N=N 0 e - t adalah hukum peluruhan radioaktif, di mana N adalah jumlah inti yang tidak membusuk, N 0 adalah jumlah inti awal.
Arti fisik dari konstanta peluruhan adalah probabilitas peluruhan nuklir per satuan waktu. Masa hidup karakteristik untuk inti radioaktif adalah > 10 -14 s. Masa hidup inti karena emisi nukleon 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.
Jenis peluruhan radioaktif - peluruhan, skema peluruhan, pola peluruhan.
Peluruhan radioaktif adalah proses transformasi inti atom yang tidak stabil menjadi inti unsur lain, yang disertai dengan emisi partikel.
Jenis peluruhan radioaktif:
1)α - peluruhan - disertai dengan emisi atom helium.
2)β - peluruhan - emisi elektron dan positron.
3)γ - peluruhan - emisi foton selama transisi antar keadaan inti.
4) Fisi nuklir spontan.
5) Radioaktivitas nukleon.
- peluruhan: A 2 X→ A-Y Z-2 Y+ 4 2 He. -peluruhan diamati pada inti berat. Spektrum - peluruhan bersifat diskrit. Panjang lari - partikel di udara: 3-7cm; untuk zat padat: 10 -5 m T 1/2 10 -7 s 10 10 tahun.
- pembusukan. Skema + , - dan K-capture. Keteraturan - peluruhan.
- pembusukan disebabkan oleh interaksi yang lemah. Ini lemah dalam kaitannya dengan inti kuat. Semua partikel kecuali foton berpartisipasi dalam interaksi lemah. Intinya adalah degenerasi partikel baru. T 1/2 10 -2 s 10 20 tahun. Lintasan bebas neutron adalah 10 19 km.
- peluruhan mencakup 3 jenis peluruhan:
1) - atau elektronik. Nukleus memancarkan elektron. Secara umum:
A 2 X→ A Z -1 Y+ 0 -1 e+υ e .
2)β + atau positron. Antipartikel elektron dipancarkan – positron: 1 1 p→ 1 0 n+ 0 1 e+υ e – reaksi transformasi proton menjadi neutron. Reaksi tidak hilang dengan sendirinya. Pandangan umum reaksi: A Z X→ A Z -1 Y+ 0 1 e+υ e . Diamati dalam inti radioaktif buatan.
3) Penangkapan elektronik. Terjadi transformasi inti, menangkap kulit K dan berubah menjadi neutron: 1 1 p+ 0 -1 e→ 1 0 n+υ e . Tampilan umum: A Z X+ 0 1 e→ A Z -1 Y+υ e . Sebagai hasil dari penangkapan listrik, hanya satu partikel terbang keluar dari inti. Disertai dengan radiasi sinar-x karakteristik.
Aktivitas TETAPI nuklida(nama umum untuk inti atom yang berbeda dalam jumlah proton Z dan neutron N) dalam sumber radioaktif adalah jumlah peluruhan yang terjadi dengan inti sampel dalam 1 s:
satuan SI kegiatan - becquerel(Bq): 1 Bq adalah aktivitas nuklida, di mana satu aksi peluruhan terjadi dalam 1 detik. Sampai sekarang, dalam fisika nuklir, unit aktivitas nuklida di luar sistem dalam sumber radioaktif juga digunakan - penasaran(Ci): 1 Ci = 3,710 10 Bq.
Peluruhan radioaktif terjadi menurut apa yang disebut aturan perpindahan, memungkinkan untuk menetapkan nukleus mana yang muncul sebagai akibat peluruhan nukleus induk tertentu. Aturan Offset:
di mana X adalah inti induk, Y adalah lambang inti anak, Dia adalah inti helium ( -partikel), e- penunjukan simbolis elektron (muatannya -1, dan nomor massanya nol). Aturan perpindahan tidak lain adalah konsekuensi dari dua hukum yang dipenuhi selama peluruhan radioaktif - kekekalan muatan listrik dan kekekalan nomor massa: jumlah muatan (nomor massa) dari inti dan partikel yang muncul sama dengan muatan (nomor massa) dari nukleus aslinya.
28. Keteraturan utama peluruhan-a. efek terowongan. Sifat radiasi-a.
-pembusukan disebut peluruhan spontan inti atom menjadi inti anak dan partikel (inti atom 4 He).
Peluruhan , sebagai suatu peraturan, terjadi pada inti berat dengan nomor massa TETAPI 140 (walaupun ada beberapa pengecualian). Di dalam inti berat, karena sifat kejenuhan gaya nuklir, partikel yang terpisah terbentuk, terdiri dari dua proton dan dua neutron. Partikel yang dihasilkan dikenai aksi gaya tolak Coulomb yang lebih besar dari proton nukleus daripada proton individu. Pada saat yang sama, partikel mengalami gaya tarik inti yang lebih kecil ke nukleon-nukleon inti daripada nukleon-nukleon lainnya. Partikel alfa yang dihasilkan pada batas nukleus dipantulkan ke dalam dari penghalang potensial, tetapi dengan beberapa kemungkinan ia dapat mengatasinya (lihat efek terowongan) dan terbang keluar. Saat energi partikel alfa menurun, permeabilitas penghalang potensial menurun secara eksponensial, sehingga masa pakai inti dengan energi peluruhan alfa yang tersedia lebih rendah, jika hal lain dianggap sama, lebih lama.
Aturan pergeseran Soddy untuk peluruhan :
Akibat peluruhan , unsur tersebut bergeser 2 sel ke awal tabel periodik, nomor massa inti anak berkurang 4.
efek terowongan- mengatasi penghalang potensial oleh partikel mikro dalam kasus ketika energi totalnya (tetap tidak berubah selama tunneling) kurang dari tinggi penghalang. Efek terowongan adalah fenomena alam kuantum eksklusif, tidak mungkin dan bahkan sepenuhnya bertentangan dengan mekanika klasik. Analog dari efek terowongan dalam optik gelombang dapat berupa penetrasi gelombang cahaya ke dalam media pemantulan (melewati jarak urutan panjang gelombang cahaya) dalam kondisi ketika, dari sudut pandang optik geometris, refleksi internal total terjadi. . Fenomena tunneling mendasari banyak proses penting dalam fisika atom dan molekul, dalam fisika inti atom, keadaan padat, dll.
Efek terowongan dapat dijelaskan dengan hubungan ketidakpastian. Ditulis sebagai:
itu menunjukkan bahwa ketika sebuah partikel kuantum dibatasi sepanjang koordinat, yaitu, ketika kepastiannya meningkat sepanjang x, momentumnya p menjadi kurang pasti. Secara acak, ketidakpastian momentum dapat menambah energi pada partikel untuk mengatasi penghalang. Jadi, dengan kemungkinan tertentu, partikel kuantum dapat menembus penghalang, sementara energi rata-rata partikel tetap tidak berubah.
Radiasi alfa memiliki daya tembus paling rendah (untuk menyerap partikel alfa cukup dengan selembar kertas tebal) pada jaringan manusia hingga kedalaman kurang dari satu milimeter.
29. Keteraturan dasar peluruhan b dan sifat-sifatnya. Neutrino. Penangkapan elektronik. (lihat 27)
Becquerel membuktikan bahwa sinar- adalah aliran elektron. -decay adalah manifestasi dari interaksi yang lemah.
-pembusukan(lebih tepatnya, beta-minus-decay, -decay) adalah peluruhan radioaktif, disertai dengan emisi elektron dan antineutrino dari nukleus.
peluruhan adalah proses intranukleon. Itu terjadi sebagai akibat dari transformasi salah satu d-quark di salah satu neutron inti di kamu-kuark; dalam hal ini, neutron diubah menjadi proton dengan emisi elektron dan antineutrino:
Aturan shift Soddy untuk -peluruhan:
Setelah -peluruhan, unsur digeser 1 sel ke ujung tabel periodik (muatan inti bertambah satu), sedangkan nomor massa inti tidak berubah.
Ada juga jenis peluruhan beta lainnya. Dalam peluruhan positron (peluruhan beta plus), inti memancarkan positron dan neutrino. Dalam hal ini, muatan inti berkurang satu (inti digeser satu sel ke awal tabel periodik). Peluruhan positron selalu disertai dengan proses yang bersaing - penangkapan elektron (ketika nukleus menangkap elektron dari kulit atom dan memancarkan neutrino, sementara muatan nukleus juga berkurang satu). Namun, kebalikannya tidak benar: banyak nuklida, yang peluruhan positronnya dilarang, mengalami penangkapan elektron. Jenis peluruhan radioaktif yang paling langka yang diketahui adalah peluruhan beta ganda, yang hingga saat ini telah terdeteksi hanya untuk sepuluh nuklida, dengan waktu paruh melebihi 10 19 tahun. Semua jenis peluruhan beta menghemat nomor massa inti.
neutrino- partikel fundamental netral dengan putaran setengah bilangan bulat, hanya berpartisipasi dalam interaksi lemah dan gravitasi, dan termasuk dalam kelas lepton.
