N=N 0 e - λt é a lei do decaimento radioativo, onde N é o número de núcleos não decaídos, N 0 é o número de núcleos iniciais.
O significado físico da constante de decaimento é a probabilidade de decaimento nuclear por unidade de tempo. Os tempos de vida característicos para núcleos radioativos são τ> 10 -14 s. Os tempos de vida dos núcleos devido à emissão de nucleons 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.
Tipos de decaimento radioativo. α - decaimento, esquema de decaimento, padrões de decaimento.
O decaimento radioativo é o processo de transformação de núcleos atômicos instáveis em núcleos de outros elementos, que é acompanhado pela emissão de partículas.
Tipos de decaimento radioativo:
1)α - decaimento - é acompanhado pela emissão de átomos de hélio.
2)β - decaimento - emissão de elétrons e pósitrons.
3)γ - decaimento - a emissão de fótons durante as transições entre os estados dos núcleos.
4) Fissão nuclear espontânea.
5) Radioatividade do núcleo.
α - decaimento: A 2 X→ A-Y Z-2 Y+ 4 2 He. O decaimento Α é observado em núcleos pesados. O espectro de decaimento α - é discreto. Run comprimento α - partículas no ar: 3-7 cm; para substâncias densas: 10 -5 m. T 1/2 10 -7 s ÷ 10 10 anos.
β - decaimento. Esquemas β+, β- e K-captura. Regularidades de β - decaimento.
β - decaimento é devido à interação fraca. É fraco em relação aos núcleos fortes. Todas as partículas, exceto os fótons, participam de interações fracas. O ponto é a degeneração de novas partículas. T 1/2 10 -2 s ÷ 10 20 anos. O caminho livre do nêutron é 10 19 km.
β - decaimento inclui 3 tipos de decaimento:
1) β - ou eletrônico. O núcleo emite elétrons. No geral:
A 2 X→ A Z -1 Y+ 0 -1 e+υ e .
2)β+ ou pósitron. São emitidas antipartículas de elétrons – pósitrons: 1 1 p→ 1 0 n+ 0 1 e+υ e – reação de transformação de um próton em um nêutron. A reação não desaparece sozinha. Visão geral da reação: A Z X→ A Z -1 Y+ 0 1 e+υ e . Observado em núcleos radioativos artificiais.
3) Captura eletrônica. Há uma transformação do núcleo, captura a camada K e se transforma em nêutron: 1 1 p+ 0 -1 e→ 1 0 n+υ e . Visão geral: A Z X+ 0 1 e→ A Z -1 Y+υ e . Como resultado da captura elétrica, apenas uma partícula voa para fora dos núcleos. Acompanhado por radiação de raios-x característica.
Atividade MAS nuclídeo(nome geral para núcleos atômicos que diferem no número de prótons Z e nêutrons N) em uma fonte radioativa é o número de decaimentos que ocorrem com os núcleos da amostra em 1 s:
unidade SI de atividade - becquerel(Bq): 1 Bq é a atividade do nuclídeo, na qual um ato de decaimento ocorre em 1 s. Até agora, em física nuclear, uma unidade fora do sistema de atividade de nuclídeos em uma fonte radioativa também é usada - curie(Ci): 1 Ci = 3,710 10 Bq.
O decaimento radioativo ocorre de acordo com o chamado regras de deslocamento, permitindo estabelecer qual núcleo surge como resultado do decaimento de um determinado núcleo pai. Regras de compensação:
onde X é o núcleo pai, Y é o símbolo do núcleo filho, He é o núcleo de hélio ( -partícula), e- designação simbólica de um elétron (sua carga é -1 e seu número de massa é zero). As regras de deslocamento nada mais são do que uma consequência de duas leis que são cumpridas durante os decaimentos radioativos - conservação da carga elétrica e conservação do número de massa: a soma das cargas (números de massa) de núcleos e partículas emergentes é igual à carga (número de massa) do núcleo original.
28. Principais regularidades do a-decaimento. efeito túnel. Propriedades da radiação a.
α-decaimento chamado de decaimento espontâneo do núcleo atômico em um núcleo filho e uma partícula α (o núcleo do átomo de 4 He).
α-decaimento, como regra, ocorre em núcleos pesados com um número de massa MAS≥140 (embora existam algumas exceções). Dentro de núcleos pesados, devido à propriedade de saturação das forças nucleares, são formadas partículas α separadas, consistindo em dois prótons e dois nêutrons. A partícula α resultante está sujeita a uma ação maior das forças repulsivas de Coulomb dos prótons do núcleo do que prótons individuais. Ao mesmo tempo, a partícula α experimenta menos atração nuclear para os nucleons do núcleo do que o resto dos nucleons. A partícula alfa resultante na fronteira do núcleo é refletida para dentro da barreira de potencial, mas com alguma probabilidade ela pode superá-la (ver efeito túnel) e voar para fora. À medida que a energia da partícula alfa diminui, a permeabilidade da barreira de potencial diminui exponencialmente, de modo que o tempo de vida dos núcleos com uma energia disponível mais baixa de decaimento alfa, sendo outras coisas iguais, é maior.
Regra de deslocamento de Soddy para α-decaimento:
Como resultado do decaimento α, o elemento é deslocado em 2 células para o início da tabela periódica, o número de massa do núcleo filho diminui em 4.
efeito túnel- superação de uma barreira potencial por uma micropartícula no caso em que sua energia total (permanecendo inalterada durante o tunelamento) for menor que a altura da barreira. O efeito túnel é um fenômeno de natureza exclusivamente quântica, impossível e até completamente contrário à mecânica clássica. Um análogo do efeito túnel em óptica ondulatória pode ser a penetração de uma onda de luz em um meio refletor (a distâncias da ordem do comprimento de onda da luz) sob condições em que, do ponto de vista da óptica geométrica, ocorre reflexão interna total . O fenômeno do tunelamento está subjacente a muitos processos importantes na física atômica e molecular, na física do núcleo atômico, estado sólido, etc.
O efeito túnel pode ser explicado pela relação de incerteza. Escrito como:
mostra que quando uma partícula quântica é limitada ao longo da coordenada, ou seja, sua certeza ao longo x, seu impulso p torna-se menos certo. Aleatoriamente, a incerteza do momento pode adicionar energia à partícula para superar a barreira. Assim, com alguma probabilidade, uma partícula quântica pode penetrar na barreira, enquanto a energia média da partícula permanece inalterada.
A radiação alfa tem o menor poder de penetração (para absorver partículas alfa, basta uma folha de papel grosso) no tecido humano a uma profundidade inferior a um milímetro.
29. Regularidades básicas do decaimento b e suas propriedades. Neutrino. Captação eletrônica. (ver 27)
Becquerel provou que os raios β são um fluxo de elétrons. O decaimento β é uma manifestação da interação fraca.
β-decaimento(mais precisamente, decaimento beta menos, -decaimento) é um decaimento radioativo, acompanhado pela emissão de um elétron e um antineutrino do núcleo.
O decaimento β é um processo intranucleon. Ocorre como resultado da transformação de um dos d-quarks em um dos nêutrons do núcleo em você-quark; neste caso, o nêutron é convertido em um próton com a emissão de um elétron e um antineutrino:
Regra de deslocamento de Soddy para -decay:
Após o decaimento, o elemento é deslocado em 1 célula para o final da tabela periódica (a carga nuclear aumenta em um), enquanto o número de massa do núcleo não muda.
Existem também outros tipos de decaimento beta. No decaimento de pósitrons (beta mais decaimento), o núcleo emite um pósitron e um neutrino. Nesse caso, a carga do núcleo diminui em um (o núcleo é deslocado uma célula para o início da tabela periódica). Decaimento de pósitrons sempre acompanhado por um processo competitivo - captura de elétrons (quando o núcleo captura um elétron da camada atômica e emite um neutrino, enquanto a carga do núcleo também diminui em um). No entanto, o inverso não é verdadeiro: muitos nuclídeos, para os quais o decaimento de pósitrons é proibido, sofrem captura de elétrons. O tipo mais raro de decaimento radioativo conhecido é o decaimento beta duplo, que foi detectado até agora em apenas dez nuclídeos, com meias-vidas superiores a 10-19 anos. Todos os tipos de decaimento beta conservam o número de massa do núcleo.
