Radioaktivitet. Grundloven om radioaktivt henfald

Historien om studiet af radioaktivitet begyndte den 1. marts 1896, da en berømt fransk videnskabsmand ved et uheld opdagede en mærkelighed i strålingen fra uransalte. Det viste sig, at de fotografiske plader placeret i samme boks med prøven var overeksponeret. Dette blev ført til af den mærkelige, stærkt gennemtrængende stråling, som uran besad. Denne egenskab blev fundet i de tungeste elementer, fuldende periodiske system. Den fik navnet "radioaktivitet".

Indtast radioaktivitetens karakteristika

Denne proces er den spontane transformation af et atom af en isotop af et grundstof til en anden isotop med den samtidige frigivelse af elementære partikler (elektroner, heliumatomers kerner). Omdannelsen af atomer viste sig at være spontan og krævede ikke absorption af energi udefra. Den vigtigste mængde, der karakteriserer processen med energifrigivelse under processen, kaldes aktivitet.

Aktiviteten af en radioaktiv prøve er det sandsynlige antal henfald af en given prøve pr. tidsenhed. Den internationale måleenhed kaldes becquerel (Bq). 1 becquerel er aktiviteten af en prøve, hvor der i gennemsnit sker 1 henfald pr. sekund.

A=λN, hvor λ er henfaldskonstanten, N er antallet af aktive atomer i prøven.

Der er α, β, γ henfald. De tilsvarende ligninger kaldes forskydningsregler:

Tidsinterval i radioaktivitet

Momentet for partikeldisintegration kan ikke bestemmes for dette særlige atom. For ham er dette mere et "uheld" end et mønster. Den energifrigivelse, der karakteriserer denne proces, er defineret som prøvens aktivitet.

Det er blevet bemærket, at det ændrer sig over tid. Selvom enkelte grundstoffer udviser en overraskende konstans i emissionsgraden, er der stoffer, hvis aktivitet falder flere gange over en ret kort periode. Fantastisk variation! Er det muligt at finde et mønster i disse processer?

Det er blevet fastslået, at der er en tid, hvor nøjagtig halvdelen af atomerne i en given prøve gennemgår henfald. Dette tidsinterval kaldes "halveringstiden". Hvad er meningen med at introducere dette koncept?

halvt liv?

Det ser ud til, at i en tid svarende til perioden henfalder nøjagtig halvdelen af alle aktive atomer i en given prøve. Men betyder det, at inden for to halveringstider vil alle aktive atomer henfalde fuldstændigt? Slet ikke. Efter et vist øjeblik forbliver halvdelen af de radioaktive grundstoffer i prøven, efter samme tidsrum henfalder en anden halvdel af de resterende atomer, og så videre. I dette tilfælde forbliver strålingen lang tid, hvilket væsentligt overskrider halveringstiden. Dette betyder, at aktive atomer tilbageholdes i prøven uanset stråling

Halveringstid er en værdi, der udelukkende afhænger af et givent stofs egenskaber. Værdien af mængden er bestemt for mange kendte radioaktive isotoper.

Tabel: "Halveringstid af individuelle isotopers henfald"

Navn	Betegnelse	Type forfald	Halvt liv
			0,001 sekunder


		beta, gamma
		alfa, gamma
		alfa, gamma	4,5 milliarder år

Halveringstiden blev bestemt eksperimentelt. Under laboratorieundersøgelser måles aktivitet gentagne gange. Da laboratorieprøver er af minimal størrelse (forskerens sikkerhed er altafgørende), udføres eksperimentet med forskellige tidsintervaller og gentages mange gange. Det er baseret på mønstret af ændringer i stoffernes aktivitet.

For at bestemme halveringstiden måles aktiviteten af en given prøve i bestemte tidsrum. Under hensyntagen til det faktum, at denne parameter er relateret til antallet af henfaldne atomer, ved hjælp af loven om radioaktivt henfald, bestemmes halveringstiden.

Eksempel på definition af en isotop

Lad antallet af aktive elementer i isotopen under undersøgelse på et givet tidspunkt være lig med N, det tidsinterval, hvor observationen udføres t 2 - t 1, hvor start- og sluttidspunkterne for observationen er ret tæt på. Lad os antage, at n er antallet af atomer, der henfaldt i et givet tidsinterval, så n = KN(t 2 - t 1).

I dette udtryk er K = 0,693/T½ proportionalitetskoefficienten, kaldet henfaldskonstanten. T½ er halveringstiden for isotopen.

Lad os tage tidsintervallet til at være ét. I dette tilfælde angiver K = n/N den del af isotopkernerne, der er til stede, der henfalder pr. tidsenhed.

Ved at kende værdien af henfaldskonstanten kan henfaldshalveringstiden også bestemmes: T½ = 0,693/K.

Det følger heraf, at per tidsenhed ikke et vist antal aktive atomer henfalder, men en vis brøkdel af dem.

Lov om radioaktivt henfald (LDC)

Halveringstiden er grundlaget for ZRR. Mønsteret blev udledt af Frederico Soddi og Ernest Rutherford baseret på resultaterne af eksperimentelle undersøgelser i 1903. Det er overraskende, at gentagne målinger, udført ved hjælp af instrumenter, der var langt fra perfekte, under betingelserne i det tidlige tyvende århundrede, førte til et nøjagtigt og rimeligt resultat. Det blev grundlaget for teorien om radioaktivitet. Lad os udlede en matematisk notation for loven om radioaktivt henfald.

Lad N 0 være antallet af aktive atomer på et givet tidspunkt. Efter tidsintervallet t, vil N elementer forblive uforfaldne.

Ved en tid svarende til halveringstiden vil nøjagtig halvdelen af de aktive grundstoffer være tilbage: N=N 0 /2.

Efter endnu en halveringstid forbliver følgende i prøven: N=N 0 /4=N 0 /2 2 aktive atomer.

Efter en tid svarende til en anden halveringstid vil prøven kun bevare: N=N 0 /8=N 0 /2 3 .

Når n halveringstider er gået, vil N=N0/2n aktive partikler forblive i prøven. I dette udtryk er n=t/T½: forholdet mellem forskningstiden og halveringstiden.

ZRR har et lidt anderledes matematisk udtryk, mere praktisk til at løse problemer: N=N 0 2 - t/ T½.

Mønsteret giver os mulighed for, udover halveringstiden, at bestemme antallet af atomer i den aktive isotop, der ikke er henfaldet på et givet tidspunkt. Ved at kende antallet af atomer i prøven i begyndelsen af observationen, er det efter nogen tid muligt at bestemme levetiden for dette præparat.

Formlen for loven om radioaktivt henfald hjælper kun med at bestemme halveringstiden, hvis visse parametre er tilgængelige: antallet af aktive isotoper i prøven, hvilket er ret svært at finde ud af.

Lovens konsekvenser

ZPP-formlen kan skrives ved hjælp af begreberne aktivitet og masse af lægemiddelatomer.

Aktiviteten er proportional med antallet af radioaktive atomer: A=A 0 ,2 -t/T. I denne formel er A 0 aktiviteten af prøven i det indledende tidspunkt, A er aktiviteten efter t sekunder, T er halveringstiden.

Massen af et stof kan bruges i et mønster: m=m 0 ,2 -t/T

Over et hvilket som helst lige tidsrum henfalder absolut den samme andel af radioaktive atomer, der er til stede i et givet præparat.

Grænser for lovens anvendelighed

Loven er statistisk i enhver forstand og bestemmer de processer, der finder sted i mikrokosmos. Det er klart, at halveringstiden for radioaktive grundstoffer er en statistisk værdi. Den sandsynlige karakter af begivenheder i atomkerner antyder, at en vilkårlig kerne kan falde fra hinanden når som helst. Det er umuligt at forudsige en begivenhed, du kan kun bestemme dens sandsynlighed på et givet tidspunkt. Som en konsekvens er halveringstiden meningsløs:

for et enkelt atom;
for en prøve med minimumsmasse.

