N=N 0 e - λt on radioaktiivisen hajoamisen laki, jossa N on hajoamattomien ytimien lukumäärä, N 0 on alkuytimien lukumäärä.
Vaimenemisvakion fysikaalinen merkitys on ytimen hajoamisen todennäköisyys aikayksikköä kohti. Radioaktiivisten ytimien tyypilliset elinajat ovat τ> 10 -14 s. Nukleoniemissiosta johtuvat ytimien elinajat 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.
Radioaktiivisen hajoamisen tyypit. α - hajoaminen, vaimenemiskaavio, vaimenemismallit.
Radioaktiivinen hajoaminen on prosessi, jossa epävakaat atomiytimet muuttuvat muiden alkuaineiden ytimiksi, johon liittyy hiukkasten päästöjä.
Radioaktiivisen hajoamisen tyypit:
1)α - hajoaminen - liittyy heliumatomien emission.
2)β - hajoaminen - elektronien ja positronien emissio.
3)γ - hajoaminen - fotonien emissio ytimien tilojen välisten siirtymien aikana.
4) Spontaani ydinfissio.
5) Nukleoniradioaktiivisuus.
α - hajoaminen: A 2 X → A-Y Z-2 Y+ 4 2 He. Α-hajoamista havaitaan raskaissa ytimissä. α-hajoamisen spektri on diskreetti. Juoksun pituus α - hiukkaset ilmassa: 3-7 cm; tiheät aineet: 10 -5 m. T 1/2 10 -7 s ÷ 10 10 vuotta.
β - hajoaminen. Kaaviot β+, β- ja K-kaappaus. β-hajoamisen säännöllisyydet.
β-hajoaminen johtuu heikosta vuorovaikutuksesta. Se on heikko suhteessa vahvoihin ytimiin. Kaikki hiukkaset paitsi fotonit osallistuvat heikkoon vuorovaikutukseen. Pointti on uusien hiukkasten rappeutuminen. T 1/2 10 -2 s ÷ 10 20 vuotta. Neutronin vapaa polku on 10 19 km.
β - hajoaminen sisältää 3 hajoamistyyppiä:
1) β - tai elektroninen. Ydin lähettää elektroneja. Yleisesti:
A2X → AZ-1 Y+ 0-1 e+υe.
2)β + tai positroni. Emittoituvat elektronien antihiukkaset – positronit: 1 1 p→ 1 0 n+ 0 1 e+υ e – reaktio protonin muuttumisesta neutroniksi. Reaktio ei häviä itsestään. Yleiskuva reaktiosta: A Z X→ A Z -1 Y+ 0 1 e+υ e . Havaittu keinotekoisissa radioaktiivisissa ytimissä.
3) Elektroninen sieppaus. Ytimessä tapahtuu muunnos, se vangitsee K-kuoren ja muuttuu neutroniksi: 1 1 p+ 0 -1 e→ 1 0 n+υ e . Yleisnäkymä: A Z X+ 0 1 e→ A Z -1 Y+υ e . Sähköisen sieppauksen seurauksena vain yksi hiukkanen lentää ulos ytimistä. Mukana tyypillinen röntgensäteily.
Toiminta MUTTA nuklidi(yleinen nimi atomiytimille, jotka eroavat protonien lukumäärästä Z ja neutroneja N) radioaktiivisessa lähteessä on näytteen ytimien kanssa 1 sekunnissa tapahtuvien hajoamisten lukumäärä:
SI aktiivisuuden yksikkö - becquerel(Bq): 1 Bq on nuklidin aktiivisuus, jossa yksi hajoamistapahtuma tapahtuu 1 sekunnissa. Tähän asti ydinfysiikassa on käytetty myös järjestelmän ulkopuolista nuklidiaktiivisuuden yksikköä radioaktiivisessa lähteessä - curie(Ci): 1 Ci = 3,710 10 Bq.
Radioaktiivista hajoamista tapahtuu ns siirtymäsäännöt, joka mahdollistaa sen selvittämisen, mikä ydin syntyy tietyn emoytimen hajoamisen seurauksena. Offset säännöt:
missä X on emoydin, Y on tytärytimen symboli, He on heliumydin ( -hiukkanen), e- elektronin symbolinen nimitys (sen varaus on -1 ja sen massaluku on nolla). Siirtymäsäännöt eivät ole muuta kuin seurausta kahdesta laista, jotka toteutuvat radioaktiivisten hajoamisen aikana - sähkövarauksen säilyminen ja massaluvun säilyminen: esiin tulevien ytimien ja hiukkasten varausten (massalukujen) summa on yhtä suuri kuin varaus (massaluku) alkuperäisestä ytimestä.
28. A-hajoamisen pääsäännöt. tunneliefekti. A-säteilyn ominaisuudet.
α-hajoaminen kutsutaan atomiytimen spontaaniksi hajoamiseksi tytärytimeksi ja α-hiukkaseksi (4 He-atomin ytimeksi).
α-hajoaminen tapahtuu pääsääntöisesti raskaissa ytimissä, joilla on massaluku MUTTA≥140 (vaikkakin on muutamia poikkeuksia). Raskaiden ytimien sisällä muodostuu ydinvoimien kyllästymisominaisuuden vuoksi erilliset α-hiukkaset, jotka koostuvat kahdesta protonista ja kahdesta neutronista. Tuloksena oleva α-partikkeli on alttiina suuremmalle ytimen protoneista peräisin olevien Coulombin hylkimisvoimien vaikutukselle kuin yksittäisiin protoniin. Samaan aikaan α-partikkeli kokee vähemmän vetovoimaa ytimen nukleoneihin kuin muut nukleonit. Tuloksena oleva alfahiukkanen ytimen rajalla heijastuu sisäänpäin potentiaaliesteestä, mutta jollain todennäköisyydellä se voi voittaa sen (katso tunneliefekti) ja lentää ulos. Alfahiukkasen energian pienentyessä potentiaaliesteen läpäisevyys pienenee eksponentiaalisesti, joten alhaisemmalla alfahajoamisenergialla omaavien ytimien elinikä on pidempi muiden asioiden ollessa samat.
Soddyn siirtosääntö α-hajoamiselle:
Alkuaine siirtyy α-hajoamisen seurauksena 2 solulla jaksollisen järjestelmän alkuun, tytärytimen massaluku pienenee 4:llä.
tunneliefekti- potentiaaliesteen ylittäminen mikrohiukkasella siinä tapauksessa, että sen kokonaisenergia (joka pysyy muuttumattomana tunneloinnin aikana) on pienempi kuin esteen korkeus. Tunneliilmiö on yksinomaan kvanttiluonteinen ilmiö, mahdoton ja jopa täysin klassisen mekaniikan vastainen. Tunneliefektin analogi aaltooptiikassa voi olla valon aallon tunkeutuminen heijastavaan väliaineeseen (valon aallonpituuden suuruusluokkaa olevien etäisyyksien yli) olosuhteissa, joissa geometrisen optiikan näkökulmasta tapahtuu sisäinen kokonaisheijastus. . Tunneloitumisilmiö on monien tärkeiden prosessien taustalla atomi- ja molekyylifysiikassa, atomiytimen fysiikassa, kiinteässä olomuodossa jne.
Tunneliilmiö voidaan selittää epävarmuussuhteella. Kirjoitettu muodossa:
se osoittaa, että kun kvanttihiukkanen on rajoitettu koordinaattia pitkin, eli sen varmuus pitkin x, sen vauhti s tulee epävarmemmaksi. Satunnaisesti liikemäärän epävarmuus voi lisätä hiukkaseen energiaa esteen ylittämiseksi. Siten jollain todennäköisyydellä kvanttihiukkanen voi tunkeutua esteen läpi, kun taas hiukkasen keskimääräinen energia pysyy muuttumattomana.
Alfasäteilyllä on alhaisin tunkeutumiskyky (alfahiukkasten imemiseen riittää paksu paperiarkki) ihmiskudoksessa alle millimetrin syvyyteen.
29. B-hajoamisen perussäännöt ja sen ominaisuudet. Neutrino. Elektroninen talteenotto. (katso 27)
Becquerel osoitti, että β-säteet ovat elektronien virtaa. β-hajoaminen on ilmentymä heikosta vuorovaikutuksesta.
β-hajoaminen(tarkemmin sanottuna beeta miinus -hajoaminen, -hajoaminen) on radioaktiivinen hajoaminen, johon liittyy elektronin ja antineutrinon emissio ytimestä.
β-hajoaminen on nukleoninsisäinen prosessi. Se tapahtuu yhden muuntumisen seurauksena d-kvarkit yhdessä ytimen neutroneista u-kvarkki; tässä tapauksessa neutroni muunnetaan protoniksi elektronin ja antineutrinon emission avulla:
Soddyn vaihtosääntö -decaylle:
-hajoamisen jälkeen alkuaine siirtyy 1 solulla jaksollisen järjestelmän loppuun (ydinvaraus kasvaa yhdellä), kun taas ytimen massaluku ei muutu.
