N=N 0 e - λt ist das Gesetz des radioaktiven Zerfalls, wobei N die Anzahl der nicht zerfallenen Kerne und N 0 die Anzahl der Anfangskerne ist.
Die physikalische Bedeutung der Zerfallskonstante ist die Wahrscheinlichkeit eines Kernzerfalls pro Zeiteinheit. Die charakteristischen Lebensdauern für radioaktive Kerne sind τ > 10 -14 s. Die Lebensdauer der Kerne aufgrund der Emission von Nukleonen beträgt 10 -23 s< <10 -20 c. T 1/2 – период полураспада – время, за которое распадается половина начального количества ядер. Активность радиоактивного источника – число распадов в единицу времени: A=λN.
Arten des radioaktiven Zerfalls. α - Zerfall, Zerfallsschema, Zerfallsmuster.
Radioaktiver Zerfall ist der Prozess der Umwandlung instabiler Atomkerne in die Kerne anderer Elemente, der mit der Emission von Teilchen einhergeht.
Arten des radioaktiven Zerfalls:
1)α - Zerfall - wird von der Emission von Heliumatomen begleitet.
2)β - Zerfall - Emission von Elektronen und Positronen.
3)γ - Zerfall - die Emission von Photonen während der Übergänge zwischen Kernzuständen.
4) Spontane Kernspaltung.
5) Nukleonenradioaktivität.
α - Zerfall: A 2 X→ A-Y Z-2 Y+ 4 2 He. Α-Zerfall wird in schweren Kernen beobachtet. Das Spektrum des α-Zerfalls ist diskret. Lauflänge α - Partikel in der Luft: 3-7 cm; für dichte Substanzen: 10 -5 m. T 1/2 10 -7 s ÷ 10 10 Jahre.
β - Zerfall. Schemata β + , β – und K-Einfang. Gesetzmäßigkeiten des β - Zerfalls.
β - Zerfall ist auf schwache Wechselwirkung zurückzuführen. Es ist schwach gegenüber starken Kernen. Alle Teilchen außer Photonen nehmen an schwachen Wechselwirkungen teil. Der Punkt ist die Degeneration neuer Teilchen. T 1/2 10 -2 s ÷ 10 20 Jahre. Die freie Weglänge des Neutrons beträgt 10 19 km.
β - Zerfall umfasst 3 Arten von Zerfall:
1) β - oder elektronisch. Der Kern gibt Elektronen ab. Im Allgemeinen:
A 2 X→ A Z –1 Y+ 0 –1 e+υ e .
2)β + oder Positron. Elektron-Antiteilchen werden emittiert – Positronen: 1 1 p→ 1 0 n+ 0 1 e+υ e – Umwandlungsreaktion eines Protons in ein Neutron. Die Reaktion verschwindet nicht von alleine. Gesamtansicht der Reaktion: A Z X→ A Z -1 Y+ 0 1 e+υ e . Beobachtet in künstlichen radioaktiven Kernen.
3) Elektronische Erfassung. Der Kern verwandelt sich, fängt die K-Schale ein und verwandelt sich in ein Neutron: 1 1 p+ 0 -1 e→ 1 0 n+υ e . Gesamtansicht: A Z X+ 0 1 e→ A Z -1 Y+υ e . Durch elektrischen Einfang fliegt nur ein Teilchen aus den Kernen heraus. Begleitet von charakteristischer Röntgenstrahlung.
Aktivität SONDERN Nuklid(Allgemeine Bezeichnung für Atomkerne, die sich in der Anzahl der Protonen unterscheiden Z und Neutronen N) in einer radioaktiven Quelle ist die Anzahl der Zerfälle, die mit den Kernen der Probe in 1 s auftreten:
SI-Einheit der Aktivität - Becquerel(Bq): 1 Bq ist die Aktivität des Nuklids, bei der ein Zerfallsvorgang in 1 s stattfindet. Bisher wird in der Kernphysik auch eine Off-System-Einheit der Nuklidaktivität in einer radioaktiven Quelle verwendet - Curie(Ci): 1 Ci = 3,710 10 Bq.
Radioaktiver Zerfall erfolgt nach dem sogenannten Verschiebungsregeln, um festzustellen, welcher Kern als Ergebnis des Zerfalls eines bestimmten Elternkerns entsteht. Offset-Regeln:
wobei X der Mutterkern ist, Y das Symbol des Tochterkerns ist, He der Heliumkern ist ( -Partikel), e- symbolische Bezeichnung eines Elektrons (seine Ladung ist -1 und seine Massenzahl ist Null). Verschiebungsgesetze sind nichts anderes als eine Folge zweier Gesetze, die bei radioaktiven Zerfällen erfüllt sind - Erhaltung der elektrischen Ladung und Erhaltung der Massenzahl: Die Summe der Ladungen (Massenzahlen) entstehender Kerne und Teilchen ist gleich der Ladung (Massenzahl) des ursprünglichen Kerns.
28. Hauptgesetzmäßigkeiten des a-Zerfalls. Tunneleffekt. Eigenschaften der a-Strahlung.
α-Zerfall bezeichnet den spontanen Zerfall des Atomkerns in einen Tochterkern und ein α-Teilchen (den Kern des 4 He-Atoms).
α-Zerfall tritt in der Regel in schweren Kernen mit einer Massenzahl auf SONDERN≥140 (obwohl es einige Ausnahmen gibt). In schweren Kernen werden aufgrund der Sättigungseigenschaft der Kernkräfte separate α-Teilchen gebildet, die aus zwei Protonen und zwei Neutronen bestehen. Das resultierende α-Teilchen unterliegt einer stärkeren Wirkung der Coulomb-Abstoßungskräfte von den Protonen des Kerns als einzelne Protonen. Gleichzeitig erfährt das α-Teilchen eine geringere Kernanziehung zu den Nukleonen des Kerns als die übrigen Nukleonen. Das am Kernrand entstehende Alpha-Teilchen wird von der Potentialbarriere nach innen reflektiert, kann diese aber mit einiger Wahrscheinlichkeit überwinden (siehe Tunneleffekt) und herausfliegen. Wenn die Energie des Alpha-Teilchens abnimmt, nimmt die Permeabilität der Potentialbarriere exponentiell ab, sodass die Lebensdauer von Kernen mit einer geringeren verfügbaren Energie des Alpha-Zerfalls unter sonst gleichen Bedingungen länger ist.
Soddys Verschiebungsregel für α-Zerfall:
Durch den α-Zerfall verschiebt sich das Element um 2 Zellen an den Anfang des Periodensystems, die Massenzahl des Tochterkerns verringert sich um 4.
Tunneleffekt- Überwindung einer Potentialbarriere durch ein Mikropartikel in dem Fall, wenn seine Gesamtenergie (die während des Tunnelns unverändert bleibt) kleiner als die Barrierenhöhe ist. Der Tunneleffekt ist ein Phänomen ausschließlich quantenmechanischer Natur, unmöglich und sogar völlig konträr zur klassischen Mechanik. Ein Analogon zum Tunneleffekt in der Wellenoptik kann das Eindringen einer Lichtwelle in ein reflektierendes Medium (über Entfernungen in der Größenordnung der Lichtwellenlänge) unter Bedingungen sein, bei denen aus Sicht der geometrischen Optik Totalreflexion auftritt . Das Phänomen des Tunnelns liegt vielen wichtigen Prozessen in der Atom- und Molekülphysik, in der Physik des Atomkerns, der Festkörper usw. zugrunde.
Der Tunneleffekt kann durch die Unschärferelation erklärt werden. Geschrieben als:
es zeigt, dass, wenn ein Quantenteilchen entlang der Koordinate begrenzt ist, das heißt, seine Gewissheit entlang x, seine Dynamik p wird weniger sicher. Zufällig kann die Ungewissheit des Impulses dem Teilchen Energie hinzufügen, um die Barriere zu überwinden. Somit kann ein Quantenteilchen mit einiger Wahrscheinlichkeit die Barriere durchdringen, während die mittlere Energie des Teilchens unverändert bleibt.
Alphastrahlung hat die geringste Durchdringungskraft (um Alphateilchen zu absorbieren, reicht ein Blatt dickes Papier) in menschliches Gewebe bis zu einer Tiefe von weniger als einem Millimeter.
29. Grundlegende Gesetzmäßigkeiten des b-Zerfalls und seiner Eigenschaften. Neutrino. Elektronische Erfassung. (siehe 27)
Becquerel bewies, dass β-Strahlen ein Strom von Elektronen sind. Der β-Zerfall ist eine Manifestation der schwachen Wechselwirkung.
β-Zerfall(genauer Beta-Minus-Zerfall, -Zerfall) ist ein radioaktiver Zerfall, begleitet von der Emission eines Elektrons und eines Antineutrinos aus dem Kern.
Der β-Zerfall ist ein intranukleonischer Prozess. Es tritt als Ergebnis der Umwandlung von einem von auf d-Quarks in einem der Neutronen des Kerns in u-Quark; dabei wird das Neutron unter Emission eines Elektrons und eines Antineutrinos in ein Proton umgewandelt:
Soddys Verschiebungsregel für -decay:
Nach dem -Zerfall wird das Element um 1 Zelle an das Ende des Periodensystems verschoben (die Kernladung steigt um eins), während sich die Massenzahl des Kerns nicht ändert.
Es gibt auch andere Arten von Beta-Zerfall. Beim Positronenzerfall (Beta-Plus-Zerfall) emittiert der Kern ein Positron und ein Neutrino. In diesem Fall verringert sich die Ladung des Kerns um eins (der Kern wird um eine Zelle an den Anfang des Periodensystems verschoben). Positronenzerfall stets begleitet von einem konkurrierenden Prozess - Elektroneneinfang (wenn der Kern ein Elektron aus der Atomhülle einfängt und ein Neutrino emittiert, während die Ladung des Kerns ebenfalls um eins abnimmt). Das Gegenteil ist jedoch nicht der Fall: Viele Nuklide, für die der Positronenzerfall verboten ist, erfahren einen Elektroneneinfang. Die seltenste bekannte Art des radioaktiven Zerfalls ist der doppelte Beta-Zerfall, der bisher nur für zehn Nuklide mit Halbwertszeiten von über 10 19 Jahren nachgewiesen wurde. Alle Arten von Beta-Zerfällen erhalten die Massenzahl des Kerns.
Neutrino- ein neutrales Elementarteilchen mit halbzahligem Spin, das nur an schwachen und gravitativen Wechselwirkungen teilnimmt und zur Klasse der Leptonen gehört.
