A radioaktív bomlás törvénye. Radioaktív egyensúly. Radioaktivitás. A radioaktív bomlás alaptörvénye. Tevékenység

A „radioaktivitás” kifejezés, amely a latin „radio” – „kibocsát” és „activus” – „hatékony” szavakból kapta a nevét, a spontán átalakulást jelenti. atommagok gamma-sugárzás, elemi részecskék vagy könnyebb magok kibocsátásával jár együtt. A tudomány által ismert valamennyi típusú radioaktív átalakulás az atomot alkotó részecskék alapvető (erős és gyenge) kölcsönhatásain alapul. Az urán által kibocsátott áthatoló sugárzás egy eddig ismeretlen típusát 1896-ban fedezte fel Antoine Henri Becquerel francia tudós, a „radioaktivitás” fogalmát pedig a 20. század elején Marie Curie vezette be széles körben, aki a láthatatlan sugárzás tanulmányozásával. egyes ásványok által kibocsátott sugarak képes volt elkülöníteni a tiszta radioaktív elemet - rádiumot.

A radioaktív átalakulások közötti különbségek és kémiai reakciók

A radioaktív átalakulások fő jellemzője, hogy spontán módon mennek végbe, míg a kémiai reakciókhoz mindenképpen szükség van némi külső hatásra. Ezenkívül a radioaktív átalakulások folyamatosan mennek végbe, és mindig egy bizonyos mennyiségű energia felszabadulásával járnak, amely az atomi részecskék egymással való kölcsönhatásának erősségétől függ. Az atomokon belüli reakciók sebességét nem befolyásolja a hőmérséklet, az elektromos és mágneses mezők jelenléte, a leghatékonyabb kémiai katalizátor használata, a nyomás vagy az anyag aggregációs állapota. A radioaktív átalakulások nem függnek egyiktől sem külső tényezőés nem lehet sem gyorsítani, sem lassítani.

Törvény radioaktív bomlás

A radioaktív bomlás sebességét, valamint az atomok számától és az időtől való függését a radioaktív bomlás törvénye fejezi ki, amelyet Ernest Rutherford és Frederick Soddy fedeztek fel 1903-ban. Bizonyos következtetések levonása érdekében, amelyek később az új törvényben is tükröződtek, a tudósok a következő kísérletet végezték el: elkülönítették az egyik radioaktív terméket, és külön vizsgálták annak független aktivitását annak az anyagnak a radioaktivitásától, amelyből izolálták. Ennek eredményeként kiderült, hogy bármely radioaktív termék aktivitása, függetlenül a kémiai elemtől, idővel csökken. geometriai progresszió. Ennek alapján a tudósok arra a következtetésre jutottak, hogy a radioaktív átalakulás sebessége mindig arányos azon rendszerek számával, amelyek még nem estek át átalakuláson.

A radioaktív bomlás törvényének képlete a következő:

amely szerint a dt (nagyon rövid intervallum) időtartam alatt bekövetkező −dN bomlások száma arányos az N atomok számával. A radioaktív bomlás törvényének képletében van egy másik fontos mennyiség - a bomlási állandó ( vagy kölcsönös felezési idő) λ, amely az egységnyi idő alatt bekövetkező magbomlás valószínűségét jellemzi.

Milyen kémiai elemek radioaktívak?

Atomi instabilitás kémiai elemek- ez inkább kivétel, mint minta; többnyire stabilak és nem változnak az idő múlásával. Létezik azonban a kémiai elemek egy bizonyos csoportja, amelyek atomjai hajlamosabbak a bomlásra, mint mások, és bomláskor energiát bocsátanak ki, és új részecskéket is kibocsátanak. A leggyakoribb kémiai elemek a rádium, az urán és a plutónium, amelyek képesek több elemmel átalakulni egyszerű atomok(például az urán ólommá alakul).

A radioaktivitás jelenségét 1896-ban fedezte fel A. Becquerel, aki az uránsókból ismeretlen sugárzás spontán kibocsátását figyelte meg. Hamarosan E. Rutherford és Curie-k megállapították, hogy a radioaktív bomlás során He-magok (α-részecskék), elektronok (β-részecskék) és kemény elektromágneses sugárzás(γ-sugarak).

1934-ben felfedezték a pozitronok kibocsátásával járó bomlást (β + -bomlás), 1940-ben pedig új típusú radioaktivitás - az atommagok spontán hasadása: a hasadó atommag két hasonló tömegű részre esik szét, egyidejű neutronkibocsátással és γ -quanta. Az atommagok proton radioaktivitását 1982-ben figyelték meg. Így a radioaktív bomlásnak a következő típusai vannak: α-bomlás; -hanyatlás; - bomlás; e - rögzítés.

Radioaktivitás- egyes atommagok azon képessége, hogy részecskék kibocsátásával spontán (spontán) átalakuljanak más atommagokká.

Az atommagok abból állnak protonok és neutronok, amelyeknek általános neve van - nukleonok. Az atommagban lévő protonok száma határozza meg kémiai tulajdonságai atom és jelöljük Z (sorozatszámát elem). Nukleonok száma a kernelben az úgynevezett tömegszámés jelöljük A. Azonos sorozatszámú magokés különböző tömegszámokat neveznek izotópok. Egy kémiai elem minden izotópja azonos kémiai tulajdonságokkal rendelkezik, de a fizikai tulajdonságok nagyon eltérőek lehetnek. Az izotópok jelölésére használja a kémiai elem szimbólumát két indexszel: A Z X. Az alsó index a sorozatszám, a felső index a tömegszám. Az alsó indexet gyakran kihagyják, mert maga az elem szimbóluma jelzi.

