Radioaktiivisen hajoamisen laki on radioaktiivisen hajoamisaktiivisuuden vakio. Radioaktiivisen hajoamisen peruslaki

1. Radioaktiivisuus. Radioaktiivisen hajoamisen peruslaki. Toiminta.

2. Radioaktiivisen hajoamisen päätyypit.

3. Ionisoivan säteilyn ja aineen vuorovaikutuksen kvantitatiiviset ominaisuudet.

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 - ytimien määrä radioaktiivinen lääke, vaimeneminen 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 kutsutaan radioaktiivisiksi isotoopeiksi kemiallisia alkuaineita lyhyellä puoliintumisajalla. 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.

Radioaktiivisuus

Ionisoiva säteily

Säteilyvaikutukset

Maapallo on jatkuvan nopeiden hiukkasten ja kovien kvanttien vaikutuksen alaisena elektromagneettinen säteily tulee avaruudesta. Tätä virtaa kutsutaan kosmisiksi säteiksi. Kosmiset säteet tulevat universumin syvyyksistä ja auringosta. Osa kosmisesta säteilyvirrasta saavuttaa maan pinnan ja osa absorboituu ilmakehään, jolloin syntyy sekundaarista säteilyä ja syntyy erilaisia ​​radionuklideja. Kosmisen säteiden vuorovaikutus aineen kanssa johtaa sen ionisaatioon.

Hiukkasten tai sähkömagneettisten kvanttien virtausta, joiden vuorovaikutus väliaineen kanssa johtaa sen atomien ionisaatioon, kutsutaan ionisoiva säteily.

Ionisoiva säteily voi olla myös maanpäällistä. Esiintyy esimerkiksi radioaktiivisen hajoamisen aikana.

Radioaktiivisuusilmiön löysi vuonna 1896 A. Becquerel.

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

Radioaktiivisuutta on kahta tyyppiä:

Natural, joka löytyy luonnollisista epävakaista ytimistä;

Keinotekoinen, jota löytyy erilaisten ydinreaktioiden seurauksena muodostuneista radioaktiivisista ytimistä.

Molemmilla radioaktiivisuustyypeillä on yhteisiä kuvioita.

Radioaktiivinen hajoaminen on tilastollinen ilmiö. Voidaan asentaa todennäköisyys yhden ytimen hajoaminen tietyn ajan kuluessa. Saman ajan kuluessa yhtä suuret osuudet olemassa olevista (eli niistä, jotka eivät ole vielä hajonneet tietyn ajanjakson alussa) ytimistä hajoavat radioaktiivinen elementti.

Anna hetken päästä dt hajoaa dN ytimet. Tämä luku on verrannollinen aikaväliin dt ja radioaktiivisten ytimien kokonaismäärä N:

missä λ - rappeuma vakio, verrannollinen radioaktiivisen ytimen hajoamisen todennäköisyyteen ja riippuen alkuaineen luonteesta; "-"-merkki osoittaa vähenee radioaktiivisten ytimien määrä.

Päätöksellä differentiaaliyhtälö(12.23) on eksponentiaalinen funktio:

Missä N 0- radioaktiivisten ytimien lukumäärä tällä hetkellä t = 0, a N- hajoamattomien ytimien lukumäärä tällä hetkellä t.

Kaava (12.24) ilmaisee radioaktiivisen hajoamisen lain.

Radioaktiivisten ytimien lukumäärä vähenee ajan myötä eksponentiaalisen lain mukaan.

Käytännössä vaimenemisvakion A sijasta käytetään usein toista arvoa, ns puolikas elämä.

Puoliintumisaika (T)- Tämä on aika, jonka aikana se hajoaa puoli radioaktiiviset ytimet.

Puoliintumisaika voi olla hyvin pitkä tai hyvin lyhyt. Esimerkiksi uraanille T = 4,5 10 9 vuotta ja litiumille T Li = 0,89 s.

