonnollisesti tämä määritelmä pätee riittävän suurelle määrälle ytimiä. Kuvassa 1 on esitetty, kuinka käyriä 1 ja 2 käyttämällä saadaan selville ytimien puoliintumisajat: vedä abskissa-akselin suuntainen suora viiva ordinaattapisteen läpi, kunnes se leikkaa käyrien kanssa. Suoran ja viivojen 1 ja 2 leikkauspisteiden abskissat antavat puoliintumisajat T 1 ja T 2.

Kaikentyyppisten radioaktiivisten muutosten seurauksena tietyn isotoopin ytimien lukumäärä vähenee vähitellen. Hajoavien ytimien määrä vähenee eksponentiaalisesti ja kirjoitetaan seuraavassa muodossa:

N = N 0 e –  t , (10)

Missä N 0 – radionuklidiytimien lukumäärä ajanlaskennan alkamishetkellä (t=0 );  - vaimenemisvakio, joka on erilainen eri radionuklideille; N– radionuklidiytimien lukumäärä ajan jälkeen t; e– luonnollisen logaritmin kanta (e = 2,713....). Tämä on radioaktiivisen hajoamisen peruslaki.

Kaavan (10) johtaminen. Ytimen luonnollinen radioaktiivinen hajoaminen tapahtuu spontaanisti, ilman ulkoista vaikutusta. Tämä prosessi on tilastollinen, ja yksittäiselle ytimelle voidaan osoittaa vain hajoamisen todennäköisyys tietyn ajan kuluessa. Siksi vaimenemisnopeutta voidaan luonnehtia aika-ajolla. Olkoon numero N radionuklidiatomit. Sitten hajoavien atomien lukumäärä dN aikana dt verrannollinen atomien määrään N ja aikajakso dt:

Miinusmerkki osoittaa, että numero N Alkuperäisten atomien määrä vähenee ajan myötä. On kokeellisesti osoitettu, että ytimien ominaisuudet eivät muutu ajan myötä. Tästä seuraa, että l on vakiosuure ja sitä kutsutaan vaimenemisvakioksi. Kohdasta (11) seuraa, että l= –dN/N=const, jossa dt= 1, ts. vakio l on yhtä suuri kuin yhden radionuklidin hajoamistodennäköisyys aikayksikköä kohti.

Yhtälössä (11) jaamme oikean ja vasemman puolen N ja integroi:

dN/N = –ldt(12)

(13)

ln N/N 0 = – λt ja N = N 0 e – λt , (14)

Missä N 0 on hajoavien atomien alkuperäinen lukumäärä (N 0, kun t = 0).

Kaavassa (14) on kaksi haittaa. Hajoavien ytimien lukumäärän määrittämiseksi on tarpeen tietää N 0. Ei ole laitetta sen määrittämiseen. Toinen haittapuoli on, että vaikka jatkuva rappeutuminen λ on saatavilla taulukoissa, mutta se ei anna suoraa tietoa vaimenemisnopeudesta.

Päästä eroon koosta λ käsite esitellään Puoliintumisaika T(kutsutaan joskus kirjallisuudessa nimellä T 1/2). Puoliintumisaika on ajanjakso, jonka aikana radioaktiivisten ytimien alkuperäinen määrä vähenee puoleen ja hajoavien ytimien määrä T pysyy vakiona (λ=const).

Yhtälössä (10) jaamme oikean ja vasemman puolen N, ja viedään se muotoon:

N 0 /N=e  t (15)

Uskoen siihen N 0 / N = 2, klo t = T, saamme ln2 =  T, missä:

ln2 = 0,693  = 0,693/ T(16)

Korvaamalla lausekkeen (16) sanalla (10) saadaan:

N = N 0 e –0,693t/t (17)

Kaavio (kuva 2.) esittää hajoavien atomien lukumäärän riippuvuuden vaimenemisajasta. Teoriassa eksponentiaalinen käyrä ei voi koskaan sulautua x-akseliin, mutta käytännössä voidaan olettaa, että noin 10–20 puoliintumisajan jälkeen radioaktiivinen aine hajoaa kokonaan.

Päästäksesi eroon arvoista N ja N 0, käytä seuraavaa radioaktiivisuusilmiön ominaisuutta. On instrumentteja, jotka tallentavat jokaisen rappeutumisen. On selvää, että on mahdollista määrittää hajoamisten määrä tietyn ajanjakson aikana. Tämä ei ole muuta kuin radionuklidin hajoamisnopeus, jota voidaan kutsua aktiivisuudeksi: mitä enemmän ytimiä hajoaa samanaikaisesti, sitä suurempi aktiivisuus.

