Lov om radioaktivt henfald. Offset regler. Den grundlæggende lov om radioaktivt henfald af et radionuklid

1. Radioaktivitet. Grundloven Radioaktivt henfald. Aktivitet.

2. Hovedtyper af radioaktivt henfald.

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

4. Naturlig og kunstig radioaktivitet. Radioaktiv serie.

5. Brug af radionuklider i medicin.

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

7. Biofysisk grundlag for virkningen af ​​ioniserende stråling.

8. Grundlæggende begreber og formler.

9. Opgaver.

Lægernes interesse for naturlig og kunstig radioaktivitet skyldes følgende.

For det første bliver alle levende ting konstant udsat for naturlig baggrundsstråling, som består af kosmisk stråling, stråling fra radioaktive grundstoffer placeret i overfladelag jordskorpen og strålingen fra elementer, der trænger ind i dyrenes krop sammen med luft og mad.

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

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

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

I 1934 opdagede man henfald med emission af positroner (β + -henfald), og i 1940 blev det opdaget ny type radioaktivitet - spontan spaltning af kerner: en fissil kerne falder fra hinanden i to fragmenter af sammenlignelig masse med samtidig udsendelse af neutroner og γ - kvantum. Protonradioaktivitet af kerner blev observeret i 1982.

Radioaktivitet - nogles evner atomkerner spontant (spontant) omdannes til andre kerner med emission af partikler.

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

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

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

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

Sandsynligheden for nukleart henfald på kort tid dt findes ved formlen

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Tabel 33.1. Halveringstid for nogle elementer

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

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

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

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

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

33,2. Hovedtyper af radioaktivt henfald

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

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

α-henfaldsskemaet skrives som

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

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

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

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

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

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

Ris. 33,2. Energispektrum for β-henfald

Der er to typer af β-henfald.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

For kvantitativt at karakterisere interaktionen af ​​en ladet partikel med stof, bruges flere mængder:

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

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

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

Alfa-stråling

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

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

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

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

Karakteristika for α-partiklers interaktion med vand og blødt væv er præsenteret i tabel. 33,2.

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

Betastråling

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

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

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

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

Gammastråling

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

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

33,4. Naturlig og kunstig

radioaktivitet. Radioaktiv serie

Betingelser naturlig Og kunstig radioaktivitet er betinget.

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

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

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

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

Naturlig radioaktivitet

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

Ris. 33,4. Uran-radium serien

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

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

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

Tabel 33.4. Komponent af naturlig radioaktiv baggrund

33,5. Brug af radionuklider i medicin

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Tabel 33.5. Karakteristika for isotoper

33,6. Ladede partikelacceleratorer og deres anvendelse i medicin

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

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

Brug af acceleratorer i medicin

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

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

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

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

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

Tabel 33.6. Anvendelse af acceleratorer i terapi og diagnostik

33,7. Biofysisk grundlag for virkningen af ​​ioniserende stråling

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Lad os bemærke de generelle mønstre i det biologiske stadium:

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

Virkning på efterfølgende generationer gennem cellens arvelige apparat;

Karakteriseret af en skjult, latent periode;

Forskellige dele af celler har forskellig følsomhed over for stråling;

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

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

Ligheden af ​​stråling ændres med patologien af ​​tidlig aldring.

33,8. Grundlæggende begreber og formler

Bordfortsættelse

33,9. Opgaver

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

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

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

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

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

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

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

Radioaktivitet koncept

Lov om radioaktivt henfald

Kvantificering af radioaktivitet og dens enheder

Ioniserende stråling, deres egenskaber.

AI-kilder

1. Radioaktivitet koncept

Radioaktivitet er den spontane proces med transformation (henfald) af atomkerner, ledsaget af udsendelse af en særlig type stråling, kaldet radioaktiv.

I dette tilfælde sker transformationen af ​​atomer af nogle elementer til atomer af andre.

Radioaktive omdannelser er kun karakteristiske for individuelle stoffer.

