रेडियोधर्मिता। रेडियोधर्मी क्षय का मूल नियम

रेडियोधर्मिता के अध्ययन का इतिहास 1 मार्च, 1896 को शुरू हुआ, जब एक प्रसिद्ध फ्रांसीसी वैज्ञानिक ने गलती से यूरेनियम लवण के विकिरण में एक विचित्रता की खोज की। यह पता चला कि नमूने के साथ एक ही बॉक्स में स्थित फोटोग्राफिक प्लेटें अत्यधिक उजागर थीं। इसका कारण यूरेनियम में मौजूद अजीब, अत्यधिक मर्मज्ञ विकिरण था। यह गुण पूर्णतम, भारी तत्वों में पाया गया आवर्त सारणी. इसे "रेडियोधर्मिता" नाम दिया गया।

रेडियोधर्मिता की विशेषताएँ दर्ज करें

यह प्रक्रिया प्राथमिक कणों (इलेक्ट्रॉन, हीलियम परमाणुओं के नाभिक) की एक साथ रिहाई के साथ किसी तत्व के आइसोटोप के परमाणु का दूसरे आइसोटोप में सहज परिवर्तन है। परमाणुओं का परिवर्तन सहज हो गया, इसके लिए बाहर से ऊर्जा के अवशोषण की आवश्यकता नहीं थी। प्रक्रिया के दौरान ऊर्जा रिलीज की प्रक्रिया को दर्शाने वाली मुख्य मात्रा को गतिविधि कहा जाता है।

रेडियोधर्मी नमूने की गतिविधि प्रति इकाई समय में दिए गए नमूने के क्षय की संभावित संख्या है। माप की अंतर्राष्ट्रीय इकाई को बेकरेल (बीक्यू) कहा जाता है। 1 बेकरेल एक नमूने की गतिविधि है जिसमें औसतन प्रति सेकंड 1 क्षय होता है।

A=λN, जहां λ क्षय स्थिरांक है, N नमूने में सक्रिय परमाणुओं की संख्या है।

वहाँ α, β, γ क्षय हैं। संगत समीकरणों को विस्थापन नियम कहा जाता है:

रेडियोधर्मिता में समय अंतराल

इस विशेष परमाणु के लिए कण विघटन का क्षण निर्धारित नहीं किया जा सकता है। उनके लिए यह एक पैटर्न से ज़्यादा एक "दुर्घटना" है। इस प्रक्रिया की विशेषता वाली ऊर्जा रिहाई को नमूने की गतिविधि के रूप में परिभाषित किया गया है।

यह देखा गया है कि समय के साथ इसमें परिवर्तन होता रहता है। यद्यपि व्यक्तिगत तत्व उत्सर्जन की डिग्री में आश्चर्यजनक स्थिरता प्रदर्शित करते हैं, ऐसे पदार्थ भी हैं जिनकी गतिविधि काफी कम समय में कई गुना कम हो जाती है। अद्भुत विविधता! क्या इन प्रक्रियाओं में कोई पैटर्न खोजना संभव है?

यह स्थापित किया गया है कि एक समय होता है जिसके दौरान किसी दिए गए नमूने के बिल्कुल आधे परमाणु क्षय से गुजरते हैं। इस समय अंतराल को "आधा जीवन" कहा जाता है। इस अवधारणा को पेश करने का क्या मतलब है?

हाफ लाइफ?

ऐसा लगता है कि अवधि के बराबर समय में, किसी दिए गए नमूने के सभी सक्रिय परमाणुओं का ठीक आधा क्षय हो जाता है। लेकिन क्या इसका मतलब यह है कि दो आधे जीवन के भीतर सभी सक्रिय परमाणु पूरी तरह से क्षय हो जाएंगे? बिल्कुल नहीं। एक निश्चित क्षण के बाद, रेडियोधर्मी तत्वों का आधा हिस्सा नमूने में रहता है, उसी अवधि के बाद, शेष परमाणुओं का आधा हिस्सा क्षय हो जाता है, और इसी तरह। ऐसे में रेडिएशन बना रहता है लंबे समय तक, आधे जीवन से काफी अधिक। इसका मतलब यह है कि विकिरण की परवाह किए बिना सक्रिय परमाणु नमूने में बरकरार रहते हैं

अर्ध-जीवन एक ऐसा मूल्य है जो पूरी तरह से किसी दिए गए पदार्थ के गुणों पर निर्भर करता है। कई ज्ञात रेडियोधर्मी समस्थानिकों के लिए मात्रा का मूल्य निर्धारित किया गया है।

तालिका: "व्यक्तिगत आइसोटोप के क्षय का आधा जीवन"

नाम	पद का नाम	क्षय का प्रकार	हाफ लाइफ
			0.001 सेकंड
		बीटा, गामा
		अल्फा, गामा
		अल्फा, गामा	4.5 अरब वर्ष

आधा जीवन प्रयोगात्मक रूप से निर्धारित किया गया था। प्रयोगशाला अध्ययन के दौरान, गतिविधि को बार-बार मापा जाता है। चूँकि प्रयोगशाला के नमूने न्यूनतम आकार के होते हैं (शोधकर्ता की सुरक्षा सर्वोपरि है), प्रयोग अलग-अलग समय अंतराल पर किया जाता है, कई बार दोहराया जाता है। यह पदार्थों की गतिविधि में परिवर्तन के पैटर्न पर आधारित है।

आधा जीवन निर्धारित करने के लिए, किसी दिए गए नमूने की गतिविधि को निश्चित समय पर मापा जाता है। इस तथ्य को ध्यान में रखते हुए कि यह पैरामीटर क्षय हुए परमाणुओं की संख्या से संबंधित है, रेडियोधर्मी क्षय के नियम का उपयोग करके, आधा जीवन निर्धारित किया जाता है।

आइसोटोप के लिए उदाहरण परिभाषा

मान लें कि किसी निश्चित समय पर अध्ययन के तहत आइसोटोप के सक्रिय तत्वों की संख्या एन के बराबर है, समय अंतराल जिसके दौरान अवलोकन किया जाता है टी 2 - टी 1, जहां अवलोकन की शुरुआत और समाप्ति समय काफी करीब हैं। आइए मान लें कि n एक निश्चित समय अंतराल में क्षय हुए परमाणुओं की संख्या है, तो n = KN(t 2 - t 1)।

इस अभिव्यक्ति में, K = 0.693/T½ आनुपातिकता गुणांक है, जिसे क्षय स्थिरांक कहा जाता है। T½ आइसोटोप का आधा जीवन है।

आइए समय अंतराल को एक मान लें। इस मामले में, K = n/N मौजूद आइसोटोप नाभिक के अंश को इंगित करता है जो प्रति इकाई समय में क्षय होता है।

क्षय स्थिरांक का मान जानकर, क्षय अर्ध-जीवन भी निर्धारित किया जा सकता है: T½ = 0.693/K।

इसका तात्पर्य यह है कि प्रति इकाई समय में, सक्रिय परमाणुओं की एक निश्चित संख्या नहीं, बल्कि उनका एक निश्चित अंश क्षय होता है।

रेडियोधर्मी क्षय का नियम (एलडीसी)

अर्ध-जीवन ZRR का आधार है। यह पैटर्न 1903 में प्रायोगिक अध्ययन के परिणामों के आधार पर फ्रेडरिको सोड्डी और अर्नेस्ट रदरफोर्ड द्वारा तैयार किया गया था। यह आश्चर्य की बात है कि बीसवीं सदी की शुरुआत की परिस्थितियों में, उन उपकरणों का उपयोग करके किए गए बार-बार माप, जो एकदम सही नहीं थे, एक सटीक और उचित परिणाम देते थे। यह रेडियोधर्मिता के सिद्धांत का आधार बन गया। आइए हम रेडियोधर्मी क्षय के नियम का गणितीय प्रतिनिधित्व प्राप्त करें।

मान लीजिए N 0 किसी निश्चित समय पर सक्रिय परमाणुओं की संख्या है। समय अंतराल t के बाद, N तत्व अक्षुण्ण रहेंगे।

आधे जीवन के बराबर समय तक, सक्रिय तत्वों का ठीक आधा हिस्सा रहेगा: N=N 0 /2।

एक और आधे जीवन के बाद, निम्नलिखित नमूने में रहते हैं: N=N 0 /4=N 0 /2 2 सक्रिय परमाणु।

एक और अर्ध-जीवन के बराबर समय के बाद, नमूना केवल यही बनाए रखेगा: N=N 0 /8=N 0 /2 3।

जब तक n आधा जीवन बीत जाएगा, तब तक N=N 0 /2 n सक्रिय कण नमूने में बने रहेंगे। इस अभिव्यक्ति में, n=t/T½: शोध समय और आधे जीवन का अनुपात।

ZRR की गणितीय अभिव्यक्ति थोड़ी अलग है, जो समस्याओं को हल करने में अधिक सुविधाजनक है: N=N 0 2 - t/ T½।

पैटर्न हमें आधे जीवन के अलावा, सक्रिय आइसोटोप के परमाणुओं की संख्या निर्धारित करने की अनुमति देता है जो एक निश्चित समय में क्षय नहीं हुए हैं। अवलोकन की शुरुआत में नमूने के परमाणुओं की संख्या जानने के बाद, कुछ समय बाद इस तैयारी के जीवनकाल को निर्धारित करना संभव है।

रेडियोधर्मी क्षय के नियम का सूत्र आधे जीवन को निर्धारित करने में तभी मदद करता है जब कुछ पैरामीटर उपलब्ध हों: नमूने में सक्रिय आइसोटोप की संख्या, जिसका पता लगाना काफी मुश्किल है।

कानून के परिणाम

ZPP फॉर्मूला दवा परमाणुओं की गतिविधि और द्रव्यमान की अवधारणाओं का उपयोग करके लिखा जा सकता है।

गतिविधि रेडियोधर्मी परमाणुओं की संख्या के समानुपाती होती है: A=A 0 .2 -t/T। इस सूत्र में, A 0 समय के प्रारंभिक क्षण में नमूने की गतिविधि है, A t सेकंड के बाद की गतिविधि है, T आधा जीवन है।

किसी पदार्थ के द्रव्यमान का उपयोग निम्नलिखित पैटर्न में किया जा सकता है: m=m 0 .2 -t/T

किसी भी समान अवधि में, किसी दी गई तैयारी में मौजूद रेडियोधर्मी परमाणुओं का बिल्कुल समान अनुपात क्षय हो जाता है।

कानून की प्रयोज्यता की सीमाएँ

कानून हर मायने में सांख्यिकीय है, जो सूक्ष्म जगत में होने वाली प्रक्रियाओं को निर्धारित करता है। यह स्पष्ट है कि रेडियोधर्मी तत्वों का आधा जीवन एक सांख्यिकीय मूल्य है। परमाणु नाभिक में घटनाओं की संभाव्य प्रकृति से पता चलता है कि एक मनमाना नाभिक किसी भी क्षण टूट सकता है। किसी घटना की भविष्यवाणी करना असंभव है; आप केवल एक निश्चित समय पर इसकी संभावना निर्धारित कर सकते हैं। परिणामस्वरूप, आधा जीवन अर्थहीन है:

• एक परमाणु के लिए;
• न्यूनतम द्रव्यमान के नमूने के लिए.

परमाणु जीवनकाल

किसी परमाणु का अपनी मूल अवस्था में अस्तित्व एक सेकंड या शायद लाखों वर्षों तक रह सकता है। इस कण के जीवनकाल के बारे में भी बात करने की जरूरत नहीं है। परमाणुओं के औसत जीवनकाल के बराबर मूल्य पेश करके, हम रेडियोधर्मी आइसोटोप के परमाणुओं के अस्तित्व और रेडियोधर्मी क्षय के परिणामों के बारे में बात कर सकते हैं। किसी परमाणु के नाभिक का आधा जीवन दिए गए परमाणु के गुणों पर निर्भर करता है और अन्य मात्राओं पर निर्भर नहीं करता है।

क्या समस्या को हल करना संभव है: औसत जीवनकाल को जानकर आधा जीवन कैसे पाया जाए?