Elektronischer Griff, e Capture - eine der Arten des Beta-Zerfalls von Atomkernen. Beim Elektroneneinfang fängt eines der Protonen im Kern ein umkreisendes Elektron ein und verwandelt sich in ein Neutron, das ein Elektron-Neutrino emittiert. Die Ladung des Kerns wird dann um eins verringert. Die Massenzahl des Kerns ändert sich wie bei allen anderen Arten des Beta-Zerfalls nicht. Dieser Prozess ist charakteristisch für protonenreiche Kerne. Wenn die Energiedifferenz zwischen Eltern- und Kindatom (die verfügbare Energie des Beta-Zerfalls) 1,022 MeV (die doppelte Masse eines Elektrons) überschreitet, konkurriert der Elektroneneinfang immer mit einer anderen Art des Beta-Zerfalls, dem Positron-Zerfall. Beispielsweise wird Rubidium-83 nur durch Elektroneneinfang in Krypton-83 umgewandelt (verfügbare Energie beträgt etwa 0,9 MeV), während Natrium-22 sowohl durch Elektroneneinfang als auch durch Positronenzerfall zu Neon-22 zerfällt (verfügbare Energie beträgt etwa 2,8 MeV).
Da die Anzahl der Protonen im Kern (d. h. die Kernladung) während des Elektroneneinfangs abnimmt, verwandelt dieser Prozess den Kern eines chemischen Elements in den Kern eines anderen Elements, das sich näher am Anfang des Periodensystems befindet.
Allgemeine Formel für den Elektroneneinfang
30. γ-Strahlung von Kernen und ihre Eigenschaften. Wechselwirkung von γ-Strahlung mit Materie. Die Entstehung und Zerstörung von Elektron-Positron-Paaren.
Das wurde experimentell festgestellt -Strahlung ist keine eigenständige Art von Radioaktivität, sondern nur eine Begleiterscheinung - und -zerfällt und tritt auch bei Kernreaktionen, beim Abbremsen geladener Teilchen, deren Zerfall usw. auf. - Das Spektrum ist eine Linie. -Spektrum ist die Verteilung einer Zahl -Quanten in Energie. Diskretion -Spektrum ist von grundlegender Bedeutung, da es ein Beweis für die Diskretheit der Energiezustände von Atomkernen ist.
Das steht jetzt fest -Strahlung wird vom untergeordneten (und nicht vom übergeordneten) Kern emittiert. Der Tochterkern geht im Moment seiner Entstehung angeregt unter Emission in den Grundzustand über -Strahlung. Bei der Rückkehr in den Grundzustand kann der angeregte Kern also eine Reihe von Zwischenzuständen durchlaufen -Strahlung desselben radioaktiven Isotops kann mehrere Gruppen enthalten -Quanten, die sich in ihrer Energie unterscheiden.
Beim - Strahlung SONDERN und Z Kernel ändern sich nicht, daher wird es nicht durch Verdrängungsregeln beschrieben. - Die Strahlung der meisten Kerne ist so kurzwellig, dass ihre Welleneigenschaften sehr schwach ausgeprägt sind. Hier treten also korpuskuläre Eigenschaften in den Vordergrund -Strahlung wird als Teilchenstrom betrachtet - -Quanten. Beim radioaktiven Zerfall verschiedener Kerne -Quanten haben Energien von 10 keV bis 5 MeV.
Ein Kern im angeregten Zustand kann nicht nur durch Emission in den Grundzustand übergehen -Quant, aber auch mit direkter Übertragung der Anregungsenergie (ohne vorherige Emission -Quant) zu einem der Elektronen desselben Atoms. Dadurch entstehen die sog Umwandlungselektron. Das Phänomen selbst heißt interne Konvertierung. Interne Konvertierung ist ein Prozess, der mit konkurriert -Strahlung.
Konversionselektronen entsprechen diskreten Energiewerten, die von der Austrittsarbeit des Elektrons aus der Hülle, aus der das Elektron austritt, und von der Energie abhängen E, vom Kern beim Übergang vom angeregten Zustand in den Grundzustand gegeben. Wenn alle Energie E fällt in der Form auf -Quant, dann die Strahlungsfrequenz wird aus der bekannten Beziehung bestimmt E=h. Wenn interne Umwandlungselektronen emittiert werden, dann sind ihre Energien gleich E-A K , E-A L , .... wo A K , A L , ... - Austrittsarbeit eines Elektrons ZU- und L-Schalen. Die monoenergetische Natur von Konversionselektronen macht es möglich, sie von zu unterscheiden -Elektronen, deren Spektrum kontinuierlich ist. Die durch die Emission eines Elektrons entstandene Lücke auf der inneren Schale des Atoms wird mit Elektronen aus den darüber liegenden Schalen aufgefüllt. Daher wird die interne Umwandlung immer von einer charakteristischen Röntgenemission begleitet.
-Quanten, die keine Ruhemasse haben, können daher beim Durchgang im Medium nicht langsamer werden - Strahlung durch den Stoff, sie werden von ihm entweder absorbiert oder gestreut. -Quanten tragen keine elektrische Ladung und erfahren somit keinen Einfluss von Coulomb-Kräften. Beim Passieren des Strahls -Quanten durch Materie, ihre Energie ändert sich nicht, aber durch Stöße wird die Intensität geschwächt, deren Änderung durch das Exponentialgesetz beschrieben wird ich=ich 0e- x (ich 0 und ich- Intensität -Strahlung am Eingang und Ausgang der Schicht aus absorbierendem Material mit einer Dicke x, - Absorptionskoeffizient). Als Strahlung ist also die durchdringendste Strahlung für viele Substanzen - ein sehr kleiner Wert; hängt von den Eigenschaften der Materie und von der Energie ab -Quanten.
-Quanten, die Materie passieren, können sowohl mit der Elektronenhülle der Materieatome als auch mit ihren Kernen interagieren. In der Quantenelektrodynamik ist bewiesen, dass die Hauptprozesse den Durchgang begleiten -Strahlung durch Materie sind der photoelektrische Effekt, der Compton-Effekt (Compton-Streuung) und die Bildung von Elektron-Positron-Paaren.
photoelektrischer Effekt, bzw photoelektrische Absorption - Strahlung, ist der Vorgang, bei dem ein Atom absorbiert -Quant und sendet ein Elektron aus. Da das Elektron aus einer der inneren Schalen des Atoms herausgeschlagen wird, füllt sich der frei gewordene Raum mit Elektronen aus den darüber liegenden Schalen, und der photoelektrische Effekt wird von charakteristischer Röntgenstrahlung begleitet. Der photoelektrische Effekt ist der vorherrschende Absorptionsmechanismus im niederenergetischen Bereich -Quanten ( E 100 keV). Der photoelektrische Effekt kann nur an gebundenen Elektronen auftreten, da ein freies Elektron nicht absorbieren kann -Quant, während die Erhaltungssätze von Energie und Impuls nicht gleichzeitig erfüllt sind.
Wenn die Energie zunimmt -Quanten ( E0,5 MeV) ist die Wahrscheinlichkeit des photoelektrischen Effekts sehr gering und der Hauptmechanismus der Wechselwirkung -Quanten mit Materie ist Compton-Streuung.
Beim E>1,02 MeV=2 ich e c 2 (t e - Ruhemasse eines Elektrons) wird der Prozess der Bildung von Elektron-Positron-Paaren in den elektrischen Feldern von Kernen möglich. Die Wahrscheinlichkeit dieses Prozesses ist proportional zu Z 2 und nimmt mit dem Wachstum zu E. Daher wann E10 MeV Hauptwechselwirkungsprozess -Strahlung in jeder Substanz ist Elektron-Positron-Paare gebildet.
Wenn die Energie -Quant übersteigt die Bindungsenergie von Nukleonen im Kern (7-8 MeV), dann als Folge der Absorption - Quanten können beobachtet werden nuklearer photoelektrischer Effekt- Ausstoß eines der Nukleonen aus dem Kern, meistens ein Neutron.
Große Durchschlagskraft - Strahlung wird bei der Gamma-Fehlersuche verwendet - ein Fehlersuchverfahren, das auf unterschiedlicher Absorption basiert -Strahlung, wenn sie sich in verschiedenen Medien über die gleiche Entfernung ausbreitet. Die Lage und Größe von Fehlern (Hohlräume, Risse usw.) werden durch den Unterschied in den Intensitäten der Strahlung bestimmt, die durch verschiedene Teile des durchscheinenden Produkts hindurchgegangen ist.
Einfluss - Strahlung (sowie andere Arten ionisierender Strahlung) auf einen Stoff charakterisieren Dosis ionisierender Strahlung. Sich unterscheiden:
Absorbierte Strahlendosis- physikalische Größe, die dem Verhältnis der Strahlungsenergie zur Masse des bestrahlten Stoffes entspricht.
Einheit der absorbierten Strahlendosis - grau(Gy)*: 1 Gy= 1 J/kg - Strahlendosis, bei der die Energie einer beliebigen ionisierenden Strahlung von 1 J auf eine bestrahlte Substanz mit einem Gewicht von 1 kg übertragen wird.
31. Gewinnung von Transuran-Elementen. Grundgesetze der Kernspaltungsreaktionen.
TRANSURAN-ELEMENTE, chemische Elemente, die sich im Periodensystem nach Uran befinden, dh mit Ordnungszahl Z >92.
Alle Transurane wurden durch Kernreaktionen synthetisiert (in der Natur wurden nur Spuren von Np und Pu gefunden). Transurane sind radioaktiv; mit aufsteigender Z Halbwertzeit T 1/2 Transurane werden stark reduziert.
1932, nach der Entdeckung des Neutrons, wurde vermutet, dass bei der Bestrahlung von Uran mit Neutronen Isotope der ersten Transurane gebildet werden sollten. Und 1940 synthetisierten E. Macmillan und F. Ableson Neptunium (Seriennummer 93) mithilfe einer Kernreaktion und untersuchten seine wichtigsten chemischen und radioaktiven Eigenschaften. Gleichzeitig fand die Entdeckung des nächsten Transuranium-Elements, Plutonium, statt. Beide neuen Elemente wurden nach Planeten im Sonnensystem benannt.
