Тема «РАДИОАКТИВНОСТЬ» Мальцев Алексей Владимирович, Доцент кафедры общей

Тема «РАДИОАКТИВНОСТЬ» Мальцев Алексей Владимирович, Доцент кафедры общей и социальной психологии Alexey. Maltsev@urfu. ru

Контрольная работа № 1 901: Не выполнили : Бан Чжунхюн, Воденкова, Сонг 902 Не выполнили: Йылан, Сальдарриага, Сонг, Трихастама

Контрольная работа № 2 901: Не выполнили : Бан Чжунхюн, Воденкова, Стерлягова, Сонг 902 Не выполнили: Йылан, Сальдарриага, Сонг, Трихастама , Дополнительная попытка: Вишнева 903 Не выполнили: Мартьянова 904 Не выполнили: Эрбаш Дополнительная попытка: Штаб

Радиоактивность представляет собой превращение ядер одного элемента в ядра другого элемента, сопровождающееся испусканием элементарных частиц, ядер или энергии. В 1896 году Анри Беккерель открыл явление радиоактивности (соли урана засветили фотопластинку в темноте) В 1898 году Мария и Пьер Кюри продолжили работу с радиоактивными элементами.

Основные понятия (синонимы) • радиация • радиоактивность • ионизирующее излучение • радиоактивное излучение

Виды радиоактивных излучений по Э Резерфорду Излучение радиоактивных веществ состоит из трех компонентов: альфа-лучей (α-частиц), бета-лучей (β-частиц) и гамма-лучей (γ-лучи).

1) α -частицы отклоняются электрическим и магнитным полем и несут положительный заряд 2 е; они легко поглощаются тонкими слоями вещества. Эти частицы представляют собой ядра атомов гелия; 2) β -частицы отклоняются электрическим и магнитным полями, несут отрицательный заряд е, обладают более высокой проникающей способностью, чем α-лучи. Они представляют собой поток быстрых электронов; 3) γ -лучи не отклоняются электрическим и магнитным полями, обладают очень большой проникающей способностью. Эти лучи подобны рентгеновским лучам, но являются более коротковолновыми.

Радиоактивность есть ядерный процесс ; радиоактивность данного элемента не изменяется, если элемент вступает в какие-либо химические соединения. Радиоактивность, при которой наблюдается альфа-излучение, называется α -распадом , при бета-излучении — β-распадом.

Другие виды радиоактивного излучения • Рентгеновское излучение • Нейтронное излучение • Спонтанное деление ядер • Протонная радиоактивность • Кластерная радиоактивность

Рентгеновское излучение • Открыто Вильгельмом Рентгеном при изучении катодных лучей в 1895 году • Энергетическое электромагнитное излучение в виде фотонов, возникающие при переходе электрона внутри атома с одной орбиты на другую.

Нейтронное излучение • техногенное (искусственное) излучение, возникающие в различных ядерных реакторах и при атомных взрывах. • в зависимости от кинетической энергии разделяются на быстрые (до 10 Мэ. В), сверхбыстрые, промежуточные, медленные и тепловые.

Спонтанное деление ядер • Делящееся ядро распадается на два осколка сравнимой массы с испусканием нейтронов и гамма-квантов. • Обнаружено советскими физиками Г. Н. Флеровым и К. А. Петржаком в 1940 г. у ядер урана. Осуществляется по схеме • ядро урана распадается на ядра ксенона ( Xe) и стронция (Sr) с испусканием трех нейтронов.

Протонная радиоактивность • В 1982 г. С. Хофманом (ФРГ) наблюдалась протонная радиоактивность при распаде короткоживущего изотопа лютеция Lu: Lu → Yb + p • Протонное излучение при распаде кобальта в железо

Кл стерная радиоакт вность ааиа • В 1984 г. Х. Роуз и Г. Джонс открывают спонтанное испускание ядер углерода ядрами радия, получившее название кластерный распад. • Кл стерная радиоакт вность аа иа (кластерный распад) — явление самопроизвольного испускания ядрами ядерных фрагментов (кластеров) тяжелее, чем α-частица. Например: 223 Ra > 209 РЬ + 14 С • Обнаружено 25 ядер от Ba (барий) до Аm (америций) (почти все они — тяжёлые), испускающих из основных состояний кластеры типа С (углерод), О(кислород), Ne (неон), Mg (магний), Si (кремний).