On myös muita beeta-hajoamisen tyyppejä. Positronien hajoamisessa (beeta plus hajoaminen) ydin lähettää positronia ja neutriinon. Tässä tapauksessa ytimen varaus pienenee yhdellä (ydin siirretään yhden solun verran jaksollisen järjestelmän alkuun). Positronien hajoaminen aina mukana kilpaileva prosessi - elektronien sieppaus (kun ydin vangitsee elektronin atomikuoresta ja lähettää neutriinon, kun taas ytimen varaus pienenee myös yhdellä). Päinvastoin ei kuitenkaan pidä paikkaansa: monet nuklidit, joille positronihajoaminen on kiellettyä, kokevat elektronien sieppauksen. Harvinaisin tunnettu radioaktiivisen hajoamisen tyyppi on kaksinkertainen beetahajoaminen, jota on tähän mennessä havaittu vain kymmeneltä nuklidilta, joiden puoliintumisajat ovat yli 10 19 vuotta. Kaiken tyyppinen beetahajoaminen säilyttää ytimen massaluvun.
Neutrino- neutraali perushiukkanen, jonka spin on puolikokonaisluku, joka osallistuu vain heikkoihin ja gravitaatiovuorovaikutuksiin ja kuuluu leptonien luokkaan.
Elektroninen kahva, e sieppaus - yksi atomiytimien beetahajoamisen tyypeistä. Elektronien sieppauksessa yksi ytimen protoneista vangitsee kiertävän elektronin ja muuttuu neutroniksi, joka lähettää elektronineutrinon. Tällöin ytimen varaus pienenee yhdellä. Ytimen massaluku, kuten kaikissa muissakin beetahajoamistyypeissä, ei muutu. Tämä prosessi on ominaista protonirikkaille ytimille. Jos emo- ja lapsiatomin välinen energiaero (käytettävissä oleva beeta-hajoamisen energia) ylittää 1,022 MeV (kaksi kertaa elektronin massa), elektronien sieppaus kilpailee aina toisen tyyppisen beeta-hajoamisen, positronihajoamisen, kanssa. Esimerkiksi rubidium-83 muuttuu krypton-83:ksi vain elektronien sieppauksella (käytettävissä oleva energia on noin 0,9 MeV), kun taas natrium-22 hajoaa neon-22:ksi sekä elektronien sieppauksen että positronihajoamisen kautta (käytettävissä oleva energia on noin 2,8 MeV).
Koska protonien määrä ytimessä (eli ydinvaraus) pienenee elektronien sieppauksen aikana, tämä prosessi muuttaa yhden kemiallisen alkuaineen ytimen toisen alkuaineen ytimeksi, joka sijaitsee lähempänä jaksollisen järjestelmän alkua.
Yleinen kaava elektronien sieppaamiseen
30. ytimien γ-säteily ja sen ominaisuudet. γ-säteilyn vuorovaikutus aineen kanssa. Elektroni-positroniparien syntyminen ja tuhoutuminen.
Se on kokeellisesti todettu -säteily ei ole itsenäinen radioaktiivisuuden tyyppi, vaan se vain seuraa - ja -hajoaa ja esiintyy myös ydinreaktioiden aikana, varautuneiden hiukkasten hidastumisessa, niiden hajoamisessa jne. - Spektri on viiva. - Spektri on luvun jakauma -kvantti energiassa. diskreetti -spektri on perustavanlaatuinen, koska se on todiste atomiytimien energiatilojen diskreettisuudesta.
Se on nyt lujasti vahvistettu -säteilyä lähettää lapsen (eikä vanhemman) ydin. Tytärydin muodostumishetkellä virittyneenä siirtyy perustilaan emissiolla -säteilyä. Palattuaan perustilaan, virittynyt ydin voi käydä läpi sarjan välitiloja, joten -saman radioaktiivisen isotoopin säteily voi sisältää useita ryhmiä -kvantit eroavat toisistaan energiansa suhteen.
klo -säteilyä MUTTA ja Z ytimet eivät muutu, joten sitä ei kuvata millään syrjäytyssäännöillä. - Useimpien ytimien säteily on niin lyhytaaltoista, että sen aaltoominaisuudet ilmenevät hyvin heikosti. Tässä korostuvat siksi korpuskulaariset ominaisuudet -säteilyä pidetään hiukkasvirtana - - kvantti. Erilaisten ytimien radioaktiivisen hajoamisen aikana -kvanttien energiat ovat 10 keV - 5 MeV.
Virittyneessä tilassa oleva ydin voi siirtyä perustilaan paitsi emittoimalla -kvantti, mutta myös suoralla viritysenergian siirrolla (ilman aiempaa emissiota -kvantti) yhdelle saman atomin elektroneista. Tämä tuottaa ns muunnoselektroni. Ilmiö itsessään on ns sisäinen muunnos. Sisäinen muuntaminen on prosessi, joka kilpailee -säteilyä.
Muunnoselektronit vastaavat diskreettejä energia-arvoja, jotka riippuvat elektronin työtoiminnasta kuoresta, josta elektroni karkaa, ja energiasta E, jonka ydin antaa siirtyessään virittyneestä tilasta perustilaan. Jos kaikki energia E erottuu muodoltaan -kvantti, sitten säteilytaajuus määräytyy tunnetusta suhteesta E=h. Jos sisäisiä konversioelektroneja emittoidaan, niiden energiat ovat yhtä suuria kuin E-A K , E-A L , .... missä A K , A L , ... - elektronin työfunktio TO- ja L-kuoret. Konversioelektronien monoenergeettinen luonne mahdollistaa niiden erottamisen -elektroneja, joiden spektri on jatkuva. Elektronin emission seurauksena syntyvä tyhjä tila atomin sisäkuoressa täyttyy elektroneilla ylhäältä olevista kuorista. Siksi sisäiseen konversioon liittyy aina tyypillinen röntgensäteily.
-Kvantit, joiden lepomassa on nolla, eivät voi siten hidastua väliaineessa kulkiessaan läpi - säteilyn aineen läpi, se joko absorboi tai siroaa ne. -Kvantit eivät sisällä sähkövarausta eivätkä siten koe Coulombin voimien vaikutusta. Kun ohitetaan säteen -kvantit aineen läpi, niiden energia ei muutu, mutta törmäysten seurauksena intensiteetti heikkenee, jonka muutosta kuvaa eksponentiaalinen laki minä=minä 0e- x (minä 0 ja minä- intensiteetti -säteilyn paksuuden absorboivan materiaalikerroksen sisään- ja ulostulossa x, - absorptiokerroin). Kuten säteily on siis läpäisevin säteily monille aineille - erittäin pieni arvo; riippuu aineen ominaisuuksista ja energiasta - kvantti.
-Aineen läpi kulkeva kvantti voi olla vuorovaikutuksessa sekä aineen atomien elektronikuoren että niiden ytimien kanssa. Kvanttielektrodynamiikassa on osoitettu, että pääprosessit seuraavat kulkua -säteilyn aineen läpi ovat valosähköinen vaikutus, Compton-ilmiö (Compton-sironta) ja elektroni-positroniparien muodostuminen.
valosähköinen efekti tai valosähköinen absorptio -säteily, on prosessi, jossa atomi absorboi -kvantti ja emittoi elektronin. Koska elektroni tippuu pois yhdestä atomin sisäkuoresta, tyhjentynyt tila täyttyy elektroneilla päällä olevista kuorista, ja valosähköiseen vaikutukseen liittyy ominaista röntgensäteilyä. Valosähköinen vaikutus on hallitseva absorptiomekanismi matalaenergia-alueella -quanta ( E 100 keV). Valosähköinen vaikutus voi esiintyä vain sitoutuneissa elektroneissa, koska vapaa elektroni ei voi absorboida -kvantti, kun taas energian ja liikemäärän säilymisen lait eivät täyty samanaikaisesti.
Kun energia lisääntyy -quanta ( E0,5 MeV) valosähköisen vaikutuksen todennäköisyys on hyvin pieni ja tärkein vuorovaikutusmekanismi - kvantti aineen kanssa on Compton-sironta.
klo E>l,02 MeV=2 m e c 2 (t e - elektronin lepomassa) elektroni-positroniparien muodostumisprosessi ytimien sähkökentissä tulee mahdolliseksi. Tämän prosessin todennäköisyys on verrannollinen Z 2 ja kasvaa kasvun myötä E. Siksi milloin E10 MeV päävuorovaikutusprosessi - missä tahansa aineessa on säteilyä muodostivat elektroni-positroniparit.
Jos energiaa -kvantti ylittää ytimessä olevien nukleonien sitoutumisenergian (7-8 MeV), sitten absorption seurauksena - kvantti voidaan havaita ydinvoiman valosähköinen vaikutus- yhden nukleonin, useimmiten neutronin, ejektio ytimestä.
Suuri tunkeutumisvoima - säteilyä käytetään gammavikojen havaitsemisessa - eri absorptioon perustuva vikojen havaitsemismenetelmä -säteilyä, kun se etenee saman matkan eri väliaineissa. Vikojen (onteloiden, halkeamien jne.) sijainti ja koko määräytyy läpikuultavan tuotteen eri osien läpi kulkeneen säteilyn intensiteettien eron mukaan.