Például 14 6 C helyett 14 C-ot írnak.

Az atommag bomlási képessége az összetételétől függ. Ugyanazon elemnek lehetnek stabil és radioaktív izotópjai is.

Például a 12 C szénizotóp stabil, de a 14 C izotóp radioaktív.

A radioaktív bomlás statisztikai jelenség. Egy izotóp bomlási képességét a bomlási állandó jellemzi λ.

A λ bomlási állandó annak a valószínűsége, hogy egy adott izotóp magja egységnyi idő alatt elbomlik.

Jelöljük a radioaktív bomlási atommagok N számát a t időpontban, dN 1 - a dt idő alatt bomló atommagok számát. Mivel az atommagok száma az anyagban hatalmas, a törvény teljesül nagy számok. A dt rövid időn belüli magbomlás valószínűségét a dP = λdt képlet határozza meg. A gyakoriság megegyezik a valószínűséggel: d N 1 / N = dP = λdt. d N 1/N = λdt- egy képlet, amely meghatározza a bomlott magok számát.

Az egyenlet megoldása: , - a képletet a radioaktív bomlás törvényének nevezzük: A radioaktív atommagok száma egy exponenciális törvény szerint idővel csökken.

Itt N az el nem bomlott magok száma t időpontban; N o - az el nem bomlott magok kezdeti száma; λ a radioaktív bomlási állandó.

A gyakorlatban nem a bomlási állandót használják λ , és az elnevezett mennyiség felezési idő T.

A felezési idő (T) az az idő, amely alatt a radioaktív magok fele elbomlik.

A radioaktív bomlás törvénye a perióduson keresztül a felezési idő (T) a következőképpen alakul:

A felezési idő és a bomlási állandó közötti összefüggést a következő képlet adja meg: T = ln(2/λ) = 0,69/λ

A felezési idő lehet nagyon hosszú vagy nagyon rövid.

A radioaktív izotóp aktivitási fokának felmérésére az aktivitásnak nevezett mennyiséget használjuk.

Az egységnyi idő alatt lebomló radioaktív hatóanyag magjainak aktivitási száma: A = dN bomlás /dt

Az aktivitás SI mértékegysége 1 becquerel (Bq) = 1 szétesés/s - egy olyan gyógyszer aktivitása, amelyben 1 s alatt 1 szétesés következik be. Egy nagyobb aktivitási egység 1 rutherford (Rd) = Bq. Gyakran használnak rendszeren kívüli aktivitási egységet - a curie-t (Ci), amely megegyezik 1 g rádium aktivitásával: 1 Ci = 3,7 Bq.

Idővel az aktivitás ugyanazon exponenciális törvény szerint csökken, amely szerint maga a radionuklid bomlik:

= .
A gyakorlatban a képletet használják az aktivitás kiszámítására:

A = = λN = 0,693 N/T.

Ha az atomok számát tömeggel és tömeggel fejezzük ki, akkor az aktivitás kiszámításának képlete a következő lesz: A = = 0,693 (μT)

hol van Avogadro száma; μ - moláris tömeg.

Azt követően fogalmazták meg, hogy Becquerel 1896-ban felfedezte a radioaktivitás jelenségét. Ez abból áll, hogy az egyik típusú atommag előre nem jelezhető átmenete a másikba, miközben különböző elemrészecskéket szabadítanak fel. A folyamat lehet természetes, ha a természetben létező izotópokban nyilvánul meg, és mesterséges, ha azokat a bomló magban nyerik, anyának, a keletkezőt pedig leánynak tekintjük. Más szóval, a radioaktív bomlás alaptörvénye egy önkényes természetes folyamat az egyik mag átalakulása a másikba.

Becquerel kutatásai korábban ismeretlen sugárzás jelenlétét mutatták ki az uránsókban, amelyek hatással voltak a fényképező lemezre, ionokkal töltötték meg a levegőt, és hajlamosak voltak áthaladni vékony fémlemezeken. M. és P. Curie rádiummal és polóniummal végzett kísérletei megerősítették a fent leírt következtetést, és megjelent a tudományban egy új fogalom, az úgynevezett doktrína.

Ez az elmélet, amely a radioaktív bomlás törvényét tükrözi, egy spontán folyamat feltételezésén alapul, amely engedelmeskedik a statisztikáknak. Mivel az egyes magok egymástól függetlenül bomlanak le, úgy gondolják, hogy átlagosan egy bizonyos idő alatt a bomlottak száma arányos azokkal, amelyek a folyamat befejeződéséig nem bomlottak le. Ha követi az exponenciális törvényt, akkor az utóbbiak száma jelentősen csökken.

A jelenség intenzitását a sugárzás két fő tulajdonsága jellemzi: az úgynevezett felezési idő és a radioaktív mag átlagos számított élettartama. Az első másodperc milliomod része és évmilliárdok között ingadozik. A tudósok úgy vélik, hogy az ilyen magok nem öregszenek, és számukra nincs életkor fogalma.

A radioaktív bomlás törvénye az úgynevezett eltolási szabályokon alapul, amelyek viszont a megmaradás- és tömegszámelmélet következményei. Kísérletileg megállapították, hogy az akció mágneses mező különböző módon hat: a) a sugarak eltérülése pozitív töltésű részecskékként történik; b) negatívként; c) nem mutatnak reakciót. Ebből az következik, hogy háromféle sugárzás létezik.

