|
|
|
ЭЛЕМЕНТЫ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ. СТРОЕНИЕ АТОМА. ИЗОТОПЫ,
ИЗОБАРЫ, ИЗОМЕРЫ. ЯВЛЕНИЕ РАДИОАКТИВНОСТИ И ЕДИНИЦЫ ЕЕ
ИЗМЕРЕНИЯ. ЗАКОН РАДИОАКТИВНОГО РАСПАДА.
2.1. Строение атома
Окружающий нас мир построен из бесчисленного множества атомов различных
элементов. Размеры атомов чрезвычайно малы. Достаточно сказать, что диаметр самого
легкого атома водорода составляет всего лишь одну стомиллионную часть сантиметра
(10−9см).
Атом (гр. Слово atomos
- неделимый) представляет собой элементарную
частицу, которая сохраняет все физические и химические свойства данного элемента.
До конца 19 века считалось, что атом неделим. Однако как показали исследования в
области атомной физики, атом — это сложная система, состоящая из более мелких
элементарных частиц. Итак,
Мельчайшую частицу химического элемента, которая является носителем его
химических свойств, называется атомом. В природе только инертные газы
обнаруживаются в виде атомов, т. к. их внешние оболочки замкнутые, все остальные
вещества существуют в виде молекул.
Атом любого элемента можно разделить на субатомные
(элементарные)
частицы, и в этом случае он утратит свойства, характерные для данного элемента.
К элементарным частицам относят электроны, протоны, нейтроны, мезоны,
нейтрино и ряд других. Определение «элементарные»- не означает, что эти частицы
простейшие бесструктурные элементы материи. Например, электрон, так же
многообразен, как и атом.
Атомы всех элементов, входящих в периодическую систему, состоят из
электронов, протонов, и нейтронов. Один элемент отличается от другого только числом
и расположением этих частиц.
В начале XX в. было выдвинуто несколько теорий строения атома, которые
называли моделями атома.
10
В 1911 г. Э. Резерфорд предложил планетарную модель атома, которая более
глубже была развита Н. Бором (1913).
Согласно этой
модели, в центре атома расположено ядро, имеющее
положительный электрический заряд. Вокруг ядра перемешаются по электрическим
орбитам электроны, образующие элиптическую оболочку атома.
Электронная оболочка — оболочка атома образованная электронами. Электрон
представляет, собой элементарную частицу с поперечным сечением порядка 10−18 см.
Его масса равна 9.1*10−28 гг, или 0,000548 ат.ед. массы, е энергетический эквивалент
электрона составляет
0,000543*931 = 0,511 МэВ.
(энергию частиц выражают в
электровольтах - эВ). эВ - энергия, которую приобретает электрон проходящий в
электрическое поле с разностью потенциалов в 1В.
Электрон несет один элементарный отрицательный заряд электричества 1.602*
10−19 кулона и поэтому его обозначают символом е. Число электронов в нейтральном
атоме каждого элемента равно его порядковому номеру в таблице Д.И. Мендилеева.
Каждый электрон вращается в определенной зоне вокруг ядра. Если электронов
3 и больше, то вращаются на орбитах разных радиусов или, как говорят, на разных
уровнях. Орбиты группируются в определенные электронные слои, окружающие ядро,
они создают его оболочку. Таких слоев максимально может быть семь.
Их обозначают буквами латинского алфавита: К,L,M,N,O,P,Q, причем
ближайший к ядру является слой - К.
Соответственно числу электронных слоев в периодической системе все
элементы размещаются в семи периодах.
Сумма отрицательных зарядов электронов оболочки уравновешивается
равновеликим, но положительным зарядом ядра. Поэтому в невозбужденном состоянии
атом в целом электрически нейтрален. Чем ближе к ядру вращается электрон, тем
меньше уровень энергии вращения (кинетическая энергия), но тем больше его энергия
связи с ядром (потенциальная энергия).