Pegangan elektronik, e capture - salah satu jenis peluruhan beta inti atom. Dalam penangkapan elektron, salah satu proton dalam nukleus menangkap elektron yang mengorbit dan berubah menjadi neutron, memancarkan elektron neutrino. Muatan inti kemudian berkurang satu. Nomor massa inti, seperti pada semua jenis peluruhan beta lainnya, tidak berubah. Proses ini merupakan karakteristik inti yang kaya proton. Jika perbedaan energi antara atom induk dan atom anak (energi peluruhan beta yang tersedia) melebihi 1,022 MeV (dua kali massa elektron), penangkapan elektron selalu bersaing dengan peluruhan beta jenis lain, peluruhan positron. Misalnya, rubidium-83 diubah menjadi kripton-83 hanya melalui penangkapan elektron (energi yang tersedia sekitar 0,9 MeV), sedangkan natrium-22 meluruh menjadi neon-22 melalui penangkapan elektron dan peluruhan positron (energi yang tersedia sekitar 2,8 MeV).
Karena jumlah proton dalam nukleus (yaitu, muatan inti) berkurang selama penangkapan elektron, proses ini mengubah nukleus satu unsur kimia menjadi inti unsur lain yang terletak lebih dekat ke awal tabel periodik.
Rumus umum untuk penangkapan elektron
30. -radiasi inti dan sifat-sifatnya. Interaksi radiasi dengan materi. Muncul dan hancurnya pasangan elektron-positron.
Secara eksperimental telah ditetapkan bahwa -radiasi bukanlah jenis radioaktivitas yang independen, tetapi hanya menyertai - dan -meluruh dan juga terjadi selama reaksi nuklir, selama perlambatan partikel bermuatan, peluruhannya, dll. - Spektrum adalah garis. -Spektrum adalah distribusi angka -kuanta dalam energi. kebijaksanaan -spektrum sangat penting, karena merupakan bukti diskrititas keadaan energi inti atom.
Sekarang dengan tegas ditetapkan bahwa -radiasi dipancarkan oleh nukleus anak (dan bukan orang tua). Inti anak pada saat pembentukannya, sedang bersemangat, masuk ke keadaan dasar dengan emisi -radiasi. Kembali ke keadaan dasar, inti tereksitasi dapat melalui serangkaian keadaan peralihan, jadi -radiasi isotop radioaktif yang sama dapat mengandung beberapa kelompok -quanta berbeda satu sama lain dalam energi mereka.
Pada - radiasi TETAPI dan Z kernel tidak berubah, sehingga tidak dijelaskan oleh aturan perpindahan apa pun. - Radiasi sebagian besar inti memiliki panjang gelombang yang sangat pendek sehingga sifat gelombangnya sangat lemah. Di sini, sifat sel darah muncul ke depan, oleh karena itu -radiasi dianggap sebagai aliran partikel - -kuanta. Selama peluruhan radioaktif dari berbagai inti -quanta memiliki energi dari 10 keV sampai 5 MeV.
Sebuah inti dalam keadaan tereksitasi dapat pergi ke keadaan dasar tidak hanya dengan memancarkan -kuantum, tetapi juga dengan transfer langsung energi eksitasi (tanpa emisi sebelumnya -kuantum) ke salah satu elektron dari atom yang sama. Ini menghasilkan apa yang disebut elektron konversi. Fenomena itu sendiri disebut konversi internal. Konversi internal adalah proses yang bersaing dengan -radiasi.
Elektron konversi sesuai dengan nilai energi diskrit, yang bergantung pada fungsi kerja elektron dari kulit tempat elektron lepas, dan pada energi E, diberikan oleh inti selama transisi dari keadaan tereksitasi ke keadaan dasar. Jika semua energi E menonjol dalam bentuk -kuantum, maka frekuensi radiasi ditentukan dari relasi yang diketahui E = h. Jika elektron konversi internal dipancarkan, maka energinya sama dengan E-A K , E-A L , .... di mana A K , A L , ... - fungsi kerja elektron KE- dan L-kulit. Sifat monoenergetik dari elektron konversi memungkinkan untuk membedakannya dari -elektron, yang spektrumnya kontinu. Kekosongan pada kulit bagian dalam atom yang timbul sebagai akibat dari emisi elektron akan diisi dengan elektron dari kulit di atasnya. Oleh karena itu, konversi internal selalu disertai dengan emisi sinar-X karakteristik.
-Kuantum, yang memiliki massa diam nol, tidak dapat melambat dalam medium, oleh karena itu, ketika melewati - radiasi melalui zat, mereka diserap atau dihamburkan olehnya. -Kuanta tidak membawa muatan listrik dan karenanya tidak mengalami pengaruh gaya Coulomb. Saat melewati balok -kuanta melalui materi, energinya tidak berubah, tetapi sebagai akibat tumbukan, intensitasnya melemah, yang perubahannya dijelaskan oleh hukum eksponensial Saya=Saya 0e- x (Saya 0 dan Saya- intensitas -radiasi di pintu masuk dan keluar lapisan bahan penyerap dengan ketebalan x, - koefisien penyerapan). Sebagai radiasi adalah radiasi yang paling menembus, maka untuk banyak zat - nilai yang sangat kecil; tergantung pada sifat materi dan energi -kuanta.
-Kuanta, melewati materi, dapat berinteraksi baik dengan kulit elektron atom materi, dan dengan inti mereka. Dalam elektrodinamika kuantum, terbukti bahwa proses utama yang menyertai lintasan -radiasi melalui materi adalah efek fotolistrik, efek Compton (hamburan Compton) dan pembentukan pasangan elektron-positron.
efek fotolistrik, atau penyerapan fotolistrik - radiasi, adalah proses dimana atom menyerap -kuantum dan memancarkan elektron. Karena elektron dikeluarkan dari salah satu kulit bagian dalam atom, ruang kosong diisi dengan elektron dari kulit di atasnya, dan efek fotolistrik disertai dengan karakteristik radiasi sinar-X. Efek fotolistrik adalah mekanisme penyerapan utama di wilayah energi rendah -kuanta ( E 100 keV). Efek fotolistrik hanya dapat terjadi pada elektron terikat, karena elektron bebas tidak dapat menyerap -kuantum, sedangkan hukum kekekalan energi dan momentum tidak terpenuhi secara bersamaan.
Saat energi meningkat -kuanta ( E 0,5 MeV) kemungkinan efek fotolistrik sangat kecil dan mekanisme utama interaksi -kuanta dengan materi adalah Hamburan Compton.
Pada E>l,02 MeV=2 saya 2 (t e - massa diam elektron) proses pembentukan pasangan elektron-positron dalam medan listrik inti menjadi mungkin. Probabilitas proses ini sebanding dengan Z 2 dan meningkat seiring pertumbuhan E. Oleh karena itu, ketika E Proses interaksi utama 10 MeV -radiasi dalam zat apa pun adalah pasangan elektron-positron yang terbentuk.
Jika energi -kuantum melebihi energi ikat nukleon dalam inti (7-8 MeV), maka sebagai akibat dari penyerapan - kuantum dapat diamati efek fotolistrik nuklir- ejeksi dari inti salah satu nukleon, paling sering neutron.
Daya tembus yang besar - radiasi digunakan dalam deteksi cacat gamma - metode deteksi cacat berdasarkan penyerapan yang berbeda -radiasi ketika merambat pada jarak yang sama di media yang berbeda. Lokasi dan ukuran cacat (rongga, retak, dll.) ditentukan oleh perbedaan intensitas radiasi yang melewati berbagai bagian produk tembus cahaya.
Dampak - radiasi (serta jenis radiasi pengion lainnya) pada suatu zat yang dicirikan dosis radiasi pengion. Berbeda:
Dosis radiasi yang diserap- kuantitas fisik sama dengan rasio energi radiasi dengan massa zat yang disinari.
Satuan dosis radiasi yang diserap - Abu-abu(Gy)*: 1 Gy= 1 J/kg - dosis radiasi di mana energi dari setiap radiasi pengion sebesar 1 J ditransfer ke zat yang diiradiasi dengan berat 1 kg.
31. Mendapatkan elemen transuranium. Hukum dasar reaksi fisi nuklir.
ELEMEN TRANSURANA, unsur kimia yang terletak dalam sistem periodik setelah uranium, yaitu dengan nomor atom Z >92.
Semua elemen transuranium disintesis melalui reaksi nuklir (hanya sejumlah kecil Np dan Pu yang ditemukan di alam). Unsur transuranium bersifat radioaktif; dengan bertambahnya Z setengah hidup T 1/2 elemen transuranium berkurang tajam.
Pada tahun 1932, setelah penemuan neutron, disarankan bahwa ketika uranium disinari dengan neutron, isotop elemen transuranium pertama harus terbentuk. Dan pada tahun 1940, E. Macmillan dan F. Ableson mensintesis neptunium (nomor seri 93) menggunakan reaksi nuklir dan mempelajari sifat kimia dan radioaktifnya yang paling penting. Pada saat yang sama, penemuan unsur transuranium berikutnya, plutonium, terjadi. Kedua elemen baru itu dinamai planet-planet di tata surya.