Magának a bomlási folyamatnak ugyanannyi változata létezik: egy elektron felszabadulásával; pozitron; egy elektron elnyelése az atommagban. Bebizonyosodott, hogy az ólomnak megfelelő szerkezetű atommagok emisszióval bomlanak. Az elméletet alfa-bomlásnak nevezték, és G. fogalmazta meg 1928-ban. A második típust 1931-ben E. Fermi fogalmazta meg. Kutatásai kimutatták, hogy az elektronok helyett egyes atommagtípusok ellentétes részecskéket - pozitronokat - bocsátanak ki, és ez mindig együtt jár egy nulla elektromos töltésű és nyugalmi tömegű részecske, a neurino kibocsátásával. A béta-bomlás legegyszerűbb példája egy neuron protonná történő átalakulása 12 perces időtartammal.

Ezek az elméletek, amelyek a radioaktív bomlás törvényeit veszik figyelembe, a 19. század 1940-ig voltak a főbbek, amíg a szovjet fizikusok, G. N. Petrzhak fel nem fedeztek egy másik típust, amely során az uránmagok spontán hasadtak két egyenlő részecske. 1960-ban kétprotonos és kétneutronos radioaktivitást jósoltak. De a mai napig ez a fajta bomlás nem kapott kísérleti megerősítést, és nem is észlelték. Csak a protonsugárzást fedezték fel, amelyben egy proton kilökődik az atommagból.

Mindezekkel a problémákkal meglehetősen nehéz foglalkozni, bár maga a radioaktív bomlás törvénye egyszerű. Fizikai jelentését nem könnyű megérteni, és természetesen ennek az elméletnek a bemutatása messze túlmutat az iskolai fizika tananyag határain.

Minden típusú radioaktív átalakulás következtében az adott izotóp magjainak száma fokozatosan csökken. A bomló atommagok száma exponenciálisan csökken, és a következő formában írjuk le:

N=N 0 e –  t , (10)

Ahol N 0 – a radionuklid magok száma az időszámlálás kezdetének pillanatában (t=0 );  - bomlási állandó, amely különböző radionuklidok esetén eltérő; N– a radionuklid magok száma idő függvényében t; e– alap természetes logaritmus(e = 2,713...). Ez a radioaktív bomlás alaptörvénye.

A (10) képlet származtatása. Az atommagok természetes radioaktív bomlása spontán módon, külső hatás nélkül megy végbe. Ez a folyamat statisztikai jellegű, és egyetlen mag esetében csak egy bizonyos időn belüli bomlás valószínűségét lehet jelezni. Ezért a csillapítási sebesség idővel jellemezhető. Legyen egy szám N radionuklid atomok. Ezután a bomló atomok száma dN időben dt arányos az atomok számával Nés időtartam dt:

A mínusz jel azt jelzi, hogy a szám N Az eredeti atomok mennyisége idővel csökken. Kísérletileg kimutatták, hogy az atommagok tulajdonságai nem változnak az idő múlásával. Ebből következik, hogy l egy állandó mennyiség, és bomlási állandónak nevezzük. A (11)-ből az következik, hogy l= –dN/N=állandó, dt= 1 mellett, azaz. l állandó egyenlő egy radionuklid egységnyi idő alatti bomlásának valószínűségével.

A (11) egyenletben a jobb és bal oldalt felosztjuk Nés integrálja:

dN/N = –ldt(12)

(13)

ln N/N 0 = – λt és N = N 0 e – λt , (14)

Ahol N 0 a bomló atomok kezdeti száma (N 0 t=0-nál).

A (14) képletnek két hátránya van. A bomló magok számának meghatározásához N 0 ismerete szükséges. Nincs olyan eszköz, amely meghatározná. A második hátrány, hogy bár az állandó bomlás λ táblázatokban található, de nem ad közvetlen információt a csökkenés mértékéről.

Hogy megszabaduljon a mérettől λ bevezetik a fogalmat Felezési idő T(a szakirodalomban néha T 1/2-ként emlegetik). A felezési idő az az időtartam, amely alatt a radioaktív magok kezdeti száma felére csökken, és a bomló magok száma Tállandó marad (λ=const).

A (10) egyenletben elosztjuk a jobb és bal oldalt N, és hozzuk a formába:

N 0 /N=e  t (15)

Ezt hinni N 0 / N = 2, at t = T, kapunk ln2 =  T, ahol:

ln2 = 0,693  = 0,693/ T(16)

A (16) kifejezést (10)-re behelyettesítve a következőt kapjuk:

N=N 0 e –0,693t/T (17)

A grafikon (2. ábra) a bomló atomok számának a bomlási időtől való függését mutatja. Elméletileg az exponenciális görbe soha nem olvadhat össze az x tengellyel, de a gyakorlatban feltételezhetjük, hogy körülbelül 10-20 felezési idő után a radioaktív anyag teljesen lebomlik.

Annak érdekében, hogy megszabaduljon az N és N 0 értékektől, használja a radioaktivitás jelenségének következő tulajdonságát. Vannak olyan műszerek, amelyek minden bomlást rögzítenek. Nyilvánvalóan meg lehet határozni a bomlások számát egy bizonyos időtartam alatt. Ez nem más, mint egy radionuklid bomlási sebessége, amit aktivitásnak nevezhetünk: minél több atommag bomlik le egyszerre, annál nagyobb az aktivitás.

