Тема Радиоактивность радиоактивный распад I Понятие радиоактивности

Тема: Радиоактивность (радиоактивный распад)

I. Понятие радиоактивности. Типы радиоактивного распада. Гамма-излучение атомных ядер Радиоактивность – это самопроизвольный (спонтанный) распад неустойчивых ядер с испусканием других ядер или элементарных частиц нейтрон е- ядро Обозначение ядра атома: протон Атом A – массовое число Z – порядковый номер

Изотоп – массовое число атома меняется, а порядковый номер остается тем же Водород-1 Водород-2 Водород-3 Изотопы водорода дейтерий A Z тритий

радиоактивность естественная (неустойчивые ядра, существующие в природе) искусственная (образована в результате ядерных реакций) Космическое излучение Газ радон 222 Rn (образуется из рассеянного в породах земной коры радия 236 Ra) Радиоизотопы для диагностики в медицине (технеций 99 Тс )

Обозначение Элементарная частица протон нейтрон электрон позитрон нейтрино антинейтрино Альфа-частица ~

Типы радиоактивного распада: 1) Альфа-распад (a-распад) a-распад – это самопроизвольное превращение одного ядра в другое ядро с испусканием a-частицы (т. е. ядра атома гелия): материнское ядро дочернее ядро Пример: превращения полония в свинец

Если дочерние ядра радиоактивны, то возникает цепочка превращений, концом которой является стабильное ядро a-распад – часто сопровождается - излучением. Происходит это из-за того, что при a-распаде дочернее ядро образуется в возбужденном состоянии. Энергия возбужденного ядра высвобождается в виде -фотона. + - фотон

Черты a-излучения: отклоняется электрическими и магнитными полями высокая ионизирующая способность малая проникающая способность (гасится поверхностными слоями кожи) a - излучение Энергетический спектр дискретный (имеет “тонкую структуру”). Т. е. радиоактивным элементом испускается несколько групп a-частиц и энергия в пределах этой группы практически постоянна (4 -9 Мэ. В)

Энергетический спектр a-излучения:

2) бета-распад (b-распад) b-распад – это внутриядерное взаимное превращение нейтрона и протона Виды b-распада 2 а) электронный распад 2 в) электронный захват 2 б) позитронный распад

2 а) электронный распад (b-- распад) b- - распад проявляется в вылете из ядра электрона: ~ антинейтрино Электрон (b- ) образуется вследствие внутриядерного превращения нейтрона в протон: ~

~ При b- - распаде протон остается в ядре Электрон и антинейтрино испускаются одновременно в каждом акте b- - распада Энергия при b- - распаде перераспределяется между электроном и антинейтрино Поэтому, энергетический СПЛОШНОЙ: спектр b- - излучения

энергетический спектр b- - излучения СПЛОШНОЙ:

Пример b- - распада: превращение трития в гелий ~ Проникающая способность b- - излучения в ткани человека до 1 см a - излучение b- - излучение алюминий

2 б) позитронный распад (b+- распад) нейтрино Позитрон (b+ ) образуется вследствие внутриядерного превращения протона в нейтрон:

Пример b+ - распада: превращение рубидия в криптон протон и нейтрино испускаются одновременно в каждом акте b+ - распада Энергия при b+ - распаде перераспределяется между протоном и нейтрино Энергетический спектр b+ - излучения СПЛОШНОЙ, как и у b-- излучения Проникающая способность b+ - излучения в ткани человека до 1, 5 см

2 в) электронный захват (e- захват) e- захват заключается в захвате ядром одного из внутренних электронов атома, в результате чего протон ядра превращается нейтрон: нейтрино Пример e-захвата: превращение берилия в литий

Так как при электронном захвате освобождаются места в электронной оболочке, то e-захват сопровождается характеристическим рентгеновским излучением

~ Нейтрино n и антинейтрино n: нейтральные частицы. Слабо взаимодействуют с веществом проникающая способность очень большая Например, для нейтрино с энергией 3 -10 Мэ. В длина свободного пробега в воде составляет 1018 м

Гамма-излучение ( -излучение) атомных ядер -излучение не является самостоятельным видом радиоактивного распада Сопровождает a- и b- распад Имеет электромагнитную природу и представляет собой фотоны с длиной волны l < 10 -10 м Обладает слабой ионизирующей способностью и большой проникающей способностью a - излучение b- - излучение g - излучение алюминий свинец

II. Основной закон радиоактивного распада. Период полураспада. Активность Радиоактивный распад – это статистическое явление. Нельзя предсказать, когда распадется нестабильное ядро, а можно только установить вероятность распада за определенный промежуток времени Число распадающихся ядер d. N за время dt пропорционально интервалу времени dt и общему числу N радиоактивных ядер: l (1) - постоянная распада, она пропорциональна вероятности распада данного ядра Знак ‘’- ’’ указывает на убывание числа нераспавшихся ядер во времени (d. N<0).

