Основний закон радіоактивного розпаду - формула. Які хімічні елементи радіоактивні? І способів захисту від радіоактивного випромінювання

1. Радіоактивність. Основний закон радіоактивного розпаду. активність.

2. Основні види радіоактивного розпаду.

3. Кількісні характеристики взаємодії іонізуючого випромінювання з речовиною.

4. Природна та штучна радіоактивність. Радіоактивні лави.

5. Використання радіонуклідів у медицині.

6. Прискорювачі заряджених частинок та їх використання у медицині.

7. Біофізичні основи дії іонізуючого випромінювання.

8. Основні поняття та формули.

9. Завдання.

Інтерес медиків до природної та штучної радіоактивності обумовлений наступним.

По-перше, все живе постійно піддається дії природного радіаційного фону, який становлять космічна радіація, випромінювання радіоактивних елементів, що залягають у поверхневих шарах земної кори, та випромінювання елементів, які потрапляють в організм тварин разом із повітрям та їжею.

По-друге, радіоактивне випромінювання застосовується у самій медицині в діагностичних та терапевтичних цілях.

33.1. Радіоактивність. Основний закон радіоактивного розпаду. Активність

Явище радіоактивності було відкрито 1896 р. А. Беккерелем, який спостерігав спонтанне випромінювання солями урану невідомого випромінювання. Незабаром Е. Резерфорд і подружжя Кюрі встановили, що при радіоактивному розпаді випромінюються ядра Не ​​(α-частинки), електрони (β-частинки) та жорстке електромагнітне випромінювання (γ-промені).

У 1934 р. був відкритий розпад з вильотом позитронів (β + -розпад), а в 1940 р. був відкритий новий тип радіоактивності - спонтанний поділ ядер: ядро, що ділиться, розвалюється на два уламки порівнянної маси з одночасним випусканням нейтронів і γ -Квантів. Протонна радіоактивність ядер спостерігалася 1982 р.

Радіоактивність -здатність деяких атомних ядер мимоволі (спонтанно) перетворюватися на інші ядра з випромінюванням частинок.

Атомні ядра складаються з протонів та нейтронів, які мають узагальнюючу назву. нуклони.Кількість протонів в ядрі визначає хімічні властивості атома та позначається Z (це порядковий номерхімічного елемента). Кількість нуклонів у ядрі називають масовим числомі позначають А. Ядра з однаковим порядковим номером та різними масовими числами називаються ізотопами.Усі ізотопи одного хімічного елемента мають однаковіХімічні властивості. Фізичні властивості ізотопів можуть відрізнятися дуже сильно. Для позначення ізотопів використовують символ хімічного елемента із двома індексами: A Z Х. Нижній індекс – порядковий номер, верхній – масове число. Часто нижній індекс опускають, оскільки вказує сам символ елемента. Наприклад, пишуть 14 З замість 14 6 З.

Здатність ядра до розпаду залежить від його складу. У одного й того самого елемента можуть бути і стабільний, і радіоактивний ізотопи. Наприклад, ізотоп вуглецю 12 С стабільний, а ізотоп 14 С радіоактивний.

Радіоактивний розпад – явище статистичне. Здатність ізотопу до розпаду характеризує постійна розпадуλ.

Постійне розпаду- ймовірність того, що ядро ​​цього ізотопу розпадеться за одиницю часу.

Імовірність розпаду ядра за малий час dt знаходиться за формулою

Враховуючи формулу (33.1), отримаємо вираз, що визначає кількість ядер, що розпалися:

Формула (33.3) називається основним законом радіоактивного розпаду.

Число радіоактивних ядер зменшується з часом за експоненційним законом.

На практиці замість постійного розпадуλ часто використовують іншу величину, яку називають періодом напіврозпаду.

Період напіврозпаду(Т) - час, протягом якого розпадається половинарадіоактивні ядер.

Закон радіоактивного розпаду з використанням періоду напіврозпаду записується так:

Графік залежності (33.4) показано на рис. 33.1.

Період напіврозпаду може бути як дуже великим, так і дуже маленьким (від часток секунди до багатьох мільярдів років). У табл. 33.1 представлені періоди напіврозпаду деяких елементів.

Рис. 33.1.Зменшення кількості ядер вихідної речовини при радіоактивному розпаді

Таблиця 33.1.Періоди напіврозпаду для деяких елементів

Для оцінки ступеня радіоактивностіізотопу використовують спеціальну величину, звану активністю.

Активність -кількість ядер радіоактивного препарату, що розпадаються за одиницю часу:

Одиниця виміру активності в СІ - бекерель(Бк), 1 Бк відповідає одному акту розпаду на секунду. На практиці більш упот-

дитяча позасистемна одиниця активності - кюрі(Кі), що дорівнює активності 1 г 226 Ra: 1 Кі = 3,7 х10 10 Бк.

З часом активність зменшується так само, як зменшується кількість ядер, що не розпалися:

33.2. Основні види радіоактивного розпаду

У процесі вивчення явища радіоактивності було виявлено 3 види променів, що випускаються радіоактивними ядрами, які отримали назви α-, β- та γ-променів. Пізніше було встановлено, що - і -частки - продукти двох різних видів радіоактивного розпаду, а -промені є побічним продуктом цих процесів. Крім того, γ-промені супроводжують і складніші ядерні перетворення, які тут не розглядаються.

Альфа-розпадполягає у мимовільному перетворенні ядер з випромінюваннямα -Частинок (ядра гелію).

Схема α-розпаду записується у вигляді

де Х, Y – символи материнського та дочірнього ядер відповідно. При записі α-розпаду замість α можна писати «Ні».

При цьому розпаді порядковий номер елемента Z зменшується на 2, а масове число А - на 4.