Hajoamisen ominaisuudet T ja λ liittyvät toisiinsa:

Radioaktiivisen hajoamisen laki puoliintumisajalla on kirjoitettu seuraavasti:

Kuvassa Kuvassa 12.7 on esitetty radioaktiiviset hajoamisprosessit kahdelle aineelle, joilla on eri puoliintumisajat.

Riisi. 12.7. Alkuperäisen aineen ytimien lukumäärän väheneminen radioaktiivisen hajoamisen aikana

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 tarpeen valmistaa radioaktiivinen fosfori 32P valmiste. 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.

Alla radioaktiivinen hajoaminen tai yksinkertaisesti hajoaminen, ymmärtää ytimien luonnollista radioaktiivista muutosta, joka tapahtuu spontaanisti. Radioaktiivisesti hajoavaa atomiydintä kutsutaan äidin, nouseva ydin - tytäryhtiöt.

Radioaktiivisen hajoamisen teoria perustuu oletukseen, että radioaktiivinen hajoaminen on spontaani prosessi, joka noudattaa tilaston lakeja. Koska yksittäiset radioaktiiviset ytimet hajoavat toisistaan ​​riippumatta, voidaan olettaa, että ytimien lukumäärä d N, heikkeni keskimäärin ajanjakson aikana alkaen t ennen t + dt, verrannollinen ajanjaksoon dt ja numero N tuolloin hajoamattomia ytimiä t:

jossa on tietyn radioaktiivisen aineen vakioarvo, ns radioaktiivisen hajoamisen vakio; miinusmerkki osoittaa sen kokonaismäärä radioaktiiviset ytimet vähenevät hajoamisprosessin aikana.

Erottelemalla muuttujat ja integroimalla, ts.

(256.2)

missä on hajoamattomien ytimien alkuperäinen lukumäärä (hetkellä t = 0), N- hajoamattomien ytimien lukumäärä kerrallaan t. Kaava (256.2) ilmaisee radioaktiivisen hajoamisen laki, jonka mukaan hajoamattomien ytimien määrä vähenee eksponentiaalisesti ajan myötä.

Radioaktiivisen hajoamisprosessin intensiteetille on tunnusomaista kaksi suuruutta: radioaktiivisen ytimen puoliintumisaika ja keskimääräinen elinikä. Puolikas elämä- aika, jonka aikana radioaktiivisten ytimien alkumäärä puolittuu keskimäärin. Sitten (256.2)

Luonnollisesti radioaktiivisten elementtien puoliintumisajat vaihtelevat kymmenestä sekunnin miljoonasosasta useisiin miljardeihin vuosiin.

Kokonaiselinajanodote dN ytimet on yhtä suuri kuin . Integroimalla tämän ilmaisun kaikkeen mahdolliseen t(eli 0:sta) ja jakamalla ytimien alkumäärällä, saamme keskimääräinen käyttöikä radioaktiivinen ydin:

(ottaa huomioon (256.2)). Siten radioaktiivisen ytimen keskimääräinen elinikä on radioaktiivisen hajoamisvakion käänteisluku.

Toiminta A nuklidi (yleinen nimi atomiytimet, jotka eroavat protonien lukumäärästä Z ja neutroneja N) radioaktiivisessa lähteessä on hajoamisten lukumäärä, joka tapahtuu näytteen ytimien kanssa 1 sekunnissa:

(256.3)