Alle Transurane bis einschließlich 101 wurden unter Verwendung von Lichtbeschussteilchen synthetisiert: Neutronen, Deuteronen und Alphateilchen. Der Syntheseprozess bestand darin, das Target mit Flüssen von Neutronen oder geladenen Teilchen zu bestrahlen. Wenn U als Ziel verwendet wird, können mit Hilfe starker Neutronenflüsse, die in Kernreaktoren oder während der Explosion von Nukleargeräten erzeugt werden, alle Transurane bis zu Fm ( Z= 100) inklusive. Elemente mit Z 1 oder 2 weniger als das synthetisierte Element. Zwischen 1940 und 1955 Amerikanische Wissenschaftler unter der Leitung von G. Seaborg synthetisierten neun neue Elemente, die in der Natur nicht vorkommen: Np (Neptunium), Pu (Plutonium), Am (Americium), Cm (Curium), Bk (Berkelium), Cf (Californium), Es ( Einsteinium), Fm (Fermium), Md (Mendelevium). 1951 erhielten G. Seaborg und E. M. Macmillan den Nobelpreis „für ihre Entdeckungen auf dem Gebiet der Chemie der Transurane“.
Die Möglichkeiten des Verfahrens zur Synthese schwerer radioaktiver Elemente, bei denen eine Bestrahlung mit leichten Teilchen verwendet wird, sind begrenzt, es erlaubt keine Kerne mit Z> 100. Das Element mit Z = 101 (Mendelevium) wurde 1955 durch Bestrahlung von 253 99Es (Einsteinium) mit beschleunigten a-Teilchen entdeckt. Die Synthese neuer Transurane wurde mit zunehmender Höhe immer schwieriger Z. Die Werte der Halbwertszeiten ihrer Isotope erwiesen sich als immer kleiner.
Kernreaktion - der Transformationsprozess von Atomkernen, der auftritt, wenn sie mit Elementarteilchen, Gammaquanten und untereinander interagieren, was häufig zur Freisetzung einer enormen Energiemenge führt. Im Verlauf von Kernreaktionen werden die folgenden Gesetze erfüllt: Erhaltung der elektrischen Ladung und der Anzahl der Nukleonen, Energieerhaltung und
Impulserhaltung, Drehimpulserhaltung, Paritätserhaltung und
Isotopenspin.
Spaltreaktion - die Teilung eines Atomkerns in mehrere leichtere Kerne. Spaltungen sind erzwungen und spontan.
Die Fusionsreaktion ist die Verschmelzung von leichten Kernen zu einem. Diese Reaktion findet nur bei hohen Temperaturen in der Größenordnung von 10 8 K statt und wird als thermonukleare Reaktion bezeichnet.
Die Energieausbeute der Reaktion Q ist die Differenz der gesamten Ruheenergien aller Teilchen vor und nach der Kernreaktion. Ist Q > 0, so nimmt die Gesamtruheenergie im Verlauf einer Kernreaktion ab. Solche Kernreaktionen werden als exoenergetisch bezeichnet. Sie können bei einer beliebig kleinen anfänglichen kinetischen Energie der Teilchen ablaufen. Umgekehrt für Q<0 часть исходной кинетической энергии частиц превращается в энергию покоя. Такие ядерные реакции называются эндоэнергетическими. Для их протекания необходимо, чтобы кинетическая энергия частиц превышала некоторую величину.
32. Spaltungskettenreaktion. Kontrollierte Kettenreaktion. Kernreaktor.
Sekundäre Neutronen, die während der Kernspaltung emittiert werden, können neue Spaltungsereignisse verursachen, was deren Durchführung ermöglicht Spaltkettenreaktion- eine Kernreaktion, bei der die die Reaktion verursachenden Teilchen als Produkte dieser Reaktion entstehen. Die Spaltkettenreaktion ist gekennzeichnet durch Multiplikations-Faktor k Neutronen, was dem Verhältnis der Anzahl der Neutronen in einer bestimmten Generation zu ihrer Anzahl in der vorherigen Generation entspricht. Notwendige Bedingung für die Entwicklung einer Spaltkettenreaktion ist Anforderung k 1.
Es stellt sich heraus, dass nicht alle entstehenden Sekundärneutronen eine nachfolgende Kernspaltung verursachen, was zu einer Abnahme des Multiplikationsfaktors führt. Erstens aufgrund der endlichen Dimensionen Ader(der Raum, in dem die Kettenreaktion stattfindet) und der hohen Durchdringungskraft der Neutronen verlassen einige von ihnen den Kern, bevor sie von einem Kern eingefangen werden. Zweitens wird ein Teil der Neutronen von den Kernen nicht spaltbarer Verunreinigungen eingefangen, die immer im Kern vorhanden sind. Zusätzlich können neben der Spaltung konkurrierende Prozesse des Strahlungseinfangs und der inelastischen Streuung stattfinden.
Der Multiplikationsfaktor hängt von der Art des spaltbaren Materials und für ein bestimmtes Isotop von seiner Menge sowie von der Größe und Form der aktiven Zone ab. Es werden die Mindestabmessungen der aktiven Zone genannt, bei denen eine Kettenreaktion möglich ist kritische Dimensionen. Die Mindestmasse an spaltbarem Material, die sich in einem System kritischer Größen befindet und für die Umsetzung erforderlich ist Kettenreaktion, namens kritische Masse.
Die Entwicklungsgeschwindigkeit von Kettenreaktionen ist unterschiedlich. Lassen T - die durchschnittliche Lebensdauer einer Generation und N- die Anzahl der Neutronen in einer bestimmten Generation. In der nächsten Generation ist ihre Zahl kN, t. h. Zunahme der Neutronenzahl pro Generation dN=kN-N=N(k- ein). Die Zunahme der Neutronenzahl pro Zeiteinheit, also die Wachstumsrate der Kettenreaktion,
Durch Integrieren von (266.1) erhalten wir
wo N 0 ist die Anzahl der Neutronen zum Anfangszeitpunkt und N- ihre Nummer auf einmal t. N wird durch das Zeichen ( k- ein). Beim k> 1 kommt Reaktion entwickeln, wächst die Zahl der Divisionen kontinuierlich und die Reaktion kann explosiv werden. Beim k=1 geht selbsterhaltende Reaktion, bei der sich die Anzahl der Neutronen mit der Zeit nicht ändert. Beim k<1 идет затухающая реакция.
Kettenreaktionen werden unterteilt in gelang es und unbewirtschaftet. Die Explosion einer Atombombe zum Beispiel ist eine unkontrollierte Reaktion. Um zu verhindern, dass eine Atombombe während der Lagerung explodiert, wird darin U (oder Pu) in zwei voneinander entfernte Teile mit unterkritischen Massen geteilt. Dann nähern sich diese Massen mit Hilfe einer gewöhnlichen Explosion einander an, die Gesamtmasse des spaltbaren Materials wird kritischer und es kommt zu einer explosiven Kettenreaktion, die von einer sofortigen Freisetzung einer großen Energiemenge und großer Zerstörung begleitet wird. Eine explosive Reaktion beginnt aufgrund verfügbarer spontaner Spaltneutronen oder kosmischer Strahlungsneutronen. In Kernreaktoren werden kontrollierte Kettenreaktionen durchgeführt.
In der Natur gibt es drei Isotope, die als Kernbrennstoff (U: natürliches Uran enthält etwa 0,7 %) oder Rohstoffe für seine Herstellung (Th und U: natürliches Uran enthält etwa 99,3 %) dienen können. Th dient als Ausgangsprodukt zur Gewinnung von künstlichem Kernbrennstoff U (siehe Reaktion (265.2)) und U, absorbierende Neutronen, durch zwei aufeinanderfolgende – -Zerfälle - zur Umwandlung in einen Pu-Kern:
Die Reaktionen (266.2) und (265.2) eröffnen somit eine reale Möglichkeit der Reproduktion von Kernbrennstoff im Prozess einer Spaltungskettenreaktion.
Kernreaktor- Dies ist ein Gerät, in dem eine kontrollierte nukleare Kettenreaktion durchgeführt wird, begleitet von der Freisetzung von Energie. Der erste Kernreaktor wurde im Dezember 1942 in den USA unter der Leitung von E. Fermi gebaut und in Betrieb genommen. Der erste Reaktor, der außerhalb der Vereinigten Staaten gebaut wurde, war ZEEP, der im September 1945 in Kanada gestartet wurde. In Europa war der erste Kernreaktor die F-1-Anlage, die am 25. Dezember 1946 in Moskau unter der Leitung von I. V. Kurchatov gestartet wurde.
Bis 1978 waren weltweit bereits etwa hundert Kernreaktoren verschiedener Typen in Betrieb. Die Komponenten eines jeden Kernreaktors sind: ein Kern mit Kernbrennstoff, der normalerweise von einem Neutronenreflektor umgeben ist, ein Kühlmittel, ein Kettenreaktionskontrollsystem, Strahlenschutz, ein Fernsteuerungssystem. Das Hauptmerkmal eines Kernreaktors ist seine Leistung. Eine Leistung von 1 MW entspricht einer Kettenreaktion, bei der in 1 Sekunde 3·10 16 Spaltungen stattfinden.
33. Kernfusion. Sternenenergie. Kontrollierte Kernfusion.
thermonukleare Reaktion ist eine Reaktion der Fusion leichter Kerne in schwerere.
Für seine Durchführung ist es erforderlich, dass sich die anfänglichen Nukleonen oder leichten Kerne auf Entfernungen annähern, die gleich oder kleiner als der Radius des Wirkungsbereichs der nuklearen Anziehungskräfte sind (dh bis zu Entfernungen von 10 -15 m). Eine solche gegenseitige Annäherung der Kerne wird durch die zwischen den positiv geladenen Kernen wirkenden Coulomb-Abstoßungskräfte verhindert. Damit eine Fusionsreaktion stattfinden kann, muss eine Substanz mit hoher Dichte auf ultrahohe Temperaturen (in der Größenordnung von Hunderten von Millionen Kelvin) erhitzt werden, damit die kinetische Energie der thermischen Bewegung der Kerne ausreicht, um die Coulomb-Abstoßung zu überwinden Kräfte. Bei solchen Temperaturen existiert Materie in Form eines Plasmas. Da eine Fusion nur bei sehr hohen Temperaturen stattfinden kann, nennt man Kernfusionsreaktionen thermonukleare Reaktionen (aus dem Griechischen. Therme„Wärme, Hitze“).
Thermonukleare Reaktionen setzen enorme Energie frei. Zum Beispiel bei der Reaktion der Deuteriumfusion mit der Bildung von Helium
3,2 MeV Energie werden freigesetzt. Bei der Reaktion der Deuteriumsynthese mit der Bildung von Tritium
Bei der Reaktion werden 4,0 MeV Energie freigesetzt
17,6 MeV Energie werden freigesetzt.