Et stof betragtes som radioaktivt, hvis det indeholder radionuklider og undergår radioaktivt henfald.

Radionuklider (isotoper) - kernerne af atomer, der er i stand til spontant henfald, kaldes radionuklider.

For at karakterisere et nuklid, brug symbolet for et kemisk grundstof, angiv atomnummer (antal protoner) og massenummer af kernen (antal nukleoner, dvs. samlet antal protoner og neutroner).

For eksempel betyder 239 94 Pu, at kernen i et plutoniumatom indeholder 94 protoner og 145 neutroner, i alt 239 nukleoner.

Der findes følgende typer radioaktivt henfald:

Beta-henfald;

Alfa henfald;

Spontan fission af atomkerner (neutronhenfald);

Protonradioaktivitet (protonfusion);

To-proton og klynge radioaktivitet.

Beta-forfald er processen med transformation af en proton til en neutron eller en neutron til en proton i kernen af ​​et atom med frigivelse af en beta-partikel (positron eller elektron)

Alfa henfald - karakteristisk for tunge grundstoffer, hvis kerner, startende fra nummer 82 i D.I. Mendeleevs tabel, er ustabile på trods af overskuddet af neutroner og spontant henfald. Kernerne i disse grundstoffer udsender overvejende kerner af heliumatomer.

Spontan fission af atomkerner (neutronhenfald) - dette er den spontane fission af nogle kerner af tunge grundstoffer (uran-238, californium 240,248, 249, 250, curium 244, 248 osv.). Sandsynligheden for spontan nuklear fission er ubetydelig sammenlignet med alfa-henfald. I dette tilfælde deler kernen sig i to fragmenter (kerner) med lignende masse.

1. Lov om radioaktivt henfald

Stabiliteten af ​​kerner falder, når det samlede antal nukleoner stiger. Det afhænger også af forholdet mellem antallet af neutroner og protoner.

Processen med successive nukleare transformationer ender som regel med dannelsen af ​​stabile kerner.

Radioaktive transformationer overholder loven om radioaktivt henfald:

N = N 0 e λ t,

hvor N, N 0 er antallet af atomer, der ikke er henfaldet på tidspunkterne t og t 0;

λ er den radioaktive henfaldskonstant.

Værdien λ har sin egen individuelle værdi for hver type radionuklid. Det karakteriserer henfaldshastigheden, dvs. viser hvor mange kerner der henfalder per tidsenhed.

Ifølge ligningen for loven om radioaktivt henfald er dens kurve eksponentiel.

1. Kvantificering af radioaktivitet og dens enheder

Den tid, hvor halvdelen af ​​kernerne henfalder på grund af spontane kernetransformationer kaldes halvt liv T 1/2 . Halveringstiden T 1/2 er relateret til henfaldskonstanten λ ved afhængigheden:

T 1/2 = ln2/λ = 0,693/λ.

Halveringstiden T 1/2 af forskellige radionuklider er forskellig og varierer meget - fra brøkdele af et sekund til hundreder og endda tusinder af år.

Halveringstider for nogle radionuklider:

Jod-131 - 8,04 dage

Cæsium-134 - 2,06 år

Strontium-90 - 29,12 år

Cæsium-137 - 30 år

Plutonium-239 - 24065 år

Uran-235 - 7,038. 10 8 år

Kalium-40 - 1,4 10 9 år.

Den gensidige af henfaldskonstanten er hedderden gennemsnitlige levetid for et radioaktivt atom t :

Henfaldshastigheden bestemmes af aktiviteten af ​​stof A:

A = dN/dt = A 0 e λ t = λ N,

hvor A og A 0 er stoffets aktiviteter på tidspunkterne t og t 0 .

Aktivitet– et mål for radioaktivitet. Det er karakteriseret ved antallet af henfald af radioaktive kerner pr. tidsenhed.

Aktiviteten af ​​et radionuklid er direkte proportional med det samlede antal radioaktive atomkerner på tidspunktet t og omvendt proportional med halveringstiden:

A = 0,693 N/T 1/2.