Aktiviteetin SI-yksikkö on becquerel(Bq): 1 Bq - nuklidin aktiivisuus, jossa yksi hajoamistapahtuma tapahtuu 1 sekunnissa. Vielä mukana ydinfysiikka Käytetään myös radioaktiivisessa lähteessä olevan nuklidin järjestelmän ulkopuolista aktiivisuusyksikköä - curie(Ci): 1 Ci = 3,7 × 10 10 Bq. Radioaktiivista hajoamista tapahtuu ns siirtymäsäännöt, jonka avulla voimme määrittää, mikä ydin syntyy tietyn emoytimen hajoamisen seurauksena. Offset säännöt:

varten - rappeutuminen

(256.4)

varten - rappeutuminen

(256.5)

missä on emoydin, Y on tytärytimen symboli, on heliumydin (-hiukkanen), on elektronin symbolinen nimitys (sen varaus on –1 ja massaluku nolla). Siirtymäsäännöt ovat vain seurausta kahdesta radioaktiivisen hajoamisen aikana voimassa olevasta laista - sähkövarauksen säilymisestä ja massaluvun säilymisestä: tuloksena olevien ytimien ja hiukkasten varausten (massalukujen) summa on yhtä suuri kuin varaus. (massaluku) alkuperäisen ytimen.

Radioaktiivisen hajoamisen seurauksena syntyneet ytimet voivat puolestaan ​​olla radioaktiivisia. Tämä johtaa syntymiseen ketjut, tai sarja, radioaktiiviset muunnokset päättyy vakaaseen elementtiin. Sellaisen ketjun muodostavaa elementtijoukkoa kutsutaan radioaktiivinen perhe.

Siirtymäsäännöistä (256.4) ja (256.5) seuraa, että massaluku pienenee -hajoamisen aikana 4:llä, mutta ei muutu -hajoamisen aikana. Siksi kaikille saman radioaktiivisen perheen ytimille jäännös, kun massaluku jaetaan neljällä, on sama. Siten on neljä erilaista radioaktiivista perhettä, joista kunkin massaluvut on annettu jollakin seuraavista kaavoista:

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

Missä P on positiivinen kokonaisluku. Perheet on nimetty pisin (pisin puoliintumisaika) "esi-isän" mukaan: toriumin (lähteestä), neptuniumin (lähteestä), uraanin (lähteestä) ja merivuokon (alkaen) perheet. Lopulliset nuklidit ovat vastaavasti , , , eli ainoa neptuniumperhe (keinotekoisesti radioaktiiviset ytimet) päättyy nuklidiin Bi, ja kaikki loput (luonnollisesti radioaktiiviset ytimet) ovat nuklideja Pb.

§ 257. Hajoamisen lait

Tällä hetkellä tunnetaan yli kaksisataa aktiivista ydintä, pääasiassa raskaita ( A > 200, Z> 82). Vain pieni ryhmä -aktiivisia ytimiä esiintyy alueilla, joilla on A= 140 ¸ 160 ( harvinaiset maametallit). -Hajottaminen noudattaa siirtymäsääntöä (256.4). Esimerkki -hajoamisesta on uraanin isotoopin hajoaminen muodostumisen mukana Th:

Hajoamisen aikana emittoivien hiukkasten nopeudet ovat erittäin korkeat ja vaihtelevat eri ytimille välillä 1,4 × 10 7 - 2 × 10 7 m/s, mikä vastaa energioita 4 - 8,8 MeV. Nykyaikaisten käsitteiden mukaan -hiukkaset muodostuvat radioaktiivisen hajoamisen hetkellä, kun kaksi protonia ja kaksi ytimen sisällä liikkuvaa neutronia kohtaavat.

Tietyn ytimen lähettämillä hiukkasilla on yleensä tietty energia. Hienovaraisemmat mittaukset ovat kuitenkin osoittaneet, että tietyn radioaktiivisen alkuaineen emittoimien -hiukkasten energiaspektri on "hienorakenne" eli emittoituu useita -hiukkasryhmiä ja kunkin ryhmän sisällä niiden energiat ovat käytännössä vakioita. -hiukkasten diskreettispektri osoittaa, että atomiytimillä on erilliset energiatasot.