Виды радиоактивности 1. альфа-излучение — излучение ядер атомов гелия; 2. бета-излучение – электронов или позитронов; 3. гамма-лучи коротковолновое электромагнитное излучение; 4. рентгеновское излучение длинноволновое электромагнитное излучение; 5. нейтронное излучение – излучение нейтронов 6. спонтанное деление ядер на двое со сравнимой массой; 7. протонная радиоактивность – излучение протонов 8. кл стерная радиоакт вность аа иа — самопроизвольное испускание ядерных фрагментов (кластеров) тяжелее, чем α-частица.

Правила смещения При α -распаде элемент имеет ядро с зарядом на две единицы меньше, а массовое число на 4 единицы меньше, чем исходное. Новый элемент расположен в таблице Менделеева на два номера ближе к началу таблицы, чем исходный. Например, при α-распаде полония имеем:

При β-распаде заряд полученного ядра увеличивается на единицу, а масса его практически не меняется, так как масса электрона в 1836 раз меньше массы протона. Следовательно, вновь возникающий элемент по отношению к исходному расположен в периодической системе на один номер дальше. e. Cl. S 0 132 1732 16 Например, при β-распаде серы имеем : Химические элементы, отличающиеся массовыми числами, но имеющие один и тот же заряд атомных ядер и потому занимающие одно и то же место в таблице Менделеева, называются изотопами. Ядерные свойства изотопов одного и того же элемента различны, но их химические свойства почти одинаковы.

ПРАВИЛА СМЕЩЕНИЯ Бета — распад Альфа- распад. He. YX A Z 4 2 e. YX A Z

Активность • Активность — показатель дезинтеграции радиоактивных элементов, или показатель уменьшения количества радиоактивных ядер в процессе их распада. • Единицей измерения является беккерель (Бк). Один 1 Бк равен одному распаду в секунду. Иногда применяют другую единицу измерения — кюри (Ки). 1 Кюри составляет 3, 7*10 10 распадов в секунду. • Например , активность 1 г радия составляет 3, 7*10 10 Бк, или 1 Ки. • Единица активности соответствует определенному числу распадов в 1 с, а не определенному количеству радиоактивного вещества.

Основной закон радиоактивного распада Ядерный распад является вероятностным процессом. В силу этого в единицу времени из наличного количества атомов всегда распадается определенная часть, которую обозначают через λ и называют постоянной распада данного радиоактивного элемента. Если имеется N атомов, то за 1 с распадается из них λN атомов, а за время dt: d. N=- λNdt — дифференциальная форма закона распада. Интегральная форма закона распада : N= N 0 e xp (– λt) , где N 0 — число атомов в начальный момент при t = 0; N — число атомов, оставшихся по истечении времени t.

Период полураспада • Для характеристики радиоактивности вводится период полураспада Т , время в течение которого начальное число атомов данного элемента уменьшается в два раза. • Из формулы закона радиоактивного распада следует, что период Т полураспада связан с λ соотношением: • Т=ln 2/λ = 0, 693/λ

Убывание количества ядер исходного вещества при радиоактивном распаде

Периоды полураспада для некоторых элементов

Ионизирующие излучения • Излучение, проходя через вещества, ионизирует их атомы и молекулы, то есть превращает их в электрически заряженные частицы — ионы. • Все виды ионизирующих излучений могут быть подразделены на два типа: – атомное излучение: α -частицы, β-частицы (электроны и позитроны), протоны, нейтроны и т. п. ; – волновое излучение — γ-лучи и рентгеновские

Альфа излучение • излучаются: два протона и два нейтрона • проникающая способность: низкая • облучение от источника: до 10 см • скорость излучения: 20 000 км/с • ионизация: 30 000 пар ионов на 1 см пробега • биологическое действие радиации: высокое

Бета излучение • излучаются: электроны или позитроны • проникающая способность: средняя • облучение от источника: до 20 м • скорость излучения: 300 000 км/с • ионизация: от 40 до 150 пар ионов на 1 см пробега • биологическое действие радиации: среднее