Например, энергия К - электрона Sr90 (стронций) равно 16,15 кэВ (килоэлектрон
вольт), а альфа- электрон только 1.95 кэВ.Энергия связи электрона на внешней орбите
часто не превышает 1-2 эВ. И отсюда его сорвать легче. Здесь он легче вступает во
взаимодействие с окружающей средой, чем электроны других орбит обуславливают
электрические, химические, оптические и др. свойства атома.
Поскольку в каждом слое электроны имеют свой уровень энергии, то перескок
отдельного электроне с орбиты на орбиту всегда связан с поглощением или
освобождением энергии. Но так как орбиты имеют строго определенные диаметры, то
изменения энергии электрона совершаются ступенчато, определенными порциями.
Строение атома. Атом, обладающий избытком энергии называется
ВОЗБУЖДЕННЫМ, а переход электронов с одного энергетического уровня на другой,
более удаленным, от ядра - процессом ВОЗБУЖДЕНИЯ.
Поскольку в природе всякая система стремится перейти в положение, при
котором ее энергия будет наименьшей то и атом из возбужденного состояния
переходит первоначальное.
Возращение атома в обычное состояние сопровождается делением избыточной
энергии. Переход электронов из внешних орбит на внутренние сопровождается
рентгеновым излучением с длиной волны, характерной для каждого энергетического
уровня данного атома (характеристическое рентгеновское излучение).
11
Переходы электронов в пределах внешних орбит дают оптический спектр,
который состоит из ультрафиолетовых, световых и инфракрасных лучей.
При сильных электрических воздействиях электроны вырываются из атома и
удаляются за его пределы.
Атом, лишившийся одного или нескольких электронов, превращается в
положительный ион, а присоединивший к себе один или несколько электронов - в
отрицательный.
Следовательно, на каждый положительный ион образуется один отрицательный
ион, т. е. возникает пара ионов.
Процесс образования ионов из нейтральных атомов называется ионизацией.
Атом в состоянии иона существует в обычных условиях чрезвычайно короткий
промежуток времени.
Свободное место на орбите положительного иона заполняется свободным
электроном, и атом вновь становится электрически нейтральной системой. Этот
процесс носит название рекомбинации ионов
(деионизация) и сопровождается
выделением избыточной энергии в виде излучения. Энергия, выделяющаяся при
рекомбинации ионов, количественно примерно равно затраченной на ионизацию .
Таким образом, с положением электронов в электронной оболочке связано ряд свойств
атома: возбуждение, ионизация и излучение энергии.
Процесс ионизации атомов имеет важное практическое значение для
обнаружения и дозиметрии излучений, а также для понимания биологического
действия ионизирующей радиации.
Строение ядра.
Ядро атома имеет главное, определяющее значение для атома и в частности,
обуславливает строение его электронных оболочек. Вещество ядра чрезвычайно плотно
упаковано.
Ядро обладает зарядом положительного электричества и состоит из протонов и
нейтронов. Обе эти частицы рассматриваются как разные состояния одной и той же
тяжелой частицы, называемой нуклоном (гр. нуклеус - ядро).
Протон и нейтрон имеют массу, близкую к единице (1 а.е.м.) причем протон
имеет единичный элементарный положительный электрический заряд, а нейтрон
электрического заряда не имеет.
Число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента в периодической
системе, иначе называемому атомным номером или зарядовым числом - Z (зета).
Число нуклонов, т.е. протонов и нейтронов вместе, соответствуют атомному
весу элемента, округленному до целых единиц. Это число называется массовым числом
и обозначают буквами М или А.
Очевидно, число нейтронов в ядре равно разности между массовым числом и
атомным номером элемента
N= М (А) - Z
Диаметр ядра атома равен примерно 10-13 ...10-12 см и составляет 0,0001 диаметра
всего атома. Однако практически вся масса атома (99,95 - 99,98%) сосредоточено в
ядре, рассчитано, что если бы удалось получить 1 см3 чистого ядерного вещества, то
оно весило бы 100
- 200 млн. т. Масса электронной оболочки незначительна, поэтому
масса ядра почти совпадает с массой атома.