Semua elemen transuranium hingga dan termasuk 101 disintesis melalui penggunaan partikel pembom ringan: neutron, deuteron, dan partikel alfa. Proses sintesis terdiri dari penyinaran target dengan fluks neutron atau partikel bermuatan. Jika U digunakan sebagai target, maka dengan bantuan fluks neutron kuat yang dihasilkan dalam reaktor nuklir atau selama ledakan perangkat nuklir, dimungkinkan untuk memperoleh semua elemen transuranium, hingga Fm ( Z= 100) inklusif. Elemen dengan Z 1 atau 2 kurang dari elemen yang disintesis. Antara 1940 dan 1955 Ilmuwan Amerika yang dipimpin oleh G. Seaborg mensintesis sembilan unsur baru yang tidak ada di alam: Np (neptunium), Pu (plutonium), Am (americium), Cm (curium), Bk (berkelium), Cf (californium), Es ( einsteinium), Fm (fermium), Md (mendelevium). Pada tahun 1951, G. Seaborg dan E. M. Macmillan dianugerahi Hadiah Nobel "atas penemuan mereka di bidang kimia unsur transuranium."
Kemungkinan metode untuk sintesis unsur radioaktif berat, di mana iradiasi dengan partikel ringan digunakan, terbatas, tidak memungkinkan untuk mendapatkan inti dengan Z> 100. Unsur dengan Z = 101 (mendelevium) ditemukan pada tahun 1955 dengan menyinari 253 99Es (einsteinium) dengan partikel-a yang dipercepat. Sintesis elemen transuranium baru menjadi semakin sulit saat kami pindah ke nilai yang lebih tinggi Z. Nilai waktu paruh isotop mereka ternyata semakin kecil.
Reaksi nuklir - proses transformasi inti atom, yang terjadi ketika mereka berinteraksi dengan partikel elementer, gamma kuanta dan satu sama lain, sering kali mengarah pada pelepasan sejumlah besar energi. Selama reaksi nuklir, hukum berikut dipenuhi: kekekalan muatan listrik dan jumlah nukleon, kekekalan energi dan
kekekalan momentum, kekekalan momentum sudut, kekekalan paritas, dan
putaran isotop.
Reaksi fisi - pembagian inti atom menjadi beberapa inti yang lebih ringan. Perpecahan dipaksakan dan spontan.
Reaksi fusi adalah peleburan inti ringan menjadi satu. Reaksi ini hanya terjadi pada suhu tinggi, pada orde 108 K, dan disebut reaksi termonuklir.
Hasil energi reaksi Q adalah selisih antara energi diam total semua partikel sebelum dan sesudah reaksi nuklir. Jika Q > 0, maka energi diam total berkurang selama reaksi nuklir. Reaksi nuklir semacam itu disebut eksoenergik. Mereka dapat melanjutkan pada energi kinetik awal partikel yang kecil dan sewenang-wenang. Sebaliknya untuk 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. Reaksi fisi berantai. Reaksi berantai terkendali. Reaktor nuklir.
Neutron sekunder yang dipancarkan selama fisi nuklir dapat menyebabkan peristiwa fisi baru, yang memungkinkan untuk melakukan reaksi fisi berantai- reaksi nuklir di mana partikel yang menyebabkan reaksi terbentuk sebagai produk dari reaksi ini. Reaksi fisi berantai ditandai dengan faktor perkalian k neutron, yang sama dengan rasio jumlah neutron pada generasi tertentu dengan jumlah mereka pada generasi sebelumnya. Kondisi yang diperlukan untuk pengembangan reaksi fisi berantai adalah persyaratan k 1.
Ternyata tidak semua neutron sekunder yang dihasilkan menyebabkan fisi nuklir berikutnya, yang mengarah pada penurunan faktor perkalian. Pertama, karena dimensi yang terbatas inti(ruang di mana reaksi berantai berlangsung) dan daya tembus tinggi dari neutron, beberapa dari mereka akan meninggalkan inti sebelum mereka ditangkap oleh inti apapun. Kedua, bagian dari neutron ditangkap oleh inti pengotor non-fisil, yang selalu ada di inti. Selain itu, bersama dengan fisi, proses persaingan penangkapan radiasi dan hamburan inelastis dapat terjadi.
Faktor perkalian tergantung pada sifat bahan fisil, dan untuk isotop tertentu, pada kuantitasnya, serta ukuran dan bentuk zona aktif. Dimensi minimum zona aktif yang memungkinkan terjadinya reaksi berantai disebut dimensi kritis. Massa minimum bahan fisil yang terletak dalam sistem ukuran kritis, yang diperlukan untuk implementasi reaksi berantai, ditelepon massa kritis.
Laju perkembangan reaksi berantai berbeda. Biarlah T - umur rata-rata satu generasi, dan N- jumlah neutron dalam satu generasi. Di generasi berikutnya, jumlah mereka adalah kn, t. e. peningkatan jumlah neutron per generasi dN=kN-N=N(k- satu). Peningkatan jumlah neutron per satuan waktu, yaitu laju pertumbuhan reaksi berantai,
Mengintegrasikan (266.1), kami memperoleh
di mana N 0 adalah jumlah neutron pada saat awal waktu, dan N- nomor mereka sekaligus t. N ditentukan oleh tanda ( k- satu). Pada k> 1 datang mengembangkan reaksi, jumlah pembelahan terus bertambah dan reaksi dapat menjadi eksplosif. Pada k= 1 pergi reaksi mandiri, di mana jumlah neutron tidak berubah terhadap waktu. Pada k<1 идет затухающая реакция.
Reaksi berantai dibagi menjadi: dikelola dan tidak dikelola. Ledakan bom atom, misalnya, merupakan reaksi yang tidak terkendali. Untuk mencegah bom atom meledak selama penyimpanan, U (atau Pu) di dalamnya dibagi menjadi dua bagian yang saling berjauhan dengan massa di bawah kritis. Kemudian, dengan bantuan ledakan biasa, massa ini saling mendekat, massa total bahan fisil menjadi lebih kritis, dan reaksi berantai eksplosif terjadi, disertai dengan pelepasan sejumlah besar energi dan kehancuran besar seketika. Reaksi eksplosif dimulai karena tersedianya neutron fisi spontan atau neutron radiasi kosmik. Reaksi berantai terkendali dilakukan dalam reaktor nuklir.
Ada tiga isotop di alam yang dapat berfungsi sebagai bahan bakar nuklir (U: uranium alam mengandung sekitar 0,7%) atau bahan baku untuk produksinya (Th dan U: uranium alam mengandung sekitar 99,3%). Th berfungsi sebagai produk awal untuk memperoleh bahan bakar nuklir buatan U (lihat reaksi (265.2)), dan U, menyerap neutron, melalui dua berturut-turut – -meluruh - untuk transformasi menjadi inti Pu:
Reaksi (266,2) dan (265,2), dengan demikian, membuka kemungkinan nyata reproduksi bahan bakar nuklir dalam proses reaksi berantai fisi.
Reaktor nuklir- Ini adalah perangkat di mana reaksi berantai nuklir terkontrol dilakukan, disertai dengan pelepasan energi. Reaktor nuklir pertama dibangun dan diluncurkan pada Desember 1942 di Amerika Serikat di bawah kepemimpinan E. Fermi. Reaktor pertama yang dibangun di luar Amerika Serikat adalah ZEEP, diluncurkan di Kanada pada September 1945. Di Eropa, reaktor nuklir pertama adalah instalasi F-1, yang diluncurkan pada 25 Desember 1946 di Moskow di bawah kepemimpinan I. V. Kurchatov.
Pada tahun 1978, sekitar seratus reaktor nuklir dari berbagai jenis sudah beroperasi di dunia. Komponen reaktor nuklir apa pun adalah: inti dengan bahan bakar nuklir, biasanya dikelilingi oleh reflektor neutron, pendingin, sistem kontrol reaksi berantai, proteksi radiasi, sistem kendali jarak jauh. Karakteristik utama dari reaktor nuklir adalah kekuatannya. Sebuah kekuatan 1 MW sesuai dengan reaksi berantai di mana 3·10 16 peristiwa fisi terjadi dalam 1 detik.
33. Fusi termonuklir. Energi bintang. Fusi termonuklir terkendali.
reaksi termonuklir adalah reaksi peleburan inti ringan menjadi inti yang lebih berat.
Untuk implementasinya, nukleon-nukleon awal atau nukleus ringan perlu saling mendekat pada jarak yang sama dengan atau kurang dari jari-jari bidang aksi gaya tarik-menarik nuklir (yaitu, hingga jarak 10 -15 m). Pendekatan timbal balik inti seperti itu dicegah oleh gaya tolak Coulomb yang bekerja di antara inti bermuatan positif. Agar reaksi fusi terjadi, perlu untuk memanaskan zat dengan kepadatan tinggi ke suhu yang sangat tinggi (dalam orde ratusan juta Kelvin) sehingga energi kinetik dari gerakan termal inti cukup untuk mengatasi gaya tolak Coulomb. pasukan. Pada suhu seperti itu, materi ada dalam bentuk plasma. Karena fusi hanya dapat terjadi pada suhu yang sangat tinggi, reaksi fusi nuklir disebut reaksi termonuklir (dari bahasa Yunani. tema"kehangatan, panas").