Így, tevékenység egy fizikai mennyiség, amely az egységnyi idő alatt bekövetkező radioaktív bomlások számát jellemzi:

A =dN/ dt(18)

A tevékenység definíciója alapján ebből az következik, hogy az egységnyi idő alatt bekövetkező magátmenetek sebességét jellemzi. Másrészt a magátmenetek száma a bomlási állandótól függ l. Kimutatható, hogy:

A = A 0 e –0,693t/T (19)

A (19) képlet származtatása. A radionuklid aktivitása az egységnyi idő alatt (másodpercben) bekövetkező bomlások számát jellemzi, és egyenlő a (14) egyenlet időbeli deriváltjával:

A = d N/dt = lN 0 e –-  t = lN (20)

Ennek megfelelően a kezdeti tevékenység az időpontban t = 0 egyenlő:

A o = lN o (21)

A (20) egyenlet alapján és a (21) figyelembe vételével a következőket kapjuk:

A = A o e –  t vagy A = A 0 e – 0,693 t / T (22)

Az aktivitás mértékegysége az SI rendszerben az 1 bomlás/s=1 Bq(a francia tudós (1852–1908) tiszteletére nevezték el Becquerelnek, aki 1896-ban fedezte fel az uránsók természetes radioaktivitását). Több mértékegységet is használnak: 1 GBq = 10 9 Bq - gigabecquerel, 1 MBq = 10 6 Bq - megabecquerel, 1 kBq = 10 3 Bq - kilobecquerel stb.

Van egy nem rendszerszintű egység is Curie, amelyet a GOST 8.417-81 és az RD 50-454-84 szerint kivonnak a használatból. A gyakorlatban és a szakirodalomban azonban alkalmazzák. Mert 1Ku A feltételezett aktivitás 1g rádium.

1Ku = 3,7 10 10 Bk; 1Bq = 2,7 10 –11 Ki(23)

Használnak több megacurie egységet is, 1Mci=110 6 Ci és alegységet – millicurie, 1mCi=10 –3 Ci; mikrocurie, 1 µCi = 10 –6 Ci.

A radioaktív anyagok különböző halmazállapotúak lehetnek, beleértve az aeroszolokat is, folyadékban vagy levegőben szuszpendálva. Ezért a dozimetriai gyakorlatban gyakran használják a radioaktív anyagok fajlagos, felületi vagy térfogati aktivitásának vagy koncentrációjának értékét levegőben, folyadékban és talajban.

A fajlagos, térfogati és felületi aktivitás a következő formában írható fel:

A m = A/m; A v = A/v; A s = A/s(24)

Ahol: m– az anyag tömege; v– az anyag térfogata; s– az anyag felülete.

Nyilvánvaló, hogy:

A m = A/ m = A/ srh= A s / rh = A v / r(25)

Ahol: r– a talajsűrűség a Fehérorosz Köztársaságban 1000 kg/m 3 ; h– a talaj gyökérrétege, 0,2 m-nek megfelelő; s– radioaktív szennyezettség területe, m2. Majd:

A m = 5  10 –3 A s ; A m = 10 –3 A v (26)

A m Bq/kg-ban vagy Cu/kg-ban fejezhető ki; A s Bq/m2, Ku/m2, Ku/km2 mértékegységben fejezhető ki; A v Bq/m3-ben vagy Cu/m3-ben fejezhető ki.

A gyakorlatban az összesített és a tört mértékegységek egyaránt használhatók. Például: Ku/ km 2, Bq/cm 2, Bq/g stb.

Az NRB-2000 sugárbiztonsági szabvány emellett számos további tevékenységi egységet vezetett be, amelyek kényelmesek a sugárbiztonsági problémák megoldása során.

Minimális jelentős aktivitás (MSA) – helyiségben vagy munkahelyen a nyílt forrású ionizáló sugárzás aktivitása, ennek túllépése esetén e források használatához az Egészségügyi Minisztérium egészségügyi-járványügyi szolgálatának engedélye szükséges, ha a minimális jelentős fajlagos aktivitás értékét is túllépik. .

Minimális jelentős fajlagos aktivitás (MSUA) – helyiségben vagy munkahelyen nyílt ionizáló sugárforrás fajlagos tevékenysége, túllépése esetén az Egészségügyi Minisztérium egészségügyi-járványügyi szolgálatának engedélye szükséges a forrás használatához, ha a minimálisan jelentős aktivitás értékét is túllépik.

Egyensúlyi ekvivalens aktivitás (EREA) radon izotópok leánytermékei 222 RnÉs 220 Rn– a radon izotópok rövid élettartamú leánytermékei térfogati aktivitásának súlyozott összege, 218 Ro (RaA); 214 Pb (RaB); 212 Pb (ThB); 212 INén (ThC) illetőleg:

(EROA) Rn = 0,10 A RaA + 0,52 A RaB + 0,38 A RaC ;

(EROA) Th = 0,91 A ThB + 0,09 A ThC ,

Ahol A– a radon és tórium izotópok leánytermékeinek volumetrikus aktivitása.

1. Radioaktivitás. A radioaktív bomlás alaptörvénye. Tevékenység.

2. A radioaktív bomlás főbb típusai.

3. Az ionizáló sugárzás anyaggal való kölcsönhatásának mennyiségi jellemzői.

4. Természetes és mesterséges radioaktivitás. Radioaktív sorozat.

5. Radionuklidok alkalmazása az orvostudományban.

6. Töltött részecskék gyorsítói és felhasználásuk az orvostudományban.

7. Az ionizáló sugárzás hatásának biofizikai alapjai.

8. Alapfogalmak és képletek.

9. Feladatok.

Az orvosok érdeklődése a természetes és mesterséges radioaktivitás iránt a következőknek köszönhető.

Először is, minden élőlény folyamatosan ki van téve a természetes háttérsugárzásnak, amely kozmikus sugárzásból, a bennük található radioaktív elemek sugárzásából áll. felületi rétegek a földkéreg, valamint az állatok szervezetébe levegővel és táplálékkal együtt bejutott elemek kisugárzása.

Másodszor, a radioaktív sugárzást magában az orvostudományban használják diagnosztikai és terápiás célokra.