किसी परमाणु के औसत जीवनकाल और क्षय स्थिरांक के बीच संबंध का सूत्र अर्ध-जीवन निर्धारित करने में कम सहायक नहीं है।

τ= टी 1/2 /एलएन2= टी 1/2 /0.693=1/ λ.

इस अंकन में, τ औसत जीवनकाल है, λ क्षय स्थिरांक है।

अर्ध-जीवन का उपयोग

व्यक्तिगत नमूनों की आयु निर्धारित करने के लिए ZRR का उपयोग बीसवीं शताब्दी के अंत में अनुसंधान में व्यापक हो गया। जीवाश्म कलाकृतियों की डेटिंग की सटीकता में इतना सुधार हुआ है कि यह सहस्राब्दी ईसा पूर्व के जीवन काल की अंतर्दृष्टि प्रदान कर सकता है।

जीवाश्म कार्बनिक नमूने सभी जीवों में मौजूद कार्बन-14 (कार्बन का एक रेडियोधर्मी आइसोटोप) की गतिविधि में परिवर्तन पर आधारित हैं। यह चयापचय की प्रक्रिया में एक जीवित जीव में प्रवेश करता है और उसमें समाहित हो जाता है निश्चित एकाग्रता. मृत्यु के बाद, चयापचय पर्यावरणरुक जाता है. प्राकृतिक क्षय के कारण रेडियोधर्मी कार्बन की सांद्रता कम हो जाती है, और गतिविधि आनुपातिक रूप से कम हो जाती है।

यदि आधे जीवन जैसा कोई मूल्य है, तो रेडियोधर्मी क्षय के नियम का सूत्र उस क्षण से समय निर्धारित करने में मदद करता है जब जीव कार्य करना बंद कर देता है।

रेडियोधर्मी परिवर्तन श्रृंखलाएँ

रेडियोधर्मिता अध्ययन प्रयोगशाला स्थितियों में किए गए। रेडियोधर्मी तत्वों की घंटों, दिनों और यहां तक ​​कि वर्षों तक सक्रिय रहने की अद्भुत क्षमता बीसवीं शताब्दी की शुरुआत में भौतिकविदों को आश्चर्यचकित नहीं कर सकी। उदाहरण के लिए, थोरियम पर अनुसंधान एक अप्रत्याशित परिणाम के साथ हुआ: एक बंद शीशी में, इसकी गतिविधि महत्वपूर्ण थी। जरा सी सांस लेते ही वह गिर पड़ी. निष्कर्ष सरल था: थोरियम का परिवर्तन रेडॉन (गैस) की रिहाई के साथ होता है। रेडियोधर्मिता की प्रक्रिया में सभी तत्व पूरी तरह से अलग पदार्थ में बदल जाते हैं, जो भौतिक और रासायनिक दोनों गुणों में भिन्न होते हैं। यह पदार्थ, बदले में, अस्थिर भी है। वर्तमान में, समान परिवर्तनों की तीन श्रृंखलाएँ ज्ञात हैं।

परमाणु और परमाणु अनुसंधान या आपदाओं के दौरान दूषित क्षेत्रों की दुर्गमता का समय निर्धारित करने में ऐसे परिवर्तनों का ज्ञान अत्यंत महत्वपूर्ण है। प्लूटोनियम का आधा जीवन - इसके आइसोटोप पर निर्भर करता है - 86 वर्ष (पीयू 238) से 80 मिलियन वर्ष (पीयू 244) तक होता है। प्रत्येक आइसोटोप की सांद्रता क्षेत्र के कीटाणुशोधन की अवधि का अंदाजा देती है।

सबसे महंगी धातु

यह ज्ञात है कि हमारे समय में ऐसी धातुएँ हैं जो सोने, चाँदी और प्लैटिनम से कहीं अधिक महंगी हैं। इनमें प्लूटोनियम भी शामिल है. दिलचस्प बात यह है कि विकास की प्रक्रिया के दौरान निर्मित प्लूटोनियम प्रकृति में नहीं पाया जाता है। अधिकांश तत्व प्रयोगशाला स्थितियों में प्राप्त किये जाते हैं। प्लूटोनियम-239 का संचालन परमाणु रिएक्टरउन्हें इन दिनों बेहद लोकप्रिय होने का मौका दिया। रिएक्टरों में उपयोग के लिए इस आइसोटोप की पर्याप्त मात्रा प्राप्त करना इसे व्यावहारिक रूप से अमूल्य बनाता है।

प्लूटोनियम-239 प्राकृतिक परिस्थितियों में यूरेनियम-239 के नेपच्यूनियम-239 (आधा जीवन - 56 घंटे) में परिवर्तन की श्रृंखला के परिणामस्वरूप प्राप्त होता है। एक समान श्रृंखला परमाणु रिएक्टरों में प्लूटोनियम जमा करना संभव बनाती है। आवश्यक राशि की उपस्थिति की दर प्राकृतिक से अरबों गुना अधिक है।

ऊर्जा अनुप्रयोग

हम परमाणु ऊर्जा की कमियों और मानवता की "विषमताओं" के बारे में बहुत सारी बातें कर सकते हैं, जो लगभग किसी भी खोज का उपयोग अपनी ही तरह को नष्ट करने के लिए करती है। प्लूटोनियम-239 की खोज, जो इसमें भाग लेने में सक्षम है, ने इसे शांतिपूर्ण ऊर्जा के स्रोत के रूप में उपयोग करना संभव बना दिया है। यूरेनियम-235, जो प्लूटोनियम का एक एनालॉग है, पृथ्वी पर अत्यंत दुर्लभ है; इसे इससे अलग करना प्लूटोनियम प्राप्त करने से कहीं अधिक कठिन है।

पृथ्वी की आयु

रेडियोधर्मी तत्वों के समस्थानिकों का रेडियोआइसोटोप विश्लेषण किसी विशेष नमूने के जीवनकाल का अधिक सटीक विचार देता है।

में निहित परिवर्तनों की श्रृंखला "यूरेनियम - थोरियम" का उपयोग करना भूपर्पटी, हमारे ग्रह की आयु निर्धारित करना संभव बनाता है। संपूर्ण पृथ्वी की पपड़ी पर औसतन इन तत्वों का प्रतिशत इस विधि का आधार है। नवीनतम आँकड़ों के अनुसार पृथ्वी की आयु 4.6 अरब वर्ष है।

प्रयोगशाला कार्य संख्या 19

रेडियोधर्मी क्षय के नियम का अध्ययन

और रेडियोधर्मी विकिरण से सुरक्षा के तरीके

कार्य का उद्देश्य : 1) रेडियोधर्मी क्षय के नियम का अध्ययन; 2) पदार्थ द्वारा जी- और बी-किरणों के अवशोषण के नियम का अध्ययन।

नौकरी के उद्देश्य : 1) रैखिक अवशोषण गुणांक का निर्धारण रेडियोधर्मी विकिरण विभिन्न सामग्रियां; 2) इन सामग्रियों की अर्ध-क्षीणन परत की मोटाई का निर्धारण; 3) किसी रासायनिक तत्व के आधे जीवन और क्षय स्थिरांक का निर्धारण।

सहायक साधन : विंडोज़ कंप्यूटर.

सैद्धांतिक भाग

परिचय

परमाणु नाभिक की संरचना

किसी भी परमाणु के नाभिक में दो प्रकार के कण होते हैं - प्रोटॉन और न्यूट्रॉन। प्रोटॉन सबसे सरल परमाणु - हाइड्रोजन का नाभिक है। इसका धनात्मक आवेश, परिमाण में एक इलेक्ट्रॉन के आवेश के बराबर और द्रव्यमान 1.67 × 10-27 किग्रा है। न्यूट्रॉन, जिसका अस्तित्व केवल 1932 में अंग्रेज जेम्स चैडविक द्वारा स्थापित किया गया था, विद्युत रूप से तटस्थ है, और इसका द्रव्यमान लगभग प्रोटॉन के समान है। न्यूट्रॉन और प्रोटॉन, जो परमाणु नाभिक के दो घटक तत्व हैं, सामूहिक रूप से न्यूक्लियॉन कहलाते हैं। किसी नाभिक (या न्यूक्लाइड) में प्रोटॉनों की संख्या को परमाणु संख्या कहा जाता है और इसे Z अक्षर से दर्शाया जाता है। न्यूक्लियॉन की कुल संख्या, यानी न्यूट्रॉन और प्रोटॉन, अक्षर A से निरूपित होते हैं और द्रव्यमान संख्या कहलाते हैं। रासायनिक तत्वों को आमतौर पर प्रतीक या द्वारा दर्शाया जाता है, जहां X रासायनिक तत्व का प्रतीक है।

रेडियोधर्मिता

रेडियोधर्मिता की घटना कुछ के नाभिक के सहज (सहज) परिवर्तन में निहित है रासायनिक तत्वरेडियोधर्मी विकिरण उत्सर्जित करने वाले अन्य तत्वों के नाभिक में.

जो नाभिक ऐसे क्षय से गुजरते हैं उन्हें रेडियोधर्मी कहा जाता है। जो नाभिक रेडियोधर्मी क्षय से नहीं गुजरते उन्हें स्थिर कहा जाता है। क्षय प्रक्रिया के दौरान, नाभिक का परमाणु क्रमांक Z और द्रव्यमान क्रमांक A दोनों बदल सकते हैं।

रेडियोधर्मी परिवर्तन अनायास होते हैं। उनके प्रवाह की गति तापमान और दबाव में परिवर्तन, विद्युत और चुंबकीय क्षेत्रों की उपस्थिति, किसी दिए गए रेडियोधर्मी तत्व के रासायनिक यौगिक के प्रकार और उसके एकत्रीकरण की स्थिति से प्रभावित नहीं होती है।

रेडियोधर्मी क्षय की विशेषता उसके घटित होने के समय, उत्सर्जित कणों के प्रकार और ऊर्जा, और जब कई कण नाभिक से बाहर निकलते हैं, तो कण उत्सर्जन की दिशाओं के बीच सापेक्ष कोणों से भी होती है। ऐतिहासिक रूप से, रेडियोधर्मिता मनुष्य द्वारा खोजी गई पहली परमाणु प्रक्रिया है (ए. बेकरेल, 1896)।

प्राकृतिक और कृत्रिम रेडियोधर्मिता के बीच अंतर किया जाता है।

प्राकृतिक रेडियोधर्मिता अस्थिर नाभिकों में होती है जो प्राकृतिक परिस्थितियों में मौजूद होते हैं। कृत्रिम विभिन्न परमाणु प्रतिक्रियाओं के परिणामस्वरूप गठित नाभिक की रेडियोधर्मिता है। कृत्रिम और प्राकृतिक रेडियोधर्मिता के बीच कोई बुनियादी अंतर नहीं है। उनके पास है सामान्य पैटर्न.

चार मुख्य प्रकार की रेडियोधर्मिता संभव है और वास्तव में परमाणु नाभिक में देखी जाती है: ए-क्षय, बी-क्षय, जी-क्षय और सहज विखंडन।

ए-क्षय की घटना यह है कि भारी नाभिक अनायास ही ए-कण (हीलियम नाभिक 2 एच 4) उत्सर्जित करते हैं। इस स्थिति में, नाभिक की द्रव्यमान संख्या चार इकाइयों से घट जाती है, और परमाणु संख्या दो से कम हो जाती है:

ZX A® Z -2 Y A-4 + 2 H 4 .