При -розпаді дочірнє ядро, як правило, утворюється в збудженому стані і при переході в основний стан випромінює -квант. Загальна властивість складних мікрооб'єктів полягає в тому, що вони мають дискретнимнабір енергетичних станів. Це стосується і ядер. Тому γ-випромінювання збуджених ядер має дискретний спектр. Отже, і енергетичний спектр α-часток є дискретним.

Енергія α-часток, що випускаються практично для всіх α-активних ізотопів лежить в межах 4-9 МеВ.

Бета-розпадполягає в мимовільному перетворенні ядер з випромінюванням електронів (або позитронів).

Встановлено, що β-розпад завжди супроводжується випромінюванням нейтральної частки - нейтрино (або антинейтрино). Ця частка практично не взаємодіє з речовиною, і надалі не розглядатиметься. Енергія, що виділяється при β-розпаді, розподіляється між β-частинкою та нейтрино випадковим чином. Тому енергетичний спектр β-випромінювання суцільний (рис. 33.2).

Рис. 33.2.Енергетичний спектр β-розпаду

Існує два види β-розпаду.

1. Електроннийβ - -розпад полягає в перетворенні одного ядерного нейтрону на протон та електрон. При цьому з'являється ще одна частка ν" - антинейтрино:

Електрон та антинейтрино вилітають з ядра. Схема електронного β - -розпаду записується у вигляді

При електронному розпаді порядковий номер Z-елемента збільшується на 1, масове число А не змінюється.

Енергія -частинок лежить в діапазоні 0,002-2,3 МеВ.

2. Позитроннийβ + -розпад полягає в перетворенні одного ядерного протона на нейтрон і позитрон. При цьому з'являється ще одна частка ν - нейтрино:

Саме електронне захоплення не породжує іонізуючих частинок, але воно супроводжується рентгенівським випромінюванням.Це випромінювання виникає, коли місце, що звільнилося під час поглинання внутрішнього електрона, заповнюється електроном із зовнішньої орбіти.

Гамма-випромінюваннямає електромагнітну природу і є фотоном з довжиною хвиліλ ≤ 10-10 м.

Гамма-випромінювання не є самостійним видом радіоактивного розпаду. Випромінювання цього типу майже завжди супроводжує не тільки α-розпад та β-розпад, але й складніші ядерні реакції. Воно не відхиляється електричним і магнітним полями, має відносно слабку іонізуючу і дуже велику проникаючу здатність.

33.3. Кількісні характеристики взаємодії іонізуючого випромінювання з речовиною

Вплив радіоактивного випромінювання на живі організми пов'язаний з іонізацією,яку воно викликає у тканинах. Здібність частки до іонізації залежить як від її виду, так і від її енергії. У міру просування частинки в глибину речовини вона втрачає свою енергію. Цей процес називають іонізаційним гальмуванням.

Для кількісної характеристики взаємодії зарядженої частинки з речовиною використовується кілька величин:

Після того, як енергія частинки стане нижче енергії іонізації, її іонізуючу дію припиняється.

Середній лінійний пробіг(R) зарядженої іонізуючої частинки - шлях, пройдений нею в речовині до втрати іонізуючої здатності.

Розглянемо деякі характерні риси взаємодії різних видів випромінювання з речовиною.

Альфа-випромінювання

Альфа-частка практично не відхиляється від початкового напрямку свого руху, оскільки її маса набагато більше

Рис. 33.3.Залежність лінійної щільності іонізації від шляху, пройденого α-часткою в середовищі

маси електрона, з яким вона взаємодіє. У міру її проникнення в глиб речовини щільність іонізації спочатку зростає, а при завершення пробігу (х = R)різко спадає нанівець (рис. 33.3). Це тим, що при зменшенні швидкості руху зростає час, що вона проводить поблизу молекули (атома) середовища. Імовірність іонізації у своїй збільшується. Після того, як енергія α-частки стане порівнянною з енергією молекулярно-теплового руху, вона захоплює два електрони в речовині і перетворюється на атом гелію.

Електрони, що утворилися в процесі іонізації, як правило, йдуть у бік від треку α-частинки та викликають вторинну іонізацію.

Характеристики взаємодії α-часток з водою та м'якими тканинами представлені в табл. 33.2.

Таблиця 33.2.Залежність характеристик взаємодії з речовиною від енергії α-часток

Бета-випромінювання

Для руху β -частинки в речовині характерна криволінійна непередбачувана траєкторія Це з рівністю мас взаємодіючих частинок.

Характеристики взаємодії β -Частинок з водою і м'якими тканинами представлені в табл. 33.3.

Таблиця 33.3.Залежність характеристик взаємодії з речовиною від енергії β-часток

Як і у α-часток, іонізаційна здатність β-частинок зростає при зменшенні енергії.

Гамма-випромінювання

Поглинання γ -випромінювання речовиною підпорядковується експоненційному закону, аналогічному закону поглинання рентгенівського випромінювання:

Основними процесами, які відповідають за поглинання γ -випромінювання, є фотоефект та комптонівське розсіювання. При цьому утворюється відносно невелика кількість вільних електронів (первинна іонізація), які мають дуже високу енергію. Вони й викликають процеси вторинної іонізації, яка незрівнянно вища за первинну.

33.4. Природна та штучна

радіоактивність. Радіоактивні ряди

Терміни природнаі штучнаРадіоактивність є умовними.

Природноюназивають радіоактивність ізотопів, що існують у природі, або радіоактивність ізотопів, що утворюються в результаті природних процесів.

Наприклад, природною є радіоактивність урану. Природною є радіоактивність вуглецю 14 С, який утворюється у верхніх шарах атмосфери під дією сонячного випромінювання.

Штучноюназивають радіоактивність ізотопів, що виникають у результаті діяльності людини.

Такий є радіоактивність всіх ізотопів, одержуваних на прискорювачах частинок. Сюди можна віднести і радіоактивність грунту, води та повітря, що виникає при атомному вибуху.