-hajoamiselle on ominaista vahva suhde puoliintumisajan ja energian välillä E lentäviä hiukkasia. Tämä suhde määritetään empiirisesti Geiger-Nattallin laki(1912) (D. Nattall (1890-1958) - englantilainen fyysikko, H. Geiger (1882-1945) - saksalainen fyysikko), joka ilmaistaan ​​yleensä yhteytenä kilometrimäärä(matka, jonka aine hiukkanen kulkee ennen kuin se pysähtyy kokonaan) - hiukkaset ilmassa ja radioaktiivisen hajoamisvakio:

(257.1)

Missä A Ja SISÄÄN- empiiriset vakiot, . (257.1) mukaan mitä lyhyempi radioaktiivisen alkuaineen puoliintumisaika on, sitä suurempi on sen lähettämien hiukkasten kantama ja siten energia. Hiukkasten valikoima ilmassa (at normaaleissa olosuhteissa) on useita senttejä, enemmän tiheät ympäristöt se on paljon pienempi, millimetrin sadasosia (-hiukkaset voidaan pysäyttää tavallisella paperiarkilla).

Rutherfordin kokeet -hiukkasten siroamisesta uraanin ytimissä osoittivat, että -hiukkaset, joiden energia on 8,8 MeV, kokevat Rutherfordin sironnan ytimiin, eli ytimistä -hiukkasiin vaikuttavat voimat kuvataan Coulombin lailla. Tämäntyyppinen -hiukkasten sironta osoittaa, että ne eivät ole vielä päässeet ydinvoimien toiminta-alueelle, eli voimme päätellä, että ydintä ympäröi potentiaalieste, jonka korkeus on vähintään 8,8 MeV. Toisaalta uraanin emittoimien -hiukkasten energia on 4,2 MeV. Tämän seurauksena -hiukkaset lentävät ulos -radioaktiivisesta ytimestä energialla, joka on huomattavasti pienempi kuin potentiaaliesteen korkeus. Klassinen mekaniikka ei voinut selittää tätä tulosta.

Selitys - hajoaminen annettu kvanttimekaniikka, jonka mukaan hiukkasen emissio ytimestä on mahdollista tunneliilmiön ansiosta (katso §221) - hiukkasen tunkeutuminen potentiaaliesteen läpi. On aina nollasta poikkeava todennäköisyys, että hiukkanen, jonka energia on pienempi kuin potentiaaliesteen korkeus, läpäisee sen, eli hiukkaset voivat todellakin lentää radioaktiivisesta ytimestä energialla, joka on pienempi kuin potentiaaliesteen korkeus. . Tämä vaikutus johtuu kokonaan -hiukkasten aaltoluonteesta.

Todennäköisyys, että hiukkanen läpäisee potentiaaliesteen, määräytyy sen muodon mukaan ja lasketaan Schrödingerin yhtälön perusteella. Yksinkertaisimmassa tapauksessa potentiaalisulku, jossa on suorakaiteen muotoiset pystyseinät (katso kuva 298, A) läpinäkyvyyskerroin, joka määrittää sen läpi kulkemisen todennäköisyyden, määräytyy aiemmin käsitellyllä kaavalla (221.7):

Analysoimalla tätä lauseketta näemme, että läpinäkyvyyskerroin D mitä pidempi (siis mitä lyhyempi puoliintumisaika), sitä pienempi korkeus ( U) ja leveys ( l) este on -hiukkasen reitillä. Lisäksi samalla potentiaalikäyrällä, mitä suurempi hiukkasen energia on, sitä pienempi on sen reitin este. E. Siten Geiger-Nattallin laki vahvistetaan laadullisesti (katso (257.1)).

§ 258. - Hajoaminen. Neutrino

-hajoamisen ilmiö (tulevaisuudessa osoitetaan, että on olemassa ja (-hajoaminen) noudattaa siirtymäsääntöä (256.5)

ja se liittyy elektronin vapautumiseen. Meidän oli voitettava useita vaikeuksia rappeutumisen tulkinnassa.