एक कण में चार न्यूक्लियॉन होते हैं: दो न्यूट्रॉन और दो प्रोटॉन।

रेडियोधर्मी क्षय की प्रक्रिया के दौरान, एक नाभिक न केवल उन कणों का उत्सर्जन कर सकता है जो इसका हिस्सा हैं, बल्कि नए कण भी उत्सर्जित कर सकते हैं जो क्षय प्रक्रिया के दौरान पैदा होते हैं। इस प्रकार की प्रक्रियाएँ b- और g-क्षय हैं।

बी-क्षय की अवधारणा तीन प्रकार के परमाणु परिवर्तनों को जोड़ती है: इलेक्ट्रॉन (बी -) क्षय, पॉज़िट्रॉन (बी +) क्षय और इलेक्ट्रॉन कैप्चर।

बी-क्षय की घटना यह है कि एक नाभिक अनायास एक इलेक्ट्रॉन ई - और सबसे हल्का विद्युत तटस्थ कण एंटीन्यूट्रिनो उत्सर्जित करता है, जो समान द्रव्यमान संख्या ए के साथ, लेकिन परमाणु संख्या जेड के साथ, लेकिन एक से अधिक के नाभिक में गुजरता है:

Z X A ® Z +1 Y A + e - + .

इस बात पर जोर दिया जाना चाहिए कि बी-क्षय के दौरान उत्सर्जित इलेक्ट्रॉन कक्षीय इलेक्ट्रॉनों से संबंधित नहीं है। यह नाभिक के अंदर ही पैदा होता है: न्यूट्रॉन में से एक प्रोटॉन में बदल जाता है और साथ ही एक इलेक्ट्रॉन उत्सर्जित करता है।

एक अन्य प्रकार का बी-क्षय एक प्रक्रिया है जिसमें एक नाभिक एक पॉज़िट्रॉन ई + और एक अन्य सबसे हल्का विद्युत तटस्थ कण, एक न्यूट्रिनो एन उत्सर्जित करता है। इस स्थिति में, प्रोटॉन में से एक न्यूट्रॉन में बदल जाता है:

Z X A ® Z -1 Y A + e + +n.

इस क्षय को पॉज़िट्रॉन या b+ क्षय कहते हैं।

बी-क्षय घटना की सीमा में इलेक्ट्रॉन कैप्चर (अक्सर के-कैप्चर भी कहा जाता है) शामिल है, जिसमें नाभिक परमाणु शेल के इलेक्ट्रॉनों में से एक को अवशोषित करता है (आमतौर पर के-शेल से), एक न्यूट्रिनो उत्सर्जित करता है। इस मामले में, पॉज़िट्रॉन क्षय की तरह, प्रोटॉन में से एक न्यूट्रॉन में बदल जाता है:

ई - + जेड एक्स ए ® जेड -1 वाई ए +एन।

जी-विकिरण शामिल है विद्युत चुम्बकीय तरंगें, जिसकी लंबाई अंतरपरमाणु दूरियों से काफी कम है:

जहां d - 10 -8 सेमी के क्रम का है, कणिका चित्र में, यह विकिरण जी-क्वांटा नामक कणों की एक धारा है। जी-क्वांटा ऊर्जा की निचली सीमा

ई= 2पी एस/एल

केवी के दसियों क्रम पर है। कोई प्राकृतिक ऊपरी सीमा नहीं है. आधुनिक त्वरक 20 GeV तक की ऊर्जा के साथ क्वांटा उत्पन्न करते हैं।

जी-विकिरण के उत्सर्जन के साथ एक नाभिक का क्षय कई मायनों में उत्तेजित परमाणुओं द्वारा फोटॉन के उत्सर्जन की याद दिलाता है। एक परमाणु की तरह, नाभिक भी उत्तेजित अवस्था में हो सकता है। निम्न ऊर्जा अवस्था या जमीनी अवस्था में संक्रमण पर, नाभिक एक फोटॉन उत्सर्जित करता है। चूँकि जी-विकिरण में कोई आवेश नहीं होता है, जी-क्षय के दौरान एक रासायनिक तत्व का दूसरे में कोई परिवर्तन नहीं होता है।

रेडियोधर्मी क्षय का मूल नियम

रेडियोधर्मी क्षयएक सांख्यिकीय घटना है: यह भविष्यवाणी करना असंभव है कि किसी दिए गए अस्थिर नाभिक का क्षय कब होगा, इस घटना के बारे में केवल कुछ संभाव्य निर्णय ही किए जा सकते हैं। रेडियोधर्मी नाभिक के एक बड़े संग्रह के लिए, एक सांख्यिकीय कानून प्राप्त किया जा सकता है जो समय पर अविघटित नाभिक की निर्भरता को व्यक्त करता है।

नाभिक को पर्याप्त कम समय अंतराल के भीतर क्षय होने दें। यह संख्या समय अंतराल के साथ-साथ रेडियोधर्मी नाभिकों की कुल संख्या के समानुपाती होती है:

, (1)

क्षय स्थिरांक कहां है, रेडियोधर्मी नाभिक के क्षय की संभावना के समानुपाती और विभिन्न रेडियोधर्मी पदार्थों के लिए अलग-अलग। "-" चिन्ह इसीलिए लगाया गया है< 0, так как число не распавшихся радиоактивных ядер убывает со временем.

आइए हम चरों को अलग करें और (1) को एकीकृत करें, यह ध्यान में रखते हुए कि एकीकरण की निचली सीमाएं मेल खाती हैं प्रारंभिक शर्तें(पर , रेडियोधर्मी नाभिक की प्रारंभिक संख्या कहां है), और ऊपरी वाले - वर्तमान मूल्यों के लिए और :

(2)

हमारे पास प्रबल अभिव्यक्ति (3) है

यह बात है रेडियोधर्मी क्षय का मूल नियम: एक घातीय नियम के अनुसार समय के साथ अविघटित रेडियोधर्मी नाभिकों की संख्या घटती जाती है।

चित्र 1 क्षय वक्र 1 और 2 दिखाता है, जो विभिन्न क्षय स्थिरांक (λ 1 > λ 2) वाले पदार्थों के अनुरूप है, लेकिन रेडियोधर्मी नाभिक की समान प्रारंभिक संख्या के साथ। पंक्ति 1 अधिक सक्रिय तत्व से मेल खाती है।

व्यवहार में, क्षय स्थिरांक के स्थान पर, रेडियोधर्मी आइसोटोप की एक और विशेषता का अधिक बार उपयोग किया जाता है - हाफ लाइफ . यह वह समय है जिसके दौरान आधे रेडियोधर्मी नाभिक क्षय हो जाते हैं। स्वाभाविक रूप से, यह परिभाषा पर्याप्त रूप से मान्य है बड़ी संख्याकोर. चित्र 1 दिखाता है कि कैसे वक्र 1 और 2 का उपयोग करके आप नाभिक का आधा जीवन पा सकते हैं: कोर्डिनेट बिंदु के माध्यम से भुज अक्ष के समानांतर एक सीधी रेखा खींचें जब तक कि यह वक्र के साथ प्रतिच्छेद न हो जाए। सीधी रेखा और रेखाओं 1 और 2 के प्रतिच्छेदन बिंदुओं के भुज आधे जीवन देते हैं टी 1 और टी 2.

रेडियोधर्मिता की घटना की खोज 1896 में ए. बेकरेल ने की थी, जिन्होंने यूरेनियम लवण से अज्ञात विकिरण के सहज उत्सर्जन को देखा था। जल्द ही ई. रदरफोर्ड और क्यूरीज़ ने स्थापित किया कि रेडियोधर्मी क्षय के दौरान वह नाभिक (α-कण), इलेक्ट्रॉन (β-कण) और कठोर विद्युत चुम्बकीय विकिरण(γ-किरणें)।

1934 में, पॉज़िट्रॉन (β + -क्षय) के उत्सर्जन के साथ क्षय की खोज की गई, और 1940 में, एक नए प्रकार की रेडियोधर्मिता की खोज की गई - नाभिक का सहज विखंडन: एक विखंडन नाभिक एक साथ उत्सर्जन के साथ तुलनीय द्रव्यमान के दो टुकड़ों में टूट जाता है न्यूट्रॉन की और γ -क्वांटा. नाभिक की प्रोटॉन रेडियोधर्मिता 1982 में देखी गई थी। इस प्रकार, वहाँ हैं निम्नलिखित प्रकाररेडियोधर्मी क्षय: α-क्षय; -क्षय; - क्षय; ई - कब्जा.

रेडियोधर्मिता- कुछ परमाणु नाभिकों की कणों के उत्सर्जन के साथ स्वतःस्फूर्त (स्वतः) अन्य नाभिकों में परिवर्तित होने की क्षमता।

परमाणु नाभिक बने होते हैं प्रोटॉन और न्यूट्रॉन, जिसका एक सामान्य नाम है - न्यूक्लियंस.नाभिक में प्रोटॉनों की संख्या निर्धारित करती है रासायनिक गुणपरमाणु तथा निरूपित किया जाता है जेड (क्रम संख्यातत्व)। न्यूक्लियॉन की संख्याकर्नेल में कहा जाता है द्रव्यमान संख्याऔर निरूपित करें ए. समान क्रमांक वाले नाभिकऔर विभिन्न द्रव्यमान संख्याएँ कहलाती हैं आइसोटोप. एक रासायनिक तत्व के सभी समस्थानिकों में समान रासायनिक गुण होते हैं, लेकिन भौतिक गुण बहुत भिन्न हो सकते हैं। आइसोटोप को नामित करने के लिए, दो सूचकांकों वाले रासायनिक तत्व के प्रतीक का उपयोग करें: ए जेड एक्स. निचला सूचकांक क्रम संख्या है, ऊपरी सूचकांक द्रव्यमान संख्या है। अक्सर सबस्क्रिप्ट को छोड़ दिया जाता है क्योंकि यह तत्व के प्रतीक द्वारा ही इंगित किया जाता है।

उदाहरण के लिए, वे 14 6 सी के स्थान पर 14 सी लिखते हैं।

किसी नाभिक की क्षय करने की क्षमता उसकी संरचना पर निर्भर करती है। एक ही तत्व में स्थिर और रेडियोधर्मी दोनों आइसोटोप हो सकते हैं।

उदाहरण के लिए, कार्बन आइसोटोप 12C स्थिर है, लेकिन आइसोटोप 14C रेडियोधर्मी है।

रेडियोधर्मी क्षय एक सांख्यिकीय घटना है। किसी आइसोटोप की क्षय करने की क्षमता को क्षय स्थिरांक द्वारा दर्शाया जाता है λ.

क्षय स्थिरांक λ संभावना है कि किसी दिए गए आइसोटोप का नाभिक प्रति इकाई समय में क्षय हो जाएगा।

आइए हम समय t पर रेडियोधर्मी क्षय नाभिक की संख्या N को निरूपित करें, dN 1 - समय dt के दौरान क्षय होने वाले नाभिकों की संख्या। चूँकि पदार्थ में नाभिकों की संख्या बहुत अधिक है, इसलिए नियम संतुष्ट है बड़ी संख्या. थोड़े समय में परमाणु क्षय की संभावना dt सूत्र dP = λdt द्वारा पाई जाती है। आवृत्ति संभावना के बराबर है: d N 1 / N = dP = λdt। डी एन 1 / एन = λdt- एक सूत्र जो क्षयित नाभिकों की संख्या निर्धारित करता है।

समीकरण का हल है: - सूत्र को रेडियोधर्मी क्षय का नियम कहा जाता है: घातीय नियम के अनुसार रेडियोधर्मी नाभिकों की संख्या समय के साथ घटती जाती है।

यहाँ N समय t पर अक्षयित नाभिकों की संख्या है; एन ओ - अविघटित नाभिक की प्रारंभिक संख्या; λ रेडियोधर्मी क्षय स्थिरांक है।

व्यवहार में, यह क्षय स्थिरांक नहीं है जिसका उपयोग किया जाता है λ , और बुलायी गयी मात्रा आधा जीवन टी.