Reaksi termonuklir melepaskan energi yang sangat besar. Misalnya, dalam reaksi fusi deuterium dengan pembentukan helium
3,2 MeV energi dilepaskan. Dalam reaksi sintesis deuterium dengan pembentukan tritium
4,0 MeV energi dilepaskan, dan dalam reaksi
Energi 17,6 MeV dilepaskan.
Fusi termonuklir terkendali (TCB) - sintesis inti atom yang lebih berat dari yang lebih ringan untuk mendapatkan energi, yang, tidak seperti fusi termonuklir eksplosif (digunakan dalam perangkat peledak termonuklir), dikendalikan. Fusi termonuklir terkendali berbeda dari energi nuklir tradisional karena yang terakhir menggunakan reaksi fisi, di mana inti yang lebih ringan diperoleh dari inti yang berat. Reaksi nuklir utama yang direncanakan akan digunakan untuk fusi terkontrol akan menggunakan deuterium (2 H) dan tritium (3 H), dan dalam jangka panjang helium-3 (3 He) dan boron-11 (11 B).
34. Sumber dan metode pendaftaran partikel elementer. Jenis interaksi dan kelas partikel elementer. Antipartikel.
penghitung Geiger
- berfungsi untuk menghitung jumlah partikel radioaktif (terutama elektron).
Ini adalah tabung gelas yang diisi dengan gas (argon) dengan dua elektroda di dalamnya (katoda dan anoda).
Selama perjalanan partikel, ionisasi dampak gas terjadi dan pulsa arus listrik terjadi.
Keuntungan:
- kekompakan
- efisiensi
- pertunjukan
- akurasi tinggi (10000 partikel/s).
Di mana digunakan:
- pendaftaran kontaminasi radioaktif di tanah, di tempat, pakaian, produk, dll.
- di fasilitas penyimpanan bahan radioaktif atau dengan pengoperasian reaktor nuklir
- saat mencari deposit bijih radioaktif (U, Th)
ruang awan
- berfungsi untuk mengamati dan memotret jejak dari lewatnya partikel (trek).
Volume internal ruangan diisi dengan uap alkohol atau air dalam keadaan lewat jenuh:
ketika piston diturunkan, tekanan di dalam ruang berkurang dan suhu menurun, sebagai akibat dari proses adiabatik, terbentuk uap lewat jenuh.
Tetesan air mengembun di sepanjang jalur lintasan partikel dan jejak terbentuk - jejak yang terlihat.
Ketika kamera ditempatkan dalam medan magnet, lintasan dapat digunakan untuk menentukan energi, kecepatan, massa, dan muatan partikel.
Karakteristik partikel radioaktif terbang ditentukan oleh panjang dan ketebalan lintasan, oleh kelengkungannya dalam medan magnet.
Misalnya, partikel alfa memberikan lintasan tebal yang kontinu,
proton - jalur tipis,
elektron - jalur putus-putus.
ruang gelembung
Varian ruang awan
Dengan penurunan tajam pada piston, cairan di bawah tekanan tinggi masuk ke kondisi super panas. Dengan pergerakan partikel yang cepat di sepanjang jejak, gelembung uap terbentuk, mis. cairan mendidih, jejaknya terlihat.
Keuntungan dibandingkan ruang cloud:
- kepadatan medium yang tinggi, karenanya trek pendek
- partikel terjebak di dalam ruangan dan pengamatan partikel lebih lanjut dapat dilakukan
- lebih cepat.
Metode emulsi fotografi lapisan tebal
- berfungsi untuk mendaftarkan partikel
- memungkinkan Anda untuk mendaftarkan fenomena langka karena waktu pemaparan yang lama.
Emulsi fotografi mengandung sejumlah besar mikrokristal perak bromida.
Partikel yang masuk mengionisasi permukaan emulsi fotografi. Kristal AgBr hancur di bawah aksi partikel bermuatan, dan setelah dikembangkan, jejak dari lintasan partikel, jejak, terungkap.
Energi dan massa partikel dapat ditentukan dari panjang dan ketebalan lintasan.
Kelas partikel dan jenis interaksi
Saat ini, ada keyakinan kuat bahwa segala sesuatu di alam dibangun dari partikel elementer, dan semua proses alami terjadi karena interaksi partikel-partikel ini. Saat ini, partikel elementer dipahami sebagai quark, lepton, gauge boson, dan partikel skalar Higgs. Di bawah interaksi fundamental - kuat, elektro-lemah dan gravitasi. Dengan demikian, secara kondisional dimungkinkan untuk memilih empat kelas partikel elementer dan tiga jenis interaksi fundamental.
Neutrino secara elektrik netral; elektron, muon dan tau lepton memiliki muatan listrik. Lepton berpartisipasi dalam interaksi elektrolemah dan gravitasi.
Kelas ke tiga adalah quark. Saat ini, enam quark diketahui - masing-masing dapat "diwarnai" dalam salah satu dari tiga warna. Seperti lepton, akan lebih mudah untuk mengaturnya dalam bentuk tiga keluarga
Quark bebas tidak diamati. Bersama dengan gluon, mereka adalah komponen hadron, yang jumlahnya beberapa ratus. Hadron, seperti quark yang membentuknya, berpartisipasi dalam semua jenis interaksi.
kelas empat- Partikel Higgs, secara eksperimental belum terdeteksi. Dalam skema minimal, satu skalar Higgs sudah cukup. Peran mereka di alam saat ini sebagian besar "teoretis" dan membuat interaksi elektro-lemah dapat dinormalisasi. Secara khusus, massa semua partikel elementer adalah "hasil" dari kondensat Higgs. Mungkin pengenalan medan Higgs diperlukan untuk memecahkan masalah mendasar kosmologi, seperti homogenitas dan kausalitas alam semesta.
Kuliah selanjutnya tentang teori struktur quark hadron dikhususkan untuk hadron dan quark. Fokusnya adalah pada klasifikasi partikel, simetri dan hukum kekekalan.
35. Hukum kekekalan dalam transformasi partikel elementer. Konsep quark.
Kuark adalah partikel fundamental dalam Model Standar yang memiliki muatan listrik yang merupakan kelipatan dari e/3, dan tidak diamati dalam keadaan bebas. Quark adalah partikel titik hingga skala sekitar 0,5·10 19 m, yaitu sekitar 20 ribu kali lebih kecil dari ukuran proton. Quark membentuk hadron, khususnya proton dan neutron. Saat ini, 6 "jenis" yang berbeda (lebih sering mereka katakan - "rasa") quark diketahui, sifat-sifatnya diberikan dalam tabel. Selain itu, untuk deskripsi pengukur interaksi kuat, dipostulasikan bahwa quark juga memiliki karakteristik internal tambahan yang disebut "warna". Setiap quark sesuai dengan antiquark dengan bilangan kuantum yang berlawanan.
Hipotesis bahwa hadron dibangun dari subunit tertentu pertama kali diajukan oleh M. Gell-Mann dan, terlepas darinya, J. Zweig pada tahun 1964.
Kata "quark" dipinjam oleh Gell-Mann dari novel Finnegans Wake karya J. Joyce, di mana dalam salah satu episode kalimat "Three quarks for Muster Mark!" (biasanya diterjemahkan sebagai "Tiga quark untuk Master/Muster Mark!"). Kata "quark" dalam frasa ini diduga merupakan onomatopoeia dari tangisan burung laut.
Radiasi radioaktif dan jenisnya
Fisikawan Prancis A. Becquerel pada tahun 1896, ketika mempelajari pendaran garam uranium, secara tidak sengaja menemukan emisi spontan mereka dari radiasi yang sifatnya tidak diketahui, yang bekerja pada pelat fotografi, mengionisasi udara, menembus pelat logam tipis, dan menyebabkan pendaran dari sejumlah zat. Melanjutkan studi fenomena ini, pasangan Curie - Marie dan Pierre - menemukan bahwa radiasi Becquerel adalah karakteristik tidak hanya uranium, tetapi juga banyak elemen berat lainnya, seperti thorium dan actinium. Mereka juga menunjukkan bahwa uranium pitchblende (bijih dari mana uranium logam diekstraksi) memancarkan radiasi yang intensitasnya berkali-kali lebih besar daripada uranium. Dengan demikian, dimungkinkan untuk mengisolasi dua elemen baru - pembawa radiasi Becquerel: polonium dan radium.
Radiasi yang terdeteksi disebut radiasi radioaktif , dan fenomena itu sendiri adalah emisi radiasi radioaktif - radioaktivitas.
Jenis radiasi radioaktif:
1) - radiasi
Itu dibelokkan oleh medan listrik dan magnet, memiliki kemampuan pengion yang tinggi dan daya tembus yang rendah. Merupakan aliran inti helium; muatan -partikel sama dengan +2e, dan massanya bertepatan dengan massa inti isotop helium. Menurut penyimpangan - partikel dalam medan listrik dan magnet, muatan spesifiknya ditentukan, yang nilainya mengkonfirmasi kebenaran ide tentang sifatnya.
2) -radiasi
Ditolak oleh medan listrik dan magnet; kemampuan pengionnya jauh lebih kecil (sekitar dua kali lipat), dan daya tembusnya jauh lebih besar daripada partikel -. Ini adalah aliran elektron cepat (ini mengikuti dari definisi muatan spesifik mereka).
