Radioaktivitet. Grunnleggende lov om radioaktivt forfall

Historien om studiet av radioaktivitet begynte 1. mars 1896, da en berømt fransk vitenskapsmann ved et uhell oppdaget en merkelighet i strålingen av uransalter. Det viste seg at de fotografiske platene plassert i samme boks med prøven var overeksponert. Dette ble ført til av den merkelige, sterkt penetrerende strålingen som uran hadde. Denne egenskapen ble funnet i de tyngste elementene, fullfører periodiske tabell. Den fikk navnet "radioaktivitet".

Skriv inn egenskapene til radioaktivitet

Denne prosessen er den spontane transformasjonen av et atom av en isotop av et element til en annen isotop med samtidig frigjøring av elementære partikler (elektroner, kjerner av heliumatomer). Transformasjonen av atomer viste seg å være spontan, og krevde ikke absorpsjon av energi fra utsiden. Hovedmengden som karakteriserer prosessen med energifrigjøring under prosessen kalles aktivitet.

Aktiviteten til en radioaktiv prøve er det sannsynlige antallet henfall av en gitt prøve per tidsenhet. Den internasjonale måleenheten kalles becquerel (Bq). 1 becquerel er aktiviteten til en prøve der det i gjennomsnitt skjer 1 forfall per sekund.

A=λN, hvor λ er henfallskonstanten, N er antall aktive atomer i prøven.

Det er α, β, γ henfall. De tilsvarende ligningene kalles forskyvningsregler:

Tidsintervall i radioaktivitet

Momentet for partikkeloppløsning kan ikke bestemmes for dette spesielle atomet. For ham er dette mer en "ulykke" enn et mønster. Energifrigjøringen som karakteriserer denne prosessen er definert som aktiviteten til prøven.

Det har blitt lagt merke til at det endrer seg over tid. Selv om enkeltelementer viser en overraskende konstans i utslippsgraden, er det stoffer hvis aktivitet avtar flere ganger over en ganske kort periode. Utrolig variasjon! Er det mulig å finne et mønster i disse prosessene?

Det er fastslått at det er en tid hvor nøyaktig halvparten av atomene i en gitt prøve gjennomgår forfall. Dette tidsintervallet kalles «halveringstiden». Hva er vitsen med å introdusere dette konseptet?

halvt liv?

Det ser ut til at i en tid lik perioden, forfaller nøyaktig halvparten av alle aktive atomer i en gitt prøve. Men betyr dette at innen to halveringstider vil alle aktive atomer forfalle fullstendig? Ikke i det hele tatt. Etter et visst øyeblikk forblir halvparten av de radioaktive grunnstoffene i prøven, etter samme tidsperiode forfaller en annen halvpart av de gjenværende atomene, og så videre. I dette tilfellet forblir strålingen lang tid, betydelig overskridelse av halveringstiden. Dette betyr at aktive atomer beholdes i prøven uavhengig av stråling

Halveringstid er en verdi som utelukkende avhenger av egenskapene til et gitt stoff. Verdien av mengden er bestemt for mange kjente radioaktive isotoper.

Tabell: "Halveringstid for nedbrytning av individuelle isotoper"

Navn	Betegnelse	Type forfall	Halvt liv
			0,001 sekunder


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

Halveringstiden ble bestemt eksperimentelt. Under laboratoriestudier måles aktiviteten gjentatte ganger. Siden laboratorieprøver er av minimal størrelse (sikkerheten til forskeren er overordnet), utføres eksperimentet med forskjellige tidsintervaller, gjentatt mange ganger. Det er basert på mønsteret av endringer i aktiviteten til stoffer.

For å bestemme halveringstiden, måles aktiviteten til en gitt prøve i bestemte tidsperioder. Tatt i betraktning det faktum at denne parameteren er relatert til antall forfallne atomer, ved å bruke loven om radioaktivt forfall, bestemmes halveringstiden.

Eksempeldefinisjon for en isotop

La antallet aktive elementer i isotopen som studeres på et gitt tidspunkt være lik N, tidsintervallet som observasjonen utføres i t 2 - t 1, hvor start- og sluttid for observasjonen er ganske nær. La oss anta at n er antall atomer som forfalt i et gitt tidsintervall, da n = KN(t 2 - t 1).

I dette uttrykket er K = 0,693/T½ proporsjonalitetskoeffisienten, kalt forfallskonstanten. T½ er halveringstiden til isotopen.

La oss ta tidsintervallet til å være ett. I dette tilfellet indikerer K = n/N brøkdelen av isotopkjernene som er tilstede som forfaller per tidsenhet.

Når man kjenner verdien av forfallskonstanten, kan halveringstiden for forfall også bestemmes: T½ = 0,693/K.

Det følger at per tidsenhet ikke et visst antall aktive atomer forfaller, men en viss brøkdel av dem.

Loven om radioaktivt forfall (LDC)

Halveringstiden er grunnlaget for ZRR. Mønsteret ble utledet av Frederico Soddi og Ernest Rutherford basert på resultatene av eksperimentelle studier i 1903. Det er overraskende at gjentatte målinger, utført ved hjelp av instrumenter som var langt fra perfekte, under forholdene på begynnelsen av det tjuende århundre, førte til et nøyaktig og rimelig resultat. Det ble grunnlaget for teorien om radioaktivitet. La oss utlede en matematisk notasjon for loven om radioaktivt forfall.

La N 0 være antall aktive atomer på et gitt tidspunkt. Etter tidsintervallet t vil N elementer forbli uforfallne.

Ved en tid lik halveringstiden vil nøyaktig halvparten av de aktive elementene forbli: N=N 0 /2.

Etter nok en halveringstid gjenstår følgende i prøven: N=N 0 /4=N 0 /2 2 aktive atomer.

Etter en tid lik en annen halveringstid vil prøven kun beholde: N=N 0 /8=N 0 /2 3 .

Når n halveringstider har gått, vil N=N 0 /2 n aktive partikler forbli i prøven. I dette uttrykket, n=t/T½: forholdet mellom forskningstiden og halveringstiden.

ZRR har et litt annerledes matematisk uttrykk, mer praktisk når du skal løse problemer: N=N 0 2 - t/ T½.

Mønsteret lar oss bestemme, i tillegg til halveringstiden, antall atomer i den aktive isotopen som ikke har forfalt på et gitt tidspunkt. Når du kjenner antall atomer i prøven ved begynnelsen av observasjonen, er det etter en tid mulig å bestemme levetiden til dette preparatet.

Formelen for loven om radioaktivt forfall hjelper til med å bestemme halveringstiden bare hvis visse parametere er tilgjengelige: antall aktive isotoper i prøven, noe som er ganske vanskelig å finne ut.

Konsekvenser av loven

ZPP-formelen kan skrives ved å bruke begrepene aktivitet og masse av legemiddelatomer.

Aktiviteten er proporsjonal med antall radioaktive atomer: A=A 0 ,2 -t/T. I denne formelen er A 0 aktiviteten til prøven i det første øyeblikket, A er aktiviteten etter t sekunder, T er halveringstiden.

Massen til et stoff kan brukes i følgende mønster: m=m 0 ,2 -t/T

Over en hvilken som helst lik tidsperiode forfaller absolutt samme andel av radioaktive atomer som er tilstede i et gitt preparat.

Anvendelsesgrenser for loven

Loven er statistisk i enhver forstand, og bestemmer prosessene som skjer i mikrokosmos. Det er klart at halveringstiden til radioaktive grunnstoffer er en statistisk verdi. Den sannsynlige naturen til hendelser i atomkjerner antyder at en vilkårlig kjerne kan falle fra hverandre når som helst. Det er umulig å forutsi en hendelse, du kan bare bestemme dens sannsynlighet på et gitt tidspunkt. Som en konsekvens er halveringstiden meningsløs:

for et enkelt atom;
for en prøve med minimumsmasse.

