40. Радиоактивность

Явление радиоактивности было открыто Беккерелем. В настоящее время оно широко используется в науке, технике, медицине, промышленности. Явление самопроизвольного испускания химическими элементами излучения, обладающего значительной проникающей способностью и ионизирующими свойствами, получило название естественной радиоактивности. Элементы, испускающие такое излучение называются радиоактивными. Излучение радиоактивных веществ состоит из трех компонент: излучения. Обнаружено, что лучи отклоняются магнитным полем в разные стороны, а лучи не отклоняются совсем. лучи - поток полностью ионизированных атомов гелия,лучи - поток быстрых электронов, лучи - жесткое электромагнитное излучение (=10^-2 нм). Типы радиоактивных распадов.одновременно и излучения испускаются только веществами, содержащими несколько различных радиоактивных элементов. Чистые радиоактивные элементы испускают или -излучение или -излучение, каждому их которых сопутствует -излучение. Радиоактивность возникает вследствие самопроизвольного распада ядер одних элементов и превращения их в ядра других. Превращения ядер бывают двух типов: распад и распад. Они подчиняются определенным закономерностям, называемым правилами радиоактивного смещения. Эти правила установил Содди.распад - при распаде образуется ядро элемента Y находящегося в таблице Менделеева на две клетки раньше исходного элемента X., распад - при распаде образуется ядро элемента Y, находящегося на одну клетку вправо от исходного элемента X. Закон радиоактивного распада: Каждый радиоактивный элемент можно охарактеризовать промежутком времени Т, в течение которого распадается половина ядер, имевшихся в момент начала отсчета времени. Период полураспада- основная константа радиоактивного элемента. Период полураспада характеризует скорость распада. Выведем закон радиоактивного распада. Обозначим N-число ядер в момент времени t. Очевидно:

при t=0	N=N0
t=T	n=N0/2
t=2T	N=N0/2·2=N0/4=N0/22
t=3T	N=N0/23
-	-
t=n·T	N=N0/2n

Так как n=t/T, то   N=N₀·2^-t/T.  Это и есть закон радиоактивного распада. За время t распадается число ядер, равное N=N₀-N=N₀(1-2^-t/T)