Kontrollierte Kernfusion (TCB) - die Synthese schwererer Atomkerne aus leichteren, um Energie zu gewinnen, die im Gegensatz zur explosiven thermonuklearen Fusion (die in thermonuklearen Sprengkörpern verwendet wird) kontrolliert wird. Die kontrollierte thermonukleare Fusion unterscheidet sich von der traditionellen Kernenergie dadurch, dass letztere eine Spaltungsreaktion verwendet, bei der leichtere Kerne aus schweren Kernen gewonnen werden. Die Hauptkernreaktionen, die für kontrollierte Fusionen vorgesehen sind, werden Deuterium (2 H) und Tritium (3 H) und längerfristig Helium-3 (3 He) und Bor-11 (11 B) verwenden.
34. Quellen und Methoden zur Registrierung von Elementarteilchen. Arten von Wechselwirkungen und Klassen von Elementarteilchen. Antiteilchen.
Geigerzähler
- dient zum Zählen der Anzahl radioaktiver Teilchen (hauptsächlich Elektronen).
Es ist ein mit Gas (Argon) gefülltes Glasrohr mit zwei Elektroden im Inneren (Kathode und Anode).
Während des Durchgangs eines Teilchens tritt eine Stoßionisation des Gases auf und ein elektrischer Stromimpuls tritt auf.
Vorteile:
- Kompaktheit
- Effizienz
- Leistung
- Hohe Genauigkeit (10000 Partikel/s).
Wo wird verwendet:
- Registrierung der radioaktiven Kontamination am Boden, in Räumlichkeiten, Kleidung, Produkten usw.
- in Lagern für radioaktive Stoffe oder bei in Betrieb befindlichen Kernreaktoren
- bei der Suche nach radioaktiven Erzvorkommen (U, Th)
Nebelkammer
- dient zum Beobachten und Fotografieren von Spuren des Partikeldurchgangs (Spuren).
Das Innenvolumen der Kammer ist in übersättigtem Zustand mit Alkohol- oder Wasserdämpfen gefüllt:
Wenn der Kolben abgesenkt wird, sinkt der Druck in der Kammer und die Temperatur sinkt, infolge des adiabatischen Prozesses entsteht übersättigter Dampf.
Feuchtigkeitströpfchen kondensieren auf dem Weg des Partikeldurchgangs und es entsteht eine Spur - eine sichtbare Spur.
Wenn eine Kamera in ein Magnetfeld gebracht wird, kann die Spur verwendet werden, um die Energie, Geschwindigkeit, Masse und Ladung eines Teilchens zu bestimmen.
Die Eigenschaften eines fliegenden radioaktiven Teilchens werden durch die Länge und Dicke der Spur, durch ihre Krümmung in einem Magnetfeld bestimmt.
Beispielsweise ergibt ein Alpha-Partikel eine kontinuierliche dicke Spur,
Proton - dünne Spur,
Elektron - gepunktete Spur.
Blasenkammer
Nebelkammer-Variante
Bei einer starken Abnahme des Kolbens geht die unter hohem Druck stehende Flüssigkeit in einen überhitzten Zustand über. Mit der schnellen Bewegung des Partikels entlang der Spur bilden sich Dampfblasen, d.h. die Flüssigkeit kocht, die Spur ist sichtbar.
Vorteile gegenüber Nebelkammer:
- hohe Dichte des Mediums, daher kurze Bahnen
- Partikel bleiben in der Kammer hängen und eine weitere Beobachtung der Partikel kann durchgeführt werden
- mehr Geschwindigkeit.
Methode der fotografischen Dickschichtemulsionen
- dient der Partikelregistrierung
- ermöglicht es Ihnen, seltene Phänomene aufgrund der langen Belichtungszeit zu registrieren.
Die photographische Emulsion enthält eine große Menge Silberbromidmikrokristalle.
Einfallende Teilchen ionisieren die Oberfläche von fotografischen Emulsionen. AgBr-Kristalle zerfallen unter der Einwirkung geladener Teilchen, und bei der Entwicklung wird eine Spur vom Durchgang eines Teilchens, eine Spur, sichtbar.
Aus der Länge und Dicke der Spur lassen sich Energie und Masse der Teilchen bestimmen.
Teilchenklassen und Arten von Wechselwirkungen
Derzeit herrscht die feste Überzeugung vor, dass alles in der Natur aus Elementarteilchen aufgebaut ist und alle natürlichen Prozesse auf dem Zusammenwirken dieser Teilchen beruhen. Unter Elementarteilchen versteht man heute Quarks, Leptonen, Eichbosonen und Higgs-Skalarteilchen. Unter fundamentalen Wechselwirkungen - stark, elektroschwach und gravitativ. Damit ist es bedingt möglich, vier Klassen von Elementarteilchen und drei Arten fundamentaler Wechselwirkungen herauszuheben.
Neutrinos sind elektrisch neutral; Elektron, Myon und Tau-Lepton haben elektrische Ladungen. Leptonen nehmen an den elektroschwachen und gravitativen Wechselwirkungen teil.
Dritte Klasse sind Quarks. Heute sind sechs Quarks bekannt, von denen jedes in einer von drei Farben „eingefärbt“ werden kann. Wie Leptonen ist es zweckmäßig, sie in Form von drei Familien anzuordnen
Freie Quarks werden nicht beobachtet. Zusammen mit Gluonen sind sie die Bestandteile von Hadronen, von denen es mehrere hundert gibt. Hadronen sind wie die Quarks, aus denen sie bestehen, an allen Arten von Wechselwirkungen beteiligt.
vierte Klasse- Higgs-Teilchen, experimentell noch nicht nachgewiesen. Im Minimalschema ist ein Higgs-Skalar ausreichend. Ihre Rolle in der Natur ist heute meist "theoretisch" und soll die elektroschwache Wechselwirkung renormierbar machen. Insbesondere die Massen aller Elementarteilchen sind das „Werk“ des Higgs-Kondensats. Vielleicht ist die Einführung von Higgs-Feldern notwendig, um grundlegende Probleme der Kosmologie zu lösen, wie etwa die Homogenität und Kausalität des Universums.
Nachfolgende Vorlesungen zur Theorie der Quarkstruktur von Hadronen sind Hadronen und Quarks gewidmet. Der Fokus liegt auf Teilchenklassifikation, Symmetrien und Erhaltungssätzen.
35. Erhaltungssätze bei Transformationen von Elementarteilchen. Das Konzept der Quarks.
Ein Quark ist im Standardmodell ein Elementarteilchen, das eine elektrische Ladung hat, die ein Vielfaches von ist e/3, und wird im Freistaat nicht eingehalten. Quarks sind Punktteilchen bis zu einer Größenordnung von etwa 0,5·10 −19 m, was etwa 20.000 Mal kleiner ist als die Größe eines Protons. Quarks bilden Hadronen, insbesondere das Proton und das Neutron. Derzeit sind 6 verschiedene "Sorten" (häufiger "Geschmacksrichtungen") von Quarks bekannt, deren Eigenschaften in der Tabelle angegeben sind. Außerdem wird für die Eichbeschreibung der starken Wechselwirkung postuliert, dass Quarks noch ein zusätzliches inneres Merkmal namens „Farbe“ besitzen. Jedes Quark entspricht einem Antiquark mit entgegengesetzten Quantenzahlen.
Die Hypothese, dass Hadronen aus bestimmten Untereinheiten aufgebaut sind, wurde zuerst von M. Gell-Mann und unabhängig von ihm von J. Zweig 1964.
Das Wort "Quark" wurde von Gell-Mann aus dem Roman "Finnegans Wake" von J. Joyce entlehnt, wo in einer der Episoden der Satz "Three quarks for Muster Mark!" (meist übersetzt als „Drei Quarks für Master/Muster Mark!“). Das Wort „Quark“ in diesem Satz ist angeblich eine Onomatopöe des Schreis von Seevögeln.
Radioaktive Strahlung und ihre Arten
Der französische Physiker A. Becquerel entdeckte 1896 beim Studium der Lumineszenz von Uransalzen zufällig ihre spontane Emission von Strahlung unbekannter Art, die auf eine fotografische Platte einwirkte, die Luft ionisierte, dünne Metallplatten durchdrang und die Lumineszenz verursachte einer Reihe von Substanzen. Die Curie-Ehegatten Marie und Pierre setzten die Untersuchung dieses Phänomens fort und entdeckten, dass Becquerel-Strahlung nicht nur für Uran, sondern auch für viele andere schwere Elemente wie Thorium und Actinium charakteristisch ist. Sie zeigten auch, dass Uranpechblende (das Erz, aus dem metallisches Uran abgebaut wird) Strahlung aussendet, deren Intensität um ein Vielfaches höher ist als die von Uran. So war es möglich, zwei neue Elemente zu isolieren - Träger der Becquerel-Strahlung: Polonium und Radium.
Die nachgewiesene Strahlung wurde aufgerufen radioaktive Strahlung , und das Phänomen selbst ist die Emission radioaktiver Strahlung - Radioaktivität.
Arten radioaktiver Strahlung:
1) - Strahlung
Es wird durch elektrische und magnetische Felder abgelenkt, hat ein hohes Ionisationsvermögen und eine geringe Durchschlagskraft. Stellt einen Strom von Heliumkernen dar; die Ladung des -Teilchens ist gleich +2e, und die Masse stimmt mit der Masse des Kerns des Heliumisotops überein. Entsprechend der Abweichung von - Teilchen in elektrischen und magnetischen Feldern wurde ihre spezifische Ladung bestimmt, deren Wert die Richtigkeit der Vorstellungen über ihre Natur bestätigte.
2) -Strahlung
Abgewiesen durch elektrische und magnetische Felder; seine ionisierende Fähigkeit ist viel geringer (um etwa zwei Größenordnungen) und seine Durchdringungskraft ist viel größer als die von -Teilchen. Es ist ein Strom schneller Elektronen (dies folgt aus der Definition ihrer spezifischen Ladung).
3) -Strahlung
Es wird von elektrischen und magnetischen Feldern nicht abgelenkt, hat eine relativ schwache Ionisierungsfähigkeit und ein sehr hohes Durchdringungsvermögen und erkennt Beugung beim Durchgang durch Kristalle. Es handelt sich um eine kurzwellige elektromagnetische Strahlung mit extrem kurzer Wellenlänge m und dadurch ausgeprägten Korpuskulareigenschaften, d.h. ist ein Strom von Teilchen - -Quanten (Photonen).