Природна радіоактивність

У початковий період вивчення радіоактивності дослідники могли використовувати лише природні радіонукліди (радіоактивні ізотопи), що містяться в земних породах у досить великій кількості: 232 Th, 235 U, 238 U. З цих радіонуклідів починаються три радіоактивні ряди, що закінчуються стабільними ізотопами РЬ. Надалі було виявлено ряд, що починається з 237 Np, з кінцевим стабільним ядром 209 Bi. На рис. 33.4 показаний ряд, що починається з 238 U.

Рис. 33.4.Уран-радієвий ряд

Елементи цього є основним джерелом внутрішнього опромінення людини. Наприклад, 210 Pb і 210 Po надходять до організму разом з їжею - вони концентруються в рибі та молюсках. Обидва ці ізотопи накопичуються в лишайниках і тому присутні в м'ясі північного оленя. Найбільш вагомим із усіх природних джерел радіації є 222 Rn - важкий інертний газ, що виходить при розпаді 226 Ra. На нього припадає близько половини дози природної радіації, яку отримує людина. Утворюючись у земній корі, цей газ просочується в атмосферу і потрапляє у воду (він добре розчинний).

У земній корі постійно є радіоактивний ізотоп калію 40 К, який входить до складу природного калію (0,0119 %). З ґрунту цей елемент надходить через кореневу систему рослин і з рослинною їжею (зернові, свіжі овочі та фрукти, гриби) – в організм.

Ще одним джерелом природної радіації є космічне випромінювання (15%). Його інтенсивність зростає у гірських районах внаслідок зменшення захисної дії атмосфери. Джерела природного радіаційного фону вказані у табл. 33.4.

Таблиця 33.4.Складова природного радіоактивного фону

33.5. Використання радіонуклідів у медицині

Радіонуклідаминазивають радіоактивні ізотопи хімічних елементів із малим періодом напіврозпаду. У природі такі ізотопи відсутні, тому їх одержують штучно. У сучасній медицині радіонукліди широко використовуються в діагностичних та терапевтичних цілях.

Діагностичне застосування засноване на вибірковому накопиченні деяких хімічних елементів окремими органами. Йод, наприклад, концентрується у щитовидній залозі, а кальцій – у кістках.

Введення в організм радіоізотопів цих елементів дозволяє виявляти області їхньої концентрації з радіоактивного випромінювання і отримувати таким чином важливу діагностичну інформацію. Такий метод діагностики називається методом мічених атомів.

Терапевтичне використання радіонуклідів засновано на руйнівній дії іонізуючого випромінювання на клітини пухлин.

1. Гама-терапія- використання γ-випромінювання високої енергії (джерело 60 З) для руйнування глибоко розташованих пухлин. Щоб поверхнево розташовані тканини та органи не зазнавали згубної дії, вплив іонізуючого випромінювання здійснюється у різні сеанси з різних напрямків.

2. Альфа-терапія- Лікувальне використання α-часток. Ці частинки мають значну лінійну щільність іонізації і поглинаються навіть невеликим шаром повітря. Тому терапевтичне

застосування альфа-променів можливе при безпосередньому контакті з поверхнею органу або при введенні внутрішньо (за допомогою голки). Для поверхневого впливу застосовується радонова терапія (222 Rn): дія на шкіру (ванни), органи травлення (пиття), органи дихання (інгаляції).

У деяких випадках лікувальне застосування α -Частинок пов'язано з використанням потоку нейтронів. При цьому методі тканина (пухлина) попередньо вводять елементи, ядра яких під дією нейтронів випускають α -частки. Після цього хворий орган опромінюють потоком нейтронів. Таким чином α -Частини утворюються безпосередньо всередині органу, на який вони повинні надати руйнівний вплив.

У таблиці 33.5 наведено характеристики деяких радіонуклідів, що використовуються в медицині.

Таблиця 33.5.Характеристика ізотопів

33.6. Прискорювачі заряджених частинок та їх використання у медицині

Прискорювач- Установка, в якій під дією електричних і магнітних полів виходять спрямовані пучки заряджених частинок з високою енергією (від сотень кеВ до сотень ГеВ).

Прискорювачі створюють вузькіпучки частинок із заданою енергією та малим поперечним перерізом. Це дозволяє надавати спрямованевплив на об'єкти, що опромінюються.

Використання прискорювачів у медицині

Прискорювачі електронів та протонів застосовуються в медицині для променевої терапії та діагностики. При цьому використовуються як прискорені частинки, так і супутнє рентгенівське випромінювання.

Гальмівне рентгенівське випромінюванняотримують, спрямовуючи пучок частинок на спеціальну мету, що є джерелом рентгенівських променів. Від рентгенівської трубки це випромінювання відрізняється значно більшою енергією квантів.

Синхротронне рентгенівське випромінюваннявиникає у процесі прискорення електронів на кільцевих прискорювачах - синхротронах. Таке випромінювання має високий ступінь спрямованості.

Пряма дія швидких частинок пов'язана з їх високою здатністю, що проникає. Такі частинки проходять поверхневі тканини, не викликаючи серйозних пошкоджень, і надають іонізуючу дію наприкінці свого шляху. Підбором відповідної енергії частинок можна досягти руйнування пухлин на заданій глибині.

Області застосування прискорювачів у медицині показані у табл. 33.6.

Таблиця 33.6.Застосування прискорювачів у терапії та діагностиці

33.7. Біофізичні основи дії іонізуючого випромінювання

Як зазначалося вище, вплив радіоактивного випромінювання на біологічні системи пов'язані з іонізацією молекул.Процес взаємодії випромінювання з клітинами можна поділити на три послідовні етапи (стадії).

1. Фізична стадія полягає в передачі енергіївипромінювання молекул біологічної системи, внаслідок чого відбувається їх іонізація та збудження. Тривалість цієї стадії 10-16-10-13 с.