SI-enheden for aktivitet er becquerel (Bq). En becquerel er lig med et henfald i sekundet. Den ekstrasystemiske aktivitetsenhed er curie (Ku).

1 Ku = 3,7 10 10 Bq

1Bq = 2,7 10-11 Ku.

Curie-aktivitetsenheden svarer til aktiviteten af ​​1 g radium. I målepraksis er begreberne volumetrisk A v (Bq/m 3, Ku/m 3), overflade A s (Bq/m 2, Ku/m 2) og specifik Am (Bq/m, Ku/m) aktivitet bruges også.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Halveringstiden kan enten være meget lang eller meget kort.

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

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

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

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

= .
I praksis bruges formlen til at beregne aktivitet:

A = = λN = 0,693 N/T.

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

hvor er Avogadros nummer; μ - molær masse.

Udtrykket "radioaktivitet", som har fået sit navn fra de latinske ord "radio" - "stråle" og "activus" - "aktiv", betyder den spontane omdannelse af atomkerner, ledsaget af emission af gammastråling, elementarpartikler eller lighter kerner. Alle typer radioaktive transformationer kendt af videnskaben er baseret på de grundlæggende (stærke og svage) vekselvirkninger mellem de partikler, der udgør atomet. En hidtil ukendt type penetrerende stråling udsendt af uran blev opdaget i 1896 af den franske videnskabsmand Antoine Henri Becquerel, og begrebet "radioaktivitet" blev indført i udbredt brug i begyndelsen af ​​det 20. århundrede af Marie Curie, som ved at studere usynlige stråler udsendt af nogle mineraler, var i stand til at isolere rent radioaktivt grundstof - radium.

Forskelle mellem radioaktive transformationer og kemiske reaktioner

Hovedtræk ved radioaktive transformationer er, at de opstår spontant, mens kemiske reaktioner under alle omstændigheder kræver nogle ydre påvirkninger. Derudover forekommer radioaktive transformationer kontinuerligt og ledsages altid af frigivelsen af ​​en vis mængde energi, som afhænger af styrken af ​​interaktionen af ​​atompartikler med hinanden. Reaktionshastigheden inde i atomer påvirkes ikke af temperatur, tilstedeværelsen af ​​elektriske og magnetiske felter, brugen af ​​den mest effektive kemiske katalysator, tryk eller et stofs aggregeringstilstand. Radioaktive omdannelser afhænger ikke af evt ekstern faktor og kan hverken accelereres eller bremses.

Lov om radioaktivt henfald

Raten af ​​radioaktivt henfald, såvel som dets afhængighed af antallet af atomer og tid, er udtrykt i Loven om radioaktivt henfald, opdaget af Ernest Rutherford og Frederick Soddy i 1903. For at komme til visse konklusioner, som efterfølgende blev afspejlet i den nye lov, udførte videnskabsmænd følgende eksperiment: de adskilte et af de radioaktive produkter og studerede dets uafhængige aktivitet adskilt fra radioaktiviteten af ​​stoffet, hvorfra det var isoleret. Som et resultat blev det opdaget, at aktiviteten af ​​radioaktive produkter, uanset det kemiske grundstof, falder over tid med geometrisk progression. Baseret på dette konkluderede forskerne, at hastigheden af ​​radioaktiv transformation altid er proportional med antallet af systemer, der endnu ikke har gennemgået transformation.

Formlen for loven om radioaktivt henfald er som følger:

ifølge hvilken antallet af henfald −dN, der forekommer over en tidsperiode dt (et meget kort interval) er proportionalt med antallet af atomer N. I formlen for loven om radioaktivt henfald er der en anden vigtig størrelse - henfaldskonstanten ( eller gensidig halveringstid) λ, som karakteriserer sandsynligheden for nukleart henfald pr. tidsenhed.

Hvilke kemiske grundstoffer er radioaktive?