3) -radiasi
Itu tidak dibelokkan oleh medan listrik dan magnet, memiliki kemampuan pengion yang relatif lemah dan daya tembus yang sangat tinggi, dan mendeteksi difraksi ketika melewati kristal. Ini adalah radiasi elektromagnetik gelombang pendek dengan panjang gelombang m yang sangat pendek dan, sebagai akibatnya, sifat sel yang diucapkan, mis. adalah aliran partikel - -quanta (foton).
Radioaktivitas- kemampuan beberapa inti atom untuk secara spontan (spontan) berubah menjadi inti lain dengan emisi berbagai partikel:
1) Alami - diamati pada isotop tidak stabil yang ada di alam;
2) Buatan - diamati dalam isotop yang disintesis oleh reaksi nuklir di laboratorium.
Hukum peluruhan radioaktif
peluruhan radioaktif- transformasi alami inti, terjadi secara spontan.
Fenomena ini bersifat statistik, sehingga kesimpulan yang mengikuti hukum peluruhan radioaktif adalah probabilistik.
konstanta peluruhan radioaktif- probabilitas peluruhan inti per satuan waktu, sama dengan fraksi peluruhan inti dalam 1 detik.
Hukum peluruhan radioaktif: Karena spontanitas peluruhan radioaktif, kita dapat mengasumsikan bahwa jumlah inti dN yang meluruh rata-rata selama selang waktu dari t ke t + dt sebanding dengan selang waktu dt dan jumlah N inti yang tidak meluruh oleh waktu t:
[ N adalah jumlah inti yang tidak membusuk pada waktu t; - jumlah awal inti yang tidak membusuk, pada waktu t=0; -konstanta peluruhan radioaktif]
Setengah hidup ()- interval waktu di mana, rata-rata, jumlah inti yang tidak membusuk menjadi setengahnya.
Masa hidup rata-rata inti radioaktif:
Aktivitas Nuklida adalah jumlah peluruhan yang terjadi dengan inti sampel dalam 1 s:
Satuan aktivitas adalah 1 Bq: 1 becquerel adalah aktivitas nuklida dalam sumber radioaktif, di mana satu aksi peluruhan terjadi dalam 1 detik. 1Bq = 2,703 curie.
5. Aturan perpindahan untuk - dan -membusuk
inti ibu- inti atom yang mengalami peluruhan radioaktif.
kernel anak- inti atom yang dihasilkan dari peluruhan radioaktif.
Aturan Offset– aturan yang memungkinkan untuk menetapkan inti mana yang muncul sebagai akibat peluruhan inti induk tertentu. Aturan-aturan ini merupakan konsekuensi dari hukum yang dipenuhi selama peluruhan radioaktif - hukum kekekalan bilangan muatan dan hukum kekekalan bilangan massa.
Hukum kekekalan muatan dan nomor massa
1) Jumlah jumlah muatan inti dan partikel yang muncul sama dengan jumlah muatan inti asal.
2) jumlah nomor massa inti dan partikel yang muncul sama dengan nomor massa inti awal.
Aturan perpindahan adalah konsekuensi dari hukum kekekalan muatan dan nomor massa.
peluruhan alfa disebut peluruhan spontan inti atom menjadi inti anak dan partikel (inti atom). 4 Dia).
Peluruhan alfa biasanya terjadi pada inti berat dengan nomor massa
TETAPI 140 (walaupun ada beberapa pengecualian).
Aturan pergeseran untuk peluruhan : , di mana inti helium (partikel),
Contoh (peluruhan alfa uranium-238 ke thorium-234):
Akibat peluruhan , atom tergeser sebanyak 2 sel ke awal tabel periodik(yaitu, muatan inti Z berkurang 2), nomor massa inti anak berkurang 4.
peluruhan beta
Becquerel membuktikan bahwa sinar- adalah aliran elektron. Peluruhan beta adalah manifestasi interaksi lemah.
42. Hukum peluruhan radioaktif. Peluruhan konstan, rata-rata masa hidup inti, waktu paruh, aktivitas.
peluruhan radioaktif
N= N 0 e - t adalah hukum peluruhan radioaktif, di mana N adalah jumlah inti yang tidak membusuk, N 0 adalah jumlah inti awal.
Arti fisik dari konstanta peluruhan adalah probabilitas peluruhan nuklir per satuan waktu. Masa hidup karakteristik untuk inti radioaktif adalah > 10 -14 s. Masa hidup inti karena emisi nukleon 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. Jenis peluruhan radioaktif. - peluruhan, skema peluruhan, pola peluruhan.
peluruhan radioaktif- proses transformasi inti atom yang tidak stabil menjadi inti unsur lain, yang disertai dengan emisi partikel.
Jenis peluruhan radioaktif:
1)α - peluruhan - disertai dengan emisi atom helium.
2)β - peluruhan - emisi elektron dan positron.
3)γ - peluruhan - emisi foton selama transisi antar keadaan inti.
4) Fisi nuklir spontan.
5) Radioaktivitas nukleon.
- peluruhan: A 2 X→ A-Y Z-2 Y+ 4 2 He. -peluruhan diamati pada inti berat. Spektrum - peluruhan bersifat diskrit. Panjang lari - partikel di udara: 3-7cm; untuk zat padat: 10 -5 m.T 1/2 10 -7 s 10 10 tahun.
44. - pembusukan. skema + , β - dan K-capture. Pola - peluruhan.
- pembusukan disebabkan oleh interaksi yang lemah. Ini lemah dalam kaitannya dengan inti kuat. Semua partikel kecuali foton berpartisipasi dalam interaksi lemah. Intinya adalah degenerasi partikel baru. T 1/2 10 -2 s 10 20 tahun. Lintasan bebas neutron adalah 10 19 km.
- peluruhan mencakup 3 jenis peluruhan:
1) - atau elektronik. Nukleus memancarkan elektron. Secara umum:
A 2 X→ A Z -1 Y+ 0 -1 e+υ e .
2)β + atau positron. Antipartikel elektron dipancarkan – positron: 1 1 p→ 1 0 n+ 0 1 e+υ e – reaksi transformasi proton menjadi neutron. Reaksi tidak hilang dengan sendirinya. Pandangan umum reaksi: A Z X→ A Z -1 Y+ 0 1 e+υ e Hal ini diamati pada inti radioaktif buatan.
3) Penangkapan elektronik. Terjadi transformasi inti, menangkap kulit K dan berubah menjadi neutron: 1 1 p+ 0 -1 e→ 1 0 n+υ e . Tampilan umum: A Z X+ 0 1 e→ A Z -1 Y+υ e . Sebagai hasil dari penangkapan listrik, hanya satu partikel terbang keluar dari inti. Disertai dengan radiasi sinar-x karakteristik.
45. Reaksi nuklir, polanya. Reaksi fisi. Reaksi sintesis. Hasil energi reaksi.
reaksi nuklir- proses transformasi inti atom, yang terjadi ketika mereka berinteraksi dengan partikel elementer, gamma kuanta dan satu sama lain, sering kali mengarah pada pelepasan sejumlah besar energi. Selama reaksi nuklir, hukum berikut terpenuhi: kekekalan muatan listrik dan jumlah nukleon, kekekalan energi dan
kekekalan momentum, kekekalan momentum sudut, kekekalan paritas, dan
putaran isotop.
reaksi fisi- pembagian inti atom menjadi beberapa inti yang lebih ringan. Perpecahan dipaksakan dan spontan.
Reaksi sintesis- reaksi peleburan inti ringan menjadi satu. Reaksi ini hanya terjadi pada suhu tinggi, pada orde 108 K, dan disebut reaksi termonuklir.
Energi yang dihasilkan dari reaksi Q adalah perbedaan antara energi istirahat total semua partikel sebelum dan sesudah reaksi nuklir. Jika Q > 0, maka energi diam total berkurang selama reaksi nuklir. Reaksi nuklir semacam itu disebut eksoenergik. Mereka dapat melanjutkan pada energi kinetik awal partikel yang kecil dan sewenang-wenang. Sebaliknya untuk 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.
Fenomena radioaktivitas ditemukan pada tahun 1896 oleh A. Becquerel, yang mengamati emisi spontan dari radiasi yang tidak diketahui dari garam uranium. Segera, E. Rutherford dan keluarga Curie menemukan bahwa selama peluruhan radioaktif, inti He (partikel ), elektron (partikel ) dan radiasi elektromagnetik keras (sinar ) dipancarkan.
Pada tahun 1934, peluruhan dengan emisi positron (β + -peluruhan) ditemukan, dan pada tahun 1940 jenis radioaktivitas baru ditemukan - fisi nuklir spontan: inti fisil pecah menjadi dua fragmen dengan massa yang sebanding dengan emisi neutron secara simultan. dan γ -kuanta. Radioaktivitas proton dari inti diamati pada tahun 1982. Jadi, ada jenis peluruhan radioaktif berikut: peluruhan ; - disintegrasi; - membusuk; e - tangkap.