12
При обозначении атомов обычно пользуются символом элемента, которому
принадлежит атом, и указывают сверху массовое число, а внизу
— порядковый
A
номер(Z) в форме индекса Z Х где Х - символ элемента, например, ядро углерода 12
6С
содержит 12 нуклонов, из них 6 протонов, ядро натрия 23 11Na имеет 23 нуклона, из них
11 протонов.
Порядковый номер иногда опускают, так как символ элемента вполне
определяет его место в периодической системе.
Энергия связи частиц в атоме.
Внутри ядра между одноименно заряженными протонами существуют силы
взаимного отталкивания (кулоновское отталкивание). Но наряду с ними тут действуют
гораздо более мощные ядерные силы взаимопритяжения, удерживающие протоны и
нейтроны в ядре.
Считают, что наиболее вероятно ядерные силы возникают в процессе
непрерывного обмена между нуклонами и особыми частицами (квантами ядерного
поля), которые называют ПИ
- мезонами или пионами. Ядерные силы
-
короткодействующие. Они значительны только на очень малых расстояниях,
сравнимых с поперечником самих ядерных частиц (10-13 см). С увеличением расстояния
между ядерными частицами ядерные силы очень быстро уменьшаются и становятся
практически равными 0.
Ядерные силы обладают свойством насыщения, т.е. каждый нуклон
взаимодействует только с ограниченным числом соседних нуклонов. Поэтому при
увеличении числа нуклонов в ядре ядерные силы значительно ослабевают. Этим
объясняется меньшая устойчивость ядер тяжелых элементов, в которых содержится
значительное количество протонов и нейтронов.
Чтобы разделить ядро на составляющие его протоны а нейтроны и удалить их из
поля действия ядерных сил надо совершить работу, т.е. затратить энергию.
Эта энергия называется энергией связи ядра. При образовании ядра из нуклонов
выделяется энергия связи. Если, например, рассчитать массу ядра атома гелия по
формуле: mя = mp Np + mn Nn (mя масса ядра, mp - масса прогона, Np — количество
протонов, mn - масса нейтронов, Nn - количество нейтронов), то она будет равна:
mя = 1,0076*2 + 1,0089*2 -=4,033 а.е.м.
Фактически, масса ядра гелия = 4,003 а.е.м.
Т.к. масса ядра гелия оказывается меньше массы своих составных частей, взятых
в отдельности, на величину 0,03 а.е.м. В этом случае говорят, что ядро имеет дефект
массы(недостаток массы).
Разница между массой ядра расчетной и массой ядра фактической называется
дефектом массы ( m) m = mя расчетная - mя - фактическая.
Дефект массы показывает, насколько прочно связаны частицы в ядре, а так же
сколько выделилось энергии при образовании ядра из отдельных нуклонов.
Этот расчет можно произвести на основании уравнения взаимосвязи между
массой и энергией, разработанного А. Эйнштейном:
Е = mc2 , где
Е- энергия в эргах; m - масса в г; с - скорость света, равная 3*1010см/с.
13
В соответствии с этим законом масса и энергия представляет собой разные
формы одного и того же явления.
Ни масса, ни энергия не исчезают, а при соответствующих условиях переходят
из одного вида в другой, т.е. любому изменению массы
m системы соответствует
эквивалентное изменение ее энергии Е:
Е = mc2 .
Использовав это уравнение, подсчитаем энергию, которая выделится при
образовании ядра гелия из отдельных нуклонов:
Е = 0,03* 1,6* 10-24*(3*1
)2 =4,5*1
эрг.
За единицу энергии принят электронвольт, поэтому энергию связи ядра можно
выразить в электрон-вольтах исходя из того, что энергетический эквивалент 1 а.е.м.
составляет 931 МэВ
Е = 0,03* 931= 27,93 МэВ 28 МэВ.
