Хакова Р.И. Лекция по элементам ядерной физики - файл n1.doc

Хакова Р.И. Лекция по элементам ядерной физики
скачать (121 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc121kb.19.11.2012 18:11скачать

n1.doc

ЯГМА

Медицинская физика

Лечебный факультет
1 курс

2 семестр


Лекция №
«Элементы ядерной физики»

Выполнила: Хакова Р.И.
2004 г.

1. Радиоактивность, её особенности, виды и характеристика. Естественные радиоактивные изотопы и их характеристика.
Явление радиоактивности было открыто в 1896 году Беккерелем. Он обнаружил, что соли урана испускают лучи, способные проникать через слои прозрачных веществ, ионизировать воздух, действовать на фотографическую пластинку, вызывать люминесценцию ряда веществ.

Радиоактивность - это самопроизвольное превращение неустойчивых ядер одного элемента в ядра другого элемента.

Это явление сопровождается убылью вещества и часто называется радиоактивным распадом.

Особенности:

  1. Всегда происходит с выделением энергии.

  2. Осуществляется по единому закону (закону радиоактивного распада).

  3. Ограничен ? 10 видами распада (?-распад, ?-распад, ?-распад, нейтронный, протонный и т.д. распады).




Радиоактивность

Естественная.

Искусственная.





Не зависит от внешних условий, происходит в естественно встречающихся элементах вещества. Осуществляется за счет естественных радиоактивных изотопов - первичных и вторичных.

Радиоактивность элементов веществ, созданных человеком, независимо от того, существуют они в природе или нет.


Оба вида радиоактивности не имеют физических различий и подчиняются одинаковым законам.
Естественные радиоактивные изотопы и их характеристика.

Естественная радиоактивность осуществляется за счёт радиоактивных изотопов.

Изотопы - это разновидность атомов с одинаковыми зарядами ядра, но с разными массовыми числами: H(протий), H (дейтерий), H (тритий).

Естественные радиоактивные изотопы делят на первичные и вторичные.

  1. Первичные - образованы в земной коре при формировании Земли. Сейчас остались только первичные изотопы, имеющие период полураспада Т > 108 лет. К ним относятся члены радиоактивных семейств:

A. Семейство урана - радия.

Уран (238) - родоначальник семейства 238U в результате 14 радиоактивных превращений дает устойчивый изотоп свинца. 206Pb

Б. Семейство тория 232Th (Т = 1,39 · 1010 лет) в результате 10 превращений даёт изотоп свинца. 208Pb

B. Семейство актиния 235U (Т = 7,3 · 108 лет) в результате 11 превращений даёт изотоп свинца. 207Pb

  1. Вторичные - образуются под действием первичных изотопов или под действием космических лучей (протоны, ? - частицы, ядра С, N, O2, фотоны).

Особенности:

А. Подчиняются законам динамического равновесия: их образование уравновешивается распадом.

Б. Они включены в состав живых организмов. Большое биологическое значение имеет вторичный изотоп 14С, который образуется из атмосферного азота под действием космических нейтронов. Изотоп углерода 14С в виде СО2 (углекислого газа) усваивается растениями => животными => человеком. При гибели живых растении и животных радиоактивность в них начинает убывать и по степени убыли можно определить возраст различных ископаемых.
2. Искусственные радиоактивные изотопы, их виды и характеристика.
Искусственная радиоактивность была открыта в 1934 году Ирен и Фредериком Кюри. Они обнаружили, что если долго облучать некоторые вещества ? - частицами, то эти вещества сами становятся радиоактивными.

Радиоактивные изотопы (радионуклиды) можно получить при бомбардировке протонами, нейтронами, ? - частицами, при поглощении ? - квантов большой энергии. Радиоактивные изотопы изготавливают на ядерных реакторах и в ускорителях заряженных частиц. В настоящее время получены радиоактивные изотопы всех химических элементов, встречающихся в природе. Они активно используются в науке и технике.

Различают 3 основных метода:

  1. Метод меченых атомов - использует радиоактивность как сигнал о присутствии данного изотопа. В качестве "метки" используют радионуклиды, которые можно легко обнаружить и измерить, зная их период полураспада, тип и энергию излучения. В качестве радиоактивных меток применяют: 3Н, 14С, 32Р, 35Са, 59Fe, 131I, 95Nb, 60Co, 24Na

  2. Методы, использующие большую проникающую способность радиоактивного излучения - определение структуры молекул.

  3. Методы, использующие действие самого излучения - используют для изучения распределения веществ в системе и пути их перемещения, для выяснения механизма химической реакции, для количественного анализа.


Медицинское применение.

В медицине широко используются радиоактивные изотопы, т.к. они довольно быстро выводятся из организма, относительно недороги и обладают необходимой избирательностью действия. Применяются в диагностике, исследовании и лечении некоторых заболеваний.


