Ядерная физика
• Ядерная физика — раздел физики, изучающий структуру и свойства атомных ядер, а также их столкновения (ядерные реакции). • Ядра состоят из нуклонов (протонов и нейтронов), и в типичных ядрах содержатся десятки и сотни нуклонов. Это число слишком велико для точно решаемых задач, но всё же слишком мало для того, чтобы можно было пользоваться методами статистической физики. Это и привело к большому разнообразию различных моделей атомных ядер.
Теория оболочечного строения ядра • Модель, объясняющая структуру атомного ядра. Она аналогична теории оболочечного строения атома. Аналогично в оболочечной модели ядра. При увеличении количества нуклонов (протонов или нейтронов) в ядре существуют определённые числа, при которых энергия связи следующего нуклона намного меньше, чем последнего. Особой устойчивостью отличаются атомные ядра, содержащие магические числа 2, 8, 20, 28, 50, 82, 114, 126, 164 для протонов и 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126, 184, 196, 228, 272, 318 для нейтронов.
Капельная модель ядра 1. Малый радиус действия ядерных и сил взаимодействия между молекулами в капле жидкости 2. Свойство насыщения ядерных сил и сил взаимодействия между молекулами в капле жидкости 3. Постоянная плотность вещества 4. Существование определенной подвижности частиц – молекул в капле и нуклонов в ядре 5. Энергии притяжения нуклонов в ядре соответствует энергия межмолекулярного притяжения в капле жидкости 6. Молекулы жидкости, находящиеся на ее поверхности, испытывают одностороннее притяжение внутрь жидкости, характеризующее коэффициентом поверхностного натяжения жидкости. Нуклоны, находящиеся на «поверхности» ядра, испытывают одностороннее притяжение внутрь ядра.
Общие сведения Число протонов в ядре (зарядовое число, также порядковый номер элемента) принято обозначать через Z, число нейтронов - через N. Их сумма A = Z + N называется массовым числом ядра. Атомы с одинаковым Z (т. е. атомы одного и того же элемента), но различными N называются изотопами, с одинаковыми A, но различными Z - изобарами, с одинаковыми N, но различными Z изотонами.
Ядерные силы обладают рядом особых свойств: • Ядерные силы – силы короткодействующие. Расстояние r , на котором действуют ядерные силы, называются радиусом действия ядерных сил ( r = 2*10 -15 м). • Они обладают свойством зарядовой независимости. • У них имеется свойство насыщения: каждый нуклон взаимодействует только с ограниченным числом ближайших к нему нуклонов, а не со всеми нуклонами ядра. • Ядерные силы не являются центральными силами, в отличие от кулоновских и гравитационных сил. • Ядерные силы имеют обменный характер. Это проявляется в том, что силы, действующие между двумя ядерными частицами, рассматриваются как результат обмена между ними некоторой промежуточной частицей ( + - мезоном).
Масса и энергия связи ядра Масса ядра измеряется в атомных единицах массы (а. е. м). За одну атомную единицу массы принимается 1/12 часть массы нейтрального атома углерода 12 С: 1 а. е. м = 1. 6606. 10 -27 кг. А. е. м. выражается через энергетические единицы: 1 а. е. м = 1. 510 -10 Дж = 931. 49 Мэ. В Масса ядра всегда меньше массы составляющих его нуклонов. Энергия связи ядра Eсв(A, Z) - это минимальная энергия, необходимая, чтобы развалить ядро на отдельные, составляющие его нуклоны. Есв(A, Z) = [Z mp + (A - Z)mn - M(A, Z)]c 2, где Z - число протонов, (A - Z) - число нейтронов, mpмасса протона, mn - масса нейтрона, М(A, Z) - масса ядра с массовым числом А и зарядом Z.
Радиоактивный распад • Радиоактивность - свойство атомных ядер самопроизвольно (спонтанно) изменять свой состав (заряд Z, массовое число A) путём испускания элементарных частиц или ядерных фрагментов. – Естественная радиоактивность самопроизвольный распад ядер элементов, встречающихся в природе. – Искусственная радиоактивность самопроизвольный распад ядер элементов, полученных искусственным путем через соответствующие ядерные реакции.