41. Тормозное рентгеновское излучение. Открыв «Х-лучи», Рентген тщательными опытами выяснил условия их образования. Он установил, что эти лучи возникают в том месте трубки, где летящие электроны, составляющие катодный пучок, задерживаются, ударяясь о стенку трубки. Исходя из этого обстоятельства, Рентген сконструировал и построил специальную трубку, удобную для получения рентгеновских лучей. Катодом служит толстая накаливаемая вольфрамовая нить, испускающая интенсивный поток электронов, которые ускоряются приложенным электрическим напряжением. Катод снабжен колпачком из тантала, фокусирующим электроны, так как электроны вылетают перпендикулярно поверхности катода. Мишенью служит пластинка из вольфрама, платины или другого тяжелого металла, впрессованная в анод (зеркало анода), который для отвода тепла изготовляется из красной меди. Ударяясь о поверхность мишени, электроны задерживаются и дают рентгеновские лучи. Напряжение между катодом и анодом достигает нескольких десятков тысяч вольт. Для того чтобы электроны могли беспрепятственно достигать мишени, рентгеновскую трубку откачивают до высокого вакуума.       .  Только 1–3 % энергии электронов идет на излучение, остальная часть выделяется на аноде в виде тепла, поэтому аноды охлаждают водой. Попав в вещество анода, электроны испытывают сильное торможение и становятся источником электромагнитных волн (рентгеновских лучей). Начальная скорость электрона v₀ при попадании на анод определяется по формуле: , где U – ускоряющее напряжение.  Согласно классической электродинамике при торможении электрона должны возникать излучения всех длин волн от нуля до бесконечности. Длина волны, на которую приходится максимум мощности излучения, должна уменьшиться по мере увеличения скорости электронов, что в основном подтверждается на опыте. Однако есть принципиальное отличие от классической теории: нулевые распределения мощности не идут к началу координат, а обрываются при конечных значениях l_min – это и есть коротковолновая граница рентгеновского спектра. Существование коротковолновой границы непосредственно вытекает из квантовой природы излучения. Действительно, если излучение возникает за счёт энергии, теряемой электроном при торможении, то энергия кванта hv не может превысить энергию электрона eU, т.е. hv ≤ eU, отсюда или .. можно определить постоянную Планка h. Из всех методов определения постоянной Планка метод, основанный на измерении коротковолновой границы тормозного рентгеновского спектра, является самым точным. Для исследования атомной структуры применяют излучение с длиной волны ~1 , т. е. порядка размеров атомов. Методами Р. с. а. изучают металлы, сплавы, минералы, неорганические и органические соединения, полимеры, аморфные материалы, жидкости и газы, молекулы белков, нуклеиновых кислот и т.д. Наиболее успешно Р. с. а. применяют для установления атомной структуры кристаллических тел. Это обусловлено тем, что кристаллы обладают строгой периодичностью строения и представляют собой созданную самой природой дифракционную решётку для рентгеновских лучей. Рентгенология – область медицины, изучающая применение рентгеновского излучения для исследования строения и функций органов и систем, рентгенодиагностики заболеваний. Рентгеноскопия –основана на проникающей способности рентгеновских лучей и их свойстве вызывать видимое в темноте свечение (флюоресценцию) химического вещества, нанесенного тонким слоем на просвечивающий экран. При рентгеноскопии больного помещают между источником возникновения рентгеновских лучей и просвечивающим экраном, на котором в затемненном рентгеновском кабинете появляется теневое рентгеновское изображение исследуемых органов (например, легких, сердца и др. при рентгене грудной клетки). Рентгенография – метод рентгенодиагностики, заключающийся в получении фиксированного теневого изображения (снимка) объекта на фотоматериале при прохождении через них рентгеновских лучей. Больной располагается так, чтобы снимаемый объект находился между рентгеновской трубкой и алюминиевой кассетой, в которую помещается рентгеновская пленка. Частным случаем рентгенографии является флюорография.

