Radioattività. Legge fondamentale del decadimento radioattivo

La storia dello studio della radioattività iniziò il 1 marzo 1896, quando un famoso scienziato francese scoprì accidentalmente una stranezza nella radiazione dei sali di uranio. Si è scoperto che le lastre fotografiche situate nella stessa scatola con il campione erano sovraesposte. Ciò è stato causato dalla radiazione strana e altamente penetrante posseduta dall'uranio. Questa proprietà è stata riscontrata negli elementi più pesanti, completandoli tavola periodica. Gli fu dato il nome di "radioattività".

Inserisci le caratteristiche della radioattività

Questo processo è la trasformazione spontanea di un atomo di un isotopo di un elemento in un altro isotopo con il rilascio simultaneo di particelle elementari (elettroni, nuclei di atomi di elio). La trasformazione degli atomi si è rivelata spontanea, non richiedendo l'assorbimento di energia dall'esterno. La quantità principale che caratterizza il processo di rilascio di energia durante il processo è chiamata attività.

L'attività di un campione radioattivo è il numero probabile di decadimenti di un dato campione nell'unità di tempo. L'unità di misura internazionale si chiama becquerel (Bq). 1 becquerel è l'attività di un campione in cui si verifica in media 1 decadimento al secondo.

A=λN, dove λ è la costante di decadimento, N è il numero di atomi attivi nel campione.

Esistono decadimenti α, β, γ. Le equazioni corrispondenti sono chiamate regole di spostamento:

Intervallo di tempo nella radioattività

Il momento della disintegrazione delle particelle non può essere determinato per questo particolare atomo. Per lui si tratta più di un “incidente” che di uno schema. Il rilascio di energia che caratterizza questo processo è definito come l'attività del campione.

È stato notato che cambia nel tempo. Sebbene i singoli elementi dimostrino una sorprendente costanza nel grado di emissione, esistono sostanze la cui attività diminuisce più volte in un periodo di tempo abbastanza breve. Varietà incredibile! È possibile trovare uno schema in questi processi?

È stato stabilito che esiste un tempo durante il quale esattamente la metà degli atomi di un dato campione subiscono un decadimento. Questo intervallo di tempo è chiamato “emivita”. Che senso ha introdurre questo concetto?

metà vita?

Sembra che in un tempo pari al periodo, esattamente la metà di tutti gli atomi attivi di un dato campione decada. Ma questo significa forse che entro due emivite tutti gli atomi attivi decadranno completamente? Affatto. Dopo un certo momento, nel campione rimane la metà degli elementi radioattivi, dopo lo stesso periodo di tempo un'altra metà degli atomi rimanenti decade e così via. In questo caso, la radiazione rimane a lungo, superando significativamente l'emivita. Ciò significa che gli atomi attivi vengono trattenuti nel campione indipendentemente dalla radiazione

L'emivita è un valore che dipende esclusivamente dalle proprietà di una determinata sostanza. Il valore della quantità è stato determinato per molti isotopi radioattivi conosciuti.

Tabella: “Emivita del decadimento dei singoli isotopi”

Nome	Designazione	Tipo di decadimento	Metà vita
			0,001 secondi
		beta, gamma
		alfa, gamma
		alfa, gamma	4,5 miliardi di anni

L'emivita è stata determinata sperimentalmente. Durante gli studi di laboratorio, l'attività viene misurata ripetutamente. Poiché i campioni di laboratorio sono di dimensioni minime (la sicurezza del ricercatore è fondamentale), l'esperimento viene condotto a intervalli di tempo diversi, ripetendosi molte volte. Si basa sul modello di cambiamenti nell'attività delle sostanze.

Per determinare l'emivita, l'attività di un dato campione viene misurata in determinati periodi di tempo. Tenendo conto del fatto che questo parametro è correlato al numero di atomi decaduti, utilizzando la legge del decadimento radioattivo, viene determinata l'emivita.

Esempio di definizione di un isotopo

Sia il numero di elementi attivi dell'isotopo in studio in un dato momento pari a N, l'intervallo di tempo durante il quale viene effettuata l'osservazione t 2 - t 1, dove gli orari di inizio e fine dell'osservazione sono abbastanza vicini. Supponiamo che n sia il numero di atomi decaduti in un dato intervallo di tempo, quindi n = KN(t 2 - t 1).

In questa espressione, K = 0,693/T½ è il coefficiente di proporzionalità, chiamato costante di decadimento. T½ è il tempo di dimezzamento dell'isotopo.

Assumiamo che l'intervallo di tempo sia uno. In questo caso K = n/N indica la frazione dei nuclei isotopici presenti che decadono nell'unità di tempo.

Conoscendo il valore della costante di decadimento si può determinare anche il tempo di dimezzamento del decadimento: T½ = 0,693/K.

Ne consegue che per unità di tempo non decade un certo numero di atomi attivi, ma una certa frazione di essi.

Legge del decadimento radioattivo (LDC)

L'emivita è la base dello ZRR. Il modello fu derivato da Frederico Soddi ed Ernest Rutherford sulla base dei risultati di studi sperimentali nel 1903. È sorprendente che misurazioni ripetute, effettuate utilizzando strumenti tutt'altro che perfetti, nelle condizioni dell'inizio del XX secolo, abbiano portato a un risultato accurato e ragionevole. Divenne la base della teoria della radioattività. Deriviamo una notazione matematica per la legge del decadimento radioattivo.

Sia N 0 il numero di atomi attivi in ​​un dato momento. Trascorso l'intervallo di tempo t, N elementi rimarranno intatti.

Per un tempo pari all'emivita rimarrà esattamente la metà degli elementi attivi: N=N 0 /2.

Dopo un'altra emivita, nel campione rimangono: N=N 0 /4=N 0 /2 2 atomi attivi.

Dopo un tempo pari ad un'altra emivita, il campione conserverà solo: N=N 0 /8=N 0 /2 3 .

Una volta trascorsi n emivite, nel campione rimarranno N=N 0 /2 n particelle attive. In questa espressione, n=t/T½: il rapporto tra il tempo di ricerca e l'emivita.

ZRR ha un'espressione matematica leggermente diversa, più comoda nella risoluzione dei problemi: N=N 0 2 - t/ T½.

Lo schema ci permette di determinare, oltre al tempo di dimezzamento, il numero di atomi dell'isotopo attivo che non sono decaduti in un dato momento. Conoscendo il numero di atomi del campione all'inizio dell'osservazione, a distanza di tempo è possibile determinare la durata di vita di questo preparato.

La formula della legge del decadimento radioattivo aiuta a determinare il tempo di dimezzamento solo se sono disponibili determinati parametri: il numero di isotopi attivi nel campione, che è abbastanza difficile da scoprire.

Conseguenze della legge

La formula ZPP può essere scritta utilizzando i concetti di attività e massa degli atomi del farmaco.

L'attività è proporzionale al numero di atomi radioattivi: A=A 0 ,2 -t/T. In questa formula, A 0 è l'attività del campione nell'istante iniziale, A è l'attività dopo t secondi, T è il tempo di dimezzamento.

La massa di una sostanza può essere utilizzata secondo lo schema: m=m 0 ,2 -t/T

In un uguale periodo di tempo, decade assolutamente la stessa proporzione di atomi radioattivi presenti in un dato preparato.

Limiti di applicabilità della legge

La legge è statistica in tutti i sensi e determina i processi che si verificano nel microcosmo. È chiaro che il tempo di dimezzamento degli elementi radioattivi è un valore statistico. La natura probabilistica degli eventi nei nuclei atomici suggerisce che un nucleo arbitrario può disgregarsi in qualsiasi momento. È impossibile prevedere un evento; puoi solo determinarne la probabilità in un dato momento. Di conseguenza, l’emivita non ha significato:

• per un singolo atomo;
• per un campione di massa minima.

Durata dell'atomo

L'esistenza di un atomo nel suo stato originale può durare un secondo o forse milioni di anni. Inoltre, non è necessario parlare della durata di vita di questa particella. Introducendo un valore pari alla vita media degli atomi, possiamo parlare dell'esistenza degli atomi di un isotopo radioattivo e delle conseguenze del decadimento radioattivo. Il tempo di dimezzamento del nucleo di un atomo dipende dalle proprietà di un dato atomo e non dipende da altre quantità.