अर्ध-जीवन (टी) वह समय है जिसके दौरान आधे रेडियोधर्मी नाभिक क्षय हो जाते हैं।

अवधि के दौरान रेडियोधर्मी क्षय का नियम अर्ध-जीवन (T) का रूप है:

अर्ध-जीवन और क्षय स्थिरांक के बीच संबंध सूत्र द्वारा दिया गया है: T = ln(2/λ) = 0.69/λ

आधा जीवन या तो बहुत लंबा या बहुत छोटा हो सकता है।

रेडियोधर्मी आइसोटोप की गतिविधि की डिग्री का आकलन करने के लिए, गतिविधि नामक मात्रा का उपयोग किया जाता है।

प्रति इकाई समय में क्षय होने वाली रेडियोधर्मी औषधि के नाभिकों की गतिविधि संख्या: A = dN क्षय /dt

गतिविधि की एसआई इकाई 1 बेकरेल (बीक्यू) = 1 विघटन/एस है - एक दवा की गतिविधि जिसमें 1 विघटन 1 एस में होता है। गतिविधि की एक बड़ी इकाई 1 रदरफोर्ड (Rd) = Bq है। गतिविधि की एक ऑफ-सिस्टम इकाई अक्सर उपयोग की जाती है - क्यूरी (Ci), 1 ग्राम रेडियम की गतिविधि के बराबर: 1 Ci = 3.7 Bq।

समय के साथ, गतिविधि उसी घातांकीय नियम के अनुसार कम हो जाती है जिसके अनुसार रेडियोन्यूक्लाइड स्वयं क्षय हो जाता है:

= .
व्यवहार में, गतिविधि की गणना के लिए सूत्र का उपयोग किया जाता है:

ए = = λN = 0.693 एन/टी।

यदि हम द्रव्यमान और द्रव्यमान के माध्यम से परमाणुओं की संख्या व्यक्त करते हैं, तो गतिविधि की गणना के लिए सूत्र का रूप होगा: ए = = 0.693 (μT)

अवोगाद्रो का नंबर कहाँ है; μ - दाढ़ द्रव्यमान।

1. रेडियोधर्मिता। रेडियोधर्मी क्षय का मूल नियम. गतिविधि।

2. रेडियोधर्मी क्षय के मुख्य प्रकार।

3. पदार्थ के साथ आयनकारी विकिरण की परस्पर क्रिया की मात्रात्मक विशेषताएँ।

4. प्राकृतिक एवं कृत्रिम रेडियोधर्मिता। रेडियोधर्मी श्रृंखला.

5. चिकित्सा में रेडियोन्यूक्लाइड का उपयोग।

6. आवेशित कणों के त्वरक और चिकित्सा में उनका उपयोग।

7. आयनकारी विकिरण की क्रिया का जैवभौतिकीय आधार।

8. बुनियादी अवधारणाएँ और सूत्र।

9. कार्य.

प्राकृतिक एवं कृत्रिम रेडियोधर्मिता में डॉक्टरों की रुचि निम्नलिखित कारणों से है।

सबसे पहले, सभी जीवित चीजें लगातार प्राकृतिक पृष्ठभूमि विकिरण के संपर्क में रहती हैं, जिसका गठन होता है ब्रह्मांडीय विकिरण, पृथ्वी की पपड़ी की सतह परतों में स्थित रेडियोधर्मी तत्वों का विकिरण, और हवा और भोजन के साथ जानवरों के शरीर में प्रवेश करने वाले तत्वों का विकिरण।

दूसरे, रेडियोधर्मी विकिरण का उपयोग चिकित्सा में ही निदान और चिकित्सीय उद्देश्यों के लिए किया जाता है।

33.1. रेडियोधर्मिता। रेडियोधर्मी क्षय का मूल नियम. गतिविधि

रेडियोधर्मिता की घटना की खोज 1896 में ए. बेकरेल ने की थी, जिन्होंने यूरेनियम लवण से अज्ञात विकिरण के सहज उत्सर्जन को देखा था। जल्द ही ई. रदरफोर्ड और क्यूरीज़ ने स्थापित किया कि रेडियोधर्मी क्षय के दौरान नाभिक (α-कण), इलेक्ट्रॉन (β-कण) और कठोर विद्युत चुम्बकीय विकिरण (γ-किरणें) उत्सर्जित होते हैं।

1934 में, पॉज़िट्रॉन (β + -क्षय) के उत्सर्जन के साथ क्षय की खोज की गई, और 1940 में, एक नए प्रकार की रेडियोधर्मिता की खोज की गई - नाभिक का सहज विखंडन: एक विखंडन नाभिक एक साथ उत्सर्जन के साथ तुलनीय द्रव्यमान के दो टुकड़ों में टूट जाता है न्यूट्रॉन की और γ -क्वांटा. नाभिक की प्रोटॉन रेडियोधर्मिता 1982 में देखी गई।

रेडियोधर्मिता -कुछ परमाणु नाभिकों की कणों के उत्सर्जन के साथ स्वतःस्फूर्त (स्वतः) अन्य नाभिकों में परिवर्तित होने की क्षमता।

परमाणु नाभिक में प्रोटॉन और न्यूट्रॉन होते हैं, जिनका सामान्य नाम है - न्यूक्लियंस.नाभिक में प्रोटॉन की संख्या परमाणु के रासायनिक गुणों को निर्धारित करती है और इसे Z द्वारा दर्शाया जाता है (यह है) क्रम संख्यारासायनिक तत्व)। किसी नाभिक में न्यूक्लिऑन की संख्या कहलाती है द्रव्यमान संख्याऔर निरूपित करें A. समान परमाणु क्रमांक और भिन्न द्रव्यमान संख्या वाले नाभिक कहलाते हैं आइसोटोप.सभी समस्थानिकों में एक रासायनिक तत्व होता है समानरासायनिक गुण. भौतिक गुणआइसोटोप बहुत भिन्न हो सकते हैं।

आइसोटोप को नामित करने के लिए, दो सूचकांकों के साथ एक रासायनिक तत्व के प्रतीक का उपयोग करें: ए जेड एक्स। निचला सूचकांक क्रम संख्या है, ऊपरी सूचकांक द्रव्यमान संख्या है। अक्सर सबस्क्रिप्ट को छोड़ दिया जाता है क्योंकि यह तत्व के प्रतीक द्वारा ही इंगित किया जाता है। उदाहरण के लिए, वे 14 6 सी के स्थान पर 14 सी लिखते हैं।

किसी नाभिक की क्षय करने की क्षमता उसकी संरचना पर निर्भर करती है। एक ही तत्व में स्थिर और रेडियोधर्मी दोनों आइसोटोप हो सकते हैं। उदाहरण के लिए, कार्बन आइसोटोप 12C स्थिर है, लेकिन आइसोटोप 14C रेडियोधर्मी है। रेडियोधर्मी क्षय एक सांख्यिकीय घटना है। किसी आइसोटोप की क्षय करने की क्षमता की विशेषता होती हैλ.

क्षय स्थिरांकक्षय स्थिरांक

- संभावना है कि किसी दिए गए आइसोटोप का नाभिक प्रति इकाई समय में क्षय हो जाएगा।

कम समय dt में परमाणु क्षय की संभावना सूत्र द्वारा ज्ञात की जाती है

सूत्र (33.1) को ध्यान में रखते हुए, हमें एक अभिव्यक्ति मिलती है जो क्षयित नाभिकों की संख्या निर्धारित करती है: सूत्र (33.3) को मुख्य कहा जाता है

घातीय नियम के अनुसार रेडियोधर्मी नाभिकों की संख्या समय के साथ घटती जाती है।

रेडियोधर्मी क्षय का नियम. क्षय स्थिरांकλ एक अन्य मात्रा का अक्सर प्रयोग किया जाता है, जिसे कहा जाता है हाफ लाइफ।

हाफ लाइफ(टी) - वह समय जिसके दौरान इसका क्षय होता है आधारेडियोधर्मी नाभिक.

अर्ध-जीवन का उपयोग करके रेडियोधर्मी क्षय का नियम इस प्रकार लिखा गया है:

निर्भरता का ग्राफ (33.4) चित्र में दिखाया गया है। 33.1.

आधा जीवन बहुत लंबा या बहुत छोटा हो सकता है (एक सेकंड के अंश से लेकर कई अरब वर्षों तक)। तालिका में चित्र 33.1 कुछ तत्वों का आधा जीवन दर्शाता है।

चावल। 33.1.रेडियोधर्मी क्षय के दौरान मूल पदार्थ के नाभिकों की संख्या में कमी

तालिका 33.1.कुछ तत्वों के लिए आधा जीवन

मूल्यांकन के लिए रेडियोधर्मिता की डिग्रीआइसोटोप नामक एक विशेष मात्रा का उपयोग करते हैं गतिविधि।

गतिविधि -प्रति इकाई समय में क्षय होने वाली रेडियोधर्मी दवा के नाभिकों की संख्या:

गतिविधि की SI इकाई है Becquerel(बीक्यू), 1 बीक्यू प्रति सेकंड एक क्षय घटना से मेल खाता है। व्यवहार में, और अधिक

गतिविधि की बचकानी गैर-प्रणालीगत इकाई - क्यूरी(Ci), 1 g 226 Ra की गतिविधि के बराबर: 1 Ci = 3.7x10 10 Bq.

समय के साथ, गतिविधि उसी तरह कम हो जाती है जैसे अक्षयित नाभिकों की संख्या कम हो जाती है:

33.2. रेडियोधर्मी क्षय के मुख्य प्रकार

रेडियोधर्मिता की घटना का अध्ययन करने की प्रक्रिया में, रेडियोधर्मी नाभिक द्वारा उत्सर्जित 3 प्रकार की किरणों की खोज की गई, जिन्हें α-, β- और γ-किरणें कहा गया। बाद में यह पाया गया कि α- और β-कण दो के उत्पाद हैं विभिन्न प्रकाररेडियोधर्मी क्षय, और γ-किरणें इन प्रक्रियाओं का उप-उत्पाद हैं। इसके अलावा, γ-किरणें अधिक जटिल परमाणु परिवर्तनों के साथ आती हैं, जिन पर यहां विचार नहीं किया गया है।

अल्फ़ा क्षयउत्सर्जन के साथ नाभिक के सहज परिवर्तन में शामिल हैα -कण (हीलियम नाभिक)।

α-क्षय योजना इस प्रकार लिखी गई है

जहाँ X, Y क्रमशः माँ और बेटी के नाभिक के प्रतीक हैं। α-क्षय लिखते समय, आप "α" के स्थान पर "He" लिख सकते हैं।

इस क्षय के दौरान, तत्व की परमाणु संख्या Z 2 से कम हो जाती है, और द्रव्यमान संख्या A 4 से कम हो जाती है।

α-क्षय के दौरान, पुत्री नाभिक, एक नियम के रूप में, उत्तेजित अवस्था में बनता है और, जमीनी अवस्था में संक्रमण पर, एक γ-क्वांटम उत्सर्जित करता है। जटिल सूक्ष्म वस्तुओं की सामान्य संपत्ति यह है कि उनके पास है अलगतय करना ऊर्जा अवस्थाएँ. यह बात गुठली पर भी लागू होती है. इसलिए, उत्तेजित नाभिक से γ-विकिरण का एक अलग स्पेक्ट्रम होता है। नतीजतन, α-कणों का ऊर्जा स्पेक्ट्रम है पृथक.