Atoms levetid

Eksistensen av et atom i sin opprinnelige tilstand kan vare et sekund, eller kanskje millioner av år. Det er heller ikke nødvendig å snakke om levetiden til denne partikkelen. Ved å innføre en verdi lik gjennomsnittlig levetid for atomer, kan vi snakke om eksistensen av atomer av en radioaktiv isotop og konsekvensene av radioaktivt forfall. Halveringstiden til kjernen til et atom avhenger av egenskapene til et gitt atom og er ikke avhengig av andre mengder.

Er det mulig å løse problemet: hvordan finne halveringstiden, vite gjennomsnittlig levetid?

Formelen for forholdet mellom gjennomsnittlig levetid for et atom og nedbrytningskonstanten er ikke mindre nyttig for å bestemme halveringstiden.

τ= T 1/2 /ln2= T 1/2 /0,693=1/ λ.

I denne notasjonen er τ gjennomsnittlig levetid, λ er forfallskonstanten.

Bruk av halveringstid

Bruken av ZRR for å bestemme alderen til individuelle prøver ble utbredt i forskning på slutten av det tjuende århundre. Nøyaktigheten av datering av fossile gjenstander har forbedret seg så mye at det kan gi innsikt i levetid som dateres tilbake årtusener f.Kr.

Fossile organiske prøver er basert på endringer i aktiviteten til karbon-14 (en radioaktiv isotop av karbon), som finnes i alle organismer. Det går inn i en levende organisme i prosessen med metabolisme og er inneholdt i den viss konsentrasjon. Etter døden, metabolisme miljø stopper. Konsentrasjonen av radioaktivt karbon faller på grunn av naturlig forfall, og aktiviteten avtar proporsjonalt.

Hvis det er en slik verdi som halveringstiden, hjelper formelen for loven om radioaktivt forfall å bestemme tiden fra det øyeblikket organismen slutter å fungere.

Radioaktive transformasjonskjeder

Radioaktivitetsstudier ble utført under laboratorieforhold. Radioaktive elementers fantastiske evne til å forbli aktive i timer, dager og til og med år kunne ikke annet enn å overraske fysikere på begynnelsen av det tjuende århundre. Forskning, for eksempel på thorium, ble ledsaget av et uventet resultat: i en lukket ampulle var aktiviteten betydelig. Ved det minste pust falt hun. Konklusjonen viste seg å være enkel: transformasjonen av thorium er ledsaget av utslipp av radon (gass). Alle grunnstoffer i prosessen med radioaktivitet omdannes til et helt annet stoff, som er forskjellige i både fysiske og kjemiske egenskaper. Dette stoffet er på sin side også ustabilt. For tiden er tre serier med lignende transformasjoner kjent.

Kunnskap om slike transformasjoner er ekstremt viktig for å bestemme tidspunktet for utilgjengelighet for soner som er forurenset under atom- og kjernefysisk forskning eller katastrofer. Halveringstiden til plutonium - avhengig av isotopen - varierer fra 86 år (Pu 238) til 80 millioner år (Pu 244). Konsentrasjonen av hver isotop gir en ide om perioden med desinfeksjon av territoriet.

Det dyreste metallet

Det er kjent at i vår tid er det metaller som er mye dyrere enn gull, sølv og platina. Disse inkluderer plutonium. Interessant nok forekommer ikke plutonium skapt under evolusjonsprosessen i naturen. De fleste elementene er oppnådd i laboratorieforhold. Drift av plutonium-239 atomreaktorer ga ham muligheten til å bli ekstremt populær i disse dager. Å skaffe tilstrekkelige mengder av denne isotopen for bruk i reaktorer gjør den praktisk talt uvurderlig.

Plutonium-239 oppnås under naturlige forhold som en konsekvens av en kjede av transformasjoner av uran-239 til neptunium-239 (halveringstid - 56 timer). En lignende kjede gjør det mulig å akkumulere plutonium i atomreaktorer. Utseendehastigheten til den nødvendige mengden overstiger den naturlige en milliarder av ganger.

Energiapplikasjoner

Vi kan snakke mye om manglene ved atomenergi og om menneskehetens "rariteter", som bruker nesten enhver oppdagelse til å ødelegge sin egen type. Oppdagelsen av plutonium-239, som er i stand til å delta i, gjorde det mulig å bruke det som en kilde til fredelig energi. Uran-235, som er en analog av plutonium, er ekstremt sjelden på jorden å isolere det fra det er mye vanskeligere enn å få tak i plutonium.

Jordens alder

Radioisotopanalyse av isotoper av radioaktive elementer gir en mer nøyaktig ide om levetiden til en bestemt prøve.

Ved å bruke kjeden av transformasjoner "uran - thorium" inneholdt i jordskorpen, gjør det mulig å bestemme alderen på planeten vår. Prosentandelen av disse grunnstoffene i gjennomsnitt over hele jordskorpen er grunnlaget for denne metoden. I følge de siste dataene er jordens alder 4,6 milliarder år.

LABORATORIEARBEID nr. 19

STUDERE LOVEN OM RADIOAKTIVT FORVALTNING

OG METODER FOR BESKYTTELSE MOT RADIOAKTIV STRÅLING

Målet med arbeidet : 1) studie av loven om radioaktivt forfall; 2) studie av loven om absorpsjon av g- og b-stråler av materie.

Jobbmål : 1) bestemmelse av lineære absorpsjonskoeffisienter radioaktiv stråling ulike materialer; 2) bestemmelse av tykkelsen på halvdempningslaget til disse materialene; 3) bestemmelse av halveringstiden og nedbrytningskonstanten til et kjemisk grunnstoff.

Støttemidler : Windows-datamaskin.

TEORETISK DEL

Introduksjon

Sammensetning av atomkjernen

Kjernen til ethvert atom består av to typer partikler - protoner og nøytroner. Et proton er kjernen til det enkleste atomet - hydrogen. Den har en positiv ladning, lik i størrelsesorden ladningen til et elektron, og en masse på 1,67 × 10-27 kg. Nøytronet, hvis eksistens ble etablert først i 1932 av engelskmannen James Chadwick, er elektrisk nøytralt, og massen er nesten den samme som protonets. Nøytroner og protoner, som er to bestanddeler i atomkjernen, kalles samlet nukleoner. Antall protoner i en kjerne (eller nuklid) kalles atomnummer og er betegnet med bokstaven Z. Totalt antall nukleoner, dvs. nøytroner og protoner, betegnet med bokstaven A og kalt massetallet. Kjemiske elementer er vanligvis betegnet med symbolet eller, hvor X er symbolet for det kjemiske elementet.

Radioaktivitet

Fenomenet radioaktivitet består i spontan (spontan) transformasjon av kjerner i noen kjemiske elementer inn i kjernene til andre grunnstoffer som sender ut radioaktiv stråling.

Kjerner som gjennomgår slikt forfall kalles radioaktive. Kjerner som ikke gjennomgår radioaktivt forfall kalles stabile. Under nedbrytningsprosessen kan både atomnummer Z og massenummer A til kjernen endres.

Radioaktive transformasjoner skjer spontant. Strømningshastigheten påvirkes ikke av endringer i temperatur og trykk, tilstedeværelsen av elektriske og magnetiske felt, typen kjemisk forbindelse til et gitt radioaktivt element og dets aggregeringstilstand.

Radioaktivt forfall karakteriseres av tidspunktet for dets forekomst, typen og energiene til de utsendte partiklene, og når flere partikler slipper ut fra kjernen, også av de relative vinklene mellom retningene for partikkelutslipp. Historisk sett er radioaktivitet den første kjernefysiske prosessen oppdaget av mennesket (A. Becquerel, 1896).

Det skilles mellom naturlig og kunstig radioaktivitet.