È possibile risolvere il problema: come trovare il tempo di dimezzamento, conoscendo la vita media?

La formula per la relazione tra la vita media di un atomo e la costante di decadimento non è meno utile per determinare il tempo di dimezzamento.

τ= T 1/2 /ln2= T 1/2 /0,693=1/ λ.

In questa notazione, τ è la durata media, λ è la costante di decadimento.

Uso dell'emivita

L'uso dello ZRR per determinare l'età dei singoli campioni si è diffuso nella ricerca alla fine del XX secolo. L'accuratezza della datazione dei manufatti fossili è migliorata così tanto che può fornire informazioni sulla durata della vita risalente a millenni aC.

I campioni organici fossili si basano sui cambiamenti nell'attività del carbonio-14 (un isotopo radioattivo del carbonio), presente in tutti gli organismi. Entra in un organismo vivente nel processo del metabolismo ed è contenuto in esso certa concentrazione. Dopo la morte, il metabolismo ambiente fermate. La concentrazione di carbonio radioattivo diminuisce a causa del decadimento naturale e l'attività diminuisce proporzionalmente.

Se esiste un valore come il tempo di dimezzamento, la formula della legge del decadimento radioattivo aiuta a determinare il tempo dal momento in cui l'organismo cessa di funzionare.

Catene di trasformazione radioattiva

Gli studi sulla radioattività sono stati condotti in condizioni di laboratorio. La straordinaria capacità degli elementi radioattivi di rimanere attivi per ore, giorni e persino anni non poteva che sorprendere i fisici dell'inizio del XX secolo. La ricerca, ad esempio, sul torio, è stata accompagnata da un risultato inaspettato: in un'ampolla chiusa, la sua attività era significativa. Al minimo respiro cadeva. La conclusione si è rivelata semplice: la trasformazione del torio è accompagnata dal rilascio di radon (gas). Tutti gli elementi nel processo di radioattività si trasformano in una sostanza completamente diversa, diversa per proprietà fisiche e chimiche. Anche questa sostanza, a sua volta, è instabile. Attualmente sono note tre serie di trasformazioni simili.

La conoscenza di tali trasformazioni è estremamente importante per determinare il tempo di inaccessibilità delle zone contaminate durante la ricerca o i disastri atomici e nucleari. Il tempo di dimezzamento del plutonio, a seconda del suo isotopo, varia da 86 anni (Pu 238) a 80 milioni di anni (Pu 244). La concentrazione di ciascun isotopo dà un'idea del periodo di disinfezione del territorio.

Il metallo più costoso

È noto che ai nostri tempi esistono metalli molto più costosi dell'oro, dell'argento e del platino. Questi includono il plutonio. È interessante notare che il plutonio creato durante il processo di evoluzione non si trova in natura. La maggior parte degli elementi sono ottenuti in condizioni di laboratorio. Operazione del plutonio-239 reattori nucleari gli ha dato l'opportunità di diventare estremamente popolare in questi giorni. Ottenere quantità sufficienti di questo isotopo per l’uso nei reattori lo rende praticamente inestimabile.

Il plutonio-239 si ottiene in condizioni naturali come conseguenza di una catena di trasformazioni dell'uranio-239 in nettunio-239 (emivita - 56 ore). Una catena simile consente di accumulare plutonio nei reattori nucleari. Il tasso di comparsa della quantità richiesta supera quello naturale miliardi di volte.

Applicazioni energetiche

Possiamo parlare molto delle carenze dell'energia nucleare e delle "stranezze" dell'umanità, che utilizza quasi ogni scoperta per distruggere la propria specie. La scoperta del plutonio-239, di cui è in grado di prendere parte, ha permesso di utilizzarlo come fonte di energia pacifica. L'uranio-235, che è un analogo del plutonio, è estremamente raro sulla Terra, isolarlo da esso è molto più difficile che ottenere il plutonio.

Età della Terra

L'analisi radioisotopica degli isotopi di elementi radioattivi fornisce un'idea più precisa della durata di vita di un particolare campione.

Utilizzando la catena di trasformazioni "uranio - torio" contenuta in la crosta terrestre, permette di determinare l'età del nostro pianeta. La percentuale media di questi elementi sull'intera crosta terrestre è alla base di questo metodo. Secondo gli ultimi dati, l’età della Terra è di 4,6 miliardi di anni.

LAVORO DI LABORATORIO N. 19

STUDIARE LA LEGGE DEL DECADIMENTO RADIOATTIVO

E METODI DI PROTEZIONE CONTRO LE RADIAZIONI RADIOATTIVE

Obiettivo del lavoro : 1) studio della legge del decadimento radioattivo; 2) studio della legge di assorbimento dei raggi g e b da parte della materia.

Obiettivi di lavoro : 1) determinazione dei coefficienti di assorbimento lineare radiazione radioattiva vari materiali; 2) determinazione dello spessore dello strato di semiattenuazione di questi materiali; 3) determinazione del tempo di dimezzamento e della costante di decadimento di un elemento chimico.

Mezzi di sostegno : computer Windows.

PARTE TEORICA

introduzione

Composizione del nucleo atomico

Il nucleo di qualsiasi atomo è costituito da due tipi di particelle: protoni e neutroni. Un protone è il nucleo dell'atomo più semplice: l'idrogeno. Ha una carica positiva, pari in grandezza alla carica di un elettrone, e una massa di 1,67 × 10-27 kg. Il neutrone, la cui esistenza fu stabilita solo nel 1932 dall'inglese James Chadwick, è elettricamente neutro, e la sua massa è quasi uguale a quella del protone. Neutroni e protoni, che sono due elementi costitutivi del nucleo atomico, sono chiamati collettivamente nucleoni. Il numero di protoni in un nucleo (o nuclide) è chiamato numero atomico ed è indicato con la lettera Z. Il numero totale di nucleoni, cioè neutroni e protoni, indicati con la lettera A e chiamati numero di massa. Gli elementi chimici sono solitamente indicati con il simbolo o, dove X è il simbolo dell'elemento chimico.

Radioattività

Il fenomeno della radioattività consiste nella trasformazione spontanea (spontanea) dei nuclei di alcuni elementi chimici nei nuclei di altri elementi che emettono radiazioni radioattive.

I nuclei che subiscono tale decadimento sono detti radioattivi. I nuclei che non subiscono decadimento radioattivo sono detti stabili. Durante il processo di decadimento possono cambiare sia il numero atomico Z che il numero di massa A del nucleo.

Le trasformazioni radioattive avvengono spontaneamente. La velocità del loro flusso non è influenzata dalle variazioni di temperatura e pressione, dalla presenza di campi elettrici e magnetici, dal tipo di composto chimico di un dato elemento radioattivo e dal suo stato di aggregazione.

Il decadimento radioattivo è caratterizzato dal momento in cui avviene, dal tipo e dall'energia delle particelle emesse e, quando più particelle vengono emesse dal nucleo, anche dagli angoli relativi tra le direzioni di emissione delle particelle. Storicamente la radioattività è il primo processo nucleare scoperto dall'uomo (A. Becquerel, 1896).

Viene fatta una distinzione tra radioattività naturale e artificiale.

La radioattività naturale si verifica in nuclei instabili che esistono in condizioni naturali. Artificiale è la radioattività dei nuclei formati a seguito di varie reazioni nucleari. Non esiste alcuna differenza fondamentale tra la radioattività artificiale e quella naturale. Sono inerenti modelli generali.

Quattro tipi principali di radioattività sono possibili e effettivamente osservati nei nuclei atomici: decadimento a, decadimento b, decadimento g e fissione spontanea.

Il fenomeno del decadimento a è che i nuclei pesanti emettono spontaneamente particelle a (nuclei di elio 2 H 4). In questo caso, il numero di massa del nucleo diminuisce di quattro unità e il numero atomico di due:

Z X A ® Z -2 Y A-4 + 2 H 4 .