2. Фізико-хімічна стадія складається з різноманітних реакцій, що призводять до перерозподілу надлишкової енергії збуджених молекул та іонів. В результаті з'являються високоактивні

продукти: радикали та нові іони з широким спектром хімічних властивостей.

Тривалість цієї стадії 10 -13 -10 -10 с.

3. Хімічна стадія - це взаємодія радикалів та іонів між собою та з навколишніми молекулами. На цій стадії формуються структурні ушкодження різного типу, що призводять до зміни біологічних властивостей: порушуються структура та функції мембран; виникають ураження в молекулах ДНК та РНК.

Тривалість хімічної стадії 10-6-10-3 с.

4. Біологічна стадія На цій стадії пошкодження молекул і субклітинних структур призводять до різноманітних функціональних порушень, передчасної загибелі клітини внаслідок дії механізмів апоптозу або внаслідок некрозу. Ушкодження, отримані на біологічній стадії, можуть передаватися у спадок.

Тривалість біологічної стадії від кількох хвилин до десятків років.

Зазначимо загальні закономірності біологічної стадії:

Великі порушення при малій поглиненій енергії (смертельна для людини доза опромінення викликає нагрівання тіла лише на 0,001°С);

Дія наступні покоління через спадковий апарат клітини;

Характерний прихований, латентний період;

Різні частини клітин мають різну чутливість до випромінювання;

Насамперед уражаються клітини, що діляться, що особливо небезпечно для дитячого організму;

Згубна дія на тканини дорослого організму, в яких є поділ;

Подібність променевих змін із процесами патології раннього старіння.

33.8. Основні поняття та формули

Продовження таблиці

33.9. Завдання

1. Якою є активність препарату, якщо протягом 10 хв розпадається 10 000 ядер цієї речовини?

4. Вік древніх зразків дерева можна приблизно визначити за питомою масовою активністю ізотопу 14 6 C в них. Скільки років тому було зрубано дерево, яке пішло на виготовлення предмета, якщо питома масова активність вуглецю в ньому становить 75 % від питомої маси активності дерева, що росте? Період напіврозпаду радону Т = 5570 років.

9. Після Чорнобильської аварії у деяких місцях забрудненість ґрунту радіоактивним цезієм-137 була на рівні 45 Кі/км 2 .

Через скільки років активність у цих місцях знизиться відносно безпечного рівня 5 Кі/км 2 . Період напіврозпаду цезію-137 дорівнює Т = 30 років.

10. Допустима активність йоду-131 у щитовидній залозі людини повинна бути не більше 5 нКі. У деяких людей, які перебували в зоні Чорнобильської катастрофи, активність йоду-131 сягала 800 нКи. За скільки днів активність знижувалася до норми? Період напіврозпаду йоду-131 дорівнює 8 діб.

11. Для визначення об'єму крові у тварин використовується наступний метод. У тварини беруть невеликий об'єм крові, відокремлюють еритроцити від плазми та поміщають їх у розчин з радіоактивним фосфором, що асимілюється еритроцитами. Мічені еритроцити знову вводять у кровоносну систему тварини і через деякий час визначають активність проби крові.

У кров деякої тварини ввели V = 1 мл такого розчину. Початкова активність цього обсягу дорівнювала А 0 = 7000 Бк. Активність 1 мл крові, взятої з вени тварини через добу, дорівнювала 38 імпульсів на хвилину. Визначити обсяг крові тварини, якщо період напіврозпаду радіоактивного фосфору дорівнює Т = 14,3 діб.

В результаті всіх видів радіоактивних перетворень кількість ядер даного ізотопу поступово зменшується. Зменшення кількості ядер, що розпадаються відбувається по експоненті і записується в наступному вигляді:

N=N 0 е –  t , (10)

де N 0 – кількість ядер радіонукліду на момент початку відліку часу (t=0 );  - Постійна розпаду, яка для різних радіонуклідів різна; N– кількість ядер радіонукліду через час t; е- Основа натурального логарифму (е = 2,713 ....). Це і є основним законом радіоактивного розпаду.

Висновок формули (10).Природний радіоактивний розпад ядер протікає спонтанно, без будь-якого впливу ззовні. Цей процес статистичний, і окремо взятого ядра можна лише вказати ймовірність розпаду за певний час. Тому швидкість розпаду можна характеризувати часом t. Нехай є число Nатомів радіонукліду. Тоді, число атомів, що розпадаються dNза час dtпропорційно числу атомів Nта проміжок часу dt:

Знак мінус показує, що число Nвихідних атомів зменшується у часі. Експериментально показано, що властивості ядер з часом змінюються. Звідси випливає, що є величина постійна і носить назву - постійна розпаду. З (11) слід, чтоl= –dN/N=const, приdt= 1, тобто. постійна дорівнює ймовірності розпаду одного радіонукліда за одиницю часу.

У рівнянні (11) поділимо праву та ліву частини на Nта проінтегруємо:

dN/N = -ldt(12)

(13)

ln N/N 0 = – λt і N = N 0 е – λt , (14)

де N 0 є початкове число атомів, що розпадаються (N 0 приt=0).

Формула (14) має два недоліки. Для визначення кількості ядер, що розпадаються, необхідно знати N 0 . Приладу його визначення немає. Другий недолік - хоча постійна розпаду λ є в таблицях, але прямої інформації про швидкість розпаду вона несе.

Щоб позбутися величини λ вводиться поняття період напіврозпаду Т(Іноді у літературі позначається Т 1/2). Періодом напіврозпаду називається проміжок часу, протягом якого вихідне число радіоактивних ядер зменшується вдвічі, а кількість ядер, що розпадаються за час Тзалишається незмінним (λ=const).