लगभग सभी α-सक्रिय आइसोटोप के लिए उत्सर्जित α-कणों की ऊर्जा 4-9 MeV की सीमा में होती है।

बीटा क्षयइसमें इलेक्ट्रॉनों (या पॉज़िट्रॉन) के उत्सर्जन के साथ नाभिक का सहज परिवर्तन शामिल है।

यह स्थापित किया गया है कि β-क्षय हमेशा एक तटस्थ कण - एक न्यूट्रिनो (या एंटीन्यूट्रिनो) के उत्सर्जन के साथ होता है। यह कण व्यावहारिक रूप से पदार्थ के साथ परस्पर क्रिया नहीं करता है और आगे इस पर विचार नहीं किया जाएगा। बीटा क्षय के दौरान निकलने वाली ऊर्जा को बीटा कण और न्यूट्रिनो के बीच यादृच्छिक रूप से वितरित किया जाता है। इसलिए, β-विकिरण का ऊर्जा स्पेक्ट्रम निरंतर है (चित्र 33.2)।

चावल। 33.2.β-क्षय का ऊर्जा स्पेक्ट्रम

β क्षय दो प्रकार के होते हैं।

1. इलेक्ट्रॉनिकβ - -क्षय में एक परमाणु न्यूट्रॉन का एक प्रोटॉन और एक इलेक्ट्रॉन में परिवर्तन होता है।

इस मामले में, एक और कण ν" प्रकट होता है - एक एंटीन्यूट्रिनो:

नाभिक से एक इलेक्ट्रॉन और एक एंटीन्यूट्रिनो बाहर निकलते हैं। इलेक्ट्रॉन β-क्षय योजना प्रपत्र में लिखी गई है

इलेक्ट्रॉनिक β-क्षय के दौरान, Z तत्व की क्रम संख्या 1 बढ़ जाती है, लेकिन द्रव्यमान संख्या A नहीं बदलती है।

β-कणों की ऊर्जा 0.002-2.3 MeV की सीमा में होती है। 2. पॉज़िट्रोनिक

β + -क्षय में एक परमाणु प्रोटॉन का न्यूट्रॉन और एक पॉज़िट्रॉन में परिवर्तन शामिल होता है। इस मामले में, एक और कण ν प्रकट होता है - एक न्यूट्रिनो:इलेक्ट्रॉन कैप्चर स्वयं आयनकारी कणों का उत्पादन नहीं करता है, लेकिन ऐसा होता है

एक्स-रे विकिरण के साथ।यह विकिरण तब होता है जब आंतरिक इलेक्ट्रॉन के अवशोषण से खाली हुआ स्थान बाहरी कक्षा के इलेक्ट्रॉन से भर जाता है।λ ≤ गामा विकिरण

इसमें विद्युत चुम्बकीय प्रकृति होती है और तरंग दैर्ध्य के साथ फोटॉन का प्रतिनिधित्व करता है 10 -10 मी.गामा विकिरण नहीं है एक स्वतंत्र प्रजातिरेडियोधर्मी क्षय. इस प्रकार का विकिरण लगभग हमेशा न केवल α-क्षय और β-क्षय के साथ होता है, बल्कि अधिक जटिल भी होता है

परमाणु प्रतिक्रियाएँ

. यह विद्युत और चुंबकीय क्षेत्रों से विक्षेपित नहीं होता है, इसमें अपेक्षाकृत कमजोर आयनीकरण और बहुत उच्च भेदन क्षमता होती है। 33.3. पदार्थ के साथ आयनकारी विकिरण की परस्पर क्रिया की मात्रात्मक विशेषताएँजीवित जीवों पर रेडियोधर्मी विकिरण का प्रभाव किससे सम्बंधित है? आयनीकरण,

जो यह ऊतकों में पैदा करता है। किसी कण की आयनित करने की क्षमता उसके प्रकार और उसकी ऊर्जा दोनों पर निर्भर करती है। जैसे ही कोई कण पदार्थ में गहराई तक जाता है, वह अपनी ऊर्जा खो देता है। इस प्रक्रिया को कहा जाता है आयनीकरण निषेध.के लिए

मात्रात्मक विशेषताएँ

किसी आवेशित कण की पदार्थ के साथ परस्पर क्रिया के लिए कई मात्राओं का उपयोग किया जाता है:एक बार जब कण की ऊर्जा आयनीकरण ऊर्जा से नीचे चली जाती है, तो इसका आयनीकरण प्रभाव समाप्त हो जाता है।

आइए कुछ पर नजर डालें विशिष्ट विशेषताएंपदार्थ के साथ विभिन्न प्रकार के विकिरणों की अंतःक्रिया।

अल्फ़ा विकिरण

अल्फा कण व्यावहारिक रूप से अपनी गति की प्रारंभिक दिशा से विचलित नहीं होता है, क्योंकि इसका द्रव्यमान कई गुना अधिक होता है

चावल। 33.3.माध्यम में α-कण द्वारा तय किए गए पथ पर रैखिक आयनीकरण घनत्व की निर्भरता

इलेक्ट्रॉन का वह द्रव्यमान जिसके साथ वह अंतःक्रिया करता है। जैसे-जैसे यह पदार्थ में गहराई से प्रवेश करता है, आयनीकरण घनत्व पहले बढ़ता है, और जब रन का पूरा होना (x = R)तेजी से शून्य तक गिर जाता है (चित्र 33.3)। यह इस तथ्य से समझाया गया है कि जैसे-जैसे गति की गति कम होती जाती है, माध्यम के एक अणु (परमाणु) के पास रहने का समय बढ़ता जाता है। इस स्थिति में आयनीकरण की संभावना बढ़ जाती है। α कण की ऊर्जा आणविक थर्मल गति की ऊर्जा के बराबर होने के बाद, यह पदार्थ में दो इलेक्ट्रॉनों को पकड़ लेता है और हीलियम परमाणु में बदल जाता है।

आयनीकरण प्रक्रिया के दौरान बनने वाले इलेक्ट्रॉन, एक नियम के रूप में, α-कण ट्रैक से दूर चले जाते हैं और द्वितीयक आयनीकरण का कारण बनते हैं।

पानी और कोमल ऊतकों के साथ α-कणों की परस्पर क्रिया की विशेषताएं तालिका में प्रस्तुत की गई हैं। 33.2.

तालिका 33.2.α-कणों की ऊर्जा पर पदार्थ के साथ अंतःक्रिया की विशेषताओं की निर्भरता

बीटा विकिरण

आंदोलन के लिए β -पदार्थ में कणों को एक घुमावदार अप्रत्याशित प्रक्षेपवक्र की विशेषता होती है। यह परस्पर क्रिया करने वाले कणों के द्रव्यमान की समानता के कारण है।

इंटरेक्शन विशेषताएँ β -पानी और कोमल ऊतकों वाले कण तालिका में प्रस्तुत किए गए हैं। 33.3.

तालिका 33.3.β-कणों की ऊर्जा पर पदार्थ के साथ अंतःक्रिया की विशेषताओं की निर्भरता

α कणों की तरह, β कणों की आयनीकरण क्षमता घटती ऊर्जा के साथ बढ़ती है।

एक्स-रे विकिरण के साथ।

अवशोषण γ -पदार्थ द्वारा विकिरण एक्स-रे विकिरण के अवशोषण के नियम के समान एक घातांकीय नियम का पालन करता है:

अवशोषण के लिए उत्तरदायी मुख्य प्रक्रियाएँ γ -विकिरण फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव और कॉम्पटन स्कैटरिंग हैं। इस मामले में, अपेक्षाकृत छोटी मात्रामुक्त इलेक्ट्रॉन (प्राथमिक आयनीकरण), जिनमें बहुत अधिक ऊर्जा होती है। वे द्वितीयक आयनीकरण की प्रक्रियाओं का कारण बनते हैं, जो प्राथमिक आयनीकरण की तुलना में अतुलनीय रूप से अधिक है।

33.4. प्राकृतिक और कृत्रिम

रेडियोधर्मिता। रेडियोधर्मी श्रृंखला

शर्तें प्राकृतिकऔर कृत्रिमरेडियोधर्मिता सशर्त है।

प्राकृतिकप्रकृति में मौजूद आइसोटोप की रेडियोधर्मिता, या प्राकृतिक प्रक्रियाओं के परिणामस्वरूप बने आइसोटोप की रेडियोधर्मिता कहा जाता है।

उदाहरण के लिए, यूरेनियम की रेडियोधर्मिता प्राकृतिक है। कार्बन 14C की रेडियोधर्मिता, जो बनती है ऊपरी परतेंसौर विकिरण के प्रभाव में वातावरण।

कृत्रिमआइसोटोप की रेडियोधर्मिता कहलाती है जो मानव गतिविधि के परिणामस्वरूप उत्पन्न होती है।

यह कण त्वरक में उत्पादित सभी आइसोटोप की रेडियोधर्मिता है। इसमें मिट्टी, पानी और हवा की रेडियोधर्मिता भी शामिल है जो परमाणु विस्फोट के दौरान होती है।

प्राकृतिक रेडियोधर्मिता

में प्रारम्भिक कालरेडियोधर्मिता का अध्ययन करने के लिए, शोधकर्ता केवल पृथ्वी की चट्टानों में पर्याप्त मात्रा में मौजूद प्राकृतिक रेडियोन्यूक्लाइड (रेडियोधर्मी आइसोटोप) का उपयोग कर सकते हैं बड़ी मात्रा में: 232 थ, 235 यू, 238 यू। तीन रेडियोधर्मी श्रृंखलाएं इन रेडियोन्यूक्लाइड्स से शुरू होती हैं, जो स्थिर आइसोटोप पीबी के साथ समाप्त होती हैं। इसके बाद, 237 एनपी से शुरू होने वाली एक श्रृंखला की खोज की गई, जिसका अंतिम स्थिर केंद्रक 209 बीआई था। चित्र में. चित्र 33.4 238 यू से शुरू होने वाली पंक्ति को दर्शाता है।

चावल। 33.4.यूरेनियम-रेडियम श्रृंखला

इस श्रृंखला के तत्व आंतरिक मानव विकिरण का मुख्य स्रोत हैं। उदाहरण के लिए, 210 पीबी और 210 पीओ भोजन के साथ शरीर में प्रवेश करते हैं - वे मछली और शंख में केंद्रित होते हैं। ये दोनों आइसोटोप लाइकेन में जमा होते हैं और इसलिए मांस में मौजूद होते हैं हिरन. विकिरण के सभी प्राकृतिक स्रोतों में सबसे महत्वपूर्ण 222 Rn है - 226 Ra के क्षय से उत्पन्न एक भारी अक्रिय गैस।

यह मनुष्यों द्वारा प्राप्त प्राकृतिक विकिरण की लगभग आधी खुराक है। पृथ्वी की पपड़ी में निर्मित यह गैस वायुमंडल में रिसती है और पानी में प्रवेश करती है (यह अत्यधिक घुलनशील होती है)।

पोटेशियम का रेडियोधर्मी आइसोटोप 40 K पृथ्वी की पपड़ी में लगातार मौजूद रहता है, जो प्राकृतिक पोटेशियम (0.0119%) का हिस्सा है। मिट्टी से, यह तत्व पौधों की जड़ प्रणाली और पौधों के खाद्य पदार्थों (अनाज, ताजी सब्जियां और फल, मशरूम) के साथ शरीर में प्रवेश करता है।

प्राकृतिक विकिरण का एक अन्य स्रोत ब्रह्मांडीय विकिरण (15%) है। पर्वतीय क्षेत्रों में वायुमंडल के सुरक्षात्मक प्रभाव में कमी के कारण इसकी तीव्रता बढ़ जाती है। प्राकृतिक पृष्ठभूमि विकिरण के स्रोत तालिका में सूचीबद्ध हैं। 33.4.तालिका 33.4.

प्राकृतिक रेडियोधर्मी पृष्ठभूमि का घटक

33.5. चिकित्सा में रेडियोन्यूक्लाइड का उपयोगरेडिओन्युक्लिआइड

अल्प आयु वाले रासायनिक तत्वों के रेडियोधर्मी समस्थानिक कहलाते हैं। ऐसे आइसोटोप प्रकृति में मौजूद नहीं होते हैं, इसलिए इन्हें कृत्रिम रूप से प्राप्त किया जाता है। आधुनिक चिकित्सा में, निदान और चिकित्सीय उद्देश्यों के लिए रेडियोन्यूक्लाइड का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। व्यक्तिगत अंगों द्वारा कुछ रासायनिक तत्वों के चयनात्मक संचय पर आधारित। उदाहरण के लिए, आयोडीन थायरॉयड ग्रंथि में केंद्रित होता है, और कैल्शियम हड्डियों में।

शरीर में इन तत्वों के रेडियोआइसोटोप का परिचय रेडियोधर्मी विकिरण द्वारा उनकी एकाग्रता के क्षेत्रों का पता लगाना संभव बनाता है और इस प्रकार महत्वपूर्ण नैदानिक ​​​​जानकारी प्राप्त करता है। इस निदान पद्धति को कहा जाता है लेबल परमाणु विधि द्वारा.

