Радіоактивність. Альфа-, бета- частинки, гама-випромінювання. Методи реєстрації іонізувального випромінювання. Поглинена доза іонізувального випромінювання та його біологічна дія

Запитання для самоперевірки

1. У чому сутність моделі атомного ядра ?

2. Який фізичний зміст зарядового числа, що дорівнює порядковому номеру хімічного елемента в таблиці Менделєєва ?

3. Який фізичний зміст масового числа в моделі атомного ядра ?

4. Що називають ізотопами хімічного елемента ? Які ізотопи називають стабільними, а які радіоактивними ?

5. Як називають і позначають ізотопи водню?

6. Чи всі хімічні елементи мають ізотопи ?

7. Що називають енергією зв'язку атомного ядра ?

8. Що називають дефектом маси ? Поясніть причину появи дефекту маси у разі утворення ядра з окремих нуклонів.

9. Запишіть формулу дефекту маси.

10. За якою формулою визначають енергію зв'язку атомного ядра ?

11. Що називають питомою енергією зв'язку ? Ядра яких хімічних елементів мають максимальну питому енергію зв'язку ?

12. Що називають ядерними реакціями ?

13. Хто і коли здійснив ядерну реакцію, яка експериментально підтвердила, що до складу атомних ядер входять нейтрони ?

14. Що називають поділом ядра ? Які особливості цього процесу ?

15. Що утворюється під час поділу ядра урану.

16. Що називають ланцюговою ядерною реакцією ?

17. Що називають ядерним реактором?

Тема: Методи спостереження і реєстрації заряджених частинок. α-, β-, γ-промені. Радіоактивні перетворення. Закон радіоактивного розпаду. Період піврозпаду.

Явище спонтанного випускання хімічними елементами випромінювання, що має велику проникну здатність та іонізувальні властивості, називають прородною радіоактивністю, а такі елементи стали називати радіоактивними.

Уперше це явище відкрив 1896 року Беккерел в урані, а через два роки Марія Склодовська-Кюрі відкрила її у радії, полонії і торії. Наразі відомо, що радіоактивними є всі хімічні елементи, таблиці Меделеєва після свинцю, а також деякі ізотопи, що стоять перед свинцем.

На початку ХХ ст. англійський фізик Резерфорд пропустив сильне випромінювання радіоактивних елементів через сильне магнітне поле, внаслідок чого потік частинок ядер розділився на три потоки, які Резерфорд назвав a-, b-частинками, g-променями.

Як з'ясувалося пізніше, потік a-частинок є потоком ядер гелію. Вони мають малу проникну здатність, але найбільшу іонізувальну здатність. Листок паперу чи одяг затримують їх повністю.

b-частинки є виявились потоком дуже швидких електронів, які рухаються зі швидкістю, близькою до швидкості світла. Вони мають більшу проникну здатність, навіть пластинка з алюмінію завтовшки в декілька міліметрів не повністю їх затримує. g-промені виявились електромагнітними хвилями з дуже малою довжиною хвилі, на багато меншою, ніж довжина хвилі видимого світла і навіть рентгенівських променів. Вони мають дуже велику проникну здатність. Пластинка з свинцю завтовшки 1 см затримує їх не повністю.

На основі спостережень та експериментів учені встановили, що радіоактивність супроводжується довільним перетворенням одних ядер в інші і випромінюванням різних частинок.

Перетворення ядер відбувається за правилом зміщення, яке вперше сформулював Содді: під час a - розпаду ядро втрачає позитивний заряд 2е, і маса його зменшується приблизно на чотири атомні одиниці маси. У результаті елемент зміщується н адві клітинки до початку періодичної системи:

У випадку b - розпаду з ядра вилітає електрон. Тому заряд збільшується на одиницю, а маса залишається майже незмінною:

Чисельні дослідження показали, що під час радіоактивного розпаду виконується закони збереження заряду, енергії, і імпульсу та інші закони мікросвіту.

Для кожної радіоактивної речовини є певний інтервал часу, протягом якого активність зменшується у два рази. Цей інтервал називають періодом піврозпаду. Період піврозпаду Т - це той час, за який розпадається половина всієї кількості наявних радіоактивних атомів.

Виведемо закон радіоактивного розпаду. Нехай кількість радіоактивних атомів у початковий момент часу (t = 0) дорівнює N₀. Тоді по закінченні періоду піврозпаду їх кількість дорівнюватиме N₀/2. Ще через один такий інтервал часу їх кількість дорівнюватиме:

Через час t = nT, тобто через n періодів піврозпаду Т, радіоактивних атомів залишиться: .

Оскільки n = t/T, то .

Це і є основний закон радіоактивного розпаду. Чим менший період піврозпаду, тим менший час життя атомів, тим швидше відбувається розпад. Період піврозпаду радію дорівнює 1600 років, торію - 25, 64 години, а полонію - - 3·10^-7 с.

Закон радіоактивного розпаду - це статистичний закон.