У рівнянні (10) праву та ліву частину поділимо на N, і приведемо до вигляду:

N 0 /N =е  t (15)

Вважаючи, що N 0 / N = 2, при t = T, отримаємо ln2 =  Т, звідки:

ln2 = 0,693  = 0,693/ T(16)

Підставивши вираз (16) (10) отримаємо:

N = N 0 е -0.693t/T (17)

На графіці (рис.2.) показано залежність числа атомів, що розпадаються від часу розпаду. Теоретично крива експонента ніколи не може злитися з віссю абсцис, але на практиці можна вважати, що приблизно через 10–20 періодів напіврозпаду радіоактивна речовина повністю розпадається.

Для того, щоб позбавитися величин NіN 0, користуються наступною властивістю явища радіоактивності. Є прилади, які реєструють кожний розпад. Вочевидь, можна визначити кількість розпадів за певний проміжок часу. Це є не що інше, як швидкість розпаду радіонукліду, яку можна назвати активністю: чим більше розпадається за один і той же час ядер, тим більша активність.

Отже, активність- Це фізична величина, що характеризує число радіоактивних розпадів в одиницю часу:

А =dN/ dt(18)

З визначення активності, слід, що вона характеризує швидкість ядерних переходів за одиницю часу. З іншого боку, кількість ядерних переходів залежить від постійного розпаду. l. Можна показати, що:

A = A 0 е -0,693t/T (19)

Висновок формули (19).Активність радіонукліда характеризує кількість розпадів в одиницю часу (в секунду) і дорівнює похідній за часом від рівняння (14):

А = d N/dt = lN 0 е –-  t = lN (20)

Відповідно початкова активність у момент часу t = 0дорівнює:

А o = lN o (21)

Виходячи з рівняння (20) та з урахуванням (21), отримаємо:

А = А o е –  tабо А = А 0 е – 0,693 t / T (22)

Одиницею активності у системі СІ прийнято 1 розпад/с=1 Бк(названий Беккерелем на честь французького вченого (1852-1908 р), який відкрив у 1896 природну радіоактивність солей урану). Використовують також кратні одиниці: 1 ГБк=10 9 Бк – гігабеккерель, 1 МБк=10 6 Бк – мегабеккерель, 1 кБк=10 3 Бк – кілобеккерель та ін.

Існує і позасистемна одиниця Кюрі,яка вилучається із вживання згідно з ГОСТ 8.417-81 та РД 50-454-84. Однак на практиці та в літературі вона використовується. За 1Кuприйнята активність 1г радію.

1Кu = 3,7 10 10 Бк; 1Бк = 2,7 10 –11 Кі(23)

Використовують також кратну одиницю мегакюрі 1МКі = 110 6 Кі та долеві - мілікюрі, 1мКі = 10 -3 Кі; мікрокюрі, 1мкКі = 10 -6 Кі.

Радіоактивні речовини можуть перебувати в різному агрегатному стані, у тому числі аерозольному, зваженому стані в рідині або повітрі. Тому в дозиметричній практиці часто використовують величину питомої, поверхневої або об'ємної активності або концентрації радіоактивних речовин у повітрі, рідині та ґрунті.

Питому, об'ємну та поверхневу активність можна записати відповідно у вигляді:

А m = А/m; А v = А/v; А s = A/s(24)

де: m- Маса речовини; v- Об'єм речовини; s- Площа поверхні речовини.

Очевидно, що:

А m = A/ m = A/ srh= А s / rh = A v / r(25)

де: r– щільність ґрунту, що приймається в Республіці Білорусь рівною 1000кг/м 3 ; h- Коренеживаний шар грунту, приймається рівним 0,2м; s- Площа радіоактивного зараження, м2. Тоді:

А m = 5  10 –3 А s ; А m = 10 –3 A v (26)

А mможе бути виражена Бк/кг або Кu/кг; A sможе бути виражена в Бк/м 2 ,Ку/м 2 Ку/км 2 ; A vможе бути виражена Бк/м 3 або Кu/м 3 .

Насправді можна використовувати як укрупнені, і дробові одиниці виміру. Наприклад: Кu/км 2 , Бк/см 2 , Бк/г та ін.

У нормах радіаційної безпеки НРБ-2000 додатково запроваджено ще кілька одиниць активності, якими зручно користуватися під час вирішення завдань радіаційної безпеки.

Активність мінімально значуща (МЗА) – активність відкритого джерела іонізуючого випромінювання у приміщенні або на робочому місці, при перевищенні якої потрібен дозвіл органів санітарно-епідеміологічної служби Міністерства охорони здоров'я на використання цих джерел, якщо при цьому також перевищено значення мінімально значущої питомої активності.

Активність мінімально значима питома (МЗУА) – питома активність відкритого джерела іонізуючого випромінювання у приміщенні або на робочому місці, при перевищенні якої потрібен дозвіл органів санітарно-епідеміологічної служби Міністерства охорони здоров'я на використання цього джерела, якщо при цьому також перевищено значення мінімально значущої активності.

Активність еквівалентна рівноважна (ЕРОА) дочірніх продуктів ізотопів радону 222 Rnі 220 Rn– зважена сума об'ємних активностей короткоживучих дочірніх продуктів ізотопів радону – 218 Ро (RaA); 214 Pb (RaB); 212 Pb (ThB); 212 Уi (ThC) відповідно:

(ЕРОА) Rn = 0,10 А RaA + 0,52 А RaB + 0,38 А RaC ;

(ЕРОА) Th = 0,91 А ThB + 0,09 А ThC ,

де А– об'ємні активності дочірніх продуктів ізотопів радону та торію.

§ 15-ж. Закон радіоактивного розпаду

Поява «ручних» сцинтиляційних лічильників і, головним чином, лічильників Гейгера-Мюллера, які допомогли автоматизувати підрахунки частинок (див. § 15), призвела фізиків до важливого висновку. Будь-який радіоактивний ізотоп характеризується мимовільним послабленням радіоактивності, що виражається у зменшенні кількості ядер, що розпадаються в одиницю часу.