Radioaktivität- die Fähigkeit einiger Atomkerne, sich spontan (spontan) unter Emission verschiedener Teilchen in andere Kerne umzuwandeln:
1) Natürlich - beobachtet in instabilen Isotopen, die in der Natur vorkommen;
2) Künstlich - in Isotopen beobachtet, die durch Kernreaktionen im Labor synthetisiert wurden.
Gesetz des radioaktiven Zerfalls
radioaktiver Zerfall- natürliche Transformation von Kernen, die spontan auftritt.
Dieses Phänomen ist statistisch, daher sind die Schlussfolgerungen aus den Gesetzen des radioaktiven Zerfalls wahrscheinlichkeitstheoretisch.
radioaktiver Zerfall konstant- Wahrscheinlichkeit des Kernzerfalls pro Zeiteinheit, gleich dem Anteil der Kerne, die in 1 s zerfallen.
Gesetz des radioaktiven Zerfalls: Aufgrund der Spontaneität des radioaktiven Zerfalls können wir davon ausgehen, dass die Anzahl der Kerne dN, die im Mittel über das Zeitintervall von t bis t + dt zerfallen sind, proportional zum Zeitintervall dt und der Anzahl N der nicht zerfallenen Kerne ist die Zeit t:
[ N ist die Anzahl der nicht zerfallenen Kerne zum Zeitpunkt t; - die anfängliche Anzahl nicht zerfallener Kerne zum Zeitpunkt t = 0; -Konstante des radioaktiven Zerfalls]
Halbwertzeit ()- das Zeitintervall, in dem sich die Zahl der nicht zerfallenen Kerne im Mittel halbiert.
Durchschnittliche Lebensdauer eines radioaktiven Kerns:
Nuklidaktivität ist die Anzahl der Zerfälle, die mit den Kernen der Probe in 1 s auftreten:
Die Einheit der Aktivität ist 1 Bq: 1 Becquerel ist die Aktivität eines Nuklids in einer radioaktiven Quelle, bei der in 1 s ein Zerfallsereignis auftritt. 1 Bq = 2,703 Curie.
5. Verschiebungsregeln für - und -zerfällt
Mutterkern- ein radioaktiver Zerfall eines Atomkerns.
Kindkern- ein durch radioaktiven Zerfall entstandener Atomkern.
Offset-Regeln– Regeln, die es ermöglichen festzustellen, welcher Kern durch den Zerfall eines bestimmten Elternkerns entsteht. Diese Regeln sind eine Folge der Gesetze, die bei radioaktiven Zerfällen erfüllt werden - dem Ladungszahlerhaltungssatz und dem Massenzahlerhaltungssatz.
Ladungserhaltungssätze und Massenzahlen
1) Die Summe der Ladungszahlen entstehender Kerne und Teilchen ist gleich der Ladungszahl des ursprünglichen Kerns.
2) Die Summe der Massenzahlen der entstehenden Kerne und Teilchen ist gleich der Massenzahl des Ausgangskerns.
Verschiebungsregeln sind eine Folge der Ladungs- und Massenzahlerhaltungssätze.
Alpha-Zerfall bezeichnet den spontanen Zerfall eines Atomkerns in einen Tochterkern und ein α-Teilchen (den Kern eines Atoms). 4 Er).
Alpha-Zerfall tritt normalerweise in schweren Kernen auf Massenzahl
SONDERN≥ 140 (obwohl es einige Ausnahmen gibt).
Verschiebungsregel für α-Zerfall: , wo ist der Heliumkern (a-Teilchen),
Beispiel (Alpha-Zerfall Uran-238 zu Thorium-234):
Durch den α-Zerfall wird das Atom um 2 Zellen an den Anfang verschoben Periodensysteme(d.h. die Ladung des Kerns Z um 2 abnimmt), nimmt die Massenzahl des Tochterkerns um 4 ab.
Beta-Zerfall
Becquerel bewies, dass β-Strahlen ein Strom sind Elektronen. Beta-Zerfall ist eine Manifestation schwache Interaktion.
42. Gesetz des radioaktiven Zerfalls. Zerfallskonstante, mittlere Lebensdauer des Kerns, Halbwertszeit, Aktivität.
radioaktiver Zerfall
N= N 0 e - λt ist das Gesetz des radioaktiven Zerfalls, wobei N die Anzahl der nicht zerfallenen Kerne und N 0 die Anzahl der Anfangskerne ist.
Die physikalische Bedeutung der Zerfallskonstante ist die Wahrscheinlichkeit eines Kernzerfalls pro Zeiteinheit. Die charakteristischen Lebensdauern für radioaktive Kerne sind τ > 10 -14 s. Die Lebensdauer der Kerne aufgrund der Emission von Nukleonen beträgt 10 -23 s< <10 -20 c. T 1/2 – период полураспада – время, за которое распадается половина начального количества ядер. Активность радиоактивного источника – число распадов в единицу времени: A=λN.
43. Arten des radioaktiven Zerfalls. Α - Zerfall, Zerfallsschema, Zerfallsmuster.
radioaktiver Zerfall- der Prozess der Umwandlung instabiler Atomkerne in die Kerne anderer Elemente, der mit der Emission von Teilchen einhergeht.
Arten des radioaktiven Zerfalls:
1)α - Zerfall - wird von der Emission von Heliumatomen begleitet.
2)β - Zerfall - Emission von Elektronen und Positronen.
3)γ - Zerfall - die Emission von Photonen während der Übergänge zwischen Kernzuständen.
4) Spontane Kernspaltung.
5) Nukleonenradioaktivität.
α - Zerfall: A 2 X→ A-Y Z-2 Y+ 4 2 He. Α-Zerfall wird in schweren Kernen beobachtet. Das Spektrum des α-Zerfalls ist diskret. Lauflänge α - Partikel in der Luft: 3-7 cm; für dichte Stoffe: 10 -5 m.T 1/2 10 -7 s ÷ 10 10 Jahre.
44. β - Zerfall. β-Schemata + , β - und K-Capture. Muster des β-Zerfalls.
β - Zerfall ist auf schwache Wechselwirkung zurückzuführen. Es ist schwach gegenüber starken Kernen. Alle Teilchen außer Photonen nehmen an schwachen Wechselwirkungen teil. Der Punkt ist die Degeneration neuer Teilchen. T 1/2 10 -2 s ÷ 10 20 Jahre. Die freie Weglänge des Neutrons beträgt 10 19 km.
β - Zerfall umfasst 3 Arten von Zerfall:
1) β - oder elektronisch. Der Kern gibt Elektronen ab. Im Allgemeinen:
A 2 X→ A Z –1 Y+ 0 –1 e+υ e .
2)β + oder Positron. Elektron-Antiteilchen werden emittiert – Positronen: 1 1 p→ 1 0 n+ 0 1 e+υ e – Umwandlungsreaktion eines Protons in ein Neutron. Die Reaktion verschwindet nicht von alleine. Gesamtansicht der Reaktion: A Z X→ A Z -1 Y+ 0 1 e+υ e. Sie wird in künstlichen radioaktiven Kernen beobachtet.
3) Elektronische Erfassung. Der Kern verwandelt sich, fängt die K-Schale ein und verwandelt sich in ein Neutron: 1 1 p+ 0 -1 e→ 1 0 n+υ e . Gesamtansicht: A Z X+ 0 1 e→ A Z -1 Y+υ e . Durch elektrischen Einfang fliegt nur ein Teilchen aus den Kernen heraus. Begleitet von charakteristischer Röntgenstrahlung.
45. Kernreaktionen, ihre Muster. Spaltungsreaktionen. Synthesereaktionen. Energieausbeute der Reaktion.
Kernreaktion- der Transformationsprozess von Atomkernen, der bei der Wechselwirkung mit Elementarteilchen, Gammaquanten und untereinander auftritt und dabei oft zur Freisetzung enormer Energiemengen führt. Im Verlauf von Kernreaktionen werden die folgenden Gesetze erfüllt: Erhaltung der elektrischen Ladung und der Anzahl der Nukleonen, Energieerhaltung und
Impulserhaltung, Drehimpulserhaltung, Paritätserhaltung und
Isotopenspin.
Spaltreaktion- die Teilung eines Atomkerns in mehrere leichtere Kerne. Spaltungen sind erzwungen und spontan.
Synthesereaktion- die Reaktion der Verschmelzung leichter Kerne zu einem. Diese Reaktion findet nur bei hohen Temperaturen in der Größenordnung von 10 8 K statt und wird als thermonukleare Reaktion bezeichnet.
Die Energieausbeute der Reaktion Q ist die Differenz zwischen den gesamten Ruheenergien aller Teilchen vor und nach einer Kernreaktion. Ist Q > 0, so nimmt die Gesamtruheenergie im Verlauf einer Kernreaktion ab. Solche Kernreaktionen werden als exoenergetisch bezeichnet. Sie können bei einer beliebig kleinen anfänglichen kinetischen Energie der Teilchen ablaufen. Umgekehrt für Q<0 часть исходной кинетической энергии частиц превращается в энергию покоя. Такие ядерные реакции называются эндоэнергетическими. Для их протекания необходимо, чтобы кинетическая энергия частиц превышала некоторую величину.
Das Phänomen der Radioaktivität wurde 1896 von A. Becquerel entdeckt, der die spontane Emission unbekannter Strahlung von Uransalzen beobachtete. Bald fanden E. Rutherford und die Curies heraus, dass beim radioaktiven Zerfall He-Kerne (α-Teilchen), Elektronen (β-Teilchen) und harte elektromagnetische Strahlung (γ-Strahlen) emittiert werden.
1934 wurde der Zerfall unter Emission von Positronen (β + -Zerfall) entdeckt, und 1940 wurde eine neue Art von Radioaktivität entdeckt – die spontane Kernspaltung: Ein spaltbarer Kern zerfällt unter gleichzeitiger Emission von Neutronen in zwei Bruchstücke vergleichbarer Masse und γ -Quanten. Protonenradioaktivität von Kernen wurde 1982 beobachtet. Somit gibt es die folgenden Arten von radioaktivem Zerfall: α-Zerfall; - Auflösung; - Verfall; e - erfassen.
Radioaktivität- die Fähigkeit einiger Atomkerne, sich spontan (spontan) unter Aussendung von Teilchen in andere Kerne umzuwandeln.