Ensin oli tarpeen perustella hajoamisprosessin aikana emittoineiden elektronien alkuperä. Ytimen protoni-neutronirakenne sulkee pois mahdollisuuden elektronin karkaamiseen ytimestä, koska ytimessä ei ole elektroneja. Oletus, että elektronit lentävät pois ytimestä, vaan elektronikuoresta, on kestämätön, koska silloin pitäisi havaita optista tai röntgensäteilyä, mitä ei ole vahvistettu kokeilla.

Toiseksi piti selittää emittoituneiden elektronien energiaspektrin jatkuvuus (kaikille isotoopeille tyypillinen -hiukkasten energian jakautumiskäyrä on esitetty kuvassa 343).

Kuinka aktiiviset ytimet, joilla on hyvin määritelty energia ennen ja jälkeen hajoamisen, voivat syrjäyttää elektroneja, joiden energiaarvot ovat nollasta tiettyyn maksimiin? Eli emittoituneiden elektronien energiaspektri on jatkuva? Hypoteesi, että -hajoamisen aikana elektronit poistuvat ytimestä tiukasti määritellyillä energioilla, mutta joidenkin sekundaaristen vuorovaikutusten seurauksena ne menettävät osan energiastaan ​​niin, että niiden alkuperäinen diskreetti spektri muuttuu jatkuvaksi, kumottiin suoralla kalorimetrillä. kokeiluja. Koska maksimienergia määräytyy emo- ja tytärytimien massojen eron perusteella, silloin hajoaminen, jossa elektronin 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.

Kolmanneksi oli tarpeen käsitellä spin-säilyttämättömyyttä -hajoamisen aikana. -hajoamisen aikana nukleonien määrä ytimessä ei muutu (koska massaluku ei muutu A), siis ytimen spin, joka on yhtä suuri kuin parillisen kokonaisluku A ja puolikokonaisluku on pariton A. Kuitenkin elektronin, jolla on spin /2, vapautumisen pitäisi muuttaa ytimen spiniä määrällä /2.

Kaksi viimeistä vaikeutta johtivat W. Paulin hypoteesiin (1931), että -hajoamisen aikana emittoidaan toinen neutraali hiukkanen elektronin mukana - neutrino. Neutrinolla on nollavaraus, spin /2 ja nolla (tai pikemminkin< 10 -4 ) массу покоя; обозначается . Впоследствии оказалось, что при - hajoaminen, neutriinoja ei säteile, vaan antineutrino(antihiukkanen suhteessa neutriinoihin; merkitty ).

Neutriinojen olemassaolon hypoteesi antoi E. Fermille mahdollisuuden luoda -hajoamisteorian (1934), joka on suurelta osin säilyttänyt merkityksensä tähän päivään asti, vaikka neutriinojen olemassaolo todistettiin kokeellisesti yli 20 vuotta myöhemmin (1956). Tällainen pitkä neutriinojen "etsintä" liittyy suuriin vaikeuksiin, koska neutriinoissa ei ole sähkövarausta ja massaa. Neutriino on ainoa hiukkanen, joka ei osallistu voimakkaaseen tai sähkömagneettiseen vuorovaikutukseen; Ainoa vuorovaikutustyyppi, johon neutriinot voivat osallistua, on heikko vuorovaikutus. Siksi neutriinojen suora havainnointi on erittäin vaikeaa. Neutriinojen ionisaatiokyky on niin alhainen, että yksi ionisaatiotapahtuma ilmassa tapahtuu 500 ajokilometriä kohden. Neutriinojen läpäisykyky on niin valtava (1 MeV:n energian neutriinojen kantama lyijyssä on noin 1018 m!), mikä vaikeuttaa näiden hiukkasten säilyttämistä laitteissa.