चिकित्सीय उपयोग रेडियोन्यूक्लाइड ट्यूमर कोशिकाओं पर आयनकारी विकिरण के विनाशकारी प्रभाव पर आधारित है।

1. गामा थेरेपी- गहराई में मौजूद ट्यूमर को नष्ट करने के लिए उच्च-ऊर्जा γ-विकिरण (60 Co स्रोत) का उपयोग। सतही ऊतकों और अंगों को हानिकारक प्रभावों से बचाने के लिए, अलग-अलग सत्रों में अलग-अलग दिशाओं में आयनीकृत विकिरण का संपर्क किया जाता है।

2. अल्फ़ा थेरेपी- α-कणों का चिकित्सीय उपयोग। इन कणों में एक महत्वपूर्ण रैखिक आयनीकरण घनत्व होता है और ये हवा की एक छोटी परत द्वारा भी अवशोषित हो जाते हैं। इसलिए उपचारात्मक

अल्फा किरणों का उपयोग अंग की सतह के सीधे संपर्क के माध्यम से या आंतरिक रूप से प्रशासित होने पर (सुई का उपयोग करके) संभव है। सतह के संपर्क के लिए, रेडॉन थेरेपी (222 आरएन) का उपयोग किया जाता है: त्वचा (स्नान), पाचन अंगों (पीने), और श्वसन अंगों (साँस लेना) के संपर्क में।

कुछ मामलों में, औषधीय उपयोग α -कण न्यूट्रॉन फ्लक्स के उपयोग से जुड़े हैं। इस विधि से, तत्वों को पहले ऊतक (ट्यूमर) में पेश किया जाता है, जिसके नाभिक न्यूट्रॉन के प्रभाव में उत्सर्जित होते हैं α -कण. इसके बाद, रोगग्रस्त अंग को न्यूट्रॉन की एक धारा से विकिरणित किया जाता है। इस प्रकार से α -कण सीधे उस अंग के अंदर बनते हैं जिस पर उनका विनाशकारी प्रभाव होना चाहिए।

तालिका 33.5 चिकित्सा में प्रयुक्त कुछ रेडियोन्यूक्लाइड्स की विशेषताओं को दर्शाती है।

तालिका 33.5.आइसोटोप के लक्षण

33.6. आवेशित कण त्वरक और चिकित्सा में उनका उपयोग

त्वरक- एक संस्थापन जिसमें, विद्युत और चुंबकीय क्षेत्रों के प्रभाव में, उच्च ऊर्जा (सैकड़ों केवी से सैकड़ों GeV तक) वाले आवेशित कणों की निर्देशित किरणें उत्पन्न होती हैं।

त्वरक बनाते हैं सँकराकिसी दी गई ऊर्जा और छोटे क्रॉस सेक्शन वाले कणों की किरणें। यह आपको प्रदान करने की अनुमति देता है निर्देशितविकिरणित वस्तुओं पर प्रभाव।

चिकित्सा में त्वरक का उपयोग

इलेक्ट्रॉन और प्रोटॉन त्वरक का उपयोग चिकित्सा में विकिरण चिकित्सा और निदान के लिए किया जाता है। इस मामले में, स्वयं त्वरित कण और साथ में आने वाले एक्स-रे विकिरण दोनों का उपयोग किया जाता है।

ब्रेम्सस्ट्रालंग एक्स-रेकणों की किरण को एक विशेष लक्ष्य की ओर निर्देशित करके प्राप्त किया जाता है, जो एक्स-रे का स्रोत है। यह विकिरण एक्स-रे ट्यूब से काफी अधिक क्वांटम ऊर्जा से भिन्न होता है।

सिंक्रोट्रॉन एक्स-रेरिंग त्वरक - सिंक्रोट्रॉन में इलेक्ट्रॉनों के त्वरण के दौरान होता है। इस तरह के विकिरण में उच्च स्तर की दिशात्मकता होती है।

तेज़ कणों का सीधा प्रभाव उनकी उच्च भेदन क्षमता से जुड़ा होता है। ऐसे कण गंभीर क्षति पहुंचाए बिना सतही ऊतकों से गुजरते हैं और अपनी यात्रा के अंत में एक आयनीकरण प्रभाव डालते हैं। उपयुक्त कण ऊर्जा का चयन करके, एक निश्चित गहराई पर ट्यूमर को नष्ट करना संभव है।

चिकित्सा में त्वरक के अनुप्रयोग के क्षेत्र तालिका में दिखाए गए हैं। 33.6.

तालिका 33.6.चिकित्सा और निदान में त्वरक का अनुप्रयोग

33.7. आयनीकृत विकिरण की क्रिया का जैवभौतिकीय आधार

जैसा कि ऊपर उल्लेख किया गया है, जैविक प्रणालियों पर रेडियोधर्मी विकिरण का प्रभाव जुड़ा हुआ है अणुओं का आयनीकरण.कोशिकाओं के साथ विकिरण की अंतःक्रिया की प्रक्रिया को तीन क्रमिक चरणों (चरणों) में विभाजित किया जा सकता है।

1. भौतिक अवस्था के होते हैं ऊर्जा अंतरणएक जैविक प्रणाली के अणुओं को विकिरण, जिसके परिणामस्वरूप उनका आयनीकरण और उत्तेजना होती है। इस चरण की अवधि 10 -16 -10 -13 सेकेंड है।

2. भौतिक रासायनिक मंच के होते हैं विभिन्न प्रकारउत्तेजित अणुओं और आयनों की अतिरिक्त ऊर्जा के पुनर्वितरण की ओर ले जाने वाली प्रतिक्रियाएँ। परिणामस्वरूप, अत्यधिक सक्रिय

उत्पाद: रासायनिक गुणों की एक विस्तृत श्रृंखला के साथ कट्टरपंथी और नए आयन।

इस चरण की अवधि 10 -13 -10 -10 सेकेंड है।

3. रासायनिक चरण - यह रेडिकल और आयनों की एक दूसरे के साथ और आसपास के अणुओं के साथ परस्पर क्रिया है। इस स्तर पर, विभिन्न प्रकार की संरचनात्मक क्षति होती है, जिससे जैविक गुणों में परिवर्तन होता है: झिल्ली की संरचना और कार्य बाधित होते हैं; डीएनए और आरएनए अणुओं में घाव होते हैं।

रासायनिक चरण की अवधि 10 -6 -10 -3 सेकेंड है।

4. जैविक अवस्था. इस स्तर पर, अणुओं और उपकोशिकीय संरचनाओं को नुकसान होने से विभिन्न कार्यात्मक विकार होते हैं, एपोप्टोटिक तंत्र की कार्रवाई के परिणामस्वरूप या नेक्रोसिस के कारण समय से पहले कोशिका मृत्यु हो जाती है। जैविक स्तर पर प्राप्त क्षति विरासत में मिल सकती है।

जैविक अवस्था की अवधि कई मिनटों से लेकर दसियों वर्षों तक होती है।

आइए हम जैविक चरण के सामान्य पैटर्न पर ध्यान दें:

कम अवशोषित ऊर्जा के साथ बड़ी गड़बड़ी (मनुष्यों के लिए विकिरण की एक घातक खुराक के कारण शरीर केवल 0.001°C तक गर्म हो जाता है);

कोशिका के वंशानुगत तंत्र के माध्यम से आने वाली पीढ़ियों पर प्रभाव;

एक छिपी हुई, अव्यक्त अवधि द्वारा विशेषता;

कोशिकाओं के विभिन्न भागों में विकिरण के प्रति अलग-अलग संवेदनशीलता होती है;

सबसे पहले, विभाजित कोशिकाएं प्रभावित होती हैं, जो कि बच्चे के शरीर के लिए विशेष रूप से खतरनाक है;

एक वयस्क जीव के ऊतकों पर हानिकारक प्रभाव जिसमें विभाजन होता है;

प्रारंभिक उम्र बढ़ने की विकृति के साथ विकिरण की समानता बदल जाती है।

33.8. बुनियादी अवधारणाएँ और सूत्र

तालिका की निरंतरता

33.9. कार्य

1. यदि इस पदार्थ के 10,000 नाभिक 10 मिनट के भीतर क्षय हो जाएं तो दवा की गतिविधि क्या है?

4. प्राचीन लकड़ी के नमूनों की उम्र लगभग उनमें मौजूद 14 6 सी आइसोटोप की विशिष्ट द्रव्यमान गतिविधि से निर्धारित की जा सकती है। कितने वर्ष पहले उस पेड़ को काटा गया था जिसका उपयोग किसी वस्तु को बनाने के लिए किया गया था, यदि उसमें कार्बन की विशिष्ट द्रव्यमान गतिविधि बढ़ते पेड़ की विशिष्ट द्रव्यमान गतिविधि का 75% है? रेडॉन का आधा जीवन T = 5570 वर्ष है।

9. चेरनोबिल दुर्घटना के बाद, कुछ स्थानों पर रेडियोधर्मी सीज़ियम-137 के साथ मिट्टी का संदूषण 45 Ci/km 2 के स्तर पर था।

कितने वर्षों के बाद इन स्थानों में गतिविधि घटकर 5 Ci/km 2 के अपेक्षाकृत सुरक्षित स्तर पर आ जाएगी? सीज़ियम-137 का आधा जीवन T = 30 वर्ष है।

10. मानव थायरॉयड ग्रंथि में आयोडीन-131 की अनुमेय गतिविधि 5 nCi से अधिक नहीं होनी चाहिए। कुछ लोग जो चेरनोबिल आपदा क्षेत्र में थे, आयोडीन-131 की गतिविधि 800 nCi तक पहुंच गई। कितने दिनों के बाद गतिविधि कम होकर सामान्य हो गई? आयोडीन-131 का आधा जीवन 8 दिन है।

11. किसी जानवर के रक्त की मात्रा निर्धारित करने के लिए निम्नलिखित विधि का उपयोग किया जाता है। जानवर से थोड़ी मात्रा में रक्त लिया जाता है, लाल रक्त कोशिकाओं को प्लाज्मा से अलग किया जाता है और रेडियोधर्मी फास्फोरस के साथ एक घोल में रखा जाता है, जिसे लाल रक्त कोशिकाओं द्वारा आत्मसात कर लिया जाता है। लेबल की गई लाल रक्त कोशिकाओं को जानवर के संचार तंत्र में पुनः शामिल किया जाता है, और कुछ समय बाद रक्त के नमूने की गतिविधि निर्धारित की जाती है।

ΔV = ऐसे घोल का 1 मिलीलीटर किसी जानवर के खून में इंजेक्ट किया गया था। इस आयतन की प्रारंभिक गतिविधि A 0 = 7000 Bq के बराबर थी। एक दिन बाद किसी जानवर की नस से लिए गए 1 मिलीलीटर रक्त की गतिविधि 38 पल्स प्रति मिनट के बराबर थी। यदि रेडियोधर्मी फास्फोरस का आधा जीवन T = 14.3 दिन है तो पशु के रक्त की मात्रा निर्धारित करें।

अंतर्गत रेडियोधर्मी क्षय, या बस विघटन, नाभिक के प्राकृतिक रेडियोधर्मी परिवर्तन को समझें, जो अनायास होता है। रेडियोधर्मी क्षय से गुजरने वाले परमाणु नाभिक को कहा जाता है मातृ, उभरता हुआ कोर - सहायक.