Atom levetid

Eksistensen af et atom i dets oprindelige tilstand kan vare et sekund eller måske millioner af år. Der er heller ingen grund til at tale om denne partikels levetid. Ved at indføre en værdi svarende til atomernes gennemsnitlige levetid kan vi tale om eksistensen af atomer i en radioaktiv isotop og konsekvenserne af radioaktivt henfald. Halveringstiden for et atoms kerne afhænger af et givent atoms egenskaber og afhænger ikke af andre mængder.

Er det muligt at løse problemet: hvordan finder man halveringstiden, ved at kende den gennemsnitlige levetid?

Formlen for forholdet mellem et atoms gennemsnitlige levetid og henfaldskonstanten er ikke mindre nyttig til at bestemme halveringstiden.

τ= T 1/2 /ln2= T 1/2 /0,693=1/ λ.

I denne notation er τ den gennemsnitlige levetid, λ er henfaldskonstanten.

Brug af halveringstid

Brugen af ZRR til at bestemme alderen af individuelle prøver blev udbredt i forskningen i slutningen af det tyvende århundrede. Nøjagtigheden af datering af fossile artefakter er forbedret så meget, at det kan give indsigt i levetider, der går årtusinder f.Kr.

Fossile organiske prøver er baseret på ændringer i aktiviteten af kulstof-14 (en radioaktiv isotop af kulstof), der findes i alle organismer. Det kommer ind i en levende organisme i forbindelse med metabolisme og er indeholdt i det en vis koncentration. Efter døden, stofskifte miljø stopper. Koncentrationen af radioaktivt kulstof falder på grund af naturligt henfald, og aktiviteten falder proportionalt.

Hvis der er en sådan værdi som halveringstiden, hjælper formlen for loven om radioaktivt henfald med at bestemme tiden fra det øjeblik, organismen holder op med at fungere.

Radioaktive transformationskæder

Radioaktivitetsundersøgelser blev udført under laboratorieforhold. Radioaktive grundstoffers fantastiske evne til at forblive aktive i timer, dage og endda år kunne ikke andet end at overraske fysikere i begyndelsen af det tyvende århundrede. Forskning, for eksempel på thorium, blev ledsaget af et uventet resultat: i en lukket ampul var dens aktivitet betydelig. Ved det mindste åndedrag faldt hun. Konklusionen var enkel: Omdannelsen af thorium er ledsaget af frigivelse af radon (gas). Alle grundstoffer i radioaktivitetsprocessen omdannes til et helt andet stof, der adskiller sig i både fysiske og kemiske egenskaber. Dette stof er til gengæld også ustabilt. I øjeblikket kendes tre serier af lignende transformationer.

Kendskab til sådanne transformationer er ekstremt vigtigt for at bestemme tidspunktet for utilgængelighed for zoner, der er forurenet under atom- og nuklear forskning eller katastrofer. Halveringstiden for plutonium - afhængig af dets isotop - varierer fra 86 år (Pu 238) til 80 millioner år (Pu 244). Koncentrationen af hver isotop giver en idé om perioden med desinfektion af territoriet.

Det dyreste metal

Det er kendt, at der i vores tid er metaller, der er meget dyrere end guld, sølv og platin. Disse omfatter plutonium. Interessant nok forekommer plutonium skabt under evolutionsprocessen ikke i naturen. De fleste elementer opnås under laboratorieforhold. Drift af plutonium-239 atomreaktorer gav ham muligheden for at blive ekstremt populær i disse dage. At opnå tilstrækkelige mængder af denne isotop til brug i reaktorer gør den praktisk talt uvurderlig.

Plutonium-239 opnås under naturlige forhold som følge af en kæde af transformationer af uranium-239 til neptunium-239 (halveringstid - 56 timer). En lignende kæde gør det muligt at akkumulere plutonium i atomreaktorer. Udseendehastigheden af den nødvendige mængde overstiger den naturlige en milliarder af gange.

Energianvendelser

Vi kan tale meget om kerneenergiens mangler og om menneskehedens "mærkværdigheder", som bruger næsten enhver opdagelse til at ødelægge sin egen slags. Opdagelsen af plutonium-239, som er i stand til at deltage i, gjorde det muligt at bruge det som en kilde til fredelig energi. Uran-235, som er en analog af plutonium, er ekstremt sjælden på jorden at isolere det fra det, end at opnå plutonium.

Jordens alder

Radioisotopanalyse af isotoper af radioaktive elementer giver en mere nøjagtig idé om levetiden for en bestemt prøve.

Ved hjælp af kæden af transformationer "uran - thorium" indeholdt i jordskorpen, gør det muligt at bestemme alderen på vores planet. Procentdelen af disse grundstoffer i gennemsnit over hele jordskorpen er grundlaget for denne metode. Ifølge de seneste data er jordens alder 4,6 milliarder år.

LABORATORIEARBEJDE nr. 19

AT STUDERE LOVEN OM RADIOAKTIVT FORBINDELSE

OG METODER TIL BESKYTTELSE MOD RADIOAKTIV STRÅLING

Målet med arbejdet : 1) undersøgelse af loven om radioaktivt henfald; 2) undersøgelse af loven om absorption af g- og b-stråler af stof.

Jobmål : 1) bestemmelse af lineære absorptionskoefficienter radioaktiv stråling diverse materialer; 2) bestemmelse af tykkelsen af disse materialers halvdæmpningslag; 3) bestemmelse af halveringstiden og henfaldskonstanten for et kemisk grundstof.

Støttemidler : Windows-computer.

TEORETISK DEL

Introduktion

Sammensætning af atomkernen

Kernen i ethvert atom består af to typer partikler - protoner og neutroner. En proton er kernen i det enkleste atom - brint. Den har en positiv ladning, svarende til ladningen af en elektron, og en masse på 1,67 × 10-27 kg. Neutronen, hvis eksistens først blev fastslået i 1932 af englænderen James Chadwick, er elektrisk neutral, og dens masse er næsten den samme som protonens. Neutroner og protoner, som er to bestanddele af atomkernen, kaldes tilsammen nukleoner. Antallet af protoner i en kerne (eller nuklid) kaldes atomnummeret og betegnes med bogstavet Z. Det samlede antal nukleoner, dvs. neutroner og protoner, betegnet med bogstavet A og kaldet massetallet. Kemiske grundstoffer er normalt betegnet med symbolet eller, hvor X er symbolet for det kemiske grundstof.

Radioaktivitet

Fænomenet radioaktivitet består i den spontane (spontane) transformation af kerner i nogle kemiske grundstoffer ind i kernerne af andre grundstoffer, der udsender radioaktiv stråling.

Kerner, der gennemgår et sådant henfald, kaldes radioaktive. Kerner, der ikke gennemgår radioaktivt henfald, kaldes stabile. Under henfaldsprocessen kan både atomnummer Z og massenummer A af kernen ændre sig.

Radioaktive transformationer sker spontant. Hastigheden af deres strømning påvirkes ikke af ændringer i temperatur og tryk, tilstedeværelsen af elektriske og magnetiske felter, typen af kemisk forbindelse af et givet radioaktivt element og dets aggregeringstilstand.

Radioaktivt henfald er karakteriseret ved tidspunktet for dets forekomst, typen og energierne af de udsendte partikler, og når flere partikler udsendes fra kernen, også af de relative vinkler mellem partiklernes emissionsretninger. Historisk set er radioaktivitet den første nukleare proces opdaget af mennesket (A. Becquerel, 1896).

Der skelnes mellem naturlig og kunstig radioaktivitet.