Vaikutus - aineeseen kohdistuva säteily (sekä muun tyyppinen ionisoiva säteily) karakterisoi ionisoivan säteilyn annos. Ero:
Absorboitunut säteilyannos- fysikaalinen määrä, joka on yhtä suuri kuin säteilyenergian suhde säteilytetyn aineen massaan.
Absorboituneen säteilyannoksen yksikkö - harmaa(Gy)*: 1 Gy= 1 J/kg - säteilyannos, jolla minkä tahansa 1 J:n ionisoivan säteilyn energia siirtyy 1 kg painavaan säteilytettyyn aineeseen.
31. Transuraanielementtien saaminen. Ydinfissioreaktioiden peruslait.
TRANSURANE ELEMENTS, kemialliset alkuaineet, jotka sijaitsevat jaksollisessa järjestelmässä uraanin jälkeen, eli atominumerolla Z >92.
Kaikki transuraanialkuaineet on syntetisoitu ydinreaktioissa (luonnosta on löydetty vain pieniä määriä Np:tä ja Pu:ta). Transuraanielementit ovat radioaktiivisia; kasvaessa Z puolikas elämä T 1/2 transuraanielementit vähenevät jyrkästi.
Vuonna 1932, neutronin löytämisen jälkeen, ehdotettiin, että kun uraania säteilytettiin neutroneilla, ensimmäisten transuraanialkuaineiden isotoopit pitäisi muodostua. Ja vuonna 1940 E. Macmillan ja F. Ableson syntetisoivat neptuniumia (sarjanumero 93) ydinreaktion avulla ja tutkivat sen tärkeimpiä kemiallisia ja radioaktiivisia ominaisuuksia. Samaan aikaan löydettiin seuraava transuraanialkuaine, plutonium. Molemmat uudet alkuaineet nimettiin aurinkokunnan planeettojen mukaan.
Kaikki transuraanielementit 101:een asti syntetisoitiin käyttämällä valopommittavia hiukkasia: neutroneja, deuteroneja ja alfahiukkasia. Synteesiprosessi koostui kohteen säteilyttämisestä neutronivirroilla tai varautuneilla hiukkasilla. Jos kohteena käytetään U:ta, niin ydinreaktoreissa tai ydinlaitteiden räjähdyksen aikana syntyvien voimakkaiden neutronivirtojen avulla on mahdollista saada kaikki transuraanialkuaineet Fm:iin ( Z= 100) mukaan lukien. Elementit kanssa Z 1 tai 2 vähemmän kuin syntetisoitu elementti. Vuosina 1940-1955 G. Seaborgin johtamat amerikkalaiset tiedemiehet syntetisoivat yhdeksän uutta alkuainetta, joita ei ole luonnossa: Np (neptunium), Pu (plutonium), Am (americium), Cm (kurium), Bk (berkelium), Cf (kalifornium), Es ( einsteinium), Fm (fermium), Md (mendelevium). Vuonna 1951 G. Seaborg ja E. M. Macmillan saivat Nobel-palkinnon "löydöistään transuraanialkuaineiden kemian alalla".
Raskaiden radioaktiivisten alkuaineiden synteesimenetelmän, jossa käytetään säteilytystä kevyillä hiukkasilla, mahdollisuudet ovat rajalliset, se ei mahdollista ytimien saamista Z> 100. Alkuaine, jonka Z = 101 (mendelevium) löydettiin vuonna 1955 säteilyttämällä 253 99E:tä (einsteiniumia) kiihdytetyillä a-hiukkasilla. Uusien transuraanialkuaineiden synteesi muuttui yhä vaikeammaksi, kun siirryimme korkeampiin arvoihin Z. Niiden isotooppien puoliintumisaikojen arvot osoittautuivat pienemmiksi ja pienemmiksi.
Ydinreaktio - atomiytimien muutosprosessi, joka tapahtuu, kun ne ovat vuorovaikutuksessa alkuainehiukkasten, gamma-kvanttien ja toistensa kanssa, mikä usein johtaa valtavan energiamäärän vapautumiseen. Ydinreaktioiden aikana seuraavat lait täyttyvät: sähkövarauksen säilyminen ja nukleonien lukumäärä, energian säilyminen ja
liikemäärän säilyttäminen, liikemäärän säilyminen, pariteetin säilyttäminen ja
isotooppinen spin.
Fissioreaktio - atomin ytimen jakautuminen useisiin kevyempiin ytimiin. Erot ovat pakotettuja ja spontaaneja.
Fuusioreaktio on kevyiden ytimien fuusio yhdeksi. Tämä reaktio tapahtuu vain korkeissa lämpötiloissa, luokkaa 10 8 K, ja sitä kutsutaan lämpöydinreaktioksi.
Reaktion Q energian saanto on ero kaikkien hiukkasten kokonaislepoenergioiden välillä ennen ja jälkeen ydinreaktion. Jos Q > 0, niin kokonaislepoenergia pienenee ydinreaktion aikana. Tällaisia ydinreaktioita kutsutaan eksoenergeettisiksi. Ne voivat edetä mielivaltaisen pienellä hiukkasten kineettisellä alkuenergialla. Kääntäen Q:lle<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. Fissioketjureaktio. Hallittu ketjureaktio. Ydinreaktori.
Ydinfission aikana vapautuvat sekundaariset neutronit voivat aiheuttaa uusia fissiotapahtumia, mikä mahdollistaa fissioketjureaktio- ydinreaktio, jossa reaktion aiheuttavat hiukkaset muodostuvat tämän reaktion tuotteina. Fissioketjureaktiolle on ominaista kerroin k neutroneja, joka on yhtä suuri kuin tietyn sukupolven neutronien lukumäärän suhde edellisen sukupolven neutronien lukumäärään. Tarpeellinen kunto fissioketjureaktion kehittymiselle on vaatimus k 1.
Osoittautuu, että kaikki tuloksena olevat sekundaariset neutronit eivät aiheuta myöhempää ydinfissiota, mikä johtaa kertoimen laskuun. Ensinnäkin äärellisistä mitoista johtuen ydin(tila, jossa ketjureaktio tapahtuu) ja neutronien korkea tunkeutumiskyky, osa niistä poistuu ytimestä ennen kuin mikään ydin vangitsee ne. Toiseksi, osa neutroneista vangitaan halkeamattomien epäpuhtauksien ytimiin, jotka ovat aina läsnä ytimessä. Lisäksi fission ohella voi tapahtua kilpailevia säteilyn talteenottoprosesseja ja joustamatonta sirontaa.
Kerroin riippuu halkeamiskelpoisen materiaalin luonteesta ja tietyn isotoopin määrästä sekä aktiivisen vyöhykkeen koosta ja muodosta. Kutsutaan aktiivisen alueen minimimitat, joissa ketjureaktio on mahdollinen kriittiset mitat. Toteutuksen kannalta välttämätön halkeamiskelpoisen materiaalin vähimmäismassa, joka sijaitsee kriittisten kokojen järjestelmässä ketjureaktio, nimeltään kriittinen massa.
Ketjureaktioiden kehitysnopeus on erilainen. Anna olla T - yhden sukupolven keskimääräinen elinikä ja N- neutronien lukumäärä tietyssä sukupolvessa. Seuraavassa sukupolvessa heidän lukumääränsä on kN, t. e. neutronien määrän kasvu sukupolvea kohden dN = kN - N = N(k- yksi). Neutronien määrän kasvu aikayksikköä kohti eli ketjureaktion kasvunopeus,
Integroimalla (266.1) saamme
missä N 0 on neutronien lukumäärä alkuhetkellä ja N- niiden lukumäärä kerrallaan t. N määritellään merkillä ( k- yksi). klo k> 1 on tulossa kehittyvä reaktio, jakautumisten määrä kasvaa jatkuvasti ja reaktio voi muuttua räjähtäväksi. klo k=1 menee itseään ylläpitävä reaktio, jossa neutronien määrä ei muutu ajan myötä. klo k<1 идет затухающая реакция.
Ketjureaktiot on jaettu onnistui ja hallitsematon. Esimerkiksi atomipommin räjähdys on hallitsematon reaktio. Jotta atomipommi ei räjähtäisi varastoinnin aikana, siinä oleva U (tai Pu) on jaettu kahteen osaan, jotka ovat kaukana toisistaan, joiden massat ovat alle kriittisen. Sitten tavallisen räjähdyksen avulla nämä massat lähestyvät toisiaan, halkeamiskelpoisen materiaalin kokonaismassa tulee kriittisemmäksi ja tapahtuu räjähtävä ketjureaktio, johon liittyy valtavan energiamäärän välitön vapautuminen ja suuri tuho. Räjähdysreaktio alkaa käytettävissä olevien spontaanin fissioneutronien tai kosmisen säteilyn neutronien vuoksi. Ydinreaktoreissa suoritetaan hallittuja ketjureaktioita.