Neutrino- uma partícula fundamental neutra com um spin semi-inteiro, participando apenas de interações fracas e gravitacionais e pertencente à classe dos léptons.
Punho eletrônico, e captura - um dos tipos de decaimento beta de núcleos atômicos. Na captura de elétrons, um dos prótons do núcleo captura um elétron em órbita e se transforma em um nêutron, emitindo um neutrino do elétron. A carga do núcleo é então reduzida em um. O número de massa do núcleo, como em todos os outros tipos de decaimento beta, não muda. Este processo é característico de núcleos ricos em prótons. Se a diferença de energia entre o átomo pai e filho (a energia disponível do decaimento beta) exceder 1,022 MeV (duas vezes a massa de um elétron), a captura de elétrons sempre compete com outro tipo de decaimento beta, o decaimento de pósitron. Por exemplo, o rubídio-83 é convertido em criptônio-83 apenas por meio da captura de elétrons (a energia disponível é de cerca de 0,9 MeV), enquanto o sódio-22 decai em neônio-22 por meio da captura de elétrons e do decaimento de pósitrons (a energia disponível é de cerca de 2,8 MeV).
Como o número de prótons no núcleo (ou seja, a carga nuclear) diminui durante a captura de elétrons, esse processo transforma o núcleo de um elemento químico no núcleo de outro elemento localizado mais próximo do início da tabela periódica.
Fórmula geral para captura de elétrons
30. Radiação γ de núcleos e suas propriedades. Interacção da radiação γ com a matéria. O surgimento e destruição de pares elétron-pósitron.
Foi estabelecido experimentalmente que -a radiação não é um tipo independente de radioatividade, mas apenas acompanha - e -decai e também ocorre durante reações nucleares, durante a desaceleração de partículas carregadas, seu decaimento, etc. - O espectro é uma linha. -Espectro é a distribuição de um número -quanta em energia. discrição -espectro é de fundamental importância, pois é a prova da discrição dos estados de energia dos núcleos atômicos.
Agora está firmemente estabelecido que -a radiação é emitida pelo núcleo filho (e não pelo pai). O núcleo filho no momento de sua formação, sendo excitado, passa para o estado fundamental com emissão -radiação. Voltando ao estado fundamental, o núcleo excitado pode passar por uma série de estados intermediários, então -a radiação do mesmo isótopo radioativo pode conter vários grupos -quanta diferem uns dos outros em sua energia.
No - radiação MAS e Z kernels não mudam, então não é descrito por nenhuma regra de deslocamento. - A radiação da maioria dos núcleos tem comprimento de onda tão curto que suas propriedades de onda se manifestam muito fracamente. Aqui, as propriedades corpusculares vêm à tona, portanto, -a radiação é considerada como um fluxo de partículas - -quanta. Durante decaimentos radioativos de vários núcleos -quanta tem energias de 10 keV a 5 MeV.
Um núcleo em estado excitado pode passar para o estado fundamental não apenas emitindo -quantum, mas também com transferência direta de energia de excitação (sem emissão prévia -quântico) a um dos elétrons do mesmo átomo. Isso produz os chamados elétron de conversão. O fenômeno em si é chamado conversão interna. A conversão interna é um processo que compete com -radiação.
Os elétrons de conversão correspondem a valores discretos de energia, que dependem da função trabalho do elétron da camada de onde o elétron escapa e da energia E, dado pelo núcleo durante a transição do estado excitado para o estado fundamental. Se toda a energia E se destaca na forma -quantum, então a frequência de radiação é determinado a partir da relação conhecida E=h. Se os elétrons de conversão interna são emitidos, então suas energias são iguais a E-A K , E-AL , .... Onde A K , A L , ... - função trabalho de um elétron PARA- e eu-cartuchos. A natureza monoenergética dos elétrons de conversão permite distingui-los dos -elétrons, cujo espectro é contínuo. A lacuna na camada interna do átomo que surgiu como resultado da emissão de um elétron será preenchida com elétrons das camadas sobrejacentes. Portanto, a conversão interna é sempre acompanhada por emissão característica de raios X.
-Quantos, tendo massa de repouso zero, não podem desacelerar no meio, portanto, ao passar por ele - radiação através da substância, eles são absorvidos ou espalhados por ela. -Quanta não carrega uma carga elétrica e, portanto, não sofre a influência das forças de Coulomb. Ao passar o feixe -quanta através da matéria, sua energia não muda, mas como resultado de colisões, a intensidade é enfraquecida, cuja mudança é descrita pela lei exponencial EU=EU 0e- x (EU 0 e EU- intensidade -radiação na entrada e saída da camada de material absorvente com espessura x, - coeficiente de absorção). Porque radiação é a radiação mais penetrante, então para muitas substâncias - um valor muito pequeno; depende das propriedades da matéria e da energia -quanta.
-Quanta, passando pela matéria, pode interagir tanto com a camada eletrônica dos átomos da matéria, quanto com seus núcleos. Na eletrodinâmica quântica, está provado que os principais processos que acompanham a passagem -radiação através da matéria são o efeito fotoelétrico, o efeito Compton (espalhamento Compton) e a formação de pares elétron-pósitron.
efeito fotoelétrico, ou absorção fotoelétrica - radiação,é o processo pelo qual um átomo absorve -quântico e emite um elétron. Como o elétron é expulso de uma das camadas internas do átomo, o espaço vago é preenchido com elétrons das camadas sobrejacentes, e o efeito fotoelétrico é acompanhado por radiação de raios X característica. O efeito fotoelétrico é o mecanismo de absorção predominante em baixas energias. -quanta ( E 100 keV). O efeito fotoelétrico só pode ocorrer em elétrons ligados, pois um elétron livre não pode absorver -quântico, enquanto as leis de conservação de energia e momento não são satisfeitas simultaneamente.
À medida que a energia aumenta -quanta ( E0,5 MeV) a probabilidade do efeito fotoelétrico é muito pequena e o principal mecanismo de interação -quanta com matéria é Efeito Compton.
No E>l,02 MeV=2 m e c 2 (t e- massa de repouso de um elétron) torna-se possível o processo de formação de pares elétron-pósitron nos campos elétricos dos núcleos. A probabilidade deste processo é proporcional a Z 2 e aumenta com o crescimento E. Portanto, quando E Processo de interação principal de 10 MeV -a radiação em qualquer substância é formam pares elétron-pósitron.
Se a energia -quantum excede a energia de ligação dos nucleons no núcleo (7-8 MeV), então como resultado da absorção - o quantum pode ser observado efeito fotoelétrico nuclear- ejeção do núcleo de um dos nucleons, na maioria das vezes um nêutron.
Grande poder de penetração - a radiação é usada na detecção de falhas gama - um método de detecção de falhas baseado em diferentes absorção -radiação quando se propaga na mesma distância em diferentes meios. A localização e o tamanho dos defeitos (cavidades, rachaduras, etc.) são determinados pela diferença nas intensidades da radiação que passou por diferentes partes do produto translúcido.
Impacto - radiação (assim como outros tipos de radiação ionizante) em uma substância caracterizam dose de radiação ionizante. Diferenciar:
Dose de radiação absorvida- quantidade física igual à razão entre a energia da radiação e a massa da substância irradiada.
Unidade de dose de radiação absorvida - cinzento(Gy)*: 1 Gy= 1 J/kg - dose de radiação na qual a energia de qualquer radiação ionizante de 1 J é transferida para uma substância irradiada pesando 1 kg.
31. Obtenção de elementos transurânicos. Leis básicas das reações de fissão nuclear.
ELEMENTOS TRANSURANOS, elementos químicos localizados no sistema periódico após o urânio, ou seja, com número atômico Z >92.
Todos os elementos transurânicos foram sintetizados por reações nucleares (apenas vestígios de Np e Pu foram encontrados na natureza). Os elementos transurânicos são radioativos; com o aumento Z meia-vida T 1/2 elementos transurânicos é drasticamente reduzido.
Em 1932, após a descoberta do nêutron, foi sugerido que quando o urânio fosse irradiado com nêutrons, os isótopos dos primeiros elementos transurânicos deveriam ser formados. E em 1940, E. Macmillan e F. Ableson sintetizaram o neptúnio (número de série 93) usando uma reação nuclear e estudaram suas propriedades químicas e radioativas mais importantes. Ao mesmo tempo, ocorreu a descoberta do próximo elemento transurânico, o plutônio. Ambos os novos elementos receberam nomes de planetas do sistema solar.