Naturlig radioaktivitet forekommer i ustabile kerner, der eksisterer under naturlige forhold. Kunstig er radioaktiviteten af kerner dannet som et resultat af forskellige nukleare reaktioner. Der er ingen grundlæggende forskel mellem kunstig og naturlig radioaktivitet. De er iboende generelle mønstre.

Fire hovedtyper af radioaktivitet er mulige og faktisk observeret i atomkerner: a-henfald, b-henfald, g-henfald og spontan fission.

Fænomenet a-henfald er, at tunge kerner spontant udsender a-partikler (heliumkerner 2 H 4). I dette tilfælde falder kernens massenummer med fire enheder, og atomnummeret med to:

ZXA® Z-2YA-4 + 2 H4.

a-partiklen består af fire nukleoner: to neutroner og to protoner.

Under processen med radioaktivt henfald kan en kerne udsende ikke kun de partikler, der er en del af den, men også nye partikler, der fødes under henfaldsprocessen. Processer af denne art er b- og g-henfald.

Begrebet b-henfald kombinerer tre typer kernetransformationer: elektron (b -) henfald, positron (b +) henfald og elektronfangst.

Fænomenet b - henfald er, at en kerne spontant udsender en elektron e - og den letteste elektrisk neutrale partikel antineutrino, der passerer ind i en kerne med samme massenummer A, men med et atomnummer Z, men en større end en:

ZXA®Z+1YA+e-+.

Det skal understreges, at den elektron, der udsendes under b - henfald, ikke er relateret til orbitale elektroner. Den fødes inde i selve kernen: en af neutronerne bliver til en proton og udsender samtidig en elektron.

En anden type b-henfald er en proces, hvor en kerne udsender en positron e+ og en anden letteste elektrisk neutral partikel, en neutrino n. I dette tilfælde bliver en af protonerne til en neutron:

Z XA® Z-1 YA + e + +n.

Dette henfald kaldes positron eller b+ henfald.

Udvalget af b-henfaldsfænomener omfatter også elektronindfangning (ofte også kaldet K-fangst), hvor kernen absorberer en af elektronerne i atomskallen (normalt fra K-skallen) og udsender en neutrino. I dette tilfælde, som i positronhenfald, bliver en af protonerne til en neutron:

e-+ZXA®Z-1YA+n.

G-stråling omfatter elektromagnetiske bølger, hvis længde er væsentligt mindre end de interatomare afstande:

hvor d - er i størrelsesordenen 10 -8 cm I det korpuskulære billede er denne stråling en strøm af partikler kaldet g-quanta. Nedre grænse for g-kvante energi

E= 2p s/l

er i størrelsesordenen titusinder af keV. Der er ingen naturlig øvre grænse. Moderne acceleratorer producerer kvanter med energier op til 20 GeV.

En kernes henfald med emission af g - stråling minder på mange måder om emission af fotoner fra exciterede atomer. Som et atom kan kernen være i en exciteret tilstand. Ved overgang til en lavere energitilstand eller grundtilstand udsender kernen en foton. Da g-stråling ikke bærer en ladning, sker der under g-henfald ingen omdannelse af et kemisk grundstof til et andet.

Grundloven om radioaktivt henfald

Radioaktivt henfald er et statistisk fænomen: det er umuligt at forudsige, hvornår en given ustabil kerne vil henfalde, kun nogle sandsynlige domme kan foretages om denne begivenhed. For en stor samling af radioaktive kerner kan der opnås en statistisk lov, der udtrykker afhængigheden af udøde kerner på tid.

Lad kernerne henfalde inden for et tilstrækkeligt kort tidsinterval. Dette tal er proportionalt med tidsintervallet, såvel som det samlede antal radioaktive kerner:

, (1)

hvor er henfaldskonstanten, proportional med sandsynligheden for henfald af den radioaktive kerne og forskellig for forskellige radioaktive stoffer. "-" tegnet er placeret på grund af det faktum, at< 0, так как число не распавшихся радиоактивных ядер убывает со временем.

Lad os adskille variablerne og integrere (1), idet vi tager højde for, at de nedre grænser for integration svarer til begyndelsesbetingelser(ved , hvor er det oprindelige antal radioaktive kerner), og de øverste - til de aktuelle værdier og :

(2)

Potentierende udtryk (3), vi har

Det er, hvad det er grundlæggende lov om radioaktivt henfald: Antallet af udøde radioaktive kerner falder med tiden ifølge en eksponentiel lov.

Figur 1 viser henfaldskurver 1 og 2, svarende til stoffer med forskellige henfaldskonstanter (λ 1 > λ 2), men med det samme startantal af radioaktive kerner. Linje 1 svarer til et mere aktivt element.

I praksis, i stedet for henfaldskonstanten, bruges en anden karakteristik af en radioaktiv isotop oftere - halvt liv . Dette er den tid, hvor halvdelen af de radioaktive kerner henfalder. Naturligvis er denne definition tilstrækkelig gyldig stort antal kerner. Figur 1 viser, hvordan du ved hjælp af kurve 1 og 2 kan finde halveringstider for kerner: Tegn en ret linje parallelt med abscisseaksen gennem ordinatpunktet, indtil den skærer kurverne. Abscissen af skæringspunkterne mellem den rette linje og linje 1 og 2 giver halveringstider T 1 og T 2.

Fænomenet radioaktivitet blev opdaget i 1896 af A. Becquerel, som observerede den spontane emission af ukendt stråling fra uransalte. Snart fastslog E. Rutherford og Curies, at He-kerner (α-partikler), elektroner (β-partikler) og hårde under radioaktivt henfald elektromagnetisk stråling(γ-stråler).

I 1934 blev henfald med emission af positroner (β + -henfald) opdaget, og i 1940 blev en ny type radioaktivitet opdaget - spontan spaltning af kerner: en fissionskerne falder fra hinanden i to fragmenter med sammenlignelig masse med den samtidige emission af neutroner og γ - kvantum. Protonradioaktivitet af kerner blev observeret i 1982. Der er således følgende typer radioaktivt henfald: α-henfald; -henfald; - henfald; e - capture.

Radioaktivitet- nogle atomkernes evne til spontant (spontant) at omdanne sig til andre kerner med emission af partikler.

Atomkerner er opbygget af protoner og neutroner, som har et generelt navn - nukleoner. Antallet af protoner i kernen bestemmer Kemiske egenskaber atom og betegnes Z (serienummer element). Antal nukleoner i kernen kaldes massetal og betegne EN. Kerner med samme serienummer og forskellige massetal kaldes isotoper. Alle isotoper af et kemisk grundstof har de samme kemiske egenskaber, men fysiske egenskaber kan variere meget. For at udpege isotoper skal du bruge symbolet for et kemisk grundstof med to indekser: A Z X. Det nederste indeks er serienummeret, det øverste indeks er massenummeret. Ofte udelades sænkningen, fordi den er angivet med selve elementets symbol.

For eksempel skriver de 14 C i stedet for 14 6 C.

En kernes evne til at henfalde afhænger af dens sammensætning. Det samme grundstof kan have både stabile og radioaktive isotoper.

For eksempel er kulstofisotopen 12 C stabil, men isotopen 14 C er radioaktiv.

Radioaktivt henfald er et statistisk fænomen. En isotops evne til at henfalde er karakteriseret ved henfaldskonstanten λ.

Henfaldskonstanten λ er sandsynligheden for, at kernen i en given isotop vil henfalde pr. tidsenhed.

Lad os betegne antallet N af radioaktive henfaldskerner på tidspunktet t, dN 1 - antallet af kerner, der henfalder i tiden dt. Da antallet af kerner i stof er enormt, er loven opfyldt store tal. Sandsynligheden for nuklear henfald på kort tid dt findes ved formlen dP = λdt. Frekvensen er lig med sandsynligheden: d N 1 / N = dP = λdt. d N 1 / N = λdt- en formel, der bestemmer antallet af henfaldne kerner.