33.1. Radioaktivitás. A radioaktív bomlás alaptörvénye. Tevékenység

A radioaktivitás jelenségét 1896-ban fedezte fel A. Becquerel, aki az uránsókból ismeretlen sugárzás spontán kibocsátását figyelte meg. Hamarosan E. Rutherford és Curie-k megállapították, hogy a radioaktív bomlás során He-magok (α-részecskék), elektronok (β-részecskék) és kemény elektromágneses sugárzás (γ-sugarak) bocsátanak ki.

1934-ben felfedezték a pozitronok kibocsátásával járó bomlást (β + -bomlás), 1940-ben pedig egy új típusú radioaktivitást - az atommagok spontán hasadását: a hasadó mag két hasonló tömegű töredékre esik szét az egyidejű emisszióval. a neutronok és γ -quanta. Az atommagok proton radioaktivitását 1982-ben figyelték meg.

Radioaktivitás - egyes atommagok azon képessége, hogy részecskék kibocsátásával spontán (spontán) átalakuljanak más atommagokká.

Az atommagok protonokból és neutronokból állnak, amelyek általános neve - nukleonok. Az atommagban lévő protonok száma határozza meg az atom kémiai tulajdonságait, és Z-vel jelöljük (ez sorozatszámát kémiai elem). Az atommagban lévő nukleonok számát ún tömegszámés jelölje A. Azonos rendszámú és különböző tömegszámú magokat nevezzük izotópok. Egy kémiai elem minden izotópja rendelkezik azonos kémiai tulajdonságai. Fizikai tulajdonságok Az izotópok nagyon eltérőek lehetnek.

Az izotópok jelölésére használjuk a kémiai elem szimbólumát két indexszel: A Z X. Az alsó index a sorozatszám, a felső index a tömegszám. Az alsó indexet gyakran kihagyják, mert maga az elem szimbóluma jelzi. Például 14 6 C helyett 14 C-ot írnak.

Az atommag bomlási képessége az összetételétől függ. Ugyanazon elemnek lehetnek stabil és radioaktív izotópjai is. Például a 12 C szénizotóp stabil, de a 14 C izotóp radioaktív. A radioaktív bomlás statisztikai jelenség. Egy izotóp bomlási képessége jellemziλ.

bomlási állandó Bomlási állandó

- annak a valószínűsége, hogy egy adott izotóp magja időegység alatt elbomlik.

A dt rövid időn belüli magbomlás valószínűségét a képlet határozza meg

A (33.1) képlet figyelembevételével egy kifejezést kapunk, amely meghatározza a bomlott magok számát: A (33.3) képletet főnek nevezzük

A radioaktív atommagok száma egy exponenciális törvény szerint idővel csökken.

radioaktív bomlás törvénye. A gyakorlatban ehelyettλ bomlási állandó gyakran más mennyiséget használnak, ún

felezési idő. Felezési idő (T) - az idő, amely alatt lebomlik fél

radioaktív magok.

A radioaktív bomlás törvénye a felezési idővel a következőképpen van felírva:

A felezési idő lehet nagyon hosszú vagy nagyon rövid (a másodperc töredékétől sok milliárd évig). táblázatban A 33.1. ábra egyes elemek felezési idejét mutatja.

Rizs. 33.1. Az eredeti anyag magjai számának csökkenése radioaktív bomlás során

33.1. táblázat. Egyes elemek felezési ideje

Értékelésre radioaktivitás foka izotóp használ egy speciális mennyiséget, az úgynevezett tevékenység.

Tevékenység - az egységnyi idő alatt lebomló radioaktív hatóanyag magjainak száma:

Az aktivitás SI mértékegysége becquerel(Bq), 1 Bq másodpercenként egy bomlási eseménynek felel meg. A gyakorlatban több

gyerekes, nem rendszerszintű tevékenységi egység - curie(Ci), egyenlő 1 g 226 Ra aktivitásával: 1 Ci = 3,7x10 10 Bq.

Idővel az aktivitás ugyanúgy csökken, ahogy az el nem bomlott magok száma:

33.2. A radioaktív bomlás fő típusai

A radioaktivitás jelenségének tanulmányozása során a radioaktív magok által kibocsátott 3 féle sugarat fedeztek fel, amelyeket α-, β- és γ-sugárzásnak neveztek. Később kiderült, hogy az α- és β-részecskék kettő termékei különféle típusok radioaktív bomlás, és a γ-sugarak ezeknek a folyamatoknak a melléktermékei. Ezenkívül a γ-sugarak bonyolultabb nukleáris átalakulásokat kísérnek, amelyeket itt nem veszünk figyelembe.

Alfa bomlás magok spontán átalakulásából áll az emisszióval együttα -részecskék (hélium magok).

Az α-bomlási séma így van felírva

ahol X, Y az anyamag és a leánymag szimbóluma. Az α-decay írásakor az „α” helyett „Ő” is írható.

A bomlás során az elem Z rendszáma 2-vel, A tömegszáma pedig 4-gyel csökken.

Az α-bomlás során a leánymag rendszerint gerjesztett állapotban jön létre, és az alapállapotba való átmenetkor γ-kvantumot bocsát ki. Az összetett mikroobjektumok általános tulajdonsága, hogy rendelkeznek diszkrét energiaállapotok halmaza. Ez vonatkozik a kernelekre is. Ezért a gerjesztett magokból származó γ-sugárzás diszkrét spektrummal rendelkezik. Következésképpen az α-részecskék energiaspektruma az diszkrét.

A kibocsátott α-részecskék energiája szinte minden α-aktív izotóp esetében a 4-9 MeV tartományba esik.

Béta bomlás atommagok spontán átalakulásából áll elektronok (vagy pozitronok) kibocsátásával.

Megállapítást nyert, hogy a β-bomlást mindig egy semleges részecske - neutrínó (vagy antineutrínó) - kibocsátása kíséri. Ez a részecske gyakorlatilag nem lép kölcsönhatásba az anyaggal, és nem vizsgáljuk tovább. A béta-bomlás során felszabaduló energia véletlenszerűen oszlik el a béta-részecske és a neutrínó között. Ezért a β-sugárzás energiaspektruma folytonos (33.2. ábra).

Rizs. 33.2. A β-bomlás energiaspektruma

A β-bomlásnak két típusa van.

1. Elektronikus A β - -bomlás abból áll, hogy egy nukleáris neutron protonná és elektronná alakul.

Ebben az esetben egy másik ν" részecske jelenik meg - egy antineutrínó:

Egy elektron és egy antineutrínó kirepül az atommagból. Az elektron β - lebomlási séma a formában van felírva

Elektronikus β-bomlás során a Z elem rendszáma 1-gyel nő, de az A tömegszám nem változik.

A β-részecskék energiája a 0,002-2,3 MeV tartományba esik. 2. Pozitronikus

A β + -bomlás során egy mag proton neutronná és pozitronná alakul. Ebben az esetben egy másik ν részecske jelenik meg - egy neutrínó: Maga az elektronbefogás nem hoz létre ionizáló részecskéket, de igen

röntgensugárzás kíséretében. Ez a sugárzás akkor következik be, amikor a belső elektron abszorpciója által megüresedett teret a külső pályáról érkező elektron tölti ki.λ ≤ Gamma sugárzás

elektromágneses természetű, és hullámhosszú fotonokat képvisel 10-10 m. A gammasugárzás nem önálló faj radioaktív bomlás. Az ilyen típusú sugárzás nem csak az α- és β-bomlást kíséri, hanem az összetettebb sugárzást is.

nukleáris reakciók

. Nem téríti el elektromos és mágneses mezők, viszonylag gyenge ionizáló és nagyon jó áthatoló képességgel rendelkezik. 33.3. Az ionizáló sugárzás anyaggal való kölcsönhatásának mennyiségi jellemzői A radioaktív sugárzás élő szervezetekre gyakorolt ​​hatása összefüggésbe hozható ionizálás,

amelyet a szövetekben okoz. Egy részecske ionizációs képessége a típusától és az energiájától is függ. Ahogy egy részecske mélyebbre hatol az anyagba, elveszíti energiáját. Ezt a folyamatot ún

ionizáció gátlás.

A töltött részecske és az anyag kölcsönhatásának kvantitatív jellemzésére több mennyiséget használnak: Amint a részecske energiája az ionizációs energia alá csökken, ionizáló hatása megszűnik.

Átlagos lineáris futásteljesítmény Egy töltött ionizáló részecske (R) - az általa megtett út az anyagban, mielőtt elveszítené ionizáló képességét. különböző típusú sugárzások kölcsönhatásai anyaggal.

Alfa sugárzás

Az alfa-részecske gyakorlatilag nem tér el mozgásának kezdeti irányától, mivel tömege sokszorosa

Rizs. 33.3. A lineáris ionizációs sűrűség függése az α-részecske által a közegben megtett úttól

annak az elektronnak a tömege, amellyel kölcsönhatásba lép. Ahogy mélyen behatol az anyagba, először az ionizációs sűrűség növekszik, és mikor a futás befejezése (x = R)élesen nullára csökken (33.3. ábra). Ez azzal magyarázható, hogy a mozgás sebességének csökkenésével a közeg egy molekulájának (atomjának) közelében eltöltött idő növekszik. Az ionizáció valószínűsége ebben az esetben nő. Miután az α részecske energiája összehasonlíthatóvá válik a molekuláris hőmozgás energiájával, befog két elektront az anyagban, és héliumatommá alakul.

Az ionizációs folyamat során keletkező elektronok rendszerint eltávolodnak az α-részecskepályától és másodlagos ionizációt okoznak.

Az α-részecskék vízzel való kölcsönhatásának jellemzői és lágy szövetek táblázatban mutatjuk be. 33.2.

33.2. táblázat. Az anyaggal való kölcsönhatás jellemzőinek függése az α-részecskék energiájától

Béta sugárzás

A mozgáshoz β -az anyagban lévő részecskéket görbe vonalú, előre nem látható pálya jellemzi. Ez a kölcsönhatásban lévő részecskék tömegének egyenlőségéből adódik.

Interakciós jellemzők β -a vízzel és lágy szövetekkel rendelkező részecskék a táblázatban vannak bemutatva. 33.3.

33.3. táblázat. Az anyaggal való kölcsönhatás jellemzőinek függősége a β-részecskék energiájától

Az α-részecskékhez hasonlóan a β-részecskék ionizációs képessége az energia csökkenésével növekszik.

röntgensugárzás kíséretében.

Abszorpció γ - az anyag általi sugárzás a röntgensugárzás abszorpciójának törvényéhez hasonló exponenciális törvénynek engedelmeskedik:

A felszívódásért felelős fő folyamatok γ -sugárzás a fotoelektromos hatás és a Compton-szórás. Ez viszonylag kis számú szabad elektront hoz létre (elsődleges ionizáció), amelyek nagyon nagy energiájúak. Másodlagos ionizációs folyamatokat idéznek elő, amely összehasonlíthatatlanul magasabb, mint az elsődleges.

33.4. Természetes és mesterséges

radioaktivitás. Radioaktív sorozat

Feltételek természetesÉs mesterséges radioaktivitás feltételes.

Természetes a természetben létező izotópok radioaktivitásának, vagy a természetes folyamatok eredményeként keletkező izotópok radioaktivitásának nevezzük.

Például az urán radioaktivitása természetes. A szén 14 C radioaktivitása, amely ben keletkezik felső rétegek légkör a napsugárzás hatására.

Mesterséges az emberi tevékenység eredményeként keletkező izotópok radioaktivitása.

Ez a részecskegyorsítókban előállított összes izotóp radioaktivitása. Ide tartozik az atomrobbanás során fellépő talaj, víz és levegő radioaktivitása is.

Természetes radioaktivitás

A radioaktivitás vizsgálatának kezdeti időszakában a kutatók csak a földkőzetekben található természetes radionuklidokat (radioaktív izotópokat) tudták elegendő mennyiségben felhasználni. nagy mennyiségben: 232 Th, 235 U, 238 U. Három radioaktív sorozat kezdődik ezekkel a radionuklidokkal, amelyek a stabil Pb izotópokkal végződnek. Ezt követően egy sorozatot fedeztek fel, amely 237 Np-vel kezdődik, a végső stabil mag pedig 209 Bi. ábrán. A 33.4. ábra a 238 U-val kezdődő sort mutatja.

Rizs. 33.4. Urán-rádium sorozat

Ennek a sorozatnak az elemei jelentik az emberi belső sugárzás fő forrását. Például a 210 Pb és a 210 Po táplálékkal kerül a szervezetbe - halakban és kagylókban koncentrálódnak. Mindkét izotóp felhalmozódik a zuzmókban, ezért jelen van a rénszarvas húsában. Az összes természetes sugárforrás közül a legjelentősebb a 222 Rn – egy nehéz inert gáz, amely a 226 Ra bomlása következtében keletkezik. Ez az ember által kapott természetes sugárzás körülbelül felét teszi ki. Belealakulva földkéreg

, ez a gáz a légkörbe szivárog és a vízbe jut (nagyon oldódik). A kálium 40 K radioaktív izotópja folyamatosan jelen van a földkéregben, amely a természetes kálium része (0,0119%). Ez az elem a talajból származik gyökérrendszer

növények és növényi élelmiszerekkel (gabonafélék, friss zöldségek és gyümölcsök, gombák) - a szervezetbe.

A természetes sugárzás másik forrása a kozmikus sugárzás (15%). Intenzitása a hegyvidéki területeken a légkör védő hatásának csökkenése miatt növekszik. A természetes háttérsugárzás forrásait a táblázat tartalmazza. 33.4. 33.4. táblázat.

Természetes radioaktív háttér összetevője

33.5. Radionuklidok alkalmazása az orvostudományban Radionuklidok

rövid felezési idejű kémiai elemek radioaktív izotópjainak nevezzük. Ilyen izotópok nem léteznek a természetben, ezért mesterséges úton nyerik őket. A modern gyógyászatban a radionuklidokat széles körben használják diagnosztikai és terápiás célokra. Diagnosztikai alkalmazás

Ezen elemek radioizotópjainak szervezetbe juttatása lehetővé teszi a koncentrációjuk területeinek radioaktív sugárzással történő kimutatását, és ezáltal fontos diagnosztikai információk megszerzését. Ezt a diagnosztikai módszert az ún a jelölt atom módszerével.

Terápiás felhasználás radionuklidok az ionizáló sugárzásnak a daganatsejtekre gyakorolt ​​pusztító hatásán alapul.

1. Gamma terápia- nagy energiájú γ-sugárzás (60 Co forrás) alkalmazása a mélyen fekvő daganatok elpusztítására. A felületes szövetek és szervek káros hatásainak elkerülése érdekében az ionizáló sugárzásnak való kitettség különböző munkamenetekben, különböző irányokban történik.

2. Alfa terápia- gyógyászati ​​felhasználásα részecskék. Ezek a részecskék jelentős lineáris ionizációs sűrűséggel rendelkeznek, és még egy kis levegőréteg is elnyeli őket. Ezért terápiás

Az alfa-sugarak alkalmazása a szerv felületével való közvetlen érintkezés útján vagy belsőleg (tűvel) történő beadás esetén lehetséges. Felületi expozíció esetén radonterápiát (222 Rn) alkalmaznak: bőrrel (fürdő), emésztőszervekkel (ivás), légzőszervekkel (belégzés) való expozíció.

Egyes esetekben gyógyászati ​​felhasználás α -részecskék a neutronfluxus használatához kapcsolódnak. Ezzel a módszerrel először a szövetbe (tumorba) visznek be elemeket, amelyek magjai neutronok hatására bocsátanak ki α -részecskék. Ezt követően a beteg szervet neutronárammal sugározzák be. Ily módon α -közvetlenül a szerv belsejében keletkeznek részecskék, amelyekre romboló hatást kellene kifejteniük.

A 33.5. táblázat az orvostudományban használt egyes radionuklidok jellemzőit mutatja be.

33.5. táblázat. Izotópok jellemzői

33.6. Töltött részecskegyorsítók és felhasználásuk a gyógyászatban

Gázpedál- olyan létesítmény, amelyben elektromos és mágneses mezők hatására nagy energiájú (több száz keV-tól több száz GeV-ig) töltött részecskék irányított nyalábjai keletkeznek.

A gyorsítók létrehoznak keskeny adott energiájú és kis keresztmetszetű részecskenyalábok. Ez lehetővé teszi, hogy biztosítsa irányította besugárzott tárgyakra gyakorolt ​​hatás.

Gyorsítók alkalmazása az orvostudományban

Az elektron- és protongyorsítókat a gyógyászatban sugárterápiában és diagnosztikában használják. Ebben az esetben mind magukat a felgyorsított részecskéket, mind a kísérő röntgensugárzást felhasználják.