Luonnossa on kolme isotooppia, jotka voivat toimia ydinpolttoaineena (U: luonnonuraani sisältää noin 0,7 %) tai raaka-aineina sen valmistukseen (Th ja U: luonnonuraani sisältää noin 99,3 %). Th toimii alkutuotteena keinotekoisen ydinpolttoaineen U saamiseksi (katso reaktio (265.2)) ja neutroneja absorboivaksi U:ksi kahden peräkkäisen polttoaineen kautta. – -hajoaa - muuntamiseen Pu-ytimeksi:
Reaktiot (266.2) ja (265.2) avaavat siten todellisen mahdollisuuden ydinpolttoaineen lisääntymiseen fissioketjureaktion prosessissa.
Ydinreaktori- Tämä on laite, jossa suoritetaan kontrolloitu ydinketjureaktio, johon liittyy energian vapautuminen. Ensimmäinen ydinreaktori rakennettiin ja käynnistettiin joulukuussa 1942 Yhdysvalloissa E. Fermin johdolla. Ensimmäinen Yhdysvaltojen ulkopuolelle rakennettu reaktori oli ZEEP, joka käynnistettiin Kanadassa syyskuussa 1945. Euroopassa ensimmäinen ydinreaktori oli F-1-laitos, joka laukaistiin 25. joulukuuta 1946 Moskovassa I. V. Kurchatovin johdolla.
Vuoteen 1978 mennessä maailmassa oli jo toiminnassa noin sata erityyppistä ydinreaktoria. Minkä tahansa ydinreaktorin komponentteja ovat: ydinpolttoaineella varustettu sydän, yleensä neutroniheijastimen ympäröimä, jäähdytysneste, ketjureaktion ohjausjärjestelmä, säteilysuojaus, kauko-ohjausjärjestelmä. Ydinreaktorin tärkein ominaisuus on sen teho. 1 MW:n teho vastaa ketjureaktiota, jossa tapahtuu 3·10 16 fissiotapahtumaa 1 sekunnissa.
33. Termoydinfuusio. Tähtien energiaa. Hallittu lämpöydinfuusio.
lämpöydinreaktio on kevyiden ytimien fuusioreaktio raskaampiin ytimiin.
Sen toteuttamiseksi on välttämätöntä, että alkuperäiset nukleonit tai kevyet ytimet lähestyvät toisiaan etäisyyksille, jotka ovat yhtä suuria tai pienempiä kuin ydinvoiman vetovoiman vaikutusalueen säde (eli 10-15 m etäisyyksiin asti). Tällaista ytimien keskinäistä lähestymistä estävät positiivisesti varautuneiden ytimien välillä vaikuttavat Coulombin hylkivät voimat. Fuusioreaktion tapahtumiseksi on välttämätöntä lämmittää tiheä aine ultrakorkeisiin lämpötiloihin (satojen miljoonien kelvinien luokkaan), jotta ytimien lämpöliikkeen kineettinen energia riittää voittamaan Coulombin hylkimisen. voimat. Tällaisissa lämpötiloissa aine on plasman muodossa. Koska fuusio voi tapahtua vain erittäin korkeissa lämpötiloissa, ydinfuusioreaktioita kutsutaan lämpöydinreaktioksi (kreikasta. therme"lämpö, lämpö").
Termoydinreaktiot vapauttavat valtavasti energiaa. Esimerkiksi deuteriumfuusion reaktiossa heliumin muodostumisen kanssa
Energiaa vapautuu 3,2 MeV. Deuteriumsynteesin reaktiossa tritiumin muodostumisen kanssa
4,0 MeV energiaa vapautuu, ja reaktiossa
Energiaa vapautuu 17,6 MeV.
Hallittu lämpöydinfuusio (TCB) - raskaampien atomiytimien synteesi kevyemmistä energian saamiseksi, jota, toisin kuin räjähtävä lämpöydinfuusio (käytetään lämpöydinräjähdyslaitteissa), ohjataan. Ohjattu lämpöydinfuusio eroaa perinteisestä ydinenergiasta siinä, että viimeksi mainitussa käytetään fissioreaktiota, jonka aikana raskaasta ytimestä saadaan kevyempiä ytimiä. Hallitun fuusion pääasiallisissa ydinreaktioissa käytetään deuteriumia (2 H) ja tritiumia (3 H) ja pidemmällä aikavälillä helium-3:a (3 He) ja boori-11:tä (11 B).
34. Alkuainehiukkasten rekisteröinnin lähteet ja menetelmät. Vuorovaikutustyypit ja alkuainehiukkasten luokat. Antihiukkaset.
Geigerin laskuri
- käyttää radioaktiivisten hiukkasten (pääasiassa elektronien) lukumäärän laskemista.
Se on kaasulla (argonilla) täytetty lasiputki, jonka sisällä on kaksi elektrodia (katodi ja anodi).
Hiukkasen läpikulun aikana tapahtuu kaasun iskuionisaatio ja sähkövirtapulssi.
Edut:
- tiiviys
- tehokkuus
- esitys
- korkea tarkkuus (10000 hiukkasta/s).
Missä käytetään:
- radioaktiivisen saastumisen rekisteröinti maassa, tiloissa, vaatteissa, tuotteissa jne.
- radioaktiivisten aineiden varastotiloissa tai toimivissa ydinreaktoreissa
- kun etsitään radioaktiivisen malmin esiintymiä (U, Th)
pilvi kammio
- Tarkkailee ja kuvaa hiukkasten (jälkien) kulkua.
Kammion sisätilavuus on täytetty alkoholi- tai vesihöyryillä ylikyllästetyssä tilassa:
kun mäntä lasketaan alas, paine kammion sisällä laskee ja lämpötila laskee, adiabaattisen prosessin seurauksena muodostuu ylikyllästynyttä höyryä.
Kosteuspisarat tiivistyvät hiukkasen kulkureittiä pitkin ja muodostuu jälki - näkyvä jälki.
Kun kamera asetetaan magneettikenttään, radan avulla voidaan määrittää hiukkasen energia, nopeus, massa ja varaus.
Lentävän radioaktiivisen hiukkasen ominaisuudet määräytyvät radan pituuden ja paksuuden sekä sen kaarevuuden mukaan magneettikentässä.
Esimerkiksi alfahiukkanen antaa jatkuvan paksun radan,
protoni - ohut raita,
elektroni - pisteviiva.
kuplakammio
Pilvikammio variantti
Männän jyrkän laskun myötä korkeapaineinen neste menee tulistettuun tilaan. Hiukkasen nopean liikkeen myötä polkua pitkin muodostuu höyrykuplia, ts. neste kiehuu, jälki näkyy.
Edut pilvikammioon verrattuna:
- Keskipitkän tiheys, joten lyhyet radat
- hiukkaset takertuvat kammioon ja hiukkasia voidaan edelleen tarkkailla
- enemmän nopeutta.
Paksukerroksisten valokuvaemulsioiden menetelmä
- palvelee hiukkasten rekisteröintiä
- mahdollistaa harvinaisten ilmiöiden rekisteröinnin pitkän valotusajan vuoksi.
Valokuvausemulsio sisältää suuren määrän hopeabromidin mikrokiteitä.
Sisään tulevat hiukkaset ionisoivat valokuvaemulsioiden pinnan. AgBr-kiteet hajoavat varautuneiden hiukkasten vaikutuksesta, ja kehittyessä paljastuu hiukkasen kulku, jälki.
Hiukkasten energia ja massa voidaan määrittää radan pituudesta ja paksuudesta.
Hiukkasluokat ja vuorovaikutustyypit
Tällä hetkellä uskotaan vakaasti, että kaikki luonnossa on rakennettu alkuainehiukkasista ja kaikki luonnolliset prosessit johtuvat näiden hiukkasten vuorovaikutuksesta. Nykyään alkuainehiukkasilla tarkoitetaan kvarkeja, leptoneja, mittabosoneja ja Higgsin skalaarihiukkasia. Perusvuorovaikutuksissa - vahva, sähköheikko ja gravitaatio. Siten on ehdollisesti mahdollista erottaa neljä alkuainehiukkasten luokkaa ja kolme perusvuorovaikutustyyppiä.
Neutriinot ovat sähköisesti neutraaleja; elektronilla, myonilla ja tau leptonilla on sähkövarauksia. Leptonit osallistuvat sähköheikkoon ja gravitaatiovuorovaikutukseen.
Kolmas luokka ovat kvarkkeja. Nykyään tunnetaan kuusi kvarkkia - joista jokainen voidaan "värjätä" jollakin kolmesta väristä. Kuten leptonit, on kätevää järjestää ne kolmen perheen muodossa
Vapaita kvarkeja ei havaita. Yhdessä gluonien kanssa ne ovat hadronien komponentteja, joita on useita satoja. Hadronit, kuten ne muodostavat kvarkit, osallistuvat kaikenlaisiin vuorovaikutuksiin.
neljäs luokka- Higgs-hiukkasia, ei kokeellisesti vielä havaittu. Minimikaaviossa yksi Higgsin skalaari riittää. Heidän roolinsa luonnossa nykyään on enimmäkseen "teoreettinen" ja sen tarkoituksena on tehdä sähköheikko vuorovaikutus uudelleen normalisoitavaksi. Erityisesti kaikkien alkuainehiukkasten massat ovat Higgsin kondensaatin "käsityötä". Ehkä Higgsin kenttien käyttöönotto on välttämätöntä kosmologian perusongelmien, kuten maailmankaikkeuden homogeenisuuden ja kausaalisuuden, ratkaisemiseksi.