Løsningen til ligningen er: , - formlen kaldes loven om radioaktivt henfald: Antallet af radioaktive kerner falder med tiden ifølge en eksponentiel lov.

Her er N antallet af udøde kerner på tidspunktet t; N o - det indledende antal af udøde kerner; λ er den radioaktive henfaldskonstant.

I praksis er det ikke henfaldskonstanten, der bruges λ , og den opkaldte mængde halveringstid T.

Halveringstid (T) er den tid, hvor halvdelen af de radioaktive kerner henfalder.

Lov om radioaktivt henfald gennem perioden halveringstid (T) har formen:

Forholdet mellem halveringstid og henfaldskonstant er givet ved formlen: T = ln(2/λ) = 0,69/λ

Halveringstiden kan enten være meget lang eller meget kort.

For at vurdere aktivitetsgraden af en radioaktiv isotop bruges en mængde kaldet aktivitet.

Aktivitetsantallet af kerner i et radioaktivt lægemiddel henfalder pr. tidsenhed: A = dN henfald /dt

SI-enheden for aktivitet er 1 becquerel (Bq) = 1 desintegration/s - aktiviteten af et lægemiddel, hvor der sker 1 desintegration på 1 s. En større aktivitetsenhed er 1 rutherford (Rd) = Bq. En aktivitetsenhed uden for systemet bruges ofte - curie (Ci), svarende til aktiviteten af 1 g radium: 1 Ci = 3,7 Bq.

Over tid falder aktiviteten ifølge den samme eksponentielle lov, ifølge hvilken selve radionuklidet henfalder:

= .
I praksis bruges formlen til at beregne aktivitet:

A = = λN = 0,693 N/T.

Hvis vi udtrykker antallet af atomer gennem masse og masse, vil formlen for beregning af aktivitet have formen: A = = 0,693 (μT)

hvor er Avogadros nummer; μ - molær masse.

1. Radioaktivitet. Den grundlæggende lov om radioaktivt henfald. Aktivitet.

2. Hovedtyper af radioaktivt henfald.

3. Kvantitative karakteristika for samspillet mellem ioniserende stråling og stof.

4. Naturlig og kunstig radioaktivitet. Radioaktiv serie.

5. Brug af radionuklider i medicin.

6. Acceleratorer af ladede partikler og deres anvendelse i medicin.

7. Biofysisk grundlag for virkningen af ioniserende stråling.

8. Grundlæggende begreber og formler.

9. Opgaver.

Lægernes interesse for naturlig og kunstig radioaktivitet skyldes følgende.

For det første er alle levende ting konstant udsat for naturlig baggrundsstråling, som udgør kosmisk stråling, stråling af radioaktive elementer placeret i overfladelagene af jordskorpen og stråling af elementer, der trænger ind i dyrs krop sammen med luft og mad.

For det andet anvendes radioaktiv stråling i selve medicinen til diagnostiske og terapeutiske formål.

33,1. Radioaktivitet. Den grundlæggende lov om radioaktivt henfald. Aktivitet

Fænomenet radioaktivitet blev opdaget i 1896 af A. Becquerel, som observerede den spontane emission af ukendt stråling fra uransalte. Snart konstaterede E. Rutherford og Curies, at der under radioaktivt henfald udsendes He-kerner (α-partikler), elektroner (β-partikler) og hård elektromagnetisk stråling (γ-stråler).

Radioaktivitet - nogle atomkernes evne til spontant (spontant) at omdanne sig til andre kerner med emission af partikler.

Atomkerner består af protoner og neutroner, som har et generelt navn - nukleoner. Antallet af protoner i kernen bestemmer atomets kemiske egenskaber og er angivet med Z (dette er serienummer kemisk grundstof). Antallet af nukleoner i en kerne kaldes massetal og betegne A. Kerner med samme atomnummer og forskellige massetal kaldes isotoper. Alle isotoper af et kemisk grundstof har det samme Kemiske egenskaber. Fysiske egenskaber isotoper kan variere meget. For at udpege isotoper skal du bruge symbolet for et kemisk grundstof med to indekser: A Z X. Det nederste indeks er serienummeret, det øverste indeks er massenummeret. Ofte udelades sænkningen, fordi den er angivet med selve elementets symbol. For eksempel skriver de 14 C i stedet for 14 6 C.

En kernes evne til at henfalde afhænger af dens sammensætning. Det samme grundstof kan have både stabile og radioaktive isotoper. For eksempel er kulstofisotopen 12 C stabil, men isotopen 14 C er radioaktiv.

Radioaktivt henfald er et statistisk fænomen. En isotops evne til at henfalde kendetegner henfaldskonstantλ.

Forfaldskonstant- sandsynligheden for, at kernen i en given isotop henfalder pr. tidsenhed.

Sandsynligheden for nukleart henfald på kort tid dt findes ved formlen

Under hensyntagen til formel (33.1) får vi et udtryk, der bestemmer antallet af henfaldne kerner:

Formel (33.3) kaldes den vigtigste lov om radioaktivt henfald.

Antallet af radioaktive kerner falder med tiden ifølge en eksponentiel lov.

I praksis i stedet henfaldskonstantλ en anden mængde bruges ofte, kaldet halvt liv.

Halvt liv(T) - tid, hvor den henfalder halvt radioaktive kerner.

Loven om radioaktivt henfald ved hjælp af halveringstid er skrevet som følger:

Grafen for afhængighed (33.4) er vist i fig. 33,1.

Halveringstiden kan være meget lang eller meget kort (fra brøkdele af et sekund til mange milliarder år). I tabel Figur 33.1 viser halveringstider for nogle elementer.

Ris. 33,1. Fald i antallet af kerner af det oprindelige stof under radioaktivt henfald

Tabel 33.1. Halveringstid for nogle elementer

For sats grad af radioaktivitet isotop bruge en særlig mængde kaldet aktivitet.

Aktivitet - antal kerner i et radioaktivt lægemiddel, der henfalder pr. tidsenhed:

SI-enheden for aktivitet er becquerel(Bq), 1 Bq svarer til én henfaldsbegivenhed pr. sekund. I praksis mere

barnlig ikke-systemisk aktivitetsenhed - curie(Ci), lig med aktiviteten af 1 g 226 Ra: 1 Ci = 3,7x10 10 Bq.

Over tid falder aktiviteten på samme måde, som antallet af udøde kerner falder:

33,2. Hovedtyper af radioaktivt henfald

I processen med at studere fænomenet radioaktivitet blev 3 typer stråler udsendt af radioaktive kerner opdaget, som blev kaldt α-, β- og γ-stråler. Senere blev det fundet, at α- og β-partikler er produkter af to forskellige typer radioaktivt henfald, og γ-stråler er et biprodukt af disse processer. Derudover ledsager γ-stråler også mere komplekse nukleare transformationer, som ikke tages i betragtning her.

Alfa henfald består i den spontane transformation af kerner med emissionenα -partikler (heliumkerner).

α-henfaldsskemaet skrives som

hvor X, Y er symbolerne for henholdsvis mor- og datterkernerne. Når du skriver α-henfald, kan du skrive "Han" i stedet for "α".

Under dette henfald falder grundstoffets atomnummer Z med 2, og massetallet A falder med 4.

Under α-henfald dannes datterkernen som regel i en exciteret tilstand og udsender ved overgang til grundtilstand et y-kvante. Den generelle egenskab ved komplekse mikroobjekter er, at de har diskret sæt energitilstande. Dette gælder også for kerner. Derfor har y-stråling fra exciterede kerner et diskret spektrum. Følgelig er energispektret af α-partikler diskret.

Energien af udsendte α-partikler for næsten alle α-aktive isotoper ligger i området 4-9 MeV.