Atomkerne bestehen aus Protonen und Neutronen, die einen generischen Namen haben - Nukleonen. Die Anzahl der Protonen im Kern bestimmt die chemischen Eigenschaften des Atoms und wird bezeichnet Z(Seriennummer des Elements). Anzahl der Nukleonen im Zellkern heißt Massenzahl und bezeichnen SONDERN. Kernel mit der gleichen Seriennummer und verschiedene Massenzahlen genannt werden Isotope. Alle Isotope desselben chemischen Elements haben dieselben chemischen Eigenschaften, und die physikalischen Eigenschaften können stark variieren. Zur Bezeichnung von Isotopen wird das Symbol eines chemischen Elements mit zwei Indizes verwendet: AZX. Der untere Index ist die Seriennummer, der obere die Massennummer. Oft wird der Index weggelassen, weil das Elementsymbol selbst darauf zeigt.
Sie schreiben zum Beispiel 14 C statt 14 6 C.
Die Zerfallsfähigkeit eines Kerns hängt von seiner Zusammensetzung ab. Dasselbe Element kann sowohl stabile als auch radioaktive Isotope haben.
Beispielsweise ist das 12C-Kohlenstoffisotop stabil, während das 14C-Isotop radioaktiv ist.
Radioaktiver Zerfall ist ein statistisches Phänomen. Die Fähigkeit eines Isotops zu zerfallen wird durch die Zerfallskonstante charakterisiert λ.
Die Zerfallskonstante λ ist die Wahrscheinlichkeit, dass der Kern eines gegebenen Isotops pro Zeiteinheit zerfällt.
Bezeichnen wir die Anzahl N der Kerne des radioaktiven Zerfalls zum Zeitpunkt t, dN 1 - die Anzahl der Kerne, die während der Zeit dt zerfallen sind. Da die Anzahl der Kerne in einem Stoff riesig ist, ist das Gesetz der großen Zahlen erfüllt. Die Wahrscheinlichkeit des Kernzerfalls in kurzer Zeit dt ergibt sich aus der Formel dP = λdt. Die Häufigkeit ist gleich der Wahrscheinlichkeit: d N 1 / N = dP = λdt. dN1/N = λdt- eine Formel, die die Anzahl der zerfallenen Kerne bestimmt.
Die Lösung der Gleichung lautet: , - Die Formel heißt Gesetz des radioaktiven Zerfalls: Die Zahl der radioaktiven Kerne nimmt mit der Zeit nach einem Exponentialgesetz ab.
Hier ist N die Anzahl der nicht zerfallenen Kerne zum Zeitpunkt t; N ungefähr - die anfängliche Anzahl nicht zerfallener Kerne; λ ist die radioaktive Zerfallskonstante.
In der Praxis wird die Abklingkonstante nicht verwendet λ , und eine Menge genannt Halbwertszeit T.
Halbwertszeit (T) - die Zeit, in der die Hälfte der radioaktiven Kerne zerfallen.
Gesetz des radioaktiven Zerfalls durch einen Zeitraum Halbwertszeit (T) hat die Form:
Die Beziehung zwischen Halbwertszeit und Zerfallskonstante ist gegeben durch: T = ln(2/λ) = 0,69/λ
Die Halbwertszeit kann entweder sehr lang oder sehr kurz sein.
Um den Aktivitätsgrad eines radioaktiven Isotops zu bestimmen, wird eine Größe namens Aktivität verwendet.
Aktivitätszahl der pro Zeiteinheit zerfallenden Kerne eines radioaktiven Präparats: A = dN dis /dt
Für eine Aktivitätseinheit in SI wird 1 Becquerel (Bq) = 1 Zerfall / s genommen - die Aktivität des Arzneimittels, bei der 1 Zerfall in 1 s auftritt. Die größere Aktivitätseinheit ist 1 Rutherford (Rd) = Bq. Häufig wird eine systemfremde Aktivitätseinheit verwendet – Curie (Ci), die der Aktivität von 1 g Radium entspricht: 1 Ci = 3,7 Bq.
Mit der Zeit nimmt die Aktivität nach demselben Exponentialgesetz ab, nach dem das Radionuklid selbst zerfällt:
=
.
In der Praxis wird zur Berechnung der Aktivität folgende Formel verwendet:
A = = λN = 0,693 N/T.
Wenn wir die Anzahl der Atome in Masse und Farbmasse ausdrücken, hat die Formel zur Berechnung der Aktivität die Form: A \u003d \u003d 0,693 (μT)
wo ist Avogadros Nummer; μ ist die Molmasse.
1. Radioaktivität. Grundgesetz des radioaktiven Zerfalls. Aktivität.
2. Die Hauptarten des radioaktiven Zerfalls.
3. Quantitative Eigenschaften der Wechselwirkung ionisierender Strahlung mit Materie.
4. Natürliche und künstliche Radioaktivität. radioaktive Reihen.
5. Verwendung von Radionukliden in der Medizin.
6. Geladene Teilchenbeschleuniger und ihre Verwendung in der Medizin.
7. Biophysikalische Grundlagen der Wirkung ionisierender Strahlung.
8. Grundlegende Konzepte und Formeln.
9. Aufgaben.
Das Interesse der Ärzte an natürlicher und künstlicher Radioaktivität ist auf folgendes zurückzuführen.
Erstens sind alle Lebewesen ständig dem natürlichen Strahlungshintergrund ausgesetzt, der kosmischen Strahlung, der Strahlung radioaktiver Elemente, die in den Oberflächenschichten der Erdkruste vorkommen, und der Strahlung von Elementen, die zusammen mit der Luft und der Luft in den Körper von Tieren gelangen, ausgesetzt ist Lebensmittel.
Zweitens wird radioaktive Strahlung in der Medizin selbst zu diagnostischen und therapeutischen Zwecken eingesetzt.
33.1. Radioaktivität. Grundgesetz des radioaktiven Zerfalls. Aktivität
Das Phänomen der Radioaktivität wurde 1896 von A. Becquerel entdeckt, der die spontane Emission unbekannter Strahlung von Uransalzen beobachtete. Bald fanden E. Rutherford und die Curies heraus, dass beim radioaktiven Zerfall He-Kerne (α-Teilchen), Elektronen (β-Teilchen) und harte elektromagnetische Strahlung (γ-Strahlen) emittiert werden.
1934 wurde der Zerfall mit der Emission von Positronen (β + -Zerfall) entdeckt, und 1940 wurde eine neue Art von Radioaktivität entdeckt - die spontane Spaltung von Kernen: Ein spaltbarer Kern zerfällt in zwei Bruchstücke vergleichbarer Masse unter gleichzeitiger Emission von Neutronen u γ -Quanten. Protonenradioaktivität von Kernen wurde 1982 beobachtet.
Radioaktivität - die Fähigkeit einiger Atomkerne, sich spontan (spontan) unter Aussendung von Teilchen in andere Kerne umzuwandeln.
Atomkerne bestehen aus Protonen und Neutronen, die einen allgemeinen Namen haben - Nukleonen. Die Anzahl der Protonen im Kern bestimmt die chemischen Eigenschaften des Atoms und wird mit Z bezeichnet (dies Ordnungsnummer Chemisches Element). Die Anzahl der Nukleonen in einem Kern wird genannt Massenzahl und bezeichnen A. Kerne mit derselben Seriennummer und unterschiedlichen Massennummern werden genannt Isotope. Alle Isotope eines chemischen Elements haben das gleiche Chemische Eigenschaften. Die physikalischen Eigenschaften von Isotopen können stark variieren. Zur Bezeichnung von Isotopen wird das Symbol eines chemischen Elements mit zwei Indizes verwendet: A Z X. Der untere Index ist die Seriennummer, der obere die Massenzahl. Oft wird der Index weggelassen, weil das Elementsymbol selbst darauf zeigt. Sie schreiben zum Beispiel 14 C statt 14 6 C.
Die Zerfallsfähigkeit eines Kerns hängt von seiner Zusammensetzung ab. Dasselbe Element kann sowohl stabile als auch radioaktive Isotope haben. Beispielsweise ist das 12C-Kohlenstoffisotop stabil, während das 14C-Isotop radioaktiv ist.
Radioaktiver Zerfall ist ein statistisches Phänomen. Die Fähigkeit eines Isotops zum Zerfall charakterisiert Abklingkonstanteλ.
Abklingkonstante ist die Wahrscheinlichkeit, dass der Kern eines gegebenen Isotops pro Zeiteinheit zerfällt.
Die Wahrscheinlichkeit eines Kernzerfalls in kurzer Zeit dt ergibt sich aus der Formel
Unter Berücksichtigung der Formel (33.1) erhalten wir einen Ausdruck, der die Anzahl der zerfallenen Kerne bestimmt:
Formel (33.3) wird als Haupt bezeichnet das Gesetz des radioaktiven Zerfalls.
Die Zahl der radioaktiven Kerne nimmt mit der Zeit nach einem Exponentialgesetz ab.
In der Praxis statt Abklingkonstanteλ verwenden oft einen anderen Wert namens Halbwertzeit.
Halbwertzeit(T) - die Zeit, während der es zerfällt halb radioaktive Kerne.
Das Gesetz des radioaktiven Zerfalls unter Verwendung der Halbwertszeit wird wie folgt geschrieben:
Der Abhängigkeitsgraph (33.4) ist in Abb. 2 dargestellt. 33.1.
Die Halbwertszeit kann entweder sehr lang oder sehr kurz sein (von Bruchteilen einer Sekunde bis zu vielen Milliarden Jahren). Im Tisch. 33.1 zeigt die Halbwertszeiten einiger Elemente.
Reis. 33.1. Die Abnahme der Kernzahl der Ausgangssubstanz beim radioaktiven Zerfall
Tabelle 33.1. Halbwertszeiten für einige Elemente
Zum Preis Grad der Radioaktivität Isotope verwenden eine spezielle Menge namens Aktivität.
Aktivität - die Anzahl der pro Zeiteinheit zerfallenden Kerne eines radioaktiven Präparats:
Maßeinheit der Aktivität in SI - Becquerel(Bq), 1 Bq entspricht einem Zerfallsereignis pro Sekunde. In der Praxis mehr
findige Off-System-Aktivitätseinheit - Curie(Ci) gleich der Aktivität von 1 g 226 Ra: 1 Ci = 3,7 x 10 10 Bq.