Naturlig radioaktivitet forekommer i ustabile kjerner som eksisterer under naturlige forhold. Kunstig er radioaktiviteten til kjerner dannet som et resultat av ulike kjernefysiske reaksjoner. Det er ingen grunnleggende forskjell mellom kunstig og naturlig radioaktivitet. De har generelle mønstre.

Fire hovedtyper av radioaktivitet er mulig og faktisk observert i atomkjerner: a-forfall, b-forfall, g-forfall og spontan fisjon.

Fenomenet a-forfall er at tunge kjerner spontant sender ut a-partikler (heliumkjerner 2 H 4). I dette tilfellet reduseres massetallet til kjernen med fire enheter, og atomnummeret med to:

ZXA® Z-2YA-4 + 2 H4.

a-partikkelen består av fire nukleoner: to nøytroner og to protoner.

Under prosessen med radioaktivt forfall kan en kjerne ikke bare sende ut partiklene som er en del av den, men også nye partikler som blir født under nedbrytningsprosessen. Prosesser av denne typen er b- og g-forfall.

Konseptet med b-forfall kombinerer tre typer kjernefysiske transformasjoner: elektron (b -) forfall, positron (b +) forfall og elektronfangst.

Fenomenet b - forfall er at en kjerne spontant sender ut et elektron e - og den letteste elektrisk nøytrale partikkelen antineutrino, og går inn i en kjerne med samme massenummer A, men med et atomnummer Z, men ett større enn ett:

Z X A ® Z +1 Y A + e - +.

Det må understrekes at elektronet som sendes ut under b - henfall ikke er relatert til orbitale elektroner. Det er født inne i selve kjernen: et av nøytronene blir til et proton og sender samtidig ut et elektron.

En annen type b-forfall er en prosess der en kjerne sender ut en positron e + og en annen letteste elektrisk nøytral partikkel, en nøytrino n. I dette tilfellet blir ett av protonene til et nøytron:

Z XA® Z-1 YA + e + +n.

Dette forfallet kalles positron eller b+ forfall.

Utvalget av b-forfallsfenomener inkluderer også elektronfangst (ofte også kalt K-fangst), der kjernen absorberer ett av elektronene i atomskallet (vanligvis fra K-skallet), og sender ut en nøytrino. I dette tilfellet, som i positronforfall, blir ett av protonene til et nøytron:

e - + Z XA® Z -1 YA +n.

G-stråling inkluderer elektromagnetiske bølger, hvis lengde er betydelig mindre enn de interatomiske avstandene:

hvor d - er i størrelsesorden 10 -8 cm I det korpuskulære bildet er denne strålingen en strøm av partikler som kalles g-quanta. Nedre grense for g-kvanteenergi

E= 2p s/l

er i størrelsesorden titalls keV. Det er ingen naturlig øvre grense. Moderne akseleratorer produserer kvanter med energier opp til 20 GeV.

Nedfallet av en kjerne med utslipp av g - stråling minner på mange måter om utslipp av fotoner fra eksiterte atomer. Som et atom kan kjernen være i en opphisset tilstand. Ved overgang til en lavere energitilstand, eller grunntilstand, sender kjernen ut et foton. Siden g-stråling ikke har en ladning, er det under g-forfall ingen transformasjon av ett kjemisk grunnstoff til et annet.

Grunnleggende lov om radioaktivt forfall

Radioaktivt forfall er et statistisk fenomen: det er umulig å forutsi når en gitt ustabil kjerne vil forfalle, bare noen sannsynlige vurderinger kan gjøres om denne hendelsen. For en stor samling av radioaktive kjerner kan man få en statistisk lov som uttrykker avhengigheten av udøde kjerner på tid.

La kjernene forfalle innen et tilstrekkelig kort tidsintervall. Dette tallet er proporsjonalt med tidsintervallet, så vel som det totale antallet radioaktive kjerner:

, (1)

hvor er forfallskonstanten, proporsjonal med sannsynligheten for forfall av den radioaktive kjernen og forskjellig for forskjellige radioaktive stoffer. "-"-tegnet er plassert på grunn av det faktum at< 0, так как число не распавшихся радиоактивных ядер убывает со временем.

La oss skille variablene og integrere (1), med tanke på at de nedre grensene for integrasjon tilsvarer Innledende forhold(ved , hvor er det opprinnelige antallet radioaktive kjerner), og de øvre - til gjeldende verdier og :

(2)

Potenserende uttrykk (3), har vi

Det er det det er grunnleggende lov om radioaktivt forfall: antall udøde radioaktive kjerner avtar med tiden i henhold til en eksponentiell lov.

Figur 1 viser henfallskurve 1 og 2, tilsvarende stoffer med forskjellige henfallskonstanter (λ 1 > λ 2), men med samme startantall radioaktive kjerner. Linje 1 tilsvarer et mer aktivt element.

I praksis, i stedet for forfallskonstanten, brukes oftere en annen egenskap ved en radioaktiv isotop - halvt liv . Dette er tiden hvor halvparten av de radioaktive kjernene forfaller. Naturligvis er denne definisjonen gyldig for tilstrekkelig stort nummer kjerner. Figur 1 viser hvordan du ved hjelp av kurve 1 og 2 kan finne halveringstidene til kjerner: trekk en rett linje parallelt med abscisseaksen gjennom ordinatpunktet til den skjærer kurvene. Abscissen til skjæringspunktene mellom den rette linjen og linjene 1 og 2 gir halveringstidene T 1 og T 2.

Fenomenet radioaktivitet ble oppdaget i 1896 av A. Becquerel, som observerte spontane utslipp av ukjent stråling fra uransalter. Snart slo E. Rutherford og Curies fast at under radioaktivt forfall He-kjerner (α-partikler), elektroner (β-partikler) og harde elektromagnetisk stråling(γ-stråler).

I 1934 ble forfall med utslipp av positroner (β + -forfall) oppdaget, og i 1940 ble en ny type radioaktivitet oppdaget - spontan fisjon av kjerner: en fisjonskjerne faller fra hverandre i to fragmenter med sammenlignbar masse med det samtidige utslippet av nøytroner og γ -kvantum. Proton radioaktivitet av kjerner ble observert i 1982. Dermed er det følgende typer radioaktivt forfall: α-forfall; -forfall; - forfall; e - fangst.

Radioaktivitet- evnen til noen atomkjerner til spontant (spontant) å forvandle seg til andre kjerner med utslipp av partikler.

Atomkjerner er bygd opp av protoner og nøytroner, som har et generelt navn - nukleoner. Antall protoner i kjernen bestemmer Kjemiske egenskaper atom og er betegnet Z (serienummer element). Antall nukleoner i kjernen kalles massenummer og betegne EN. Kjerner med samme serienummer og forskjellige massetall kalles isotoper. Alle isotoper av ett kjemisk grunnstoff har de samme kjemiske egenskapene, men fysiske egenskaper kan variere mye. For å betegne isotoper, bruk symbolet på et kjemisk element med to indekser: A Z X. Den nedre indeksen er serienummeret, den øvre indeksen er massenummeret. Ofte utelates subscriptet fordi det er indikert med selve elementets symbol.

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

Evnen til en kjerne til å forfalle avhenger av dens sammensetning. Det samme grunnstoffet kan ha både stabile og radioaktive isotoper.

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

Radioaktivt forfall er et statistisk fenomen. En isotops evne til å forfalle er preget av forfallskonstanten λ.

Forfallskonstanten λ er sannsynligheten for at kjernen til en gitt isotop vil avta per tidsenhet.

La oss betegne antallet N av radioaktive henfallskjerner ved tidspunkt t, dN 1 - antall kjerner som forfaller i løpet av tiden dt. Siden antallet kjerner i materie er enormt, er loven oppfylt store tall. Sannsynligheten for kjernefysisk henfall i løpet av kort tid dt finnes ved formelen dP = λdt. Frekvensen er lik sannsynligheten: d N 1 / N = dP = λdt. d N 1 / N = λdt- en formel som bestemmer antall nedbrutte kjerner.