Beta-forfald består i den spontane transformation af kerner med emission af elektroner (eller positroner).

Det er blevet fastslået, at β-henfald altid ledsages af emission af en neutral partikel - en neutrino (eller antineutrino). Denne partikel interagerer praktisk talt ikke med stof og vil ikke blive behandlet yderligere. Den energi, der frigives under beta-henfald, fordeles tilfældigt mellem beta-partiklen og neutrinoen. Derfor er energispektret for β-stråling kontinuerligt (fig. 33.2).

Ris. 33,2. Energispektrum for β-henfald

Der er to typer af β-henfald.

1. Elektroniskβ - -henfald består af omdannelsen af en nuklear neutron til en proton og en elektron. I dette tilfælde vises en anden partikel ν" - en antineutrino:

En elektron og en antineutrino flyver ud af kernen. Elektron β - henfaldsskemaet er skrevet i formen

Under elektronisk β-henfald stiger Z-elementets ordensnummer med 1, men massetallet A ændres ikke.

Energien af β-partikler ligger i området 0,002-2,3 MeV.

2. Positroniskβ + -henfald involverer transformationen af en nuklear proton til en neutron og en positron. I dette tilfælde vises en anden partikel ν - en neutrino:

Elektronfangst i sig selv producerer ikke ioniserende partikler, men det gør det ledsaget af røntgenstråling. Denne stråling opstår, når det rum, der forlades ved absorption af en indre elektron, fyldes af en elektron fra den ydre bane.

Gammastråling har en elektromagnetisk karakter og repræsenterer fotoner med en bølgelængdeλ ≤ 10 -10 m.

Gammastråling er ikke en selvstændig art Radioaktivt henfald. Stråling af denne type ledsager næsten altid ikke kun α-henfald og β-henfald, men også mere kompleks nukleare reaktioner. Det afbøjes ikke af elektriske og magnetiske felter, har en relativt svag ioniserende og meget høj gennemtrængningsevne.

33,3. Kvantitative karakteristika for samspillet mellem ioniserende stråling og stof

Påvirkningen af radioaktiv stråling på levende organismer er forbundet med ionisering, som det forårsager i væv. En partikels evne til at ionisere afhænger både af dens type og dens energi. Når en partikel bevæger sig dybere ind i stoffet, mister den sin energi. Denne proces kaldes ioniseringsinhibering.

Til kvantitative egenskaber Til interaktionen mellem en ladet partikel og stof bruges flere mængder:

Når først partiklens energi falder til under ioniseringsenergien, ophører dens ioniserende virkning.

Gennemsnitlig lineær kilometertal(R) af en ladet ioniserende partikel - den vej den tilbagelagt i et stof, før den mistede sin ioniserende evne.

Lad os se på nogle egenskaber interaktioner mellem forskellige typer stråling med stof.

Alfa-stråling

Alfa-partiklen afviger praktisk talt ikke fra dens begyndelsesretning, da dens masse er mange gange større

Ris. 33,3. Afhængighed af lineær ioniseringstæthed af den vej, som en α-partikel tilbagelægger i mediet

massen af elektronen, som den interagerer med. Da det trænger dybt ind i stoffet, øges først ioniseringstætheden, og hvornår afslutning af kørslen (x = R) falder kraftigt til nul (fig. 33.3). Dette forklares ved, at når bevægelseshastigheden falder, øges den tid, den tilbringer i nærheden af et molekyle (atom) i mediet. Sandsynligheden for ionisering stiger i dette tilfælde. Efter at α-partiklens energi bliver sammenlignelig med energien fra molekylær termisk bevægelse, fanger den to elektroner i stoffet og bliver til et heliumatom.

Elektroner dannet under ioniseringsprocessen bevæger sig som regel væk fra α-partikelsporet og forårsager sekundær ionisering.

Karakteristika for interaktionen af a-partikler med vand og blødt væv er vist i tabel. 33,2.

Tabel 33.2. Afhængighed af karakteristika for interaktion med stof af energien af α-partikler

Betastråling

Til bevægelse β -partikler i stof er kendetegnet ved en krumt uforudsigelig bane. Dette skyldes ligheden mellem masserne af interagerende partikler.

Interaktionskarakteristika β -partikler med vand og blødt væv er præsenteret i tabel. 33,3.

Tabel 33.3. Afhængighed af karakteristika for interaktion med stof af energien af β-partikler

Ligesom α-partikler øges ioniseringsevnen af β-partikler med faldende energi.

Gammastråling

Absorption γ - stråling fra stof adlyder en eksponentiel lov svarende til loven om absorption af røntgenstråling:

De vigtigste processer, der er ansvarlige for absorption γ -stråling er den fotoelektriske effekt og Compton spredning. I dette tilfælde en relativt en lille mængde frie elektroner (primær ionisering), som har meget høj energi. De forårsager processer med sekundær ionisering, som er uforlignelig højere end den primære.

33,4. Naturlig og kunstig

radioaktivitet. Radioaktiv serie

Betingelser naturlig Og kunstig radioaktivitet er betinget.

Naturlig kaldet radioaktiviteten af isotoper, der findes i naturen, eller radioaktiviteten af isotoper dannet som følge af naturlige processer.

For eksempel er radioaktiviteten af uran naturlig. Radioaktiviteten af kulstof 14 C, som dannes i øverste lag atmosfære under påvirkning af solstråling.

Kunstig kaldet radioaktivitet af isotoper, der opstår som følge af menneskelig aktivitet.

Dette er radioaktiviteten af alle isotoper produceret i partikelacceleratorer. Dette omfatter også den radioaktivitet af jord, vand og luft, der opstår under en atomeksplosion.

Naturlig radioaktivitet

I indledende periode for at studere radioaktivitet kunne forskere kun bruge naturlige radionuklider (radioaktive isotoper) indeholdt i jordsten i tilstrækkelige mængder store mængder: 232 Th, 235 U, 238 U. Tre radioaktive serier begynder med disse radionuklider, der ender med stabile isotoper Pb. Efterfølgende blev en serie opdaget startende fra 237 Np, med den endelige stabile kerne 209 Bi. I fig. Figur 33.4 viser rækken, der starter med 238 U.

Ris. 33,4. Uran-radium serien

Elementer i denne serie er hovedkilden til intern menneskelig stråling. For eksempel kommer 210 Pb og 210 Po ind i kroppen med mad - de er koncentreret i fisk og skaldyr. Begge disse isotoper akkumuleres i laver og er derfor til stede i kød rensdyr. Den mest betydningsfulde af alle naturlige strålingskilder er 222 Rn - en tung inert gas, der er et resultat af henfaldet af 226 Ra. Det tegner sig for omkring halvdelen af den dosis af naturlig stråling, der modtages af mennesker. Dannet i jordskorpen siver denne gas ind i atmosfæren og kommer ind i vandet (den er meget opløselig).

Den radioaktive isotop af kalium 40 K er konstant til stede i jordskorpen, som er en del af naturligt kalium (0,0119%). Fra jorden kommer dette element ind gennem planternes rodsystem og med planteføde (korn, friske grøntsager og frugter, svampe) ind i kroppen.

En anden kilde til naturlig stråling er kosmisk stråling (15%). Dens intensitet stiger i bjergrige områder på grund af et fald i atmosfærens beskyttende virkning. Kilder til naturlig baggrundsstråling er anført i tabel. 33,4.

Tabel 33.4. Komponent af naturlig radioaktiv baggrund

33,5. Brug af radionuklider i medicin

Radionuklider kaldes radioaktive isotoper af kemiske grundstoffer med kort halveringstid. Sådanne isotoper findes ikke i naturen, så de opnås kunstigt. I moderne medicin anvendes radionuklider i vid udstrækning til diagnostiske og terapeutiske formål.