La particella a è composta da quattro nucleoni: due neutroni e due protoni.

Durante il processo di decadimento radioattivo, un nucleo può emettere non solo le particelle che ne fanno parte, ma anche nuove particelle che nascono durante il processo di decadimento. Processi di questo tipo sono decadimenti b e g.

Il concetto di decadimento b combina tre tipi di trasformazioni nucleari: decadimento dell'elettrone (b -), decadimento del positrone (b +) e cattura degli elettroni.

Il fenomeno del decadimento b - è che un nucleo emette spontaneamente un elettrone e - e la particella elettricamente neutra più leggera, antineutrino, passando in un nucleo con lo stesso numero di massa A, ma con numero atomico Z, ma maggiore di uno:

Z X A ® Z +1 Y A + e - + .

Va sottolineato che l'elettrone emesso durante il decadimento b non è correlato agli elettroni orbitali. Nasce all'interno del nucleo stesso: uno dei neutroni si trasforma in un protone e contemporaneamente emette un elettrone.

Un altro tipo di decadimento b è un processo in cui un nucleo emette un positrone e+ e un'altra particella elettricamente neutra più leggera, un neutrino n. In questo caso, uno dei protoni si trasforma in un neutrone:

Z X A ® Z -1 Y A + e + +n.

Questo decadimento è chiamato decadimento del positrone o b+.

La gamma dei fenomeni di decadimento b comprende anche la cattura elettronica (spesso chiamata anche cattura K), in cui il nucleo assorbe uno degli elettroni del guscio atomico (solitamente dal guscio K), emettendo un neutrino. In questo caso, come nel decadimento del positrone, uno dei protoni si trasforma in un neutrone:

e - + Z X A ® Z -1 Y A +n.

La radiazione G include onde elettromagnetiche, la cui lunghezza è significativamente inferiore alle distanze interatomiche:

dove d - è dell'ordine di 10 -8 cm. Nell'immagine corpuscolare, questa radiazione è un flusso di particelle chiamate g-quanti. Limite inferiore dell'energia g-quanta

E= 2ps/l

è dell'ordine delle decine di keV. Non esiste un limite superiore naturale. I moderni acceleratori producono quanti con energie fino a 20 GeV.

Il decadimento di un nucleo con l'emissione di radiazione g ricorda per molti versi l'emissione di fotoni da parte di atomi eccitati. Come un atomo, il nucleo può trovarsi in uno stato eccitato. Durante la transizione ad uno stato energetico inferiore, o stato fondamentale, il nucleo emette un fotone. Poiché la radiazione g non trasporta carica, durante il decadimento g non avviene alcuna trasformazione di un elemento chimico in un altro.

Legge fondamentale del decadimento radioattivo

Decadimento radioattivoè un fenomeno statistico: è impossibile prevedere quando un dato nucleo instabile decade, su questo evento si possono formulare solo alcuni giudizi probabilistici. Per un'ampia raccolta di nuclei radioattivi è possibile ottenere una legge statistica che esprime la dipendenza dal tempo dei nuclei non decaduti.

Lasciare che i nuclei decadano entro un intervallo di tempo sufficientemente breve. Questo numero è proporzionale all'intervallo di tempo, nonché al numero totale di nuclei radioattivi:

, (1)

dove è la costante di decadimento, proporzionale alla probabilità di decadimento del nucleo radioattivo e diversa per le diverse sostanze radioattive. Il segno "-" è posizionato per questo motivo< 0, так как число не распавшихся радиоактивных ядер убывает со временем.

Separiamo le variabili e integriamo la (1), tenendo conto che corrispondono i limiti inferiori di integrazione condizioni iniziali(a , dove è il numero iniziale di nuclei radioattivi), e quelli superiori - ai valori attuali e :

(2)

Potenziando l'espressione (3), abbiamo

Questo è quello che è legge fondamentale del decadimento radioattivo: il numero di nuclei radioattivi non decaduti diminuisce con il tempo secondo una legge esponenziale.

La Figura 1 mostra le curve di decadimento 1 e 2, corrispondenti a sostanze con diverse costanti di decadimento (λ 1 > λ 2), ma con lo stesso numero iniziale di nuclei radioattivi. La riga 1 corrisponde ad un elemento più attivo.

In pratica, al posto della costante di decadimento, viene spesso utilizzata un'altra caratteristica di un isotopo radioattivo: metà vita . Questo è il tempo durante il quale la metà dei nuclei radioattivi decade. Naturalmente questa definizione vale sufficientemente elevato numero nuclei. La Figura 1 mostra come utilizzando le curve 1 e 2 è possibile trovare i tempi di dimezzamento dei nuclei: tracciare una linea retta parallela all'asse delle ascisse attraverso il punto delle ordinate finché non si interseca con le curve. Le ascisse dei punti di intersezione della retta e delle linee 1 e 2 danno i tempi di dimezzamento T 1 e T 2.

Il fenomeno della radioattività fu scoperto nel 1896 da A. Becquerel, che osservò l'emissione spontanea di radiazioni sconosciute da parte dei sali di uranio. Ben presto E. Rutherford e i Curie stabilirono che durante il decadimento radioattivo i nuclei di He (particelle α), gli elettroni (particelle β) e i nuclei duri radiazioni elettromagnetiche(raggi gamma).

Nel 1934 fu scoperto il decadimento con emissione di positroni (decadimento β + -) e nel 1940 fu scoperto un nuovo tipo di radioattività: la fissione spontanea dei nuclei: un nucleo di fissione si divide in due frammenti di massa paragonabile con l'emissione simultanea di neutroni e γ -quanti. La radioattività dei protoni dei nuclei è stata osservata nel 1982. Quindi, ci sono i seguenti tipi decadimento radioattivo: decadimento α; -decadimento; - decadimento; e - cattura.

Radioattività- la capacità di alcuni nuclei atomici di trasformarsi spontaneamente (spontaneamente) in altri nuclei con l'emissione di particelle.

I nuclei atomici sono costituiti da protoni e neutroni, che hanno un nome generale - nucleoni. Determina il numero di protoni nel nucleo Proprietà chimiche atomo ed è indicato Z (numero di serie elemento). Numero di nucleoni nel kernel si chiama numero di Massa e denotare UN. Nuclei con lo stesso numero di serie e vengono chiamati diversi numeri di massa isotopi. Tutti gli isotopi di un elemento chimico hanno le stesse proprietà chimiche, ma le proprietà fisiche possono variare notevolmente. Per designare gli isotopi, utilizzare il simbolo di un elemento chimico con due indici: Dalla A alla X. L'indice inferiore è il numero di serie, l'indice superiore è il numero di massa. Spesso il pedice viene omesso perché indicato dal simbolo stesso dell'elemento.

Ad esempio, scrivono 14 C invece di 14 6 C.

La capacità di un nucleo di decadere dipende dalla sua composizione. Lo stesso elemento può avere sia isotopi stabili che radioattivi.

Ad esempio, l'isotopo del carbonio 12 C è stabile, ma l'isotopo 14 C è radioattivo.

Il decadimento radioattivo è un fenomeno statistico. La capacità di un isotopo di decadere è caratterizzata dalla costante di decadimento λ.

La costante di decadimento λ è la probabilità che il nucleo di un dato isotopo decade nell'unità di tempo.

Indichiamo il numero N di nuclei di decadimento radioattivo al tempo t, dN 1 - il numero di nuclei che decadono durante il tempo dt. Poiché il numero di nuclei nella materia è enorme, la legge è soddisfatta grandi numeri. La probabilità di decadimento nucleare in un breve tempo dt si trova dalla formula dP = λdt. La frequenza è uguale alla probabilità: d N 1 / N = dP = λdt. d N 1 / N = λdt- una formula che determina il numero di nuclei decaduti.

La soluzione dell'equazione è: , - la formula è chiamata legge del decadimento radioattivo: Il numero di nuclei radioattivi diminuisce con il tempo secondo una legge esponenziale.

Qui N è il numero di nuclei non decaduti al tempo t; N o - il numero iniziale di nuclei non decaduti; λ è la costante di decadimento radioattivo.