Løsningen på ligningen er: , - formelen kalles loven om radioaktivt forfall: Antallet radioaktive kjerner avtar med tiden i henhold til en eksponentiell lov.

Her er N antallet udøde kjerner på tidspunktet t; N o - det innledende antallet udøde kjerner; λ er den radioaktive henfallskonstanten.

I praksis er det ikke forfallskonstanten som brukes λ , og mengden som kalles halveringstid T.

Halveringstid (T) er tiden hvor halvparten av de radioaktive kjernene forfaller.

Loven om radioaktivt forfall gjennom perioden halveringstid (T) har formen:

Forholdet mellom halveringstid og henfallskonstant er gitt ved formelen: T = ln(2/λ) = 0,69/λ

Halveringstiden kan enten være veldig lang eller veldig kort.

For å vurdere aktivitetsgraden til en radioaktiv isotop, brukes en mengde som kalles aktivitet.

Aktivitetsnummer av kjerner i et radioaktivt medikament som forfaller per tidsenhet: A = dN forfall /dt

SI-enheten for aktivitet er 1 becquerel (Bq) = 1 desintegrasjon/s - aktiviteten til et medikament der 1 desintegrasjon skjer på 1 s. En større aktivitetsenhet er 1 rutherford (Rd) = Bq. En aktivitetsenhet utenfor systemet brukes ofte - curie (Ci), lik aktiviteten til 1 g radium: 1 Ci = 3,7 Bq.

Over tid avtar aktiviteten i henhold til den samme eksponentielle loven som selve radionuklidet forfaller:

= .
I praksis brukes formelen for å beregne aktivitet:

A = = λN = 0,693 N/T.

Hvis vi uttrykker antall atomer gjennom masse og masse, vil formelen for beregning av aktivitet ha formen: A = = 0,693 (μT)

hvor er Avogadros nummer; μ - molar masse.

1. Radioaktivitet. Den grunnleggende loven om radioaktivt forfall. Aktivitet.

2. Hovedtyper av radioaktivt forfall.

3. Kvantitative egenskaper ved samspillet mellom ioniserende stråling og materie.

4. Naturlig og kunstig radioaktivitet. Radioaktiv serie.

5. Bruk av radionuklider i medisin.

6. Akseleratorer av ladede partikler og deres bruk i medisin.

7. Biofysisk grunnlag for virkningen av ioniserende stråling.

8. Grunnleggende begreper og formler.

9. Oppgaver.

Legenes interesse for naturlig og kunstig radioaktivitet skyldes følgende.

For det første blir alle levende ting konstant utsatt for naturlig bakgrunnsstråling, som består av kosmisk stråling, stråling av radioaktive elementer som ligger i overflatelagene av jordskorpen, og stråling av elementer som kommer inn i dyrekroppen sammen med luft og mat.

For det andre brukes radioaktiv stråling i selve medisinen til diagnostiske og terapeutiske formål.

33.1. Radioaktivitet. Den grunnleggende loven om radioaktivt forfall. Aktivitet

Fenomenet radioaktivitet ble oppdaget i 1896 av A. Becquerel, som observerte spontane utslipp av ukjent stråling fra uransalter. Snart slo E. Rutherford og Curies fast at under radioaktivt forfall sendes det ut He-kjerner (α-partikler), elektroner (β-partikler) og hard elektromagnetisk stråling (γ-stråler).

Radioaktivitet - evnen til noen atomkjerner til spontant (spontant) å forvandle seg til andre kjerner med utslipp av partikler.

Atomkjerner består av protoner og nøytroner, som har et generelt navn - nukleoner. Antall protoner i kjernen bestemmer de kjemiske egenskapene til atomet og er betegnet med Z (dette er serienummer kjemisk element). Antall nukleoner i en kjerne kalles massenummer og betegne A. Kjerner med samme atomnummer og forskjellige massetall kalles isotoper. Alle isotoper av ett kjemisk grunnstoff har det samme Kjemiske egenskaper. Fysiske egenskaper isotoper kan variere mye. For å betegne isotoper, bruk symbolet til et kjemisk grunnstoff med to indekser: A Z X. Den nedre indeksen er serienummeret, den øvre indeksen er massetallet. Ofte utelates subscriptet fordi det er indikert med selve elementets symbol. For eksempel skriver de 14 C i stedet for 14 6 C.

Evnen til en kjerne til å forfalle avhenger av dens sammensetning. Det samme grunnstoffet kan ha både stabile og radioaktive isotoper. For eksempel er karbonisotopen 12 C stabil, men isotopen 14 C er radioaktiv.

Radioaktivt forfall er et statistisk fenomen. En isotops evne til å forfalle kjennetegner forfallskonstantλ.

Forfall konstant- sannsynligheten for at kjernen til en gitt isotop vil forfalle per tidsenhet.

Sannsynligheten for kjernefysisk forfall i løpet av kort tid dt finnes ved formelen

Ved å ta hensyn til formel (33.1), får vi et uttrykk som bestemmer antall nedbrutte kjerner:

Formel (33.3) kalles hoved lov om radioaktivt forfall.

Antallet radioaktive kjerner avtar med tiden i henhold til en eksponentiell lov.

I praksis i stedet forfallskonstantλ en annen mengde brukes ofte, kalt halvt liv.

Halvt liv(T) - tiden den forfaller halv radioaktive kjerner.

Loven om radioaktivt forfall ved bruk av halveringstid er skrevet som følger:

Grafen for avhengighet (33.4) er vist i fig. 33.1.

Halveringstiden kan være veldig lang eller veldig kort (fra brøkdeler av et sekund til mange milliarder år). I tabellen Figur 33.1 viser halveringstidene for noen elementer.

Ris. 33.1. Nedgang i antall kjerner av det opprinnelige stoffet under radioaktivt forfall

Tabell 33.1. Halveringstid for enkelte elementer

For rate grad av radioaktivitet isotoper bruke en spesiell mengde kalt aktivitet.

Aktivitet - antall kjerner i et radioaktivt medikament som forfaller per tidsenhet:

SI-enheten for aktivitet er becquerel(Bq), 1 Bq tilsvarer én henfallshendelse per sekund. I praksis mer

barnslig ikke-systemisk aktivitetsenhet - curie(Ci), lik aktiviteten til 1 g 226 Ra: 1 Ci = 3,7x10 10 Bq.

Over tid avtar aktiviteten på samme måte som antallet udøde kjerner reduseres:

33.2. Hovedtyper av radioaktivt forfall

I prosessen med å studere fenomenet radioaktivitet ble det oppdaget 3 typer stråler som sendes ut av radioaktive kjerner, som ble kalt α-, β- og γ-stråler. Senere ble det funnet at α- og β-partikler er produkter av to forskjellige typer radioaktivt forfall, og γ-stråler er et biprodukt av disse prosessene. I tillegg følger γ-stråler med mer komplekse kjernefysiske transformasjoner, som ikke er vurdert her.

Alfa-forfall består i spontan transformasjon av kjerner med emisjonenα -partikler (heliumkjerner).

α-forfallsskjemaet skrives som

hvor X, Y er symbolene for henholdsvis mor- og datterkjernene. Når du skriver α-forfall, kan du skrive "Han" i stedet for "α".

Under dette forfallet reduseres atomnummeret Z til grunnstoffet med 2, og massetallet A reduseres med 4.

Under α-forfall dannes datterkjernen som regel i en eksitert tilstand og sender ut et y-kvante ved overgang til grunntilstanden. Den generelle egenskapen til komplekse mikroobjekter er at de har diskret sett energitilstander. Dette gjelder også kjerner. Derfor har y-stråling fra eksiterte kjerner et diskret spektrum. Følgelig er energispekteret til α-partikler diskret.

Energien til utsendte α-partikler for nesten alle α-aktive isotoper ligger i området 4-9 MeV.