Todos os elementos de transurânio até e incluindo 101 foram sintetizados através do uso de partículas de bombardeio de luz: nêutrons, dêuterons e partículas alfa. O processo de síntese consistia em irradiar o alvo com fluxos de nêutrons ou partículas carregadas. Se o U for usado como alvo, com a ajuda de poderosos fluxos de nêutrons gerados em reatores nucleares ou durante a explosão de dispositivos nucleares, é possível obter todos os elementos transurânicos, até Fm ( Z= 100) inclusive. Elementos com Z 1 ou 2 a menos que o elemento sintetizado. Entre 1940 e 1955 Cientistas americanos liderados por G. Seaborg sintetizaram nove novos elementos que não existem na natureza: Np (neptúnio), Pu (plutônio), Am (amerício), Cm (cúrio), Bk (berquélio), Cf (califórnio), Es ( einstênio), Fm (férmio), Md (mendelévio). Em 1951, G. Seaborg e E. M. Macmillan receberam o Prêmio Nobel "por suas descobertas no campo da química dos elementos transurânicos".
As possibilidades do método para a síntese de elementos radioativos pesados, em que se utiliza a irradiação com partículas leves, são limitadas, não permitindo a obtenção de núcleos com Z> 100. O elemento com Z = 101 (mendelévio) foi descoberto em 1955 pela irradiação de 253 99Es (einstênio) com partículas a aceleradas. A síntese de novos elementos transurânicos tornou-se cada vez mais difícil à medida que passávamos para valores mais altos Z. Os valores das meias-vidas de seus isótopos acabaram sendo cada vez menores.
Reação nuclear - o processo de transformação de núcleos atômicos, que ocorre quando eles interagem com partículas elementares, gama quanta e entre si, muitas vezes levando à liberação de uma enorme quantidade de energia. Durante o curso das reações nucleares, as seguintes leis são cumpridas: conservação da carga elétrica e do número de nucleons, conservação da energia e
conservação de momento, conservação de momento angular, conservação de paridade e
spin isotópico.
Reação de fissão - a divisão de um núcleo atômico em vários núcleos mais leves. As divisões são forçadas e espontâneas.
A reação de fusão é a fusão de núcleos leves em um. Essa reação ocorre apenas em altas temperaturas, da ordem de 10 8 K, e é chamada de reação termonuclear.
O rendimento de energia da reação Q é a diferença entre as energias de repouso totais de todas as partículas antes e depois da reação nuclear. Se Q > 0, então a energia total de repouso diminui no decorrer de uma reação nuclear. Tais reações nucleares são chamadas de exoenergéticas. Eles podem prosseguir com uma energia cinética inicial arbitrariamente pequena das partículas. Por outro lado, para 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. Reação em cadeia de fissão. Reação em cadeia controlada. Reator nuclear.
Os nêutrons secundários emitidos durante a fissão nuclear podem causar novos eventos de fissão, o que possibilita a realização de reação em cadeia de fissão- uma reação nuclear na qual as partículas que causam a reação são formadas como produtos dessa reação. A reação em cadeia de fissão é caracterizada por fator de multiplicação k nêutrons, que é igual à razão entre o número de nêutrons em uma dada geração e seu número na geração anterior. Condição necessaria para o desenvolvimento de uma reação em cadeia de fissão é requisito k 1.
Acontece que nem todos os nêutrons secundários resultantes causam fissão nuclear subsequente, o que leva a uma diminuição no fator de multiplicação. Primeiro, devido às dimensões finitas essencial(o espaço onde ocorre a reação em cadeia) e o alto poder de penetração dos nêutrons, alguns deles deixarão o núcleo antes de serem capturados por qualquer núcleo. Em segundo lugar, parte dos nêutrons é capturada pelos núcleos de impurezas não físseis, que estão sempre presentes no núcleo. Além disso, juntamente com a fissão, podem ocorrer processos concorrentes de captura radiativa e espalhamento inelástico.
O fator de multiplicação depende da natureza do material cindível e, para um determinado isótopo, de sua quantidade, bem como do tamanho e forma da zona ativa. As dimensões mínimas da zona ativa na qual uma reação em cadeia é possível são chamadas dimensões críticas. A massa mínima de material cindível localizado em um sistema de tamanhos críticos, necessária para a implementação reação em cadeia, chamado massa crítica.
A taxa de desenvolvimento de reações em cadeia é diferente. Deixar T- a vida média de uma geração, e N- o número de nêutrons em uma dada geração. Na próxima geração, seu número é kN, t. e. aumento no número de nêutrons por geração dN=kN-N=N(k- 1). O aumento no número de nêutrons por unidade de tempo, ou seja, a taxa de crescimento da reação em cadeia,
Integrando (266.1), obtemos
Onde N 0 é o número de nêutrons no momento inicial de tempo, e N- seu número de cada vez t. Né definido pelo sinal ( k- 1). No k> 1 está chegando reação em desenvolvimento, o número de divisões cresce continuamente e a reação pode se tornar explosiva. No k=1 vai reação autossustentável, em que o número de nêutrons não muda com o tempo. No k<1 идет затухающая реакция.
As reações em cadeia são divididas em gerenciou e não gerenciado. A explosão de uma bomba atômica, por exemplo, é uma reação descontrolada. Para evitar que uma bomba atômica exploda durante o armazenamento, U (ou Pu) nela é dividido em duas partes distantes uma da outra com massas abaixo do crítico. Então, com a ajuda de uma explosão comum, essas massas se aproximam, a massa total do material físsil se torna mais crítica e ocorre uma reação em cadeia explosiva, acompanhada de uma liberação instantânea de uma enorme quantidade de energia e grande destruição. A reação explosiva começa devido a nêutrons de fissão espontâneos disponíveis ou nêutrons de radiação cósmica. As reações em cadeia controladas são realizadas em reatores nucleares.
Existem três isótopos na natureza que podem servir como combustível nuclear (U: urânio natural contém aproximadamente 0,7%) ou matérias-primas para sua produção (Th e U: urânio natural contém aproximadamente 99,3%). Th serve como o produto inicial para a obtenção do combustível nuclear artificial U (ver reação (265.2)) e U, absorvendo nêutrons, através de dois – -decays - para transformação em um núcleo de Pu:
As reações (266.2) e (265.2), assim, abrem uma possibilidade real de reprodução do combustível nuclear no processo de uma reação em cadeia de fissão.
Reator nuclear- Este é um dispositivo no qual é realizada uma reação nuclear em cadeia controlada, acompanhada pela liberação de energia. O primeiro reator nuclear foi construído e lançado em dezembro de 1942 nos EUA sob a liderança de E. Fermi. O primeiro reator construído fora dos Estados Unidos foi o ZEEP, lançado no Canadá em setembro de 1945. Na Europa, o primeiro reator nuclear foi a instalação F-1, lançada em 25 de dezembro de 1946 em Moscou sob a liderança de I. V. Kurchatov.
Em 1978, cerca de uma centena de reatores nucleares de vários tipos já estavam operando no mundo. Os componentes de qualquer reator nuclear são: um núcleo com combustível nuclear, geralmente cercado por um refletor de nêutrons, um refrigerante, um sistema de controle de reação em cadeia, proteção contra radiação, um sistema de controle remoto. A principal característica de um reator nuclear é sua potência. Uma potência de 1 MW corresponde a uma reação em cadeia na qual ocorrem 3,10 16 eventos de fissão em 1 segundo.
33. Fusão termonuclear. Energia da estrela. Fusão termonuclear controlada.
reação termonuclearé uma reação de fusão de núcleos leves em núcleos mais pesados.
Para sua implementação, é necessário que os núcleos iniciais ou núcleos leves se aproximem a distâncias iguais ou inferiores ao raio da esfera de ação das forças nucleares de atração (ou seja, até distâncias de 10 -15 m). Essa aproximação mútua dos núcleos é impedida pelas forças repulsivas de Coulomb que atuam entre os núcleos carregados positivamente. Para que uma reação de fusão ocorra, é necessário aquecer uma substância de alta densidade a temperaturas ultraelevadas (da ordem de centenas de milhões de Kelvin) para que a energia cinética do movimento térmico dos núcleos seja suficiente para superar a repulsão de Coulomb. forças. A tais temperaturas, a matéria existe na forma de um plasma. Como a fusão só pode ocorrer em temperaturas muito altas, as reações de fusão nuclear são chamadas de reações termonucleares (do grego. terma"calor, calor").