Neutriinojen (antineutriinojen) kokeelliseen havaitsemiseen käytettiin siksi epäsuoraa menetelmää, joka perustuu siihen, että reaktioissa (mukaan lukien neutriinot) liikemäärän säilymislaki täyttyy. Siten neutriinot löydettiin tutkimalla atomiytimien rekyyliä -hajoamisen aikana. Jos ytimen hajoamisen aikana antineutrino irtoaa elektronin mukana, kolmen impulssin - rekyyliytimen, elektronin ja antineutrinon - vektorisumman tulee olla nolla. Tämä on todellakin kokemuksella vahvistettu. Neutriinojen suora havaitseminen tuli mahdolliseksi vasta paljon myöhemmin, voimakkaiden reaktorien ilmaantumisen jälkeen, jotka mahdollistivat voimakkaiden neutriinovirtojen saamisen.

Neutriinojen (antineutriinojen) käyttöönotto teki mahdolliseksi paitsi selittää spinin näennäisen säilymättömyyden, myös ymmärtää irtautuneiden elektronien energiaspektrin jatkuvuudesta. Jatkuva -hiukkasten spektri johtuu energian jakautumisesta elektronien ja antineutriinojen välillä, ja molempien hiukkasten energioiden summa on yhtä suuri kuin . Joissakin hajoamistapahtumissa antineutrino saa enemmän energiaa, toisissa - elektronin; käyrän rajapisteessä kuvassa. 343, jossa elektronin energia on yhtä suuri kuin , elektroni kuljettaa pois kaiken hajoamisenergian ja antineutrinoenergia on nolla.

Lopuksi tarkastellaan kysymystä elektronien alkuperästä -hajoamisen aikana. Koska elektroni ei lennä ulos ytimestä eikä karkaa atomin kuoresta, oletettiin, että elektroni syntyy ytimen sisällä tapahtuvien prosessien seurauksena. Koska -hajoamisen aikana nukleonien määrä ytimessä ei muutu, a Z kasvaa yhdellä (katso (256.5)), niin ainoa mahdollisuus näiden ehtojen samanaikaiseen toteuttamiseen on yhden neutronin - aktiivisen ytimen - muuntaminen protoniksi, jolloin muodostuu samanaikaisesti elektroni ja antineutriino:

(258.1)

Tähän prosessiin liittyy suojelulakien täyttäminen sähkövaraukset, liikemäärä ja massaluvut. Lisäksi tämä muunnos on energeettisesti mahdollinen, koska neutronin lepomassa ylittää vetyatomin massan eli protonin ja elektronin yhdessä. Tämä massaero vastaa energiaa, joka on 0,782 MeV. Tästä energiasta johtuen neutronin spontaani muuttuminen protoniksi voi tapahtua; energia jakautuu elektronin ja antineutrinon välillä.

Jos neutronin muuttuminen protoniksi on energeettisesti edullista ja yleisesti mahdollista, tulee vapaiden neutronien (eli ytimen ulkopuolisten neutronien) radioaktiivista hajoamista tarkkailla. Tämän ilmiön löytäminen olisi vahvistus esitetylle rappeutumisteorialle. Todellakin, vuonna 1950, korkean intensiteetin neutronivuot, jotka syntyvät vuonna 1950 ydinreaktorit, havaittiin vapaiden neutronien radioaktiivinen hajoaminen, joka tapahtui kaavion (258.1) mukaisesti. Saatujen elektronien energiaspektri vastasi kuvassa 1 esitettyä. 343, ja elektronin energian yläraja osoittautui yhtä suureksi kuin edellä laskettu (0,782 MeV).

Edellytys radioaktiivinen hajoaminen tarkoittaa, että alkuperäisen ytimen massan on ylitettävä hajoamistuotteiden massojen summa. Siksi jokainen radioaktiivinen hajoaminen tapahtuu energian vapautuessa.

Radioaktiivisuus jaettu luonnolliseen ja keinotekoiseen. Ensimmäinen koskee sisällä olevia radioaktiivisia ytimiä luonnolliset olosuhteet, toinen - ytimiin, jotka on saatu ydinreaktioiden kautta laboratorio-olosuhteissa. Pohjimmiltaan ne eivät eroa toisistaan.