In pratica, non viene utilizzata la costante di decadimento λ e la quantità chiamata emivita T.

L'emivita (T) è il tempo durante il quale la metà dei nuclei radioattivi decade.

Legge del decadimento radioattivo attraverso il periodo il tempo di dimezzamento (T) ha la forma:

La relazione tra tempo di dimezzamento e costante di decadimento è data dalla formula: T = ln(2/λ) = 0,69/λ

L'emivita può essere molto lunga o molto breve.

Per valutare il grado di attività di un isotopo radioattivo, viene utilizzata una quantità chiamata attività.

Numero di attività dei nuclei di un farmaco radioattivo che decade nell'unità di tempo: A = dN decadimento /dt

L'unità di attività SI è 1 becquerel (Bq) = 1 disintegrazione/s - l'attività di un farmaco in cui avviene 1 disintegrazione in 1 s. Un'unità di attività più grande è 1 rutherford (Rd) = Bq. Viene spesso utilizzata un'unità di attività fuori sistema: la curie (Ci), pari all'attività di 1 g di radio: 1 Ci = 3,7 Bq.

Nel tempo l’attività diminuisce secondo la stessa legge esponenziale secondo la quale decade il radionuclide stesso:

= .
In pratica per calcolare l’attività si usa la formula:

A = = λN = 0,693 N/T.

Se esprimiamo il numero di atomi attraverso massa e massa, la formula per calcolare l'attività assumerà la forma: A = = 0,693 (μT)

dov'è il numero di Avogadro; μ - massa molare.

1. Radioattività. La legge fondamentale del decadimento radioattivo. Attività.

2. Principali tipologie di decadimento radioattivo.

3. Caratteristiche quantitative dell'interazione delle radiazioni ionizzanti con la materia.

4. Radioattività naturale e artificiale. Serie radioattive.

5. Uso dei radionuclidi in medicina.

6. Acceleratori di particelle cariche e loro utilizzo in medicina.

7. Basi biofisiche dell'azione delle radiazioni ionizzanti.

8. Concetti e formule fondamentali.

9. Compiti.

L'interesse dei medici per la radioattività naturale e artificiale è dovuto a quanto segue.

In primo luogo, tutti gli esseri viventi sono costantemente esposti alle radiazioni naturali di fondo, che costituiscono radiazione cosmica, radiazioni provenienti da elementi radioattivi situati negli strati superficiali della crosta terrestre e radiazioni provenienti da elementi che entrano nel corpo degli animali insieme all'aria e al cibo.

In secondo luogo, le radiazioni radioattive vengono utilizzate in medicina stessa per scopi diagnostici e terapeutici.

33.1. Radioattività. La legge fondamentale del decadimento radioattivo. Attività

Il fenomeno della radioattività fu scoperto nel 1896 da A. Becquerel, che osservò l'emissione spontanea di radiazioni sconosciute da parte dei sali di uranio. Ben presto E. Rutherford e i Curie stabilirono che durante il decadimento radioattivo vengono emessi nuclei di elio (particelle α), elettroni (particelle β) e radiazione elettromagnetica dura (raggi γ).

Nel 1934 fu scoperto il decadimento con emissione di positroni (decadimento β + -) e nel 1940 fu scoperto un nuovo tipo di radioattività: la fissione spontanea dei nuclei: un nucleo di fissione si divide in due frammenti di massa paragonabile con l'emissione simultanea di neutroni e γ -quanti. La radioattività dei protoni dei nuclei è stata osservata nel 1982.

Radioattività - la capacità di alcuni nuclei atomici di trasformarsi spontaneamente (spontaneamente) in altri nuclei con l'emissione di particelle.

I nuclei atomici sono costituiti da protoni e neutroni, che hanno un nome generale: nucleoni. Il numero di protoni nel nucleo determina le proprietà chimiche dell'atomo ed è indicato con Z (questo è numero di serie elemento chimico). Viene chiamato il numero di nucleoni in un nucleo numero di Massa e denotiamo A. Vengono chiamati nuclei con lo stesso numero atomico e numeri di massa diversi isotopi. Tutti gli isotopi di un elemento chimico hanno lo stesso Proprietà chimiche. Proprietà fisiche gli isotopi possono variare notevolmente. Per designare gli isotopi, utilizzare il simbolo di un elemento chimico con due indici: A Z X. L'indice inferiore è il numero di serie, l'indice superiore è il numero di massa. Spesso il pedice viene omesso perché indicato dal simbolo stesso dell'elemento. Ad esempio, scrivono 14 C invece di 14 6 C.

La capacità di un nucleo di decadere dipende dalla sua composizione. Lo stesso elemento può avere sia isotopi stabili che radioattivi. Ad esempio, l'isotopo del carbonio 12 C è stabile, ma l'isotopo 14 C è radioattivo.

Il decadimento radioattivo è un fenomeno statistico. Caratterizza la capacità di un isotopo di decadere costante di decadimentoλ.

Costante di decadimento- la probabilità che il nucleo di un dato isotopo decade nell'unità di tempo.

La probabilità di decadimento nucleare in breve tempo dt si trova dalla formula

Tenendo conto della formula (33.1), otteniamo un'espressione che determina il numero di nuclei decaduti:

La formula (33.3) è detta principale legge del decadimento radioattivo.

Il numero di nuclei radioattivi diminuisce con il tempo secondo una legge esponenziale.

In pratica, invece costante di decadimentoλ spesso viene utilizzata un'altra quantità, chiamata metà vita.

Metà vita(T) - tempo durante il quale decade metà nuclei radioattivi.

La legge del decadimento radioattivo utilizzando il tempo di dimezzamento è scritta come segue:

Il grafico della dipendenza (33.4) è mostrato in Fig. 33.1.

Il tempo di dimezzamento può essere molto lungo o molto breve (da frazioni di secondo a molti miliardi di anni). Nella tabella La Figura 33.1 mostra i tempi di dimezzamento di alcuni elementi.

Riso. 33.1. Diminuzione del numero di nuclei della sostanza originale durante il decadimento radioattivo

Tabella 33.1. Emivite per alcuni elementi

Per tariffa grado di radioattività l'isotopo utilizza una quantità speciale chiamata attività.

Attività - numero di nuclei di un farmaco radioattivo che decade nell'unità di tempo:

L'unità di attività SI è becquerel(Bq), 1 Bq corrisponde a un evento di decadimento al secondo. In pratica, di più

unità di attività infantile non sistemica - curie(Ci), pari all'attività di 1 g 226 Ra: 1 Ci = 3,7x10 10 Bq.

Nel tempo, l'attività diminuisce allo stesso modo in cui diminuisce il numero di nuclei non decaduti:

33.2. Principali tipi di decadimento radioattivo

Nel processo di studio del fenomeno della radioattività, sono stati scoperti 3 tipi di raggi emessi dai nuclei radioattivi, chiamati raggi α, β e γ. Successivamente si è scoperto che le particelle α e β sono il prodotto di due vari tipi decadimento radioattivo e i raggi gamma sono un sottoprodotto di questi processi. Inoltre i raggi gamma accompagnano anche trasformazioni nucleari più complesse, che qui non vengono considerate.

Decadimento alfa consiste nella trasformazione spontanea dei nuclei con l'emissioneα -particelle (nuclei di elio).

Lo schema del decadimento α è scritto come

dove X, Y sono rispettivamente i simboli dei nuclei madre e figlia. Quando scrivi il decadimento α, puoi scrivere “He” invece di “α”.

Durante questo decadimento, il numero atomico Z dell'elemento diminuisce di 2 e il numero di massa A diminuisce di 4.

Durante il decadimento α, il nucleo figlia, di regola, si forma in uno stato eccitato e, durante la transizione allo stato fondamentale, emette un quanto γ. La proprietà generale dei microoggetti complessi è che hanno discreto impostato stati energetici. Questo vale anche per i kernel. Pertanto, la radiazione γ proveniente dai nuclei eccitati ha uno spettro discreto. Di conseguenza, lo spettro energetico delle particelle α è discreto.

L'energia delle particelle α emesse per quasi tutti gli isotopi α-attivi è compresa tra 4 e 9 MeV.