  1. Радиоизотопная диагностика - это физический метод применения радиоактивных изотопов для распознавания болезней и изучения функций организма.

Особенности:

A. Очень высокая чувствительность (10-19 гр. вещества)

Б. Высокая специфичность метода (при анализе нельзя спутать 2 изотопа, каждый имеет свой спектр).

B. Возможность применения малых доз изотопа.

Г. Не разрушаемость живого организма.

Д. Простота и точность регистрации.

Виды методов:

  1. Метод разведения. Суть: вводят изотоп в организм в определённой концентрации, берут пробы, сравнивают активность пробы с активностью введённого препарата и судят о разведении изотопа в организме.

  2. Метод изучения скорости введения изотопа. После введения изотопа через некоторое время берут пробы и сравнивают активность; делают вывод, например, о выделительной функции почек.

  3. Метод распределения изотопов (метод меченых атомов). Основан на избирательном скоплении изотопов в отдельных тканях. С помощью специальной аппаратуры определяют топографию и особенности щитовидной железы (131I), определяют скорость кровотока (24Na) и т.д.




  1. Радиоизотопная терапия - совокупность методов лечения заболеваний радиоактивными изотопами. В её основе лежит биологическое действие радиоактивного излучения и избирательное накопление изотопов при их введении внутрь.

A. Для лечения злокачественных опухолей:

60Сo помещается в излучатель специальной формы, и излучение направляется на участок, подлежащий лечению.

198Au вводится в виде коллоидного раствора непосредственно в опухоль. Золото не вступает в биохимическую реакцию с тканями и облучение тканевых клеток продолжается до тех пор, пока сохраняется активность препарата. Лучевого поражения при этом не возникает, т.к. Т = 2,7 суток.
Б. Для лечения болезней крови.

32Р концентрируется в трубчатых костях и, распадаясь, излучает ? - лучи, которые облучают костный мозг, что во многих случаях восстанавливает функцию кроветворения.

B. Для лечения кожных и глазных заболеваний.

32Р и 90Sr - фильтрованную бумагу пропитывают раствором радиоактивного изотопа и в целлофановом конверте накладывают на поражённый участок. При распаде изотопы излучают ? - лучи, которые не проникают глубоко в организм и не повреждают здоровые ткани.

Г. Для лечения органов пищеварения, дыхания, воздействия на кожу.

222Rn вводится внутрь с помощью иглы, распадаясь, излучает ? - лучи. Дополнительные пути воздействия - через ванны, питьё, ингаляции.
3. "?", "?" и "?" излучения и их характеристика.
Излучение радиоактивных веществ состоит из трёх компонентов:

  1. ?-лучи (? - частицы) - ионизированное излучение, несущее положительный заряд. | q | = | 2е | = 3,2 · 10-19Кл. Имеет структуру ядра гелия He

А = 4 - массовое число.

Z = 2 - порядковый номер (заряд ядра).

m? = 6,7 · 10-27 кг.

Свойства:

A. Отклоняются электрическим и магнитным полями.

Б. ?? cp = 10000 - 20000 км/с.

Е? = 1,8 ч 11,7 МэВ.

Спектр - линейчатый.

B. Пробег ? - частицы зависит от вида среды

в воде - 0, 1 мм

в воздухе - 1 см.

Г. Обладают невысокими проникающими способностями (легко поглощаются тонкими слоями вещества; защитой от него являются лист картона, х/б ткань и т.п.).

Д. Имеют самую большую ионизационную способность из всех видов радиоактивных излучений (30 - 40 тысяч пар ионов на 1 см пути пробега в воздухе).

Е. При прохождении через слой вещества число ? - частиц не изменяется, а постепенно изменяется их скорость. Когда толщина слоя достигает определенной величины, ?-частицы поглощаются веществом все сразу.


  1. ?-лучи (? - частицы) - ионизированное излучение, состоящее из положительных и отрицательных ? - частиц.

?- или е - электроны q е= 1,6 · 10-19Кл

?+ или е - позитроны me = 9 · 10-31кг

Электроны и позитроны испускаются при ядерных превращениях или образуются при распаде нейтрона. Свойства:

А. Отклоняются электрическим и магнитным полем.

Б. ?? cp ? 150000 км/с.

Е? = 0,018 ч 4,8 МэВ.

Спектр - сплошной.

В. Пробег ? - частиц в среде зависит от вида среды и энергии ? - частиц

в воде - до 1, 5 см

в воздухе - до 100 см

Г. Обладают более высокой проникающей способностью, чем ? - лучи (защитой от него является слой металла толщиной 3 мм).