Ustabiliteten af ​​atomer af kemiske elementer er snarere en undtagelse end et mønster; for det meste er de stabile og ændrer sig ikke over tid. Der er dog en bestemt gruppe kemiske grundstoffer, hvis atomer er mere modtagelige for henfald end andre, og når de henfalder, udsender energi og frigiver også nye partikler. De mest almindelige kemiske grundstoffer er radium, uran og plutonium, som har evnen til at omdannes til andre grundstoffer med mere simple atomer(for eksempel bliver uran til bly).

Love for radioaktivt henfald af kerner

Kerners evne til spontant at henfalde og udsende partikler kaldes radioaktivitet. Radioaktivt henfald er en statistisk proces. Hver radioaktiv kerne kan henfalde når som helst, og mønsteret observeres kun i gennemsnit; i tilfælde af henfald er det nok stor mængde kerner.
Forfaldskonstantλ er sandsynligheden for nukleart henfald pr. tidsenhed.
Hvis der er N radioaktive kerner i prøven på tidspunktet t, så er antallet af kerner dN, der henfaldt i løbet af tiden dt, proportionalt med N.

dN = -λNdt. (13.1)

Ved at integrere (1) får vi loven om radioaktivt henfald

N(t) = N0e-λt. (13.2)

N 0 er antallet af radioaktive kerner på tidspunktet t = 0.
Gennemsnitlig levetid τ –

. (13.3)

Halvt liv T 1/2 - tid, hvor det oprindelige antal radioaktive kerner vil falde med det halve

T 1/2 = ln2/λ=0,693/λ = τln2. (13.4)

Aktivitet A - gennemsnitligt antal kerner, der henfalder pr. tidsenhed

A(t) = λN(t). (13.5)

Aktivitet måles i curies (Ci) og becquerel (Bq)

1 Ki = 3,7*10 10 henfald/s, 1 Bq = 1 henfald/s.

Henfaldet af den oprindelige kerne 1 til kerne 2, efterfulgt af dets henfald til kerne 3, er beskrevet ved et system af differentialligninger

(13.6)

hvor N 1 (t) og N 2 (t) er antallet af kerner, og λ 1 og λ 2 er henfaldskonstanter for henholdsvis kerner 1 og 2. Løsningen til system (6) med startbetingelser N 1 (0) = N 10; N 2 (0) = 0 vil være

, (13.7a)

. (13.7b)

Figur 13. 1

Antal kerner 2 når maksimal værdi kl.

Hvis λ 2< λ 1 (), суммарная активностьN 1 (t)λ 1 + N 2 (t)λ 2 будет монотонно уменьшаться.
Hvis λ 2 > λ 1 ()), stiger den samlede aktivitet initialt på grund af akkumulering af kerner 2.
Hvis λ 2 >> λ 1, på tilstrækkeligt lange tidspunkter bliver bidraget af den anden eksponentiel i (7b) ubetydelig sammenlignet med bidraget fra den første og aktiviteterne af den anden A 2 = λ 2 N 2 og de første isotoper A 1 = λ 1 N 1 er næsten lige store. I fremtiden vil aktiviteterne for både den første og anden isotop ændre sig over tid på samme måde.

A1 (t) = N 10 λ 1 = N1(t)λ1 = A2(t) = N2(t)λ2.(13.8)

Det vil sige den såkaldte ældgammel balance, hvor antallet af isotopkerner i henfaldskæden er relateret til henfaldskonstanter (halveringstider) ved et simpelt forhold.

. (13.9)

Derfor findes alle isotoper genetisk beslægtede i radioaktive serier i naturlig tilstand normalt i visse kvantitative forhold, afhængigt af deres halveringstid.
I det generelle tilfælde, når der er en kæde af henfald 1→2→...n, beskrives processen af ​​et system af differentialligninger

dNi/dt = -λiNi +λi-1Ni-1.(13.10)

Løsningen til system (10) for aktiviteter med startbetingelser N 1 (0) = N 10 ; N i (0) = 0 vil være

(13.12)

Primtal betyder, at i produktet, der er i nævneren, er faktoren med i = m udeladt.