Decadimento beta consiste nella trasformazione spontanea dei nuclei con emissione di elettroni (o positroni).

È stato stabilito che il decadimento β è sempre accompagnato dall'emissione di una particella neutra: un neutrino (o antineutrino). Questa particella praticamente non interagisce con la materia e non verrà considerata ulteriormente. L'energia rilasciata durante il decadimento beta è distribuita casualmente tra la particella beta e il neutrino. Pertanto, lo spettro energetico della radiazione β è continuo (Fig. 33.2).

Riso. 33.2. Spettro energetico del decadimento β

Esistono due tipi di decadimento β.

1. Elettronico Il decadimento β-- consiste nella trasformazione di un neutrone nucleare in un protone e un elettrone. In questo caso appare un'altra particella ν", un antineutrino:

Dal nucleo escono un elettrone e un antineutrino. Lo schema di decadimento β dell'elettrone è scritto nella forma

Durante il decadimento β elettronico, il numero d'ordine dell'elemento Z aumenta di 1, ma il numero di massa A non cambia.

L'energia delle particelle β è compresa tra 0,002 e 2,3 MeV.

2. Positronico Il decadimento β+- comporta la trasformazione di un protone nucleare in un neutrone e un positrone. In questo caso appare un'altra particella ν: un neutrino:

La cattura degli elettroni in sé non produce particelle ionizzanti, ma sì accompagnato da radiazioni a raggi X. Questa radiazione si verifica quando lo spazio lasciato libero dall'assorbimento di un elettrone interno viene riempito da un elettrone proveniente dall'orbita esterna.

Radiazione gamma ha una natura elettromagnetica e rappresenta i fotoni con una lunghezza d'ondaλ ≤ 10-10 m.

Le radiazioni gamma no una specie indipendente decadimento radioattivo. Radiazioni di questo tipo accompagnano quasi sempre non solo il decadimento α e β, ma anche quelli più complessi reazioni nucleari. Non viene deviato dai campi elettrici e magnetici, ha una capacità ionizzante relativamente debole e una capacità di penetrazione molto elevata.

33.3. Caratteristiche quantitative dell'interazione delle radiazioni ionizzanti con la materia

È associato l'impatto delle radiazioni radioattive sugli organismi viventi ionizzazione, che provoca nei tessuti. La capacità di una particella di ionizzarsi dipende sia dal suo tipo che dalla sua energia. Quando una particella si addentra nella materia, perde la sua energia. Questo processo si chiama inibizione della ionizzazione.

Per caratteristiche quantitative Per l'interazione di una particella carica con la materia vengono utilizzate diverse quantità:

Una volta che l'energia della particella scende al di sotto dell'energia di ionizzazione, il suo effetto ionizzante cessa.

Chilometraggio lineare medio(R) di una particella ionizzante carica: il percorso percorso da essa in una sostanza prima di perdere la sua capacità ionizzante.

Diamo un'occhiata ad alcuni caratteristiche Interazioni di vari tipi di radiazioni con la materia.

Radiazione alfa

La particella alfa praticamente non devia dalla direzione iniziale del suo movimento, poiché la sua massa è molte volte maggiore

Riso. 33.3. Dipendenza della densità di ionizzazione lineare dal percorso percorso da una particella α nel mezzo

la massa dell’elettrone con cui interagisce. Man mano che penetra in profondità nella sostanza, la densità di ionizzazione aumenta prima, e quando completamento della corsa (x = R) scende bruscamente a zero (Fig. 33.3). Ciò è spiegato dal fatto che man mano che la velocità di movimento diminuisce, aumenta il tempo che trascorre vicino a una molecola (atomo) del mezzo. In questo caso la probabilità di ionizzazione aumenta. Dopo che l'energia della particella α diventa paragonabile all'energia del movimento termico molecolare, cattura due elettroni nella sostanza e si trasforma in un atomo di elio.

Gli elettroni formati durante il processo di ionizzazione, di norma, si allontanano dalla traccia delle particelle α e provocano la ionizzazione secondaria.

Le caratteristiche dell'interazione delle particelle α con l'acqua e i tessuti molli sono presentate nella tabella. 33.2.

Tabella 33.2. Dipendenza delle caratteristiche di interazione con la materia dall'energia delle particelle α

Radiazione beta

Per il movimento β -le particelle nella materia sono caratterizzate da una traiettoria curvilinea imprevedibile. Ciò è dovuto all'uguaglianza delle masse delle particelle interagenti.

Caratteristiche di interazione β -le particelle con acqua e tessuti molli sono presentate nella tabella. 33.3.

Tabella 33.3. Dipendenza delle caratteristiche di interazione con la materia dall'energia delle particelle β

Come le particelle α, la capacità di ionizzazione delle particelle β aumenta al diminuire dell'energia.

Radiazione gamma

Assorbimento γ -la radiazione della materia obbedisce ad una legge esponenziale simile alla legge di assorbimento dei raggi X:

I principali processi responsabili dell'assorbimento γ -le radiazioni sono l'effetto fotoelettrico e lo scattering Compton. In questo caso, un relativamente una piccola quantità di elettroni liberi (ionizzazione primaria), che hanno un'energia molto elevata. Provocano processi di ionizzazione secondaria, che è incomparabilmente superiore a quella primaria.

33.4. Naturale e artificiale

radioattività. Serie radioattive

Termini naturale E artificiale la radioattività è condizionata.

Naturale chiamata radioattività degli isotopi esistenti in natura o radioattività degli isotopi formatisi a seguito di processi naturali.

Ad esempio, la radioattività dell'uranio è naturale. La radioattività del carbonio 14 C, che si forma in strati superiori atmosfera sotto l’influenza della radiazione solare.

Artificiale chiamata radioattività degli isotopi che si presentano come risultato dell'attività umana.

Questa è la radioattività di tutti gli isotopi prodotti negli acceleratori di particelle. Ciò include anche la radioattività del suolo, dell'acqua e dell'aria che si verifica durante un'esplosione atomica.

Radioattività naturale

IN periodo iniziale per studiare la radioattività i ricercatori potevano utilizzare solo radionuclidi naturali (isotopi radioattivi) contenuti nelle rocce terrestri in quantità sufficienti grandi quantità: 232 Th, 235 U, 238 U. Con questi radionuclidi iniziano tre serie radioattive, che terminano con gli isotopi stabili Pb. Successivamente è stata scoperta una serie a partire da 237 Np, con il nucleo stabile finale 209 Bi. Nella fig. La Figura 33.4 mostra la riga che inizia con 238 U.

Riso. 33.4. Serie uranio-radio

Gli elementi di questa serie sono la principale fonte di radiazioni umane interne. Ad esempio, 210 Pb e 210 Po entrano nel corpo con il cibo: sono concentrati nei pesci e nei crostacei. Entrambi questi isotopi si accumulano nei licheni e sono quindi presenti nella carne renna. La più significativa di tutte le fonti naturali di radiazioni è il 222 Rn, un gas inerte pesante derivante dal decadimento di 226 Ra. Rappresenta circa la metà della dose di radiazioni naturali ricevute dagli esseri umani. Formatosi nella crosta terrestre, questo gas penetra nell'atmosfera ed entra nell'acqua (è altamente solubile).

L'isotopo radioattivo del potassio 40 K è costantemente presente nella crosta terrestre, che fa parte del potassio naturale (0,0119%). Questo elemento entra nel corpo dal suolo attraverso il sistema radicale delle piante e con gli alimenti vegetali (cereali, frutta e verdura fresca, funghi).

Un'altra fonte di radiazioni naturali è la radiazione cosmica (15%). La sua intensità aumenta nelle zone montuose a causa della diminuzione dell'effetto protettivo dell'atmosfera. Le fonti di radiazione di fondo naturale sono elencate nella tabella. 33.4.

Tabella 33.4. Componente del fondo radioattivo naturale

33,5. Utilizzo dei radionuclidi in medicina

Radionuclidi sono chiamati isotopi radioattivi di elementi chimici con un breve tempo di dimezzamento. Tali isotopi non esistono in natura, quindi sono ottenuti artificialmente. Nella medicina moderna, i radionuclidi sono ampiamente utilizzati per scopi diagnostici e terapeutici.