Ядро атома має радіус приблизно 10^{-15 м, такі малі предмети неможливо побачити ніякими сучасними приладами, тому будову атома доводиться вивчати так: ядро розбивають, наприклад, направивши на нього інше ядро, при цьому розлітаються частинки, більшість з яких заряджені. Ці уламки реєструють і збирають інформацію, після чого створюють модель атома ядра.}

Розроблено багато пристроїв і методів реєстрації уламків. Найбільш популярні з них такі:

1. Лічильник Гейгера-Мюллера. Це металева чи скляна труба, вкрита з середини металом, яку заповнюють аргоном для зниження тиску. У центрі трубки натягнуто металеву нитку. Між трубкою і ниткою прикладають напругу в декілька сотень вольтів. Послідовно з трубкою вмикають опір навантаження R. Коли в трубку влітає уламок ядра, він на своєму шляху іонізує газ і в трубці створює газовий розряд, внаслідок чого на опорі навантаження виникають короткочасні імпульси напруги, які реєструються приладами.

Лічильники Гейгера-Мюллера використовують переважно для реєстрації електронів, а також фотонів великих енергій g - квантів.

2. Камера Вільсона - це прозора циліндрична камера, заповнена насиченою парою води і спирту. Спочатку тиск в камері трохи підвищують, а потім різко знижують, від чого пара стає перенасиченою. Якщо в цю хвилину в камеру влітає заряджений уламок ядра, то за ним можна спостерігати видимий слід - трек. Якщо камеру Вільсона помістити в сильне магнітне поле, то трек буде вигнутим. За кривизною треку визначають відношення заряду до маси цього уламка (q/m). Ця величину строго визначено для кожного уламка, що дозволяє розпізнати його.

3. Бульбашкова камера або камера Гледзера. Це прозора камера, заповнена зрідженим газом під тиском. У разі різкого зниження тиску зріджений газ переходить в стан перегрітий. Якщо в цей час у камеру влітає уламок, то за ним утворюється шлейф бульбашок пари - трек. Бульбашкову камеру, як і камеру Вільсона, можна помістити в магнітне поле.

Основна перевага бульбашкової камери полягає у великій гальмівній здатності робочої рідини (бензолу, фреону, пропану, тощо), що дозволяє отримувати треки дуже швидких частинок.

4. Метод товстошарових фотоемульсій.

.

На поверхню плівки наносять товстий шар бромистого срібла AgBr і цей матеріал підставляють під потік заряджених частинок (рис. 7.15). Уламки ядер на своєму шляху розбивають молекули бромистого срібла або експонують матеріал. Після обробки плівки проявником і закріпленні її під мікроскопом можна побачити чіткі треки частинок.

За формою треку, його довжиною, почервонінням зерек емульсій та за іншими ознаками можна встановити вигляд частинки, її енергію, швидкість, напрям руху тощо.

Цей метод дозволяє одержувати сліди частинок, що не зникають та виявляти треки усіх високоенергетичних заряджених частинок, що пролетіли за час експозицій крізь фотопластинку. Треки частинок більш чіткі, ніж в камері Вільсона або бульбашковій камері.

5. Метод сцинтиляцій. Цей метод метод застосували першим. Наразі він не має широкого застосування. Сцинтиляційний лічильник реєструють частинки, які потрапляють на люмінісціювальний екран і викликають спалахи. Ці спалахи сприймаються фотопомножувачем і через підсилювач сигнали подаються на лічильник імпульсів. Такі лічильники можуть фіксувати на тільки кількість частинок, а й їх розподіл за енергіями.

Випромінювання радіоактивних речовин справляє дуже активний вплив на живі організми. Рухаючись у живому організмі, уламок ядра руйнує частинки живих клітин, в результаті клітина гине чи порушується її генетичний код. Найбільш чутливими до випромінювання частинок є ядра клітин, особливо тих, які швидко поділяються. Тому, в першу чергу, випромінювання вражають кістковий мозок, через що порушується кровообіг. Далі вражаються клітини шлункового тракту та інших органів.

Сильний вплив чинить випромінювання на спадковість, вражаючи гени в хромосомах.

Інколи випромінювання може бути корисним: пригнічувати g - випромінюванням ракових пухлин.

Вплив радіоактивного випромінювання на живі організми характеризується дозою опромінювання - відношення поглинутої енергії іонізованого випромінювання до маси опромінюваної речовини: яка опромінюється.

.

У СІ [D] = 1 Грей = Дж/кг.

1 Гр, дорівнює поглинутій дозі випромінювання, за якої речовини масою 1кг, що опромінюється., передається енергія іонізувального випромінювання 1Дж.

На практиці користується що одиницею дози опромінення - рентген (Р). Доза опромінення дорівнює 1 Р, коли в 1 см³ сухого повітря за нормальних умов виникає 2·10⁹ пар іонів.

Існує біологічно допустима доза опромінення - за рік 0,05 Гр. Для людини доза 600 Р (рентген) (1Р 0,01 Гр) вважається смертельною, а доза 500 Р - доза напіввиживання.

Позасистемна одиниця дози опромінення - біологічний еквівалент рентгена (бер): 1 бер = 10^-2 Дж/кг.

Для захисту від радіоактивного випромінювання найкраще відійти від джерела випромінювання. Можна використовувати захисні стіни, із матеріалів з більшою атомною масою наприклад, свинцю. На практиці широко використовують для цього залізобетон. Для захисту від потоку нейтронів потрібно спочатку уповільнити їх водою, а потім використати стінку з берилію.