Seuraavat luennot hadronien kvarkkirakenteen teoriasta on omistettu hadroneille ja kvarkeille. Pääpaino on hiukkasten luokittelussa, symmetrioissa ja säilymislaeissa.
35. Alkuainehiukkasten muunnosten säilymislait. Kvarkkien käsite.
Kvarkki on perusmallissa perushiukkanen, jonka sähkövaraus on monikertainen e/3, eikä sitä havaita vapaassa tilassa. Kvarkit ovat pistehiukkasia, joiden mittakaava on noin 0,5·10 −19 m, mikä on noin 20 tuhatta kertaa pienempi kuin protonin koko. Kvarkit muodostavat hadroneja, erityisesti protonin ja neutronin. Tällä hetkellä tunnetaan 6 erilaista "lajiketta" (useammin sanotaan - "makuja") kvarkeja, joiden ominaisuudet on annettu taulukossa. Lisäksi vahvan vuorovaikutuksen mittauskuvauksessa oletetaan, että kvarkeilla on myös sisäinen lisäominaisuus nimeltä "väri". Jokainen kvarkki vastaa antikvarkkia, jolla on vastakkaiset kvanttiluvut.
Hypoteesin, että hadronit rakennetaan tietyistä alayksiköistä, esitti ensimmäisenä M. Gell-Mann ja hänestä riippumatta J. Zweig vuonna 1964.
Sanan "kvarkki" lainasi Gell-Mann J. Joycen romaanista Finnegans Wake, jossa yhdessä jaksossa lause "Kolme kvarkkia Muster Markille!" (yleensä käännettynä "Kolme kvarkkia Master/Muster Markille!"). Jo sana "kvarkki" tässä lauseessa on oletettavasti merilintujen huudon onomatopoeia.
Radioaktiivinen säteily ja sen tyypit
Ranskalainen fyysikko A. Becquerel vuonna 1896 tutkiessaan uraanisuolojen luminesenssia löysi vahingossa niiden spontaanin tuntemattoman säteilyn, joka vaikutti valokuvalevyyn, ionisoi ilmaa, tunkeutui ohuiden metallilevyjen läpi ja aiheutti luminesenssin. useista aineista. Jatkaessaan tämän ilmiön tutkimusta, Curien puolisot - Marie ja Pierre - havaitsivat, että Becquerel-säteily on ominaista paitsi uraanille, myös monille muille raskaille alkuaineille, kuten toriumille ja aktiniumille. He osoittivat myös, että uraanipikkiseos (malmi, josta metallista uraania uutetaan) lähettää säteilyä, jonka intensiteetti on monta kertaa suurempi kuin uraanin. Siten oli mahdollista eristää kaksi uutta alkuainetta - Becquerel-säteilyn kantajia: polonium ja radium.
Havaittu säteily kutsuttiin radioaktiivista säteilyä , ja itse ilmiö on radioaktiivisen säteilyn emissio - radioaktiivisuus.
Radioaktiivisen säteilyn tyypit:
1) -säteilyä
Sitä taivuttavat sähkö- ja magneettikentät, sillä on korkea ionisointikyky ja alhainen tunkeutumiskyky. Edustaa heliumytimien virtaa; -hiukkasen varaus on yhtä suuri kuin +2e ja massa on sama kuin heliumisotoopin ytimen massa. Hiukkasten poikkeaman mukaan sähkö- ja magneettikentissä määritettiin niiden ominaisvaraus, jonka arvo vahvisti niiden luonteesta annettujen käsitysten oikeellisuuden.
2) -säteilyä
Sähkö- ja magneettikenttien hylkäämä; sen ionisointikyky on paljon pienempi (noin kaksi suuruusluokkaa) ja sen tunkeutumiskyky on paljon suurempi kuin -hiukkasten. Se on nopeiden elektronien virta (tämä seuraa niiden ominaisvarauksen määritelmästä).
3) -säteilyä
Sähkö- ja magneettikentät eivät poikkeuta sitä, sillä on suhteellisen heikko ionisointikyky ja erittäin korkea läpäisykyky, ja se havaitsee diffraktion kulkiessaan kiteiden läpi. Se on lyhytaaltoinen sähkömagneettinen säteily, jolla on erittäin lyhyt aallonpituus m ja sen seurauksena korostuneet korpuskulaariset ominaisuudet, ts. on hiukkasten virta - -kvantit (fotonit).
Radioaktiivisuus- joidenkin atomiytimien kyky spontaanisti (spontaanisti) muuttua toisiksi ytimiksi erilaisten hiukkasten emission avulla:
1) Luonnollinen - havaittu luonnossa olevissa epävakaissa isotoopeissa;
2) Keinotekoinen - havaitaan isotoopeissa, jotka syntetisoidaan ydinreaktioissa laboratoriossa.
Radioaktiivisen hajoamisen laki
radioaktiivinen hajoaminen- ytimien luonnollinen muutos, joka tapahtuu spontaanisti.
Ilmiö on tilastollinen, joten radioaktiivisen hajoamisen lakeista seuraavat johtopäätökset ovat todennäköisyyksiä.
radioaktiivisen hajoamisen vakio- ytimen hajoamisen todennäköisyys aikayksikköä kohti, joka on yhtä suuri kuin 1 sekunnissa hajoavien ytimien osuus.
Radioaktiivisen hajoamisen laki: Radioaktiivisen hajoamisen spontaanisuuden vuoksi voidaan olettaa, että niiden ytimien lukumäärä dN, jotka ovat hajoaneet keskimäärin aikavälillä t - t + dt, on verrannollinen aikaväliin dt ja niiden ytimien lukumäärään N, jotka eivät ole hajonneet aika t:
[ N on hajoamattomien ytimien lukumäärä aikaan t mennessä; - hajoamattomien ytimien alkumäärä hetkellä t = 0; -radioaktiivisen hajoamisen vakio]
Puolikas elämä ()- aikaväli, jonka aikana keskimäärin hajoamattomien ytimien määrä puolittuu.
Radioaktiivisen ytimen keskimääräinen elinikä:
Nukliditoiminta on näytteen ytimillä 1 sekunnissa tapahtuvien hajoamisten lukumäärä:
Aktiivisuusyksikkö on 1 Bq: 1 becquerel on nuklidin aktiivisuus radioaktiivisessa lähteessä, jossa tapahtuu yksi hajoamistapahtuma 1 sekunnissa. 1 Bq = 2,703 curietta.
5. Siirtosäännöt - ja -hajoaa
äitiydin- atomiydin, jossa tapahtuu radioaktiivista hajoamista.
lapsiydin- atomiydin, joka syntyy radioaktiivisesta hajoamisesta.
Offset säännöt– säännöt, joiden avulla voidaan määrittää, mikä ydin syntyy tietyn emoytimen hajoamisen seurauksena. Nämä säännöt ovat seurausta laeista, jotka täyttyvät radioaktiivisen hajoamisen aikana - varauslukujen säilymislaista ja massalukujen säilymislakia.
Varauksen ja massalukujen säilymisen lait
1) Syntyvien ytimien ja hiukkasten varauslukujen summa on yhtä suuri kuin alkuperäisen ytimen varausluku.
2) esiin tulevien ytimien ja hiukkasten massalukujen summa on yhtä suuri kuin alkuytimen massaluku.
Siirtymäsäännöt ovat seurausta varauksen ja massalukujen säilymisen laeista.
alfa hajoaminen kutsutaan atomin ytimen spontaaniksi hajoamiseksi tytärytimeksi ja α-hiukkaseksi (atomin ytimeksi 4 Hän).
Alfahajoaminen tapahtuu yleensä raskaissa ytimissä massanumero
MUTTA≥ 140 (vaikkakin on muutamia poikkeuksia).
α-hajoamisen siirtosääntö: , missä on heliumin ydin (a-hiukkanen),
Esimerkki (alfahajoaminen uraani-238 torium-234:lle):
α-hajoamisen seurauksena atomi siirtyy 2 solulla alkuun jaksolliset taulukot(eli ytimen varaus Z pienenee 2), tytärytimen massaluku pienenee 4:llä.
beetan hajoaminen
Becquerel osoitti, että β-säteet ovat virtaa elektroneja. Beetahajoaminen on ilmentymä heikko vuorovaikutus.
42. Radioaktiivisen hajoamisen laki. Vaimenemisvakio, ytimen keskimääräinen elinikä, puoliintumisaika, aktiivisuus.
radioaktiivinen hajoaminen
N= N 0 e - λt on radioaktiivisen hajoamisen laki, jossa N on hajoamattomien ytimien lukumäärä, N 0 on alkuytimien lukumäärä.