Isotoper

ISOTOPER– sorter af det samme kemiske grundstof, der er ens i deres fysisk kemiske egenskaber, men med forskellige atommasser. Navnet "isotoper" blev foreslået i 1912 af den engelske radiokemiker Frederick Soddy, som dannede det ud fra to græske ord: isos – samme og topos – sted. Isotoper indtager samme plads i cellen i Mendeleevs periodiske system af grundstoffer.

Et atom af ethvert kemisk grundstof består af en positivt ladet kerne og en sky af negativt ladede elektroner, der omgiver den ( cm.Også ATOMKERNE). Placeringen af ​​et kemisk grundstof i Mendeleevs periodiske system (dets serienummer) bestemmes af ladningen af ​​kernen af ​​dets atomer. Isotoper kaldes derfor varianter af det samme kemiske grundstof, hvis atomer har den samme kerneladning (og derfor praktisk talt den samme elektroniske skaller), men adskiller sig i kernemasseværdier. Ifølge det figurative udtryk af F. Soddy er isotopers atomer de samme "udenfor", men forskellige "inde".

Neutronen blev opdaget i 1932 – en partikel uden ladning, med en masse tæt på massen af ​​kernen i et brintatom - en proton , og en proton-neutron-model af kernen blev skabt. Som et resultat etablerede videnskaben den endelige moderne definition af begrebet isotoper: isotoper er stoffer, hvis atomkerner består af samme antal protoner og adskiller sig kun i antallet af neutroner i kernen . Hver isotop er normalt betegnet med et sæt symboler, hvor X er symbolet for det kemiske grundstof, Z er ladningen af ​​atomkernen (antallet af protoner), A er isotopens massenummer (det samlede antal nukleoner). - protoner og neutroner i kernen, A = Z + N). Da ladningen af ​​kernen ser ud til at være unikt forbundet med symbolet på det kemiske element, bruges blot notationen A X ofte til forkortelse.

Af alle de isotoper, vi kender, er det kun brintisotoper, der har deres egne navne. Således kaldes isotoperne 2 H og 3 H deuterium og tritium og betegnes henholdsvis D og T (isotopen 1 H kaldes nogle gange protium).

Forekommer i naturen som stabile isotoper , og ustabil - radioaktiv, hvis kerner af atomer er genstand for spontan transformation til andre kerner med emission af forskellige partikler (eller processer med såkaldt radioaktivt henfald). Der kendes nu omkring 270 stabile isotoper, og stabile isotoper findes kun i grundstoffer med atomnummer Z Ј 83. Antallet af ustabile isotoper overstiger 2000, langt de fleste af dem blev opnået kunstigt som følge af div. nukleare reaktioner. Antallet af radioaktive isotoper af mange grundstoffer er meget stort og kan overstige to dusin. Antallet af stabile isotoper er væsentligt mindre Nogle kemiske grundstoffer består kun af én stabil isotop (beryllium, fluor, natrium, aluminium, fosfor, mangan, guld og en række andre grundstoffer). Det største antal stabile isotoper - 10 - blev fundet i tin, for eksempel i jern er der 4, og i kviksølv - 7.

Opdagelse af isotoper, historisk baggrund. I 1808 introducerede den engelske videnskabsmand naturforsker John Dalton først definitionen af ​​et kemisk grundstof som et stof bestående af atomer af samme type. I 1869 blev kemiker D.I. Mendeleev opdagede den periodiske lov om kemiske grundstoffer. En af vanskelighederne ved at underbygge begrebet et grundstof som et stof, der indtager en bestemt plads i en celle i det periodiske system, var de eksperimentelt observerede ikke-heltallige atomvægte af grundstoffer. I 1866 fremsatte den engelske fysiker og kemiker Sir William Crookes den hypotese, at hvert naturligt kemisk grundstof er en bestemt blanding af stoffer, der er identiske i deres egenskaber, men har forskellige atommasser, men på det tidspunkt havde en sådan antagelse endnu ikke eksperimentel bekræftelse og varede derfor ikke længe bemærket.

Et vigtigt skridt På vej til opdagelsen af ​​isotoper, opdagelsen af ​​fænomenet radioaktivitet og hypotesen om radioaktivt henfald formuleret af Ernst Rutherford og Frederick Soddy: radioaktivitet er intet andet end henfaldet af et atom til en ladet partikel og et atom af et andet grundstof. , forskellig i sine kemiske egenskaber fra den oprindelige. Som et resultat opstod ideen om radioaktive serier eller radioaktive familier , i begyndelsen af ​​hvilken der er det første moderelement, som er radioaktivt, og i slutningen - det sidste stabile element. Analyse af transformationskæderne viste, at i løbet af deres forløb kan de samme radioaktive elementer, der kun adskiller sig i atommasser, optræde i en celle i det periodiske system. Faktisk betød dette indførelsen af ​​begrebet isotoper.

Uafhængig bekræftelse af eksistensen af ​​stabile isotoper af kemiske grundstoffer blev derefter opnået i J. J. Thomsons og Astons eksperimenter i 1912-1920 med stråler af positivt ladede partikler (eller såkaldte kanalstråler) ) der kommer fra udledningsrøret.

I 1919 designede Aston et instrument kaldet en massespektrometer (eller massespektrometer). . Et udladningsrør blev stadig brugt som ionkilde, men Aston fandt en metode, hvor den sekventielle afbøjning af en stråle af partikler i elektriske og magnetiske felter førte til fokusering af partikler med samme ladning-til-masse-forhold (uanset deres hastighed) på samme punkt på skærmen. Sammen med Aston blev der i samme år skabt et massespektrometer af lidt anderledes design af amerikaneren Dempster. Som et resultat af den efterfølgende brug og forbedring af massespektrometre gennem indsatsen fra mange forskere, var der i 1935 blevet udarbejdet en næsten fuldstændig tabel over isotopsammensætningerne af alle kemiske grundstoffer kendt på det tidspunkt.

Metoder til isotopadskillelse. For at studere isotopers egenskaber og især for deres anvendelse til videnskabelige og anvendte formål er det nødvendigt at opnå dem i mere eller mindre mærkbare mængder. I konventionelle massespektrometre, praktisk talt fuldstændig adskillelse isotoper, men deres antal er ubetydeligt. Derfor var videnskabsmænds og ingeniørers indsats rettet mod at søge efter andre mulige metoder isotopadskillelse. Først og fremmest blev fysisk-kemiske adskillelsesmetoder mestret baseret på forskelle i sådanne egenskaber af isotoper af det samme element som fordampningshastigheder, ligevægtskonstanter, hastigheder for kemiske reaktioner osv. Den mest effektive blandt dem var metoderne til rektifikation og isotopudveksling, som fandt bred anvendelse i industriel produktion af isotoper af lette grundstoffer: brint, lithium, bor, kulstof, oxygen og nitrogen.