Если бы существовал способ разделения ядра атома гелия на 2 протона и 2
нейтрона, то для этого потребовалось бы затратить не меньше 28 М эВ энергии.
Средняя энергия связи, приходящиеся на один нуклон, называется удельной
энергией связи (сила атома). Для гелия оно составляет 28:4 = 7 МэВ.
Следовательно, зная дефект массы, можно легко вычислить энергию связи ядра.
Энергия связи ядер соразмерно возрастает с увеличением числа нуклонов, однако
нестрого пропорционально их числу. Например, энергия ядре дейтерия составляет 2,2
МэВ, азота - 104,56, а урана - 1800 МэВ. Если не считать самых легких ядер (дейтерий,
тритий), это энергия связи на 1 нуклон составляет для всех ядер примерно 8 МэВ.
Для сравнения необходимо напомнить что химическая энергия связи атомов в
молекулах в расчете на 1 атом равно нескольким электровольтам (2 - 5 эВ). Именно
этим объясняется, что ядерные реакции характеризуются в миллион раз большими
энергиями, чем обычные химические реакции. Таким образом закон взаимосвязи массы
и энергии показывает, откуда возникает та колоссальная энергия, которая выделяется
при синтезе и делении ядер.
2.2. Понятие об изотопах, изомерах, изобарах, изотопах.
Большинство элементов в природе представляет собой смесь разновидностей
атомов, ядра которых содержат неодинаковое число нейтронов, т.е. различаются по
массе.
Атомы одного и того же элемента с одинаковым зарядом ядра (число протонов),
но различной по числу нейтронов
- называются изотопами. Например, изотопы
кислорода 16
О, 178 О, 188 О. Большинство (71 из 90) природных элементов - изотопы.
8
Элементы с одинаковой массой ядра, но различным зарядом (число протонов) -
называется изобарами.
Например 4019К , 4020Ca , 1840Аr.
Атомы элемента с одинаковым массовым числом, но ядра, которых находятся в
различном энергетическом состоянии, называются - изомерами.
Они обладают разным периодом полураспада (Т). энергией и видом излучения (
14
80
80
60
60
о с Т = 5,3 и
о с Т = 1,07 мин).
35Вr с Т= 18мин, и
35Вr с Т = 4,4 ч;
27С
27С
Изомер с избытком энергии
- метастабильное состояние
- обозначается
80 Вr).
Атомные ядра разных элементов с равным числом нейтронов называют
изотонами или элементы с равным числом нейтронов в ядре, но различным числом
протонов, т.е. с различным зарядом ядра - 13
6С, и
7 N - в ядре первого 6 р и 7 n. в ядре
второго 7 р и нейтронов тоже 7.
Изотопы стабильные
- изотопы элементов с устойчивым соотношением
количества протонов и нейтронов в ядре (1:1) т.е. постоянной массой атома. Известно
около 300.
Изотопы нестабильные - радиоактивные изотопы с неустойчивым соотношением
количества протонов и нейтронов в ядре. Начиная с 83-го элемента т. Менделеева - все
изотопы элементов радиоактивны. Известно свыше 1200.
2.3. Явление радиоактивности и единицы ее измерения.
Одним из важнейших открытий в конце прошлого столетия было открытие
радиоактивности.
Радиоактивность была открыта в
1896 г французским физиком Анри
Беккерелем, который установил, что соли урана испускают невидимые лучи, которые,
подобно рентгеновским проходят, через непрозрачные вещества (черная бумага) и
действуют на фотографическую пленку (их так и назвали лучами Беккереля.)
В дальнейшем Мария Складовская и Пьер Кюри установили, что кроме солей
урана, лучи Беккере ля испускают соединения тория, а также два открытых ими новых
химических элементов - полоний и радий. Все эти вещества Мария и Пьер Кюри
назвали радиоактивными, что значит - обладающие свойствами испускать лучи.
Вскоре было и открыто биологические действия радиоактивного излучения.