Diagnostisk applikation baseret på selektiv akkumulering af visse kemiske grundstoffer af individuelle organer. Jod er for eksempel koncentreret i skjoldbruskkirtlen og calcium i knoglerne.

Indførelsen af radioisotoper af disse elementer i kroppen gør det muligt at detektere områder af deres koncentration ved radioaktiv stråling og dermed opnå vigtig diagnostisk information. Denne diagnostiske metode kaldes ved den mærkede atom-metode.

Terapeutisk brug radionuklider er baseret på den destruktive effekt af ioniserende stråling på tumorceller.

1. Gamma terapi- brug af højenergi γ-stråling (60 Co-kilde) til at ødelægge dybtliggende tumorer. For at forhindre overfladiske væv og organer i at blive udsat for skadelige virkninger udføres eksponering for ioniserende stråling i forskellige sessioner i forskellige retninger.

2. Alfa terapi- terapeutisk anvendelse af α-partikler. Disse partikler har en betydelig lineær ioniseringstæthed og absorberes selv af et lille luftlag. Derfor terapeutisk

Anvendelsen af alfastråler er mulig gennem direkte kontakt med organets overflade eller ved intern administration (ved hjælp af en nål). Til overfladeeksponering anvendes radonterapi (222 Rn): eksponering for huden (bade), fordøjelsesorganer (drikning) og åndedrætsorganer (indånding).

I nogle tilfælde medicinsk brug α -partikler er forbundet med brugen af neutronflux. Med denne metode indføres først elementer i vævet (tumoren), hvis kerner under påvirkning af neutroner udsender α -partikler. Herefter bestråles det syge organ med en strøm af neutroner. På denne måde α -partikler dannes direkte inde i organet, som de skulle have en ødelæggende effekt på.

Tabel 33.5 viser karakteristika for nogle radionuklider, der anvendes i medicin.

Tabel 33.5. Karakteristika for isotoper

33,6. Ladede partikelacceleratorer og deres anvendelse i medicin

Accelerator- en installation, hvor der under påvirkning af elektriske og magnetiske felter frembringes rettede stråler af ladede partikler med høj energi (fra hundredvis af keV til hundredvis af GeV).

Acceleratorer skaber smal stråler af partikler med en given energi og lille tværsnit. Dette giver dig mulighed for at yde instrueret indvirkning på bestrålede genstande.

Brug af acceleratorer i medicin

Elektron- og protonacceleratorer bruges i medicin til strålebehandling og diagnostik. I dette tilfælde anvendes både selve de accelererede partikler og den medfølgende røntgenstråling.

Bremsstrahlung røntgenbilleder opnås ved at rette en stråle af partikler til et særligt mål, som er kilden til røntgenstråler. Denne stråling adskiller sig fra røntgenrøret ved væsentligt højere kvanteenergi.

Synkrotron røntgenstråler opstår under accelerationen af elektroner i ringacceleratorer - synkrotroner. Sådan stråling har en høj grad af retningsbestemthed.

Den direkte effekt af hurtige partikler er forbundet med deres høje penetreringsevne. Sådanne partikler passerer gennem overfladiske væv uden at forårsage alvorlig skade og har en ioniserende effekt ved slutningen af deres rejse. Ved at vælge den passende partikelenergi er det muligt at ødelægge tumorer i en given dybde.

Anvendelsesområderne for acceleratorer i medicin er vist i tabel. 33,6.

Tabel 33.6. Anvendelse af acceleratorer i terapi og diagnostik

33,7. Biofysisk grundlag for virkningen af ioniserende stråling

Som nævnt ovenfor er påvirkningen af radioaktiv stråling på biologiske systemer forbundet med ionisering af molekyler. Processen med interaktion af stråling med celler kan opdeles i tre på hinanden følgende stadier (stadier).

1. Fysisk fase består af energioverførsel stråling til molekyler i et biologisk system, hvilket resulterer i deres ionisering og excitation. Varigheden af denne fase er 10 -16 -10 -13 s.

2. Fysisk-kemiske scenen består af forskellige slags reaktioner, der fører til omfordeling af overskydende energi af exciterede molekyler og ioner. Som et resultat meget aktiv

produkter: radikaler og nye ioner med en lang række kemiske egenskaber.

Varigheden af denne fase er 10 -13 -10 -10 s.

3. Kemisk fase - dette er vekselvirkningen mellem radikaler og ioner med hinanden og med omgivende molekyler. På dette stadium dannes strukturelle skader af forskellige typer, hvilket fører til ændringer i biologiske egenskaber: membranernes struktur og funktioner er forstyrret; læsioner forekommer i DNA- og RNA-molekyler.

Varigheden af det kemiske stadie er 10 -6 -10 -3 s.

4. Biologisk stadium. På dette stadium fører beskadigelse af molekyler og subcellulære strukturer til forskellige funktionelle lidelser, til for tidlig celledød som følge af virkningen af apoptotiske mekanismer eller på grund af nekrose. Skader modtaget på det biologiske stadium kan arves.

Varigheden af det biologiske stadie varierer fra flere minutter til snesevis af år.

Lad os bemærke de generelle mønstre i det biologiske stadium:

Store forstyrrelser med lavt absorberet energi (en dødelig dosis stråling for mennesker får kroppen til at varme op med kun 0,001°C);

Virkning på efterfølgende generationer gennem cellens arvelige apparat;

Karakteriseret af en skjult, latent periode;

Forskellige dele af celler har forskellig følsomhed over for stråling;

Først og fremmest påvirkes delende celler, hvilket er særligt farligt for et barns krop;

Skadelig virkning på væv i en voksen organisme, hvor der er opdeling;

Ligheden af stråling ændres med patologien af tidlig aldring.

33,8. Grundlæggende begreber og formler

Bordfortsættelse

33,9. Opgaver

1. Hvad er stoffets aktivitet, hvis 10.000 kerner af dette stof henfalder inden for 10 minutter?

4. Alderen af gamle træprøver kan tilnærmelsesvis bestemmes af den specifikke masseaktivitet af 14 6 C isotopen i dem. Hvor mange år siden blev træet fældet, der blev brugt til at lave en genstand, hvis den specifikke masseaktivitet af kulstof i det er 75 % af den specifikke masseaktivitet af det voksende træ? Halveringstiden for radon er T = 5570 år.

9. Efter Tjernobyl-ulykken var jordforurening med radioaktivt cæsium-137 nogle steder på niveauet 45 Ci/km 2 .

Efter hvor mange år vil aktiviteten på disse steder falde til et relativt sikkert niveau på 5 Ci/km 2? Halveringstiden for cæsium-137 er T = 30 år.

10. Den tilladte aktivitet af jod-131 i den menneskelige skjoldbruskkirtel bør ikke være mere end 5 nCi. Hos nogle mennesker, der var i Tjernobyl-katastrofezonen, nåede aktiviteten af jod-131 800 nCi. Efter hvor mange dage faldt aktiviteten til normal? Halveringstiden for jod-131 er 8 dage.

11. For at bestemme et dyrs blodvolumen anvendes følgende metode. Et lille volumen blod udtages fra dyret, røde blodlegemer skilles fra plasmaet og placeres i en opløsning med radioaktivt fosfor, som optages af de røde blodlegemer. De mærkede røde blodlegemer genindføres i dyrets kredsløb, og efter nogen tid bestemmes blodprøvens aktivitet.

ΔV = 1 ml af en sådan opløsning blev injiceret i blodet af et dyr. Den indledende aktivitet af dette volumen var lig med A 0 = 7000 Bq. Aktiviteten af 1 ml blod taget fra et dyrs vene en dag senere var lig med 38 pulser pr. minut. Bestem dyrets blodvolumen, hvis halveringstiden for radioaktivt fosfor er T = 14,3 dage.