En anden gruppe af metoder består af de såkaldte molekylærkinetiske metoder: gasdiffusion, termisk diffusion, massediffusion (diffusion i en dampstrøm), centrifugering. Gasdiffusionsmetoder, baseret på forskellige diffusionshastigheder af isotopiske komponenter i stærkt spredte porøse medier, blev brugt under Anden Verdenskrig til at organisere industriel produktion adskillelse af uranisotoper i USA som en del af det såkaldte Manhattan-projekt for at skabe atombombe. For at få nødvendige mængder uran beriget til 90% med den lette isotop 235 U, den vigtigste "brændbare" komponent i atombomben, blev der bygget planter, der besatte et område på omkring fire tusinde hektar. Der blev bevilget mere end 2 milliarder dollars til oprettelse af et atomcenter med anlæg til produktion af beriget uran.Efter krigen blev der udviklet anlæg til produktion af beriget uran til militære formål, også baseret på diffusionsmetoden adskillelse, og bygget i USSR. I de sidste år denne metode gav plads til den mere effektive og billigere metode til centrifugering. I denne metode opnås effekten af ​​at adskille en isotopblanding på grund af de forskellige virkninger af centrifugalkræfter på komponenterne i isotopblandingen, der fylder centrifugerotoren, som er en tyndvægget cylinder begrænset i top og bund, der roterer ved en meget høj hastighed. høj hastighed i et vakuumkammer. Hundredtusindvis af centrifuger forbundet i kaskader, hvis rotor hver laver mere end tusind omdrejninger i sekundet, bruges i øjeblikket i moderne separationsanlæg både i Rusland og i andre lande. udviklede lande fred. Centrifuger bruges ikke kun til at producere beriget uran, hvilket er nødvendigt for at sikre driften af ​​atomreaktorer atomkraftværker, men også til fremstilling af isotoper af cirka tredive kemiske grundstoffer i den midterste del af det periodiske system. Elektromagnetiske separationsenheder med kraftige ionkilder bruges også til at adskille forskellige isotoper; i de senere år er laserseparationsmetoder også blevet udbredt.

Anvendelse af isotoper. Forskellige isotoper af kemiske grundstoffer er meget udbredt i videnskabelig forskning, inden for forskellige områder af industri og landbrug, i atomenergi, moderne biologi og medicin, i forskning miljø og andre områder. Videnskabelig forskning (f.eks. kemisk analyse) kræver typisk små mængder sjældne isotoper forskellige elementer, beregnet i gram og endda milligram om året. Samtidig kan behovet for deres produktion for en række isotoper, der er meget udbredt i atomenergi, medicin og andre industrier, beløbe sig til mange kilogram og endda tons. Således i forbindelse med brug af tungt vand D 2 O i atomreaktorer dens globale produktion i begyndelsen af ​​1990'erne af forrige århundrede var omkring 5.000 tons om året. Brintisotopen deuterium, som er en del af tungt vand, har en koncentration på naturlig blanding brint er kun 0,015%, sammen med tritium vil det ifølge videnskabsmænd blive hovedkomponenten i energibrændstof i fremtiden termonukleare reaktorer, der opererer på basis af kernefusionsreaktioner. I dette tilfælde vil behovet for produktion af brintisotoper være enormt.

I videnskabelig forskning bruges stabile og radioaktive isotoper i vid udstrækning som isotopindikatorer (tags) i studiet af en lang række processer, der forekommer i naturen.

I landbrug isotoper ("mærkede" atomer) bruges for eksempel til at studere fotosynteseprocesser, fordøjeligheden af ​​gødninger og til at bestemme effektiviteten af ​​planters brug af nitrogen, fosfor, kalium, sporstoffer og andre stoffer.

Isotopteknologier er meget udbredt i medicin. I USA udføres ifølge statistikker mere end 36 tusinde medicinske procedurer om dagen og omkring 100 millioner laboratorietest ved hjælp af isotoper. De mest almindelige procedurer involverer computertomografi. Kulstofisotopen C13, beriget til 99% (naturligt indhold ca. 1%), bruges aktivt i den såkaldte "diagnostiske vejrtrækningskontrol". Essensen af ​​testen er meget enkel. Den berigede isotop indføres i patientens mad og frigives efter at have deltaget i den metaboliske proces i forskellige organer i kroppen ved udånding af patienten carbondioxid CO 2 som opsamles og analyseres med et spektrometer. Forskellene i hastigheden af ​​processer forbundet med frigivelsen af ​​forskellige mængder kuldioxid, mærket med C 13 isotopen, gør det muligt at bedømme tilstanden af ​​patientens forskellige organer. I USA er antallet af patienter, der vil gennemgå denne test, anslået til 5 millioner om året. Nu til produktion af højt beriget isotop C 13 tommer industriel skala laseradskillelsesmetoder anvendes.

Relateret information.