Im Laufe der Zeit nimmt die Aktivität auf die gleiche Weise ab wie die Anzahl der nicht zerfallenen Kerne:
33.2. Hauptarten des radioaktiven Zerfalls
Bei der Untersuchung des Phänomens der Radioaktivität wurden 3 Arten von Strahlen entdeckt, die von radioaktiven Kernen emittiert werden und die als α-, β- und γ-Strahlen bezeichnet werden. Später wurde festgestellt, dass α- und β-Teilchen Produkte zweier verschiedener Arten radioaktiven Zerfalls sind und γ-Strahlen ein Nebenprodukt dieser Prozesse sind. Darüber hinaus begleiten γ-Strahlen auch komplexere Kernumwandlungen, die hier nicht betrachtet werden.
Alpha-Zerfall besteht in der spontanen Umwandlung von Kernen mit Emissionα -Teilchen (Heliumkerne).
Das α-Zerfallsschema wird geschrieben als
wobei X, Y die Symbole der Eltern- bzw. Kindkerne sind. Wenn Sie α-Zerfall schreiben, können Sie anstelle von "α" auch "Not" schreiben.
Bei diesem Zerfall nimmt die Ordnungszahl Z des Elements um 2 und die Massenzahl A um 4 ab.
Beim α-Zerfall wird der Tochterkern in der Regel in einem angeregten Zustand gebildet und emittiert beim Übergang in den Grundzustand ein γ-Quant. Eine gemeinsame Eigenschaft komplexer Mikroobjekte ist, dass sie haben diskret Reihe von Energiezuständen. Dies gilt auch für Kerne. Daher hat die γ-Strahlung angeregter Kerne ein diskretes Spektrum. Folglich ist auch das Energiespektrum von α-Teilchen diskret.
Die Energie der emittierten α-Teilchen liegt für fast alle α-aktiven Isotope zwischen 4 und 9 MeV.
Beta-Zerfall besteht in der spontanen Umwandlung von Kernen unter Emission von Elektronen (oder Positronen).
Es wurde festgestellt, dass der β-Zerfall immer von der Emission eines neutralen Teilchens - eines Neutrinos (oder Antineutrinos) - begleitet wird. Dieses Teilchen wechselwirkt praktisch nicht mit Materie und wird nicht weiter betrachtet. Die beim β-Zerfall freigesetzte Energie wird zufällig zwischen dem β-Teilchen und dem Neutrino verteilt. Daher ist das Energiespektrum der β-Strahlung kontinuierlich (Abb. 33.2).
Reis. 33.2. Energiespektrum des β-Zerfalls
Es gibt zwei Arten von β-Zerfall.
1. Elektronisch Der β - -Zerfall besteht in der Umwandlung eines Kernneutrons in ein Proton und ein Elektron. In diesem Fall erscheint ein weiteres Teilchen ν" - ein Antineutrino:
Ein Elektron und ein Antineutrino fliegen aus dem Kern heraus. Das Schema des elektronischen β-Zerfalls wird geschrieben als
Beim elektronischen β-Zerfall erhöht sich die Seriennummer des Z-Elements um 1, die Massenzahl A ändert sich nicht.
Die Energie von β-Teilchen liegt im Bereich von 0,002-2,3 MeV.
2. Positron Der β + -Zerfall besteht in der Umwandlung eines Kernprotons in ein Neutron und ein Positron. In diesem Fall erscheint ein weiteres Teilchen ν - ein Neutrino:
Der Elektroneneinfang selbst erzeugt keine ionisierenden Teilchen, tut es aber begleitet von Röntgenbildern. Diese Strahlung tritt auf, wenn der durch die Absorption eines inneren Elektrons frei gewordene Raum durch ein Elektron aus einer äußeren Umlaufbahn gefüllt wird.
Gammastrahlung hat eine elektromagnetische Natur und ist ein Photon mit einer Wellenlängeλ ≤ 10 -10 m.
Gammastrahlung ist keine eigenständige Art des radioaktiven Zerfalls. Strahlung dieser Art begleitet fast immer nicht nur α-Zerfall und β-Zerfall, sondern auch komplexere Kernreaktionen. Es wird von elektrischen und magnetischen Feldern nicht abgelenkt, hat eine relativ schwache Ionisations- und sehr hohe Durchschlagskraft.
33.3. Quantitative Eigenschaften der Wechselwirkung ionisierender Strahlung mit Materie
Die Wirkung radioaktiver Strahlung auf lebende Organismen ist damit verbunden Ionisation, die es in den Geweben induziert. Die Ionisierungsfähigkeit eines Teilchens hängt sowohl von seiner Art als auch von seiner Energie ab. Wenn das Teilchen tiefer in die Substanz eindringt, verliert es seine Energie. Dieser Vorgang wird aufgerufen Ionisationsbremsung.
Um die Wechselwirkung eines geladenen Teilchens mit Materie quantitativ zu charakterisieren, werden mehrere Größen verwendet:
Nachdem die Energie des Teilchens die Ionisierungsenergie unterschritten hat, hört seine ionisierende Wirkung auf.
Durchschnittliche lineare Laufleistung(R) eines geladenen ionisierenden Teilchens - der Weg, den es in einer Substanz zurücklegt, bevor es seine ionisierende Fähigkeit verliert.
Betrachten wir einige charakteristische Merkmale der Wechselwirkung verschiedener Strahlungsarten mit Materie.
Alpha-Strahlung
Das Alpha-Teilchen weicht praktisch nicht von seiner ursprünglichen Bewegungsrichtung ab, da seine Masse um ein Vielfaches größer ist
Reis. 33.3. Abhängigkeit der linearen Ionisationsdichte vom zurückgelegten Weg eines α-Teilchens in einem Medium
die Masse des Elektrons, mit dem es wechselwirkt. Da es tief in die Substanz eindringt, steigt die Ionisationsdichte zuerst und dann an Laufende (x = R) stark auf Null abfällt (Abb. 33.3). Dies erklärt sich aus der Tatsache, dass mit abnehmender Bewegungsgeschwindigkeit die Zeit, die es in der Nähe des Moleküls (Atoms) des Mediums verbringt, zunimmt. In diesem Fall steigt die Ionisationswahrscheinlichkeit. Nachdem die Energie des α-Teilchens mit der Energie der molekularen Wärmebewegung vergleichbar ist, fängt es zwei Elektronen in der Substanz ein und verwandelt sich in ein Heliumatom.
Die während des Ionisationsprozesses erzeugten Elektronen entfernen sich in der Regel von der Bahn des α-Teilchens und verursachen eine sekundäre Ionisation.
Die Eigenschaften der Wechselwirkung von α-Partikeln mit Wasser und Weichgeweben sind in der Tabelle dargestellt. 33.2.
Tabelle 33.2. Abhängigkeit der Eigenschaften der Wechselwirkung mit Materie von der Energie von α-Teilchen
Beta-Strahlung
Für Bewegung β -Teilchen in Materie zeichnen sich durch eine krummlinige unvorhersehbare Flugbahn aus. Dies liegt an der Massengleichheit der wechselwirkenden Teilchen.
Merkmale der Interaktion β -Partikel mit Wasser und Weichgewebe sind in der Tabelle dargestellt. 33.3.
Tabelle 33.3. Abhängigkeit der Eigenschaften der Wechselwirkung mit Materie von der Energie der β-Teilchen
Wie bei α-Teilchen nimmt die Ionisationskraft von β-Teilchen mit abnehmender Energie zu.
Gammastrahlung
Absorption γ -Strahlung durch eine Substanz gehorcht einem Exponentialgesetz ähnlich dem Gesetz der Absorption von Röntgenstrahlen:
Die Hauptprozesse, die für die Absorption verantwortlich sind γ -Strahlung sind der photoelektrische Effekt und die Compton-Streuung. Dabei entstehen relativ wenig freie Elektronen (Primärionisation), die eine sehr hohe Energie haben. Sie verursachen die Prozesse der sekundären Ionisation, die unvergleichlich höher ist als die primäre.
33.4. natürlich und künstlich
Radioaktivität. radioaktive Reihen
Bedingungen natürlich und künstlich Radioaktivität sind bedingt.
natürlich nennen wir die Radioaktivität von Isotopen, die in der Natur vorkommen, oder die Radioaktivität von Isotopen, die durch natürliche Prozesse gebildet werden.
Zum Beispiel ist die Radioaktivität von Uran natürlich. Natürlich ist auch die Radioaktivität von Kohlenstoff 14 C, das in den oberen Schichten der Atmosphäre unter dem Einfluss der Sonnenstrahlung entsteht.
Künstlich bezeichnet die Radioaktivität von Isotopen, die durch menschliche Aktivitäten entstehen.
Das ist die Radioaktivität aller in Teilchenbeschleunigern erzeugten Isotope. Dazu gehört auch die Radioaktivität von Boden, Wasser und Luft, die bei einer Atomexplosion entsteht.
Natürliche Radioaktivität
In der Anfangsphase der Untersuchung der Radioaktivität konnten die Forscher nur natürliche Radionuklide (radioaktive Isotope) verwenden, die in ziemlich großen Mengen in Erdgestein enthalten sind: 232 Th, 235 U, 238 U. Mit diesen Radionukliden beginnen drei radioaktive Serien, die mit stabilen Pb-Isotopen enden . Anschließend wurde eine Reihe beginnend mit 237 Np entdeckt, mit einem endgültigen stabilen Kern 209 Bi. Auf Abb. 33.4 zeigt eine Reihe beginnend mit 238 U.
Reis. 33.4. Uran-Radium-Reihe
Elemente dieser Reihe sind die Hauptquelle der inneren Exposition des Menschen. Beispielsweise gelangen 210 Pb und 210 Po mit der Nahrung in den Körper – sie sind in Fisch und Schalentieren konzentriert. Beide Isotope reichern sich in Flechten an und sind daher im Rentierfleisch vorhanden. Die bedeutendste aller natürlichen Strahlungsquellen ist 222 Rn - ein schweres Edelgas, das beim Zerfall von 226 Ra entsteht. Sie macht etwa die Hälfte der natürlichen Strahlungsdosis des Menschen aus. Dieses in der Erdkruste gebildete Gas sickert in die Atmosphäre und gelangt ins Wasser (es ist sehr gut löslich).
Das radioaktive Isotop Kalium 40 K ist ständig in der Erdkruste vorhanden, das Bestandteil des natürlichen Kaliums ist (0,0119 %). Aus dem Boden gelangt dieses Element durch das Wurzelsystem von Pflanzen und mit pflanzlichen Lebensmitteln (Getreide, frisches Gemüse und Obst, Pilze) in den Körper.