Естественная радиоактивность • Газ радон и продукты его распада – 45, 5% • Космическое излучение – 15, 3% • Радиоизотоп 40 K -15, 0% • Радиевый ряд урана – 12, 2% • Ториевый ряд урана – 8, 0% 222 Rn
Изображение фотопластинки Беккереля, которая была засвечена излучением солей урана. Ясно видна тень Антуан Анри Беккерель металлического мальтийского креста, (1852 -1908) помещённого между пластинкой и солью урана.
Пьер Кюри (1859 -1906) Мария Склодовская-Кюри (1867 -1934)
Виды лучей радиоактивного распада Э. Резерфорд экспериментально установил (1899), что соли урана испускают лучи трёх типов, которые по-разному отклоняются в магнитном поле: лучи первого типа отклоняются так же, как поток положительно заряженных частиц; их назвали αлучами; лучи второго типа обычно отклоняются в магнитном поле так же, как поток отрицательно заряженных частиц, их назвали β-лучами; лучи третьего типа, которые не отклоняются магнитным полем, назвали γ-излучением.
Эрнест Резерфорд (1871 -1937)
Альфа-распад • α-распадом называют самопроизвольный распад атомного ядра на дочернее ядро и α-частицу (ядро атома 4 He). • α-распад, как правило, происходит в тяжёлых ядрах с массовым числом А≥ 140 (хотя есть несколько исключений). Внутри тяжёлых ядер за счёт свойства насыщения ядерных сил образуются обособленные α-частицы, состоящие из двух протонов и двух нейтронов. Образовавшаяся αчастица подвержена большему действию кулоновских сил отталкивания от протонов ядра, чем отдельные протоны. Одновременно α-частица испытывает меньшее ядерное притяжение к нуклонам ядра, чем остальные нуклоны.
Бета-распад • Беккерель доказал, что β-лучи являются потоком электронов. • β–-распад является внутринуклонным процессом. Он происходит вследствие превращения одного из нейтронов в протон с испусканием электрона и антинейтрино: • В β+ -распаде протон превращается в нейтрон, позитрон и нейтрино:
Гамма-распад Почти все ядра имеют, кроме основного квантового состояния, дискретный набор возбуждённых состояний с большей энергией. Возбуждённые состояния могут заселяться при ядерных реакциях либо радиоактивном распаде других ядер. Большинство возбуждённых состояний имеют очень малые времена жизни (менее наносекунды). Однако существуют и достаточно долгоживущие состояния (чьи времена жизни измеряются микросекундами, сутками или годами), которые называются изомерными. Изомерные состояния ядер, как правило, распадаются в основное состояние (иногда через несколько промежуточных состояний). При этом излучаются один или несколько гамма-квантов; возбуждение ядра может сниматься также посредством вылета конверсионных электронов из атомной оболочки. Изомерные состояния могут распадаться также и посредством обычных бета- и альфа-распадов.
Закон радиоактивного распада ядер Радиоактивный распад статистический процесс. Каждое радиоактивное ядро может распасться в любой момент и закономерность наблюдается только в среднем, в случае распада достаточно большого количества ядер.
Постоянная распада λ - вероятность распада ядра в единицу времени. Если в образце в момент времени t имеется N радиоактивных ядер, то количество ядер d. N, распавшихся за время dt пропорционально N: d. N = -λNdt. Проинтегрировав получим закон радиоактивного распада: N(t) = N 0 e-λt. N 0 - количество радиоактивных ядер в момент времени t = 0.
Среднее время жизни – 1/. Период полураспада T 1/2 - время, за которое первоначальное количество радиоактивных ядер уменьшится в два раза: T 1/2 = ln 2/λ= ln 2. Активность A - среднее количество ядер распадающихся в единицу времени: A(t) = λN(t). Активность измеряется в кюри (Ки) и беккерелях (Бк): 1 Ки = 3. 7· 1010 распадов/c, 1 Бк = 1 распад/c.