Однажды Беккерель взял у Пьера Кюри ампулу с радием, и положив ее в жилетный
карман, проходил с ней несколько часов. Вскоре на коже, под тем самым местом где
лежала ампула, появилось покраснение, а еще через несколько дней образовалась язва,
которая зарубцевалась только через 2 месяца. Позже было установлено, что лучи радия
разрушительно действуют на ткани, причем особенно на быстро размножающиеся
клетки.
Появилась идея использовать облучение радием в борьбе со злокачественными
опухолями (раком). Так появился новый лечебный метод - радиотерапия.
Впоследствии были установлены свойства этих излучений и определена их
природа. Кроме того было обнаружено что радиоактивные вещества непрерывно
выделяют энергию в виде тепла. Явление самопроизвольного излучения было названо
радиоактивностью, а вещества испускающие излучения - радиоактивными (лат. Radius
- луч).
Радиоактивность - это свойство ядер определенным элементов самопроизвольно
(т.е. без каких-либо внешних воздействий) превращаться в ядра других элементов с
испусканием особого рода излучения, называемого радиоактивным излучением. Само
явление называется радиоактивным распадом.
Таким образом, радиоактивность является исключительно свойством атомного
15
ядра и зависит только от его внутреннего состояния.
Радиоактивные явления, происходящие в природе, называют естественной
радиоактивностью; аналогичные процессы, происходящие в искусственно полученных
веществах
(через соответствующие ядерные реакции)
- искусственной
радиоактивностью. Однако деление это условно, т.к. оба вида радиоактивности
подчиняются одним и тем же законам.
В земной коре естественно-радиоактивные элементы имеются преимущественно
в урановых рудах и почти все они являются изотопами тяжелых элементов с атомным
номером более 83. Ядра тяжелых элементов неустойчивы. Они претерпевают в ряде
случаев многократные последовательные ядерные превращения. В результате
возникает целая цепочка радиоактивных распадов, в которой изотопы оказываются
генетически связанными между собой. Такая цепочка - совокупность всех изотопов
ряда элементов, возникающих в результате последовательных радиоактивных
превращений из одного материнского элемента
- называется радиоактивным
семейством или рядом.
В настоящее время известно 3 естественно- радиоактивных семейства: урана-
радия - 238
92U-Rа), тория (
90Th) и актиния (
89Ас).
Типы ядерных превращений
Существуют следующие типы ядерных превращений или виды
радиологического распада альфа распад, бете - распад (электронный, позитронный),
электронный захват, внутренняя конверсия.
Единицы радиоактивности.
Радионуклиды трудно получить в абсолютно чистом виде. Обычно они
находятся в смеси с нерадиоактивмыми веществами и, как правило в количестве,
зачастую не поддающимся всеобщему определению. Поэтому мерой количества
радионуклида служит не вес, выраженный в граммах, а активность.
Активностью радиоактивного препарата называется количество атомов,
распадающихся в нем за секунду. Следовательно, активность определяется числом
распадов в единицу времени. Активность радионуклида характеризует абсолютную
скорость его радиоактивного распада.
Как следует из закона радиоактивного распада, активность радионуклида
пропорциональна числу радиоактивных атомов, т.е. возрастает с увеличением
количества данного вещества. Поскольку скорость распада разных радионуклидов
различна, то одинаковые весовые количества различных радионуклидов имеют разную
активность.
Так если взять с одинаковой массой радионуклиды 238 U, 32Р и 8 Li, обладающие
различными периодами полураспада (4,5*109 лет), 14,3 дня, и 0,89 с соответственно.,
то самая высокая активность будет у лития и фосфора и очень малая у урана, т.к.
наибольшее количество распадов в 1 с будет у первых двух изотопов.
Единицей активности в абсолютной системе единиц (СИ) служит распад в
секунду (расп/с). Этой единице присвоено наименование беккерель (БК); 1Бк =1
Наиболее употребительная является внесистемная международная единица кюри
(Ки).