42. Виды ионизирующих излучений. Ионизирующими излучениями называются такие виды лучистой энергии, которые, попадая в определенные среды или проникая через них, производят в них ионизацию. Такими свойствами обладают радиоактивные излучения, излучения высоких энергий, рентгеновские лучи и др. Наиболее разнообразны по видам ионизирующих излучений так называемые радиоактивные излучения, образующиеся в результате самопроизвольного радиоактивного распада атомных ядер элементов с изменением физических и химических свойств последних. Элементы, обладающие способностью радиоактивного распада, называются радиоактивными; они могут быть естественными, такие, как уран, радий, торий и искусственными, для которых радиоактивные свойства получены искусственным путем. При радиоактивном распаде имеют место три основных вида ионизирующих излучений: альфа , бета и гамма. Альфа-частица — это положительно заряженные ионы гелия, образующиеся при распаде ядер, как правило, тяжелых естественных элементо. Эти лучи не проникают глубоко в твердые или жидкие среды, поэтому для защиты от внешнего воздействия достаточно защититься любым тонким слоем, даже листком бумаги. Бета-излучение представляет собой поток электронов, образующихся при распаде ядер как естественных, так и искусственных радиоактивных элементов.Бета-излучения обладают большей проникающей способностью по сравнению с альфа-лучами, поэтому и для защиты от них требуются более плотные и толстые экраны. Разновидностью бета-излучений, образующихся при распаде некоторых искусственных радиоактивных элементов, являются позитроны. Они отличаются от электронов лишь положительным зарядом, поэтому при воздействии на поток лучей магнитным полем они отклоняются в противоположную сторону. Гамма-излучение, или кванты энергии (фотоны), представляют собой жесткие электромагнитные колебания, образующиеся при распаде ядер многих радиоактивных элементов. Эти лучи обладают гораздо большей проникающей способностью. Поэтому для экранирования от них необходимы специальные устройства из материалов, способных хорошо задерживать эти лучи (свинец, бетон, вода). Ионизирующий эффект действия гамма-излучения обусловлен в основном как непосредственным расходованием собственной энергии, так и ионизирующим действием электронов, выбиваемых из облучаемого вещества. Рентгеновское излучение образуется при работе рентгеновских трубок, а также сложных электронных установок. По характеру рентгеновские лучи во многом сходны с гамма-лучами и отличаются от них происхождением и иногда длиной волны: рентгеновские лучи, как правило, имеют большую длину волны и более низкие частоты, чем гамма-лучи. Ионизация вследствие воздействия рентгеновских лучей происходит в большей степени за счет выбиваемых ими электронов и лишь незначительно за счет непосредственной траты собственной энергии. Эти лучи (особенно жесткие) также обладают значительной проникающей способностью. Нейтронное излучение представляет собой поток нейтральных, то есть незаряженных частиц нейтронов (n) являющихся составной частью всех ядер, за исключением атома водорода. Они не обладают зарядами, поэтому сами не оказывают ионизирующего действия, однако весьма значительный ионизирующий эффект происходят за счет взаимодействия нейтронов с ядрами облучаемых веществ. Облучаемые нейтронами вещества могут приобретать радиоактивные свойства, то есть получать так — называемую наведенную радиоактивность. Нейтронное излучение образуется при работе ускорителей элементарных частиц, ядерных реакторов и т. д. Нейтронное излучение обладает наибольшей проникающей способностью. Задерживаются нейтроны веществами, содержащими в своей молекуле водород (вода, парафин и др.). Все виды ионизирующих излучений отличаются друг от друга различными зарядами, массой и энергией. Различия имеются и внутри каждого вида ионизирующих излучений, обусловливая большую или меньшую проникающую и ионизирующую способность и другие их особенности. Электромагнитное излучение, особенно рентгеновское, взаимодействует с веществом и вызывает ионизацию тремя путями: при помощи фотоэффекта, эффекта Комптона и образования электронно-позитронных пар. Фотоэффект преобладает при излучениях с низкой энергией, которые используются в диагностической радиологии. Эффект состоит в том, что фотон взаимодействует с электроном одного из энергетических уровней атома. Если энергия фотона превышает энергию связи электрона, то электрон покидает свою орбиту с кинетической энергией, равной разности между энергией фотона и энергией связи электрона. Фотоэлектрический эффект прямо пропорционален кубу атомного номера элемента Z; именно поэтому кости видны на рентгенограммах намного лучше, чем мягкие ткани. У излучений с более высокой энергией, используемых в терапевтической радиологии, преобладает эффект Комптона. Он состоит в том, что при столкновении фотона с электроном, находящимся на орбите, часть энергии фотона переходит в кинетическую энергию электрона, а фотон, потеряв часть энергии, изменяет направление движения. Фотоны с энергией выше могут вызывать образование электронно-позитронных пар. Позитрон имеет такую же массу, как и электрон, но положительно заряжен. Пройдя небольшое расстояние, он соединяется с электроном из другой пары. При этом масса обеих частиц переходит в энергию с излучением в противоположных направлениях двух фотонов.