As reações termonucleares liberam uma energia enorme. Por exemplo, na reação de fusão de deutério com a formação de hélio
3,2 MeV de energia são liberados. Na reação da síntese de deutério com a formação de trítio
4,0 MeV de energia são liberados, e na reação
17,6 MeV de energia são liberados.
Fusão termonuclear controlada (TCB) - a síntese de núcleos atômicos mais pesados a partir de núcleos mais leves para obter energia, que, ao contrário da fusão termonuclear explosiva (usada em dispositivos explosivos termonucleares), é controlada. A fusão termonuclear controlada difere da energia nuclear tradicional na medida em que esta última utiliza uma reação de fissão, durante a qual núcleos mais leves são obtidos a partir de núcleos pesados. As principais reações nucleares planejadas para serem usadas para fusão controlada usarão deutério (2 H) e trítio (3 H) e, a longo prazo, hélio-3 (3 He) e boro-11 (11 B).
34. Fontes e métodos de registo de partículas elementares. Tipos de interações e classes de partículas elementares. Antipartículas.
contador Geiger
- serve para contar o número de partículas radioativas (principalmente elétrons).
É um tubo de vidro cheio de gás (argônio) com dois eletrodos dentro (cátodo e ânodo).
Durante a passagem de uma partícula, ocorre a ionização do gás por impacto e ocorre um pulso de corrente elétrica.
Vantagens:
- compacidade
- eficiência
- atuação
- alta precisão (10.000 partículas/s).
Onde é usado:
- registro de contaminação radioativa no solo, em instalações, roupas, produtos, etc.
- em instalações de armazenamento de materiais radioativos ou com reatores nucleares em operação
- ao procurar depósitos de minério radioativo (U, Th)
câmara de nuvens
- serve para observar e fotografar vestígios da passagem de partículas (trilhos).
O volume interno da câmara é preenchido com vapores de álcool ou água em estado supersaturado:
quando o pistão é abaixado, a pressão dentro da câmara diminui e a temperatura diminui, como resultado do processo adiabático, o vapor supersaturado é formado.
Gotas de umidade se condensam ao longo do caminho da passagem da partícula e uma trilha é formada - um traço visível.
Quando uma câmera é colocada em um campo magnético, a trilha pode ser usada para determinar a energia, velocidade, massa e carga de uma partícula.
As características de uma partícula radioativa voadora são determinadas pelo comprimento e espessura da trilha, por sua curvatura em um campo magnético.
Por exemplo, uma partícula alfa fornece uma trilha espessa contínua,
próton - trilha fina,
elétron - trilha pontilhada.
câmara de bolhas
Variante da câmara de nuvem
Com uma diminuição acentuada no pistão, o fluido sob alta pressão entra em um estado superaquecido. Com o movimento rápido da partícula ao longo da trilha, bolhas de vapor são formadas, ou seja, o líquido ferve, a trilha é visível.
Vantagens sobre a câmara de nuvens:
- alta densidade do meio, portanto, faixas curtas
- as partículas ficam presas na câmara e pode ser realizada uma observação adicional das partículas
- mais velocidade.
Método de emulsões fotográficas de camada espessa
- serve para registrar partículas
- permite registrar fenômenos raros devido ao longo tempo de exposição.
A emulsão fotográfica contém uma grande quantidade de microcristais de brometo de prata.
As partículas que chegam ionizam a superfície das emulsões fotográficas. Os cristais de AgBr se desintegram sob a ação de partículas carregadas e, ao se desenvolverem, revela-se um traço da passagem de uma partícula, um rastro.
A energia e a massa das partículas podem ser determinadas a partir do comprimento e da espessura da trilha.
Classes de partículas e tipos de interações
Atualmente, há uma firme crença de que tudo na natureza é construído a partir de partículas elementares, e todos os processos naturais são devidos à interação dessas partículas. Hoje, as partículas elementares são entendidas como quarks, léptons, bósons de calibre e partículas escalares de Higgs. Sob interações fundamentais - forte, eletro-fraca e gravitacional. Assim, é condicionalmente possível destacar quatro classes de partículas elementares e três tipos de interações fundamentais.
Neutrinos são eletricamente neutros; o elétron, o múon e o lépton tau possuem cargas elétricas. Os léptons participam das interações eletrofracas e gravitacionais.
Terceira classe são quarks. Hoje, seis quarks são conhecidos - cada um dos quais pode ser "colorido" em uma das três cores. Como os léptons, é conveniente organizá-los na forma de três famílias
Os quarks livres não são observados. Juntamente com os glúons, eles são os componentes dos hádrons, dos quais existem várias centenas. Os hádrons, como os quarks que os compõem, participam de todos os tipos de interações.
quarta série- Partículas de Higgs, ainda não detectadas experimentalmente. No esquema mínimo, um escalar de Higgs é suficiente. Seu papel na natureza hoje é principalmente "teórico" e é tornar a interação eletro-fraca renormalizável. Em particular, as massas de todas as partículas elementares são o "trabalho manual" do condensado de Higgs. Talvez a introdução dos campos de Higgs seja necessária para resolver problemas fundamentais da cosmologia, como a homogeneidade e a causalidade do universo.
As palestras subsequentes sobre a teoria da estrutura dos quarks dos hádrons são dedicadas aos hádrons e quarks. O foco será na classificação de partículas, simetrias e leis de conservação.
35. Leis de conservação em transformações de partículas elementares. O conceito de quarks.
Um quark é uma partícula fundamental no Modelo Padrão que tem uma carga elétrica que é um múltiplo de e/3, e não é observado no estado livre. Quarks são partículas pontuais até uma escala de cerca de 0,5·10-19 m, que é cerca de 20 mil vezes menor que o tamanho de um próton. Os quarks formam os hádrons, especificamente o próton e o nêutron. Atualmente, são conhecidos 6 "tipos" diferentes (mais frequentemente eles dizem - "sabores") de quarks, cujas propriedades são dadas na tabela. Além disso, para a descrição de calibre da interação forte, postula-se que os quarks também possuem uma característica interna adicional chamada "cor". Cada quark corresponde a um antiquark com números quânticos opostos.
A hipótese de que os hádrons são construídos a partir de subunidades específicas foi apresentada pela primeira vez por M. Gell-Mann e, independentemente dele, J. Zweig em 1964.
A palavra "quark" foi emprestada por Gell-Mann do romance Finnegans Wake de J. Joyce, onde em um dos episódios a frase "Três quarks para Muster Mark!" (geralmente traduzido como "Três quarks para Master/Muster Mark!"). A própria palavra "quark" nesta frase é supostamente uma onomatopeia do grito das aves marinhas.
Radiação radioativa e seus tipos
O físico francês A. Becquerel em 1896, enquanto estudava a luminescência dos sais de urânio, descobriu acidentalmente sua emissão espontânea de radiação de natureza desconhecida, que agia sobre uma chapa fotográfica, ionizava o ar, penetrava através de finas chapas metálicas e causava a luminescência de uma série de substâncias. Continuando o estudo desse fenômeno, os cônjuges de Curie - Marie e Pierre - descobriram que a radiação de Becquerel é característica não apenas do urânio, mas também de muitos outros elementos pesados, como o tório e o actínio. Eles também mostraram que a pechblenda de urânio (o minério do qual é extraído o urânio metálico) emite radiação cuja intensidade é muitas vezes maior que a do urânio. Assim, foi possível isolar dois novos elementos - portadores da radiação Becquerel: polônio e rádio.
A radiação detectada foi chamada radiação radioativa , e o fenômeno em si é a emissão de radiação radioativa - radioatividade.
Tipos de radiação radioativa:
1) - radiação
É desviado por campos elétricos e magnéticos, possui alta capacidade de ionização e baixo poder de penetração. Representa um fluxo de núcleos de hélio; a carga da partícula - é igual a +2e, e a massa coincide com a massa do núcleo do isótopo de hélio. De acordo com o desvio de - partículas em campos elétricos e magnéticos, sua carga específica foi determinada, cujo valor confirmou a exatidão das idéias sobre sua natureza.
2) -radiação
Rejeitados por campos elétricos e magnéticos; sua capacidade de ionização é muito menor (em cerca de duas ordens de magnitude), e seu poder de penetração é muito maior do que o das partículas -. É um fluxo de elétrons rápidos (isso decorre da definição de sua carga específica).
3) -radiação
Não é desviado por campos elétricos e magnéticos, tem uma capacidade de ionização relativamente fraca e um poder de penetração muito alto e detecta a difração ao passar pelos cristais. É uma radiação eletromagnética de ondas curtas com um comprimento de onda extremamente curto m e, como resultado, propriedades corpusculares pronunciadas, ou seja, é um fluxo de partículas - -quanta (fótons).
Radioatividade- a capacidade de alguns núcleos atômicos de se transformarem espontaneamente (espontaneamente) em outros núcleos com a emissão de várias partículas:
1) Naturais - observado em isótopos instáveis que existem na natureza;
2) Artificiais - observado em isótopos sintetizados por reações nucleares em laboratório.
Lei do decaimento radioativo
decaimento radioativo- transformação natural dos núcleos, ocorrendo espontaneamente.
Este fenômeno é estatístico, então as conclusões decorrentes das leis do decaimento radioativo são probabilísticas.
constante de decaimento radioativo- probabilidade de decaimento nuclear por unidade de tempo, igual à fração de núcleos que decaem em 1 s.
Lei do decaimento radioativo: Devido à espontaneidade do decaimento radioativo, podemos supor que o número de núcleos dN que decaíram em média ao longo do intervalo de tempo de t a t + dt é proporcional ao intervalo de tempo dt e ao número N de núcleos que não decaíram por o tempo t:
[ N é o número de núcleos não decaídos no tempo t; - o número inicial de núcleos não deteriorados, no tempo t=0; -constante de decaimento radioativo]
Meia-vida ()- o intervalo de tempo durante o qual, em média, o número de núcleos não decaídos é reduzido pela metade.
Tempo de vida médio de um núcleo radioativo:
Atividade de nuclídeosé o número de decaimentos que ocorrem com os núcleos da amostra em 1 s:
A unidade de atividade é 1 Bq: 1 becquerel é a atividade de um nuclídeo em uma fonte radioativa, na qual um evento de decaimento ocorre em 1 s. 1Bq = 2,703 curies.
5. Regras de deslocamento para - e -decomposição
núcleo materno- um núcleo atômico em decaimento radioativo.
kernel filho- um núcleo atômico resultante do decaimento radioativo.
Regras de compensação– regras que permitem estabelecer qual núcleo surge como resultado do decaimento de um determinado núcleo pai. Essas regras são uma consequência das leis que são cumpridas durante os decaimentos radioativos - a lei da conservação dos números de carga e a lei da conservação dos números de massa.
Leis de conservação de carga e números de massa
1) A soma dos números de carga dos núcleos e partículas emergentes é igual ao número de carga do núcleo original.
2) a soma dos números de massa dos núcleos e partículas emergentes é igual ao número de massa do núcleo inicial.
As regras de deslocamento são uma consequência das leis de conservação de cargas e números de massa.
decaimento alfa chamado de decaimento espontâneo de um núcleo atômico em um núcleo filho e uma partícula α (o núcleo de um átomo 4 ele).
O decaimento alfa geralmente ocorre em núcleos pesados com Número de massa
MAS≥ 140 (embora existam algumas exceções).
Regra de deslocamento para α-decaimento: , onde é o núcleo de hélio (a-partícula),
Exemplo (decaimento alfa urânio-238 para tório-234):
Como resultado do decaimento α, o átomo é deslocado em 2 células para o início tabelas periódicas(ou seja, a carga do núcleo Z diminui em 2), o número de massa do núcleo filho diminui em 4.
decaimento beta
Becquerel provou que os raios β são uma corrente elétrons. O decaimento beta é uma manifestação interação fraca.
42. Lei do decaimento radioativo. Constante de decaimento, tempo de vida médio do núcleo, meia-vida, atividade.
decaimento radioativo
N= N 0 e - λté a lei do decaimento radioativo, onde N é o número de núcleos não decaídos, N 0 é o número de núcleos iniciais.
O significado físico da constante de decaimento é a probabilidade de decaimento nuclear por unidade de tempo. Os tempos de vida característicos para núcleos radioativos são τ> 10 -14 s. Os tempos de vida dos núcleos devido à emissão de nucleons 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. Tipos de decaimento radioativo. Α - decaimento, esquema de decaimento, padrões de decaimento.
decaimento radioativo- o processo de transformação de núcleos atômicos instáveis em núcleos de outros elementos, que é acompanhado pela emissão de partículas.
Tipos de decaimento radioativo:
1)α - decaimento - é acompanhado pela emissão de átomos de hélio.
2)β - decaimento - emissão de elétrons e pósitrons.
3)γ - decaimento - a emissão de fótons durante as transições entre os estados dos núcleos.
4) Fissão nuclear espontânea.
5) Radioatividade do núcleo.
α - decaimento: A 2 X→ A-Y Z-2 Y+ 4 2 He. O decaimento Α é observado em núcleos pesados. O espectro de decaimento α - é discreto. Run comprimento α - partículas no ar: 3-7 cm; para substâncias densas: 10 -5 m.T 1/2 10 -7 s ÷ 10 10 anos.
44. β - decaimento. esquemas β + , β - e captura K. Padrões de β - decaimento.
β - decaimento é devido à interação fraca. É fraco em relação aos núcleos fortes. Todas as partículas, exceto os fótons, participam de interações fracas. O ponto é a degeneração de novas partículas. T 1/2 10 -2 s ÷ 10 20 anos. O caminho livre do nêutron é 10 19 km.
β - decaimento inclui 3 tipos de decaimento:
1) β - ou eletrônico. O núcleo emite elétrons. No geral:
A 2 X→ A Z -1 Y+ 0 -1 e+υ e .
2)β+ ou pósitron. São emitidas antipartículas de elétrons – pósitrons: 1 1 p→ 1 0 n+ 0 1 e+υ e – reação de transformação de um próton em um nêutron. A reação não desaparece sozinha. Visão geral da reação: A Z X→ A Z -1 Y+ 0 1 e+υ e.É observada em núcleos radioativos artificiais.
3) Captura eletrônica. Há uma transformação do núcleo, captura a camada K e se transforma em nêutron: 1 1 p+ 0 -1 e→ 1 0 n+υ e . Visão geral: A Z X+ 0 1 e→ A Z -1 Y+υ e . Como resultado da captura elétrica, apenas uma partícula voa para fora dos núcleos. Acompanhado por radiação de raios-x característica.
45. Reações nucleares, seus padrões. Reações de fissão. Reações de síntese. Rendimento de energia da reação.
reação nuclear- o processo de transformação dos núcleos atômicos, que ocorre quando eles interagem com partículas elementares, gama quanta e entre si, muitas vezes levando à liberação de uma enorme quantidade de energia. Durante o curso das reações nucleares, as seguintes leis são cumpridas: conservação da carga elétrica e do número de nucleons, conservação da energia e
conservação de momento, conservação de momento angular, conservação de paridade e
spin isotópico.
reação de fissão- a divisão de um núcleo atômico em vários núcleos mais leves. As divisões são forçadas e espontâneas.
Reação de síntese- a reação de fusão de núcleos leves em um. Essa reação ocorre apenas em altas temperaturas, da ordem de 10 8 K, e é chamada de reação termonuclear.
O rendimento de energia da reação Qé a diferença entre as energias totais de repouso de todas as partículas antes e depois de uma reação nuclear. Se Q > 0, então a energia total de repouso diminui no decorrer de uma reação nuclear. Tais reações nucleares são chamadas de exoenergéticas. Eles podem prosseguir com uma energia cinética inicial arbitrariamente pequena das partículas. Por outro lado, para 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.
O fenômeno da radioatividade foi descoberto em 1896 por A. Becquerel, que observou a emissão espontânea de radiação desconhecida de sais de urânio. Logo, E. Rutherford e os Curie descobriram que durante o decaimento radioativo, são emitidos núcleos de He (partículas α), elétrons (partículas β) e radiação eletromagnética dura (raios γ).