Niin, toiminta on fysikaalinen suure, joka kuvaa radioaktiivisten hajoamisten määrää aikayksikköä kohti:

A =dN/ dt(18)

Aktiivisuuden määritelmästä seuraa, että se kuvaa ydinsiirtymien nopeutta aikayksikköä kohti. Toisaalta ydinsiirtymien määrä riippuu vaimennusvakiosta l. Voidaan osoittaa, että:

A = A 0 e –0,693t/t (19)

Kaavan (19) johdannainen. Radionuklidin aktiivisuus kuvaa hajoamisten määrää aikayksikköä kohden (sekunnissa) ja on yhtä suuri kuin yhtälön (14) aikaderivaata:

A = d N/dt = lN 0 e –-  t = lN (20)

Vastaavasti alkuperäinen toiminta ajankohdassa t = 0 on yhtä suuri kuin:

A o = lN o (21)

Yhtälön (20) perusteella ja ottaen huomioon (21) saamme:

A = A o e –  t tai A = A 0 e – 0,693 t / T (22)

SI-järjestelmän aktiivisuusyksikkö on 1 hajoaminen/s = 1 Bq(nimettiin Becquereliksi ranskalaisen tiedemiehen (1852–1908) kunniaksi, joka löysi uraanisuolojen luonnollisen radioaktiivisuuden vuonna 1896). Käytetään myös useita yksiköitä: 1 GBq = 10 9 Bq - gigabecquerel, 1 MBq = 10 6 Bq - megabecquerel, 1 kBq = 10 3 Bq - kilobecquerel jne.

On myös ei-systeeminen yksikkö Curie, joka on poistettu käytöstä GOST 8.417-81 ja RD 50-454-84 mukaisesti. Käytännössä ja kirjallisuudessa sitä kuitenkin käytetään. Takana 1Ku Oletettu aktiivisuus on 1 g radiumia.

1Ku = 3,7 10 10 Bk; 1 Bq = 2,7 10 –11 Ki(23)

He käyttävät myös megacurien moniyksikköä 1Mci=1106 Ci ja alayksikköä – millicurie, 1mCi=10 –3 Ci; mikrocurie, 1 µCi = 10-6 Ci.

Radioaktiiviset aineet voivat olla erilaisissa aggregaatiomuodoissa, mukaan lukien aerosoli, suspendoituneena nesteeseen tai ilmaan. Siksi annosmittauksessa käytetään usein ominais-, pinta- tai tilavuusaktiivisuuden arvoa tai radioaktiivisten aineiden pitoisuutta ilmassa, nesteessä ja maaperässä.

Ominais-, tilavuus- ja pinta-aktiivisuus voidaan kirjoittaa muodossa:

A m = A/m; A v = A/v; A s = A/s(24)

Missä: m– aineen massa; v– aineen tilavuus; s– aineen pinta-ala.

On selvää, että:

A m = A/ m = A/ srh= A s / rh = A v / r(25)

Missä: r– maaperän tiheys Valko-Venäjän tasavallasta 1000 kg/m 3 ; h- maaperän juurikerros, otettu 0,2 m; s– radioaktiivisen saastumisen pinta-ala, m2. Sitten:

A m = 5  10 –3 A s ; A m = 10 –3 A v (26)

A m voidaan ilmaista Bq/kg tai Cu/kg; A s voidaan ilmaista Bq/m2, Ku/m2, Ku/km2; A v voidaan ilmaista Bq/m3 tai Cu/m3.

Käytännössä voidaan käyttää sekä aggregoituja että murto-osia mittayksiköitä. Esimerkiksi: Ku/ km 2, Bq/cm 2, Bq/g jne.

Säteilyturvallisuusstandardit NRB-2000 lisäsivät lisäksi useita toimintoyksiköitä, joita on kätevä käyttää säteilyturvallisuusongelmia ratkaistaessa.

Minimi merkittävä aktiivisuus (MSA) – avoimen ionisoivan säteilyn lähteen aktiivisuus huoneessa tai työpaikalla, jos se ylittyy, näiden lähteiden käyttöön vaaditaan terveysministeriön saniteetti-epidemiologisen yksikön lupa, jos myös merkittävän ominaisaktiivisuuden vähimmäisarvo ylittyy .

Pienin merkittävä erityisaktiviteetti (MSUA) – avoimen ionisoivan säteilyn lähteen tietty toiminta huoneessa tai työpaikalla, jos se ylittyy, tämän lähteen käyttöön vaaditaan terveysministeriön terveys-epidemiologisen yksikön lupa, jos myös vähämerkityksisen toiminnan arvo ylittyy.

Tasapainon ekvivalenttiaktiivisuus (EREA) radonin isotooppien tytärtuotteet 222 Rn Ja 220 Rn– radonin isotooppien lyhytikäisten tytärtuotteiden tilavuusaktiivisuuksien painotettu summa – 218 Ro (RaA); 214 Pb (RaB); 212 Pb (ThB); 212 SISÄÄNi (ThC) vastaavasti:

(EROA) Rn = 0,10 A RaA + 0,52 A RaB + 0,38 A RaC ;

(EROA) Th = 0,91 A ThB + 0,09 A ThC ,

Missä A– radonin ja toriumin isotooppien tytärtuotteiden volyymiaktiivisuudet.