Период полураспада Т 1/2 некоторых радиоактивных изотопов
Физические свойства ионизирующих излучений Энергия частиц ионизирующего излучения лежит в диапазоне от нескольких сотен электронвольт (рентгеновское излучение, бета-излучение некоторых радионуклидов) до 1015 — 1020 и выше электронвольт (протоны космического излучения, для которых не обнаружено верхнего предела по энергии). В зависимости от типа частиц и их энергии сильно различаются длина пробега и проникающая способность ионизирующего излучения — от долей миллиметра в конденсированной среде (альфаизлучение) до многих километров (высокоэнергетические мюоны космических лучей).
Важными показателями взаимодействия ионизирующего излучения с веществом служат такие величины, как линейная передача энергии (ЛПЭ), показывающая, какую энергию излучение передаёт среде на единице длины пробега при единичной плотности вещества, а также поглощённая доза излучения, показывающая, какая энергия излучения поглощается в единице массы вещества.
Биологическое действие ионизирующих излучений Ионизация, создаваемая излучением в клетках, приводит к образованию свободных радикалов. Свободные радикалы вызывают разрушения целостности цепочек макромолекул (белков и нуклеиновых кислот), что может привести как к массовой гибели клеток, так и канцерогенезу и мутагенезу. Наиболее подвержены воздействию ионизирующего излучения активно делящиеся (эпителиальные, стволовые, также эмбриональные) клетки.
Доза излучения - величина, используемая для оценки воздействия ионизирующего излучения на любые вещества и живые организмы. • • Экспозиционная доза Поглощенная доза Эквивалентная доза Эффективная доза
Экспозиционная доза • Экспозиционная доза определяет ионизирующую способность рентгеновских и гамма-лучей и выражает энергию излучения, преобразованную в кинетическую энергию заряженных частиц в единице массы атмосферного воздуха. Экспозиционная доза - это отношение суммарного заряда всех ионов одного знака в элементарном объёме воздуха к массе воздуха в этом объёме. • В системе СИ единицей измерения экспозиционной дозы является кулон, деленный на килограмм (Кл/кг). Внесистемная единица - рентген (Р). 1 Кл/кг = 3880 Р
Поглощенная доза • Поглощенная доза показывает, какое количество энергии излучения поглощено в единице массы любого облучаемого вещества и определяется отношением поглощенной энергии ионизирующего излучения на массу вещества. • За единицу измерения поглощенной дозы в системе СИ принят грэй (Гр). 1 Гр — это такая доза, при которой массе 1 кг передается энергия ионизирующего излучения 1 Дж. Внесистемной единицей поглощенной дозы является рад. 1 Гр=100 рад.
Эквивалентная доза Изучение отдельных последствий облучения живых тканей показало, что при одинаковых поглощенных дозах различные виды радиации производят неодинаковое биологическое воздействие на организм. Обусловлено это тем, что более тяжелая частица (например, протон) производит на единице пути в ткани больше ионов, чем легкая (например, электрон). При одной и той же поглощенной дозе радиобиологический разрушительный эффект тем выше, чем плотнее ионизация, создаваемая излучением. Чтобы учесть этот эффект, введено понятие эквивалентной дозы.
• Эквивалентная доза рассчитывается путем умножения значения поглощенной дозы на специальный коэффициент - коэффициент относительной биологической эффективности (ОБЭ) или коэффициент качества. • Единицей измерения эквивалентной дозы в СИ является зиверт (Зв). Величина 1 Зв равна эквивалентной дозе любого вида излучения, поглощенной в 1 кг биологической ткани и создающей такой же биологический эффект, как и поглощенная доза в 1 Гр фотонного излучения. Внесистемной единицей измерения эквивалентной дозы является бэр (биологический эквивалент рентгена). 1 Зв = 100 бэр.