Applicazione diagnostica basato sull'accumulo selettivo di alcuni elementi chimici da parte dei singoli organi. Lo iodio, ad esempio, è concentrato nella ghiandola tiroidea e il calcio nelle ossa.

L'introduzione di radioisotopi di questi elementi nel corpo consente di rilevare aree della loro concentrazione mediante radiazioni radioattive e ottenere così importanti informazioni diagnostiche. Questo metodo diagnostico si chiama con il metodo dell'atomo etichettato.

Uso terapeutico radionuclidi si basa sull'effetto distruttivo delle radiazioni ionizzanti sulle cellule tumorali.

1. Terapia gamma- utilizzo di radiazioni gamma ad alta energia (sorgente 60 Co) per distruggere i tumori profondi. Per evitare che i tessuti e gli organi superficiali subiscano effetti dannosi, l'esposizione alle radiazioni ionizzanti viene effettuata in diverse sessioni in diverse direzioni.

2. Terapia alfa- uso terapeutico delle particelle α. Queste particelle hanno una densità di ionizzazione lineare significativa e vengono assorbite anche da un piccolo strato d'aria. Quindi terapeutico

L'utilizzo dei raggi alfa è possibile attraverso il contatto diretto con la superficie dell'organo o quando somministrati internamente (mediante un ago). Per l'esposizione superficiale si utilizza la terapia con radon (222 Rn): esposizione della pelle (bagni), degli organi digestivi (bere) e degli organi respiratori (inalazione).

In alcuni casi, uso medicinale α -particelle è associato all'uso del flusso di neutroni. Con questo metodo, gli elementi vengono prima introdotti nel tessuto (tumore), i cui nuclei, sotto l'influenza dei neutroni, emettono α -particelle. Successivamente, l'organo malato viene irradiato con un flusso di neutroni. In questa maniera α -le particelle si formano direttamente all'interno dell'organo sul quale dovrebbero avere un effetto distruttivo.

La tabella 33.5 mostra le caratteristiche di alcuni radionuclidi utilizzati in medicina.

Tabella 33.5. Caratteristiche degli isotopi

33.6. Acceleratori di particelle cariche e loro utilizzo in medicina

Acceleratore- un impianto in cui, sotto l'influenza di campi elettrici e magnetici, vengono prodotti fasci diretti di particelle cariche ad alta energia (da centinaia di keV a centinaia di GeV).

Gli acceleratori creano stretto fasci di particelle con una data energia e piccola sezione trasversale. Ciò ti consente di fornire dirette impatto sugli oggetti irradiati.

Uso degli acceleratori in medicina

Gli acceleratori di elettroni e protoni vengono utilizzati in medicina per la radioterapia e la diagnostica. In questo caso vengono utilizzate sia le particelle accelerate stesse che la radiazione a raggi X che le accompagna.

Raggi X di Bremsstrahlung si ottengono dirigendo un fascio di particelle verso un bersaglio speciale, che è la sorgente dei raggi X. Questa radiazione differisce dal tubo a raggi X per un'energia quantica significativamente più elevata.

Raggi X di sincrotrone si verifica durante l'accelerazione degli elettroni negli acceleratori ad anello - sincrotroni. Tale radiazione ha un alto grado di direzionalità.

L'effetto diretto delle particelle veloci è associato alla loro elevata capacità di penetrazione. Tali particelle attraversano i tessuti superficiali senza provocare gravi danni e al termine del loro percorso esercitano un effetto ionizzante. Selezionando l'energia delle particelle appropriata, è possibile distruggere i tumori ad una determinata profondità.

Le aree di applicazione degli acceleratori in medicina sono mostrate nella Tabella. 33.6.

Tabella 33.6. Applicazione degli acceleratori in terapia e diagnostica

33.7. Basi biofisiche dell'azione delle radiazioni ionizzanti

Come notato sopra, è associato l'impatto delle radiazioni radioattive sui sistemi biologici ionizzazione delle molecole. Il processo di interazione della radiazione con le cellule può essere suddiviso in tre fasi successive (fasi).

1. Fase fisica consiste di trasferimento di energia radiazione alle molecole di un sistema biologico, con conseguente loro ionizzazione ed eccitazione. La durata di questa fase è di 10 -16 -10 -13 s.

2. Fisico-chimico fase è composta da vari tipi reazioni che portano alla ridistribuzione dell'energia in eccesso di molecole e ioni eccitati. Di conseguenza, molto attivo

prodotti: radicali e nuovi ioni con un'ampia gamma di proprietà chimiche.

La durata di questa fase è di 10 -13 -10 -10 s.

3. Fase chimica - questa è l'interazione di radicali e ioni tra loro e con le molecole circostanti. In questa fase si formano danni strutturali di vario tipo, che portano a cambiamenti nelle proprietà biologiche: la struttura e le funzioni delle membrane vengono interrotte; le lesioni si verificano nelle molecole di DNA e RNA.

La durata della fase chimica è di 10 -6 -10 -3 s.

4. Fase biologica. In questa fase, il danno alle molecole e alle strutture subcellulari porta a vari disturbi funzionali, alla morte prematura delle cellule a seguito dell'azione di meccanismi apoptotici o per necrosi. Il danno ricevuto nella fase biologica può essere ereditato.

La durata della fase biologica varia da alcuni minuti a decine di anni.

Notiamo gli schemi generali dello stadio biologico:

Grandi disturbi con scarsa energia assorbita (una dose letale di radiazioni per l'uomo provoca un riscaldamento del corpo di soli 0,001°C);

Effetto sulle generazioni successive attraverso l'apparato ereditario della cellula;

Caratterizzato da un periodo nascosto e latente;

Parti diverse delle cellule hanno una sensibilità diversa alle radiazioni;

Innanzitutto vengono colpite le cellule in divisione, il che è particolarmente pericoloso per il corpo di un bambino;

Effetto dannoso sui tessuti di un organismo adulto in cui c'è divisione;

La somiglianza delle radiazioni cambia con la patologia dell'invecchiamento precoce.

33.8. Concetti e formule di base

Continuazione della tabella

33.9. Compiti

1. Qual è l'attività del farmaco se 10.000 nuclei di questa sostanza decadono entro 10 minuti?

4. L'età dei campioni di legno antico può essere determinata approssimativamente dall'attività di massa specifica dell'isotopo 14 6 C in essi contenuto. Quanti anni fa è stato abbattuto l'albero utilizzato per realizzare un oggetto, se l'attività di massa specifica del carbonio in esso contenuto è pari al 75% dell'attività di massa specifica dell'albero in crescita? Il tempo di dimezzamento del radon è T = 5570 anni.

9. Dopo l'incidente di Chernobyl, in alcuni luoghi la contaminazione del suolo con cesio-137 radioattivo ha raggiunto il livello di 45 Ci/km 2 .

Dopo quanti anni l'attività in questi luoghi diminuirà fino a un livello relativamente sicuro di 5 Ci/km 2? L'emivita del cesio-137 è T = 30 anni.

10. L'attività consentita dello iodio-131 nella ghiandola tiroidea umana non deve essere superiore a 5 nCi. In alcune persone che si trovavano nella zona del disastro di Chernobyl, l'attività dello iodio-131 ha raggiunto 800 nCi. Dopo quanti giorni l'attività è tornata alla normalità? L'emivita dello iodio-131 è di 8 giorni.

11. Per determinare il volume del sangue di un animale, viene utilizzato il seguente metodo. All'animale viene prelevato un piccolo volume di sangue, i globuli rossi vengono separati dal plasma e posti in una soluzione con fosforo radioattivo, che viene assimilato dai globuli rossi. I globuli rossi marcati vengono reintrodotti nel sistema circolatorio dell'animale e dopo un po' di tempo viene determinata l'attività del campione di sangue.

ΔV = 1 ml di tale soluzione è stato iniettato nel sangue di un animale. L'attività iniziale di questo volume era pari a A 0 = 7000 Bq. L'attività di 1 ml di sangue prelevato dalla vena di un animale il giorno dopo era pari a 38 impulsi al minuto. Determinare il volume del sangue dell'animale se l'emivita del fosforo radioattivo è T = 14,3 giorni.