Кюри - это такое количество любого радиоактивного вещества, в котором число
радиоактивных распадов в секунду равно
3,7*1010. Единица Кюри соответствует
16
радиоактивности
1 г радия. Кюри очень большая величина, поэтому обычно
употребляют дробные производные единицы.
Милликюри (мКи) = 1
Ки = 3,7*10 7рас п/с;
Микрокюри (мкКи)= 1
Ки =3,7*104 расп/c;
Нанокюри (нКи) = 1
Ки = 3,7*10-1 расп/с;
Пикокюри (пКи)= 1
Ки = 0,037 расп/с.
На практике часто пользуются числом распадов в секунду, тогда единица
радиоактивности кюри и дробные от нее принимают следующие значения:
1 Ки = 2,22*1012расп/мин;
1 мКи =2,22*109 расп/мин
1 мкКи=2,22*106 расп/мин
1 иКи =2,22*103 расп/мин
1 пКи =2,22расп/мин.
В 1946 г Е. Кондон и Л. Куртис предложили новую единицу активности
резерфорд (рд =106 расп/с) - встречается редко (но удобна). В единицах кюри и
резерфорд выражают альфа и бета - активность.
Радиоактивные вещества характеризуются величиной удельной активности или
концентрации, т.е. активностью, приходящейся на единицу массы (объема). Единицами
удельной активности являются: Ки/мл, К и/л, Ки/г, К и/кг и их производные.
Убыль активности любого радиоактивного препарата определяется по формуле,
соотв. Основному закону радиоактивного распада:
Аt = A
о*e*(0.693*t/T).
At - активность препарата через t времени; А - исходная активность препарата; Т
- период полураспада значения Т и t должны иметь одинаковую размерность (минуты,
часы, дни и т.д.)
Пример: Активность (Ао) 32Р на определенный день равно 5 мКи. Определить
активность этого элемента через неделю. Период полураспада элемента Т32Р = 14,3
дня. Активность
32Р через 7 дней будет равно.
At = 5*2,72*(0,693*7/14,3) = 5*2,72-0,24= 3,55 мКи.
Миллиграмм - эквивалент радия
- это активность. любого радиоактивного
препарата, гамма-излучение которого при идентичных условиях измерения создают
такую же мощность экспозиционной дозы, как гамма - излучение. Единица (мг-экв.
радия) не установлены, существующими стандартами, но широко используются на
практике.
Ионизирующие излучения и единицы их излучения.
Важнейшее свойство ядерных излучений
— их способность вызывать
ионизацию атомов и молекул, в связи, с чем ядерные излучения называют также
ионизирующими излучениями.
Радиобиологические эффекты, наблюдаемые при воздействии ионизирующих
излучений на живые организмы, обусловлены поглощенной энергией излучения, т.е.
количеством энергии, поглощенной 1 см3 ткани. Поглощенную энергию измеряют,
17
определяя ионизацию в воздухе с последующим пересчетом на ткань. В качестве дозы
ионизирующего излучения служат специальная единица - рентген.
За единицу дозы излучения в воздухе (1Р) - экспозиционная доза — принимается
поглощенная энергия (0,114 эрг/см3 ), которая в 1 см воздуха при 0°С и 760 мм рт. ст.
(1013,3 ГПа) приводит к образованию 2,08*109 пар ионов. При дозе ионизирующего
излучения в воздухе, равной 1Р, поглощенная энергия в воздухе в расчете в 1 г
составляет 88 эрг, а в мягких тканях в расчете на 1 г - 92 - 97 эрг.
Рентген (внесистемная единица) 1 Р = 2,58*10-4 Кл/кг, принятая в 1928 году
Доза излучения в ткани (поглощенная доза).
Доза измеряется в радах, причем 1 рад =100 эрг/г = 1*1
Дж/кг.
В системе единиц СИ в качестве единицы поглощенной дозы принят грей (Гр),
при этом 1 Гр =1 Дж/кг = 100 рад. Для измерения дозы излучения применяют и
производные единицы: 1*1
(микро-мк): мкР, мкрад, мкГр; 1*1
(мили - м) мР,
мГр; 1*103 (кило - к): кР, крад, кГР; 1*106 (мега - М): МР,М рад, МГр.