Pääasiallisia radioaktiivisuuden tyyppejä ovat α-, β- ja γ-hajoaminen. Ennen kuin luonnehdimme niitä yksityiskohtaisemmin, tarkastelkaamme lakia näiden prosessien esiintymisestä ajan kuluessa, joka on yhteinen kaikille radioaktiivisuuden tyypeille.

Identtiset ytimet hajoavat eri aikojen kuluessa, mitä ei voida ennustaa etukäteen. Siksi voimme olettaa, että ytimien määrä hajoaa lyhyessä ajassa dt, verrannollinen numeroon N tällä hetkellä saatavilla olevat ytimet ja dt:

Suhdesuhdetta (3.5) kutsutaan radioaktiivisen hajoamisen peruslakiksi. Kuten näette, numero N vielä hajoamattomien ytimien määrä vähenee eksponentiaalisesti ajan myötä.

Radioaktiivisen hajoamisen intensiteetille on tunnusomaista hajoavien ytimien määrä aikayksikköä kohti. Kohdasta (3.4) on selvää, että tämä määrä | dN / dt | = λN. Sitä kutsutaan toiminnaksi A. Eli toiminta:

.

Se mitataan becquereleinä (Bq), 1 Bk = 1 hajoaminen/s; ja myös curiessa (Ci), 1 Ci = 3,7∙10 10 Bq.

Radioaktiivisen lääkkeen aktiivisuutta massayksikköä kohti kutsutaan ominaisaktiivisuudeksi.

Palataan kaavaan (3.5). Jatkuvan kanssa λ ja toimintaa A radioaktiivisen hajoamisen prosessille on ominaista kaksi muuta määrää: puoliintumisaika T 1/2 ja keskimääräinen elinikä τ ytimiä.

Puolikas elämä T 1/2- aika, jonka aikana radioaktiivisten ytimien alkumäärä vähenee keskimäärin puoleen:

,

Keskimääräinen käyttöikä τ Määritellään se seuraavasti. Ydinten lukumäärä δN(t), joka koki rappeutumista ajan kuluessa ( t, t + dt), määräytyy lausekkeen (3.4) oikealla puolella: δN(t) = λNdt. Jokaisen näiden ytimien elinikä on t. Tämä tarkoittaa kaikkien elämien summaa N 0 alun perin saatavilla olevien ytimien määrä määritetään integroimalla ekspressio tδN(t) ajassa 0 - ∞. Jakamalla kaikkien elämien summa N 0 ytimiä per N 0, löydämme keskimääräisen käyttöiän τ kyseessä olevasta ytimestä:

huomaa, että τ on yhtä suuri kuin (3.5) kohdasta ajanjakso, jonka aikana ytimien alkuperäinen lukumäärä pienenee e kerran.

Vertaamalla (3.8) ja (3.9.2) näemme, että puoliintumisaika T 1/2 ja keskimääräinen elinikä τ niillä on sama järjestys ja ne liittyvät toisiinsa suhteella:

.

Monimutkainen radioaktiivinen hajoaminen voi tapahtua kahdessa tapauksessa:

Fyysinen merkitys Näistä yhtälöistä on se, että ytimien 1 määrä vähenee niiden hajoamisen vuoksi ja ytimien 2 määrä täydentyy ytimien 1 hajoamisen seurauksena ja pienenee oman hajoamisen vuoksi. Esimerkiksi alkuhetkellä t= 0 saatavilla N 01 ytimet 1 ja N 02 2 ydintä. Tällaisilla alkuehdoilla järjestelmän ratkaisu on muotoa:

Jos samaan aikaan N 02= 0 siis

.