Radioaktivitas- kemampuan beberapa inti atom untuk secara spontan (spontan) berubah menjadi inti lain dengan emisi partikel.
Inti atom terdiri dari proton dan neutron, yang memiliki nama generik - nukleon. Jumlah proton dalam nukleus menentukan sifat kimia atom dan dilambangkan Z(nomor urut elemen). Jumlah nukleon dalam nukleus disebut nomor massa dan menunjukkan TETAPI. Kernel dengan nomor seri yang sama dan nomor massa yang berbeda disebut isotop. Semua isotop dari unsur kimia yang sama memiliki sifat kimia yang sama, dan sifat fisik dapat sangat bervariasi. Untuk menentukan isotop, simbol unsur kimia dengan dua indeks digunakan: A Z X. Indeks bawah adalah nomor seri, indeks atas adalah nomor massa. Seringkali subskrip dihilangkan karena simbol elemen itu sendiri menunjuk ke sana.
Misalnya, mereka menulis 14 C bukannya 14 6 C.
Kemampuan inti untuk meluruh tergantung pada komposisinya. Unsur yang sama dapat memiliki isotop stabil dan radioaktif.
Misalnya, isotop karbon 12C stabil, sedangkan isotop 14C bersifat radioaktif.
Peluruhan radioaktif adalah fenomena statistik. Kemampuan isotop untuk meluruh dicirikan oleh konstanta peluruhan λ.
Konstanta peluruhan adalah peluang bahwa inti isotop tertentu akan meluruh per satuan waktu.
Mari kita nyatakan jumlah N inti peluruhan radioaktif pada waktu t, dN 1 - jumlah inti peluruhan selama waktu dt. Karena jumlah inti dalam suatu zat sangat besar, hukum bilangan besar terpenuhi. Peluang peluruhan nuklir dalam waktu singkat dt dicari dengan rumus dP = dt Frekuensi sama dengan peluang : d N 1 / N = dP = dt. d N 1 / N = dt- rumus yang menentukan jumlah inti yang meluruh.
Penyelesaian persamaan tersebut adalah: , - rumusnya disebut hukum peluruhan radioaktif: Jumlah inti radioaktif berkurang seiring waktu menurut hukum eksponensial.
Di sini N adalah jumlah inti yang tidak membusuk pada waktu t; N tentang - jumlah awal inti yang tidak membusuk; adalah konstanta peluruhan radioaktif.
Dalam praktiknya, konstanta peluruhan tidak digunakan λ , dan besaran yang disebut waktu paruh T.
Waktu paruh (T) - waktu di mana setengah dari inti radioaktif meluruh.
Hukum peluruhan radioaktif melalui suatu periode waktu paruh (T) memiliki bentuk:
Hubungan antara waktu paruh dan konstanta peluruhan diberikan oleh: T = ln(2/λ) = 0.69/λ
Waktu paruh bisa sangat panjang atau sangat pendek.
Untuk menilai tingkat aktivitas isotop radioaktif, digunakan besaran yang disebut aktivitas.
Jumlah aktivitas inti preparasi radioaktif yang meluruh per satuan waktu: A = dN dis /dt
Untuk unit aktivitas dalam SI, diambil 1 becquerel (Bq) = 1 peluruhan / detik - aktivitas obat, di mana 1 peluruhan terjadi dalam 1 detik. Satuan aktivitas yang lebih besar adalah 1 rutherford (Rd) = Bq. Unit aktivitas di luar sistem sering digunakan - curie (Ci), sama dengan aktivitas 1 g radium: 1 Ci = 3,7 Bq.
Seiring waktu, aktivitas berkurang sesuai dengan hukum eksponensial yang sama, yang menurutnya radionuklida itu sendiri meluruh:
=
.
Dalam praktiknya, rumus berikut digunakan untuk menghitung aktivitas:
A = = N = 0,693 N/T.
Jika kita menyatakan jumlah atom dalam massa dan massa cat, maka rumus untuk menghitung aktivitas akan berbentuk: A \u003d \u003d 0,693 (μT)
di mana nomor Avogadro; adalah massa molar.
1. Radioaktivitas. Hukum dasar peluruhan radioaktif. Aktivitas.
2. Jenis utama peluruhan radioaktif.
3. Karakteristik kuantitatif interaksi radiasi pengion dengan materi.
4. Radioaktivitas alam dan buatan. baris radioaktif.
5. Penggunaan radionuklida dalam pengobatan.
6. Akselerator partikel bermuatan dan penggunaannya dalam pengobatan.
7. Fondasi biofisik dari aksi radiasi pengion.
8. Konsep dan rumus dasar.
9. Tugas.
Ketertarikan para dokter pada radioaktivitas alam dan buatan disebabkan oleh hal-hal berikut.
Pertama, semua makhluk hidup selalu terpapar radiasi latar belakang alam, yaitu radiasi kosmik, radiasi unsur radioaktif yang terjadi di lapisan permukaan kerak bumi, dan radiasi unsur yang masuk ke dalam tubuh hewan bersama udara dan udara. makanan.
Kedua, radiasi radioaktif digunakan dalam pengobatan itu sendiri untuk tujuan diagnostik dan terapeutik.
33.1. Radioaktivitas. Hukum dasar peluruhan radioaktif. Aktivitas
Fenomena radioaktivitas ditemukan pada tahun 1896 oleh A. Becquerel, yang mengamati emisi spontan dari radiasi yang tidak diketahui dari garam uranium. Segera, E. Rutherford dan keluarga Curie menemukan bahwa selama peluruhan radioaktif, inti He (partikel ), elektron (partikel ) dan radiasi elektromagnetik keras (sinar ) dipancarkan.
Pada tahun 1934, peluruhan dengan emisi positron (β + -peluruhan) ditemukan, dan pada tahun 1940 jenis radioaktivitas baru ditemukan - fisi nuklir spontan: inti fisil pecah menjadi dua fragmen dengan massa yang sebanding dengan emisi neutron secara simultan. dan γ -kuanta. Radioaktivitas proton dari inti diamati pada tahun 1982.
Radioaktivitas - kemampuan beberapa inti atom untuk secara spontan (spontan) berubah menjadi inti lain dengan emisi partikel.
Inti atom terdiri dari proton dan neutron, yang memiliki nama umum - nukleon. Jumlah proton dalam nukleus menentukan sifat kimia atom dan dilambangkan dengan Z (ini nomor seri unsur kimia). Jumlah nukleon dalam inti disebut nomor massa dan menyatakan A. Inti dengan nomor urut yang sama dan nomor massa yang berbeda disebut isotop. Semua isotop dari satu unsur kimia memiliki sama Sifat kimia. Sifat fisik isotop dapat sangat bervariasi. Untuk menentukan isotop, lambang suatu unsur kimia digunakan dengan dua indeks: A Z X. Indeks bawah adalah nomor urut, yang atas adalah nomor massa. Seringkali subskrip dihilangkan karena simbol elemen itu sendiri menunjuk ke sana. Misalnya, mereka menulis 14 C bukannya 14 6 C.
Kemampuan inti untuk meluruh tergantung pada komposisinya. Unsur yang sama dapat memiliki isotop stabil dan radioaktif. Misalnya, isotop karbon 12C stabil, sedangkan isotop 14C bersifat radioaktif.
Peluruhan radioaktif adalah fenomena statistik. Kemampuan isotop untuk meluruh dicirikan konstanta peluruhanλ.
konstanta peluruhan adalah probabilitas bahwa inti isotop tertentu akan meluruh per satuan waktu.
Probabilitas peluruhan nuklir dalam waktu singkat dt ditemukan dengan rumus
Dengan mempertimbangkan rumus (33.1), kami memperoleh ekspresi yang menentukan jumlah inti yang meluruh:
Rumus (33.3) disebut main hukum peluruhan radioaktif.
Jumlah inti radioaktif berkurang seiring waktu menurut hukum eksponensial.
Dalam praktiknya, alih-alih konstanta peluruhanλ sering menggunakan nilai lain yang disebut setengah hidup.
Setengah hidup(T) - waktu di mana ia meluruh setengah inti radioaktif.
Hukum peluruhan radioaktif menggunakan waktu paruh ditulis sebagai berikut:
Grafik ketergantungan (33.4) ditunjukkan pada gambar. 33.1.
Waktu paruh bisa sangat panjang atau sangat pendek (dari sepersekian detik hingga miliaran tahun). Di meja. 33.1 menunjukkan waktu paruh untuk beberapa elemen.
Beras. 33.1. Penurunan jumlah inti zat asli selama peluruhan radioaktif
Tabel 33.1. Waktu paruh untuk beberapa elemen
Untuk tarif derajat radioaktivitas isotop menggunakan besaran khusus yang disebut aktivitas.
Aktivitas - jumlah inti suatu sediaan radioaktif yang meluruh per satuan waktu:
Satuan ukuran aktivitas dalam SI - becquerel(Bq), 1 Bq sesuai dengan satu peristiwa peluruhan per detik. Dalam praktiknya, lebih banyak
unit kegiatan di luar sistem yang banyak akal - penasaran(Ci) sama dengan aktivitas 1 g 226 Ra : 1 Ci = 3,7x10 10 Bq.