Биологические эффекты при облучении живых организмов (систем) зависят не
только от дозы излучения, но и на качества ионизирующего излучения.
Накоплен большой экспериментальный материал, свидетельствующий о том, что
радиобиологический эффект при идентичных дозах увеличивается по мере роста
плотности ионизации.
Линейная передача энергии (ЛПЭ), характеризуемая отношением полной
энергии (dε), переданной веществу заряженной частицей вследствии столкновений на
пути (dl), к длине этого пути, измеряется во внесистемных единицах как килоэлектрон -
вольт на микрометр йоды (кэВ/мкм).
В радиобиологии есть понятие коэффициент качества излучения
(k). Он
позволяет учитывать возможные различия биологической эффективности
ионизирующих излучений разного качества (по критерию ЛПЭ).
Согласно Нормам радиационной безопасно НРБ- 99/2009 коэффициент качества,
учитывающий неблагоприятные биологические последствия облучения человека в
малых дозах, составляет: для рентгеновского и гамма излучения - 1, для протонов с
энергией меньше 10 МэВ - 10, нейтронов с энергией 0,1 - 10 МэВ-10-,
для
альфа излучения с энергией меньше 10 МэВ - 20.
Для учета биологической эффективности различных излучений ведено понятие
эквивалентная доза. Ныне это одно из основных дозиметрических величин в обл.
радиобиологии и радиационной безопасности.
Эквивалентная доза (сокращенно доза) это произведение поглощенной дозы (D)
данного вида ионизирующего излучения (гамма, бета, альфа излучения и т.д) на
соответствующий коэффициент качества излучения (k). Зa единицу эквивалента дозы
принимают бэр биологический эквивалент рентгена 1 бэр = 1*1
Дж/кг.
В практике используют дольные единицы: миллибэр (1 мбэр =1*1
бэр);
микробэр
(1мкбэр =1*1
бэр); нанобэр (1 нбэр — 1*1
бэр), В системе СИ
единица эквивалентной дозы - Зиверт (3в); 1Зв = 100 бэр.
Важной дозиметрической величиной является мощность дозы, которая
характеризуется дозой в единицу времени. Единица мощности дозы: Р/с; бэр/с; Зв/с.-
Производные: миллибэр в час (мбэр/час); микробэр/час (мкбэр/час); рентген в час (Р/ч);
миллирентен (мР/ч), микроренттен в час (мкР/ч).
18
2.4. Закон радиоактивного распада
Количество любого радиоактивного изотопа со временем уменьшается
вследствие радиоактивного распада (превращения ядер).
Скорость распада определяется строением ядра, и поэтому нельзя повлиять на
этот процесс никакими обычными физическими или химическими способами, не
изменив состояние атомного ядра.
Для каждого радиоактивного изотопа средняя скорость распада его атомов
постоянна, неизменна и характерно только для данного изотопа.
Постоянная радиоактивного распада
(λ-лямбда) для определенного изотопа
показывает, какая доля ядер распадается в единицу времени. Размерность постоянной
1
распада выражают в обратных единицах времени:
; ми
; ч
и т.д., чтобы
показать, что количество радиоактивных ядер не растет, а убывает.
Величина обратная постоянной распада (Ʈ = l/ ), (тау), называется средней
продолжительностью жизни ядра.
Основной закон радиоактивного распада устанавливает, что за единицу
времени распадается всего одна и та же доля имеющихся в наличии ядер.
Математически закон радиоактивного распада выражается уравнением: Nt=Nol- t
- это количество
радиоактивных ядер оставшихся по прошествии времени -
t, No- исходное число радиоактивных ядер в момент времени t - о
t=0(No>Nt)
- основание натуральных логарифмов
(е
=2,73); λ
-постоянная
радиоактивного распада, t - промежуток времени равный (t - to).