Em 1934, foi descoberto o decaimento com emissão de pósitrons (β + -decay) e, em 1940, um novo tipo de radioatividade foi descoberto - fissão nuclear espontânea: um núcleo físsil se divide em dois fragmentos de massa comparável com a emissão simultânea de nêutrons e γ -quanta. A radioatividade dos prótons dos núcleos foi observada em 1982. Assim, existem os seguintes tipos de decaimento radioativo: α-decaimento; - desintegração; - decair; e- captura.
Radioatividade- a capacidade de alguns núcleos atômicos de se transformarem espontaneamente (espontaneamente) em outros núcleos com a emissão de partículas.
Os núcleos atômicos são formados por prótons e nêutrons, que têm um nome genérico - núcleons. O número de prótons no núcleo determina as propriedades químicas do átomo e é denotado Z(número de série do elemento). Número de núcleons no núcleo é chamado Número de massa e denotar MAS. Kernels com o mesmo número de série e diferentes números de massa são chamados isótopos. Todos os isótopos do mesmo elemento químico têm as mesmas propriedades químicas e as propriedades físicas podem variar muito. Para designar isótopos, é usado o símbolo de um elemento químico com dois índices: A Z X. O índice inferior é o número de série, o superior é o número de massa. Muitas vezes o subscrito é omitido porque o próprio símbolo do elemento aponta para ele.
Por exemplo, eles escrevem 14 C em vez de 14 6 C.
A capacidade de um núcleo de decair depende de sua composição. O mesmo elemento pode ter isótopos estáveis e radioativos.
Por exemplo, o isótopo de carbono 12C é estável, enquanto o isótopo 14C é radioativo.
O decaimento radioativo é um fenômeno estatístico. A capacidade de um isótopo de decair é caracterizada pela constante de decaimento λ.
A constante de decaimento λ é a probabilidade de que o núcleo de um dado isótopo decaia por unidade de tempo.
Vamos denotar o número N de núcleos de decaimento radioativo no tempo t, dN 1 - o número de núcleos decaídos durante o tempo dt. Como o número de núcleos em uma substância é enorme, a lei dos grandes números é satisfeita. A probabilidade de decaimento nuclear em um curto espaço de tempo dt é encontrada pela fórmula dP = λdt. A frequência é igual à probabilidade: d N 1 / N = dP = λdt. d N 1 / N = λdt- uma fórmula que determina o número de núcleos decaídos.
A solução para a equação é: , - a fórmula é chamada de lei do decaimento radioativo: O número de núcleos radioativos diminui com o tempo de acordo com uma lei exponencial.
Aqui N é o número de núcleos não decaídos no tempo t; N sobre - o número inicial de núcleos não deteriorados; λ é a constante de decaimento radioativo.
Na prática, a constante de decaimento não é usada λ , e uma quantidade chamada meia-vida T.
Meia-vida (T) - o tempo durante o qual metade dos núcleos radioativos decaem.
Lei do decaimento radioativo através de um período meia-vida (T) tem a forma:
A relação entre meia-vida e constante de decaimento é dada por: T = ln(2/λ) = 0,69/λ
A meia-vida pode ser muito longa ou muito curta.
Para avaliar o grau de atividade de um isótopo radioativo, uma quantidade chamada atividade é usada.
Número de atividade de núcleos de uma preparação radioativa em decaimento por unidade de tempo: A = dN dis/dt
Para uma unidade de atividade no SI, 1 becquerel (Bq) = 1 decaimento / s é tomado - a atividade da droga, na qual 1 decaimento ocorre em 1 s. A maior unidade de atividade é 1 Rutherford (Rd) = Bq. Uma unidade de atividade fora do sistema é frequentemente usada - curie (Ci), igual à atividade de 1 g de rádio: 1 Ci = 3,7 Bq.
Ao longo do tempo, a atividade diminui de acordo com a mesma lei exponencial, segundo a qual o próprio radionuclídeo decai:
=
.
Na prática, a seguinte fórmula é usada para calcular a atividade:
A = = λN = 0,693 N/T.
Se expressarmos o número de átomos em termos de massa e massa de tinta, a fórmula para calcular a atividade terá a forma: A \u003d \u003d 0,693 (μT)
onde é o número de Avogadro; µ é a massa molar.
1. Radioatividade. Lei básica do decaimento radioativo. Atividade.
2. Os principais tipos de decaimento radioativo.
3. Características quantitativas da interação das radiações ionizantes com a matéria.
4. Radioatividade natural e artificial. fileiras radioativas.
5. Uso de radionuclídeos em medicina.
6. Aceleradores de partículas carregados e seu uso na medicina.
7. Fundamentos biofísicos da ação das radiações ionizantes.
8. Conceitos básicos e fórmulas.
9. Tarefas.
O interesse dos médicos pela radioatividade natural e artificial deve-se ao seguinte.
Em primeiro lugar, todos os seres vivos estão constantemente expostos à radiação natural de fundo, que é a radiação cósmica, a radiação de elementos radioativos que ocorrem nas camadas superficiais da crosta terrestre e a radiação de elementos que entram no corpo dos animais junto com o ar e Comida.
Em segundo lugar, a radiação radioativa é usada na própria medicina para fins diagnósticos e terapêuticos.
33.1. Radioatividade. Lei básica do decaimento radioativo. Atividade
O fenômeno da radioatividade foi descoberto em 1896 por A. Becquerel, que observou a emissão espontânea de radiação desconhecida de sais de urânio. Logo, E. Rutherford e os Curie descobriram que durante o decaimento radioativo, são emitidos núcleos de He (partículas α), elétrons (partículas β) e radiação eletromagnética dura (raios γ).
Em 1934, foi descoberto o decaimento com emissão de pósitrons (β + -decay) e, em 1940, um novo tipo de radioatividade foi descoberto - fissão nuclear espontânea: um núcleo físsil se divide em dois fragmentos de massa comparável com a emissão simultânea de nêutrons e γ -quanta. A radioatividade dos prótons dos núcleos foi observada em 1982.
Radioatividade - a capacidade de alguns núcleos atômicos de se transformarem espontaneamente (espontaneamente) em outros núcleos com a emissão de partículas.
Os núcleos atômicos são compostos de prótons e nêutrons, que têm um nome geral - núcleons. O número de prótons no núcleo determina as propriedades químicas do átomo e é denotado por Z (este número de série Elemento químico). O número de nucleons em um núcleo é chamado Número de massa e denotam A. Os núcleos com o mesmo número de série e diferentes números de massa são chamados isótopos. Todos os isótopos de um elemento químico têm o mesmo Propriedades quimicas. As propriedades físicas dos isótopos podem variar muito. Para designar isótopos, utiliza-se o símbolo de um elemento químico com dois índices: A Z X. O índice inferior é o número de série, o superior é o número de massa. Muitas vezes o subscrito é omitido porque o próprio símbolo do elemento aponta para ele. Por exemplo, eles escrevem 14 C em vez de 14 6 C.
A capacidade de um núcleo de decair depende de sua composição. O mesmo elemento pode ter isótopos estáveis e radioativos. Por exemplo, o isótopo de carbono 12C é estável, enquanto o isótopo 14C é radioativo.
O decaimento radioativo é um fenômeno estatístico. A capacidade de um isótopo de decair caracteriza constante de decaimentoλ.
constante de decaimentoé a probabilidade de que o núcleo de um determinado isótopo decaia por unidade de tempo.
A probabilidade de decaimento nuclear em um curto espaço de tempo dt é encontrada pela fórmula
Levando em conta a fórmula (33.1), obtemos uma expressão que determina o número de núcleos decaídos:
A fórmula (33.3) é chamada de principal a lei do decaimento radioativo.
O número de núcleos radioativos diminui com o tempo de acordo com uma lei exponencial.
Na prática, em vez de constante de decaimentoλ geralmente usam outro valor chamado meia-vida.
Meia-vida(T) - o tempo durante o qual decai metade núcleos radioativos.
A lei do decaimento radioativo usando a meia-vida é escrita da seguinte forma:
O gráfico de dependência (33.4) é mostrado na fig. 33.1.
A meia-vida pode ser muito longa ou muito curta (de frações de segundo a muitos bilhões de anos). Na tabela. 33.1 mostra as meias-vidas de alguns elementos.
Arroz. 33.1. A diminuição do número de núcleos da substância original durante o decaimento radioativo
Tabela 33.1. Meias-vidas para alguns elementos
Para taxa grau de radioatividade isótopos usam uma quantidade especial chamada atividade.
Atividade - o número de núcleos de uma preparação radioativa decaindo por unidade de tempo:
Unidade de medida de atividade no SI - becquerel(Bq), 1 Bq corresponde a um evento de decaimento por segundo. Na prática, mais
unidade de atividade fora do sistema engenhosa - curie(Ci) igual à atividade de 1 g de 226 Ra: 1 Ci = 3,7x10 10 Bq.
Ao longo do tempo, a atividade diminui da mesma forma que o número de núcleos não decaídos diminui:
33.2. Principais tipos de decaimento radioativo
No processo de estudo do fenômeno da radioatividade, foram descobertos 3 tipos de raios emitidos por núcleos radioativos, que foram chamados de raios α-, β- e γ. Mais tarde, descobriu-se que as partículas α e β são produtos de dois tipos diferentes de decaimento radioativo, e os raios γ são um subproduto desses processos. Além disso, os raios γ também acompanham transformações nucleares mais complexas, que não são consideradas aqui.
Decaimento alfa consiste na transformação espontânea de núcleos com emissãoα -partículas (núcleos de hélio).
O esquema de decaimento α é escrito como
onde X, Y são os símbolos dos núcleos pai e filho, respectivamente. Ao escrever α-decay, em vez de "α" você pode escrever "Not".
Nesse decaimento, o número atômico Z do elemento diminui em 2 e o número de massa A - em 4.
Durante o decaimento α, o núcleo-filho, via de regra, é formado em um estado excitado e, na transição para o estado fundamental, emite um γ-quântico. Uma propriedade comum de micro-objetos complexos é que eles têm discreto conjunto de estados de energia. Isso também se aplica aos núcleos. Portanto, a radiação γ de núcleos excitados tem um espectro discreto. Consequentemente, o espectro de energia das partículas α também é discreto.
A energia das partículas α emitidas para quase todos os isótopos α-ativos situa-se entre 4-9 MeV.
decaimento beta consiste na transformação espontânea de núcleos com emissão de elétrons (ou pósitrons).
Foi estabelecido que o decaimento β é sempre acompanhado pela emissão de uma partícula neutra - um neutrino (ou antineutrino). Essa partícula praticamente não interage com a matéria e não será considerada mais adiante. A energia liberada durante o decaimento β é distribuída aleatoriamente entre a partícula β e o neutrino. Portanto, o espectro de energia da radiação β é contínuo (Fig. 33.2).
Arroz. 33.2. Espectro de energia do decaimento β
Existem dois tipos de decaimento β.
1. Eletrônico O decaimento β - - consiste na transformação de um nêutron nuclear em um próton e um elétron. Neste caso, outra partícula ν" aparece - um antineutrino:
Um elétron e um antineutrino voam para fora do núcleo. O esquema de decaimento β eletrônico é escrito como
Durante o decaimento β eletrônico, o número de série do elemento Z aumenta em 1, o número de massa A não muda.
A energia das partículas β está na faixa de 0,002-2,3 MeV.
2. Pósitron O decaimento β + - consiste na transformação de um próton nuclear em um nêutron e um pósitron. Nesse caso, outra partícula ν aparece - um neutrino:
A captura de elétrons em si não gera partículas ionizantes, mas acompanhado de raios-x. Essa radiação ocorre quando o espaço vago pela absorção de um elétron interno é preenchido por um elétron de uma órbita externa.
Radiação gama tem natureza eletromagnética e é um fóton com comprimento de ondaλ ≤ 10-10m.
A radiação gama não é um tipo independente de decaimento radioativo. A radiação desse tipo quase sempre acompanha não apenas o decaimento α e o decaimento β, mas também reações nucleares mais complexas. Não é desviado por campos elétricos e magnéticos, tem um poder de ionização relativamente fraco e muito alto.
33.3. Características quantitativas da interação da radiação ionizante com a matéria
O impacto da radiação radioativa nos organismos vivos está associado à ionizacao, que induz nos tecidos. A capacidade de uma partícula de ionizar depende tanto de seu tipo quanto de sua energia. À medida que a partícula se move mais profundamente na substância, ela perde sua energia. Esse processo é chamado frenagem por ionização.
Para caracterizar quantitativamente a interação de uma partícula carregada com a matéria, várias quantidades são usadas:
Depois que a energia da partícula cai abaixo da energia de ionização, seu efeito ionizante cessa.
Quilometragem linear média(R) de uma partícula ionizante carregada - o caminho percorrido por ela em uma substância antes de perder sua capacidade ionizante.
Vamos considerar algumas características da interação de vários tipos de radiação com a matéria.
radiação alfa
A partícula alfa praticamente não se desvia da direção inicial de seu movimento, pois sua massa é muitas vezes maior
Arroz. 33.3. Dependência da densidade de ionização linear no caminho percorrido por uma partícula α em um meio
a massa do elétron com o qual ele interage. À medida que penetra profundamente na substância, a densidade de ionização aumenta primeiro e, quando fim da corrida (x = R) cai bruscamente para zero (Fig. 33.3). Isso se explica pelo fato de que, com a diminuição da velocidade do movimento, o tempo que ela passa perto da molécula (átomo) do meio aumenta. Neste caso, a probabilidade de ionização aumenta. Depois que a energia da partícula α se torna comparável à energia do movimento térmico molecular, ela captura dois elétrons na substância e se transforma em um átomo de hélio.
Os elétrons gerados durante o processo de ionização, via de regra, se afastam do rastro da partícula α e causam ionização secundária.
As características da interação das partículas α com água e tecidos moles são apresentadas na Tabela. 33.2.
Tabela 33.2. Dependência das características de interação com a matéria na energia das partículas α
radiação beta
Para movimento β -partículas na matéria são caracterizadas por uma trajetória curvilínea imprevisível. Isto é devido à igualdade das massas das partículas que interagem.
Características da interação β -partículas com água e tecidos moles são apresentadas na Tabela. 33.3.
Tabela 33.3. Dependência das características de interação com a matéria na energia das partículas β
Tal como acontece com as partículas α, o poder de ionização das partículas β aumenta com a diminuição da energia.
Radiação gama
Absorção γ -a radiação por uma substância obedece a uma lei exponencial semelhante à lei de absorção dos raios X:
Os principais processos responsáveis pela absorção γ -radiação são o efeito fotoelétrico e o espalhamento Compton. Isso produz uma quantidade relativamente pequena de elétrons livres (ionização primária), que têm uma energia muito alta. São eles que causam os processos de ionização secundária, que é incomparavelmente maior que a primária.
33.4. naturais e artificiais
radioatividade. fileiras radioativas
Termos natural e artificial radioatividade são condicionais.
natural chamamos a radioatividade dos isótopos que existem na natureza, ou a radioatividade dos isótopos formados como resultado de processos naturais.
Por exemplo, a radioatividade do urânio é natural. A radioatividade do carbono 14 C, que se forma nas camadas superiores da atmosfera sob a influência da radiação solar, também é natural.
Artificial chamada de radioatividade dos isótopos que surgem como resultado das atividades humanas.
Esta é a radioatividade de todos os isótopos produzidos em aceleradores de partículas. Isso também inclui a radioatividade do solo, água e ar, que ocorre durante uma explosão atômica.
radioatividade natural
No período inicial de estudo da radioatividade, os pesquisadores só podiam usar radionuclídeos naturais (isótopos radioativos) contidos em rochas terrestres em uma quantidade bastante grande: 232 Th, 235 U, 238 U. Três séries radioativas começam com esses radionuclídeos, terminando com isótopos estáveis de Pb . Posteriormente, foi descoberta uma série a partir de 237 Np, com um núcleo final estável de 209 Bi. Na fig. 33.4 mostra uma linha começando com 238 U.
Arroz. 33.4. Série urânio-rádio
Os elementos desta série são a principal fonte de exposição humana interna. Por exemplo, 210 Pb e 210 Po entram no corpo com alimentos - eles estão concentrados em peixes e mariscos. Ambos os isótopos se acumulam nos líquens e, portanto, estão presentes na carne de rena. A mais significativa de todas as fontes naturais de radiação é 222 Rn - um gás inerte pesado resultante do decaimento de 226 Ra. É responsável por cerca de metade da dose de radiação natural recebida pelos humanos. Formado na crosta terrestre, esse gás penetra na atmosfera e entra na água (é altamente solúvel).
O isótopo radioativo de potássio 40 K está constantemente presente na crosta terrestre, que faz parte do potássio natural (0,0119%). Do solo, este elemento entra no corpo através do sistema radicular das plantas e com alimentos vegetais (cereais, vegetais frescos e frutas, cogumelos) - no corpo.
Outra fonte de radiação natural é a radiação cósmica (15%). Sua intensidade aumenta em áreas montanhosas devido à diminuição do efeito protetor da atmosfera. As fontes de radiação natural de fundo estão listadas na Tabela. 33.4.
Tabela 33.4. Componente do fundo radioativo natural
33.5. O uso de radionuclídeos na medicina
radionuclídeos chamados isótopos radioativos de elementos químicos com uma meia-vida curta. Tais isótopos não existem na natureza, por isso são obtidos artificialmente. Na medicina moderna, os radionuclídeos são amplamente utilizados para fins diagnósticos e terapêuticos.
Aplicação de diagnóstico baseia-se na acumulação seletiva de certos elementos químicos por órgãos individuais. O iodo, por exemplo, está concentrado na glândula tireóide, enquanto o cálcio está concentrado nos ossos.
A introdução de radioisótopos desses elementos no corpo permite detectar áreas de sua concentração por radiação radioativa e, assim, obter importantes informações diagnósticas. Este método de diagnóstico é chamado pelo método do átomo marcado.
Uso terapêutico radionuclídeos baseia-se no efeito destrutivo da radiação ionizante nas células tumorais.
1. Gamaterapia- o uso de radiação γ de alta energia (fonte 60 Co) para a destruição de tumores profundamente localizados. Para que tecidos e órgãos localizados superficialmente não sejam submetidos a um efeito destrutivo, o efeito da radiação ionizante é realizado em diferentes sessões em diferentes direções.
2. terapia alfa- uso terapêutico de partículas α. Essas partículas têm uma densidade de ionização linear significativa e são absorvidas mesmo por uma pequena camada de ar. Portanto, a terapia
o uso de raios alfa é possível com contato direto com a superfície do órgão ou com a introdução no interior (com uma agulha). Para exposição superficial, a terapia com radônio (222 Rn) é usada: exposição da pele (banhos), órgãos digestivos (beber), órgãos respiratórios (inalação).
Em alguns casos, o uso medicinal α -partículas está associada ao uso de fluxo de nêutrons. Com este método, os elementos são introduzidos primeiro no tecido (tumor), cujos núcleos, sob a ação de nêutrons, emitem α -partículas. Depois disso, o órgão doente é irradiado com um fluxo de nêutrons. Desta maneira α -as partículas são formadas diretamente no interior do órgão, sobre as quais deveriam ter um efeito destrutivo.
A Tabela 33.5 lista as características de alguns radionuclídeos usados na medicina.
Tabela 33.5. Caracterização de isótopos
33.6. Aceleradores de partículas e seu uso na medicina
Acelerador- uma instalação na qual, sob a influência de campos elétricos e magnéticos, são obtidos feixes direcionados de partículas carregadas com alta energia (de centenas de keV a centenas de GeV).
Os aceleradores criam estreito feixes de partículas com uma determinada energia e uma pequena seção transversal. Isso permite que você forneça dirigido impacto em objetos irradiados.
O uso de aceleradores na medicina
Aceleradores de elétrons e prótons são usados na medicina para radioterapia e diagnósticos. Neste caso, são usadas as próprias partículas aceleradas e a radiação de raios X que a acompanha.
Raio X de Bremsstrahlung obtido direcionando um feixe de partículas para um alvo especial, que é a fonte dos raios X. Essa radiação difere do tubo de raios X por uma energia de fótons muito maior.
Raios X síncrotron ocorre no processo de aceleração de elétrons em aceleradores de anel - síncrotrons. Essa radiação tem um alto grau de diretividade.
A ação direta das partículas rápidas está associada ao seu alto poder de penetração. Tais partículas atravessam os tecidos superficiais sem causar sérios danos e têm um efeito ionizante no final de sua jornada. Ao selecionar a energia de partícula apropriada, é possível conseguir a destruição de tumores em uma determinada profundidade.
As áreas de aplicação dos aceleradores na medicina são mostradas na Tabela. 33.6.
Tabela 33.6. Aplicação de aceleradores em terapia e diagnóstico
33.7. Fundamentos biofísicos da ação das radiações ionizantes
Como observado acima, o impacto da radiação radioativa em sistemas biológicos está associado a ionização de moléculas. O processo de interação da radiação com as células pode ser dividido em três etapas sucessivas (estágios).
1. palco físico consiste em transferencia de energia radiação para as moléculas de um sistema biológico, resultando em sua ionização e excitação. A duração desta etapa é de 10 -16 -10 -13 s.
2. Fisico quimica o estágio consiste em vários tipos de reações que levam a uma redistribuição do excesso de energia de moléculas e íons excitados. Como resultado, altamente ativo
produtos: radicais e novos íons com uma ampla gama de propriedades químicas.
A duração desta etapa é de 10 -13 -10 -10 s.
3. Estágio químico - esta é a interação de radicais e íons entre si e com as moléculas circundantes. Nesta fase, são formados danos estruturais de vários tipos, levando a uma mudança nas propriedades biológicas: a estrutura e as funções das membranas são interrompidas; lesões ocorrem em moléculas de DNA e RNA.
A duração do estágio químico é de 10 -6 -10 -3 s.
4. estágio biológico. Nesta fase, o dano às moléculas e estruturas subcelulares leva a uma variedade de distúrbios funcionais, à morte celular prematura como resultado da ação de mecanismos de apoptose ou devido à necrose. Os danos recebidos na fase biológica podem ser herdados.
A duração do estágio biológico é de vários minutos a dezenas de anos.
Observamos os padrões gerais do estágio biológico:
Grandes violações com baixa energia absorvida (uma dose letal de radiação para uma pessoa causa aquecimento do corpo em apenas 0,001 ° C);
Ação nas gerações subsequentes através do aparelho hereditário da célula;
Um período latente e latente é característico;
Diferentes partes das células têm sensibilidade diferente à radiação;
Em primeiro lugar, as células em divisão são afetadas, o que é especialmente perigoso para o corpo de uma criança;
O efeito destrutivo nos tecidos de um organismo adulto, no qual há uma divisão;
A semelhança da radiação muda com a patologia do envelhecimento precoce.
33.8. Conceitos básicos e fórmulas
Continuação da tabela
33.9. Tarefas
1. Qual é a atividade da droga se 10.000 núcleos dessa substância decaem em 10 minutos?
4.
A idade de amostras de madeira antigas pode ser determinada aproximadamente pela atividade de massa específica do isótopo 14 6 C nelas. Há quantos anos foi cortada uma árvore que foi usada para fazer um objeto, se a atividade de massa específica do carbono nele é 75% da atividade de massa específica de uma árvore em crescimento? A meia-vida do radônio é T = 5570 anos.
9.
Após o acidente de Chernobyl, em alguns lugares a contaminação do solo com césio-137 radioativo atingiu o nível de 45 Ci/km 2 .
Depois de quantos anos a atividade nesses locais diminuirá para um nível relativamente seguro de 5 Ci/km 2 . A meia-vida do césio-137 é T = 30 anos.
10.
A atividade permitida do iodo-131 na glândula tireóide humana não deve ser superior a 5 nCi. Em algumas pessoas que estavam na área do desastre de Chernobyl, a atividade do iodo-131 atingiu 800 nCi. Depois de quantos dias a atividade voltou ao normal? A meia-vida do iodo-131 é de 8 dias.
11.
O seguinte método é usado para determinar o volume de sangue em um animal. Um pequeno volume de sangue é retirado do animal, os eritrócitos são separados do plasma e colocados em uma solução com fósforo radioativo, que é assimilado pelos eritrócitos. Os eritrócitos marcados são reintroduzidos no sistema circulatório do animal e, após algum tempo, a atividade da amostra de sangue é determinada.
ΔV = 1 ml desta solução foi injetado no sangue de algum animal. A atividade inicial deste volume foi A 0 = 7000 Bq. A atividade de 1 ml de sangue retirado da veia do animal um dia depois foi igual a 38 pulsos por minuto. Determine o volume do sangue do animal se a meia-vida do fósforo radioativo for T = 14,3 dias.