Побудова графіків активності різних радіоактивних ізотопів наводила вчених до однієї й тієї ж залежності, що виражається. показовою функцією(Див. графік). По горизонтальній осі відкладено час спостереження, а по вертикальній – кількість ядер, що не розпалися. Кривизна ліній могла бути різною, проте сама функція, якою виражалися описувані графіками залежності, залишалася однією і тією ж:

Ця формула висловлює закон радіоактивного розпаду:кількість ядер, що не розпалися з часом, визначається як добуток початкової кількості ядер на 2 в ступені, що дорівнює відношенню часу спостереження до періоду напіврозпаду, взятої з негативним знаком.

Як з'ясувалося в ході дослідів, різні радіоактивні речовини можна охарактеризувати різним періодом напіврозпаду- часом, за який кількість ядер, що ще не розпалися, зменшується вдвічі(Див. таблицю).

Періоди напіврозпаду деяких ізотопів деяких хімічних елементів. Наведено значення як для природних, так штучних ізотопів.

Період напіврозпаду – загальноприйнята фізична величина, що характеризує швидкість радіоактивного розпаду. Численні досліди показують, що навіть при дуже тривалому спостереженні за радіоактивною речовиною його період напіврозпаду постійний, тобто не залежить від числа атомів, що вже розпалися.Тому закон радіоактивного розпаду знайшов застосування у методі визначення віку археологічних та геологічних знахідок.

Метод радіовуглецевого аналізу.Вуглець – дуже поширений на Землі хімічний елемент, до складу якого входять стабільні ізотопи вуглець-12, вуглець-13 та радіоактивний ізотоп вуглець-14, період напіврозпаду якого становить 5,7 тисячі років (див. таблицю). Живі організми, споживаючи їжу, накопичують у своїх тканинах усі три ізотопи. Після припинення життя організму надходження вуглецю припиняється, і з часом його зміст зменшується природним шляхом, рахунок радіоактивного розпаду. Оскільки розпадається лише вуглець-14, з плином століть і тисячоліть змінюється співвідношення ізотопів вуглецю в викопних останках живих організмів. Вимірявши цю «вуглецеву пропорцію», можна судити про вік археологічної знахідки.

Метод радіовуглецевого аналізу застосовний і для геологічних порід, а також для викопних предметів побуту людини, але за умови, що співвідношення ізотопів у зразку не було порушено за його існування, наприклад, пожежею або дією сильного джерела радіації. Неврахування таких причин відразу після відкриття цього методу призводив до помилок на кілька століть і тисячоліть. Сьогодні застосовуються «вікові калібрувальні шкали» для ізотопу вуглецю-14, виходячи з його розподілу в довгоживучих деревах (наприклад, в американській тисячолітній секвої). Їх вік можна підрахувати дуже точно - по річних кільцях деревини.

Межа застосування методу радіовуглецевого аналізу на початку XXI століття складала 60 000 років. Для вимірювання віку древніших зразків, наприклад гірських порід або метеоритів, використовують аналогічний метод, але замість вуглецю спостерігають за ізотопами урану або інших елементів залежно від походження досліджуваного зразка.

Був сформульований після того, як у 1896 Беккерелем було відкрито явище радіоактивності. Воно полягає в непередбачуваному переході одних видів ядер до інших, при цьому вони виділяють різні елементи і частинок. Процес буває природним, коли проявляється у існуючих у природі ізотопів, і штучним, у випадках отримання в Те ядро, яке розпадається, вважається материнським, а вийшло - дочірнім. Іншими словами, основний закон радіоактивного розпаду включає довільний природний процес перетворення одного ядра в інше.

Дослідження Беккереля показало наявність у солях урану невідомого раніше випромінювання, що впливало на фотопластинку, наповнювало повітря іонами і мало властивість проходити через тонкі пластинки з металу. Досліди М. і П. Кюрі з радієм і полонієм підтвердили висновок, описаний вище, і в науці з'явилося нове поняття, що отримало назву вчення

Ця теорія, що відбиває закон радіоактивного розпаду, полягає в припущенні спонтанного процесу, що підпорядковується статистиці. Так як окремі ядра розпадаються незалежно один від одного, то вважається, що в середньому кількість розпалися за певний проміжок часу, що пропорційно не розпався до моменту закінчення процесу. Якщо слідувати експоненційному закону, то кількість останніх зменшується значно.

Інтенсивність явища характеризують дві основні властивості випромінювання: період так званого напіврозпаду та середньорозрахований проміжок життя радіоактивного ядра. Перший коливається між мільйонними частками секунди та мільярдами років. Вчені вважають, що такі ядра не старіють, і їм немає поняття віку.

Закон радіоактивного розпаду ґрунтується на так званих правилах зміщення, а вони, у свою чергу, є наслідком теорії про збереження та кількості маси. Експериментальним шляхом встановлено, що дія магнітного поля діє по-різному: а) відхилення променів відбувається як позитивно заряджених частинок; б) як негативні; в) не виявляють жодної реакції. З цього випливає, що випромінювання буває трьох видів.

Стільки ж налічується і різновидів процесу розпаду: з викидом електрона; позитрон; поглинання одного електрона ядром. Доведено, що ядра, що відповідають своєю будовою свинцю, переживають розпад із випромінюванням. Теорія отримала назву альфа-розпаду і була сформульована Р. у 1928 році. Другий різновид був сформульований в 1931 Е. Фермі. Його дослідження показали, що замість електронів деякі види ядер випускають протилежні частинки – позитрони, і це завжди супроводжується випромінюванням частинки з нульовим електричним зарядом та масою спокою, нейріно. Найпростішим прикладом бета-розпаду вважається перехід нейрона в протон з тимчасовим періодом 12 хвилин.