Vaimenemisvakion fysikaalinen merkitys on ytimen hajoamisen todennäköisyys aikayksikköä kohti. Radioaktiivisten ytimien tyypilliset elinajat ovat τ> 10 -14 s. Nukleoniemissiosta johtuvat ytimien elinajat 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. Radioaktiivisen hajoamisen tyypit. Α - hajoaminen, vaimenemiskaavio, vaimenemiskuviot.
radioaktiivinen hajoaminen- epävakaiden atomiytimien muuntumisprosessi muiden alkuaineiden ytimiksi, johon liittyy hiukkasten päästö.
Radioaktiivisen hajoamisen tyypit:
1)α - hajoaminen - liittyy heliumatomien emission.
2)β - hajoaminen - elektronien ja positronien emissio.
3)γ - hajoaminen - fotonien emissio ytimien tilojen välisten siirtymien aikana.
4) Spontaani ydinfissio.
5) Nukleoniradioaktiivisuus.
α - hajoaminen: A 2 X → A-Y Z-2 Y+ 4 2 He. Α-hajoamista havaitaan raskaissa ytimissä. α-hajoamisen spektri on diskreetti. Juoksun pituus α - hiukkaset ilmassa: 3-7 cm; tiheät aineet: 10 -5 m.T 1/2 10 -7 s ÷ 10 10 vuotta.
44. β - hajoaminen. β kaavioita + , β - ja K-capture. β - hajoamismallit.
β-hajoaminen johtuu heikosta vuorovaikutuksesta. Se on heikko suhteessa vahvoihin ytimiin. Kaikki hiukkaset paitsi fotonit osallistuvat heikkoon vuorovaikutukseen. Pointti on uusien hiukkasten rappeutuminen. T 1/2 10 -2 s ÷ 10 20 vuotta. Neutronin vapaa polku on 10 19 km.
β - hajoaminen sisältää 3 hajoamistyyppiä:
1) β - tai elektroninen. Ydin lähettää elektroneja. Yleisesti:
A2X → AZ-1 Y+ 0-1 e+υe.
2)β + tai positroni. Emittoituvat elektronien antihiukkaset – positronit: 1 1 p→ 1 0 n+ 0 1 e+υ e – reaktio protonin muuttumisesta neutroniksi. Reaktio ei häviä itsestään. Yleiskuva reaktiosta: A Z X → A Z -1 Y+ 0 1 e+υ e. Se havaitaan keinotekoisissa radioaktiivisissa ytimissä.
3) Elektroninen sieppaus. Ytimessä tapahtuu muunnos, se vangitsee K-kuoren ja muuttuu neutroniksi: 1 1 p+ 0 -1 e→ 1 0 n+υ e . Yleisnäkymä: A Z X+ 0 1 e→ A Z -1 Y+υ e . Sähköisen sieppauksen seurauksena vain yksi hiukkanen lentää ulos ytimistä. Mukana tyypillinen röntgensäteily.
45. Ydinreaktiot, niiden kuviot. Fissioreaktiot. Synteesireaktiot. Reaktion energian saanto.
ydinreaktio- atomiytimien muutosprosessi, joka tapahtuu, kun ne ovat vuorovaikutuksessa alkuainehiukkasten, gamma-kvanttien ja toistensa kanssa, mikä usein johtaa valtavan energiamäärän vapautumiseen. Ydinreaktioiden aikana seuraavat lait täyttyvät: sähkövarauksen säilyminen ja nukleonien lukumäärä, energian säilyminen ja
liikemäärän säilyttäminen, liikemäärän säilyminen, pariteetin säilyttäminen ja
isotooppinen spin.
fissioreaktio- atomin ytimen jakautuminen useisiin kevyempiin ytimiin. Erot ovat pakotettuja ja spontaaneja.
Synteesireaktio- kevyiden ytimien fuusioreaktio yhdeksi. Tämä reaktio tapahtuu vain korkeissa lämpötiloissa, luokkaa 10 8 K, ja sitä kutsutaan lämpöydinreaktioksi.
Reaktion energian saanto Q on ero kaikkien hiukkasten kokonaislepoenergioiden välillä ennen ja jälkeen ydinreaktion. Jos Q > 0, niin kokonaislepoenergia pienenee ydinreaktion aikana. Tällaisia ydinreaktioita kutsutaan eksoenergeettisiksi. Ne voivat edetä mielivaltaisen pienellä hiukkasten kineettisellä alkuenergialla. Kääntäen Q:lle<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.
Radioaktiivisuusilmiön havaitsi vuonna 1896 A. Becquerel, joka havaitsi uraanisuolojen tuntemattoman säteilyn spontaanin emission. Pian E. Rutherford ja Curiet havaitsivat, 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 - spontaani ydinfissio: fissioituva ydin hajoaa kahdeksi vertailukelpoisen massan fragmentiksi samalla kun neutroneja vapautuu. ja γ - kvantti. Ytimen protoniradioaktiivisuus havaittiin vuonna 1982. Siten on olemassa seuraavat radioaktiivisen hajoamisen tyypit: α-hajoaminen; - hajoaminen; - hajoaminen; e - sieppaus.
Radioaktiivisuus- joidenkin atomiytimien kyky muuttua spontaanisti (spontaanisti) toisiksi ytimiksi hiukkasten emission avulla.
Atomiytimet koostuvat protoneja ja neutroneja, joilla on yleinen nimi - nukleonit. Protonien lukumäärä ytimessä määrittää atomin kemialliset ominaisuudet ja on merkitty Z(elementin sarjanumero). Nukleonien lukumäärä ytimessä kutsutaan massanumero ja merkitsee MUTTA. Ytimet, joilla on sama sarjanumero ja kutsutaan erilaisia massalukuja isotoopit. Kaikilla saman alkuaineen isotoopeilla on samat kemialliset ominaisuudet, ja fysikaaliset ominaisuudet voivat vaihdella suuresti. Isotooppien osoittamiseen käytetään kemiallisen alkuaineen symbolia kahdella indeksillä: A Z X. Alempi indeksi on sarjanumero, ylempi on massanumero. Usein alaindeksi jätetään pois, koska elementin symboli itse osoittaa siihen.
Esimerkiksi he kirjoittavat 14 C 14 6 C sijasta.
Ytimen hajoamiskyky riippuu sen koostumuksesta. Samalla alkuaineella voi olla sekä stabiileja että radioaktiivisia isotooppeja.
Esimerkiksi 12C-hiili-isotooppi on stabiili, kun taas 14C-isotooppi on radioaktiivinen.
Radioaktiivinen hajoaminen on tilastollinen ilmiö. Isotoopin hajoamiskyvylle on tunnusomaista vaimenemisvakio λ.
Vaimenemisvakio λ on todennäköisyys, että tietyn isotoopin ydin hajoaa aikayksikköä kohti.
Merkitään radioaktiivisen hajoamisen ytimien lukumäärä N hetkellä t, dN 1 - aikana dt hajoaneiden ytimien lukumäärä. Koska ytimien lukumäärä aineessa on valtava, suurten lukujen laki täyttyy. Ytimen hajoamisen todennäköisyys lyhyessä ajassa dt saadaan kaavasta dP = λdt. Taajuus on yhtä suuri kuin todennäköisyys: d N 1 / N = dP = λdt. dN1/N = λdt- kaava, joka määrittää hajonneiden ytimien lukumäärän.
Yhtälön ratkaisu on: , - kaavaa kutsutaan radioaktiivisen hajoamisen laiksi: Radioaktiivisten ytimien määrä vähenee ajan myötä eksponentiaalisen lain mukaan.
Tässä N on hajoamattomien ytimien lukumäärä aikaan t mennessä; N noin - hajoamattomien ytimien alkuperäinen lukumäärä; λ on radioaktiivisen hajoamisvakio.
Käytännössä vaimennusvakiota ei käytetä λ , ja määrä nimeltä puoliintumisaika T.
Puoliintumisaika (T) - aika, jonka aikana puolet radioaktiivisista ytimistä hajoaa.
Radioaktiivisen hajoamisen laki tietyn ajanjakson aikana puoliintumisajalla (T) on muoto:
Puoliintumisajan ja vaimenemisvakion välinen suhde saadaan kaavalla: T = ln(2/λ) = 0,69/λ
Puoliintumisaika voi olla joko hyvin pitkä tai hyvin lyhyt.
Radioaktiivisen isotoopin aktiivisuusasteen arvioimiseksi käytetään suuruutta, jota kutsutaan aktiivisuudeksi.
Aikayksikköä kohti hajoavan radioaktiivisen valmisteen ytimien aktiivisuusluku: A = dN dis /dt
Aktiivisuusyksikölle SI:ssä otetaan 1 becquerel (Bq) = 1 hajoaminen / s - lääkkeen aktiivisuus, jossa 1 hajoaminen tapahtuu 1 sekunnissa. Suurin aktiivisuusyksikkö on 1 rutherford (Rd) = Bq. Usein käytetään järjestelmän ulkopuolista aktiivisuusyksikköä - curie (Ci), joka vastaa 1 g radiumia: 1 Ci = 3,7 Bq.