Sotto decadimento radioattivo, o semplicemente disintegrazione, comprendere la naturale trasformazione radioattiva dei nuclei, che avviene spontaneamente. Viene chiamato un nucleo atomico sottoposto a decadimento radioattivo materno, il nucleo emergente - filiali.

La teoria del decadimento radioattivo si basa sul presupposto che il decadimento radioattivo sia un processo spontaneo che obbedisce alle leggi della statistica. Poiché i singoli nuclei radioattivi decadono indipendentemente l'uno dall'altro, possiamo supporre che il numero di nuclei d N, decaduto in media durante l'intervallo di tempo da T Prima T + dt, proporzionale al periodo di tempo dt e numero N nuclei non decomposti all'epoca T:

dove è una costante per un dato sostanza radioattiva quantità chiamata costante di decadimento radioattivo; il segno meno lo indica numero totale i nuclei radioattivi diminuiscono durante il processo di decadimento.

Separando le variabili e integrando, cioè

(256.2)

dove è il numero iniziale di nuclei non decaduti (al momento T = 0), N- numero di nuclei non decaduti alla volta T. La formula (256.2) esprime legge del decadimento radioattivo, secondo il quale il numero di nuclei non decaduti diminuisce esponenzialmente con il tempo.

L'intensità del processo di decadimento radioattivo è caratterizzata da due grandezze: il tempo di dimezzamento e la vita media del nucleo radioattivo. Metà vita- il tempo durante il quale il numero iniziale di nuclei radioattivi viene mediamente dimezzato. Quindi, secondo (256.2),

Il tempo di dimezzamento degli elementi naturalmente radioattivi varia da dieci milionesimi di secondo a molti miliardi di anni.

Aspettativa di vita totale dN core è uguale a . Avendo integrato questa espressione su tutto il possibile T(cioè da 0 a) e dividendo per il numero iniziale di core, otteniamo tempo di vita medio nucleo radioattivo:

(preso in considerazione (256.2)). Pertanto, la vita media di un nucleo radioattivo è il reciproco della costante di decadimento radioattivo.

Attività UN nuclide (nome comune nuclei atomici che differiscono nel numero di protoni Z e neutroni N)V sorgente radioattivaè il numero di decadimenti che si verificano con i nuclei di un campione in 1 s:

(256.3)

L'unità di attività SI è becquerel(Bq): 1 Bq - attività di un nuclide, in cui si verifica un evento di decadimento in 1 s. Ancora dentro fisica Nucleare Viene utilizzata anche un'unità di attività fuori sistema di un nuclide in una sorgente radioattiva: curie(Ci): 1 Ci = 3,7×10 10 Bq. Il decadimento radioattivo avviene secondo il cosiddetto regole di spostamento, permettendoci di stabilire quale nucleo nasce a seguito del decadimento di un dato nucleo genitore. Regole di compensazione:

Per -decadimento

(256.4)

Per -decadimento

(256.5)

dove è il nucleo madre, Y è il simbolo del nucleo figlia, è il nucleo (particella -) di elio, è la designazione simbolica dell'elettrone (la sua carica è –1 e il suo numero di massa è zero). Le regole dello spostamento non sono altro che una conseguenza di due leggi che si applicano durante i decadimenti radioattivi: la conservazione della carica elettrica e la conservazione del numero di massa: la somma delle cariche (numeri di massa) dei nuclei e delle particelle risultanti è uguale alla carica (numero di massa) del nucleo originario.

I nuclei risultanti dal decadimento radioattivo possono, a loro volta, essere radioattivi. Ciò porta all'emergenza Catene, O riga, trasformazioni radioattive termina con un elemento stabile. Viene chiamato l'insieme degli elementi che formano tale catena famiglia radioattiva.

Dalle regole di spostamento (256.4) e (256.5) segue che il numero di massa durante il decadimento diminuisce di 4, ma non cambia durante il decadimento. Pertanto, per tutti i nuclei della stessa famiglia radioattiva, il resto dividendo il numero di massa per 4 è lo stesso. Esistono quindi quattro diverse famiglie radioattive, per ciascuna delle quali i numeri di massa sono dati da una delle seguenti formule:

UN = 4N, 4N+1, 4N+2, 4N+3,

Dove P- Totale numero positivo. Le famiglie prendono il nome dall'antenato più longevo (con l'emivita più lunga): le famiglie del torio (da), del nettunio (da), dell'uranio (da) e dell'anemone di mare (da). I nuclidi finali sono rispettivamente , , , , cioè l'unica famiglia di nettunio (nuclei artificialmente radioattivi) termina con un nuclide Bi, e tutto il resto (nuclei naturalmente radioattivi) sono nuclidi Pb.

§ 257. Leggi della decadenza

Attualmente si conoscono più di duecento nuclei attivi, prevalentemente pesanti ( UN > 200, Z>82). Solo un piccolo gruppo di nuclei -attivi si trova nelle aree con UN= 140¸160 ( terre rare). -La decomposizione obbedisce alla regola dello spostamento (256.4). Un esempio di -decadimento è il decadimento di un isotopo dell'uranio con la formazione Gi:

Le velocità delle particelle emesse durante il decadimento sono molto elevate e variano per diversi nuclei da 1,4 × 10 7 a 2 × 10 7 m/s, che corrisponde a energie da 4 a 8,8 MeV. Secondo i concetti moderni, le particelle si formano al momento del decadimento radioattivo quando due protoni e due neutroni che si muovono all'interno del nucleo si incontrano.

Le particelle emesse da un nucleo specifico solitamente hanno una certa energia. Misurazioni più sottili, tuttavia, hanno dimostrato che lo spettro energetico delle particelle emesse da un dato elemento radioattivo presenta una "struttura fine", cioè vengono emessi diversi gruppi di particelle e all'interno di ciascun gruppo le loro energie sono praticamente costanti. Lo spettro discreto delle particelle -indica che i nuclei atomici hanno livelli energetici discreti.

-il decadimento è caratterizzato da una forte relazione tra emivita ed energia E particelle volanti. Questa relazione è determinata empiricamente Legge di Geiger-Nattall(1912) (D. Nattall (1890-1958) - fisico inglese, H. Geiger (1882-1945) - fisico tedesco), che di solito viene espresso come una connessione tra chilometraggio(la distanza percorsa da una particella in una sostanza prima di fermarsi completamente) - particelle nell'aria e costante di decadimento radioattivo:

(257.1)

Dove UN E IN- costanti empiriche, . Secondo la (257.1), quanto più breve è il tempo di dimezzamento di un elemento radioattivo, tanto maggiore è la portata, e quindi l'energia, delle particelle da esso emesse. La gamma di particelle nell'aria (at condizioni normali) è di diversi centimetri; nei mezzi più densi è molto più piccola, pari a centesimi di millimetro (le particelle possono essere trattenute con un normale foglio di carta).

Gli esperimenti di Rutherford sulla diffusione delle particelle sui nuclei di uranio hanno dimostrato che le particelle fino ad un'energia di 8,8 MeV subiscono la diffusione di Rutherford sui nuclei, cioè le forze che agiscono sulle particelle dei nuclei sono descritte dalla legge di Coulomb. Questo tipo di dispersione delle particelle indica che non sono ancora entrate nella regione di azione delle forze nucleari, cioè possiamo concludere che il nucleo è circondato da una barriera potenziale, la cui altezza non è inferiore a 8,8 MeV. D'altra parte, le particelle emesse dall'uranio hanno un'energia di 4,2 MeV. Di conseguenza, le particelle escono dal nucleo radioattivo con un'energia notevolmente inferiore all'altezza della barriera potenziale. La meccanica classica non poteva spiegare questo risultato.