Beta-forfall består i spontan transformasjon av kjerner med emisjon av elektroner (eller positroner).

Det er fastslått at β-forfall alltid er ledsaget av utslipp av en nøytral partikkel - en nøytrino (eller antinøytrino). Denne partikkelen samhandler praktisk talt ikke med materie og vil ikke bli vurdert videre. Energien som frigjøres under beta-forfall fordeles tilfeldig mellom beta-partikkelen og nøytrinoen. Derfor er energispekteret til β-stråling kontinuerlig (fig. 33.2).

Ris. 33.2. Energispekteret til β-forfall

Det er to typer β-forfall.

1. Elektroniskβ - -forfall består av transformasjonen av ett kjernefysisk nøytron til et proton og et elektron. I dette tilfellet vises en annen partikkel ν" - en antinøytrino:

Et elektron og en antinøytrino flyr ut fra kjernen. Elektron β - henfallsskjemaet er skrevet i formen

Under elektronisk β-forfall øker ordrenummeret til Z-elementet med 1, men massetallet A endres ikke.

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

2. Positroniskβ + -forfall innebærer transformasjon av ett kjernefysisk proton til et nøytron og et positron. I dette tilfellet vises en annen partikkel ν - en nøytrino:

Elektronfangst i seg selv produserer ikke ioniserende partikler, men det gjør det ledsaget av røntgenstråling. Denne strålingen oppstår når rommet som forlates ved absorpsjon av et indre elektron fylles av et elektron fra den ytre bane.

Gammastråling har en elektromagnetisk natur og representerer fotoner med bølgelengdeλ ≤ 10 -10 m.

Gammastråling er det ikke en uavhengig art radioaktivt forfall. Stråling av denne typen følger nesten alltid ikke bare α-forfall og β-forfall, men også mer kompleks kjernefysiske reaksjoner. Den avbøyes ikke av elektriske og magnetiske felt, har en relativt svak ioniserende og svært høy penetreringsevne.

33.3. Kvantitative egenskaper ved samspillet mellom ioniserende stråling og materie

Påvirkningen av radioaktiv stråling på levende organismer er forbundet med ionisering, som det forårsaker i vev. En partikkels evne til å ionisere avhenger både av dens type og energi. Når en partikkel beveger seg dypere inn i materien, mister den energien sin. Denne prosessen kalles ioniseringshemming.

Til kvantitative egenskaper For samspillet mellom en ladet partikkel og materie brukes flere mengder:

Når partikkelens energi faller under ioniseringsenergien, opphører dens ioniserende effekt.

Gjennomsnittlig lineær kjørelengde(R) av en ladet ioniserende partikkel - banen som den reiste i et stoff før den mistet sin ioniserende evne.

La oss se på noen kjennetegn interaksjoner mellom ulike typer stråling med materie.

Alfastråling

Alfapartikkelen avviker praktisk talt ikke fra den opprinnelige bevegelsesretningen, siden massen er mange ganger større

Ris. 33.3. Avhengighet av lineær ioniseringstetthet på banen som en α-partikkel går i mediet

massen til elektronet som det samhandler med. Når den trenger dypt inn i stoffet, øker først ioniseringstettheten, og når fullføring av kjøringen (x = R) synker kraftig til null (fig. 33.3). Dette forklares med det faktum at når bevegelseshastigheten avtar, øker tiden den tilbringer nær et molekyl (atom) i mediet. Sannsynligheten for ionisering øker i dette tilfellet. Etter at energien til α-partikkelen blir sammenlignbar med energien til molekylær termisk bevegelse, fanger den to elektroner i stoffet og blir til et heliumatom.

Elektroner som dannes under ioniseringsprosessen, beveger seg som regel bort fra α-partikkelsporet og forårsaker sekundær ionisering.

Kjennetegn på samspillet mellom a-partikler med vann og bløtvev er presentert i tabell. 33.2.

Tabell 33.2. Avhengighet av egenskapene til interaksjon med materie på energien til α-partikler

Betastråling

For bevegelse β -partikler i materie er preget av en krumlinjet uforutsigbar bane. Dette er på grunn av likheten mellom massene av samvirkende partikler.

Interaksjonsegenskaper β -partikler med vann og bløtvev er presentert i tabellen. 33.3.

Tabell 33.3. Avhengighet av egenskapene til interaksjon med materie på energien til β-partikler

I likhet med α-partikler øker ioniseringsevnen til β-partikler med synkende energi.

Gammastråling

Absorpsjon γ -stråling fra materie adlyder en eksponentiell lov som ligner på loven om absorpsjon av røntgenstråling:

De viktigste prosessene som er ansvarlige for absorpsjon γ -stråling er den fotoelektriske effekten og Compton-spredning. I dette tilfellet en relativt en liten mengde frie elektroner (primær ionisering), som har svært høy energi. De forårsaker prosesser med sekundær ionisering, som er uforlignelig høyere enn den primære.

33.4. Naturlig og kunstig

radioaktivitet. Radioaktiv serie

Vilkår naturlig Og kunstig radioaktivitet er betinget.

Naturlig kalt radioaktiviteten til isotoper som eksisterer i naturen, eller radioaktiviteten til isotoper dannet som et resultat av naturlige prosesser.

For eksempel er radioaktiviteten til uran naturlig. Radioaktiviteten til karbon 14 C, som dannes i øvre lag atmosfære under påvirkning av solstråling.

Kunstig kalt radioaktivitet av isotoper som oppstår som følge av menneskelig aktivitet.

Dette er radioaktiviteten til alle isotoper som produseres i partikkelakseleratorer. Dette inkluderer også radioaktiviteten til jord, vann og luft som oppstår under en atomeksplosjon.

Naturlig radioaktivitet

I innledende periode for å studere radioaktivitet kunne forskere bare bruke naturlige radionuklider (radioaktive isotoper) inneholdt i jordbergarter i tilstrekkelige mengder store mengder: 232 Th, 235 U, 238 U. Tre radioaktive serier begynner med disse radionuklidene, og ender med stabile isotoper Pb. Deretter ble det oppdaget en serie som startet med 237 Np, med den endelige stabile kjernen 209 Bi. I fig. Figur 33.4 viser raden som starter med 238 U.

Ris. 33.4. Uran-radium-serien

Elementer i denne serien er hovedkilden til intern menneskelig stråling. For eksempel kommer 210 Pb og 210 Po inn i kroppen med mat – de er konsentrert i fisk og skalldyr. Begge disse isotopene akkumuleres i lav og er derfor tilstede i kjøtt reinsdyr. Den mest betydningsfulle av alle naturlige kilder til stråling er 222 Rn - en tung inert gass som er et resultat av nedbrytningen av 226 Ra. Det står for omtrent halvparten av dosen naturlig stråling som mottas av mennesker. Formet i jordskorpen siver denne gassen inn i atmosfæren og kommer inn i vann (den er svært løselig).

Den radioaktive isotopen av kalium 40 K er konstant tilstede i jordskorpen, som er en del av naturlig kalium (0,0119%). Fra jorda kommer dette elementet inn gjennom rotsystemet til planter og med plantemat (korn, friske grønnsaker og frukt, sopp) inn i kroppen.

En annen kilde til naturlig stråling er kosmisk stråling (15%). Dens intensitet øker i fjellområder på grunn av en reduksjon i den beskyttende effekten av atmosfæren. Kilder til naturlig bakgrunnsstråling er oppført i tabell. 33.4.

Tabell 33.4. Komponent av naturlig radioaktiv bakgrunn

33,5. Bruk av radionuklider i medisin

Radionuklider kalles radioaktive isotoper av kjemiske grunnstoffer med kort halveringstid. Slike isotoper finnes ikke i naturen, så de oppnås kunstig. I moderne medisin er radionuklider mye brukt til diagnostiske og terapeutiske formål.

Diagnostisk applikasjon basert på selektiv akkumulering av visse kjemiske elementer av individuelle organer. Jod, for eksempel, er konsentrert i skjoldbruskkjertelen, og kalsium i beinene.

