Что называется периодом полураспада радиоактивного элемента. Как рассчитать период полураспада

Многие привыкли думать, что география занимается решением исключительно одного вопроса: "Как добраться из пункта А в пункт Б?" На самом же деле, в сфере интересов этой науки - целый комплекс серьезных и Современная география имеет достаточно сложную структуру, которая предполагает разделение её на множество различных дисциплин. Одной из них является физико-географическая наука. Именно о ней пойдет речь в данной статье.

География как наука

География - это наука, изучающая пространственные особенности организации географической оболочки Земли. Само слово имеет древнегреческие корни: "гео" - земля и "графо" - пишу. То есть дословно термин "география" можно перевести как "землеописание".

Первыми учеными-географами были древние греки: Страбон, Клавдий Птолемей (издавший восьмитомный труд под названием "География"), Геродот, Эратосфен. Последний, кстати, первый измерил параметры причем сделал это достаточно точно.

Главные оболочки планеты - это литосфера, атмосфера, биосфера и гидросфера. География акцентирует свое внимание именно на них. Она исследует особенности взаимодействия компонентов географической оболочки на всех этих уровнях, а также закономерности их территориального размещения.

Основные географические науки и направления географии

Географическую науку принято разделять на два основных раздела. Это:

1. Физико-географическая наука.
2. Социально-экономическая география.

Первая изучает природные объекты (моря, горные системы, озера и т. п.), а вторая - явления и процессы, которые происходят в обществе. У каждой из них - свои методы исследования, которые могут отличаться кардинально. И если дисциплины из первого раздела географии более близки к естественным наукам (физика, химия и т. д.), то вторые - к наукам гуманитарным (таким как социология, экономика, история, психология).

В этой статье мы уделим внимание первому разделу географической науки, перечислив все основные направления географии именно физической.

Физическая география и её структура

Очень много времени понадобится на то, что перечислить все проблемы, интересующие физических географов. Соответственно, и количество научных дисциплин насчитывает далеко не один десяток. Особенности распространения почв, динамика закрытых водоемов, формирование растительного покрова природных зон - все это примеры физической географии, вернее, те проблемы, которые её интересуют.

Физическую географию можно структурировать по двум принципам: территориальному и компонентному. Согласно первому, выделяется физическая география мира, материков, океанов, отдельных стран или регионов. Согласно второму принципу, выделяют целый спектр наук, каждая из которых занимается изучением конкретной оболочки планеты (или её отдельных компонентов). Так, физико-географическая наука включает в себя большое количество узких отраслевых дисциплин. Среди них:

• науки, изучающие литосферу (геоморфология, география почв с основами почвоведения);
• науки, изучающие атмосферу (метеорология, климатология);
• науки, изучающие гидросферу (океанология, лимнология, гляциология и другие);
• науки, изучающие биосферу (биогеография).

В свою очередь, общая физическая география обобщает результаты исследований всех этих наук и выводит глобальные закономерности функционирования географической оболочки Земли.

Науки, изучающие литосферу

Литосфера и - это один из главнейших объектов исследования физической географии. Они изучаются, преимущественно, двумя научными географическими дисциплинами - это геология и геоморфология.

Твердая оболочка нашей планеты, включающая земную кору и верхнюю часть мантии, - это литосфера. География интересуется как внутренними процессами, которые в ней происходят, так и внешними их проявлениями, выраженными в рельефе земной поверхности.

Геоморфология - это наука, изучающая рельеф: его происхождение, принципы формирования, динамику развития, а также закономерности географического распространения. Какие процессы формируют внешний облик нашей планеты? Вот главный вопрос, на который призвана отвечать геоморфология.

Нивелир, рулетка, угломер - эти инструменты были основными в работе геоморфологов когда-то. Сегодня же они все чаще пользуются такими методами, как компьютерное и математическое моделирование. Самые тесные связи у геоморфологии - с такими науками, как геология, геодезия, почвоведение и градостроительство.

Результаты исследований данной науки имеют огромное практическое значение. Ведь геоморфологи не только изучают формы рельефа, но и оценивают его для нужд строителей, прогнозируют негативные явления (оползни, обвалы, сели и т. п.), мониторят состояние береговой линии и так далее.

Центральным объектом изучения геоморфологии является рельеф. Это комплекс всех неровностей земной поверхности (или поверхности других планет и небесных тел). В зависимости от масштаба, рельеф принято делить на: мегарельеф (или планетарный), макрорельеф, мезорельеф и микрорельеф. Основные элементы любой формы рельефа - это склон, вершина, тальвег, водораздел, днище и другие.

Рельеф формируется под влиянием двух процессов: эндогенных (или внутренних) и экзогенных (внешних). Первые зарождаются в толще и мантии: это тектонические движения, магматизм, вулканизм. Экзогенные процессы включают в себя два диалектически связанных процесса: денудацию (разрушение) и аккумуляцию (накопление твердого материала).

Среди в геоморфологии выделяют следующие:

• склоновые процессы (формы рельефа - обвалы, осыпи, абразивные берега и т. д.);
• карстовые (воронки, карры, подземные пещеры);
• суффозионные ("степные блюдца", поды);
• флювиальные (дельты, речные долины, балки, овраги и др.);
• ледниковые (озы, камы, моренные горбы);
• эоловые (дюны и барханы);
• биогенные (атоллы и коралловые рифы);
• антропогенные (шахты, карьеры, насыпи, отвалы и т. п.).

Науки, изучающие почвенный покров

В университетах существует специальный курс: "География почв с основами почвоведения". Он включает в себя смежные знания трех научных дисциплин: собственно, географии, физики и химии.

Почва (или грунт) - это верхний слой земной коры, который отличается плодородием. Он состоит из материнской горной породы, воды, а также перегнивших остатков живых организмов.

География почв занимается изучением общих закономерностей зонального распространения грунтов, а также разработкой принципов почвенно-географического районирования. Наука делится на общую географию почв и региональную. Последняя изучает и описывает почвенный покров конкретных регионов, а также составляет соответствующие грунтовые карты.

Главные методы исследования данной науки - сравнительно-географический и картографический. В последнее время все чаще используется также метод компьютерного моделирования (как и в целом - в географии).

Эта научная дисциплина возникла еще в XIX столетии. Её отцом-основателем принято считать выдающегося ученого и исследователя - Василия Докучаева. Свою жизнь он посвятил изучению грунтов южной части Российской Империи. На основе своих многочисленных исследований он выявил основные а также закономерности зонального распространения грунтов. Ему также принадлежит идея использования полезащитных лесополос для защиты плодородного слоя почв от эрозии.

Учебный курс "География почв" преподают в университетах, на географических и биологических факультетах. Самая первая кафедра почвоведения в России была открыта в 1926 году в Ленинграде, а первый учебник по этой же дисциплине - издан в 1960 году.

Науки, изучающие гидросферу

Гидросфера Земли - одна из её оболочек. Её комплексным изучением занимается наука гидрология, в структуре которой выделяют ряд более узких дисциплин.