Коэффициент относительной биологической эффективности для различных видов излучений
Эффективная доза Одни органы и ткани человека более чувствительны к действию радиации, чем другие: например, при одинаковой эквивалентной дозе возникновение рака в легких более вероятно, чем в щитовидной железе, а облучение половых желез особенно опасно из-за риска генетических повреждений. Поэтому дозы облучения разных органов и тканей следует учитывать с разным коэффициентом, который называется коэффициентом радиационного риска. Умножив значение эквивалентной дозы на соответствующий коэффициент радиационного риска и просуммировав по всем тканям и органам, получим эффективную дозу, отражающую суммарный эффект для организма.
Значение коэффициента радиационного риска для отдельных органов Взвешенные коэффициенты устанавливают эмпирически и рассчитывают таким образом, чтобы их сумма для всего организма составляла единицу. Единицы измерения эффективной дозы совпадают с единицами измерения эквивалентной дозы. Она также измеряется в зивертах или бэрах.
Мощность дозы (интенсивность облучения) — приращение соответствующей дозы под воздействием данного излучения за единицу времени. Имеет размерность соответствующей дозы (поглощенной, экспозиционной и т. п. ), делённую на единицу времени. Допускается использование различных специальных единиц (например, Зв/час, бэр/мин и др. ).
Применение ионизирующих излучений • Ионизирующие излучения применяются в пищевой промышленности (стерилизация инструментов, расходных материалов и продуктов питания), а также в медицине (облучение злокачественных опухолей с целью уничтожения злокачественных клеток, ионизация воздуха). • Для лечения опухолей используют тяжёлые ядерные частицы такие как протоны, тяжёлые ионы, отрицательные π-мезоны и нейтроны разных энергий. Создаваемые на ускорителях пучки тяжёлых заряжённых частиц имеют малое боковое рассеяние, что дает возможность формировать дозные поля с чётким контуром по границам опухоли.
• Радиоизотопная диагностика - использование радиоактивных изотопов и меченных ими соединений для распознавания заболеваний. • В основе методов радиоизотопной диагностики лежат следующие принципы: 1. оценка степени разведения радиоактивного препарата в жидких средах организма (определение объёма циркулирующей крови, водного обмена, обмена калия, натрия и др. ) 2. определение изменения (во времени) уровня радиоактивности в органах и системах организма или очаге поражения (изучение центральной и периферической гемодинамики, гепатография, ренография, радиопневмография, определение внутритиреоидного этапа йодного обмена, изучение динамики относительного уровня фосфорного обмена в очаге поражения и др. )
3. визуализация распределения введённого в организм радиоактивного препарата (методы скенирования и гаммасцинтиграфии органов и систем: головного мозга, щитовидной железы, лёгких, печени, почек, костного мозга, костей, лимфатической системы и др. ) 4. определение выведения радиоактивных препаратов из организма или их перераспределения в его биологических средах (определение желудочнокишечного кровотечения, белково-связанного йода в крови, всасывания нейтральных жиров и др. ) 5. взаимодействие «in vitro» меченых соединений с составными частями биологических сред организма (без введения радиоактивных препаратов в организм), в частности взаимодействие по типу «антиген-антитело» (определение тироксинсвязывающей способности сыворотки, концентрации различных гормонов в крови и др. ).
Спектрозональная сцинтиграмма на которой видны раковые метастазы в позвоночном столбе (белые и розовые пятна).
Цветная сцинтиграмма нормальной щитовидной железы На сцинтиграмме четко определяется узел, не поглощающий радиоактивное вещество. Такие узлы называют «холодными» .
Список используемых радиоизотопов Изотоп Т 1/2 Применение 15 O 122, 24 с исследование функции лёгких, центральной и периферической гемодинамики 99 Tc 6, 01 ч. диагностика опухолей головного мозга, изучение центральной и периферической гемодинамики и др. ; исследование лёгких, печени, головного мозга и др. 131 I 8, 02 сут. исследования йодного обмена, лёгких, головного мозга, функции почек, печени и др. ; для лечения иодпоглощающих метастазов злокачественных опухолей щитовидной железы 111 In 2, 81 сут. исследование лёгких, печени, головного мозга и др.