N=N 0 e - λt este legea dezintegrarii radioactive, unde N este numărul de nuclee nedesintegrate, N 0 este numărul de nuclee inițiale.
Sensul fizic al constantei de dezintegrare este probabilitatea dezintegrarii nucleare pe unitatea de timp. Duratele de viață caracteristice pentru nucleele radioactive sunt τ> 10 -14 s. Durata de viață a nucleelor datorită emisiei de nucleoni 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.
Tipuri de dezintegrare radioactivă. α - dezintegrare, schema de dezintegrare, modele de dezintegrare.
Dezintegrarea radioactivă este procesul de transformare a nucleelor atomice instabile în nucleele altor elemente, care este însoțită de emisia de particule.
Tipuri de dezintegrare radioactivă:
1)α - dezintegrare - este însoțită de emisia de atomi de heliu.
2)β - dezintegrare - emisie de electroni și pozitroni.
3)γ - dezintegrare - emisia de fotoni în timpul tranzițiilor între stările nucleelor.
4) Fisiune nucleară spontană.
5) Radioactivitatea nucleonilor.
α - dezintegrare: A 2 X→ A-Y Z-2 Y+ 4 2 He. Dezintegrarea Α se observă în nucleele grele. Spectrul de dezintegrare α este discret. Lungimea cursei α - particule în aer: 3-7cm; pentru substanţe dense: 10 -5 m. T 1/2 10 -7 s ÷ 10 10 ani.
β - dezintegrare. Scheme β + , β - și K-captură. Regularități ale β - dezintegrare.
β - dezintegrarea se datorează interacțiunii slabe. Este slab în raport cu nucleele puternice. Toate particulele, cu excepția fotonilor, participă la interacțiuni slabe. Ideea este degenerarea de noi particule. T 1/2 10 -2 s ÷ 10 20 ani. Calea liberă a neutronului este de 10 19 km.
β - dezintegrarea include 3 tipuri de dezintegrare:
1) β - sau electronic. Nucleul emite electroni. În general:
A 2 X→ A Z -1 Y+ 0 -1 e+υ e .
2)β + sau pozitron. Sunt emise antiparticule de electroni – pozitroni: 1 1 p→ 1 0 n+ 0 1 e+υ e – reacție de transformare a unui proton într-un neutron. Reacția nu dispare de la sine. Vedere generală a reacției: A Z X→ A Z -1 Y+ 0 1 e+υ e . Se observă în nuclee radioactive artificiale.
3) Captură electronică. Are loc o transformare a nucleului, captează învelișul K și se transformă într-un neutron: 1 1 p+ 0 -1 e→ 1 0 n+υ e . Vedere generală: A Z X+ 0 1 e→ A Z -1 Y+υ e . Ca rezultat al captării electrice, doar o particulă zboară din nuclee. Însoțită de radiații cu raze X caracteristice.
Activitate DAR nuclid(denumire generală pentru nucleele atomice care diferă prin numărul de protoni Zși neutroni N) într-o sursă radioactivă este numărul dezintegrarilor care apar cu nucleele probei în 1 s:
Unitatea de activitate SI - becquerel(Bq): 1 Bq este activitatea nuclidului, la care are loc un act de dezintegrare în 1 s. Până acum, în fizica nucleară, este folosită și o unitate de activitate a nuclizilor în afara sistemului într-o sursă radioactivă - curie(Ci): 1 Ci = 3,710 10 Bq.
Dezintegrarea radioactivă are loc conform așa-numitului reguli de deplasare, permițând stabilirea ce nucleu ia naștere ca urmare a dezintegrarii unui nucleu părinte dat. Reguli de compensare:
unde X este nucleul părinte, Y este simbolul nucleului fiică, El este nucleul de heliu ( -particule), e- desemnarea simbolică a unui electron (sarcina lui este -1, iar numărul său de masă este zero). Regulile de deplasare nu sunt altceva decât o consecință a două legi care sunt îndeplinite în timpul dezintegrarilor radioactive - conservarea sarcinii electrice și conservarea numărului de masă: suma sarcinilor (numerele de masă) ale nucleelor și particulelor emergente este egală cu sarcina (numărul de masă) a nucleului originar.
28. Principalele regularități ale a-decay-ului. efect de tunel. Proprietățile radiațiilor a.
α-degradare numită dezintegrarea spontană a nucleului atomic într-un nucleu fiică și o particulă α (nucleul atomului 4 He).
Dezintegrarea α, de regulă, are loc în nucleele grele cu un număr de masă DAR≥140 (deși există câteva excepții). În interiorul nucleelor grele, datorită proprietății de saturație a forțelor nucleare, se formează particule α separate, formate din doi protoni și doi neutroni. Particula α rezultată este supusă unei acțiuni mai mari a forțelor de respingere Coulomb din protonii nucleului decât protonii individuali. În același timp, particula α experimentează mai puțină atracție nucleară față de nucleonii nucleului decât restul nucleonilor. Particula alfa rezultată la limita nucleului este reflectată spre interior de bariera potențială, dar cu o oarecare probabilitate o poate depăși (vezi efectul tunel) și zbura afară. Pe măsură ce energia particulei alfa scade, permeabilitatea barierei de potențial scade exponențial, astfel încât durata de viață a nucleelor cu o energie disponibilă mai mică de dezintegrare alfa, cu toate celelalte lucruri fiind egale, este mai lungă.
Regula de schimbare a lui Soddy pentru dezintegrarea α:
Ca urmare a dezintegrarii α, elementul este deplasat cu 2 celule la începutul tabelului periodic, numărul de masă al nucleului fiu scade cu 4.
efect de tunel- depășirea unei bariere potențiale de către o microparticulă în cazul în care energia sa totală (rămânând neschimbată în timpul tunelului) este mai mică decât înălțimea barierei. Efectul de tunel este un fenomen de natură exclusiv cuantică, imposibil și chiar complet contrar mecanicii clasice. Un analog al efectului de tunel în optica undelor poate fi pătrunderea unei unde luminoase într-un mediu reflectorizant (pe distanțe de ordinul lungimii de undă a luminii) în condițiile în care, din punctul de vedere al opticii geometrice, are loc o reflexie internă totală. . Fenomenul tunelului stă la baza multor procese importante din fizica atomică și moleculară, în fizica nucleului atomic, a stării solide etc.
Efectul de tunel poate fi explicat prin relația de incertitudine. Scris ca:
arată că atunci când o particulă cuantică este limitată de-a lungul coordonatei, adică certitudinea ei de-a lungul X, impulsul său p devine mai puțin sigură. În mod aleatoriu, incertitudinea de impuls poate adăuga energie particulei pentru a depăși bariera. Astfel, cu o anumită probabilitate, o particulă cuantică poate pătrunde în barieră, în timp ce energia medie a particulei rămâne neschimbată.
Radiația alfa are cea mai mică putere de penetrare (pentru a absorbi particulele alfa, este suficientă o coală de hârtie groasă) în țesutul uman la o adâncime mai mică de un milimetru.
29. Regularitățile de bază ale dezintegrarii b și proprietățile sale. Neutrino. Captură electronică. (vezi 27)
Becquerel a demonstrat că razele β sunt un flux de electroni. Dezintegrarea β este o manifestare a interacțiunii slabe.
β-degradare(mai precis, beta minus decay, -decay) este o dezintegrare radioactivă, însoțită de emisia unui electron și a unui antineutrin din nucleu.
Dezintegrarea β este un proces intranucleon. Apare ca urmare a transformării unuia dintre d-cuarcuri dintr-unul dintre neutronii nucleului din u-quarc; în acest caz, neutronul este convertit într-un proton cu emisia unui electron și a unui antineutrin:
Regula de schimbare a lui Soddy pentru -decay:
După dezintegrare, elementul este deplasat cu 1 celulă până la sfârșitul tabelului periodic (sarcina nucleară crește cu unu), în timp ce numărul de masă al nucleului nu se modifică.
Există și alte tipuri de dezintegrare beta. În dezintegrarea pozitronilor (beta plus dezintegrarea), nucleul emite un pozitron și un neutrin. În acest caz, sarcina nucleului scade cu unu (nucleul este deplasat cu o celulă la începutul tabelului periodic). Dezintegrarea pozitronilor mereuînsoțită de un proces concurent - captarea electronilor (când nucleul captează un electron din învelișul atomic și emite un neutrin, în timp ce încărcătura nucleului scade și ea cu unul). Cu toate acestea, invers nu este adevărat: mulți nuclizi, pentru care dezintegrarea pozitronilor este interzisă, experimentează captarea electronilor. Cel mai rar cunoscut tip de dezintegrare radioactivă este descompunerea dublă beta, care a fost detectată până în prezent pentru doar zece nuclizi, cu timpi de înjumătățire depășind 10-19 ani. Toate tipurile de dezintegrare beta conservă numărul de masă al nucleului.
Neutrino- o particulă fundamentală neutră cu spin semiîntreg, participând doar la interacțiuni slabe și gravitaționale și aparținând clasei leptonilor.
Mâner electronic, e captura - unul dintre tipurile de dezintegrare beta a nucleelor atomice. În captarea electronilor, unul dintre protonii nucleului captează un electron în orbită și se transformă într-un neutron, emițând un neutrin electronic. Sarcina nucleului este apoi redusă cu unu. Numărul de masă al nucleului, ca în toate celelalte tipuri de dezintegrare beta, nu se modifică. Acest proces este caracteristic nucleelor bogate în protoni. Dacă diferența de energie dintre atomul părinte și cel copil (energia disponibilă a dezintegrarii beta) depășește 1,022 MeV (de două ori masa unui electron), captarea electronilor concurează întotdeauna cu un alt tip de dezintegrare beta, dezintegrarea pozitronilor. De exemplu, rubidiul-83 este convertit în krypton-83 numai prin captarea de electroni (energia disponibilă este de aproximativ 0,9 MeV), în timp ce sodiul-22 se descompune în neon-22 atât prin captarea electronilor, cât și prin dezintegrarea pozitronilor (energia disponibilă este de aproximativ 2,8 MeV).
Deoarece numărul de protoni din nucleu (adică sarcina nucleară) scade în timpul captării electronilor, acest proces transformă nucleul unui element chimic în nucleul altui element situat mai aproape de începutul tabelului periodic.
Formula generală pentru captarea electronilor
30. γ-radiația nucleelor și proprietățile sale. Interacțiunea radiației γ cu materia. Apariția și distrugerea perechilor electron-pozitron.
S-a stabilit experimental că -radiatia nu este un tip independent de radioactivitate, ci doar insoteste - și -se descompune si apare si in timpul reactiilor nucleare, in timpul decelerarii particulelor incarcate, dezintegrarii acestora etc. - Spectrul este o linie. -Spectrul este distribuția unui număr -cuante în energie. discretie -spectrul are o importanţă fundamentală, deoarece este dovada caracterului discret al stărilor energetice ale nucleelor atomice.
Acum este ferm stabilit că -radiatiile sunt emise de nucleul copilului (si nu al parintelui). Nucleul fiică în momentul formării sale, fiind excitat, trece în starea fundamentală cu emisie -radiații. Revenind la starea fundamentală, nucleul excitat poate trece printr-o serie de stări intermediare, deci -radiaţia aceluiaşi izotop radioactiv poate conţine mai multe grupări -cuante care diferă unele de altele prin energia lor.
La - radiatii DARși Z nucleele nu se schimbă, deci nu este descris de nicio regulă de deplasare. - Radiația majorității nucleelor are o lungime de undă atât de scurtă încât proprietățile sale de undă se manifestă foarte slab. Aici, proprietățile corpusculare ies, așadar, în prim-plan -radiația este considerată ca un flux de particule - -quanta. În timpul descompunerilor radioactive ale diferitelor nuclee -quantele au energii de la 10 keV la 5 MeV.
Un nucleu aflat în stare excitată poate trece la starea fundamentală nu numai prin emitere -cuantică, dar și cu transfer direct de energie de excitație (fără emisie prealabilă -cuantică) la unul dintre electronii aceluiaşi atom. Aceasta produce așa-numitul electron de conversie. Fenomenul în sine este numit conversie internă. Conversia internă este un proces cu care concurează -radiații.
Electronii de conversie corespund unor valori discrete de energie, care depind de funcția de lucru a electronului din învelișul din care iese electronul și de energia E, dat de nucleu în timpul trecerii de la starea excitată la starea fundamentală. Dacă toată energia E iese în evidență în formă -cuantică, apoi frecvența radiației se determină din relaţia cunoscută E=h. Dacă sunt emiși electroni de conversie internă, atunci energiile lor sunt egale cu E-A K , E-A L , .... Unde A K , A L , ... - funcția de lucru a unui electron LA-și L- scoici. Natura monoenergetică a electronilor de conversie face posibilă deosebirea lor de -electroni, al căror spectru este continuu. Locul vacant de pe învelișul interior al atomului care a apărut ca urmare a emisiei unui electron va fi umplut cu electroni din învelișurile de deasupra. Prin urmare, conversia internă este întotdeauna însoțită de emisia caracteristică de raze X.
-Cuanticele, avand masa de repaus nula, nu pot incetini in mediu, prin urmare, la trecere - radiații prin substanță, acestea sunt fie absorbite, fie împrăștiate de aceasta. -Quante nu poartă o sarcină electrică și, prin urmare, nu experimentează influența forțelor Coulomb. La trecerea fasciculului -cuante prin materie, energia lor nu se modifică, dar ca urmare a ciocnirilor intensitatea este slăbită, a cărei modificare este descrisă de legea exponențială eu=eu 0e- x (eu 0 și eu- intensitate -radiatie la intrarea si iesirea stratului de material absorbant cu o grosime x, - coeficient de absorbție). La fel de radiația este radiația cea mai pătrunzătoare, atunci pentru multe substanțe - o valoare foarte mică; depinde de proprietățile materiei și de energie -quanta.
-Quante, trecând prin materie, pot interacționa atât cu învelișul de electroni a atomilor materiei, cât și cu nucleele acestora. În electrodinamica cuantică, se dovedește că principalele procese care însoțesc pasajul -radiatiile prin materie sunt efectul fotoelectric, efectul Compton (difuzarea Compton) si formarea perechilor electron-pozitron.
efect fotoelectric, sau absorbția fotoelectrică - radiatii, este procesul prin care un atom absoarbe -cuantică și emite un electron. Deoarece electronul este scos dintr-una dintre învelișurile interioare ale atomului, spațiul eliberat este umplut cu electroni din învelișurile de deasupra, iar efectul fotoelectric este însoțit de radiația caracteristică de raze X. Efectul fotoelectric este mecanismul de absorbție predominant în regiunea cu energie scăzută -quanta ( E 100 keV). Efectul fotoelectric poate apărea numai asupra electronilor legați, deoarece un electron liber nu poate absorbi -cuantică, în timp ce legile conservării energiei și impulsului nu sunt îndeplinite simultan.
Pe măsură ce energia crește -quanta ( E0,5 MeV) probabilitatea efectului fotoelectric este foarte mică și principalul mecanism de interacțiune -quanta cu materia este împrăștiere Compton.
La E>1,02 MeV=2 m e c 2 (t e - masa în repaus a unui electron) devine posibil procesul de formare a perechilor electron-pozitron în câmpurile electrice ale nucleelor. Probabilitatea acestui proces este proporțională cu Z 2 și crește odată cu creșterea E. Prin urmare, când E10 MeV proces principal de interacțiune -radiatiile in orice substanta este au format perechi electron-pozitron.
Dacă energia -cuantica depaseste energia de legare a nucleonilor din nucleu (7-8 MeV), apoi ca urmare a absorbtiei - se poate observa cuantica efect fotoelectric nuclear- ejectia din nucleul unuia dintre nucleoni, cel mai adesea un neutron.
Putere mare de penetrare - radiația este utilizată în detectarea defectelor gamma - o metodă de detectare a defectelor bazată pe diferite absorbții -radiatia cand se propaga pe aceeasi distanta in medii diferite. Localizarea și dimensiunea defectelor (cavități, fisuri etc.) sunt determinate de diferența de intensități ale radiației care a trecut prin diferite părți ale produsului translucid.
Impact - caracterizează radiațiile (precum și alte tipuri de radiații ionizante) asupra unei substanțe doza de radiatii ionizante. Diferă:
Doza de radiație absorbită- mărime fizică egală cu raportul dintre energia radiației și masa substanței iradiate.
Unitatea de măsură a dozei de radiație absorbită - gri(Gy)*: 1 Gy= 1 J/kg - doza de radiatie la care energia oricarei radiatii ionizante de 1 J este transferata unei substante iradiate cu greutatea de 1 kg.
31. Obținerea elementelor transuraniu. Legile de bază ale reacțiilor de fisiune nucleară.
ELEMENTE TRANSURANE, elemente chimice situate în sistemul periodic după uraniu, adică cu număr atomic Z >92.
Toate elementele transuraniu au fost sintetizate prin reacții nucleare (în natură s-au găsit doar urme de Np și Pu). Elementele transuraniu sunt radioactive; cu creşterea Z jumătate de viață T 1/2 elementele transuraniu sunt reduse brusc.
În 1932, după descoperirea neutronului, s-a sugerat că atunci când uraniul a fost iradiat cu neutroni, ar trebui să se formeze izotopi ai primelor elemente transuraniu. Și în 1940, E. Macmillan și F. Ableson au sintetizat neptuniul (numărul de serie 93) folosind o reacție nucleară și i-au studiat cele mai importante proprietăți chimice și radioactive. În același timp, a avut loc și descoperirea următorului element transuraniu, plutoniul. Ambele elemente noi au fost numite după planetele din sistemul solar.
Toate elementele transuraniu până la 101 inclusiv au fost sintetizate folosind particule de bombardare ușoară: neutroni, deutroni și particule alfa. Procesul de sinteză a constat în iradierea țintei cu fluxuri de neutroni sau particule încărcate. Dacă U este folosit ca țintă, atunci cu ajutorul fluxurilor puternice de neutroni generate în reactoarele nucleare sau în timpul exploziei dispozitivelor nucleare, este posibil să se obțină toate elementele transuraniu, până la Fm ( Z= 100) inclusiv. Elemente cu Z Cu 1 sau 2 mai puțin decât elementul sintetizat. Între 1940 și 1955 Oamenii de știință americani conduși de G. Seaborg au sintetizat nouă elemente noi care nu există în natură: Np (neptuniu), Pu (plutoniu), Am (americiu), Cm (curiu), Bk (berkeliu), Cf (californiu), Es ( einsteiniu), Fm (fermium), Md (mendelevium). În 1951, G. Seaborg și E. M. Macmillan au primit Premiul Nobel „pentru descoperirile lor în domeniul chimiei elementelor transuraniului”.
Posibilitățile metodei de sinteză a elementelor radioactive grele, în care se utilizează iradierea cu particule ușoare, sunt limitate, nu permite obținerea de nuclee cu Z> 100. Elementul cu Z = 101 (mendelevium) a fost descoperit în 1955 prin iradierea a 253 99Es (einsteiniu) cu particule a accelerate. Sinteza noilor elemente transuraniu a devenit din ce în ce mai dificilă pe măsură ce am trecut la valori mai mari Z. Valorile timpilor de înjumătățire ale izotopilor lor s-au dovedit a fi din ce în ce mai mici.
Reacție nucleară - procesul de transformare a nucleelor atomice, care are loc atunci când interacționează cu particulele elementare, cuante gamma și între ele, ducând adesea la eliberarea unei cantități enorme de energie. În cursul reacțiilor nucleare sunt îndeplinite următoarele legi: conservarea sarcinii electrice și a numărului de nucleoni, conservarea energiei și
conservarea momentului, conservarea momentului unghiular, conservarea parității și
spin izotopic.
Reacție de fisiune - împărțirea unui nucleu atomic în mai multe nuclee mai ușoare. Diviziunile sunt forțate și spontane.
Reacția de fuziune este fuziunea nucleelor ușoare într-unul singur. Această reacție are loc numai la temperaturi ridicate, de ordinul a 10 8 K, și se numește reacție termonucleară.
Randamentul energetic al reacției Q este diferența dintre energiile totale de repaus ale tuturor particulelor înainte și după reacția nucleară. Dacă Q > 0, atunci energia totală de repaus scade în cursul unei reacții nucleare. Astfel de reacții nucleare se numesc exoenergetice. Ele pot proceda la o energie cinetică inițială arbitrară mică a particulelor. În schimb, pentru 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. Reacție în lanț de fisiune. Reacție în lanț controlată. Reactor nuclear.
Neutronii secundari emiși în timpul fisiunii nucleare pot provoca noi evenimente de fisiune, ceea ce face posibilă efectuarea reacție în lanț de fisiune- o reacție nucleară în care particulele care provoacă reacția se formează ca produse ale acestei reacții. Reacția de fisiune în lanț se caracterizează prin factor de multiplicare k neutroni, care este egal cu raportul dintre numărul de neutroni dintr-o generație dată și numărul lor din generația anterioară. Stare necesara pentru dezvoltarea unei reacţii în lanţ de fisiune este cerința k 1.
Se pare că nu toți neutronii secundari rezultați provoacă fisiunea nucleară ulterioară, ceea ce duce la o scădere a factorului de multiplicare. În primul rând, datorită dimensiunilor finite miez(spațiul în care are loc reacția în lanț) și puterea mare de penetrare a neutronilor, unii dintre aceștia vor părăsi nucleul înainte de a fi capturați de orice nucleu. În al doilea rând, o parte din neutroni este captată de nucleele de impurități nefisibile, care sunt întotdeauna prezente în miez. În plus, împreună cu fisiunea, pot avea loc procese concurente de captare radiativă și împrăștiere inelastică.
Factorul de multiplicare depinde de natura materialului fisionabil, iar pentru un izotop dat, de cantitatea acestuia, precum și de mărimea și forma zonei active. Se numesc dimensiunile minime ale zonei active la care este posibilă o reacție în lanț dimensiuni critice. Masa minimă de material fisionabil situat într-un sistem de dimensiuni critice, necesară implementării reacție în lanț, numit masa critica.
Rata de dezvoltare a reacțiilor în lanț este diferită. Lasa T - durata medie de viață a unei generații și N- numărul de neutroni dintr-o generație dată. În generația următoare, numărul lor este kN, t. e. creşterea numărului de neutroni pe generaţie dN=kN-N=N(k- unu). Creșterea numărului de neutroni pe unitatea de timp, adică rata de creștere a reacției în lanț,
Integrând (266.1), obținem
Unde N 0 este numărul de neutroni în momentul inițial de timp și N- numărul lor la un moment dat t. N este definit de semnul ( k- unu). La k> 1 vine reacție în curs de dezvoltare, numărul de diviziuni crește continuu și reacția poate deveni explozivă. La k=1 merge reacție autosusținută, la care numărul de neutroni nu se modifică în timp. La k<1 идет затухающая реакция.
Reacțiile în lanț sunt împărțite în gestionateși negestionate. Explozia unei bombe atomice, de exemplu, este o reacție necontrolată. Pentru a preveni explozia unei bombe atomice în timpul depozitării, U (sau Pu) din ea este împărțit în două părți îndepărtate una de cealaltă, cu mase sub nivelul critic. Apoi, cu ajutorul unei explozii obișnuite, aceste mase se apropie una de cealaltă, masa totală a materialului fisionabil devine mai critică și are loc o reacție explozivă în lanț, însoțită de o eliberare instantanee a unei cantități uriașe de energie și o mare distrugere. Reacția explozivă începe datorită neutronilor de fisiune spontană disponibili sau neutronilor radiațiilor cosmice. Reacțiile controlate în lanț sunt efectuate în reactoare nucleare.
Există trei izotopi în natură care pot servi drept combustibil nuclear (U: uraniul natural conține aproximativ 0,7%) sau materii prime pentru producerea acestuia (Th și U: uraniul natural conține aproximativ 99,3%). Th servește ca produs inițial pentru obținerea combustibilului nuclear artificial U (vezi reacția (265.2)) și U, absorbind neutroni, prin două succesive – -dezintegrari - pentru transformarea intr-un nucleu Pu:
Reacțiile (266.2) și (265.2), astfel, deschid o posibilitate reală de reproducere a combustibilului nuclear în procesul unei reacții în lanț de fisiune.
Reactor nuclear- Acesta este un dispozitiv în care se realizează o reacție nucleară controlată în lanț, însoțită de eliberarea de energie. Primul reactor nuclear a fost construit și lansat în decembrie 1942 în SUA sub conducerea lui E. Fermi. Primul reactor construit în afara Statelor Unite a fost ZEEP, lansat în Canada în septembrie 1945. În Europa, primul reactor nuclear a fost instalația F-1, care a fost lansată la 25 decembrie 1946 la Moscova sub conducerea lui I. V. Kurchatov.
Până în 1978, aproximativ o sută de reactoare nucleare de diferite tipuri funcționau deja în lume. Componentele oricărui reactor nuclear sunt: un miez cu combustibil nuclear, de obicei înconjurat de un reflector de neutroni, un lichid de răcire, un sistem de control cu reacție în lanț, protecție împotriva radiațiilor, un sistem de control de la distanță. Principala caracteristică a unui reactor nuclear este puterea sa. O putere de 1 MW corespunde unei reacții în lanț în care au loc 3·10 16 evenimente de fisiune în 1 sec.
33. Fuziunea termonucleară. Energia stelară. Fuziune termonucleară controlată.
reactie termonucleara este o reacție de fuziune a nucleelor ușoare în altele mai grele.
Pentru implementarea lui este necesar ca nucleonii inițiali sau nucleii ușori să se apropie între ei la distanțe egale sau mai mici decât raza sferei de acțiune a forțelor nucleare de atracție (adică până la distanțe de 10 -15 m). O astfel de apropiere reciprocă a nucleelor este împiedicată de forțele de respingere Coulomb care acționează între nucleele încărcate pozitiv. Pentru ca o reacție de fuziune să aibă loc, este necesară încălzirea unei substanțe cu densitate mare la temperaturi ultraînalte (de ordinul a sute de milioane de Kelvin), astfel încât energia cinetică a mișcării termice a nucleelor să fie suficientă pentru a depăși respingerea coulombiană. forte. La astfel de temperaturi, materia există sub formă de plasmă. Deoarece fuziunea poate avea loc numai la temperaturi foarte ridicate, reacțiile de fuziune nucleară sunt numite reacții termonucleare (din greacă. therme„caldura, caldura”).
Reacțiile termonucleare eliberează o energie enormă. De exemplu, în reacția de fuziune a deuteriului cu formarea heliului
Se eliberează 3,2 MeV de energie. În reacția sintezei deuteriului cu formarea tritiului
Se eliberează 4,0 MeV de energie, iar în reacție
Se eliberează 17,6 MeV de energie.
Fuziune termonucleară controlată (TCB) - sinteza nucleelor atomice mai grele din cele mai usoare in vederea obtinerii energiei care, spre deosebire de fuziunea termonucleara exploziva (folosita in dispozitivele explozive termonucleare), este controlata. Fuziunea termonucleară controlată diferă de energia nucleară tradițională prin aceea că cea din urmă folosește o reacție de fisiune, în timpul căreia se obțin nuclee mai ușoare din nuclee grele. Principalele reacții nucleare planificate a fi utilizate pentru fuziunea controlată vor folosi deuteriu (2 H) și tritiu (3 H), iar pe termen lung heliu-3 (3 He) și bor-11 (11 B).
34. Surse și metode de înregistrare a particulelor elementare. Tipuri de interacțiuni și clase de particule elementare. Antiparticule.
Contor Geiger
- servește la numărarea numărului de particule radioactive (în principal electroni).
Este un tub de sticlă umplut cu gaz (argon) cu doi electrozi în interior (catod și anod).
În timpul trecerii unei particule, are loc ionizarea prin impact a gazului și are loc un impuls de curent electric.
Avantaje:
- compactitate
- eficienta
- performanta
- precizie ridicată (10000 particule/s).
Unde se foloseste:
- înregistrarea contaminării radioactive la sol, în spații, îmbrăcăminte, produse etc.
- la depozitele de materiale radioactive sau cu reactoare nucleare în exploatare
- la căutarea zăcămintelor de minereu radioactiv (U, Th)
camera cu nori
- servește la observarea și fotografiarea urmelor din trecerea particulelor (urme).
Volumul intern al camerei este umplut cu vapori de alcool sau apă în stare suprasaturată:
când pistonul este coborât, presiunea din interiorul camerei scade și temperatura scade, ca urmare a procesului adiabatic, se formează abur suprasaturat.
Picăturile de umiditate se condensează de-a lungul căii de trecere a particulei și se formează o urmă - o urmă vizibilă.
Când o cameră este plasată într-un câmp magnetic, pista poate fi folosită pentru a determina energia, viteza, masa și sarcina unei particule.
Caracteristicile unei particule radioactive zburătoare sunt determinate de lungimea și grosimea pistei, de curbura acesteia într-un câmp magnetic.
De exemplu, o particulă alfa dă o urmă groasă continuă,
proton - pistă subțire,
electron - pistă punctată.
camera cu bule
Varianta cu camera de nor
Odată cu o scădere bruscă a pistonului, fluidul sub presiune mare intră într-o stare supraîncălzită. Odată cu mișcarea rapidă a particulei de-a lungul traseului, se formează bule de vapori, adică. lichidul fierbe, pista este vizibilă.
Avantaje față de camera de nor:
- densitate mare a pistelor medii, deci scurte
- particulele se blochează în cameră și pot fi efectuate observații suplimentare ale particulelor
- mai multa viteza.
Metoda emulsiilor fotografice în strat gros
- servește la înregistrarea particulelor
- vă permite să înregistrați fenomene rare datorită timpului lung de expunere.
Emulsia fotografică conține o cantitate mare de microcristale de bromură de argint.
Particulele care intră ionizează suprafața emulsiilor fotografice. Cristalele de AgBr se dezintegrează sub acțiunea particulelor încărcate și, la dezvoltare, se dezvăluie o urmă din trecerea unei particule, o urmă.
Energia și masa particulelor pot fi determinate din lungimea și grosimea pistei.
Clase de particule și tipuri de interacțiuni
În prezent, există credința fermă că totul în natură este construit din particule elementare și toate procesele naturale se datorează interacțiunii acestor particule. Astăzi, particulele elementare sunt înțelese ca quarci, leptoni, bosoni gauge și particule scalare Higgs. Sub interacțiuni fundamentale - puternic, electro-slab și gravitațional. Astfel, este posibil să se evidențieze în mod condiționat patru clase de particule elementare și trei tipuri de interacțiuni fundamentale.
Neutrinii sunt neutri din punct de vedere electric; electronul, muonul și leptonul tau au sarcini electrice. Leptonii participă la interacțiunile electroslabe și gravitaționale.
Clasa a treia sunt quarci. Astăzi, sunt cunoscuți șase quarci - fiecare dintre care poate fi „colorat” într-una din cele trei culori. La fel ca leptonii, este convenabil să le aranjați sub formă de trei familii
Cuarcii liberi nu sunt observați. Împreună cu gluonii, ei sunt componentele hadronilor, dintre care există câteva sute. Hadronii, ca și quarcurile care îi alcătuiesc, participă la toate tipurile de interacțiuni.
clasa a patra- Particule Higgs, încă nedetectate experimental. În schema minimă, un scalar Higgs este suficient. Rolul lor în natură astăzi este în mare parte „teoretic” și este de a face renormalizabilă interacțiunea electro-slabă. În special, masele tuturor particulelor elementare sunt „lucrarea manuală” a condensatului Higgs. Poate că introducerea câmpurilor Higgs este necesară pentru a rezolva probleme fundamentale ale cosmologiei, cum ar fi omogenitatea și cauzalitatea universului.
Prelegerile ulterioare despre teoria structurii cuarci a hadronilor sunt dedicate hadronilor și cuarcilor. Accentul va fi pus pe clasificarea particulelor, simetrii și legile de conservare.
35. Legile conservării în transformările particulelor elementare. Conceptul de quarci.
Un cuarc este o particulă fundamentală în modelul standard care are o sarcină electrică care este un multiplu a lui e/3, și nu se observă în stare liberă. Quarcii sunt particule punctiforme cu o scară de aproximativ 0,5·10 -19 m, care este de aproximativ 20 de mii de ori mai mică decât dimensiunea unui proton. Quarcii formează hadronii, în special protonul și neutronul. În prezent, sunt cunoscute 6 „sorturi” diferite (mai des se spune - „arome”) de quarci, ale căror proprietăți sunt date în tabel. În plus, pentru descrierea gauge a interacțiunii puternice, se postulează că quarcii au și o caracteristică internă suplimentară numită „culoare”. Fiecare quarc corespunde unui antiquarc cu numere cuantice opuse.
Ipoteza conform căreia hadronii sunt construiți din subunități specifice a fost formulată pentru prima dată de M. Gell-Mann și, independent de el, J. Zweig în 1964.
Cuvântul „quark” a fost împrumutat de Gell-Mann din romanul Finnegans Wake de J. Joyce, unde într-unul dintre episoade sintagma „Three quarks for Muster Mark!” (tradus de obicei prin „Trei quarci pentru Master/Muster Mark!”). Însuși cuvântul „quark” din această frază este o onomatopee a strigătului păsărilor marine.
Radiațiile radioactive și tipurile sale
Fizicianul francez A. Becquerel în 1896, în timp ce studia luminescența sărurilor de uraniu, a descoperit accidental emisia lor spontană de radiații de natură necunoscută, care acționau asupra unei plăci fotografice, ioniza aerul, pătrundea prin plăci subțiri de metal și provoacă luminescența. a unui număr de substanţe. Continuând studiul acestui fenomen, soții Curie - Marie și Pierre - au descoperit că radiația Becquerel este caracteristică nu numai uraniului, ci și multor alte elemente grele, precum toriul și actiniul. Ei au mai arătat că pitchblenda de uraniu (minereul din care se extrage uraniul metalic) emite radiații a căror intensitate este de multe ori mai mare decât cea a uraniului. Astfel, a fost posibilă izolarea a două elemente noi - purtători ai radiației Becquerel: poloniu și radiu.
Radiația detectată a fost numită radiatii radioactive , iar fenomenul în sine este emisia de radiații radioactive - radioactivitate.
Tipuri de radiații radioactive:
1) - radiatii
Este deviat de câmpurile electrice și magnetice, are o capacitate mare de ionizare și o putere de penetrare scăzută. Reprezintă un flux de nuclee de heliu; sarcina particulei - este egală cu +2e, iar masa coincide cu masa nucleului izotopului de heliu. În funcție de deviația - particulelor din câmpurile electrice și magnetice, a fost determinată sarcina lor specifică, a cărei valoare a confirmat corectitudinea ideilor despre natura lor.
2) -radiatii
Respins de câmpurile electrice și magnetice; capacitatea sa de ionizare este mult mai mică (cu aproximativ două ordine de mărime), iar puterea sa de penetrare este mult mai mare decât cea a particulelor. Este un flux de electroni rapizi (aceasta rezultă din definiția sarcinii lor specifice).
3) -radiatii
Nu este deviat de câmpurile electrice și magnetice, are o capacitate de ionizare relativ slabă și o putere de penetrare foarte mare și detectează difracția la trecerea prin cristale. Este o radiație electromagnetică de undă scurtă cu o lungime de undă m extrem de scurtă și, ca urmare, proprietăți corpusculare pronunțate, adică. este un flux de particule - -quanta (fotoni).
Radioactivitate- capacitatea unor nuclee atomice de a se transforma spontan (spontan) în alte nuclee cu emisia de diferite particule:
1) Natural - observat în izotopii instabili care există în natură;
2) Artificial - observată în izotopi sintetizaţi prin reacţii nucleare în laborator.
Legea dezintegrarii radioactive
dezintegrare radioactivă- transformarea naturală a nucleelor, care se produce spontan.
Acest fenomen este statistic, deci concluziile care decurg din legile dezintegrarii radioactive sunt probabiliste.
constantă de dezintegrare radioactivă- probabilitatea dezintegrarii nucleare pe unitatea de timp, egala cu fractia de nuclee care se descompun in 1 s.
Legea dezintegrarii radioactive: Datorită spontaneității dezintegrarii radioactive, putem presupune că numărul de nuclee dN care s-au dezintegrat în medie pe intervalul de timp de la t la t + dt este proporțional cu intervalul de timp dt și cu numărul N de nuclee care nu s-au degradat prin timpul t:
[ N este numărul de nuclee nedezintegrate în timpul t; - numărul iniţial de nuclee nedezintegrate, la momentul t=0; -constanta dezintegrarii radioactive]
Jumătate de viață ()- intervalul de timp în care, în medie, numărul de nuclee nedezintegrate este înjumătățit.
Durata medie de viață a unui nucleu radioactiv:
Activitatea nucleară este numărul de dezintegrari care au loc cu nucleele probei în 1 s:
Unitatea de activitate este 1 Bq: 1 becquerel este activitatea unui nuclid într-o sursă radioactivă, la care are loc un eveniment de dezintegrare în 1 s. 1Bq = 2,703 curii.
5. Reguli de deplasare pt - și - decade
miezul mamei- un nucleu atomic în curs de dezintegrare radioactivă.
miez de copil- un nucleu atomic rezultat în urma dezintegrarii radioactive.
Reguli de compensare– reguli care fac posibilă stabilirea ce nucleu ia naștere ca urmare a dezintegrarii unui nucleu părinte dat. Aceste reguli sunt o consecință a legilor care sunt îndeplinite în timpul dezintegrarilor radioactive - legea conservării numerelor de sarcină și legea conservării numerelor de masă.
Legile conservării numerelor de sarcină și de masă
1) Suma numerelor de sarcină ale nucleelor și particulelor emergente este egală cu numărul de sarcină al nucleului original.
2) suma numerelor de masă ale nucleelor și particulelor emergente este egală cu numărul de masă al nucleului inițial.
Regulile de deplasare sunt o consecință a legilor conservării numerelor de sarcină și de masă.
dezintegrare alfa numită dezintegrarea spontană a unui nucleu atomic într-un nucleu fiică și o particulă α (nucleul unui atom 4 El).
Dezintegrarea alfa apare de obicei în nucleele grele cu numar de masa
DAR≥ 140 (deși există câteva excepții).
Regula de schimbare pentru dezintegrarea α: , unde este nucleul de heliu (particulă a),
Exemplu (degradare alfa uraniu-238 la toriu-234):
Ca rezultat al dezintegrarii α, atomul este deplasat de 2 celule la început tabele periodice(adică sarcina nucleului Z scade cu 2), numărul de masă al nucleului fiică scade cu 4.
dezintegrare beta
Becquerel a demonstrat că razele β sunt un flux electroni. Dezintegrarea beta este o manifestare interacțiune slabă.
42. Legea dezintegrarii radioactive. Constanta de dezintegrare, durata medie de viață a nucleului, timpul de înjumătățire, activitate.
dezintegrare radioactivă
N= N 0 e - λt este legea dezintegrarii radioactive, unde N este numărul de nuclee nedesintegrate, N 0 este numărul de nuclee inițiale.
Sensul fizic al constantei de dezintegrare este probabilitatea dezintegrarii nucleare pe unitatea de timp. Duratele de viață caracteristice pentru nucleele radioactive sunt τ> 10 -14 s. Durata de viață a nucleelor datorită emisiei de nucleoni 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. Tipuri de dezintegrare radioactivă. Α - dezintegrare, schema de dezintegrare, modele de dezintegrare.
dezintegrare radioactivă- procesul de transformare a nucleelor atomice instabile în nucleele altor elemente, care este însoțit de emisia de particule.
Tipuri de dezintegrare radioactivă:
1)α - dezintegrare - este însoțită de emisia de atomi de heliu.
2)β - dezintegrare - emisie de electroni și pozitroni.
3)γ - dezintegrare - emisia de fotoni în timpul tranzițiilor între stările nucleelor.
4) Fisiune nucleară spontană.
5) Radioactivitatea nucleonilor.
α - dezintegrare: A 2 X→ A-Y Z-2 Y+ 4 2 He. Dezintegrarea Α se observă în nucleele grele. Spectrul de dezintegrare α este discret. Lungimea cursei α - particule în aer: 3-7cm; pentru substanţe dense: 10 -5 m.T 1/2 10 -7 s ÷ 10 10 ani.
44. β - dezintegrare. schemele β + , β - și K-capture. Modele de β - dezintegrare.
β - dezintegrarea se datorează interacțiunii slabe. Este slab în raport cu nucleele puternice. Toate particulele, cu excepția fotonilor, participă la interacțiuni slabe. Ideea este degenerarea de noi particule. T 1/2 10 -2 s ÷ 10 20 ani. Calea liberă a neutronului este de 10 19 km.
β - dezintegrarea include 3 tipuri de dezintegrare:
1) β - sau electronic. Nucleul emite electroni. În general:
A 2 X→ A Z -1 Y+ 0 -1 e+υ e .
2)β + sau pozitron. Sunt emise antiparticule de electroni – pozitroni: 1 1 p→ 1 0 n+ 0 1 e+υ e – reacție de transformare a unui proton într-un neutron. Reacția nu dispare de la sine. Vedere generală a reacţiei: A Z X→ A Z -1 Y+ 0 1 e+υ e. Se observă în nuclee radioactive artificiale.
3) Captură electronică. Are loc o transformare a nucleului, captează învelișul K și se transformă într-un neutron: 1 1 p+ 0 -1 e→ 1 0 n+υ e . Vedere generală: A Z X+ 0 1 e→ A Z -1 Y+υ e . Ca rezultat al captării electrice, doar o particulă zboară din nuclee. Însoțită de radiații cu raze X caracteristice.
45. Reacții nucleare, modelele lor. Reacții de fisiune. Reacții de sinteză. Randamentul energetic al reacției.
reacție nucleară- procesul de transformare a nucleelor atomice, care are loc atunci când interacționează cu particulele elementare, cuante gamma și între ele, ducând adesea la eliberarea unei cantități enorme de energie. În cursul reacțiilor nucleare sunt îndeplinite următoarele legi: conservarea sarcinii electrice și a numărului de nucleoni, conservarea energiei și
conservarea momentului, conservarea momentului unghiular, conservarea parității și
spin izotopic.
reacție de fisiune- divizarea unui nucleu atomic in mai multe nuclee mai usoare. Diviziunile sunt forțate și spontane.
Reacția de sinteză- reacția de fuziune a nucleelor ușoare într-unul singur. Această reacție are loc numai la temperaturi ridicate, de ordinul a 10 8 K, și se numește reacție termonucleară.
Randamentul energetic al reacției Q este diferența dintre energiile totale de repaus ale tuturor particulelor înainte și după o reacție nucleară. Dacă Q > 0, atunci energia totală de repaus scade în cursul unei reacții nucleare. Astfel de reacții nucleare se numesc exoenergetice. Ele pot proceda la o energie cinetică inițială arbitrară mică a particulelor. În schimb, pentru 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.
Fenomenul de radioactivitate a fost descoperit în 1896 de A. Becquerel, care a observat emisia spontană de radiații necunoscute din sărurile de uraniu. Curând, E. Rutherford și Curies au descoperit că în timpul dezintegrarii radioactive sunt emise nuclee He (particule α), electroni (particule β) și radiații electromagnetice dure (raze γ).
În 1934, a fost descoperită dezintegrarea cu emisia de pozitroni (β + -decay), iar în 1940 a fost descoperit un nou tip de radioactivitate - fisiunea nucleară spontană: un nucleu fisionabil se descompune în două fragmente de masă comparabilă cu emisia simultană de neutroni. și γ -quanta. Radioactivitatea protonilor a nucleelor a fost observată în 1982. Astfel, există următoarele tipuri de dezintegrare radioactivă: dezintegrare α; - dezintegrare; - descompunere; e - captura.
Radioactivitate- capacitatea unor nuclee atomice de a se transforma spontan (spontan) în alte nuclee cu emisia de particule.
Nucleele atomice sunt formate din protoni si neutroni, care au un nume generic - nucleonii. Numărul de protoni din nucleu determină proprietățile chimice ale atomului și se notează Z(numărul de serie al elementului). Numărul de nucleoniîn nucleu se numește numar de masa si denota DAR. Kernel-uri cu același număr de serieși se numesc numere de masă diferite izotopi. Toți izotopii aceluiași element chimic au aceleași proprietăți chimice, iar proprietățile fizice pot varia foarte mult. Pentru a desemna izotopii, se folosește simbolul unui element chimic cu doi indici: A Z X. Indexul inferior este numărul de serie, indexul superior este numărul de masă. Adesea indicele este omis deoarece simbolul elementului însuși indică el.
De exemplu, ei scriu 14 C în loc de 14 6 C.
Capacitatea unui nucleu de a se descompune depinde de compoziția sa. Același element poate avea atât izotopi stabili, cât și radioactivi.
De exemplu, izotopul de carbon 12C este stabil, în timp ce izotopul 14C este radioactiv.
Dezintegrarea radioactivă este un fenomen statistic. Capacitatea unui izotop de a se descompune este caracterizată de constanta de dezintegrare λ.
Constanta de dezintegrare λ este probabilitatea ca nucleul unui izotop dat să se descompună pe unitate de timp.
Să notăm numărul N de nuclee de dezintegrare radioactivă la momentul t, dN 1 - numărul de nuclee dezintegrate în timpul dt. Deoarece numărul de nuclee dintr-o substanță este mare, legea numerelor mari este îndeplinită. Probabilitatea dezintegrarii nucleare într-un timp scurt dt se află prin formula dP = λdt.Frecvența este egală cu probabilitatea: d N 1 / N = dP = λdt. d N 1 / N = λdt- o formulă care determină numărul de nuclee degradate.
Soluția ecuației este: , - formula se numește legea dezintegrarii radioactive: Numărul de nuclee radioactive scade cu timpul conform unei legi exponenţiale.
Aici N este numărul de nuclee nedezintegrate în timpul t; N despre - numărul inițial de nuclee nedezintegrate; λ este constanta dezintegrarii radioactive.
În practică, constanta de dezintegrare nu este utilizată λ , și o cantitate numită timpul de înjumătățire T.
Timpul de înjumătățire (T) - timpul în care jumătate din nucleele radioactive se descompun.
Legea dezintegrarii radioactive printr-o perioadă timpul de înjumătățire (T) are forma:
Relația dintre timpul de înjumătățire și constanta de dezintegrare este dată de: T = ln(2/λ) = 0,69/λ
Timpul de înjumătățire poate fi fie foarte lung, fie foarte scurt.
Pentru a evalua gradul de activitate al unui izotop radioactiv, se folosește o cantitate numită activitate.
Numărul de activitate al nucleelor unui preparat radioactiv care se descompun pe unitatea de timp: A = dN dis /dt
Pentru o unitate de activitate în SI, se ia 1 becquerel (Bq) = 1 dezintegrare / s - activitatea medicamentului, în care are loc 1 dezintegrare în 1 s. Cea mai mare unitate de activitate este 1 rutherford (Rd) = Bq. Este adesea folosită o unitate de activitate în afara sistemului - curie (Ci), egală cu activitatea a 1 g de radiu: 1 Ci = 3,7 Bq.
În timp, activitatea scade conform aceleiași legi exponențiale, conform căreia radionuclidul însuși se descompune:
=
.
În practică, se utilizează următoarea formulă pentru a calcula activitatea:
A = = λN = 0,693 N/T.
Dacă exprimăm numărul de atomi în termeni de masă și masă de vopsea, atunci formula de calcul a activității va lua forma: A \u003d \u003d 0,693 (μT)
unde este numărul lui Avogadro; μ este masa molară.
1. Radioactivitate. Legea de bază a dezintegrarii radioactive. Activitate.
2. Principalele tipuri de dezintegrare radioactivă.
3. Caracteristici cantitative ale interacțiunii radiațiilor ionizante cu materia.
4. Radioactivitate naturală și artificială. rânduri radioactive.
5. Utilizarea radionuclizilor în medicină.
6. Acceleratoare de particule încărcate și utilizarea lor în medicină.
7. Bazele biofizice ale acţiunii radiaţiilor ionizante.
8. Concepte și formule de bază.
9. Sarcini.
Interesul medicilor pentru radioactivitatea naturală și artificială se datorează următoarelor.
În primul rând, toate viețuitoarele sunt expuse în mod constant la fondul natural de radiații, care este radiația cosmică, radiația elementelor radioactive care apar în straturile de suprafață ale scoarței terestre și radiația elementelor care intră în corpul animalelor împreună cu aerul și alimente.
În al doilea rând, radiațiile radioactive sunt folosite în medicină în scopuri diagnostice și terapeutice.
33.1. Radioactivitate. Legea de bază a dezintegrarii radioactive. Activitate
Fenomenul de radioactivitate a fost descoperit în 1896 de A. Becquerel, care a observat emisia spontană de radiații necunoscute din sărurile de uraniu. Curând, E. Rutherford și Curies au descoperit că în timpul dezintegrarii radioactive sunt emise nuclee He (particule α), electroni (particule β) și radiații electromagnetice dure (raze γ).
În 1934, a fost descoperită dezintegrarea cu emisia de pozitroni (β + -decay), iar în 1940 a fost descoperit un nou tip de radioactivitate - fisiunea nucleară spontană: un nucleu fisionabil se descompune în două fragmente de masă comparabilă cu emisia simultană de neutroni. și γ -quanta. Radioactivitatea protonilor a nucleelor a fost observată în 1982.
Radioactivitate - capacitatea unor nuclee atomice de a se transforma spontan (spontan) în alte nuclee cu emisia de particule.
Nucleele atomice sunt compuse din protoni și neutroni, care au o denumire generală - nucleonii. Numărul de protoni din nucleu determină proprietățile chimice ale atomului și este notat cu Z (acest număr de serie element chimic). Numărul de nucleoni dintr-un nucleu se numește numar de masași notează A. Nuclei cu același număr de serie și numere de masă diferite se numesc izotopi. Toți izotopii unui element chimic au aceeași Proprietăți chimice. Proprietățile fizice ale izotopilor pot varia foarte mult. Pentru a desemna izotopii, simbolul unui element chimic este folosit cu doi indici: A Z X. Indicele inferior este numărul de serie, cel de sus este numărul de masă. Adesea indicele este omis deoarece simbolul elementului însuși indică el. De exemplu, ei scriu 14 C în loc de 14 6 C.
Capacitatea unui nucleu de a se descompune depinde de compoziția sa. Același element poate avea atât izotopi stabili, cât și radioactivi. De exemplu, izotopul de carbon 12C este stabil, în timp ce izotopul 14C este radioactiv.
Dezintegrarea radioactivă este un fenomen statistic. Caracterizează capacitatea unui izotop de a se descompune constantă de dezintegrareλ.
constantă de dezintegrare este probabilitatea ca nucleul unui izotop dat să se descompună pe unitatea de timp.
Probabilitatea dezintegrarii nucleare intr-un timp scurt dt se gaseste prin formula
Ținând cont de formula (33.1), obținem o expresie care determină numărul de nuclee degradate:
Formula (33.3) se numește principală legea dezintegrarii radioactive.
Numărul de nuclee radioactive scade cu timpul conform unei legi exponenţiale.
În practică, în loc de constantă de dezintegrareλ folosesc adesea o altă valoare numită jumătate de viață.
Jumătate de viață(T) - timpul în care se degradează jumătate nuclee radioactive.
Legea dezintegrarii radioactive folosind timpul de înjumătățire este scrisă după cum urmează:
Graficul de dependență (33.4) este prezentat în fig. 33.1.
Timpul de înjumătățire poate fi fie foarte lung, fie foarte scurt (de la fracțiuni de secundă la multe miliarde de ani). În tabel. 33.1 prezintă timpii de înjumătățire pentru unele elemente.
Orez. 33.1. Scăderea numărului de nuclee ale substanței originale în timpul dezintegrarii radioactive
Tabelul 33.1. Timpurile de înjumătățire pentru unele elemente
Pentru rata gradul de radioactivitate izotopii folosesc o cantitate specială numită activitate.
Activitate - numărul de nuclee ale unui preparat radioactiv care se descompun pe unitatea de timp:
Unitatea de măsură a activității în SI - becquerel(Bq), 1 Bq corespunde unui eveniment de dezintegrare pe secundă. În practică, mai mult
unitate de activitate în afara sistemului ingenios - curie(Ci) egal cu activitatea a 1 g de 226 Ra: 1 Ci = 3,7x10 10 Bq.
În timp, activitatea scade în același mod în care scade numărul de nuclee nedegradate:
33.2. Principalele tipuri de dezintegrare radioactivă
În procesul de studiu a fenomenului de radioactivitate au fost descoperite 3 tipuri de raze emise de nucleele radioactive, care au fost numite raze α-, β- și γ. Mai târziu s-a descoperit că particulele α și β sunt produse a două tipuri diferite de dezintegrare radioactivă, iar razele y sunt un produs secundar al acestor procese. În plus, razele γ însoțesc și transformări nucleare mai complexe, care nu sunt luate în considerare aici.
Dezintegrarea alfa constă în transformarea spontană a nucleelor cu emisieα -particule (nuclei de heliu).
Schema de dezintegrare α este scrisă ca
unde X, Y sunt simbolurile nucleelor părinte și, respectiv, copil. Când scrieți α-decay, în loc de „α” puteți scrie „Nu”.
În această dezintegrare, numărul atomic Z al elementului scade cu 2, iar numărul de masă A - cu 4.
În timpul dezintegrarii α, nucleul fiică, de regulă, se formează într-o stare excitată și, la trecerea la starea fundamentală, emite un γ-cuantic. O proprietate comună a micro-obiectelor complexe este că au discret ansamblu de stări energetice. Acest lucru este valabil și pentru miezuri. Prin urmare, radiația y a nucleelor excitate are un spectru discret. În consecință, spectrul energetic al particulelor α este de asemenea discret.
Energia particulelor α emise pentru aproape toți izotopii α-activi se află în intervalul 4-9 MeV.
dezintegrare beta constă în transformarea spontană a nucleelor cu emisie de electroni (sau pozitroni).
S-a stabilit că dezintegrarea β este întotdeauna însoțită de emisia unei particule neutre - un neutrin (sau antineutrin). Această particulă practic nu interacționează cu materia și nu va fi luată în considerare în continuare. Energia eliberată în timpul dezintegrarii β este distribuită aleatoriu între particula β și neutrin. Prin urmare, spectrul energetic al radiației β este continuu (Fig. 33.2).
Orez. 33.2. Spectrul energetic al dezintegrarii β
Există două tipuri de dezintegrare β.
1. Electronică Dezintegrarea β - - constă în transformarea unui neutron nuclear într-un proton și un electron. În acest caz, apare o altă particulă ν" - un antineutrin:
Un electron și un antineutrin zboară din nucleu. Schema β - dezintegrarii electronice se scrie ca
În timpul dezintegrarii electronice β, numărul de serie al elementului Z crește cu 1, numărul de masă A nu se modifică.
Energia particulelor β se află în intervalul 0,002-2,3 MeV.
2. Pozitron Dezintegrarea β + constă în transformarea unui proton nuclear într-un neutron și un pozitron. În acest caz, apare o altă particulă ν - un neutrin:
Captura de electroni în sine nu generează particule ionizante, dar o face însoțită de raze X. Această radiație apare atunci când spațiul eliberat de absorbția unui electron interior este umplut de un electron de pe o orbită exterioară.
Radiația gamma are o natură electromagnetică și este un foton cu o lungime de undăλ ≤ 10 -10 m.
Radiația gamma nu este un tip independent de dezintegrare radioactivă. Radiațiile de acest tip însoțesc aproape întotdeauna nu numai dezintegrarea α și β, ci și reacțiile nucleare mai complexe. Nu este deviat de câmpurile electrice și magnetice, are o putere ionizantă relativ slabă și o putere de penetrare foarte mare.
33.3. Caracteristicile cantitative ale interacțiunii radiațiilor ionizante cu materia
Impactul radiațiilor radioactive asupra organismelor vii este asociat cu ionizare, pe care o induce în țesuturi. Capacitatea unei particule de a ioniza depinde atât de tipul ei, cât și de energia acesteia. Pe măsură ce particula se mișcă mai adânc în substanță, își pierde energia. Acest proces se numește franare prin ionizare.
Pentru a caracteriza cantitativ interacțiunea unei particule încărcate cu materia, se folosesc mai multe cantități:
După ce energia particulei scade sub energia de ionizare, efectul ei ionizant încetează.
Kilometraj liniar mediu(R) a unei particule ionizante încărcate - calea parcursă de aceasta într-o substanță înainte de a-și pierde capacitatea de ionizare.
Să luăm în considerare câteva trăsături caracteristice ale interacțiunii diferitelor tipuri de radiații cu materia.
radiatii alfa
Particula alfa practic nu se abate de la direcția inițială a mișcării sale, deoarece masa sa este de multe ori mai mare
Orez. 33.3. Dependența densității de ionizare liniară de calea parcursă de o particulă α într-un mediu
masa electronului cu care interacționează. Pe măsură ce pătrunde adânc în substanță, densitatea de ionizare crește mai întâi și când sfârşitul cursei (x = R) scade brusc la zero (Fig. 33.3). Acest lucru se explică prin faptul că odată cu scăderea vitezei de mișcare, timpul petrecut în apropierea moleculei (atomul) mediului crește. În acest caz, probabilitatea ionizării crește. După ce energia particulei α devine comparabilă cu energia mișcării termice moleculare, captează doi electroni în substanță și se transformă într-un atom de heliu.
Electronii generați în timpul procesului de ionizare, de regulă, se îndepărtează de calea particulei α și provoacă ionizare secundară.
Caracteristicile interacțiunii particulelor α cu apa și țesuturile moi sunt prezentate în tabel. 33.2.
Tabelul 33.2. Dependența caracteristicilor de interacțiune cu materia de energia particulelor α
radiații beta
Pentru mișcare β -particulele din materie se caracterizează printr-o traiectorie curbilinie imprevizibilă. Acest lucru se datorează egalității maselor particulelor care interacționează.
Caracteristicile interacțiunii β -particulele cu apa si tesuturile moi sunt prezentate in Tabel. 33.3.
Tabelul 33.3. Dependența caracteristicilor de interacțiune cu materia de energia particulelor β
Ca și în cazul particulelor α, puterea de ionizare a particulelor β crește odată cu scăderea energiei.
Radiația gamma
Absorbţie γ -radiația de către o substanță respectă o lege exponențială similară legii absorbției razelor X:
Principalele procese responsabile de absorbție γ -radiatiile sunt efectul fotoelectric si dispersia Compton. Aceasta produce o cantitate relativ mică de electroni liberi (ionizare primară), care au o energie foarte mare. Ei sunt cei care provoacă procesele de ionizare secundară, care este incomparabil mai mare decât cea primară.
33.4. naturale si artificiale
radioactivitate. ranguri radioactive
Termeni naturalși artificial radioactivitatea sunt condiționate.
natural numiți radioactivitatea izotopilor care există în natură sau radioactivitatea izotopilor formați ca urmare a proceselor naturale.
De exemplu, radioactivitatea uraniului este naturală. Radioactivitatea carbonului 14 C, care se formează în straturile superioare ale atmosferei sub influența radiației solare, este de asemenea naturală.
Artificial numită radioactivitatea izotopilor care apar ca urmare a activităților umane.
Aceasta este radioactivitatea tuturor izotopilor produși în acceleratoarele de particule. Aceasta include și radioactivitatea solului, apei și aerului, care are loc în timpul unei explozii atomice.
radioactivitate naturală
În perioada inițială de studiu a radioactivității, cercetătorii au putut folosi radionuclizi naturali (izotopi radioactivi) conținuti în rocile terestre doar într-o cantitate destul de mare: 232 Th, 235 U, 238 U. Cu acești radionuclizi încep trei serii radioactive, terminând cu izotopi stabili de Pb. . Ulterior, a fost descoperită o serie pornind de la 237 Np, cu un nucleu final stabil 209 Bi. Pe fig. 33.4 arată un rând care începe cu 238 U.
Orez. 33.4. Seria uraniu-radiu
Elementele acestei serii sunt principala sursă de expunere umană internă. De exemplu, 210 Pb și 210 Po intră în organism cu alimente - sunt concentrate în pește și crustacee. Ambii acești izotopi se acumulează în licheni și, prin urmare, sunt prezenți în carnea de ren. Cea mai semnificativă dintre toate sursele naturale de radiație este 222 Rn - un gaz inert greu rezultat din degradarea 226 Ra. Reprezintă aproximativ jumătate din doza de radiații naturale primite de oameni. Format în scoarța terestră, acest gaz se infiltrează în atmosferă și intră în apă (este foarte solubil).