Гидрология (дословный перевод с греческого языка: "учение о воде") - это наука, изучающая все водные объекты планеты Земля: реки, озера, болота, океаны, ледники, подземные воды, а также искусственные водоемы. Кроме этого, в сферу её научных интересов входят процессы, которые характерны для этой оболочки (такие как замерзание, испарение, таяние и т. д.).

В своих исследованиях гидрология активно использует методы, как географической науки, так и методы физики, химии, математики. К основным задачам данной науки можно отнести следующие:

• исследование процессов круговорота воды в природе;
• оценка влияния человеческой деятельности на состояние и режим водных объектов;
• описание гидрологической сетки отдельных регионов;
• разработка методов и способов рационального использования водных ресурсов Земли.

Гидросфера Земли состоит из вод Мирового океана (около 97 %) и вод суши. Соответственно, выделяют два больших раздела данной науки: это океанология и гидрология суши.

Океанология (учение об океане) - наука, объектом изучения которой является Океан и его структурные элементы (моря, заливы, течения и т. д.). Большое внимание акцентирует данная наука на взаимодействии Океана с материками, атмосферой, животным миром. По сути, океанология представляет собой комплекс различных мелких дисциплин, которые занимаются детальным исследованием химических, физических и биологических процессов, протекающих в Мировом океане.

На сегодняшний день принято выделять на нашей прекрасной планете 5 океанов (правда, некоторые исследователи считают, что их все же четыре). Это Тихий океан (самый большой), Индийский (самый теплый), Атлантический (самый неспокойный), Северный Ледовитый (самый холодный) и Южный (самый "молодой").

Гидрология суши - это крупный раздел гидрологии, изучающий все поверхностные воды Земли. В её структуре принято выделять еще несколько научных дисциплин:

• потамология (предмет изучения: гидрологические процессы в реках, а также особенности формирования речных систем);
• лимнология (изучает водный режим озер и водохранилищ);
• гляциология (объект исследования: ледники, а также прочие льды, находящиеся в гидро-, лито- и атмосфере);
• болотоведение (изучает болота и особенности их гидрологического режима).

В гидрологии ключевое место принадлежит стационарным и экспедиционным исследованиям. Данные, полученные в результате этих методов, позже обрабатываются в специальных лабораториях.

Кроме всех этих наук, гидросферу Земли также изучает гидрогеология (наука о подземных водах), гидрометрия (наука о методах гидрологических исследованиях), гидробиология (наука о жизни в водной среде), инженерная гидрология (изучает влияние гидротехнических сооружений на режим водных объектов).

Науки, изучающие атмосферу

Изучение атмосферы осуществляют две дисциплины - это климатология и метеорология.

Метеорология - это наука, которая изучает все процессы и явления, происходящие в земной атмосфере. Во многих странах мира её также называют физикой атмосферы, что, в целом, больше соответствует предмету её изучения.

Метеорологию интересуют в первую очередь такие процессы и явления, как циклоны и антициклоны, ветра, атмосферные фронты, облака и так далее. Структура, химический состав и общая циркуляция атмосферы также являются важными предметами исследования этой науки.

Изучение атмосферы крайне важно для мореплавания, сельского хозяйства и авиационного дела. Продуктами деятельности метеорологов мы пользуемся практически ежедневно (речь идет о прогнозах погоды).

Климатология - это одна из дисциплин, входящих в структуру общей метеорологии. Объектом исследования данной науки является климат - многолетний режим погоды, который характерен для определенного (сравнительно крупного) участка земного шара. Александр фон Гумбольдт, и Эдмонд Галлей внесли первый вклад в развитие климатологии. Именно их можно считать "отцами" этой научной дисциплины.

Основной метод научного исследования в климатологии - это наблюдение. Причем, чтобы составить климатологическую характеристику какой-либо территории в умеренном поясе, необходимо около 30-50 лет проводить соответствующие наблюдения. К главным климатическим характеристикам региона относятся следующие:

• атмосферное давление;
• температура воздуха;
• влажность воздуха;
• облачность;
• сила и направление ветра;
• облачность;
• количество и интенсивность атмосферных осадков;
• длительность безморозного периода и т. д.

Многие современные исследователи утверждают, что глобальные изменения климата (в частности, речь идет о глобальном потеплении) не зависят от хозяйственной деятельности человека и имеют цикличный характер. Так, холодные и влажные сезоны чередуются с теплыми и влажными, примерно через каждые 35-45 лет.

Науки, изучающие биосферу

Ареал, геоботаника, биогеоценоз, экосистема, флора и фауна - всеми этими понятиями активно оперирует одна дисциплина - биогеография. Она занимается детальным изучением "живой" оболочки Земли - биосферы, и находится как раз на стыке двух крупных областей научных знаний (о каких науках конкретно идет речь - несложно догадаться из названия дисциплины).

Биогеография изучает закономерности распространения живых организмов по поверхности нашей планеты, а также детально описывает растительный и животный мир (флору и фауну) её отдельных частей (континентов, островов, стран и т. п.).

Объектом исследования данной науки является биосфера, а предметом - особенности географического распространения живых организмов, а также формирования их групп (биогеоценозов). Таким образом, биогеография не только расскажет о том, что белый медведь проживает в Арктике, но и объяснит почему он там обитает.

В структуре биогеографии выделяют два больших раздела:

• фитогеография (или география флоры);
• зоогеография (или география животных).

Большой вклад в развитие биогеографии как автономной научной дисциплины внес советский ученый В. Б. Сочава.

В своих исследованиях современная биогеография использует большой арсенал методов: исторический, количественный, картографический, метод сравнения и моделирования.

Физическая география материков

Есть и другие объекты, изучением которых занимается география. Материки - одни из таковых.

Материк (или континент) - сравнительно крупный по площади участок земной коры, выступающий над водами Мирового океана и окруженный им со всех четырех сторон. По большому счету, эти два понятия являются словами-синонимами, однако "континент" - термин более географический, нежели "материк" (который чаще используется в геологии).

На планете Земля принято выделять 6 континентов:

• Евразия (самый крупный).
• Африка (самый жаркий).
• Северная Америка (самый контрастный).
• Южная Америка (самый "дикий" и неизученный).
• Австралия (самый засушливый).
• и Антарктида (самый холодный).

Однако такой взгляд на количество материков на планете разделяют далеко не все страны. Так, к примеру, в Греции принято считать, что в мире всего пять континентов (исходя из критерия населенности). А вот китайцы уверены, что континентов на Земле - семь (Европу и Азию они считают разными континентами).

Некоторые материки изолированы водами Океана полностью (как, например, Австралия). Другие - соединены друг с другом перешейками (как Африка с Евразией, или обе Америки).

Существует любопытная теория дрейфа материков, которая утверждает, что раньше все они были единым суперконтинентом под названием Пангея. А вокруг него "плескался" один океан - Тетис. Позже Пангея раскололась на две части - Лавразию (которая включала современную Евразию и Северную Америку) и Гондвану (включала все остальные, "южные" материки). Ученые предполагают, основываясь на закон цикличности, что в далеком будущем все материки снова соберутся в один цельный континент.