Bremsstrahlung röntgensugarak A részecskesugarat egy speciális célpontra irányítják, amely a röntgensugárzás forrása. Ez a sugárzás lényegesen nagyobb kvantumenergiával különbözik a röntgencsőtől.

Szinkrotron röntgen gyűrűgyorsítókban - szinkrotronokban - az elektronok gyorsulása során fordul elő. Ilyen sugárzás van magas fokú irány.

A gyors részecskék közvetlen hatása nagy áthatolóképességükkel függ össze. Az ilyen részecskék súlyos károsodás nélkül áthaladnak a felületi szöveteken, és útjuk végén ionizáló hatást fejtenek ki. A megfelelő részecskeenergia kiválasztásával lehetőség nyílik a daganatok adott mélységben történő elpusztítására.

A gyorsítók alkalmazási területeit az orvostudományban a táblázat tartalmazza. 33.6.

33.6. táblázat. Gyorsítók alkalmazása a terápiában és a diagnosztikában

33.7. Az ionizáló sugárzás hatásának biofizikai alapjai

Amint fentebb megjegyeztük, a radioaktív sugárzás biológiai rendszerekre gyakorolt ​​hatása összefüggésbe hozható molekulák ionizációja. A sugárzás és a sejtekkel való kölcsönhatás folyamata három egymást követő szakaszra (szakaszra) osztható.

1. Fizikai állapot áll energiaátvitel egy biológiai rendszer molekuláinak sugárzása, ami ionizációt és gerjesztést eredményez. Ennek a szakasznak az időtartama 10 -16 -10 -13 s.

2. Fizikai-kémiai a szakasz különböző típusú reakciókból áll, amelyek a gerjesztett molekulák és ionok energiafeleslegének újraelosztásához vezetnek. Ennek eredményeként nagyon aktív

termékek: gyökök és új ionok sokféle kémiai tulajdonsággal.

Ennek a szakasznak az időtartama 10 -13 -10 -10 s.

3. Kémiai szakasz - ez a gyökök és ionok kölcsönhatása egymással és a környező molekulákkal. Ebben a szakaszban különböző típusú szerkezeti károsodások alakulnak ki, amelyek a biológiai tulajdonságok megváltozásához vezetnek: a membránok szerkezete és funkciói megzavaródnak; léziók a DNS- és RNS-molekulákban fordulnak elő.

A kémiai szakasz időtartama 10 -6 -10 -3 s.

4. Biológiai szakasz. Ebben a szakaszban a molekulák és a szubcelluláris struktúrák károsodása különféle funkcionális zavarokhoz, apoptotikus mechanizmusok működése vagy nekrózis következtében idő előtti sejthalálhoz vezet. A biológiai stádiumban kapott károsodás örökölhető.

A biológiai szakasz időtartama néhány perctől több tíz évig terjed.

Jegyzet általános minták biológiai stádium:

Nagy zavarok alacsony elnyelt energiával (az ember számára halálos dózisú sugárzás hatására a test csak 0,001 °C-kal melegszik fel);

Hatás a következő generációkra a sejt örökletes apparátusán keresztül;

Rejtett, látens időszak jellemzi;

A sejtek különböző részei eltérően érzékenyek a sugárzásra;

Mindenekelőtt az osztódó sejteket érintik, ami különösen veszélyes a gyermek testére;

Káros hatás a felnőtt szervezet szöveteire, amelyekben osztódás van;

A sugárzás változásainak hasonlósága a korai öregedés patológiájával.

33.8. Alapfogalmak és képletek

A táblázat folytatása

33.9. Feladatok

1. Mi a gyógyszer aktivitása, ha ennek az anyagnak 10 000 magja 10 percen belül elbomlik?

4. Az ősi faminták korát megközelítőleg a bennük lévő 14 6 C izotóp fajlagos tömegaktivitása határozza meg. Hány éve vágták ki azt a fát, amelyből tárgyat készítettek, ha a benne lévő szén fajlagos tömegaktivitása a növekvő fa fajlagos tömegaktivitásának 75%-a? A radon felezési ideje T = 5570 év.

9. Után Csernobili baleset helyenként a talaj radioaktív cézium-137-tel való szennyezettsége 45 Ci/km 2 volt.

Hány év múlva csökken az aktivitás ezeken a helyeken egy viszonylag biztonságos, 5 Ci/km 2 -es szintre? A cézium-137 felezési ideje T = 30 év.

10. A jód-131 megengedett aktivitása az emberi pajzsmirigyben nem lehet több, mint 5 nCi. Néhány embernél, akik a csernobili katasztrófa övezetében tartózkodtak, a jód-131 aktivitása elérte a 800 nCi-t. Hány nap múlva csökkent az aktivitás a normális szintre? A jód-131 felezési ideje 8 nap.

11. Egy állat vérmennyiségének meghatározásához a következő módszert alkalmazzuk. Az állatból kis mennyiségű vért vesznek, a vörösvérsejteket elválasztják a plazmától, és radioaktív foszforos oldatba helyezik, amelyet a vörösvértestek asszimilálnak. A jelölt vörösvérsejteket visszajuttatják az állat keringési rendszerébe, majd bizonyos idő elteltével meghatározzák a vérminta aktivitását.

ΔV = 1 ml ilyen oldatot fecskendeztek valamelyik állat vérébe. Ennek a térfogatnak a kezdeti aktivitása A 0 = 7000 Bq volt. Egy állat vénájából egy nappal később vett 1 ml vér aktivitása percenként 38 impulzusnak felel meg. Határozza meg az állat vérmennyiségét, ha a radioaktív foszfor felezési ideje T = 14,3 nap.