रेडियोधर्मी क्षय का सिद्धांत इस धारणा पर आधारित है कि रेडियोधर्मी क्षय एक सहज प्रक्रिया है जो सांख्यिकी के नियमों का पालन करती है। चूँकि अलग-अलग रेडियोधर्मी नाभिक एक-दूसरे से स्वतंत्र रूप से क्षय करते हैं, हम मान सकते हैं कि नाभिकों की संख्या d है एन, से समय अंतराल के दौरान औसतन क्षय हुआ टीको टी + डीटी, समय अवधि के लिए आनुपातिक डीटीऔर संख्या एनउस समय अविघटित नाभिक टी:

किसी दिए गए के लिए स्थिरांक कहां है रेडियोधर्मी पदार्थमात्रा कहलाती है रेडियोधर्मी क्षय स्थिरांक; ऋण चिह्न यह दर्शाता है कुल गणनाक्षय प्रक्रिया के दौरान रेडियोधर्मी नाभिक कम हो जाते हैं।

चरों को अलग करके और एकीकृत करके, अर्थात

(256.2)

उस समय अक्षयित नाभिकों की प्रारंभिक संख्या कहाँ है? टी = 0), एन- एक समय में अविक्षयित नाभिकों की संख्या टी. सूत्र (256.2) व्यक्त करता है रेडियोधर्मी क्षय का नियम, जिसके अनुसार समय के साथ अक्षयित नाभिकों की संख्या तेजी से घटती है।

रेडियोधर्मी क्षय प्रक्रिया की तीव्रता को दो मात्राओं द्वारा दर्शाया जाता है: रेडियोधर्मी नाभिक का आधा जीवन और औसत जीवनकाल। हाफ लाइफ- वह समय जिसके दौरान रेडियोधर्मी नाभिकों की प्रारंभिक संख्या औसतन आधी हो जाती है। फिर, (256.2) के अनुसार,

प्राकृतिक रूप से रेडियोधर्मी तत्वों का आधा जीवन एक सेकंड के दस लाखवें हिस्से से लेकर कई अरब वर्षों तक होता है।

कुल जीवन प्रत्याशा डीएनकोर के बराबर है . इस अभिव्यक्ति को सभी संभव से एकीकृत करके टी(अर्थात 0 से ) और कोर की प्रारंभिक संख्या से विभाजित करने पर, हमें प्राप्त होता है औसत जीवन कालरेडियोधर्मी नाभिक:

(ध्यान में लिया गया (256.2))। इस प्रकार, एक रेडियोधर्मी नाभिक का औसत जीवनकाल रेडियोधर्मी क्षय स्थिरांक का व्युत्क्रम होता है।

गतिविधि एन्यूक्लाइड (साधारण नामपरमाणु नाभिक जो प्रोटॉन की संख्या में भिन्न होते हैं जेडऔर न्यूट्रॉन एन) वी रेडियोधर्मी स्रोत 1 एस में एक नमूने के नाभिक के साथ होने वाले क्षयों की संख्या है:

(256.3)

गतिविधि की SI इकाई है Becquerel(बीक्यू): 1 बीक्यू - एक न्यूक्लाइड की गतिविधि, जिस पर 1 एस में एक क्षय घटना होती है। अभी भी अंदर परमाणु भौतिकीरेडियोधर्मी स्रोत में न्यूक्लाइड की गतिविधि की एक ऑफ-सिस्टम इकाई का भी उपयोग किया जाता है - क्यूरी(Ci): 1 Ci = 3.7×10 10 Bq. रेडियोधर्मी क्षय तथाकथित के अनुसार होता है विस्थापन नियम, हमें यह स्थापित करने की अनुमति देता है कि किसी दिए गए मूल नाभिक के क्षय के परिणामस्वरूप कौन सा नाभिक उत्पन्न होता है। ऑफसेट नियम:

के लिए -क्षय

(256.4)

के लिए -क्षय

(256.5)

मातृ नाभिक कहां है, Y पुत्री नाभिक का प्रतीक है, हीलियम नाभिक (-कण) है, इलेक्ट्रॉन का प्रतीकात्मक पदनाम है (इसका आवेश -1 है और इसकी द्रव्यमान संख्या शून्य है)। विस्थापन नियम दो कानूनों के परिणाम से अधिक कुछ नहीं हैं जो रेडियोधर्मी क्षय के दौरान लागू होते हैं - विद्युत आवेश का संरक्षण और द्रव्यमान संख्या का संरक्षण: परिणामी नाभिक और कणों के आवेशों (द्रव्यमान संख्या) का योग आवेश के बराबर होता है (द्रव्यमान संख्या) मूल नाभिक की।

रेडियोधर्मी क्षय से उत्पन्न नाभिक, बदले में, रेडियोधर्मी हो सकता है। इससे उद्भव होता है चेन, या पंक्ति, रेडियोधर्मी परिवर्तन एक स्थिर तत्व के साथ समाप्त होना। ऐसी श्रृंखला बनाने वाले तत्वों के समूह को कहा जाता है रेडियोधर्मी परिवार.

विस्थापन नियम (256.4) और (256.5) से यह निष्कर्ष निकलता है कि -क्षय के दौरान द्रव्यमान संख्या 4 से घट जाती है, लेकिन -क्षय के दौरान नहीं बदलती है। इसलिए, एक ही रेडियोधर्मी परिवार के सभी नाभिकों के लिए, द्रव्यमान संख्या को 4 से विभाजित करने पर शेषफल समान होता है। इस प्रकार, चार अलग-अलग रेडियोधर्मी परिवार हैं, जिनमें से प्रत्येक के लिए द्रव्यमान संख्याएँ निम्नलिखित सूत्रों में से एक द्वारा दी गई हैं:

ए = 4एन, 4एन+1, 4एन+2, 4एन+3,

कहाँ एन- साबुत सकारात्मक संख्या. परिवारों का नाम सबसे लंबे समय तक जीवित रहने वाले (सबसे लंबे आधे जीवन वाले) "पूर्वजों" के आधार पर रखा गया है: थोरियम (से), नेप्च्यूनियम (से), यूरेनियम (से) और समुद्री एनीमोन (से) के परिवार। क्रमशः अंतिम न्यूक्लाइड हैं, , , , यानी नेपच्यूनियम (कृत्रिम रूप से रेडियोधर्मी नाभिक) का एकमात्र परिवार एक न्यूक्लाइड के साथ समाप्त होता है द्वि, और बाकी सभी (प्राकृतिक रूप से रेडियोधर्मी नाभिक) न्यूक्लाइड हैं पंजाब.

§ 257. क्षय के नियम

वर्तमान में, दो सौ से अधिक सक्रिय नाभिक ज्ञात हैं, मुख्यतः भारी ( ए > 200, जेड>82). -सक्रिय नाभिकों का केवल एक छोटा समूह ही क्षेत्रों में पाया जाता है ए= 140 ¸ 160 ( दुर्लभ पृथ्वी). -विघटन विस्थापन नियम (256.4) का पालन करता है। -क्षय का एक उदाहरण यूरेनियम के समस्थानिक के निर्माण के साथ उसका क्षय है वां:

क्षय के दौरान उत्सर्जित कणों का वेग बहुत अधिक होता है और विभिन्न नाभिकों के लिए 1.4 × 10 7 से 2 × 10 7 m/s तक होता है, जो 4 से 8.8 MeV तक की ऊर्जा के अनुरूप होता है। आधुनिक अवधारणाओं के अनुसार, -कण रेडियोधर्मी क्षय के क्षण में बनते हैं जब नाभिक के अंदर घूम रहे दो प्रोटॉन और दो न्यूट्रॉन मिलते हैं।

किसी विशिष्ट नाभिक द्वारा उत्सर्जित कणों में आमतौर पर एक निश्चित ऊर्जा होती है। हालाँकि, अधिक सूक्ष्म मापों से पता चला है कि किसी दिए गए रेडियोधर्मी तत्व द्वारा उत्सर्जित -कणों का ऊर्जा स्पेक्ट्रम एक "बारीक संरचना" प्रदर्शित करता है, अर्थात, -कणों के कई समूह उत्सर्जित होते हैं, और प्रत्येक समूह के भीतर उनकी ऊर्जाएँ व्यावहारिक रूप से स्थिर होती हैं। -कणों का अलग-अलग स्पेक्ट्रम इंगित करता है कि परमाणु नाभिक में अलग-अलग ऊर्जा स्तर होते हैं।

- क्षय की विशेषता अर्ध-जीवन और ऊर्जा के बीच एक मजबूत संबंध है ईउड़ते हुए कण. यह रिश्ता अनुभवजन्य रूप से निर्धारित होता है गीगर-नटाल कानून(1912) (डी. नटॉल (1890-1958) - अंग्रेजी भौतिक विज्ञानी, एच. गीगर (1882-1945) - जर्मन भौतिक विज्ञानी), जिसे आमतौर पर के बीच संबंध के रूप में व्यक्त किया जाता है लाभ(किसी पदार्थ के पूर्ण रूप से रुकने से पहले उसके कण द्वारा तय की गई दूरी) - हवा में कण और रेडियोधर्मी क्षय स्थिरांक:

(257.1)

कहाँ एऔर में- अनुभवजन्य स्थिरांक, . (257.1) के अनुसार, किसी रेडियोधर्मी तत्व का आधा जीवन जितना छोटा होगा, उसकी सीमा उतनी ही अधिक होगी, और इसलिए उसके द्वारा उत्सर्जित कणों की ऊर्जा भी उतनी ही अधिक होगी। हवा में कणों की सीमा (पर.) सामान्य स्थितियाँ) कई सेंटीमीटर है; सघन मीडिया में यह बहुत छोटा है, एक मिलीमीटर के सौवें हिस्से के बराबर (-कणों को कागज की एक साधारण शीट से रोका जा सकता है)।

यूरेनियम नाभिक पर -कणों के प्रकीर्णन पर रदरफोर्ड के प्रयोगों से पता चला कि 8.8 MeV की ऊर्जा तक के -कण नाभिक पर रदरफोर्ड प्रकीर्णन का अनुभव करते हैं, अर्थात, नाभिक से -कणों पर कार्य करने वाली शक्तियों को कूलम्ब के नियम द्वारा वर्णित किया गया है। -कणों का इस प्रकार बिखरना यह दर्शाता है कि उन्होंने अभी तक परमाणु बलों की कार्रवाई के क्षेत्र में प्रवेश नहीं किया है, यानी, हम यह निष्कर्ष निकाल सकते हैं कि नाभिक एक संभावित अवरोध से घिरा हुआ है, जिसकी ऊंचाई 8.8 MeV से कम नहीं है। दूसरी ओर, यूरेनियम द्वारा उत्सर्जित कणों की ऊर्जा 4.2 MeV होती है। नतीजतन, -कण संभावित अवरोध की ऊंचाई से काफी कम ऊर्जा के साथ -रेडियोधर्मी नाभिक से बाहर निकलते हैं। शास्त्रीय यांत्रिकी इस परिणाम की व्याख्या नहीं कर सके।

-क्षय के लिए एक स्पष्टीकरण क्वांटम यांत्रिकी द्वारा दिया गया है, जिसके अनुसार नाभिक से एक -कण का निकलना टनलिंग प्रभाव के कारण संभव है (देखें §221) - एक संभावित अवरोध के माध्यम से एक -कण का प्रवेश। हमेशा एक गैर-शून्य संभावना होती है कि संभावित अवरोध की ऊंचाई से कम ऊर्जा वाला एक कण इसके माध्यम से गुजर जाएगा, अर्थात, वास्तव में, संभावित अवरोध की ऊंचाई से कम ऊर्जा वाले कण रेडियोधर्मी नाभिक से बाहर निकल सकते हैं। . यह प्रभाव पूर्णतः -कणों की तरंग प्रकृति के कारण होता है।