Физическая география России

Физическая география конкретной страны предполагает изучение и характеристику таких природных компонентов, как:

• геологическое строение и полезные ископаемые;
• рельеф;
• климат территории;
• водные ресурсы;
• почвенный покров;
• растительный и животный мир.

Благодаря огромной территории страны, очень многообразна. Обширные равнины здесь граничат с высокими горными системами (Кавказ, Саяны, Алтай). Недра страны богаты различными полезными ископаемыми: это нефть и газ, каменный уголь, медные и никелевые руды, бокситы и другие.

В пределах России выделяют семь типов климата: от арктического на крайнем севере - до средиземноморского на побережье Черного моря. По территории государства протекают крупнейшие реки Евразии: Волга, Енисей, Лена и Амур. В России находится и самое глубокое озеро планеты - Байкал. Здесь можно увидеть огромные массивы заболоченных земель и грандиозные ледники на горных вершинах.

Восемь природных зон выделяют на территории России:

• зона арктических пустынь;
• тундра;
• лесотундра;
• зона смешанных и широколистных лесов;
• лесостепь;
• степь;
• зона пустынь и полупустынь;
• субтропическая зона (на побережье Черного моря).

Шесть типов грунтов насчитывается в пределах страны, среди которых чернозем - самая плодородная почва на планете.

Заключение

География - это наука, изучающая особенности функционирования географической оболочки нашей планеты. Последняя состоит из четырех основных оболочек: это литосфера, гидросфера, атмосфера и биосфера. Каждая из них является объектом исследования для целого ряда географических дисциплин. К примеру, литосфера и рельеф Земли изучается геологией и геоморфологией; изучением атмосферы занимается климатология и метеорология, гидросферы - гидрология и т. д.

В целом география делится на два больших раздела. Это физико-географическая наука и социально-экономическая география. Первую интересуют природные объекты и процессы, а вторую - явления, которые происходят в обществе.

Процесс развития географии, одной из старейших наук, длителен и сложен.

На первых этапах развития географии она была наукой описательной единой. Первые исследователи – географы занимались описанием Земли. Они описывали все, что видели в чужой стране: природу - рельеф, климат, растительность, животных, - описывали хозяйство, нравы, обычаи, быт людей, государственное устройство. Обобщений же теоретического характера делалось мало, зарождались лишь элементы теории. Однако постепенно география превращалась в науку теоретическую, т.е. изучающую процессы и явления, законы природы, размещение и развитие хозяйства и др.

Как только география перешла от описания явлений к их изучению и осмыслению, она разделилась на две основные ветви – физическую и экономическую географии. В каждой из этих ветвей сформировались по два направления. В физической географии – это общая физическая география и страноведение, в экономической – экономическая и социальная география мира и экономико-географическое страноведение.

Из науки описательной, описательно-познавательной она постепенно превращалась в науку экспериментально - преобразовательную, конструктивную.

В географии, как и в других науках, происходил и происходит сложный объективный процесс их дифференциации – процесс выделения разделов, специализированных более узких отраслей, подотраслей, учений, теорий и т.д.

Так, изучением компонентов ГО занимаются частные (компонентные) физико-географические науки, в свое время вычленившиеся от некогда единой физической географии. К ним относятся геология (наука о геологическом строении и истории геологического развития), геоморфология (наука о рельефе), климатология (наука о климате), океанология (наука об Океане), гидрология суши (наука о водах суши), почвоведение (наука о почве), биогеография (наука о закономерностях распределения и сочетания биоценозов и образующих их организмов), палеогеография (изучающая историю формирования природных комплексов) и многие др. Многие из частных наук, в свою очередь, делятся на дочерние науки. Формируется своеобразное «древо наук».

Уже отмечалось, что если физическая география – наука естественная, то география экономическая относится к наукам общественным, так как изучает структуру и размещение производства, условия и особенности его развития в различных странах и районах. Хозяйственная деятельность людей, размещения производства зависят от природных условий и вместе с тем оказывают на них существенное воздействие. В свою очередь, экономическая география также делится на множество частных наук: география промышленности, сельского хозяйства, населения, география городов, транспорта и т.д.

Наряду с процессами дифференциации, также объективно идут процессы интеграции научных исследований – объединения отдельных разделов, отраслей, подотраслей, учений, теорий и др. в одно целое. Оба, казалось бы, противоположных и взаимоисключающих процесса связаны с требованиями общественной практики, со специализацией и концентрацией производства, с совершенствованием методов научных исследований, с НТП и происходят на разных уровнях развития науки. Таким образом, дифференциация и интеграция в науке – 2 стороны единого процесса познания.

И если процесс дифференциации идет стихийно, то процессы интеграции нуждаются в организации и поддержке, в международном признании. Для интеграционных процессов, включающих глубокие межнаучные обобщения, нужны сильные, широко образованные ученые. В процессе интеграции возникают междисциплинарные «пограничные» направления, обычно отличающиеся свежестью выводов, яркостью, практической значимостью. Они находят выражение, например, в создании синтетических карт (водохозяйственных, медико-географических и т.д.).

В свете сказанного прогрессивны идеи формирования единой географии на основе современных достижений физической и экономической географии. Например, без использования результатов физико-географических исследований не может обойтись экономическая география. Она «должна опираться на закономерности развития природных комплексов разного масштаба, изучаемые физической географией». Связь физико-географических исследований с экономической географией придает им определенную целенаправленность и практическую значимость.

Методы географических исследований. Общенаучным философским методом является метод материалистической диалектики, в соответствии с которым все природные объекты и процессы рассматриваются не как единожды созданные и застывшие образования, но рассматриваются в их диалектическом развитии. От Вселенной до капли воды в природе все живет, все развивается.

В географии, кроме того, имеются свои специфические методы – инструментальных наблюдений, полевых исследований, методы сравнений и обобщений, картографический, дистанционный с помощью аэрофотосъемки и космических наблюдений, математические (количественные) методы, методы моделирования. Особое место в изучении природы и общества занимает теория систем.

Теория систем появилась в 30 – годах прошлого столетия. Впервые ее основы были сформулированы американским ученым Берталанфи и относилась в основном к математике. В последние десятилетия она становится общенаучным методом в изучении сложных объектов и взаимодействий. «Система – есть комплекс элементов, находящихся во взаимодействии». Многие природные комплексы давно изучаются как системы, что находит отражение даже в названиях, в терминологии (речная, гидрографическая система, система муссонной циркуляции, система течений, экономическая, финансовая система и др.). Природные системы существуют как в органическом, таки в неорганическом мире, они могут быть простыми («хищник – жертва», «ручей-овраг») и сложными («система природа-население-хозяйство»). Элементы системы и системы с окружающей средой объединены прямыми и обратными связями, обладают устойчивостью, многие из них саморегулирующиеся, саморазвивающиеся. Природные материальные системы обладают обменом вещества и энергии, являясь в основном открытыми. Закрытые системы создаются преимущественно в лабораторных условиях.

К характеристикам системы относят целостность объекта, переработку информации в нем и о нем, специфическое поведение объекта, выраженное понятием миссии существования или функции, его специфическое строение (структура) и миссии существования (функции), необходимость управления объектом, свойства развития и саморазвития, открытость системы, в силу чего она способна к самосовершенствованию, иерархическое строение, взаимосвязь целого и частей, системное качество объекта и др. Система - это нечто большее, чем простая сумма элементов, из которых она состоит. Новое качество суммы элементов порождается их взаимокоординацией в системе и взаимодействии со средой.

Существует три основных группы определений системы. К первой группе относятся определения, в которых система предстает как комплекс объектов, процессов и явлений, имеющий место в реальной действительности, независимо от наблюдателя. Задача последнего заключается в поиске способа выделения системы из ее среды, анализе системы с целью выявления механизма ее функционирования и осуществления управляющего воздействия на систему.

Вторая группа определений связана с попыткой провести координацию между понятиями системы и модели. В данном случае цель исследователя состоит в реализации абстрактного отображения объекта действительности с присущими ему свойствами и отношениями в модель. Моделирование процессов с помощью математических расчетов – один из основных современных методов изучения тех процессов и явлений, наблюдать которые человек не может в силу их сложности, связанной с временными или пространственными масштабами, либо в силу других причин.

Третий класс определений представляет собой компромисс между двумя первыми. Системой считается искусственно создаваемый комплекс элементов и взаимосвязей между ними, предназначенный для решения определенной организационной, экономической, технической и т.п. задачи.

Любая система включает понятия «элементы», «отношения», «связь», «целое», «целостность». Как часть целого она принадлежит к более крупной системе. В качестве целого она имеет автономность, независимость, связанность, внутреннюю замкнутость от среды. Среду образуют те предметы, с которыми система в окружающем мире связана, и некоторые посредством этой связи оказывают на нее влияние.

В свете теории систем, ГО, биосфера рассматривается как сложнейшая система высокого порядка, суперсистема, объединяющая живое и косное вещество, состоящая из множества систем низших рангов. Для ГО как суперсистемы характерны геологическая, биологическая и социальная формы движения материи. Каждая система – есть часть другой системы более высокого порядка, и в свою очередь состоит из систем более низких уровней организации. Элементы систем и их связи могут быть описаны математически, следовательно, поддаются моделированию, особенно с помощью ЭВМ, что позволяет разработать теорию исследований природы. Исследования с использованием методов теории систем – это качественно новый уровень изучения природно-территориальных и социально-экономических комплексов.

Системный подход применяется теперь при изучении, как статики, так и динамики природных комплексов (геосистем).

Современные ее задачи географии определяются острой необходимостью активного вмешательства науки в вопросы воздействия общества на природу. Рациональное использование природы, восстановление, охрана, целенаправленное преобразование требуют понимания ее комплексности, знания структуры, закономерностей развития природных комплексов, прогноза возможных их изменений.

На стыке географии со смежными науками возникают новые научные направления, количество которых быстро растет. Это, например, научное краеведение, регионоведение, историческая география, географическое ресурсоведение, медицинская, военная, инженерная география, география отдыха и туризма и многие др.

География и геоэкология. Последствия взаимодействия общества и окружающей среды глобальны и привели к изменению среды обитания человека вплоть до угрозы его существованию как вида, где два процесса наиболее опасны: загрязнение среды обитания и истощение ресурсов. Разрешение назревших противоречий между сложившимся характером производства и природой, порожденных потребительским отношением к последней, возможно на основе постоянного мониторинга окружающей среды, научного анализа причинно-следственных связей происходящих негативных явлений. Сложность природно-антропогенных систем требует научного обоснования для выбора оптимальных решений по предупреждению, ликвидации и восстановлению нарушений и естественных опасных свойств в биосфере, для определения направлений рационального природопользования в конкретных регионах и сферах. Эффективность системы управления качеством окружающей среды и природопользованием - главное условие безопасности среды обитания для жизни, здоровья и благосостояния человека.

Все перечисленные направления исследований и действий по своей сути являются предметом географии, потому что только география изучает среду обитания человека – ГО. Однако возникшие проблемы одновременно являются и экологическими. Экология - комплекс наук, исследующих различные аспекты отношений живых организмов и условий среды. Хотя изначально экология возникла как наука биологическая, в настоящее время произошло значительное расширение сферы использования термина, он часто применяется не в своем первоначальном значении. Экология как наука изучает взаимоотношения организмов и их популяций со средой обитания. Но она не может справиться с задачей изучения аспектов взаимодействия человеческого общества со средой обитания, потому, что это совершенно иной тип взаимоотношений, при котором кардинально меняется сама среда обитания. И здесь нельзя обойтись без географии. Поэтому возникла новое научное направление – геоэкология.

Геоэкология – географическая экология, научная дисциплина, научное направление на стыке географии и экологии, изучающее законы взаимодействия геосфер Земли с учетом деятельности человека.

Особым направлением в современных научных исследованиях являются также основы рационального природопользования – призванные разработать научные подходы к использованию различных видов природных ресурсов и природных условий, обосновать необходимые ограничения экологического характера для устойчивого развития.

Устойчивое развитие - такое развитие обще­ства, при котором улучшаются условия жизни человека, а воздействия на окру­жающую среду остаются в пределах хо­зяйственной емкости биосферы, так что не разрушается природная основа функ­ционирования человечества. При устойчивом развитии удовлетворение потребностей осуществ­ляется без ущерба для будущих поколе­ний. В соответствии с этим, кон­цепция устойчивого развития подразумевает развитие ре­гиона через самоорганизацию при рамоч­ной внешней поддержке, предупрежда­ющей возможность его перехода в состо­яние необратимой деградации среды.

Одной из задач геоэкологии является формирование ноосферного мышления , выражающего идею формирования человека с новым типом мышления, способного к экологически целесообразной деятельности через подготовку эрудированных специалистов с высоким интеллектуальным, нравственным и духовным потенциалом, имеющих глубокие научные знания об устройстве мира, о глобальных, региональных и локальных экологических проблемах и их истоках, об основах устойчивого развития, владеющих умениями и навыками практических действий в управлении качеством окружающей среды и природопользования в сфере своей профессиональной деятельности.

Конструктивная география, или конструктивное направление в географии, ставит своей целью разработку целенаправленного конструирования географической среды, конструктивных подходов к управлению ее качеством, оптимизацию взаимодействия общества с окружающей средой.

Географическое прогнозирование – часть более широкого прогнозирования (разработки социально- экономических прогнозов) – новый необходимый этап развития географии. Основывается на использовании математического моделирования и предсказания вероятных сценариев развития отдельных процессов в их взаимодействии.

Определение периода полураспада радиоактивного долгоживущего изотопа калия

Цель работы: Изучение явления радиоактивности. Определение периода полураспада Т 1/2 ядер радиоактивного изотопа К-40 (калий-40).

Оборудование:

Измерительная установка;

Мерный образец, содержащий известную массу хлористого калия (KCl);

Эталонный препарат (мера активности) с известной активностью К-40.

Теоретическая часть

В настоящее время известно большое количество изотопов всех химических элементов, ядра которых могут самопроизвольно превращаться друг в друга. В процессе превращений ядро испускает один или несколько видов так называемых ионизирующих частиц - альфа-(α), бета-(β) и других, а также гамма-квантов (γ). Такое явление называется радиоактивным распадом ядра.