(1) после решения уравнения (1) методом разделения переменных, получим: (2) (3) Основной закон радиоактивного распада: (4)

Основной закон радиоактивного распада: (4) N 0 - исходное число радиоактивных ядер N - число ядер, оставшихся к моменту времени t l которое число распада – это величина, обратная времени, за - постоянная радиоактивных ядер убывает в “e” раз l N N 0 l 1< l 2 T N 0 /2 - период полураспада, это время, в течение которого распадается половина радиоактивных ядер l 1 l 2 T 1 [с-1 ] t

(4) Связь между l и T: В (4) вместо N подставим N 0/2, вместо t =T:

Активность радиоизотопа – это скорость радиоактивного распада, т. е. число ядер радиоизотопа, распадающихся за единицу времени (5) В ‘’СИ’’ : [бекерель] = [ Бк ] Внесистемные единицы: [ кюри ] = [ Ки ] 1 Ки = 3, 7 1010 Бк = 3, 7 1010 с-1 . . [ резерфорд ] = [ Рд ] 1 Рд = 106 Бк = 106 с-1

Связь А, Т и N : В уравнение (5) вместо d. N подставим (1), вместо N подставим (4) активность убывает по экспоненциальному закону Если время t = T : активность препарата тем больше, чем больше радиоактивных ядер N и чем меньше период полураспада T

III. Взаимодействие корпускулярного ИИ с веществом a и b – частицы при взаимодействии с веществом теряют свою энергию вследствие ионизационного торможения Ионизационное торможение – это механизм потерь энергии заряженной частицы вследствие возбуждения и ионизации атомов среды, в которой движется частица

Количественные характеристики взаимодействия заряженной частицы с веществом: 1) Линейная плотность ионизации (i) – это отношение числа ионов одного знака (dn), образованных заряженной ионизирующей частицей на элементарном пути: (dl) , к этому [ м-1 ] 2) Линейная тормозная способность (S) – это отношение энергии (d. E), теряемой заряженной ионизирующей частицей, при прохождении пути dl в веществе, к длине этого пути: [ Дж/м ]

(R) 3) Средний линейный пробег заряженной ионизирующей частицы – это среднее расстояние между началом и концом пробега ионизирующей частицы в данном веществе [м]

Взаимодействие a-излучения с веществом Ионизация и возбуждение атомов вещества по действием излучения a- Изменение линейной плотности ионизации i альфачастицы в веществе: i, м-1 резкое возрастание за счет падения скорости движения частицы, что увеличивает вероятность ионизации атома вещества резкое убывание при завершении пробега R альфа-частицы в веществе R x (путь)

Средний линейный пробег (R) a – частицы зависит от энергии a- частицы и от плотности вещества Воздух: R=1 -2 см Жидкость, мягкие ткани: R = 10 -100 мкм С ядрами вещества a-частицы взаимодействуют редко, но если это происходит, то возможны ядерные реакции или рассеяние a-частиц После того, как скорость a-частицы замедляется до скорости молекулярно-теплового движения, она захватывает 2 -а электрона в веществе и превращается в атом гелия

Взаимодействие b-излучения с веществом Ионизация и возбуждение атомов вещества по действием b-излучения При торможении b--частиц образуется тормозное рентгеновское излучение

b+-частицы взаимодействуют с электронами вещества и образуют электронно-позитронные пары - фотон b+ b- Аннигиляция – превращение электронно-позитронной пары в 2 -а фотона - излучения

Взаимодействие -излучения с веществом Основной эффект -излучения - Ионизация Другие эффекты: когерентное рассеяние, эффект Комптона, фотоэффект (сходно с рентгеновским излучением) Если энергия фотонов -излучения больше 1, 02 Мэ. В (т. е. суммарной энергии протона b + и электрона b - ), то происходит образование электронно-позитронной пары

Поток - излучения ослабляется веществом по закону: m – линейный коэффициент ослабления Поток gизлучения в веществе Падающий поток gизлучения Вероятность процессов фотоэффекта (Ф) , некогерентного рассеяния (НК) и формирования электронно-позитронной пары (ПЭ) зависит от энергии -фотонов

Вероятность процессов фотоэффекта (Ф) , некогерентного рассеяния (НК) и формирования электронно-позитронной пары (ПЭ) зависит от энергии Энергия -фотона ~ 2 Мэ. В ~ 4 -6 Мэ. В ~ 10 Мэ. В -фотонов Основной эффект фотоэффект Комптон-эффект Пара электронпозитрон

Вероятность процессов фотоэффекта (Ф) , некогерентного рассеяния (НК) и формирования электронно-позитронной пары (ПЭ) зависит от энергии -фотонов

IV. Применения излучения радиоизотопов в медицине Радионуклиды (радиоизотопы) радиоизотопная диагностика радиоизотопная терапия (a, b, , протонная, нейтронная, электронная)

Радиоизотопная диагностика Пациенту вводят внутривенно радиоизотоп, связанный с биохимическим носителем (например, глюкоза). Радиоизотоп при распаде дает -излучение Регистрация -излучения при помощи -топографа (сцинтиграфа) – сканирующий счетчик, который постепенно движется над телом больного. Фиксация -излучения на фотопленке, компьютерная реконструкция сцинтиграмма

Позитронно-эмиссионная томография

Сцинтиграмма – распределение изотопа в органах Распределение Технеция-99 в костях здорового человека

Сцинтиграмма – распределение изотопа в органах Распределение Технеция-99 Инфаркт головного мозга нормальная ткань

Сцинтиграмма – распределение изотопа в органах Распределение Иод-125 рак щитовидной железы

Радиоизотопная терапия телетерапия (дистанционная) Применяют – пушки (источник -излучения Кобальт-60) Применяют потоки нейтронов, b– и a – частиц (ускорители элементарных частиц) Терапия глубинных опухолей брахитерапия (введение источника радионуклидов непосредственно в опухоль) Применяют Золото-198, Кобальт-60 Иод-125

Гамма-пушка

Гамма-скальпель