Innføringen av radioisotoper av disse elementene i kroppen gjør det mulig å oppdage områder av deres konsentrasjon ved radioaktiv stråling og dermed få viktig diagnostisk informasjon. Denne diagnostiske metoden kalles ved merket atom-metoden.

Terapeutisk bruk radionuklider er basert på den destruktive effekten av ioniserende stråling på tumorceller.

1. Gammaterapi- bruk av høyenergi γ-stråling (60 Co-kilde) for å ødelegge dyptliggende svulster. For å forhindre at overfladiske vev og organer blir utsatt for skadelige effekter, utføres eksponering for ioniserende stråling i forskjellige økter i forskjellige retninger.

2. Alfa terapi- terapeutisk bruk av α-partikler. Disse partiklene har en betydelig lineær ioniseringstetthet og absorberes av selv et lite luftlag. Derfor terapeutisk

Bruken av alfastråler er mulig gjennom direkte kontakt med overflaten av organet eller når det administreres internt (ved hjelp av en nål). For overflateeksponering brukes radonterapi (222 Rn): eksponering for hud (bad), fordøyelsesorganer (drikking) og luftveisorganer (innånding).

I noen tilfeller medisinsk bruk α -partikler er assosiert med bruk av nøytronfluks. Med denne metoden blir elementer først introdusert i vevet (svulsten), hvis kjerner, under påvirkning av nøytroner, avgir α -partikler. Etter dette blir det syke organet bestrålt med en strøm av nøytroner. På denne måten α -partikler dannes direkte inne i organet som de skal ha en destruktiv effekt på.

Tabell 33.5 viser egenskapene til noen radionuklider som brukes i medisin.

Tabell 33.5. Karakteristikk av isotoper

33,6. Ladede partikkelakseleratorer og deres bruk i medisin

Akselerator- en installasjon der det, under påvirkning av elektriske og magnetiske felt, produseres rettede stråler av ladede partikler med høy energi (fra hundrevis av keV til hundrevis av GeV).

Akseleratorer skaper smal stråler av partikler med en gitt energi og lite tverrsnitt. Dette lar deg gi regissert innvirkning på bestrålte gjenstander.

Bruk av akseleratorer i medisin

Elektron- og protonakseleratorer brukes i medisin for strålebehandling og diagnostikk. I dette tilfellet brukes både selve de akselererte partiklene og den medfølgende røntgenstrålingen.

Bremsstrahlung røntgen oppnås ved å rette en stråle av partikler til et spesielt mål, som er kilden til røntgenstråler. Denne strålingen skiller seg fra røntgenrøret ved betydelig høyere kvanteenergi.

Synkrotron røntgenstråler oppstår under akselerasjonen av elektroner i ringakseleratorer - synkrotroner. Slik stråling har høy grad av retningsbestemthet.

Den direkte effekten av raske partikler er assosiert med deres høye penetreringsevne. Slike partikler passerer gjennom overfladisk vev uten å forårsake alvorlig skade og har en ioniserende effekt på slutten av reisen. Ved å velge riktig partikkelenergi er det mulig å ødelegge svulster på en gitt dybde.

Bruksområdene for akseleratorer i medisin er vist i tabell. 33,6.

Tabell 33.6. Anvendelse av akseleratorer i terapi og diagnostikk

33,7. Biofysisk grunnlag for virkningen av ioniserende stråling

Som nevnt ovenfor er virkningen av radioaktiv stråling på biologiske systemer assosiert med ionisering av molekyler. Prosessen med interaksjon av stråling med celler kan deles inn i tre påfølgende stadier (stadier).

1. Fysisk stadium inneholder energioverføring stråling til molekyler i et biologisk system, noe som resulterer i deres ionisering og eksitasjon. Varigheten av dette stadiet er 10 -16 -10 -13 s.

2. Fysisk-kjemiske scenen består av forskjellige typer reaksjoner som fører til omfordeling av overflødig energi fra eksiterte molekyler og ioner. Som et resultat svært aktiv

produkter: radikaler og nye ioner med et bredt spekter av kjemiske egenskaper.

Varigheten av dette stadiet er 10 -13 -10 -10 s.

3. Kjemisk stadium - dette er interaksjonen mellom radikaler og ioner med hverandre og med omkringliggende molekyler. På dette stadiet dannes strukturelle skader av forskjellige typer, noe som fører til endringer i biologiske egenskaper: strukturen og funksjonene til membraner blir forstyrret; lesjoner oppstår i DNA- og RNA-molekyler.

Varigheten av det kjemiske stadiet er 10 -6 -10 -3 s.

4. Biologisk stadium. På dette stadiet fører skade på molekyler og subcellulære strukturer til ulike funksjonelle forstyrrelser, til for tidlig celledød som følge av virkningen av apoptotiske mekanismer eller på grunn av nekrose. Skader mottatt på det biologiske stadiet kan arves.

Varigheten av det biologiske stadiet varierer fra flere minutter til titalls år.

La oss merke oss de generelle mønstrene til det biologiske stadiet:

Store forstyrrelser med lavt absorbert energi (en dødelig dose stråling for mennesker får kroppen til å varme opp med bare 0,001°C);

Effekt på påfølgende generasjoner gjennom arveapparatet til cellen;

Karakterisert av en skjult, latent periode;

Ulike deler av cellene har ulik følsomhet for stråling;

Først av alt påvirkes delende celler, noe som er spesielt farlig for et barns kropp;

Skadelig effekt på vev av en voksen organisme der det er deling;

Likheten av stråling endres med patologien til tidlig aldring.

33,8. Grunnleggende begreper og formler

Tabellfortsettelse

33,9. Oppgaver

1. Hva er aktiviteten til stoffet hvis 10 000 kjerner av dette stoffet forfaller innen 10 minutter?

4. Alderen til gamle treprøver kan tilnærmet bestemmes av den spesifikke masseaktiviteten til 14 6 C isotopen i dem. Hvor mange år siden ble treet hugget ned som ble brukt til å lage en gjenstand, hvis den spesifikke masseaktiviteten til karbon i det er 75 % av den spesifikke masseaktiviteten til det voksende treet? Halveringstiden for radon er T = 5570 år.

9. Etter Tsjernobyl-ulykken var noen steder jordforurensning med radioaktivt cesium-137 på nivået 45 Ci/km 2 .

Etter hvor mange år vil aktiviteten på disse stedene avta til et relativt trygt nivå på 5 Ci/km 2? Halveringstiden til cesium-137 er T = 30 år.

10. Den tillatte aktiviteten til jod-131 i den menneskelige skjoldbruskkjertelen bør ikke være mer enn 5 nCi. Hos noen mennesker som var i Tsjernobyl-katastrofesonen, nådde aktiviteten til jod-131 800 nCi. Etter hvor mange dager gikk aktiviteten ned til normalen? Halveringstiden for jod-131 er 8 dager.

11. For å bestemme blodvolumet til et dyr, brukes følgende metode. Et lite volum blod tas fra dyret, røde blodceller skilles fra plasmaet og legges i en løsning med radioaktivt fosfor, som assimileres av de røde blodcellene. De merkede røde blodcellene gjeninnføres i dyrets sirkulasjonssystem, og etter en tid bestemmes aktiviteten til blodprøven.

ΔV = 1 ml av en slik løsning ble injisert i blodet til et dyr. Startaktiviteten til dette volumet var lik A 0 = 7000 Bq. Aktiviteten til 1 ml blod tatt fra venen til et dyr en dag senere var lik 38 pulser per minutt. Bestem dyrets blodvolum hvis halveringstiden for radioaktivt fosfor er T = 14,3 dager.

Under radioaktivt forfall, eller rett og slett oppløsning, forstå den naturlige radioaktive transformasjonen av kjerner, som skjer spontant. En atomkjerne som gjennomgår radioaktivt forfall kalles mors, den fremvoksende kjernen - datterselskaper.