Seiring waktu, aktivitas berkurang dengan cara yang sama seperti jumlah inti yang tidak membusuk berkurang:
33.2. Jenis utama peluruhan radioaktif
Dalam proses mempelajari fenomena radioaktivitas, ditemukan 3 jenis sinar yang dipancarkan oleh inti radioaktif, yang disebut sinar -, - dan . Kemudian ditemukan bahwa partikel dan adalah produk dari dua jenis peluruhan radioaktif yang berbeda, dan sinar adalah produk sampingan dari proses ini. Selain itu, sinar- juga menyertai transformasi nuklir yang lebih kompleks, yang tidak dibahas di sini.
peluruhan alfa terdiri dari transformasi spontan inti dengan emisiα -partikel (inti helium).
Skema -peluruhan ditulis sebagai
di mana X, Y masing-masing adalah simbol dari inti induk dan anak. Saat menulis -decay, alih-alih "α" Anda dapat menulis "Tidak".
Dalam peluruhan ini, nomor atom Z unsur berkurang 2, dan nomor massa A - sebanyak 4.
Selama peluruhan , inti anak, biasanya, terbentuk dalam keadaan tereksitasi dan, pada transisi ke keadaan dasar, memancarkan -kuantum. Sifat umum dari objek mikro kompleks adalah bahwa mereka memiliki diskrit himpunan keadaan energi. Ini juga berlaku untuk core. Oleh karena itu, radiasi dari inti yang tereksitasi memiliki spektrum diskrit. Akibatnya, spektrum energi partikel juga diskrit.
Energi partikel yang dipancarkan untuk hampir semua isotop -aktif terletak pada 4-9 MeV.
peluruhan beta terdiri dari transformasi spontan inti dengan emisi elektron (atau positron).
Telah ditetapkan bahwa peluruhan selalu disertai dengan emisi partikel netral - neutrino (atau antineutrino). Partikel ini praktis tidak berinteraksi dengan materi, dan tidak akan dibahas lebih lanjut. Energi yang dilepaskan selama peluruhan didistribusikan antara partikel dan neutrino secara acak. Oleh karena itu, spektrum energi radiasi adalah kontinu (Gbr. 33.2).
Beras. 33.2. Spektrum energi -peluruhan
Ada dua jenis peluruhan .
1. Elektronik- -peluruhan terdiri dari transformasi satu neutron nuklir menjadi proton dan elektron. Dalam hal ini, partikel lain " muncul - antineutrino:
Sebuah elektron dan antineutrino terbang keluar dari nukleus. Skema elektronik - peluruhan ditulis sebagai
Selama peluruhan elektronik, nomor seri elemen Z bertambah 1, nomor massa A tidak berubah.
Energi partikel terletak pada kisaran 0,002-2,3 MeV.
2. Positron+ -peluruhan terdiri dari transformasi satu proton nuklir menjadi neutron dan positron. Dalam hal ini, partikel lain muncul - sebuah neutrino:
Penangkapan elektron itu sendiri tidak menghasilkan partikel pengion, tetapi itu terjadi disertai dengan x-ray. Radiasi ini terjadi ketika ruang yang dikosongkan oleh penyerapan elektron dalam diisi oleh elektron dari orbit luar.
Radiasi gamma memiliki sifat elektromagnetik dan merupakan foton dengan panjang gelombangλ ≤ 10 -10 m.
Radiasi gamma bukanlah jenis peluruhan radioaktif yang independen. Radiasi jenis ini hampir selalu menyertai tidak hanya peluruhan dan peluruhan , tetapi juga reaksi nuklir yang lebih kompleks. Tidak dibelokkan oleh medan listrik dan magnet, memiliki daya ionisasi yang relatif lemah dan daya tembus yang sangat tinggi.
33.3. Karakteristik kuantitatif interaksi radiasi pengion dengan materi
Dampak radiasi radioaktif pada organisme hidup dikaitkan dengan ionisasi, yang diinduksinya ke dalam jaringan. Kemampuan partikel untuk mengionisasi tergantung pada jenisnya dan energinya. Saat partikel bergerak lebih dalam ke dalam zat, ia kehilangan energinya. Proses ini disebut pengereman ionisasi.
Untuk mengkarakterisasi secara kuantitatif interaksi partikel bermuatan dengan materi, beberapa kuantitas digunakan:
Setelah energi partikel turun di bawah energi ionisasi, efek pengionnya berhenti.
Jarak tempuh linier rata-rata(R) dari partikel pengion bermuatan - jalur yang dilaluinya dalam suatu zat sebelum kehilangan kemampuan pengionnya.
Mari kita perhatikan beberapa ciri khas interaksi berbagai jenis radiasi dengan materi.
radiasi alfa
Partikel alfa praktis tidak menyimpang dari arah awal gerakannya, karena massanya berkali-kali lipat
Beras. 33.3. Ketergantungan kerapatan ionisasi linier pada lintasan yang dilalui oleh partikel dalam medium
massa elektron yang berinteraksi dengannya. Saat menembus jauh ke dalam zat, kerapatan ionisasi pertama meningkat, dan ketika akhir perjalanan (x = R) turun tajam ke nol (Gbr. 33.3). Ini dijelaskan oleh fakta bahwa dengan penurunan kecepatan gerakan, waktu yang dihabiskan di dekat molekul (atom) medium meningkat. Dalam hal ini, kemungkinan ionisasi meningkat. Setelah energi partikel sebanding dengan energi gerak termal molekul, partikel tersebut menangkap dua elektron dalam zat dan berubah menjadi atom helium.
Elektron yang dihasilkan selama proses ionisasi, sebagai suatu peraturan, menjauh dari lintasan partikel dan menyebabkan ionisasi sekunder.
Karakteristik interaksi partikel dengan air dan jaringan lunak disajikan pada Tabel. 33.2.
Tabel 33.2. Ketergantungan karakteristik interaksi dengan materi pada energi partikel
radiasi beta
Untuk gerakan β -partikel dalam materi dicirikan oleh lintasan lengkung yang tidak dapat diprediksi. Hal ini disebabkan oleh kesetaraan massa partikel yang berinteraksi.
Karakteristik interaksi β -partikel dengan air dan jaringan lunak disajikan pada Tabel. 33.3.
Tabel 33.3. Ketergantungan karakteristik interaksi dengan materi pada energi partikel
Seperti partikel , kekuatan ionisasi partikel meningkat dengan menurunnya energi.
Radiasi gamma
Penyerapan γ -radiasi oleh suatu zat mematuhi hukum eksponensial yang mirip dengan hukum penyerapan sinar-x:
Proses utama yang bertanggung jawab untuk penyerapan γ -radiasi adalah efek fotolistrik dan hamburan Compton. Ini menghasilkan sejumlah kecil elektron bebas (ionisasi primer), yang memiliki energi yang sangat tinggi. Merekalah yang menyebabkan proses ionisasi sekunder, yang jauh lebih tinggi daripada yang primer.
33.4. alami dan buatan
radioaktivitas. peringkat radioaktif
Ketentuan alami dan palsu radioaktivitas adalah kondisional.
alami sebut radioaktivitas isotop yang ada di alam, atau radioaktivitas isotop yang terbentuk sebagai hasil proses alam.
Misalnya, radioaktivitas uranium adalah alami. Radioaktivitas karbon 14 C, yang terbentuk di lapisan atas atmosfer di bawah pengaruh radiasi matahari, juga alami.
Palsu disebut radioaktivitas isotop yang timbul sebagai akibat dari aktivitas manusia.
Ini adalah radioaktivitas dari semua isotop yang dihasilkan dalam akselerator partikel. Ini juga termasuk radioaktivitas tanah, air dan udara, yang terjadi selama ledakan atom.
radioaktivitas alam
Pada periode awal mempelajari radioaktivitas, peneliti hanya dapat menggunakan radionuklida alam (isotop radioaktif) yang terkandung dalam batuan terestrial dalam jumlah yang cukup besar: 232 Th, 235 U, 238 U. Tiga deret radioaktif dimulai dengan radionuklida tersebut, diakhiri dengan isotop Pb yang stabil . Selanjutnya, seri mulai dari 237 Np ditemukan, dengan inti stabil akhir 209 Bi. pada gambar. 33.4 menunjukkan baris yang dimulai dengan 238 U.
Beras. 33.4. Seri uranium-radium
Elemen dari seri ini adalah sumber utama paparan internal manusia. Misalnya, 210 Pb dan 210 Po masuk ke tubuh dengan makanan - mereka terkonsentrasi pada ikan dan kerang. Kedua isotop ini terakumulasi dalam lumut dan karena itu hadir dalam daging rusa. Yang paling signifikan dari semua sumber radiasi alami adalah 222 Rn - gas inert berat yang dihasilkan dari peluruhan 226 Ra. Ini menyumbang sekitar setengah dari dosis radiasi alami yang diterima oleh manusia. Terbentuk di kerak bumi, gas ini meresap ke atmosfer dan masuk ke air (sangat mudah larut).
Isotop radioaktif kalium 40 K selalu ada di kerak bumi, yang merupakan bagian dari kalium alami (0,0119%). Dari tanah, elemen ini memasuki tubuh melalui sistem akar tanaman dan dengan makanan nabati (sereal, sayuran dan buah-buahan segar, jamur) - ke dalam tubuh.