Гамма излучение • излучаются: энергия в виде фотонов • проникающая способность: высокая • облучение от источника: до сотен метров • скорость излучения: 300 000 км/с • ионизация: от 3 до 5 пар ионов на 1 см пробега • биологическое действие радиации: низкое

Нейтронное излучение • излучаются: нейтроны • проникающая способность: высокая • облучение от источника: километры • скорость излучения: 40 000 км/с • ионизация: от 3000 до 5000 пар ионов на 1 см пробега • биологическое действие радиации: высокое

Рентгеновское излучение • излучаются: энергия в виде фотонов • проникающая способность: высокая • облучение от источника: до сотен метров • скорость излучения: 300 000 км/с • ионизация: от 3 до 5 пар ионов на 1 см пробега • биологическое действие радиации: низкое

Проникающая способность гамма — излучения Хорошо поглощают : : гамма-излучение – – чугун, сталь, свинец, кирпич, бетон (вещества , имеющие большую плотность ))

ПРОНИКАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ РАДИОАКТИВНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ Альфа — частицы Бета — частицы Гамма — лучи картон алюминий свинец Лист алюминия (5 мм ) Лист свинца(1 см )Лист картона (0, 1 мм)

Происхождение радиоактивности • естественная радиоактивность обнаруживается у некоторых тяжелых элементов, расположенных в конце периодической системы Менделеева • искусственная радиоактивность может быть вызвана и у легких элементов при бомбардировке ядер этих элементов

83 208, 98 Bi висмут. Было установлено, что все химические элементы с порядковым номером более 83 являются радиоактивными

Естественная радиоактивность • Естественные радионуклиды (радиоактивные изотопы), содержащиеся в земных породах в достаточно большом количестве: • 232 Th (торий), • 235 U (уран), • 238 U. • С этих радионуклидов начинаются три радиоактивных ряда, заканчивающиеся стабильными изотопами РЬ

Уран-радиевый ряд

Составляющая природного радиоактивного фона

Радиационный фон • Естественный усредненный радиационный фон обычно лежит в пределах 0. 10 -0. 16 мк. Зв/час. (микрозеверт в час) или 10 -16 мк. Р/час (микрорентген в час). • Норма радиационного фона не должна превышать 20 мк. Р/час. • Безопасным уровнем для человека считается порог в 30 мк. Р/час.

Использование радионуклидов в медицине • Радионуклидами называют радиоактивные изотопы химических элементов с малым периодом полураспада. • В природе такие изотопы отсутствуют, поэтому их получают искусственно. • В современной медицине радионуклиды широко используются в диагностических и терапевтических целях.

Диагностическое применение • Основано на избирательном накоплении некоторых химических элементов отдельными органами. • Йод концентрируется в щитовидной железе, а кальций — в костях. • Введение в организм радиоизотопов этих элементов позволяет обнаруживать области их концентрации по радиоактивному излучению и получать таким образом важную диагностическую информацию. Такой метод диагностики называется методом меченых атомов.

Терапевтическое использование Основано на разрушающем действии ионизирующего излучения на клетки опухолей. • Гамма-терапия — использование γ-излучения высокой энергии (источник Со) для разрушения глубоко расположенных опухолей. Чтобы поверхностно расположенные ткани и органы не подвергались губительному действию, воздействие ионизирующего излучения осуществляется в разные сеансы по разным направлениям. • Альфа-терапия — лечебное использование α-частиц. Терапевтическое применение альфа-лучей возможно при непосредственном контакте с поверхностью органа или при введении внутрь (с помощью иглы). Для поверхностного воздействия применяется радоновая терапия (222 Rn): воздействие на кожу (ванны), органы пищеварения (питье), органы дыхания (ингаляции).

Биофизические основы действия ионизирующего излучения • Воздействие радиоактивного излучения на биологические системы связано с ионизацией молекул. • Процесс взаимодействия излучения с клетками можно разделить на четыре последовательных стадии: • физическая, физико-химическая, биологическая

1. Физическая стадия состоит в передаче энергии излучения молекулам биологической системы, в результате чего происходит их ионизация и возбуждение. Длительность этой стадии 10 -16 -10 -13 с. 2. Физико-химическая стадия состоит из различного рода реакций, приводящих к перераспределению избыточной энергии возбужденных молекул и ионов. В результате появляются высокоактивные продукты: радикалы и новые ионы с широким спектром химических свойств. Длительность этой стадии 10 -13 -10 с.