Teorien om radioaktivt forfall er basert på antakelsen om at radioaktivt forfall er en spontan prosess som følger statistikkens lover. Siden individuelle radioaktive kjerner forfaller uavhengig av hverandre, kan vi anta at antall kjerner d N, forfalt i gjennomsnitt i løpet av tidsintervallet fra t før t + dt, proporsjonal med tidsperioden dt og nummer N udøde kjerner på den tiden t:

hvor er en konstant for en gitt radioaktivt stoff mengde kalt radioaktivt henfallskonstant; minustegnet indikerer det totalt antall radioaktive kjerner avtar under nedbrytningsprosessen.

Ved å skille variablene og integrere, dvs.

(256.2)

hvor er det opprinnelige antallet udøde kjerner (på det tidspunktet t = 0), N- antall udøde kjerner om gangen t. Formel (256.2) uttrykker lov om radioaktivt forfall, i henhold til hvilket antall udøde kjerner avtar eksponentielt med tiden.

Intensiteten til den radioaktive nedbrytningsprosessen er preget av to størrelser: halveringstiden og den gjennomsnittlige levetiden til den radioaktive kjernen. Halvt liv- tiden da det opprinnelige antallet radioaktive kjerner i gjennomsnitt halveres. Deretter, ifølge (256.2),

Halveringstider for naturlig radioaktive grunnstoffer varierer fra ti milliondeler av et sekund til mange milliarder år.

Total forventet levealder dN kjerner er lik . Etter å ha integrert dette uttrykket over alt mulig t(dvs. fra 0 til ) og dividere med det opprinnelige antallet kjerner, får vi gjennomsnittlig levetid radioaktiv kjerne:

(hensyntatt (256.2)). Dermed er gjennomsnittlig levetid for en radioaktiv kjerne den gjensidige av den radioaktive nedbrytningskonstanten.

Aktivitet EN nuklid (vanlig navn atomkjerner som er forskjellige i antall protoner Z og nøytroner N) V radioaktiv kilde er antall henfall som oppstår med kjernene til en prøve på 1 s:

(256.3)

SI-enheten for aktivitet er becquerel(Bq): 1 Bq - aktiviteten til et nuklid, hvor en henfallshendelse skjer på 1 s. Fortsatt i kjernefysikk En aktivitetsenhet utenfor systemet til en nuklid i en radioaktiv kilde brukes også - curie(Ci): 1 Ci = 3,7 x 10 10 Bq. Radioaktivt forfall skjer i henhold til den såkalte forskyvningsregler, noe som gjør det mulig å fastslå hvilken kjerne som oppstår som følge av forfallet til en gitt foreldrekjerne. Offset regler:

Til -forfall

(256.4)

Til -forfall

(256.5)

hvor er morkjernen, Y er symbolet på datterkjernen, er heliumkjernen (-partikkel), er den symbolske betegnelsen på elektronet (ladningen er –1 og massetallet er null). Forskyvningsreglene er ikke annet enn en konsekvens av to lover som gjelder under radioaktive henfall - bevaring av elektrisk ladning og bevaring av massetall: summen av ladningene (massetallene) til de resulterende kjernene og partiklene er lik ladningen (massenummer) til den opprinnelige kjernen.

Kjerner som er et resultat av radioaktivt forfall kan i sin tur være radioaktive. Dette fører til fremveksten kjeder, eller rad, radioaktive transformasjoner slutter med et stabilt element. Settet med elementer som danner en slik kjede kalles radioaktiv familie.

Av forskyvningsreglene (256.4) og (256.5) følger det at massetallet under -forfall minker med 4, men endres ikke under -forfall. Derfor, for alle kjerner av samme radioaktive familie, er resten den samme når man deler massetallet med 4. Dermed er det fire forskjellige radioaktive familier, for hver av disse er massetallene gitt av en av følgende formler:

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

Hvor P- hel positivt tall. Familier er navngitt etter den lengstlevende (med lengst halveringstid) "forfedre": familiene thorium (fra), neptunium (fra), uran (fra) og sjøanemone (fra). De endelige nuklidene er henholdsvis , , , , dvs. den eneste familien av neptunium (kunstig radioaktive kjerner) ender med en nuklid Bi, og alle resten (naturlig radioaktive kjerner) er nuklider Pb.

§ 257. Forfallslover

For tiden er mer enn to hundre aktive kjerner, hovedsakelig tunge ( EN > 200, Z> 82). Bare en liten gruppe -aktive kjerner forekommer i områder med EN= 140 ¸ 160 ( sjeldne jordarter). -Dekomponering følger forskyvningsregelen (256.4). Et eksempel på -forfall er forfallet av en isotop av uran med formasjonen Th:

Hastighetene til -partikler som sendes ut under forfall er svært høye og varierer for forskjellige kjerner fra 1,4 × 10 7 til 2 × 10 7 m/s, som tilsvarer energier fra 4 til 8,8 MeV. I følge moderne konsepter dannes -partikler i øyeblikket av radioaktivt forfall når to protoner og to nøytroner som beveger seg inne i kjernen møtes.

Partikler som sendes ut av en spesifikk kjerne har vanligvis en viss energi. Mer subtile målinger har imidlertid vist at energispekteret til -partikler som sendes ut av et gitt radioaktivt element, viser en "fin struktur", dvs. flere grupper av -partikler sendes ut, og innenfor hver gruppe er energiene deres praktisk talt konstante. Det diskrete spekteret av -partikler indikerer at atomkjerner har diskrete energinivåer.

-forfall er preget av en sterk sammenheng mellom halveringstid og energi E flygende partikler. Dette forholdet bestemmes empirisk Geiger-Nattall lov(1912) (D. Nattall (1890-1958) - engelsk fysiker, H. Geiger (1882-1945) - tysk fysiker), som vanligvis uttrykkes som en sammenheng mellom kjørelengde(avstanden tilbakelagt av en partikkel i et stoff før det stopper helt) - partikler i luften og den radioaktive henfallskonstanten:

(257.1)

Hvor EN Og I- empiriske konstanter, . I følge (257.1), jo kortere halveringstiden til et radioaktivt grunnstoff, desto større rekkevidde, og derfor energien til partiklene som sendes ut av det. Utvalget av partikler i luften (kl normale forhold) er flere centimeter; i tettere medier er den mye mindre, og utgjør hundredeler av en millimeter (-partikler kan holdes tilbake med et vanlig papirark).

Rutherfords eksperimenter med spredning av -partikler på urankjerner viste at -partikler opp til en energi på 8,8 MeV opplever Rutherford-spredning på kjerner, dvs. kreftene som virker på -partikler fra kjernene er beskrevet av Coulombs lov. Denne typen spredning av -partikler indikerer at de ennå ikke har kommet inn i virkningsområdet for kjernefysiske krefter, det vil si at vi kan konkludere med at kjernen er omgitt av en potensiell barriere, hvis høyde ikke er mindre enn 8,8 MeV. På den annen side har -partikler som sendes ut av uran en energi på 4,2 MeV. Følgelig flyr -partikler ut fra den -radioaktive kjernen med en energi merkbart lavere enn høyden på den potensielle barrieren. Klassisk mekanikk kunne ikke forklare dette resultatet.

En forklaring på -forfall er gitt av kvantemekanikken, ifølge hvilken rømming av en -partikkel fra kjernen er mulig på grunn av tunneleffekten (se §221) - penetrasjon av en -partikkel gjennom en potensiell barriere. Det er alltid en ikke-null sannsynlighet for at en partikkel med en energi mindre enn høyden på den potensielle barrieren vil passere gjennom den, det vil si at partikler kan fly ut av en radioaktiv kjerne med en energi som er mindre enn høyden på den potensielle barrieren . Denne effekten er helt på grunn av bølgenaturen til -partikler.