Under Radioaktivt henfald, eller simpelthen opløsning, forstå den naturlige radioaktive transformation af kerner, som sker spontant. En atomkerne, der gennemgår radioaktivt henfald, kaldes moderlig, den nye kerne - datterselskaber.

Teorien om radioaktivt henfald er baseret på den antagelse, at radioaktivt henfald er en spontan proces, der adlyder statistikkens love. Da individuelle radioaktive kerner henfalder uafhængigt af hinanden, kan vi antage, at antallet af kerner d N, henfaldt i gennemsnit i tidsintervallet fra t Før t + dt, proportionalt med tidsperioden dt og nummer N udøde kerner på det tidspunkt t:

hvor er en konstant for en given radioaktivt stof opkaldt mængde radioaktivt henfaldskonstant; minustegnet angiver det samlet antal radioaktive kerner falder under henfaldsprocessen.

Ved at adskille variablerne og integrere, dvs.

(256.2)

hvor er det indledende antal af udøde kerner (på tidspunktet t = 0), N- antallet af udøde kerner ad gangen t. Formel (256.2) udtrykker lov om radioaktivt henfald, ifølge hvilken antallet af udøde kerner falder eksponentielt med tiden.

Intensiteten af den radioaktive henfaldsproces er karakteriseret ved to størrelser: halveringstiden og den gennemsnitlige levetid for den radioaktive kerne. Halvt liv- den tid, hvor det oprindelige antal radioaktive kerner i gennemsnit halveres. Derefter, ifølge (256.2),

Halveringstider for naturligt radioaktive grundstoffer varierer fra ti milliontedele af et sekund til mange milliarder år.

Samlet forventet levetid dN kerner er lig med . Efter at have integreret dette udtryk over alt muligt t(dvs. fra 0 til ) og dividere med det oprindelige antal kerner, får vi gennemsnitlig levetid radioaktiv kerne:

(hensynet til (256.2)). Således er den gennemsnitlige levetid for en radioaktiv kerne den gensidige af den radioaktive henfaldskonstant.

Aktivitet EN nuklid (almindeligt navn atomkerner, der adskiller sig i antallet af protoner Z og neutroner N) V radioaktiv kilde er antallet af henfald, der forekommer med kernerne i en prøve på 1 s:

(256.3)

SI-enheden for aktivitet er becquerel(Bq): 1 Bq - aktivitet af et nuklid, hvor én henfaldsbegivenhed sker på 1 s. Stadig inde kernefysik En aktivitetsenhed uden for systemet af et nuklid i en radioaktiv kilde bruges også - curie(Ci): 1 Ci = 3,7 x 1010 Bq. Radioaktivt henfald sker i overensstemmelse med den såkaldte forskydningsregler, hvilket giver os mulighed for at fastslå, hvilken kerne der opstår som følge af henfaldet af en given moderkerne. Offset regler:

Til -henfald

(256.4)

Til -henfald

(256.5)

hvor er moderkernen, Y er symbolet for datterkernen, er heliumkernen (-partikel), er den symbolske betegnelse for elektronen (dens ladning er –1 og dens massetal er nul). Forskydningsreglerne er intet andet end en konsekvens af to love, der gælder under radioaktive henfald - bevarelsen af elektrisk ladning og bevarelsen af massetal: summen af ladningerne (massetallene) af de resulterende kerner og partikler er lig med ladningen (massetal) af den oprindelige kerne.

Kerner som følge af radioaktivt henfald kan til gengæld være radioaktive. Dette fører til fremkomsten kæder, eller række, radioaktive transformationer slutter med et stabilt element. Det sæt af elementer, der danner en sådan kæde, kaldes radioaktiv familie.

Af forskydningsreglerne (256.4) og (256.5) følger, at massetallet under -henfald falder med 4, men ændres ikke under -henfald. Derfor, for alle kerner af den samme radioaktive familie, er resten, når man dividerer massetallet med 4, den samme. Der er således fire forskellige radioaktive familier, for hver af disse er massetallene givet ved en af følgende formler:

EN = 4n, 4n+1, 4n+2, 4n+3,

Hvor P- hel positivt tal. Familier er navngivet efter den længstlevende (med den længste halveringstid) "forfader": familierne thorium (fra), neptunium (fra), uran (fra) og søanemone (fra). De endelige nuklider er henholdsvis , , , , dvs. den eneste familie af neptunium (kunstigt radioaktive kerner) ender med et nuklid Bi, og alle de øvrige (naturligt radioaktive kerner) er nuklider Pb.

§ 257. Forfaldslove

I øjeblikket kendes mere end to hundrede aktive kerner, hovedsageligt tunge ( EN > 200, Z> 82). Kun en lille gruppe af -aktive kerner forekommer i områder med EN= 140 ¸ 160 ( sjældne jordarter). -Dekomponering overholder forskydningsreglen (256.4). Et eksempel på -henfald er henfaldet af en isotop af uran med formationen Th:

Hastigheden af partikler, der udsendes under henfald, er meget høj og varierer for forskellige kerner fra 1,4 × 10 7 til 2 × 10 7 m/s, hvilket svarer til energier fra 4 til 8,8 MeV. Ifølge moderne begreber dannes -partikler i øjeblikket med radioaktivt henfald, når to protoner og to neutroner, der bevæger sig inde i kernen, mødes.

Partikler udsendt af en specifik kerne har normalt en vis energi. Mere subtile målinger har dog vist, at energispektret af -partikler, der udsendes af et givet radioaktivt grundstof, udviser en "fin struktur", det vil sige, at flere grupper af -partikler udsendes, og inden for hver gruppe er deres energier praktisk talt konstante. Det diskrete spektrum af -partikler indikerer, at atomkerner har diskrete energiniveauer.

-henfald er karakteriseret ved en stærk sammenhæng mellem halveringstid og energi E flyvende partikler. Dette forhold bestemmes empirisk Geiger-Nattall lov(1912) (D. Nattall (1890-1958) - engelsk fysiker, H. Geiger (1882-1945) - tysk fysiker), hvilket normalt udtrykkes som en sammenhæng mellem kilometertal(den afstand tilbagelagt af en partikel i et stof, før det stopper helt) - partikler i luften og den radioaktive henfaldskonstant:

(257.1)

Hvor EN Og I- empiriske konstanter, . Ifølge (257.1), jo kortere halveringstid et radioaktivt grundstof er, jo større rækkevidde og derfor energien af de partikler, der udsendes af det. Rækken af partikler i luften (kl normale forhold) er flere centimeter; i tættere medier er det meget mindre, svarende til hundrededele af en millimeter (-partikler kan tilbageholdes med et almindeligt ark papir).

Rutherfords eksperimenter med spredning af -partikler på urankerner viste, at -partikler op til en energi på 8,8 MeV oplever Rutherford-spredning på kerner, det vil sige, at kræfterne, der virker på -partikler fra kernerne, er beskrevet af Coulombs lov. Denne type spredning af -partikler indikerer, at de endnu ikke er kommet ind i kernekræfternes virkningsområde, dvs. vi kan konkludere, at kernen er omgivet af en potentiel barriere, hvis højde ikke er mindre end 8,8 MeV. På den anden side har -partikler udsendt af uran en energi på 4,2 MeV. Følgelig flyver -partikler ud fra den -radioaktive kerne med en energi mærkbart lavere end højden af den potentielle barriere. Klassisk mekanik kunne ikke forklare dette resultat.

En forklaring på -henfald gives af kvantemekanikken, ifølge hvilken undslippet af en -partikel fra kernen er mulig på grund af tunneleffekten (se §221) - penetration af en -partikel gennem en potentiel barriere. Der er altid en ikke-nul sandsynlighed for, at en partikel med en energi mindre end højden af den potentielle barriere vil passere gennem den, dvs. partikler kan faktisk flyve ud af en radioaktiv kerne med en energi mindre end højden af den potentielle barriere . Denne effekt skyldes udelukkende bølgenaturen af -partikler.