Ці теорії, що розглядають закони радіоактивного розпаду, були основними до 1940 19 століття, поки радянські фізики Г. Н. Флеров і К. А. Петржак не відкрили ще один вид, під час якого ядра урану мимоволі діляться дві рівні частки. У 1960 році була передбачена радіоактивність двопротонна та двонейтронна. Але донині цей вид розпаду підтвердження експериментальним шляхом не отримав і виявлено не було. Було відкрито лише протонне випромінювання, у якому відбувається викид із ядра протона.

Розібратися з цими питаннями досить складно, хоча сам закон радіоактивного розпаду простий. Нелегко усвідомити його фізичний зміст і, звісно, ​​виклад цієї теорії виходить далеко межі програми фізики як у школі.

Історія вивчення радіоактивності розпочалася 1 березня 1896 року, коли відомий французький учений випадково виявив дивність у випромінюванні солей урану. Виявилося, що фотопластинки, розташовані в одному ящику із зразком, засвічені. До цього призвело дивне випромінювання, яке мало високу проникаючу здатність, яке мало уран. Ця властивість виявилося у найважчих елементів, які завершують періодичну таблицю. Йому дали назву "радіоактивність".

Вводимо характеристики радіоактивності

Цей процес - мимовільне перетворення атома ізотопу елемента в інший ізотоп з одночасним виділенням елементарних частинок (електронів, ядер атомів гелію). Перетворення атомів виявилося мимовільним, що не потребує поглинання енергії ззовні. Основною величиною, що характеризує процес виділення енергії в ході, називають активність.

Активністю радіоактивного зразка називають ймовірну кількість розпадів цього зразка за одиницю часу. У міжнародній) одиницею виміру її названо беккерель (Бк). В 1 беккерель прийнято активність такого зразка, в якому в середньому відбувається 1 розпад на секунду.

А=λN, де λ- стала розпаду, N - число активних атомів у зразку.

Виділяють α, β, γ-розпади. Відповідні рівняння називають правилами усунення:

Тимчасовий інтервал у радіоактивності

Момент розвалу частки неможливо встановити даного конкретного атома. Для нього це радше «нещасний випадок», аніж закономірність. Виділення енергії, що характеризує цей процес, визначають як активність зразка.

Помічено, що вона з часом змінюється. Хоча окремі елементи демонструють дивовижну сталість ступеня випромінювання, існують речовини, активність яких зменшується у кілька разів досить короткий проміжок часу. Дивовижна різноманітність! Чи можливо знайти закономірність у цих процесах?

Встановлено, що є час, протягом якого рівно половина атомів даного зразка зазнає розпаду. Цей інтервал часу отримав назву "період напіврозпаду". У чому сенс запровадження цього поняття?

напіврозпаду?

Звісно ж, що з час, рівне періоду, рівно половина всіх активних атомів даного зразка розпадається. Але чи означає це, що за два періоди напіврозпаду всі активні атоми повністю розпадуться? Зовсім немає. Через певний момент у зразку залишається половина радіоактивних елементів, через такий же проміжок часу з атомів, що залишилися, розпадається ще половина, і так далі. При цьому випромінювання зберігається тривалий час, що значно перевищує період напіврозпаду. Отже, активні атоми зберігаються у зразку незалежно від випромінювання

Період напіврозпаду - це величина, яка залежить виключно від властивостей цієї речовини. Значення величини визначено багатьом відомих радіоактивних ізотопів.

Таблиця: «Напівперіод розпаду окремих ізотопів»

Визначення періоду напіврозпаду виконано експериментально. У ході лабораторних досліджень багаторазово проводиться вимір активності. Оскільки лабораторні зразки мінімальних розмірів (безпека дослідника понад усе), експеримент проводиться з різним інтервалом часу, багаторазово повторюючись. В його основу покладено закономірність зміни активності речовин.

З метою визначення періоду напіврозпаду проводиться вимірювання активності даного зразка у певні проміжки часу. З урахуванням того, що даний параметр пов'язаний з кількістю атомів, що розпалися, використовуючи закон радіоактивного розпаду, визначають період напіврозпаду.

Приклад визначення для ізотопу

Нехай кількість активних елементів досліджуваного ізотопу в даний час дорівнює N, інтервал часу, протягом якого ведеться спостереження t 2 - t 1 , де моменти початку і закінчення спостереження досить близькі. Припустимо, що n - число атомів, що розпалися в даний часовий інтервал, тоді n = KN(t 2 - t 1).

У цьому виразі K = 0,693/T½ - коефіцієнт пропорційності, що називається константою розпаду. T½ - період напіврозпаду ізотопу.

Приймемо часовий інтервал за одиницю. При цьому K = n/N вказує частку присутніх ядер ізотопу, що розпадаються в одиницю часу.

Знаючи величину константи розпаду, можна визначити напівперіод розпаду: T½ = 0,693/K.

Звідси випливає, що за одиницю часу розпадається не певна кількість активних атомів, а певна їхня частка.

Закон радіоактивного розпаду (ЗРР)

Період напіврозпаду покладено основою ЗРР. Закономірність виведена Фредеріко Содді та Ернестом Резерфордом на основі результатів експериментальних досліджень у 1903 році. Дивно, що багаторазові виміри, виконані за допомогою приладів, далеких від досконалості, в умовах початку ХХ століття, призвели до точного та обґрунтованого результату. Він став основою теорії радіоактивності. Виведемо математичну запис закону радіоактивного розпаду.

Нехай N 0 – кількість активних атомів на даний момент часу. Після закінчення інтервалу часу t нерозпадаються залишаться N елементів.

На час, рівному періоду напіврозпаду, залишиться рівно половина активних елементів: N=N 0 /2.

Після ще одного періоду напіврозпаду у зразку залишаються: N=N 0 /4=N 0 /2 2 активних атомів.

Після часу, що дорівнює ще одному періоду напіврозпаду, зразок збереже тільки: N=N 0 /8=N 0 /2 3 .

На момент часу, коли мине n періодів напіврозпаду, у зразку залишиться N=N 0 /2 n активних частинок. У цьому вся виразі n=t/T½: відношення часу дослідження на період напіврозпаду.