Д. Ионизационная способность меньше, чем у ? - лучей (300 - 400 пар ионов на 1 см пути пробега в воздухе).

E. Электронный ?- распад наблюдается в основном у тех ядер, у которых число нейтронов ( n) больше числа протонов ( Pb)

Nn > NP

Позитронный ? - распад наблюдается, если число протонов больше числа нейтронов

Nn < NP

Ж. ? - частицы больших энергий, взаимодействуя с ядрами атомов, дают тормозное рентгеновское излучение.


  1. ?-излучение - электромагнитное излучение, представляющее собой поток фотонов с высокой энергией (Еф = 1 ч 3 МэВ).

Это коротковолновое излучение (? ? 0,1ч 10-5 нм) возникает как вторичное явление при ? и ? - распаде. Имеет природу, схожую с природой рентгеновского излучения.

Свойства:

A. Не отклоняется электрическим и магнитным полями.

Б. ?? = ?света = 3 · 108 м/с.

Е? = от 10 кэВ до 10 МэВ.

Спектр - линейчатый.

B. Обладает ионизационной способностью меньшей, чем у ? и ? - лучей (3-4 пары ионов на 1 см пути пробега в воздухе).

Г. Длина пробега ?- лучей в воздухе - до нескольких сот метров.

Д. Обладает очень высокой проникающей способностью (защитой является слой свинца, толщиной 20 см и больше).

В медицине широко используется для лечения глубоко расположенных злокачественных опухолей, в фармации — для стерилизации лекарств и лекарственных смесей.
4. Законы смещения при "?" и "?" распаде.
Законы смещения - это законы, по которым изменяются ядра радиоактивных элементов при "?" и "?" распаде.

При формулировке необходимо учитывать закон сохранения массы и закон сохранения заряда.

Закон сохранения массы:

Массовое число исходного продукта должно быть равно сумме массовых продуктов реакции.

Закон сохранения заряда:

Заряд ядра исходного продукта должен быть равен сумме зарядов ядер продуктов реакции.


  1. Закон "?" - распада.

При ? - распаде образуется новое ядро с массовым числом на 4 единицы и порядковым номером на 2 единицы меньше, чем у исходного.

X?He+ A-4Z-2Y

226Ra?He+ 222 Rn(при этом получается фотон с Е = 0,188 МэВ)

Особенность: в естественных условиях встречается у элементов с порядковым номером Z > 83.


  1. Законы электронного "?" – распада - (?-).

При электронном ? - распаде образуется новое ядро с тем же массовым числом и порядковым номером на 1 больше, чем у исходного:

X? Y+ e

4019K? 4020Ca+ e - распад изотопа калия с превращением его в кальций

  1. Закон позитронного "?" - распада (?+)

При позитронном ? - распаде образуется новое ядро с тем же массовым числом и порядковым номером на 1 меньше, чем у исходного.

X ? Y+ e

3015P? 3014Si+ e Распад изотопа фосфора
Следствия из 1, 2 и 3 законов:

"?" и "?" - распаду в некоторых случаях сопутствует излучение "?" - квантов. Это излучение наблюдается так же при изомерном переходе ядер (из возбужденного в невозбужденное состояние);
(X)* = X + n?  число ? – квантов

 

возбужд. невозбужд.

состояние состояние


  1. Электронный захват.

При захвате электрона исходным ядром образуется новое ядро с тем же массовым числом, и порядковым номером на 1 меньше, чем у исходного.

Ядро захватывает электрон с ближайшей к нему оболочки

ZX + -1e  Z-1Y

Be+ e? Li
5. Основной закон радиоактивного распада в дифференциальной и интегральной форме.
Радиоактивный распад ядер одного и того же элемента происходит постепенно и с разной скоростью для разных радиоактивных элементов. Нельзя указать заранее момент распада ядра, но можно установить вероятность распада одного ядра за единицу времени. Вероятность распада характеризуется коэффициентом "?" - постоянной распада, который зависит только от природы элемента.


  1. Дифференциальная форма закона.

Экспериментально установлено, что:

За равные промежутки времени распадается одинаковая доля наличных (т.е. еще не распавшихся к началу данного промежутка) ядер данного элемента (закон радиоактивного распада).

Пусть:

Nt - наличное количество ядер.

dN - убыль наличного количества атомов;

dt - время распада.
dN  Nt · dt  dN = –? Nt dt
"?" - коэффициент пропорциональности, постоянная распада, характеризует долю наличных, еще не распавшихся ядер;

"–" - говорит том, что с течением времени количество распадающихся атомов уменьшается.

Следствие № 1:

? = –dN/Nt· dt - относительная скорость радиоактивного распада для данного вещества есть величина постоянная.