Радиоактивный распад носит вероятностный характер и зависит только от характеристик распадающегося и образующегося ядер. Внешние факторы (нагревание, давление, влажность и др.) на скорость радиоактивного распада воздействия не оказывают. Радиоактивность изотопов практически не зависит также от того, находятся они в чистом виде или входят в состав каких-либо химических соединений. Радиоактивный распад является процессом стохастическим. Каждое ядро распадается независимо от других ядер. Нельзя сказать, когда конкретно распадется данное радиоактивное ядро, но для отдельного ядра можно указать вероятность его распада за определенное время.

Самопроизвольный распад радиоактивных ядер происходит в соответствии с законом кинетики радиоактивного распада, согласно которому число ядер dN(t), распадающихся за бесконечно малый промежуток времени dt , пропорционально числу нестабильных ядер, имеющихся в момент времени t в данном источнике излучения (мерном образце):

В формуле (1) коэффициент пропорциональности λ называется постоянной распада ядра. Ее физический смысл – вероятность распада отдельно взятого нестабильного ядра в единицу времени. Другими словами - для источника излучения, содержащего в рассматриваемый момент большое количество нестабильных ядер N(t) , постоянная распада показывает долю ядер, распадающихся в данном источнике за малый промежуток времени dt . Постоянная распада – размерная величина. Ее размерность в системе СИ – с -1 .

Величина А(t ) в формуле (1) сама по себе имеет важное значение. Она является основной количественной характеристикой данного образца как источника излучения и называется его активностью . Физический смысл активности источника – количество нестабильных ядер, распадающихся в данном источнике излучения в единицу времени. Единица измерения активности в системе СИ – Беккерель(Бк) – соответствует распаду одного ядра в секунду. В специализированной литературе встречается внесистемная единица измерения активности – Кюри (Ки) . 1 Ки ≈ 3.7·10 10 Бк.

Выражение (1) – это запись закона кинетики радиоактивного распада в дифференциальной форме. На практике иногда удобнее применять другой (интегральный) вид закона радиоактивного распада. Решая дифференциальное уравнение (1), получим:

, (2)

где N (0) – количество нестабильных ядер в образце в начальный момент времени (t = 0); N (t ) – среднее количество нестабильных ядер в любой момент времени t >0.

Таким образом, число нестабильных ядер в любом источнике излучения уменьшается со временем, в среднем, по экспоненциальному закону. На рисунке 1 представлена кривая изменения среднего числа ядер во времени, происходящего по закону радиоактивного распада. Этот закон может быть применен только к большому числу радиоактивных ядер. При небольшом числе распадающихся ядер наблюдаются значительные статистические колебания около среднего значения N (t ).

Рисунок 1. – Кривая распада радионуклида.

Умножив обе части (2) на константу λ и учитывая, что N (t )· λ = A (t ), получим закон изменения активности источника излучения с течением времени

. (3)

В качестве интегральной временной характеристики радионуклида часто применяют величину, называемую его периодом полураспада T 1/2 . Период полураспада - это интервал времени, на протяжении которого число ядер данного радионуклида в источнике уменьшается, в среднем, в два раза (см. рисунок 1). Из выражения (2) находим:

откуда получаем соотношение между периодом полураспада радионуклида T 1/2 и его постоянной распада 

Подставив в формулу (4) значение λ , выраженное и формулы (1) получаем выражение, связывающее период полураспада с активностью мерного образца A и количеством нестабильных ядер N К-40 радионуклида
, входящего в состав этого образца

. (5)

Выражение (5) является основной рабочей формулой данного задания. Из нее следует, что, посчитав количество ядер радионуклида
в рабочем мерном образце и определив активность К-40 в образце, можно будет найти период полураспада долгоживущего радионуклида К-40, выполнив тем самым задание лабораторной работы.

Отметим важный момент. Учтем, что по условиям задания заранее известно, что период полураспада T 1/2 радионуклида
намного больше времени наблюденияΔ T за мерным образцом в рамках данной лабораторной работы (Δ T / T 1/2 <<1) . Следовательно, при выполнении данного задания, можно не учитывать изменение активности образца и количества ядер К-40 в образце за счет радиоактивного распада и считать их постоянными величинами:

Определение количества ядер К-40 в мерном образце.

Известно, что природный химический элемент калий состоит из трех изотопов – К-39, К-40 и К-41. Один из этих изотопов, а именно радионуклид
, массовая доля которого в природном калии составляет 0,0119 %(относительная распространенность η =0,000119) , является нестабильным.

Число атомов N К-40 (соответственно, и ядер) радионуклида
в мерной пробе определяется следующим образом.

Полное число N K атомов природного калия в мерной пробе, содержащей m граммов (указывается преподавателем) хлористого калия, находится из соотношения

,

где М KCl = 74,5 г/моль – молярная масса KCl;

N A = 6,02·10 23 моль -1 - постоянная Авогадро.

Следовательно, с учетом относительной распространенности, число атомов (ядер) радионуклида
в мерной пробе будет определяться соотношением

. (6)

Определение активности радионуклида
в мерном образце.

Известно, что ядра радионуклида К-40 могут испытывать два вида ядерных превращений:

С вероятностью ν β = 0,89 ядро К-40 превращается в ядро Ca-40, испуская при этом -частицу и антинейтрино (бета-распад):

С вероятностью ν γ =0,11 ядро захватывает электрон с ближайшей К-оболочки, превращаясь в ядро Ar-40 и испуская при этом нейтрино (электронный захват или К-захват):

Рожденное ядро аргона находится в возбужденном состоянии и практически мгновенно переходит в основное состояние, испуская при этом переходе γ – квант с энергией 1461 кэВ:

.

Вероятности выхода ν β и ν γ называются относительным выходом β-частиц и γ – квантов на один распад ядра , соответственно. На рисунке 2 приведена схема распада К-40, иллюстрирующая вышеизложенное.

Рисунок 2. – Схема распада радионуклида К-40.

Возникающие при радиоактивном распаде ядер ионизирующие частицы могут быть зарегистрированы специальной аппаратурой. В настоящей работе применяется измерительная установка, регистрирующая β-частицы, сопровождающие распад ядер радионуклида К-40, входящих в состав мерного образца.

Блок-схема измерительной установки приведена на рисунке 3.

Рисунок 3. – Блок-схема измерительной установки.

1 – кювета с мерным образцом KCl ;

2 – счетчик Гейгера-Мюллера;

3 – высоковольтный блок;

4 – формирователь импульсов;

5 – счетчик импульсов;

6 – таймер.

Рассмотрим процесс регистрации бета-частиц, образующихся в мерном образце (источнике излучения), измерительной установкой.

Неизвестную активность радионуклида К-40 в мерном образце обозначим A x . Это означает, что каждую секунду в образце распадается, в среднем, A x ядер радионуклида К-40;

Регистрация излучения проводится в течение некоторого времени работы установки t изм . Очевидно, что за это время в образце распадутся, в среднем, A x ·t изм ядер;

С учетом относительного выхода бета-частиц на один распад ядра, количество бета-частиц, рожденных в образце за время работы установки, будет равно A x ·t изм ·ν β ;

Поскольку источник имеет конечные размеры, часть бета-частиц поглотится материалом самого источника. Вероятность Q поглощения бета-частицы, рожденной в источнике, материалом самого источника называют коэффициентом самопоглощения излучения. Отсюда следует, что из источника за все время измерения во всех направлениях (в телесный угол 4π) вылетит, в среднем, A x ·t изм ·ν β ·(1- Q ) бета-частиц;

Через детектор (счетчик Гейгера – Мюллера) пролетает только малая доля G всех вышедших из источника бета-частиц, зависящая от размеров и взаимного расположения образца и детектора. Остальные частицы пролетят мимо детектора. Поправка G называется геометрическим фактором системы «детектор – образец». Следовательно, полное количество бета-частиц, попавших за время работы установки из образца в рабочий объем детектора будет равно A x ·t изм ·ν β ·(1- Q )· G ;

Вследствие особенности работы детекторов ионизирующего излучения любых типов (в том числе и детекторов Гейгера-Мюллера), лишь некоторая доля ε (называемая эффективностью регистрации детектора) частиц, пролетевших через детектор, инициирует электрический импульс на его выходе. Остальные частицы детектор «не замечает». Данные электрические импульсы обрабатываются электронной схемой измерительной установки и регистрируются ее счетным устройством. Таким образом, за время работы установки счетное устройство зарегистрирует «полезных» событий (импульсов), обусловленных распадом ядер К-40 в мерной пробе;

Одновременно с бета-частицами из мерного образца -
- измерительная установка зарегистрирует и определенное количество -- так называемых фоновых частиц, обусловленных естественной радиоактивностью окружающих строительных конструкций, конструкционных материалов, космического излучения и т.д.

Таким образом, полное количество событий n X , зарегистрированных пересчетным устройством измерительной установки при измерении мерного образца с неизвестной активностью А Х в течение времени t изм , можно представить в виде

Точный учет поправок Q , G и ε , входящих в формулу (7), в общем случае весьма сложен. Поэтому на практике часто пользуются относительным методом измерения активности . Реализация такого метода возможна при наличии эталонного источника радиоактивного излучения (образцовой меры активности) с известной активностью А Э , имеющего такую же форму и размеры, содержащего тот же радионуклид, что и исследуемый образец. В этом случае все поправочные коэффициенты - ν β , Q , G , ε - будут одинаковы для исследуемого и эталонного препаратов.

Для образцовой меры активности можно записать выражение, аналогичное выражению (7) для исследуемого образца

Если выбрать время измерения исследуемого и эталонного образцов одинаковым, то, выразив произведение
из формулы (8) и подставив это выражение в формулу (7), получим выражение для практического определения активности исследуемого образца А Х

, Бк , (9)

где А Э – активность образцовой меры, Бк;

n X – количество событий, зарегистрированных при измерении исследуемого образца;

n Э – количество событий, зарегистрированных при измерении образцовой меры;

n Ф – количество событий, зарегистрированных при измерении фона.

Порядок выполнения лабораторной работы

1. Включите установку, установите время измерения (не менее 3 мин) и дайте ей «прогреться» в течение 15 -20 минут.

2. Проведите измерение фона не менее 5 раз. Результаты каждого (i – го) измерения -

3. Получите у преподавателя мерный образец. Уточните у преподавателя количество хлористого калия в мерном образце. По формуле (6) рассчитайте количество ядер радионуклида К-40 в мерном образце.

4. Установите мерный образец под рабочее окно детектора и проведите измерение образца не менее 5 раз. Результаты каждого измерения - -занесите в рабочую таблицу.

5. Получите у преподавателя образцовую меру, уточните значение в ней активности радионуклида К-40.

6. Установите образцовую меру под рабочее окно детектора и проведите ее измерение не менее 5 раз. Результаты каждого измерения -- занесите в рабочую таблицу 1.

7. По формуле (9) для каждой i-й строки рассчитайте величину активности мерной пробы. Результаты расчетов - - занесите в рабочую таблицу 1.

8. По формуле (5) для каждой i-й строки рабочей таблицы рассчитайте значение периода полураспада -
- радионуклида К-40.

9. Определите среднеарифметическое значение периода полураспада

и оценку среднеквадратического отклонения

,

где L - размер выборки (число измерений, например, L = 5).

Полученное в результате выполнения лабораторной работы значение периода полураспада радионуклида К-40 записать в виде:

, лет,

где t p , L -1 – соответствующий коэффициент Стьюдента (см. таблицу 2), а

- среднеквадратичная погрешность среднеарифметического.

10. Используя полученное значение периода полураспада
оцените значения величин постоянной распадаλ и среднего времени жизни ядра τ = 1/λ радионуклида
.

11. Сравните полученные результаты со справочными значениями.

Таблица 1. Рабочая таблица результатов.

Таблица 2. Значения коэффициента Стьюдента для различной доверительной вероятности p и числа степеней свободы (L -1):

Контрольные вопросы

1. Что такое изотопы химического элемента?

2. Запишите закон радиоактивного распада в дифференциальной и интегральной формах.

3. Что такое активность радионуклидного источника ионизирующего излучения? Какие имеются единицы измерения активности?

4. По какому закону активность источника изменяется с течением времени?

5. Что такое постоянная распада, период полураспада и среднее время жизни ядра радионуклида? Единицы их измерения. Запишите выражения, связывающие эти величины.

6. Определите периоды полураспада радионуклидов Rn-222 и Ra-226, если их постоянные распада, соответственно, равны 2,110 -6 с -1 и 1,3510 -11 с -1 .

7. При измерении образца, содержащего короткоживущий радионуклид, в течение 1 мин было зарегистрировано 250 импульсов, а спустя 1 час после начала первого измерения 90 импульсов за 1 мин. Определите постоянную распада и период полураспада радионуклида, если фоном измерительной установки можно пренебречь.

8. Объясните схему распада радионуклида К-40. Что такое относительный выход ионизирующих частиц?

9. Объясните физический смысл понятий: эффективность регистрации ядерных частиц детектором; геометрический фактор измерительной установки; коэффициент самопоглощения излучения.

10. Изложите суть относительного метода определения активности источника ионизирующего излучения.

11. Каково значение периода полураспада радионуклида, если за 5 часов активность его препарата уменьшилась в 16 раз?

12. Можно ли определить активность образца, содержащего К-40, измеряя интенсивность только гамма-излучения?

13. Какой вид имеет энергетический спектр β + - излучения и β - - излучения?

14. Можно ли определить активность образца, измеряя интенсивность его нейтринного (антинейтринного) излучения?

15. Какой характер имеет энергетический спектр гамма-излучения К-40?

16. От каких факторов зависит среднеквадратическая погрешность определения периода полураспада К-40 в данной работе?

Пример решения задачи

Условие. Определите значение постоянной радиоактивного распада λ и период полураспада Т 1/2 радионуклида 239 Pu, если в препарате 239 Pu 3 O 8 массой m = 3,16 микрограмма за время t = 100 с происходит Q = 6,78·10 5 распадов ядер.