किसी कण के संभावित अवरोध से गुजरने की संभावना उसके आकार से निर्धारित होती है और श्रोडिंगर समीकरण के आधार पर गणना की जाती है। आयताकार ऊर्ध्वाधर दीवारों वाले संभावित अवरोध के सबसे सरल मामले में (चित्र 298 देखें), ए) पारदर्शिता गुणांक, जो इसके माध्यम से गुजरने की संभावना निर्धारित करता है, पहले चर्चा किए गए सूत्र (221.7) द्वारा निर्धारित किया जाता है:

इस अभिव्यक्ति का विश्लेषण करते हुए, हम देखते हैं कि पारदर्शिता गुणांक डीजितना लंबा (इसलिए, आधा जीवन जितना छोटा) ऊंचाई उतनी ही छोटी ( यू) और चौड़ाई ( एल) अवरोध -कण के मार्ग में है। इसके अलावा, समान संभावित वक्र के साथ, किसी कण की ऊर्जा जितनी अधिक होगी, उसके मार्ग में बाधा उतनी ही छोटी होगी। ई. इस प्रकार, गीगर-नटाल कानून गुणात्मक रूप से पुष्टि की गई है (देखें (257.1))।

§ 258.-विघटन. न्युट्रीनो

-क्षय की घटना (भविष्य में यह दिखाया जाएगा कि वहाँ है और (-क्षय) विस्थापन नियम (256.5) का पालन करता है

और एक इलेक्ट्रॉन की रिहाई से जुड़ा हुआ है। क्षय की व्याख्या में हमें कई कठिनाइयों से पार पाना पड़ा।

सबसे पहले, क्षय प्रक्रिया के दौरान उत्सर्जित इलेक्ट्रॉनों की उत्पत्ति को प्रमाणित करना आवश्यक था। नाभिक की प्रोटॉन-न्यूट्रॉन संरचना नाभिक से इलेक्ट्रॉन के निकलने की संभावना को बाहर कर देती है, क्योंकि नाभिक में कोई इलेक्ट्रॉन नहीं होते हैं। धारणा यह है कि इलेक्ट्रॉन नाभिक से नहीं, बल्कि बाहर निकलते हैं इलेक्ट्रॉन कवच, अस्थिर है, तब से ऑप्टिकल या एक्स-रे विकिरण का अवलोकन किया जाना चाहिए, जो प्रयोगों द्वारा पुष्टि नहीं की गई है।

दूसरे, उत्सर्जित इलेक्ट्रॉनों के ऊर्जा स्पेक्ट्रम की निरंतरता को समझाना आवश्यक था (सभी आइसोटोप के लिए विशिष्ट -कणों का ऊर्जा वितरण वक्र चित्र 343 में दिखाया गया है)।

सक्रिय नाभिक, जिनमें क्षय से पहले और बाद में अच्छी तरह से परिभाषित ऊर्जा होती है, शून्य से एक निश्चित अधिकतम तक ऊर्जा मूल्यों वाले इलेक्ट्रॉनों का उत्सर्जन कैसे कर सकते हैं? अर्थात् उत्सर्जित इलेक्ट्रॉनों का ऊर्जा स्पेक्ट्रम सतत् होता है? यह परिकल्पना कि β-क्षय के दौरान इलेक्ट्रॉन सख्ती से परिभाषित ऊर्जाओं के साथ नाभिक छोड़ते हैं, लेकिन कुछ माध्यमिक इंटरैक्शन के परिणामस्वरूप वे अपनी ऊर्जा का एक या दूसरा हिस्सा खो देते हैं, जिससे उनका मूल असतत स्पेक्ट्रम एक निरंतर में बदल जाता है, प्रत्यक्ष रूप से खंडन किया गया था कैलोरीमीटर प्रयोग. चूंकि अधिकतम ऊर्जा मां और बेटी के नाभिक के द्रव्यमान में अंतर से निर्धारित होती है, तो इलेक्ट्रॉन ऊर्जा का क्षय होता है< , 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.

तीसरा, क्षय के दौरान स्पिन गैर-संरक्षण से निपटना आवश्यक था। -क्षय के दौरान, नाभिक में न्यूक्लियॉन की संख्या नहीं बदलती (क्योंकि द्रव्यमान संख्या नहीं बदलती) ए), इसलिए नाभिक का चक्कर, जो सम के लिए एक पूर्णांक के बराबर है एऔर विषम के लिए अर्ध-पूर्णांक ए. हालाँकि, स्पिन /2 के साथ एक इलेक्ट्रॉन की रिहाई से नाभिक के स्पिन में /2 की मात्रा में परिवर्तन होना चाहिए।

पिछली दो कठिनाइयों ने डब्ल्यू. पाउली को इस परिकल्पना (1931) तक पहुँचाया कि -क्षय के दौरान, इलेक्ट्रॉन के साथ एक और तटस्थ कण उत्सर्जित होता है - न्युट्रीनो. न्यूट्रिनो में शून्य चार्ज, स्पिन/2 और शून्य (या बल्कि) होता है< 10 -4 ) массу покоя; обозначается . Впоследствии оказалось, что при - क्षय, यह न्यूट्रिनो नहीं है जो उत्सर्जित होता है, लेकिन एंटीन्यूट्रिनो(न्यूट्रिनो के संबंध में एंटीपार्टिकल; द्वारा निरूपित)।

न्यूट्रिनो के अस्तित्व की परिकल्पना ने ई. फर्मी को -क्षय (1934) का सिद्धांत बनाने की अनुमति दी, जिसने आज तक काफी हद तक अपना महत्व बरकरार रखा है, हालांकि न्यूट्रिनो का अस्तित्व प्रयोगात्मक रूप से 20 साल बाद (1956) साबित हुआ था। न्यूट्रिनो की इतनी लंबी "खोज" न्यूट्रिनो में विद्युत आवेश और द्रव्यमान की कमी के कारण बड़ी कठिनाइयों से जुड़ी है। न्यूट्रिनो एकमात्र कण है जो मजबूत या विद्युत चुम्बकीय संपर्क में भाग नहीं लेता है; एकमात्र प्रकार की अंतःक्रिया जिसमें न्यूट्रिनो भाग ले सकते हैं वह कमजोर अंतःक्रिया है। इसलिए, न्यूट्रिनो का प्रत्यक्ष अवलोकन बहुत कठिन है। न्यूट्रिनो की आयनीकरण क्षमता इतनी कम है कि प्रति 500 ​​किलोमीटर की यात्रा में हवा में एक आयनीकरण घटना घटित होती है। न्यूट्रिनो की भेदन क्षमता इतनी अधिक है (सीसे में 1 MeV की ऊर्जा वाले न्यूट्रिनो की सीमा लगभग 1018 मीटर है!), जिससे इन कणों को उपकरणों में समाहित करना मुश्किल हो जाता है।

न्यूट्रिनो (एंटीन्यूट्रिनो) का प्रायोगिक पता लगाने के लिए, एक अप्रत्यक्ष विधि का उपयोग किया गया था, इस तथ्य के आधार पर कि प्रतिक्रियाओं में (न्यूट्रिनो से जुड़े लोगों सहित) गति के संरक्षण का नियम संतुष्ट है। इस प्रकार, क्षय के दौरान परमाणु नाभिक की पुनरावृत्ति का अध्ययन करके न्यूट्रिनो की खोज की गई। यदि किसी नाभिक के क्षय के दौरान एक इलेक्ट्रॉन के साथ एक एंटीन्यूट्रिनो भी बाहर निकल जाता है, तो तीन आवेगों - रिकॉइल न्यूक्लियस, इलेक्ट्रॉन और एंटीन्यूट्रिनो - का वेक्टर योग शून्य के बराबर होना चाहिए। यह वास्तव में अनुभव से पुष्टि की गई है। न्यूट्रिनो का प्रत्यक्ष पता लगाना बहुत बाद में ही संभव हो सका, शक्तिशाली रिएक्टरों के आगमन के बाद, जिससे तीव्र न्यूट्रिनो फ्लक्स प्राप्त करना संभव हो गया।

न्यूट्रिनो (एंटीन्यूट्रिनो) की शुरूआत ने न केवल स्पिन के स्पष्ट गैर-संरक्षण की व्याख्या करना संभव बना दिया, बल्कि उत्सर्जित इलेक्ट्रॉनों के ऊर्जा स्पेक्ट्रम की निरंतरता के मुद्दे को भी समझना संभव बना दिया। -कणों का निरंतर स्पेक्ट्रम इलेक्ट्रॉनों और एंटीन्यूट्रिनो के बीच ऊर्जा के वितरण के कारण होता है, और दोनों कणों की ऊर्जा का योग बराबर होता है। कुछ क्षय घटनाओं में, एंटीन्यूट्रिनो को अधिक ऊर्जा प्राप्त होती है, दूसरों में - इलेक्ट्रॉन; चित्र में वक्र के सीमा बिंदु पर। 343, जहां इलेक्ट्रॉन ऊर्जा बराबर है, सभी क्षय ऊर्जा इलेक्ट्रॉन द्वारा दूर ले जाती है, और एंटीन्यूट्रिनो ऊर्जा शून्य है।

अंत में, आइए -क्षय के दौरान इलेक्ट्रॉनों की उत्पत्ति के प्रश्न पर विचार करें। चूँकि इलेक्ट्रॉन नाभिक से बाहर नहीं निकलता है और परमाणु के खोल से बाहर नहीं निकलता है, इसलिए यह माना गया कि इलेक्ट्रॉन का जन्म नाभिक के अंदर होने वाली प्रक्रियाओं के परिणामस्वरूप होता है। चूंकि -क्षय के दौरान नाभिक में न्यूक्लियॉन की संख्या नहीं बदलती है, a जेडएक से बढ़ता है (देखें (256.5)), तो इन स्थितियों के एक साथ कार्यान्वयन की एकमात्र संभावना न्यूट्रॉन में से एक का परिवर्तन है - सक्रिय नाभिक एक इलेक्ट्रॉन के एक साथ गठन और एक एंटीन्यूट्रिनो के उत्सर्जन के साथ एक प्रोटॉन में:

(258.1)

यह प्रक्रिया संरक्षण कानूनों की पूर्ति के साथ है विद्युत शुल्क, संवेग और द्रव्यमान संख्या। इसके अलावा, यह परिवर्तन ऊर्जावान रूप से संभव है, क्योंकि न्यूट्रॉन का बाकी द्रव्यमान हाइड्रोजन परमाणु के द्रव्यमान से अधिक होता है, यानी, एक प्रोटॉन और एक इलेक्ट्रॉन संयुक्त। द्रव्यमान में यह अंतर 0.782 MeV के बराबर ऊर्जा से मेल खाता है। इस ऊर्जा के कारण, न्यूट्रॉन का प्रोटॉन में सहज परिवर्तन हो सकता है; ऊर्जा इलेक्ट्रॉन और एंटीन्यूट्रिनो के बीच वितरित होती है।

यदि न्यूट्रॉन का प्रोटॉन में परिवर्तन ऊर्जावान रूप से अनुकूल है और आम तौर पर संभव है, तो मुक्त न्यूट्रॉन (यानी, नाभिक के बाहर न्यूट्रॉन) का रेडियोधर्मी क्षय देखा जाना चाहिए। इस घटना की खोज क्षय के कथित सिद्धांत की पुष्टि होगी। दरअसल, 1950 में, परमाणु रिएक्टरों में उत्पन्न होने वाले उच्च तीव्रता वाले न्यूट्रॉन फ्लक्स में, योजना (258.1) के अनुसार होने वाले मुक्त न्यूट्रॉन के रेडियोधर्मी क्षय की खोज की गई थी। परिणामी इलेक्ट्रॉनों का ऊर्जा स्पेक्ट्रम चित्र में दिखाए गए के अनुरूप है। 343, और इलेक्ट्रॉन ऊर्जा की ऊपरी सीमा ऊपर गणना की गई (0.782 MeV) के बराबर निकली।