По этой формуле можно рассчитать количество не распавшихся радиоактивных
атомов в данный момент времени.
Для характеристики скорости распада радиоактивности элементов в практике
пользуются - периодом полураспада.
Период полураспада - это время, в течении которого распадается половина
исходного количества радиоактивных ядер.
Он обозначается буквой Т и выражается в единицах времени. Для различных
радиоактивных изотопов период полураспада имеет значение от долей секунды до
миллиардов лет.
Радиоактивные элементы разделяются на короткоживущие
(часы, дни) и
долгоживущие (годы).
Связь между периодом полураспада и постоянной распада легко выводится из
уравнения Закона радиоактивного распада Nt = N0l-λt, если в это выражение подставить
t =Т и Nt = Nо/2, то получим, No/2 = Nol- t
Сократив Nо и взяв натуральный логарифм, получим: T =ln2, т.е. T = 0,693
откуда
=0,693/Т; T
= 0,693/
, где Т
(период полураспада),
- постоянная
радиоактивного распада.
Это соотношение показывает, что между постоянной распада и периодом
полураспада имеется обратная зависимость, т.е. чем больше значение , тем меньше
19
значение Т и наоборот. Заменив
в формуле ее значением , получим:
Nt = N0l (693/Т)
Таким образом, число ядер радиоактивного изотопа уменьшится со временем по
экспоненцианальному закону.
С увеличением числа периодов полураспада количество нераспавшихся атомов
убывает, постепенно приближаясь к 0, т.к. распад ядер происходит неравномерно, то
большими, то меньшими порциями, следовательно, одну и ту же пробу необходимо
считать не один, а несколько раз (время счета по т. Бэлла).
Вопросы для самоконтроля
1. Диалектическое представление о строении атома.
2. Какой атом называется возбужденным и что такое процесс возбуждения.
3. Что такое рекомбинация ионов.
4. Дать характеристику строению ядра.
5. Что такое энергия частиц в атоме.
6. Что такое изотопы, изобары, изомеры.
7. Что такое радиоактивность и единица ее измерения.
8. Перечислите типы ядерных превращений.
9. Закон радиоактивного распада и что он показывает.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Основная
а) основная литература (библиотека СГАУ)
1. Ильин Л.А. Актуальная радиобиология [Электронный ресурс] : курс лекций / Л.А. Ильин
[и др.]. — Электрон. текстовые данные. — М. : Издательский дом МЭИ, 2015. — 238 c. — 978-
5-383-00932-1. — Режим доступа: http://www.iprbookshop.ru/33234.html
6. Саврасов Д.А. Ветеринарная радиобиология [Электронный ресурс]: учебное пособие /
Д.А. Саврасов, А.А. Михайлов.
— Электрон. текстовые данные.
— Воронеж:
Воронежский Государственный Аграрный Университет им. Императора Петра
Первого,
2017.
—
120
c.
—
2227-8397.
— Режим доступа:
б) дополнительная литература
7. Лысенко, Н. П. Радиобиология: учебник/ Н.П. Лысенко, В.В. Пак, Л.В. Рогожина. -
СПб.: Лань, 2012.- 576 с. ISBN 978-5-8114-1330-0 (www.a.lanbook.com)
8. Фокин, А. Д. Сельскохозяйственная радиобиология: учебник/ А. А. Лурье, С. П.
Торшин. - СПб: Лань, 2011.- 416с. ISBN:978-5-8114-1123-8
9. Гребенюк, А. Н., Основы радиобиологии и радиационной медицины: учебник/ А.Н.
Гребенюк О. Ю. Стрелова, В. И. Легеза. - Спб.: Фолиант, 2012 - 376 с. ISBN: 978-5-93929-223-8
10. Лысенко, Н. П. Практикум по радиобиологии: Учеб. пособие/ Н.П. Лысенко, В.В. Пак,
Л.В. Рогожина. - М.: Колос - 399с. 2008 ISBN 978-5-9532-0434-7
20
|