Решение.

Активность препарата A = Q/t = 6,78·10 5 /100 = 6,78·10 3 , расп/с (Бк).

Масса 239 Pu в препарате

где A моль – соответствующие молярные массы.

Число ядер Pu-239 в препарате

где N A – число Авогадро.

Постоянная распада λ = A / N 239 = 6,78·10 3 /6,75·10 15 = 1,005·10 -12 , с -1 .

Период полураспада

T 1/2 = ln2/λ = 6,91·10 11 c.

Рекомедуемая литература.

1. Абрамов, Александр Иванович. Основы экспериментальных методов ядерной физики: учебное пособие для студ. вузов / А.И. Абрамов, Ю.А, Казанский, Е.С. Матусевич.- 3-е изд., перераб. и доп. - М. : Энергоатомиздат, 1985 .- 487 с.

2. Алиев, Рамиз Автандилович. Радиоактивность: [учебное пособие для студ. вузов, обуч. по направлению ВПО 020100 (магистр химии) и специальности ВПО 020201 - "Фундамент. и приклад. химия"] / Р.А. Алиев, С.Н. Калмыков.- Санкт-Петербург; Москва; Краснодар: Лань, 2013 .- 301 с.

3. Мухин, Константин Никтфорович. Экспериментальная ядерная физика: учебник: [в 3 т.] / К.Н. Мухин.- Санкт-Петербург; Москва; Краснодар: Лань, 2009.

4. Коробков, Виктор Иванович. Методы приготовления препаратов и обработка результатов измерений радиоактивности / В.И. Коробков, В.Б. Лукьянов.- М. : Атомиздат, 1973 .- 216 с.

Периодом полураспада вещества, которое находится в стадии распада, называют время, в течение которого количество этого вещества уменьшится в два раза. Первоначально этот термин использовался для описания распада радиоактивных элементов, таких как уран или плутоний, но, вообще говоря, он может быть использован для любого вещества, которое подвергается распаду в установленной или экспоненциальной скорости. Вы можете рассчитать период полураспада любого вещества, зная скорость распада, которая является разницей между начальным количеством вещества и количеством вещества, оставшимся после определенного периода времени. Читайте далее, чтобы узнать, как быстро и легко подсчитать период полураспада вещества.

Шаги

Вычисление периода полураспада

1. Разделите количество вещества в одной точке во времени на количество вещества, оставшееся после определенного периода времени.

   • Формула для вычисления периода полураспада: t 1/2 = t * ln(2)/ln(N 0 /N t)
   • В этой формуле: t - прошедшее время, N 0 - начальное количество вещества и N t - количество вещества через прошедшее время.
   • Например, если вначале количество составляет 1500 граммов, а конечный объем составляет 1000 граммов, начальное количество, деленное на конечный объем, равно 1,5. Предположим, что время, которое прошло, составляет 100 минут, то есть (t) = 100 мин.

2. Вычислите десятичный логарифм числа (log), полученного на предыдущем шаге. Для этого введите полученное число в научный калькулятор, а затем нажмите кнопку log, либо введите log(1,5) и нажмите знак равенства для получения результата.

   • Логарифмом числа по заданному основанию называется такой показатель степени, в который необходимо возвести основание (то есть столько раз, сколько необходимо основание умножить на само себя), чтобы получить это число. В десятичных логарифмах используется основание 10. Кнопка log на калькуляторе соответствует десятичному логарифму. Некоторые калькуляторы вычисляют натуральные логарифмы ln.
   • Когда log (1,5) = 0,176, то это означает, что десятичный логарифм 1,5 равен 0,176. То есть если число 10 возвести в степень 0,176, то получится 1,5.

3. Умножьте прошедшее время на десятичный логарифм 2. Если вы рассчитаете log(2) на калькуляторе, то получится 0,30103. Следует помнить, что прошедшее время составляет 100 минут.

   • Например, если прошедшее время составляет 100 минут, умножьте 100 на 0,30103. Результат равен 30,103.

4. Разделите число, полученное на третьем шаге, на число, вычисленное на втором шаге.

   • Например, если 30,103 разделить на 0,176, то получится 171,04. Таким образом, мы получили период полураспада вещества, выраженный в единицах времени, используемых в третьем шаге.

5. Готово. Теперь, когда вы рассчитали период полураспада для этой задачи, необходимо обратить внимание на то, что для расчетов мы использовали десятичный логарифм, но вы могли использовать и натуральный логарифм ln - результат был бы таким же. И, на самом деле, при расчете периода полураспада натуральный логарифм используется чаще.

   • То есть, вам было бы необходимо рассчитать натуральные логарифмы: ln(1,5) (результат 0,405) и ln(2) (результат 0,693). Затем, если вы умножите ln(2) на 100 (время), получится 0,693 x 100=69,3, и разделите на 0,405, вы получите результат 171,04 - тот же, что и при использовании десятичного логарифма.

   Решение задач, связанных с периодом полураспада

   1. Узнайте, сколько вещества с известным периодом полураспада осталось через определенное количество времени. Решите следующую задачу: Пациенту было дано 20 мг йода-131. Сколько останется через 32 дня? Период полураспада йода-131 составляет 8 дней. Вот, как решить эту задачу:

      • Узнаем, сколько раз вещество сократилось вдвое за 32 дня. Для этого узнаем, сколько раз по 8 (таков период полураспада йода) умещается в 32 (в количестве дней). Для этого необходимо 32/8 = 4, так, количество вещества сокращалось вдвое четыре раза.
      • Другими словами, это означает, что через 8 дней останется 20мг/2, то есть 10 мг вещества. Через 16 дней будет 10мг/2, или 5мг вещества. Через 24 дня останется 5мг/2, то есть 2,5 мг вещества. Наконец, через 32 дня у пациента будет 2,5мг/2, или 1,25 мг вещества.

   2. Узнайте период полураспада вещества, если известно начальное и оставшееся количество вещества, а также прошедшее время. Решите следующую задачу: Лаборатория получила 200 г технеция-99m и через сутки осталось только 12,5 г изотопов. Каков период полураспада технеция-99m? Вот, как решить эту задачу:

      • Будем действовать в обратном порядке. Если осталось 12,5г вещества, тогда прежде, чем его количество сократилось в 2 раза, вещества было 25 г (так как 12,5 x 2); до этого было 50г вещества, а еще до этого было 100г, и, наконец, до этого было 200г.
      • Это означает, что прошло 4 периода полураспада прежде, чем от 200 г вещества осталось 12,5 г. Получается, что период полураспада составляет 24 часа/4 раза, или 6 часов.

   3. Узнайте, сколько периодов полураспада необходимо для того, чтобы количество вещества сократилось до определенного значения. Решите следующую задачу: Период полураспада урана-232 составляет 70 лет. Сколько периодов полураспада пройдет, чтобы 20 г вещества сократилось до 1,25 г? Вот, как решить эту задачу:

      • Начните с 20г и постепенно уменьшайте. 20г/2 = 10г (1 период полураспада), 10г/2 = 5 (2 периода полураспада), 5г/2 = 2,5 (3 периода полураспада) и 2,5/2 = 1,25 (4 периода полураспада). Ответ: необходимо 4 периода полураспада.

   Предупреждения

   • Период полураспада - это приблизительное определение времени, необходимого для распада половины оставшегося вещества, а не точный расчет. Например, если остался только один атом вещества, то после полураспада не останется только половина атома, а останется один или ноль атомов. Чем больше количество вещества, тем более точным будет расчет по закону больших чисел

Диапазон значений периода полураспада радиоактивных веществ чрезвычайно широк, он простирается от миллиардов лет до малых долей секунды. Поэтому методы измерений величины T 1/2 должны сильно отличаться друг от друга. Рассмотрим некоторые из них.

1) Пусть, например, требуется определить период полураспада долгоживущего вещества. В этом случае, получив химическим путем радиоактивный изотоп, свободный от посторонних примесей или с известным количеством примесей, можно взвесить образец и, используя число Авогадро, определить число атомов радиоактивного вещества, которые в нём находятся. Поместив образец перед детектором радиоактивных излучений и вычислив телесный угол , под которым виден детектор из образца, определим долю излучения, регистрируемого детектором. При измерениях интенсивности излучения следует учитывать возможное поглощение его на пути между образцом и детектором, а также поглощение его в образце и эффективность регистрации. Таким образом, в эксперименте определяется число ядер n , распадающихся в единицу времени:

где N - число радиоактивных ядер, находящихся в радиоактивном образце. Тогда и .

2) Если определяется величина Т 1/2 для веществ, распадающихся с периодом полураспада в несколько минут, часов или дней, то удобно использовать метод наблюдения изменения интенсивности ядерного излучения со временем. В данном случае регистрация излучения производится либо с помощью газонаполненного счетчика, либо сцинтилляционного детектора. Радиоактивный источник помещается вблизи счетчика так, чтобы их взаимное расположение в течение всего эксперимента не изменялось. Кроме того, необходимо создать такие условия, при которых исключались бы возможные просчеты как самого счетчика, так и регистрирующей системы. Измерения производятся следующим образом. Отсчитывается число импульсов N 0 за некоторый промежуток времени t (например, за одну минуту). Через промежуток времени t 1 производится снова отсчет импульсов N 1 .Через промежуток времени t 2 получается новое число N 2 и т. д.

Фактически в этом эксперименте производятся относительные измерения активности изотопа в различные моменты времени. В результате получается набор чисел , , ..., , который и используется для определения периода полураспада Т 1/2 .

Полученные экспериментальные значения после вычета фона наносятся на график (рис. 3.3), где по оси абсцисс откладывается время, прошедшее от начала измерений, а по оси ординат логарифм числа . По нанесенным экспериментальным точкам с помощью метода наименьших квадратов проводится линия. Если в измеряемом препарате присутствует только один радиоактивный изотоп, то линия будет прямой. Если же в нем имеется два или несколько радиоактивных изотопов, распадающихся с различными периодами полураспада, то линия будет кривой.

С помощью одиночного счетчика (или камеры) трудно производить измерения сравнительно больших периодов полураспада (несколько месяцев или несколько лет). Действительно, пусть в начале измерений скорость счета составляла N 1 , а в конце - N 2 . Тогда ошибка будет обратно пропорциональна величине ln(N 1 /N 2 ). Значит, если за время измерений активность источника изменится незначительно, то N 1 и N 2 будут близки друг к другу и ln(N 1 /N 2 ) будет много меньше единицы и погрешность в определении Т 1/2 будет велика.

Таким образом, ясно, что измерения периода полураспада с помощью одиночного счетчика необходимо производить в такое время, чтобы ln(N 1 /N 2) был больше единицы. Практически, наблюдения необходимо производить в течение не более 5Т 1/2.

3) Измерения Т 1/2 в несколько месяцев или лет удобно производить с помощью дифференциальной ионизационной камеры. Она представляет собой две ионизационные камеры, включенные так, чтобы токи в них шли в противоположном направлении и компенсировали друг друга (рис. 3.4).

Процесс измерения периода полураспада производится следующим образом. В одну из камер (например, К 1 )помещается радиоактивный изотоп с заведомо большим T 1/2 , (например, 226 Ra, у которого Т 1/2 =1600 лет); за относительно короткое время измерений (несколько часов или дней) величина ионизационного тока в этой камере практически не изменится. В другую камеру (К 2 ) помещается изучаемый радиоактивный нуклид. С помощью приблизительного подбора величин активностей обоих препаратов, а также подходящего размещения их в камерах можно добиться того, что в начальный момент времени ионизационные токи в камерах будут одинаковы: I 1 =I 2 =I 0 , т. е. разностный ток =0. Если измеряемый период полураспада относительно невелик и равен, например, нескольким месяцам или годам, то через несколько часов ток в камере К 2 уменьшится, появится разностный ток: . Изменение ионизационных токов будет происходить в соответствии с периодами полураспада:

Следовательно,

Для измеряемых периодов полураспада величина и после разложения в ряд получим

В эксперименте измеряются , I 0 и t. По ним уже определяется и

Измеряемые величины могут быть определены с удовлетворительной точностью, а следовательно, с достаточной точностью может быть вычислено и значение Т 1/2.

4) При измерениях малых периодов полураспада (доли секунды) обычно используется метод задержанных совпадений. Сущность его можно показать на примере определения времени жизни возбужденного состояния ядра.

Пусть ядро А в результате -распада превращается в ядро Б, которое находится в возбужденном состоянии и свою энергию возбуждения испускает в виде двух -квантов, идущих последовательно друг за другом. Сначала испускается квант затем квант (см. рис. 3.5).

Как правило, возбужденное ядро испускает избыточную энергию не мгновенно, а через некоторое (пусть даже и очень малое) время, т. е. возбужденные состояния ядра имеют некоторое конечное время жизни . В данном случае можно определить время жизни первого возбужденного состояния ядра. Для этого препарат, содержащий радиоактивные ядра А , помещается между двумя счетчиками (лучше для этого использовать сцинтилляционные счетчики) (рис. 3.6). Можно создать такие условия, что левый канал схемы будет регистрировать только кванты , а правый . Квант всегда испускается раньше, чем квант . Время испускания второго кванта относительно первого не будет всегда одним и тем же для различных ядер Б . Разрядка возбужденных состояний ядер носит статистический характер и подчиняется закону радиоактивного распада.

Таким образом, для определения времени жизни уровня , надо проследить за его разрядкой во времени. Для этого в левый канал схемы совпадений 1включим переменную линию задержки 2, которая будет в каждом конкретном случае задерживать импульс, возникающий в левом детекторе от кванта на некоторое время t 3 . Импульс, возникающий в правом детекторе от кванта , непосредственно поступает в блок совпадений. Число совпадающих импульсов регистрируется счетной схемой 3. Измеряя число совпадений в зависимости от времени задержки, мы получим кривую разрядки уровня I, аналогичную кривой на рис. 3.3. Из нее и определяется время жизни уровня I. Методом задержанных совпадений можно определить время жизни в диапазоне 10 -11 -10 -6 с.