3. Химическая стадия — это взаимодействие радикалов и ионов между собой и с окружающими молекулами. На этой стадии формируются структурные повреждения различного типа, приводящие к изменению биологических свойств: нарушаются структура и функции мембран; возникают поражения в молекулах ДНК и РНК. Длительность химической стадии 10 -6 -10 -3 с. 4. Биологическая стадия. На этой стадии повреждения молекул и субклеточных структур приводят к разнообразным функциональным нарушениям, к преждевременной гибели клетки. Повреждения, полученные на биологической стадии, могут передаваться по наследству Продолжительность биологической стадии от нескольких минут до десятков лет.

Особенности биологической стадии • большие нарушения при малой поглощенной энергии (смертельная для человека доза облучения вызывает нагрев тела всего на 0, 001°С); • действие на последующие поколения через наследственный аппарат клетки; • характерен скрытый, латентный период; • разные части клеток обладают различной чувствительностью к излучению; • прежде всего поражаются делящиеся клетки, что особенно опасно для детского организма; • губительное действие на ткани взрослого организма, в которых есть деление; • сходство лучевых изменений с процессами патологии раннего старения.

Способы наблюдения быстрых заряженных частиц Наблюдение частиц возможно лишь в том случае, если они заряжены и имеют достаточно большую скорость. Нейтральные частицы — фотоны и нейтроны — можно наблюдать, когда они в результате взаимодействия с веществом образуют заряженные частицы. В настоящее время пользуются следующими методами наблюдения частиц: 1) метод камер, 2) метод толстослойных фотографических пластинок, 3) ионизационные счетчики всех систем, 4) сцинтилляционные счетчики, 5) черенковские счетчики, 6) полупроводниковые детекторы.

Камера Вильсона Камера заполнена смесью аргона с насыщенными парами воды. Расширяя газ поршнем, охлаждают пары. Пролетающая частица ионизирует атомы газа, на которых конденсируется пар, создавая капельный след (трек). 1912 г.

Пузырьковая камера Камера заполнена быстро закипающей жидкостью (сжиженный пропан). Заряженная частица на своем пути ионизирует атомы жидкости, около этих ионов жидкость закипает и образуются пузырьки пара , траектория частицы становится видимой 1952 г.

Искровая камера Изобретена в 1957 г. Заполнена инертным газом. Плоскопараллельные пластины расположены близко друг к другу. На пластины подается высокое напряжение. При пролете заряженной частицы вдоль её траектории проскакивают искры, создавая огненный трек.

Толстослойные фотоэмульсии Метод разработан В 1958 году Ждановым А. П. и Мысовским Л. В. Пролетающая сквозь фотоэмульсию заряженная частица действует на зерна бромистого серебра и образует скрытое изображение. После проявления на фотопластинке образуется след — трек. Преимущества: следы не исчезают со временем и могут быть тщательно изучены.

Счетчик Гейгера 53 В наполненной аргоном трубке пролетающая через газ частичка ионизирует его, Между катодом и анодом возникает электрический ток, на резисторе R образуется напряжение.

Сцинтилляционный счетчик 54 В 1903 году У. Крукс заметил, что частицы, испускаемые радиоактивным веществом ( α – частицы ) попадая на экран покрытый сернистым цинком, вызывают его свечение, на экране образуются вспышки света Устройство было использовано Э. Резерфордом. Сейчас сцинтилляции наблюдают и считают с помощью специальных устройств.

Полупроводниковые детекторы ионизирующих излучений Полупроводниковые детекторы основаны на свойстве полупроводников изменять свою электропроводность под действием облучения нейтронами или γ-лучами, для регистрации которых они и применяются.

Счетчик Черенкова Черенковские счетчики основаны на открытом С. И. Вавиловым и П. А. Черенковым излучении, которое вызывается электронами, когда они движутся в чистой жидкости или твердом диэлектрике со скоростью, большей, чем фазовая скорость света в этих средах.