Una spiegazione del decadimento è data dalla meccanica quantistica, secondo la quale la fuga di una particella dal nucleo è possibile a causa dell'effetto tunnel (vedi §221), ovvero la penetrazione di una particella attraverso una barriera di potenziale. C'è sempre una probabilità diversa da zero che una particella con un'energia inferiore all'altezza della barriera potenziale lo attraversi, cioè, in effetti, le particelle possono volare fuori da un nucleo radioattivo con un'energia inferiore all'altezza della barriera potenziale . Questo effetto è interamente dovuto alla natura ondulatoria delle particelle.

La probabilità che una particella passi attraverso una barriera potenziale è determinata dalla sua forma e viene calcolata in base all'equazione di Schrödinger. Nel caso più semplice di una barriera potenziale con pareti verticali rettangolari (vedi Fig. 298, UN) il coefficiente di trasparenza, che determina la probabilità di attraversarlo, è determinato dalla formula precedentemente discussa (221.7):

Analizzando questa espressione, vediamo che il coefficiente di trasparenza D più è lunga (quindi più breve è l'emivita) più piccola è l'altezza ( U) e larghezza ( l) la barriera si trova nel percorso della particella. Inoltre, a parità di curva potenziale, maggiore è l'energia della particella, minore è la barriera sul suo percorso. E. Pertanto, la legge di Geiger-Nattall è qualitativamente confermata (vedi (257.1)).

§ 258. -Disintegrazione. Neutrino

Il fenomeno del -decadimento (in futuro si dimostrerà che esiste e (-decadimento) obbedisce alla regola dello spostamento (256.5)

ed è associato al rilascio di un elettrone. Abbiamo dovuto superare una serie di difficoltà con l'interpretazione del decadimento.

Innanzitutto era necessario dimostrare l'origine degli elettroni emessi durante il processo di decadimento. La struttura protone-neutrone del nucleo esclude la possibilità che un elettrone fuoriesca dal nucleo, poiché nel nucleo non ci sono elettroni. Il presupposto è che gli elettroni non volino fuori dal nucleo, ma da guscio elettronico, è insostenibile, poiché in tal caso bisognerebbe osservare la radiazione ottica o quella a raggi X, cosa che non è confermata dagli esperimenti.

In secondo luogo, era necessario spiegare la continuità dello spettro energetico degli elettroni emessi (la curva di distribuzione dell'energia delle particelle - tipica per tutti gli isotopi è mostrata in Fig. 343).

Come possono i nuclei attivi, che hanno energie ben definite prima e dopo il decadimento, emettere elettroni con valori energetici compresi tra zero e un certo massimo? Cioè lo spettro energetico degli elettroni emessi è continuo? L'ipotesi che durante il decadimento gli elettroni lascino il nucleo con energie strettamente definite, ma come risultato di alcune interazioni secondarie perdono l'una o l'altra quota della loro energia, così che il loro spettro discreto originale si trasforma in uno continuo, è stata confutata dalla calorimetria diretta esperimenti. Poiché l'energia massima è determinata dalla differenza nelle masse dei nuclei madre e figlia, decade l'energia dell'elettrone< , 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.

In terzo luogo, era necessario occuparsi della non conservazione dello spin durante il decadimento. Durante il decadimento, il numero di nucleoni nel nucleo non cambia (poiché il numero di massa non cambia UN), quindi lo spin del nucleo, che è pari ad un intero per pari UN e semiintero per dispari UN. Tuttavia, il rilascio di un elettrone con spin /2 dovrebbe modificare lo spin del nucleo di una quantità /2.

Le ultime due difficoltà portarono W. Pauli a ipotizzare (1931) che durante il decadimento venga emessa un'altra particella neutra insieme all'elettrone - neutrino. Il neutrino ha carica nulla, spin /2 e zero (o meglio< 10 -4 ) массу покоя; обозначается . Впоследствии оказалось, что при - decadimento, non sono i neutrini ad essere emessi, ma antineutrino(antiparticella in relazione ai neutrini; indicato con ).

L'ipotesi dell'esistenza dei neutrini permise a E. Fermi di creare la teoria del decadimento (1934), che ha in gran parte mantenuto il suo significato fino ad oggi, sebbene l'esistenza dei neutrini sia stata dimostrata sperimentalmente più di 20 anni dopo (1956). Una “ricerca” di neutrini così lunga è associata a grandi difficoltà a causa della mancanza di carica elettrica e massa nei neutrini. Il neutrino è l'unica particella che non partecipa né alle interazioni forti né a quelle elettromagnetiche; L'unico tipo di interazione a cui i neutrini possono prendere parte è l'interazione debole. Pertanto, l’osservazione diretta dei neutrini è molto difficile. La capacità ionizzante dei neutrini è così bassa che si verifica un evento di ionizzazione nell'aria ogni 500 km di viaggio. La capacità di penetrazione dei neutrini è così enorme (la portata dei neutrini con energia di 1 MeV nel piombo è di circa 1018 m!), che rende difficile contenere queste particelle nei dispositivi.

Per la rivelazione sperimentale dei neutrini (antineutrini) è stato quindi utilizzato un metodo indiretto, basato sul fatto che nelle reazioni (comprese quelle che coinvolgono i neutrini) è soddisfatta la legge di conservazione della quantità di moto. Pertanto, i neutrini furono scoperti studiando il rinculo dei nuclei atomici durante il decadimento. Se durante il decadimento del nucleo un antineutrino viene espulso insieme a un elettrone, la somma vettoriale di tre impulsi - un nucleo di rinculo, un elettrone e un antineutrino - dovrebbe essere uguale a zero. Ciò è stato infatti confermato dall’esperienza. La rivelazione diretta dei neutrini divenne possibile solo molto più tardi, dopo l'avvento di potenti reattori che permisero di ottenere intensi flussi di neutrini.

L'introduzione dei neutrini (antineutrini) ha permesso non solo di spiegare l'apparente non conservazione dello spin, ma anche di comprendere la questione della continuità dello spettro energetico degli elettroni espulsi. Lo spettro continuo delle particelle è dovuto alla distribuzione dell'energia tra elettroni e antineutrini, e la somma delle energie di entrambe le particelle è pari a . In alcuni eventi di decadimento l'antineutrino riceve più energia, in altri l'elettrone; nel punto limite della curva in Fig. 343, dove l'energia dell'elettrone è uguale a , tutta l'energia di decadimento viene portata via dall'elettrone e l'energia dell'antineutrino è zero.

Consideriamo infine la questione dell'origine degli elettroni durante il decadimento. Poiché l'elettrone non vola fuori dal nucleo e non fuoriesce dal guscio dell'atomo, si presume che l'elettrone nasca a seguito di processi che si verificano all'interno del nucleo. Poiché durante il decadimento -il numero di nucleoni nel nucleo non cambia, a Z aumenta di uno (vedi (256.5)), quindi l'unica possibilità di implementazione simultanea di queste condizioni è la trasformazione di uno dei neutroni - il nucleo attivo in un protone con la formazione simultanea di un elettrone e l'emissione di un antineutrino:

(258.1)

Questo processo è accompagnato dall’adempimento delle leggi di conservazione cariche elettriche, quantità di moto e numeri di massa. Inoltre, questa trasformazione è energeticamente possibile, poiché la massa a riposo del neutrone supera la massa dell’atomo di idrogeno, cioè del protone e dell’elettrone messi insieme. Questa differenza di massa corrisponde ad un'energia pari a 0,782 MeV. A causa di questa energia può avvenire la trasformazione spontanea di un neutrone in un protone; l'energia è distribuita tra l'elettrone e l'antineutrino.

Se la trasformazione di un neutrone in un protone è energeticamente favorevole e generalmente possibile, allora si dovrebbe osservare il decadimento radioattivo dei neutroni liberi (cioè dei neutroni all'esterno del nucleo). La scoperta di questo fenomeno costituirebbe una conferma della enunciata teoria del decadimento. Infatti, nel 1950, nei flussi di neutroni ad alta intensità che si verificano nei reattori nucleari, fu scoperto il decadimento radioattivo dei neutroni liberi, che avviene secondo lo schema (258.1). Lo spettro energetico degli elettroni risultanti corrispondeva a quello mostrato in Fig. 343, ed il limite superiore dell'energia degli elettroni risultò essere pari a quello sopra calcolato (0,782 MeV).