Ajan myötä aktiivisuus laskee saman eksponentiaalisen lain mukaan, jonka mukaan itse radionuklidi hajoaa:
=
.
Käytännössä aktiivisuuden laskemiseen käytetään seuraavaa kaavaa:
A = = λN = 0,693 N/T.
Jos ilmaisemme atomien lukumäärän massana ja maalimassana, niin aktiivisuuden laskentakaava on muotoa: A \u003d \u003d 0,693 (μT)
missä on Avogadron numero; μ on moolimassa.
1. Radioaktiivisuus. Radioaktiivisen hajoamisen peruslaki. Toiminta.
2. Radioaktiivisen hajoamisen päätyypit.
3. Ionisoivan säteilyn ja aineen vuorovaikutuksen kvantitatiiviset ominaisuudet.
4. Luonnollinen ja keinotekoinen radioaktiivisuus. radioaktiiviset rivit.
5. Radionuklidien käyttö lääketieteessä.
6. Varatut hiukkaskiihdyttimet ja niiden käyttö lääketieteessä.
7. Ionisoivan säteilyn toiminnan biofysikaaliset perusteet.
8. Peruskäsitteet ja kaavat.
9. Tehtävät.
Lääkäreiden kiinnostus luonnolliseen ja keinotekoiseen radioaktiivisuuteen johtuu seuraavista syistä.
Ensinnäkin kaikki elävät olennot altistuvat jatkuvasti luonnolliselle säteilytaustalle, joka on kosminen säteily, maankuoren pintakerroksissa esiintyvien radioaktiivisten alkuaineiden säteily sekä ilman mukana eläinten kehoon tulevien elementtien säteilylle ja ruokaa.
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 havaitsivat, 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 - spontaani ydinfissio: fissioituva ydin hajoaa kahdeksi vertailukelpoisen massan fragmentiksi samalla kun neutroneja vapautuu. 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 määrittää atomin kemialliset ominaisuudet ja sitä merkitään Z:lla (tämä sarjanumero kemiallinen alkuaine). Nukleonien lukumäärää ytimessä kutsutaan massanumero ja merkitsevät A. Kutsutaan ytimiä, joilla on sama sarjanumero ja eri massaluvut isotoopit. Kaikilla yhden alkuaineen isotoopeilla on sama Kemialliset ominaisuudet. Isotooppien fysikaaliset ominaisuudet voivat vaihdella suuresti. Isotooppien osoittamiseen käytetään alkuaineen symbolia kahdella indeksillä: A Z X. Alempi indeksi on sarjanumero, ylempi on massaluku. Usein alaindeksi jätetään pois, koska elementin symboli itse osoittaa siihen. Esimerkiksi he kirjoittavat 14 C 14 6 C sijasta.
Ytimen hajoamiskyky riippuu sen koostumuksesta. Samalla alkuaineella voi olla sekä stabiileja että radioaktiivisia isotooppeja. Esimerkiksi 12C-hiili-isotooppi on stabiili, kun taas 14C-isotooppi on radioaktiivinen.
Radioaktiivinen hajoaminen on tilastollinen ilmiö. Isotoopin kyky hajota on ominaista hajoamisvakioλ.
hajoamisvakio on todennäköisyys, että tietyn isotoopin ydin hajoaa aikayksikössä.
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 käyttävät usein toista arvoa nimeltä puolikas elämä.
Puolikas elämä(T) - aika, jonka aikana se vaimenee puoli radioaktiiviset ytimet.
Radioaktiivisen hajoamisen laki puoliintumisajalla on kirjoitettu seuraavasti:
Riippuvuuskäyrä (33.4) on esitetty kuvassa. 33.1.
Puoliintumisaika voi olla joko hyvin pitkä tai hyvin lyhyt (sekunnin murto-osista useisiin miljardeihin vuosiin). Taulukossa. 33.1 näyttää joidenkin elementtien puoliintumisajat.
Riisi. 33.1. Alkuperäisen aineen ytimien lukumäärän väheneminen radioaktiivisen hajoamisen aikana
Taulukko 33.1. Joidenkin elementtien puoliintumisajat
Hintaa varten radioaktiivisuusaste isotoopit käyttävät erityistä määrää nimeltä toiminta.
Toiminta - radioaktiivisen valmisteen hajoavien ytimien lukumäärä aikayksikköä kohti:
Aktiivisuuden mittayksikkö SI - becquerel(Bq), 1 Bq vastaa yhtä vaimenemistapahtumaa sekunnissa. Käytännössä enemmän
kekseliäs järjestelmän ulkopuolinen toimintayksikkö - curie(Ci) yhtä suuri kuin 1 g:n 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
Radioaktiivisuuden ilmiötä tutkittaessa löydettiin 3 tyyppistä radioaktiivisten ytimien lähettämiä säteitä, joita kutsuttiin α-, β- ja γ-säteiksi. Myöhemmin havaittiin, että α- ja β-hiukkaset ovat kahden erityyppisen radioaktiivisen hajoamisen tuotteita, ja y-säteet ovat näiden prosessien sivutuote. Lisäksi y-säteet liittyvät myös monimutkaisempiin ydinmuunnoksiin, joita ei käsitellä tässä.
Alfa hajoaminen koostuu ytimien spontaanista muutoksesta emission kanssaα -hiukkaset (heliumytimet).
α-hajoamiskaavio kirjoitetaan seuraavasti
jossa X, Y ovat vastaavasti emo- ja lapsiytimien symbolit. Kun kirjoitat α-hajoamista, voit kirjoittaa "α":n sijaan "Ei".
Tässä hajoamisessa 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 yhteinen ominaisuus on, että niillä on diskreetti joukko energiatiloja. Tämä koskee myös ytimiä. Siksi virittyneiden ytimien y-säteilyllä on diskreetti spektri. Näin ollen myös α-hiukkasten energiaspektri on diskreetti.
Lähes kaikkien α-aktiivisten isotooppien emittoimien α-hiukkasten energia on 4-9 MeV.
beetan hajoaminen koostuu ytimien spontaanista muutoksesta elektronien (tai positronien) emission avulla.
On todettu, että β-hajoamiseen liittyy aina neutraalin hiukkasen - neutrinon (tai antineutrinon) - emissio. Tämä hiukkanen ei käytännössä ole vuorovaikutuksessa aineen kanssa, eikä sitä käsitellä enempää. β-hajoamisen aikana vapautuva energia jakautuu β-hiukkasen ja neutriinon välillä satunnaisesti. 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. Elektronisen β-hajoamisen kaavio kirjoitetaan seuraavasti
Elektronisen β-hajoamisen aikana Z-elementin sarjanumero kasvaa yhdellä, massaluku A ei muutu.
β-hiukkasten energia on välillä 0,002-2,3 MeV.
2. Positroniβ + -hajoaminen koostuu yhden ydinprotonin muuttumisesta neutroniksi ja positroniksi. Tässä tapauksessa ilmestyy toinen hiukkanen ν - neutrino:
Elektronien sieppaus itsessään ei synnytä ionisoivia hiukkasia, mutta kyllä mukana röntgenkuvat. Tämä säteily tapahtuu, kun sisäisen elektronin absorptiosta vapautunut tila täyttyy ulkoradalta tulevalla elektronilla.
Gammasäteily sillä on sähkömagneettinen luonne ja se on fotoni, jolla 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 ionisoiva ja erittäin korkea läpäisykyky.
33.3. Ionisoivan säteilyn ja aineen vuorovaikutuksen kvantitatiiviset ominaisuudet
Radioaktiivisen säteilyn vaikutus eläviin organismeihin liittyy ionisaatio, joita se indusoi kudoksissa. Hiukkasen ionisoitumiskyky riippuu sekä sen tyypistä että sen energiasta. Kun hiukkanen siirtyy syvemmälle aineeseen, se menettää energiansa. Tätä prosessia kutsutaan ionisaatiojarrutus.
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.
Tarkastellaanpa joitain tunnusomaisia piirteitä erilaisten säteilytyyppien vuorovaikutuksesta aineen kanssa.
alfa-säteilyä
Alfahiukkanen ei käytännössä poikkea liikkeensä alkuperäisestä suunnasta, koska sen massa on monta kertaa suurempi
Riisi. 33.3. Lineaarisen ionisaatiotiheyden riippuvuus α-hiukkasen kulkemasta reitistä väliaineessa
sen elektronin massa, jonka kanssa se on vuorovaikutuksessa. Kun se tunkeutuu syvälle aineeseen, ionisaatiotiheys ensin kasvaa ja milloin ajon loppu (x = R) putoaa jyrkästi nollaan (kuva 33.3). Tämä selittyy sillä, että liikkeen nopeuden pienentyessä aika, jonka se viettää lähellä väliaineen molekyyliä (atomia), kasvaa. Tässä tapauksessa ionisaation todennäköisyys kasvaa. Kun α-hiukkasen energiasta tulee verrattavissa molekyylin lämpöliikkeen energiaan, se vangitsee kaksi elektronia aineesta ja muuttuu heliumatomiksi.
Ionisaatioprosessin aikana syntyvät elektronit pääsääntöisesti siirtyvät pois α-hiukkasen radalta ja aiheuttavat sekundaariionisaatiota.