Eine weitere natürliche Strahlungsquelle ist die kosmische Strahlung (15 %). Seine Intensität nimmt in Berggebieten aufgrund einer Abnahme der Schutzwirkung der Atmosphäre zu. Quellen der natürlichen Hintergrundstrahlung sind in der Tabelle aufgeführt. 33.4.
Tabelle 33.4. Bestandteil des natürlichen radioaktiven Hintergrunds
33.5. Die Verwendung von Radionukliden in der Medizin
Radionuklide sogenannte radioaktive Isotope chemischer Elemente mit kurzer Halbwertszeit. Solche Isotope kommen in der Natur nicht vor, also werden sie künstlich gewonnen. In der modernen Medizin werden Radionuklide häufig zu diagnostischen und therapeutischen Zwecken eingesetzt.
Diagnostische Anwendung basiert auf der selektiven Akkumulation bestimmter chemischer Elemente durch einzelne Organe. Jod wird beispielsweise in der Schilddrüse angereichert, während Calcium in den Knochen angereichert wird.
Das Einbringen von Radioisotopen dieser Elemente in den Körper ermöglicht es, Bereiche ihrer Konzentration durch radioaktive Strahlung zu erfassen und so wichtige diagnostische Informationen zu erhalten. Diese Diagnosemethode wird aufgerufen nach der Labeled-Atom-Methode.
Therapeutische Verwendung Radionuklide basiert auf der zerstörerischen Wirkung ionisierender Strahlung auf Tumorzellen.
1. Gamma-Therapie- die Verwendung hochenergetischer γ-Strahlung (Quelle 60 Co) zur Zerstörung tiefliegender Tumore. Damit oberflächlich gelegene Gewebe und Organe keiner zerstörerischen Wirkung ausgesetzt werden, erfolgt die Einwirkung ionisierender Strahlung in verschiedenen Sitzungen in unterschiedliche Richtungen.
2. Alpha-Therapie- therapeutische Verwendung von α-Partikeln. Diese Partikel haben eine signifikante lineare Ionisationsdichte und werden sogar von einer kleinen Luftschicht absorbiert. Daher therapeutisch
Die Verwendung von Alphastrahlen ist bei direktem Kontakt mit der Oberfläche des Organs oder bei der Einführung im Inneren (mit einer Nadel) möglich. Bei oberflächlicher Exposition wird die Radontherapie (222 Rn) angewendet: Exposition der Haut (Bäder), der Verdauungsorgane (Trinken), der Atmungsorgane (Inhalationen).
In einigen Fällen medizinische Verwendung α -Partikel ist mit der Verwendung von Neutronenfluss verbunden. Bei dieser Methode werden zunächst Elemente in das Gewebe (Tumor) eingebracht, deren Kerne unter Einwirkung von Neutronen emittieren α -Partikel. Danach wird das erkrankte Organ mit einem Neutronenfluss bestrahlt. Auf diese Weise α -Partikel werden direkt im Organ gebildet, auf das sie zerstörerisch wirken sollen.
Tabelle 33.5 führt die Eigenschaften einiger in der Medizin verwendeter Radionuklide auf.
Tabelle 33.5. Isotopencharakterisierung
33.6. Teilchenbeschleuniger und ihre Verwendung in der Medizin
Beschleuniger- eine Anlage, in der unter dem Einfluss elektrischer und magnetischer Felder gerichtete Strahlen geladener Teilchen mit hoher Energie (von Hunderten von keV bis zu Hunderten von GeV) erhalten werden.
Beschleuniger schaffen eng Strahlen von Teilchen mit einer bestimmten Energie und einem kleinen Querschnitt. Damit können Sie versorgen gerichtet Auswirkungen auf bestrahlte Objekte.
Die Verwendung von Beschleunigern in der Medizin
Elektronen- und Protonenbeschleuniger werden in der Medizin zur Strahlentherapie und Diagnostik eingesetzt. Dabei werden sowohl die beschleunigten Teilchen selbst als auch die begleitende Röntgenstrahlung genutzt.
Bremsstrahlung Röntgen erhalten, indem ein Teilchenstrahl auf ein spezielles Ziel gerichtet wird, das die Quelle von Röntgenstrahlen ist. Diese Strahlung unterscheidet sich von der Röntgenröhre durch eine viel höhere Photonenenergie.
Synchrotron-Röntgenstrahlen tritt bei der Beschleunigung von Elektronen in Ringbeschleunigern auf - Synchrotrons. Eine solche Strahlung hat einen hohen Grad an Richtwirkung.
Die direkte Wirkung schneller Partikel ist mit ihrer hohen Durchschlagskraft verbunden. Solche Partikel durchdringen Oberflächengewebe, ohne ernsthaften Schaden anzurichten, und haben am Ende ihrer Reise eine ionisierende Wirkung. Durch Auswahl der geeigneten Teilchenenergie ist es möglich, die Zerstörung von Tumoren in einer bestimmten Tiefe zu erreichen.
Die Anwendungsgebiete von Beschleunigern in der Medizin sind in Tabelle dargestellt. 33.6.
Tabelle 33.6. Anwendung von Beschleunigern in Therapie und Diagnostik
33.7. Biophysikalische Grundlagen der Wirkung ionisierender Strahlung
Wie oben erwähnt, ist die Auswirkung radioaktiver Strahlung auf biologische Systeme damit verbunden Ionisierung von Molekülen. Der Prozess der Wechselwirkung von Strahlung mit Zellen kann in drei aufeinanderfolgende Stufen (Stufen) unterteilt werden.
1. physische Bühne besteht aus Energieübertragung Strahlung auf die Moleküle eines biologischen Systems, was zu deren Ionisation und Anregung führt. Die Dauer dieser Phase beträgt 10 -16 -10 -13 s.
2. Physikalisch-chemisch Die Stufe besteht aus verschiedenen Arten von Reaktionen, die zu einer Umverteilung der überschüssigen Energie angeregter Moleküle und Ionen führen. Dadurch sehr aktiv
Produkte: Radikale und neue Ionen mit vielfältigen chemischen Eigenschaften.
Die Dauer dieser Phase beträgt 10 -13 -10 -10 s.
3. Chemische Stufe - das ist die Wechselwirkung von Radikalen und Ionen untereinander und mit umgebenden Molekülen. In diesem Stadium entstehen strukturelle Schäden verschiedener Art, die zu einer Veränderung der biologischen Eigenschaften führen: Die Struktur und Funktion von Membranen wird gestört; Läsionen treten in DNA- und RNA-Molekülen auf.
Die Dauer der chemischen Stufe beträgt 10 -6 -10 -3 s.
4. biologische Stufe. Schäden an Molekülen und subzellulären Strukturen führen in diesem Stadium zu vielfältigen Funktionsstörungen, zum vorzeitigen Zelltod durch das Einwirken von Apoptosemechanismen oder durch Nekrose. Im biologischen Stadium erlittene Schäden können vererbt werden.
Die Dauer des biologischen Stadiums beträgt einige Minuten bis zu mehreren zehn Jahren.
Wir stellen die allgemeinen Muster des biologischen Stadiums fest:
Große Verletzungen mit geringer absorbierter Energie (eine tödliche Strahlungsdosis für eine Person verursacht eine Erwärmung des Körpers um nur 0,001 ° C);
Wirkung auf nachfolgende Generationen durch den Erbapparat der Zelle;
Eine latente, latente Periode ist charakteristisch;
Verschiedene Teile von Zellen haben eine unterschiedliche Empfindlichkeit gegenüber Strahlung;
Zunächst sind sich teilende Zellen betroffen, was für den Körper eines Kindes besonders gefährlich ist;
Die zerstörerische Wirkung auf das Gewebe eines erwachsenen Organismus, in dem es zu einer Teilung kommt;
Die Ähnlichkeit der Strahlung ändert sich mit der Pathologie des frühen Alterns.
33.8. Grundbegriffe und Formeln
Tabellenfortsetzung
33.9. Aufgaben
1. Welche Aktivität hat das Medikament, wenn 10.000 Kerne dieser Substanz innerhalb von 10 Minuten zerfallen?
4.
Anhand der spezifischen Massenaktivität des darin enthaltenen 14 6 C-Isotops lässt sich das Alter antiker Holzproben näherungsweise bestimmen. Vor wie vielen Jahren wurde ein Baum gefällt, der zur Herstellung eines Objekts verwendet wurde, wenn die spezifische Massenaktivität des darin enthaltenen Kohlenstoffs 75 % der spezifischen Massenaktivität eines wachsenden Baums beträgt? Die Halbwertszeit von Radon beträgt T = 5570 Jahre.
9.
Nach dem Unfall von Tschernobyl lag die Bodenkontamination mit radioaktivem Cäsium-137 an einigen Stellen bei 45 Ci/km 2 .
Nach wie vielen Jahren sinkt die Aktivität an diesen Orten auf ein relativ sicheres Niveau von 5 Ci/km 2 . Die Halbwertszeit von Cäsium-137 beträgt T = 30 Jahre.
10.
Die zulässige Aktivität von Jod-131 in der menschlichen Schilddrüse sollte nicht mehr als 5 nCi betragen. Bei einigen Menschen, die sich im Bereich der Tschernobyl-Katastrophe befanden, erreichte die Aktivität von Jod-131 800 nCi. Nach wie vielen Tagen ging die Aktivität auf den Normalwert zurück? Die Halbwertszeit von Jod-131 beträgt 8 Tage.
11.
Das folgende Verfahren wird verwendet, um das Blutvolumen in einem Tier zu bestimmen. Dem Tier wird eine kleine Menge Blut entnommen, die Erythrozyten werden vom Plasma getrennt und in eine Lösung mit radioaktivem Phosphor gegeben, der von den Erythrozyten assimiliert wird. Markierte Erythrozyten werden wieder in das Kreislaufsystem des Tieres eingeführt und nach einiger Zeit wird die Aktivität der Blutprobe bestimmt.
ΔV = 1 ml dieser Lösung wurde in das Blut eines Tieres injiziert. Die Anfangsaktivität dieses Volumens war A 0 = 7000 Bq. Die Aktivität von 1 ml Blut, das einen Tag später aus der Vene des Tieres entnommen wurde, war gleich 38 Pulse pro Minute. Bestimmen Sie das Blutvolumen des Tieres, wenn die Halbwertszeit von radioaktivem Phosphor T = 14,3 Tage beträgt.