Arvon arvioimiseksi N 2(t) voit käyttää graafista menetelmää (katso kuva 3.2) käyrien muodostamiseen e-λt ja (1 - e-λt). Lisäksi funktion erityisominaisuuksien vuoksi e-λt on erittäin kätevää rakentaa käyräordinaatit arvoille t, vastaava T, 2T, … jne. (katso taulukko 3.1). Suhde (3.13.3) ja kuva 3.2 osoittavat, että radioaktiivisen tytäraineen määrä kasvaa ajan myötä ja t >> T 2 (λ 2 t>> 1) lähestyy raja-arvoaan:

ja sitä kutsutaan vuosisatoja vanhaksi tai maallinen tasapaino. Ikivanhan yhtälön fyysinen merkitys on ilmeinen.

Kuva 3.3. Monimutkainen radioaktiivinen hajoaminen.

Koska yhtälön (3.4) mukaan λN on yhtä suuri kuin vaimentumisten määrä aikayksikköä kohti, sitten relaatio λ 1 N 1 = λ 2 N 2 tarkoittaa, että tytäraineen hajoamisten lukumäärä λ 2 N 2 yhtä suuri kuin lähtöaineen hajoamisten lukumäärä, ts. tässä tapauksessa muodostuneen tytäraineen ytimien lukumäärä λ 1 N 1. Maallista yhtälöä käytetään laajalti pitkäikäisten puoliintumisaikojen määrittämiseen radioaktiiviset aineet. Tätä yhtälöä voidaan käyttää verrattaessa kahta keskenään muuntavaa ainetta, joista toisen puoliintumisaika on paljon lyhyempi kuin ensimmäisellä ( T 2 << T 1) edellyttäen, että tämä vertailu tehdään tuolloin t >> T 2 (T 2 << t << T 1). Esimerkki kahden radioaktiivisen aineen peräkkäisestä hajoamisesta on radium Ra:n muuttuminen radoniksi Rn. 88 Ra 226:n tiedetään emittoivan puoliintumisajalla T 1 >> 1600 vuottaα-hiukkaset, muuttuu radioaktiiviseksi kaasuksi radoniksi (88 Rn 222), joka on itse radioaktiivinen ja lähettää α-hiukkasia, joilla on puoliintumisaika T 2 ≈ 3.8 päivä. Tässä esimerkissä vain T 1 >> T 2, niin aikoinaan t << T 1 yhtälöiden (3.12) ratkaisu voidaan kirjoittaa muodossa (3.13.3).

Yksinkertaistamista varten on välttämätöntä, että ytimien Rn alkumäärä on yhtä suuri kuin nolla ( N 02= 0 at t= 0). Tämä saavutetaan perustamalla erityisesti koe, jossa tutkitaan prosessia, jolla Ra muuttuu Rn:ksi. Tässä kokeessa Ra-lääke sijoitetaan lasipulloon, jossa on putki yhdistettynä pumppuun. Pumpun käytön aikana vapautunut kaasumainen Rn pumpataan välittömästi ulos ja sen pitoisuus kartiossa on nolla. Jos jossain hetkessä pumpun käydessä kartio erotetaan pumpusta, niin tästä hetkestä lähtien, joka voidaan ottaa esim. t= 0, kartion ytimien Rn määrä alkaa kasvaa lain (3.13.3) mukaan:N Ra ja N Rn- tarkka punnitus ja λ Rn- määrittämällä puoliintumisaika Rn, jonka arvo on sopiva mittauksille 3,8 päivä. Neljäs määrä siis λRa voidaan laskea. Tämä laskelma antaa radiumin puoliintumisajan TRa ≈ 1600 vuotta, joka on sama kuin määritelmän tulokset TRa menetelmä emittoituneiden α-hiukkasten absoluuttiseen laskemiseen.

Ra:n ja Rn:n radioaktiivisuus valittiin standardiksi verrattaessa eri radioaktiivisten aineiden aktiivisuutta. Radioaktiivisuusyksikköä kohti - 1 Ki- hyväksytty 1 g radiumia tai sen kanssa tasapainossa olevan radonin määrä. Jälkimmäinen löytyy helposti seuraavasta päättelystä.

Tiedetään, että 1 G radium käy läpi ~3,7∙10 10 sekunnissa rappeutuu. Siten.