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
beetasäteilyä
Liikkeelle β -aineen hiukkasille on ominaista kaareva, arvaamaton liikerata. Tämä johtuu vuorovaikutuksessa olevien hiukkasten massojen yhtäläisyydestä.
Vuorovaikutuksen ominaisuudet β -hiukkaset, joissa on vettä ja pehmytkudoksia, on esitetty taulukossa. 33.3.
Taulukko 33.3. Aineen kanssa tapahtuvan vuorovaikutuksen ominaisuuksien riippuvuus β-hiukkasten energiasta
Kuten α-hiukkasten kohdalla, β-hiukkasten ionisaatioteho kasvaa energian pienentyessä.
Gammasäteily
Imeytyminen γ -aineen aiheuttama säteily noudattaa eksponentiaalista lakia, joka on samanlainen kuin röntgensäteiden absorptiolaki:
Pääasialliset prosessit, jotka vastaavat imeytymisestä γ -säteily ovat valosähköinen vaikutus ja Compton-sironta. Tämä tuottaa suhteellisen pienen määrän vapaita elektroneja (primääriionisaatio), joilla on erittäin korkea energia. Juuri he aiheuttavat sekundaarisen ionisaatioprosessin, joka on verrattomasti korkeampi kuin ensisijainen.
33.4. luonnollinen ja keinotekoinen
radioaktiivisuus. radioaktiivisia rivejä
Ehdot luonnollinen ja keinotekoinen radioaktiivisuus ovat ehdollisia.
luonnollinen 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 jota kutsutaan ihmisen toiminnan seurauksena syntyvien isotooppien radioaktiivisuudeksi.
Tämä on kaikkien hiukkaskiihdyttimissä tuotettujen isotooppien radioaktiivisuus. Tämä sisältää myös maaperän, veden ja ilman radioaktiivisuuden, joka tapahtuu atomiräjähdyksen aikana.
luonnollinen radioaktiivisuus
Radioaktiivisuuden tutkimisen alkuvaiheessa tutkijat pystyivät käyttämään vain varsin suuria määriä maanpäällisten kivien sisältämiä luonnollisia radionuklideja (radioaktiivisia isotooppeja): 232 Th, 235 U, 238 U. Näistä radionuklideista alkaa kolme radioaktiivista sarjaa, jotka päättyvät stabiileihin Pb-isotoopeihin . Myöhemmin löydettiin sarja, joka alkoi 237 Np:stä ja jonka lopullinen vakaa ydin oli 209 Bi. Kuvassa 33.4 näyttää rivin, joka alkaa 238 U:lla.
Riisi. 33.4. Uraani-radium-sarja
Tämän sarjan osat ovat ihmisen sisäisen altistumisen 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 poronlihassa. Kaikista luonnollisista säteilylähteistä merkittävin on 222 Rn - raskas inertti kaasu, joka syntyy 226 Ra:n hajoamisesta. Se on noin puolet ihmisen saamasta luonnonsäteilyannoksesta. 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 %). Maaperästä tämä elementti tulee kehoon kasvien juurijärjestelmän kautta ja kasviruokien (vilja, tuoreet vihannekset ja hedelmät, sienet) kanssa - 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 osa
33.5. Radionuklidien käyttö lääketieteessä
radionuklideja kutsutaan kemiallisten alkuaineiden radioaktiivisiksi isotoopeiksi, joilla on lyhyt puoliintumisaika. Tällaisia isotooppeja ei ole luonnossa, joten ne saadaan keinotekoisesti. Nykyaikaisessa lääketieteessä radionuklideja käytetään laajalti diagnostisiin ja terapeuttisiin tarkoituksiin.
Diagnostinen sovellus perustuu tiettyjen kemiallisten alkuaineiden selektiiviseen kertymiseen yksittäisissä elimissä. Esimerkiksi jodi on keskittynyt kilpirauhaseen, kun taas kalsium on keskittynyt 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 (lähde 60 Co) käyttö syvällä sijaitsevien kasvainten tuhoamiseen. Jotta pinnallisesti sijaitsevat kudokset ja elimet eivät joutuisi tuhoisaan vaikutukseen, ionisoivan säteilyn vaikutus suoritetaan 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 sisään viemisellä (neulalla). Pinnalliseen altistumiseen käytetään radonhoitoa (222 Rn): altistuminen iholle (kylvyt), ruoansulatuselimille (juominen), hengityselimille (hengitys).
Joissakin tapauksissa lääkekäyttöön α -hiukkaset liittyvät neutronivuon käyttöön. Tällä menetelmällä elementit viedään ensin kudokseen (kasvaimeen), jonka ytimet emittoivat neutronien vaikutuksesta. α - hiukkasia. Sen jälkeen sairas elin säteilytetään neutronivirralla. Tällä tavalla α -hiukkaset muodostuvat suoraan elimen sisälle, joihin niillä pitäisi olla tuhoisa vaikutus.
Taulukossa 33.5 on lueteltu joidenkin lääketieteessä käytettyjen radionuklidien ominaisuudet.
Taulukko 33.5. Isotooppien karakterisointi
33.6. Hiukkaskiihdyttimet ja niiden käyttö lääketieteessä
Kiihdytin- asennus, jossa sähkö- ja magneettikenttien vaikutuksesta saadaan suunnattuja korkean energian (sadasta keV:stä satoihin GeV) varautuneiden hiukkasten säteitä.
Kiihdytin luo 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 röntgen saatu ohjaamalla hiukkassäde erityiseen kohteeseen, joka on röntgensäteiden lähde. Tämä säteily eroaa röntgenputkesta paljon korkeammalla fotonienergialla.
Synkrotroni röntgensäteet tapahtuu elektronien kiihdytysprosessissa rengaskiihdyttimissä - synkrotroneissa. Tällaisella säteilyllä on korkea suuntaavuus.
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 saavuttaa kasvainten tuhoutuminen tietyssä syvyydessä.
Kiihdyttimien käyttöalueet lääketieteessä on esitetty taulukossa. 33.6.
Taulukko 33.6. Kiihdyttimien käyttö terapiassa ja diagnostiikassa
33.7. Ionisoivan säteilyn toiminnan biofysikaaliset perusteet
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, joilla on laaja valikoima kemiallisia ominaisuuksia.
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 biologisten ominaisuuksien muutokseen: kalvojen rakenne ja toiminta 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 apoptoosimekanismien vaikutuksesta tai nekroosin seurauksena. Biologisessa vaiheessa saadut vauriot voivat olla periytyviä.
Biologisen vaiheen kesto on muutamasta minuutista kymmeniin vuosiin.
Huomioimme biologisen vaiheen yleiset mallit:
Suuret rikkomukset alhaisella absorboituneella energialla (henkilölle tappava säteilyannos aiheuttaa kehon kuumenemisen vain 0,001 ° C);
Seuraaviin sukupolviin kohdistuva vaikutus solun perinnöllisen laitteen kautta;
Piilevä, piilevä ajanjakso on ominaista;
Solun eri osilla on erilainen herkkyys säteilylle;
Ensinnäkin se vaikuttaa jakautuviin soluihin, mikä on erityisen vaarallista lapsen keholle;
Tuhoisa vaikutus aikuisen organismin kudoksiin, joissa on jakautuminen;
Säteilyn samankaltaisuus muuttuu varhaisen ikääntymisen patologian kanssa.
33.8. Peruskäsitteet ja kaavat
Taulukon jatko
33.9. Tehtävät
1. Mikä on lääkkeen aktiivisuus, jos tämän aineen 10 000 ydintä hajoaa 10 minuutissa?
4.
Muinaisten puunäytteiden ikä voidaan suunnilleen määrittää niissä olevan 14 6 C isotoopin ominaismassaaktiivisuudella. Kuinka monta vuotta sitten kaadettiin puu, josta tehtiin esine, 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 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. Joillakin ihmisillä, jotka olivat Tšernobylin katastrofin alueella, jodi-131:n aktiivisuus saavutti 800 nCi. Kuinka monen päivän kuluttua aktiivisuus laski normaaliksi? Jodi-131:n puoliintumisaika on 8 päivää.
11.
Seuraavaa menetelmää käytetään eläimen veren tilavuuden määrittämiseen. Eläimestä otetaan pieni määrä verta, erytrosyytit erotetaan plasmasta ja asetetaan liuokseen, jossa on radioaktiivista fosforia, jonka punasolut imeytyvät. Leimatut erytrosyytit viedään takaisin eläimen verenkiertojärjestelmään, ja jonkin ajan kuluttua määritetään verinäytteen aktiivisuus.
ΔV = 1 ml tätä liuosta injektoitiin jonkun eläimen vereen. Tämän tilavuuden alkuperäinen aktiivisuus oli A 0 = 7000 Bq. Eläimen suonesta vuorokauden kuluttua otetun 1 ml:n verta aktiivisuus oli 38 pulssia minuutissa. Määritä eläimen veren tilavuus, jos radioaktiivisen fosforin puoliintumisaika on T = 14,3 päivää.