ЗРР має дещо інший математичний вираз, зручніший у розв'язанні задач: N=N 0 2 - t/ T½ .

Закономірність дозволяє визначити, окрім періоду напіврозпаду, кількість атомів активного ізотопу, що не розпалися в даний момент часу. Знаючи кількість атомів зразка на початку спостереження, за деякий час можна визначити час життя даного препарату.

Визначити період напіврозпаду формула закону радіоактивного розпаду допомагає лише за наявності певних параметрів: числа активних ізотопів у зразку, що довідатися досить складно.

Наслідки закону

Записати формулу ЗРР можна, використовуючи поняття активності та маси атомів препарату.

Активність пропорційна кількості радіоактивних атомів: A=A 0 .2 -t/T . У цій формулі А 0 – активність зразка у початковий момент часу, А – активність після закінчення t секунд, Т – період напіврозпаду.

Маса речовини може бути використана у закономірності: m=m 0 .2 -t/T

Протягом будь-яких рівних проміжків часу розпадається абсолютно однакова частка радіоактивних атомів, що є в даному препараті.

Межі застосування закону

Закон у всіх сенсах є статистичним, визначаючи процеси, які у мікросвіті. Зрозуміло, період напіврозпаду радіоактивних елементів - величина статистична. Імовірнісний характер подій в атомних ядрах передбачає, що довільне ядро ​​може розвалитися будь-якої миті. Передбачити подію неможливо, можна лише визначити її ймовірність на даний момент часу. Як наслідок, період напіврозпаду не має сенсу:

• для окремого атома;
• для зразка мінімальної маси.

Час життя атома

Існування атома в його первісному стані може тривати секунду, а може й мільйони років. Говорити про час життя цієї частки також не доводиться. Ввівши величину, що дорівнює середньому значенню часу життя атомів, можна вести розмову про існування атомів радіоактивного ізотопу, наслідки радіоактивного розпаду. Період напіврозпаду ядра атома залежить від властивостей даного атома і залежить від інших величин.

Чи можна вирішити проблему: як знайти період напіврозпаду, знаючи середній час життя?

Визначити період напіврозпаду формула зв'язку середнього часу життя атома та постійного розпаду допомагає не менше.

τ= T 1/2 /ln2= T 1/2 /0,693=1/ λ.

У цьому записі τ – середній час життя, λ – постійна розпаду.

Використання періоду напіврозпаду

Застосування ЗРР визначення віку окремих зразків набуло широкого поширення у дослідженнях кінця ХХ століття. Точність визначення віку копалин артефактів настільки зросла, що може дати уявлення час життя за тисячоліття до нашої ери.

Копалини органічних зразків заснований на зміні активності вуглецю-14 (радіоактивного ізотопу вуглецю), що присутній у всіх організмах. Він потрапляє в живий організм у процесі обміну речовин і міститься в ньому у певній концентрації. Після смерті обмін речовин із довкіллям припиняється. Концентрація радіоактивного вуглецю знижується внаслідок природного розпаду, активність зменшується пропорційно.

За наявності такого значення, як період напіврозпаду, формула закону радіоактивного розпаду допомагає визначити час із припинення життєдіяльності організму.

Ланцюжки радіоактивного перетворення

Дослідження радіоактивності проводились у лабораторних умовах. Дивовижна здатність радіоактивних елементів зберігати активність протягом години, доби і навіть років не могла не викликати подиву у фізиків початку ХХ століття. Дослідження, наприклад, торію, супроводжувалися несподіваним результатом: у закритій ампулі активність його була значною. За найменшого подиху вона падала. Висновок виявився простим: перетворення торію супроводжується виділенням радону (газ). Всі елементи в процесі радіоактивності перетворюються на зовсім іншу речовину, що відрізняється і фізичними, і хімічними властивостями. Ця речовина, у свою чергу, також нестабільна. В даний час відомо три ряди аналогічних перетворень.

Знання про такі перетворення вкрай важливі щодо часу недоступності зон, заражених у процесі атомних і ядерних досліджень чи катастроф. Період напіврозпаду плутонію – залежно від його ізотопу – лежить в інтервалі від 86 років (Pu 238) до 80 млн років (Pu 244). Концентрація кожного ізотопу дає уявлення про період знезараження території.

Найдорожчий метал

Відомо, що в наш час є метали значно дорожчі, ніж золото, срібло та платина. До них і плутоній. Цікаво, що у природі створений у процесі еволюції плутоній не зустрічається. Більшість елементів отримано у лабораторних умовах. Експлуатація плутонію-239 у ядерних реакторах дала можливість йому стати надзвичайно популярним у наші дні. Отримання достатньої для використання в реакторах кількості даного ізотопу робить його практично безцінним.

Плутоній-239 виходить у природних умовах як наслідок ланцюжка перетворень урану-239 у нептуній-239 (період напіврозпаду – 56 годин). Аналогічний ланцюжок дозволяє накопичити плутоній у ядерних реакторах. Швидкість появи необхідної кількості перевищує природну у мільярди разів.

Застосування в енергетиці

Можна багато говорити про недоліки атомної енергетики та про «дива» людства, яке практично будь-яке відкриття використовує для знищення собі подібних. Відкриття плутонію-239, який здатний брати участь у дозволило використовувати його як джерело мирної енергії. Уран-235, що є аналогом плутонію, зустрічається на Землі вкрай рідко, виділити його значно складніше, ніж отримати плутоній.

Вік Землі

Радіоізотопний аналіз радіоактивних ізотопів елементів дає більш точне уявлення про час життя того чи іншого зразка.

Використання ланцюжка перетворень "уран - торій", що містяться в земній корі, дозволяє визначити вік нашої планети. Відсоткове співвідношення цих елементів у середньому по всій земній корі є основою цього методу. За останніми даними, вік Землі становить 4,6 мільярда років.