Sandsynligheden for, at en partikel passerer gennem en potentiel barriere, bestemmes af dens form og beregnes ud fra Schrödinger-ligningen. I det enkleste tilfælde af en potentiel barriere med rektangulære lodrette vægge (se fig. 298, EN) gennemsigtighedskoefficienten, som bestemmer sandsynligheden for at passere gennem den, bestemmes af den tidligere diskuterede formel (221.7):

Ved at analysere dette udtryk ser vi, at gennemsigtighedskoefficienten D jo længere (derfor, jo kortere halveringstid) jo mindre i højden ( U) og bredde ( l) barrieren er i vejen for -partiklen. Derudover, med den samme potentialkurve, jo større energi partiklen har, jo mindre er barrieren for dens vej. E. Geiger-Nattall-loven er således kvalitativt bekræftet (se (257.1)).

§ 258. -Desintegration. Neutrino

Fænomenet -decay (i fremtiden vil det vise sig, at der er og (-decay) adlyder forskydningsreglen (256.5)

og er forbundet med frigivelsen af en elektron. Vi måtte overvinde en række vanskeligheder med fortolkningen af forfald.

Først var det nødvendigt at underbygge oprindelsen af de elektroner, der blev udsendt under henfaldsprocessen. Kernens proton-neutronstruktur udelukker muligheden for, at en elektron kan undslippe fra kernen, da der ikke er nogen elektroner i kernen. Antagelsen er, at elektroner ikke flyver ud fra kernen, men fra elektronskal, er uholdbar, da optisk eller røntgenstråling skal observeres, hvilket ikke bekræftes af eksperimenter.

For det andet var det nødvendigt at forklare kontinuiteten af energispektret af udsendte elektroner (energifordelingskurven for -partikler, der er typisk for alle isotoper, er vist i fig. 343).

Hvordan kan aktive kerner, som har veldefinerede energier før og efter henfald, udsende elektroner med energiværdier fra nul til et vist maksimum? Det vil sige, at energispektret af udsendte elektroner er kontinuerligt? Hypotesen om, at elektroner under henfald forlader kernen med strengt definerede energier, men som et resultat af nogle sekundære vekselvirkninger mister de en eller anden del af deres energi, så deres oprindelige diskrete spektrum bliver til et kontinuerligt, blev tilbagevist af direkte kalorimetri. eksperimenter. Da den maksimale energi er bestemt af forskellen i masserne af mor- og datterkernerne, henfalder derefter elektronenergien< , как бы протекают с нарушением закона сохранения энергии. Н. Бор даже пытался обосновать это нарушение, высказывая предположение, что закон сохранения энергии носит статистический характер и выполняется лишь в среднем для большого числа элементарных процессов. Отсюда видно, насколько принципиально важно было разрешить это затруднение.

For det tredje var det nødvendigt at beskæftige sig med spin-ikke-konservering under -henfald. Under -henfald ændres antallet af nukleoner i kernen ikke (da massetallet ikke ændres EN), derfor kernens spin, som er lig med et heltal for lige EN og halvt heltal for ulige EN. Frigivelsen af en elektron med spin /2 skulle dog ændre kernens spin med mængden /2.

De sidste to vanskeligheder førte W. Pauli til den hypotese (1931), at der under -henfald udsendes en anden neutral partikel sammen med elektronen - neutrino. Neutrinoen har nul ladning, spin /2 og nul (eller rettere< 10 -4 ) массу покоя; обозначается . Впоследствии оказалось, что при - henfald, er det ikke neutrinoer, der udsendes, men antineutrino(antipartikel i forhold til neutrinoer; betegnet med ).

Hypotesen om eksistensen af neutrinoer tillod E. Fermi at skabe teorien om -henfald (1934), som stort set har bevaret sin betydning den dag i dag, selvom eksistensen af neutrinoer blev eksperimentelt bevist mere end 20 år senere (1956). En så lang "søgning" efter neutrinoer er forbundet med store vanskeligheder på grund af manglen på elektrisk ladning og masse i neutrinoer. Neutrino er den eneste partikel, der ikke deltager i hverken stærke eller elektromagnetiske interaktioner; Den eneste type interaktion, som neutrinoer kan deltage i, er den svage interaktion. Derfor er direkte observation af neutrinoer meget vanskelig. Neutrinoers ioniseringsevne er så lav, at der sker én ioniseringsbegivenhed i luften pr. 500 km rejse. Neutrinoers gennemtrængningsevne er så enorm (rækkevidden af neutrinoer med en energi på 1 MeV i bly er omkring 1018 m!), hvilket gør det vanskeligt at indeholde disse partikler i enheder.

Til den eksperimentelle påvisning af neutrinoer (antineutrinoer) blev der derfor brugt en indirekte metode, baseret på det faktum, at i reaktioner (inklusive dem, der involverer neutrinoer) er loven om bevarelse af momentum opfyldt. Således blev neutrinoer opdaget ved at studere rekylen af atomkerner under -henfald. Hvis der under henfaldet af en kerne udstødes en antineutrino sammen med en elektron, så skal vektorsummen af tre impulser - en rekylkerne, en elektron og en antineutrino - være lig nul. Dette er faktisk blevet bekræftet af erfaring. Direkte påvisning af neutrinoer blev først mulig meget senere, efter fremkomsten af kraftige reaktorer, der gjorde det muligt at opnå intense neutrinofluxe.

Introduktionen af neutrinoer (antineutrinoer) gjorde det muligt ikke kun at forklare den tilsyneladende ikke-bevarelse af spin, men også at forstå spørgsmålet om kontinuitet i energispektret af udstødte elektroner. Det kontinuerlige spektrum af -partikler skyldes fordelingen af energi mellem elektroner og antineutrinoer, og summen af begge partiklers energier er lig med . I nogle henfaldsbegivenheder modtager antineutrinoen mere energi, i andre - elektronen; ved grænsepunktet for kurven i fig. 343, hvor elektronenergien er lig med , bliver al henfaldsenergien båret væk af elektronen, og antineutrino-energien er nul.

Lad os endelig overveje spørgsmålet om oprindelsen af elektroner under henfald. Da elektronen ikke flyver ud af kernen og ikke undslipper fra atomets skal, blev det antaget, at elektronen er født som et resultat af processer, der foregår inde i kernen. Da antallet af nukleoner i kernen ikke ændres under henfald, a Z stiger med én (se (256.5)), så er den eneste mulighed for samtidig implementering af disse betingelser transformationen af en af neutronerne - den aktive kerne til en proton med samtidig dannelse af en elektron og emission af en antineutrino:

(258.1)

Denne proces er ledsaget af opfyldelsen af bevarelseslovene elektriske ladninger, momentum og massetal. Derudover er denne transformation energetisk mulig, da en neutrons hvilemasse overstiger massen af et brintatom, dvs. en proton og en elektron kombineret. Denne forskel i masse svarer til en energi lig med 0,782 MeV. På grund af denne energi kan der ske spontan omdannelse af en neutron til en proton; energi fordeles mellem elektronen og antineutrinoen.

Hvis omdannelsen af en neutron til en proton er energetisk gunstig og generelt mulig, bør radioaktivt henfald af frie neutroner (dvs. neutroner uden for kernen) observeres. Opdagelsen af dette fænomen ville være en bekræftelse af den erklærede teori om forfald. I 1950, i højintensive neutronfluxer, der opstod i atomreaktorer, blev det radioaktive henfald af frie neutroner opdaget, hvilket skete ifølge skema (258.1). Energispektret af de resulterende elektroner svarede til det vist i fig. 343, og den øvre grænse for elektronenergien viste sig at være lig med den beregnede ovenfor (0,782 MeV).