43. Дозиметрия - область прикладной физики, в которой изучаются физические величины, характеризующие действие ионизирующих излучении на объекты живой и неживой природы, в частности дозы излучения, а также методы и приборы для измерения этих величин.Развитие дозиметрии первоначально определялось необходимостью защиты человека от ионизирующих излучений. Вскоре после открытия рентгеновских лучей были замечены биологические эффекты, возникающие при облучении человека. Появилась необходимость в количественной оценке степени радиационной опасности. В качестве основного количественного критерия была принята экспозиционная доза, измеряемая в рентгенах и определяемая по величине ионизации воздуха. С открытием радия было обнаружено, что - и -излучения радиоактивных веществ вызывают биологические эффекты, похожие на те, которые вызываются рентгеновским излучением. При добыче, обработке и применении радиоактивных препаратов возникает опасность попадания радиоактивных веществ внутрь организма. Развились методы измерения активности радиоактивных источников, являющиеся основой радиометрии.Разработка и строительство ядерных реакторов и ускорителей заряженных частиц, развитие ядерной энергетики и массовое производство радиоактивных изотопов привели к большому разнообразию видов ионизирующих излучений и к созданию многообразных дозиметрических приборов (дозиметров). Доза ионизирующего излучения - энергия ионизирующего излучения, поглощённая в единице массы облучаемого вещества. В этом смысле доза излучения называется также поглощённой дозой (D_п). Величина дозы зависит от вида излучения (рентгеновское излучение, поток нейтронов и т.п.), энергии его частиц, плотности их потока и состава облучаемого вещества. При прочих равных условиях доза тем больше, чем больше время облучения. Доза, отнесённая к единице времени, называется мощностью дозы.Зависимость величины дозы от энергии частиц, плотности их потока и состава облучаемого вещества различна для разных видов излучения. Например, для рентгеновского и -излучений дозы зависит от атомного номера Z элементов, входящих в состав вещества; характер этой зависимости определяется энергией фотонов hv. Для этих видов излучений доза в тяжёлых веществах больше, чем в лёгких. Нейтроны взаимодействуют с ядрами атомов. Характер этого взаимодействия существенно зависит от энергии нейтронов. Если происходят упругие соударения нейтронов с ядрами, то средняя величина энергии, переданной ядру в одном акте взаимодействия, оказывается большей для лёгких ядер. В этом случае (при одинаковых условиях облучения) поглощённая доза в лёгком веществе будет выше, чем в тяжёлом. Поглощённая доза в системе единиц СИ измеряется в дж/кг. Широко распространена внесистемная единица рад: 1 рад = 10^-2дж/кг = 100 эрг/г. Мощность дозы измеряется в рад/сек, рад/ч и т.п.

Экспозиционная доза — мера ионизации воздуха под действием рентгеновского и -излучений — измеряется количеством образованных зарядов. Единицей экспозиционной дозы в системе СИ является к/кг. Широко распространена внесистемная единица экспозиционной дозы — рентген: 1 р = 2,57976×10^-4 к/кг. Коэффициент, показывающий во сколько раз радиационная опасность для данного вида излучения выше, чем радиационная опасность для рентгеновского излучения при одинаковой поглощённой дозе в тканях организма, называется коэффициентом качества К. Для рентгеновского и -излучений К = 1. Эквивалентная доза D_э определяется как произведение поглощённой D_n на коэффициент качества излучения К; D_э = D_nК. существует специальная единица эквивалентной дозы — бэр. Эквивалентная доза в 1 бэр численно равна поглощённой дозе в 1 рад, умноженной на коэффициент качества К. Минимальная абсолютно летальная доза для человека при общем -облучении равна ~ 600 бэр. Дозиметры - устройства, предназначенные для измерения доз ионизирующих излучений или величин, связанных с дозами. По способу эксплуатации различают Д. п. стационарные, переносные (можно переносить только в выключенном состоянии) и носимые. В зависимости от типа детектора различают: ионизационные дозиметры, сцинтилляционные, люминесцентные, полупроводниковые, фотодозиметры и т. д. Детектором служит счётчик Гейгера — Мюллера, помещённый в цилиндрический чехол. Прибор снабжён звуковой и световой сигнализацией, которая срабатывает при превышении заданной величины мощности дозы. Порог срабатывания регулируется в пределах от 2 до 10 мр/сек.