Sumber lain dari radiasi alam adalah radiasi kosmik (15%). Intensitasnya meningkat di daerah pegunungan karena penurunan efek perlindungan atmosfer. Sumber radiasi latar belakang alami tercantum dalam Tabel. 33.4.
Tabel 33.4. Komponen latar belakang radioaktif alami
33.5. Penggunaan radionuklida dalam pengobatan
radionuklida disebut isotop radioaktif unsur kimia dengan waktu paruh pendek. Isotop semacam itu tidak ada di alam, sehingga diperoleh secara artifisial. Dalam pengobatan modern, radionuklida banyak digunakan untuk tujuan diagnostik dan terapeutik.
Aplikasi Diagnostik didasarkan pada akumulasi selektif unsur-unsur kimia tertentu oleh organ individu. Yodium, misalnya, terkonsentrasi di kelenjar tiroid, sedangkan kalsium terkonsentrasi di tulang.
Pengenalan radioisotop unsur-unsur ini ke dalam tubuh memungkinkan untuk mendeteksi area konsentrasinya oleh radiasi radioaktif dan dengan demikian memperoleh informasi diagnostik yang penting. Metode diagnostik ini disebut dengan metode atom berlabel.
Penggunaan terapeutik radionuklida didasarkan pada efek destruktif dari radiasi pengion pada sel tumor.
1. Terapi Gamma- penggunaan radiasi berenergi tinggi (sumber 60 Co) untuk penghancuran tumor yang terletak dalam. Agar jaringan dan organ yang terletak di permukaan tidak mengalami efek destruktif, efek radiasi pengion dilakukan dalam sesi yang berbeda ke arah yang berbeda.
2. terapi alfa- penggunaan terapeutik partikel-α. Partikel-partikel ini memiliki kerapatan ionisasi linier yang signifikan dan diserap bahkan oleh lapisan udara yang kecil. Oleh karena itu, terapi
penggunaan sinar alfa dimungkinkan dengan kontak langsung dengan permukaan organ atau dengan pengenalan di dalam (dengan jarum). Untuk paparan superfisial, terapi radon (222 Rn) digunakan: paparan kulit (mandi), organ pencernaan (minum), organ pernapasan (penghirupan).
Dalam beberapa kasus, penggunaan obat α -partikel dikaitkan dengan penggunaan fluks neutron. Dengan metode ini, unsur-unsur pertama kali dimasukkan ke dalam jaringan (tumor), yang intinya, di bawah aksi neutron, memancarkan α -partikel. Setelah itu, organ yang sakit disinari dengan fluks neutron. Dengan cara ini α -partikel terbentuk langsung di dalam organ, di mana mereka harus memiliki efek destruktif.
Tabel 33.5 mencantumkan karakteristik beberapa radionuklida yang digunakan dalam pengobatan.
Tabel 33.5. Karakterisasi isotop
33.6. Akselerator partikel dan penggunaannya dalam pengobatan
Akselerator- instalasi di mana, di bawah aksi medan listrik dan magnet, diperoleh sinar terarah dari partikel bermuatan dengan energi tinggi (dari ratusan keV hingga ratusan GeV).
Akselerator membuat sempit balok partikel dengan energi tertentu dan penampang kecil. Ini memungkinkan Anda untuk menyediakan diarahkan berdampak pada benda yang terkena radiasi.
Penggunaan akselerator dalam pengobatan
Akselerator elektron dan proton digunakan dalam pengobatan untuk terapi radiasi dan diagnostik. Dalam hal ini, partikel yang dipercepat itu sendiri dan radiasi sinar-X yang menyertainya digunakan.
Rontgen Bremsstrahlung diperoleh dengan mengarahkan berkas partikel ke target khusus, yang merupakan sumber sinar-x. Radiasi ini berbeda dari tabung sinar-X dengan energi foton yang jauh lebih tinggi.
Sinar-X sinkrotron terjadi dalam proses percepatan elektron dalam akselerator cincin - sinkrotron. Radiasi tersebut memiliki tingkat directivity yang tinggi.
Tindakan langsung partikel cepat dikaitkan dengan daya tembusnya yang tinggi. Partikel tersebut melewati jaringan permukaan tanpa menyebabkan kerusakan serius, dan memiliki efek pengion pada akhir perjalanannya. Dengan memilih energi partikel yang tepat, adalah mungkin untuk mencapai penghancuran tumor pada kedalaman tertentu.
Area penerapan akselerator dalam kedokteran ditunjukkan pada Tabel. 33.6.
Tabel 33.6. Penerapan akselerator dalam terapi dan diagnostik
33.7. Fondasi biofisik dari aksi radiasi pengion
Seperti disebutkan di atas, dampak radiasi radioaktif pada sistem biologis dikaitkan dengan: ionisasi molekul. Proses interaksi radiasi dengan sel dapat dibagi menjadi tiga tahapan (tahapan).
1. panggung fisik terdiri dari transfer energi radiasi ke molekul sistem biologis, menghasilkan ionisasi dan eksitasinya. Durasi tahap ini adalah 10 -16 -10 -13 s.
2. Fisiko-kimia tahap terdiri dari berbagai jenis reaksi yang mengarah ke redistribusi energi berlebih dari molekul dan ion yang tereksitasi. Akibatnya, sangat aktif
produk: radikal dan ion baru dengan berbagai sifat kimia.
Durasi tahap ini adalah 10 -13 -10 -10 s.
3. Tahap kimia - ini adalah interaksi radikal dan ion satu sama lain dan dengan molekul di sekitarnya. Pada tahap ini, kerusakan struktural dari berbagai jenis terbentuk, yang mengarah pada perubahan sifat biologis: struktur dan fungsi membran terganggu; lesi terjadi pada molekul DNA dan RNA.
Durasi tahap kimia adalah 10 -6 -10 -3 s.
4. tahap biologis. Pada tahap ini, kerusakan molekul dan struktur subseluler menyebabkan berbagai gangguan fungsional, kematian sel prematur akibat aksi mekanisme apoptosis atau karena nekrosis. Kerusakan yang diterima pada tahap biologis dapat diwariskan.
Durasi tahap biologis adalah dari beberapa menit hingga puluhan tahun.
Kami mencatat pola umum tahap biologis:
Pelanggaran besar dengan energi yang diserap rendah (dosis radiasi mematikan bagi seseorang menyebabkan pemanasan tubuh hanya 0,001 ° C);
Tindakan pada generasi berikutnya melalui alat turun-temurun sel;
Sebuah periode laten laten adalah karakteristik;
Bagian sel yang berbeda memiliki kepekaan yang berbeda terhadap radiasi;
Pertama-tama, sel-sel yang membelah terpengaruh, yang sangat berbahaya bagi tubuh anak;
Efek destruktif pada jaringan organisme dewasa, di mana ada divisi;
Kesamaan radiasi berubah dengan patologi penuaan dini.
33.8. Konsep dan rumus dasar
Lanjutan tabel
33.9. tugas
1. Berapakah aktivitas obat jika 10.000 inti zat ini meluruh dalam waktu 10 menit?
4.
Usia sampel kayu purba kira-kira dapat ditentukan oleh aktivitas massa spesifik dari isotop 14 6 C di dalamnya. Berapa tahun yang lalu sebuah pohon ditebang yang digunakan untuk membuat suatu objek, jika aktivitas massa spesifik karbon di dalamnya adalah 75% dari aktivitas massa spesifik pohon yang sedang tumbuh? Waktu paruh radon adalah T = 5570 tahun.
9.
Setelah kecelakaan Chernobyl, di beberapa tempat pencemaran tanah dengan radioaktif cesium-137 berada pada level 45 Ci/km 2 .
Setelah berapa tahun aktivitas di tempat-tempat tersebut akan menurun ke tingkat yang relatif aman 5 Ci/km 2 . Waktu paruh sesium-137 adalah T = 30 tahun.
10.
Aktivitas yodium-131 yang diizinkan di kelenjar tiroid manusia tidak boleh lebih dari 5 nCi. Pada beberapa orang yang berada di area bencana Chernobyl, aktivitas yodium-131 mencapai 800 nCi. Setelah berapa hari aktivitas menurun menjadi normal? Waktu paruh yodium-131 adalah 8 hari.
11.
Metode berikut digunakan untuk menentukan volume darah pada hewan. Sejumlah kecil darah diambil dari hewan, eritrosit dipisahkan dari plasma dan ditempatkan dalam larutan dengan fosfor radioaktif, yang diasimilasi oleh eritrosit. Eritrosit berlabel dimasukkan kembali ke dalam sistem peredaran darah hewan, dan setelah beberapa waktu aktivitas sampel darah ditentukan.
V = 1 ml larutan ini disuntikkan ke dalam darah beberapa hewan. Aktivitas awal volume ini adalah A 0 = 7000 Bq. Aktivitas 1 ml darah yang diambil dari vena hewan sehari kemudian sama dengan 38 denyut per menit. Tentukan volume darah hewan tersebut jika waktu paruh fosfor radioaktif adalah T = 14,3 hari.