Izotopul radioactiv al potasiului 40 K este prezent în mod constant în scoarța terestră, care face parte din potasiul natural (0,0119%). Din sol, acest element pătrunde în organism prin sistemul radicular al plantelor și cu alimente vegetale (cereale, legume și fructe proaspete, ciuperci) - în organism.
O altă sursă de radiație naturală este radiația cosmică (15%). Intensitatea sa creste in zonele muntoase datorita scaderii efectului protector al atmosferei. Sursele de radiație naturală de fond sunt enumerate în tabel. 33.4.
Tabelul 33.4. Componentă a fondului radioactiv natural
33.5. Utilizarea radionuclizilor în medicină
radionuclizi numiți izotopi radioactivi ai elementelor chimice cu un timp de înjumătățire scurt. Astfel de izotopi nu există în natură, așa că sunt obținuți artificial. În medicina modernă, radionuclizii sunt utilizați pe scară largă în scopuri diagnostice și terapeutice.
Aplicație de diagnosticare se bazează pe acumularea selectivă a anumitor elemente chimice de către organele individuale. Iodul, de exemplu, este concentrat în glanda tiroidă, în timp ce calciul este concentrat în oase.
Introducerea radioizotopilor acestor elemente în organism face posibilă detectarea zonelor de concentrație a acestora prin radiații radioactive și astfel obținerea unor informații importante de diagnostic. Această metodă de diagnosticare se numește prin metoda atomului etichetat.
Utilizare terapeutică radionuclizi se bazează pe efectul distructiv al radiațiilor ionizante asupra celulelor tumorale.
1. Gammaterapie- utilizarea radiațiilor γ de înaltă energie (sursa 60 Co) pentru distrugerea tumorilor localizate profund. Pentru ca țesuturile și organele localizate superficial să nu fie supuse unui efect distructiv, efectul radiațiilor ionizante se realizează în diferite sesiuni în direcții diferite.
2. alfa terapie- utilizarea terapeutică a particulelor α. Aceste particule au o densitate de ionizare liniară semnificativă și sunt absorbite chiar și de un strat mic de aer. Prin urmare, terapeutic
utilizarea razelor alfa este posibilă cu contact direct cu suprafața organului sau cu introducerea în interior (cu ac). Pentru expunerea superficială se utilizează terapia cu radon (222 Rn): expunerea la piele (băi), organele digestive (băutură), organele respiratorii (inhalații).
În unele cazuri, uz medicinal α -particulele este asociată cu utilizarea fluxului de neutroni. Cu această metodă, elementele sunt introduse mai întâi în țesut (tumoare), ale căror nuclee, sub acțiunea neutronilor, emit α -particule. După aceea, organul bolnav este iradiat cu un flux de neutroni. În acest mod α -particulele se formează direct în interiorul organului, asupra cărora ar trebui să aibă un efect distructiv.
Tabelul 33.5 enumeră caracteristicile unor radionuclizi utilizați în medicină.
Tabelul 33.5. Caracterizarea izotopilor
33.6. Acceleratorii de particule și utilizarea lor în medicină
Accelerator- o instalație în care, sub acțiunea câmpurilor electrice și magnetice, se obțin fascicule dirijate de particule încărcate cu energie mare (de la sute de keV la sute de GeV).
Acceleratoarele creează îngust fascicule de particule cu o energie dată și o secțiune transversală mică. Acest lucru vă permite să oferiți regizat impact asupra obiectelor iradiate.
Utilizarea acceleratorilor în medicină
Acceleratorii de electroni și protoni sunt utilizați în medicină pentru radioterapie și diagnosticare. În acest caz, sunt utilizate atât particulele accelerate în sine, cât și radiația de raze X însoțitoare.
Bremsstrahlung radiografie obţinut prin direcţionarea unui fascicul de particule către o ţintă specială, care este sursa de raze X. Această radiație diferă de tubul cu raze X printr-o energie fotonică mult mai mare.
Raze X sincrotron apare în procesul de accelerare a electronilor în acceleratoarele inelare - sincrotroni. O astfel de radiație are un grad ridicat de directivitate.
Acțiunea directă a particulelor rapide este asociată cu puterea lor mare de penetrare. Astfel de particule trec prin țesuturile de suprafață fără a provoca daune grave și au un efect ionizant la sfârșitul călătoriei lor. Prin selectarea energiei adecvate a particulelor, este posibil să se realizeze distrugerea tumorilor la o anumită adâncime.
Domeniile de aplicare a acceleratorilor în medicină sunt prezentate în tabel. 33.6.
Tabelul 33.6. Aplicarea acceleratorilor în terapie și diagnosticare
33.7. Fundamentele biofizice ale acțiunii radiațiilor ionizante
După cum sa menționat mai sus, impactul radiațiilor radioactive asupra sistemelor biologice este asociat cu ionizarea moleculelor. Procesul de interacțiune a radiațiilor cu celulele poate fi împărțit în trei etape succesive (etape).
1. stadiu fizic este format din transfer de energie radiații către moleculele unui sistem biologic, rezultând ionizarea și excitarea acestora. Durata acestei etape este de 10 -16 -10 -13 s.
2. Fizico-chimic etapa constă din diferite tipuri de reacții care conduc la o redistribuire a excesului de energie a moleculelor și ionilor excitați. Ca rezultat, foarte activ
produse: radicali și ioni noi cu o gamă largă de proprietăți chimice.
Durata acestei etape este de 10 -13 -10 -10 s.
3. Etapa chimică - aceasta este interacțiunea radicalilor și ionilor între ei și cu moleculele din jur. În această etapă, se formează leziuni structurale de diferite tipuri, ceea ce duce la o modificare a proprietăților biologice: structura și funcțiile membranelor sunt perturbate; apar leziuni în moleculele de ADN și ARN.
Durata etapei chimice este de 10 -6 -10 -3 s.
4. stadiul biologic. În această etapă, deteriorarea moleculelor și structurilor subcelulare duce la o varietate de tulburări funcționale, la moarte celulară prematură ca urmare a acțiunii mecanismelor de apoptoză sau din cauza necrozei. Daunele primite în stadiul biologic pot fi moștenite.
Durata etapei biologice este de la câteva minute la zeci de ani.
Remarcăm modelele generale ale etapei biologice:
Încălcări mari cu energie absorbită scăzută (o doză letală de radiații pentru o persoană provoacă încălzirea corpului cu doar 0,001 ° C);
Acțiune asupra generațiilor ulterioare prin aparatul ereditar al celulei;
O perioadă latentă, latentă este caracteristică;
Diferite părți ale celulelor au sensibilitate diferită la radiații;
În primul rând, sunt afectate celulele care se divide, ceea ce este deosebit de periculos pentru organismul unui copil;
Efectul distructiv asupra țesuturilor unui organism adult, în care există o diviziune;
Asemănarea radiațiilor se modifică cu patologia îmbătrânirii timpurii.
33.8. Concepte și formule de bază
Continuarea tabelului
33.9. Sarcini
1. Care este activitatea medicamentului dacă 10.000 de nuclee din această substanță se descompun în 10 minute?
4.
Vârsta mostrelor de lemn antic poate fi determinată aproximativ de activitatea de masă specifică a izotopului 146C din ele. Cu câți ani în urmă a fost tăiat un copac care a fost folosit pentru a face un obiect, dacă activitatea de masă specifică a carbonului din el este de 75% din activitatea de masă specifică a unui copac în creștere? Timpul de înjumătățire al radonului este T = 5570 ani.
9.
După accidentul de la Cernobîl, pe alocuri contaminarea solului cu cesiu-137 radioactiv a fost la nivelul de 45 Ci/km 2 .
După câţi ani activitatea în aceste locuri va scădea la un nivel relativ sigur de 5 Ci/km 2 . Timpul de înjumătățire al cesiului-137 este T = 30 de ani.
10.
Activitatea permisă a iodului-131 în glanda tiroidă umană nu trebuie să fie mai mare de 5 nCi. La unii oameni care se aflau în zona dezastrului de la Cernobîl, activitatea iodului-131 a ajuns la 800 nCi. După câte zile activitatea a scăzut la normal? Timpul de înjumătățire al iodului-131 este de 8 zile.
11.
Următoarea metodă este utilizată pentru a determina volumul de sânge la un animal. Se prelevează un volum mic de sânge de la animal, eritrocitele sunt separate de plasmă și plasate într-o soluție cu fosfor radioactiv, care este asimilat de către eritrocite. Eritrocitele marcate sunt reintroduse în sistemul circulator al animalului, iar după un timp se determină activitatea probei de sânge.
ΔV = 1 ml din această soluție a fost injectat în sângele unui animal. Activitatea inițială a acestui volum a fost A 0 = 7000 Bq. Activitatea a 1 ml de sânge prelevat din vena animalului o zi mai târziu a fost egală cu 38 de impulsuri pe minut. Determinați volumul sângelui animalului dacă timpul de înjumătățire al fosforului radioactiv este T = 14,3 zile.