Sannsynligheten for at en partikkel passerer gjennom en potensiell barriere bestemmes av formen og beregnes basert på Schrödinger-ligningen. I det enkleste tilfellet med en potensiell barriere med rektangulære vertikale vegger (se fig. 298, EN) gjennomsiktighetskoeffisienten, som bestemmer sannsynligheten for å passere gjennom den, bestemmes av den tidligere diskuterte formelen (221.7):

Ved å analysere dette uttrykket ser vi at åpenhetskoeffisienten D jo lengre (derfor, jo kortere halveringstid) jo mindre i høyden ( U) og bredde ( l) barrieren er i banen til -partikkelen. I tillegg, med samme potensielle kurve, jo større energi partikkelen har, desto mindre er barrieren for dens bane. E. Dermed er Geiger-Nattall-loven kvalitativt bekreftet (se (257.1)).

§ 258. -Oppløsning. Nøytrino

Fenomenet -decay (i fremtiden vil det vise seg at det er og (-decay) følger forskyvningsregelen (256.5)

og er assosiert med frigjøring av et elektron. Vi måtte overvinne en rekke vanskeligheter med tolkningen av forfall.

Først var det nødvendig å underbygge opprinnelsen til elektronene som ble sendt ut under nedbrytningsprosessen. Proton-nøytronstrukturen til kjernen utelukker muligheten for at et elektron kan unnslippe fra kjernen, siden det ikke er noen elektroner i kjernen. Antagelsen er at elektroner ikke flyr ut fra kjernen, men fra elektronskall, er uholdbar, siden da må optisk eller røntgenstråling observeres, noe som ikke er bekreftet av eksperimenter.

For det andre var det nødvendig å forklare kontinuiteten til energispekteret til utsendte elektroner (energifordelingskurven for -partikler som er typisk for alle isotoper er vist i fig. 343).

Hvordan kan aktive kjerner, som har veldefinerte energier før og etter forfall, støte ut elektroner med energiverdier fra null til et visst maksimum? Det vil si at energispekteret til utsendte elektroner er kontinuerlig? Hypotesen om at elektroner under forfall forlater kjernen med strengt definerte energier, men som et resultat av noen sekundære interaksjoner mister de en eller annen del av energien, slik at deres opprinnelige diskrete spektrum blir til et kontinuerlig, ble tilbakevist av direkte kalorimetrisk eksperimenter. Siden den maksimale energien bestemmes av forskjellen i massene til mor- og datterkjernene, forfaller deretter elektronenergien< , как бы протекают с нарушением закона сохранения энергии. Н. Бор даже пытался обосновать это нарушение, высказывая предположение, что закон сохранения энергии носит статистический характер и выполняется лишь в среднем для большого числа элементарных процессов. Отсюда видно, насколько принципиально важно было разрешить это затруднение.

For det tredje var det nødvendig å håndtere ikke-konservering av spinn under -forfall. Under -forfall endres ikke antall nukleoner i kjernen (siden massetallet ikke endres EN), derfor spinn av kjernen, som er lik et heltall for partall EN og halvt heltall for oddetall EN. Frigjøring av et elektron med spin /2 bør imidlertid endre spinn av kjernen med /2.

De to siste vanskelighetene førte W. Pauli til hypotesen (1931) om at under -forfall sendes en annen nøytral partikkel ut sammen med elektronet - nøytrino. Nøytrinoen har null ladning, spin /2 og null (eller rettere sagt< 10 -4 ) массу покоя; обозначается . Впоследствии оказалось, что при - forfall, det er ikke nøytrinoer som slippes ut, men antinøytrino(antipartikkel i forhold til nøytrinoer; betegnet med ).

Hypotesen om eksistensen av nøytrinoer tillot E. Fermi å lage teorien om -forfall (1934), som stort sett har beholdt sin betydning til i dag, selv om eksistensen av nøytrinoer ble eksperimentelt bevist mer enn 20 år senere (1956). Et så langt "søk" etter nøytrinoer er forbundet med store vanskeligheter på grunn av mangelen på elektrisk ladning og masse i nøytrinoer. Nøytrino er den eneste partikkelen som ikke deltar i verken sterke eller elektromagnetiske interaksjoner; Den eneste typen interaksjon som nøytrinoer kan ta del i er den svake interaksjonen. Derfor er direkte observasjon av nøytrinoer svært vanskelig. Ioniseringsevnen til nøytrinoer er så lav at det skjer én ioniseringshendelse i luften per 500 km reise. Penetreringsevnen til nøytrinoer er så enorm (rekkevidden av nøytrinoer med en energi på 1 MeV i bly er ca. 1018 m!), noe som gjør det vanskelig å inneholde disse partiklene i enheter.

For eksperimentell påvisning av nøytrinoer (antineutrinoer) ble det derfor brukt en indirekte metode, basert på det faktum at i reaksjoner (inkludert de som involverer nøytrinoer) er loven om bevaring av momentum oppfylt. Dermed ble nøytrinoer oppdaget ved å studere rekylen til atomkjerner under -forfall. Hvis en antinøytrino blir kastet ut sammen med et elektron under forfallet av en kjerne, bør vektorsummen av tre impulser - rekylkjernen, elektronet og antinøytrinoen - være lik null. Dette har faktisk blitt bekreftet av erfaring. Direkte deteksjon av nøytrinoer ble mulig først mye senere, etter bruken av kraftige reaktorer som gjorde det mulig å oppnå intense nøytrinofluxer.

Introduksjonen av nøytrinoer (antineutrinoer) gjorde det mulig ikke bare å forklare den tilsynelatende ikke-konserveringen av spinn, men også å forstå spørsmålet om kontinuitet i energispekteret til utkastede elektroner. Det kontinuerlige spekteret av -partikler skyldes fordelingen av energi mellom elektroner og antinøytrinoer, og summen av energiene til begge partiklene er lik . I noen forfallshendelser mottar antinøytrinoen mer energi, i andre - elektronet; ved grensepunktet for kurven i fig. 343, hvor elektronenergien er lik , blir all henfallsenergien ført bort av elektronet, og antinøytrino-energien er null.

Til slutt, la oss vurdere spørsmålet om opprinnelsen til elektroner under -forfall. Siden elektronet ikke flyr ut av kjernen og ikke slipper ut av atomets skall, ble det antatt at elektronet er født som et resultat av prosesser som skjer inne i kjernen. Siden antall nukleoner i kjernen ikke endres under -forfall, a Zøker med én (se (256.5)), så er den eneste muligheten for samtidig implementering av disse forholdene transformasjonen av et av nøytronene - den aktive kjernen - til et proton med samtidig dannelse av et elektron og utslipp av en antinøytrino:

(258.1)

Denne prosessen er ledsaget av oppfyllelse av bevaringslover elektriske ladninger, momentum og massetall. I tillegg er denne transformasjonen energetisk mulig, siden hvilemassen til et nøytron overstiger massen til et hydrogenatom, dvs. et proton og et elektron kombinert. Denne forskjellen i masse tilsvarer en energi lik 0,782 MeV. På grunn av denne energien kan spontan transformasjon av et nøytron til et proton skje; energi fordeles mellom elektronet og antinøytrinoet.

Hvis transformasjonen av et nøytron til et proton er energetisk gunstig og generelt mulig, bør radioaktivt forfall av frie nøytroner (dvs. nøytroner utenfor kjernen) observeres. Oppdagelsen av dette fenomenet ville være en bekreftelse på den uttalte teorien om forfall. Faktisk, i 1950, i høyintensitets nøytronflukser som oppsto i atomreaktorer, ble det radioaktive forfallet av frie nøytroner oppdaget, som skjedde i henhold til skjema (258.1). Energispekteret til de resulterende elektronene tilsvarte det vist i fig. 343, og den øvre grensen for elektronenergien viste seg å være lik den som ble beregnet ovenfor (0,782 MeV).