Следствие № 2:

dN/Nt = – ? · Nt - абсолютная скорость радиоактивного распада пропорциональна количеству не распавшихся ядер к моменту времени dt. Она не является "const", т.к. уменьшатся с течением времени.
Вывод: Дифференциальная форма закона радиоактивного распада устанавливает зависимость количества не распавшихся атомов в данный момент времени от начального количества атомов в нулевой момент начала отсчета, а так же от времени распада"t" и постоянной распада "?".


  1. Интегральная форма закона.

Эта форма, в отличие от дифференциальной, устанавливает зависимость числа оставшихся атомов в данный момент времени (Nt) от их исходного количества (No), времени (t) и постоянной распада "?". Интегральная форма получается из дифференциальной:

dN = – ? Ntdt


  1. Разделим переменные:

dN/Nt = – ? dt

  1. Проинтегрируем обе части равенства:

? dN/Nt= – ? ?dt

  1. ln Nt= – ?t + C

Nt = С · e-?t -общее решение

  1. Найдем частное решение:

Если t = t0 = 0  Nt = N0

(начало (исходное число

распада) атомов)
N0 =С · e-?·0 =C · 1 = C

Nt = N0 · e-?t
Nt - число не распавшихся атомов к моменту времени t;

N0 - исходное число атомов при t = 0;

? - постоянная распада;

t - время распада

Вывод: Наличное количество не распавшихся атомов ~ исходному количеству и убывает с с течением времени по экспоненциальному закону.



Nt

N0




Nt= N0·2 ?1 ?2>?1 Nt = N0·e?·t

T21

?2



0 T1 T2 t [c]

6. Период полураспада и его связь с постоянной распада.
Период полураспада (Т) - это время, в течение которого распадается половина исходного числа радиоактивных ядер.

Он характеризует скорость распада различных элементов.
Основные условия определения "Т":

  1. t = Т - период полураспада.

  2. Nt = No/2 - половина от исходного числя ядер за "Т".

Формулу связи можно получить, если эти условия подставить в интегральную форму закона радиоактивного распада
Nt = N0 · e-?t
1. N0/2 = N0·e-?T

2. Ѕ = e-?T

3. Ѕ = e-?T  2 = e?T

4. ln2 = ln e?T  ln2 = ?T

5. T = ln2/?
Период полураспада изотопов различается в широких пределах:

238U  T = 4,51· 109 лет

60Co  T = 5,3 года

24Na  T = 15,06 часов

8Li  T = 0,89 c

7. Активность. Её виды, единицы измерения и количественная оценка. Формула активности.
На практике основное значение имеет общее число распадов, приходящихся в источнике радиоактивного излучения в единицу времени => количественно меру распада определяют активностью радиоактивного вещества.

Активность (А) зависит от относительной скорости распада "?" и от наличного числа ядер (т.е. от массы изотопа).

"А" - характеризует абсолютную скорость распада изотопа в данном источнике.
3 варианта записи формулы активности:
А. Из закона радиоактивного распада в дифференциальной форме следует:

dN = – ? Ntdt  – dN/dt = ? Nt  A = ? Nt  A = – dN/dt

(абсолютная скорость

р/акт. распада)

Б. Из закона радиоактивного распада в интегральной форме следует:

Nt = N0 · e-?t

1. A = ? Nt

} ? Nt/A = ? N0 e-?t/A0

2. ? N0 = A0 исходная активность при t = 0

3. A =A0 · e-?t убыль активности идет по экспоненциальному закону
В. При использовании формулы связи постоянной распада "?" с периодом полураспада "Т" следует:

T = ln2/?

1. ? = ln2/T  Nt ?/A = Nt ln2/T

2. A = Nt ln2/T

Единицы измерения активности:

А. Системные единицы измерения.

A = dN/dt

1[расп/с] = 1[Бк] – беккерель

1Мрасп/с =106 расп/с = 1 [Рд] - резерфорд
Б. Внесистемные единицы измерения.

[Ки] - кюри (соответствует активности 1г радия).

1[Ки] = 3,7 · 1010[расп/с] - в 1г радия за 1с распадается 3,7· 106 радиоактивных ядер.
Виды активности:

  1. Удельная - это активность единицы массы вещества.

Ауд. = dA/dm [Бк/кг].

Её используют для характеристики порошкообразных и газообразных веществ.

  1. Объёмная - это активность в единице объёма вещества или среды.

Аоб = dA/dV [Бк/м3]

Её используют для характеристики жидких веществ.
На практике убыль активности измеряется с помощью специальных радиометрических приборов. Например, зная активность препарата и продукта, образующегося при распаде 1 ядра, можно вычислить, сколько частиц каждого вида испускает препарат за 1 секунду.

Если при делении ядра образуется нейтронов"n", то за 1с испускается поток нейтронов "N". N = n · А.

Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации