Самостійна робота 3 (2 год.)

Тема: Радіонукліди як джерела - випромінювання.

Мета: розширити знання про радіонукліди, які є джерелами γ-випромінювання, про їх активність, навчитися застосовувати формули до розв’язування задач, сформувати навички розв’язування задач на застосування законів іонізуючого випромінювання.

План вивчення:

1. Радіонукліди як джерела -випромінювання.

2. Активність радіонуклідів.

3. Розв’язування задач на застосування законів іонізуючого випромінювання.

Методичні вказівки

При вивченні теми необхідно спочатку повторити матеріал лекції «Радіоактивність. Активність. α-розпад», в якому розглянуто основні поняття та визначення радіоактивності, закон радіоактивного розпаду, введено поняття активності радіонукліда. Для розв’язування задач необхідно повторити закони α-розпаду, β-розпаду, γ-випромінювання, які розглянуті в матеріалі попередніх лекцій.

Дана тема позааудиторної самостійної роботи ставить на меті розширити знання про радіонукліди, як джерела γ-випромінювання. А також про активність радіонуклідів, як важливу фізичну характеристику радіоактивного розпаду. Крім цього необхідно навчитися застосовувати закони радіоактивного розпаду при розв’язуванні задач

При вивченні першого питання – радіонукліди, як джерела γ-випромінювання , слід звернути увагу на умови виникнення γ-випромінювання та ізотопи, що є безпосередніми джерелами γ-випромінювання. Слід розглянути характеристики найбільш відомих: урану, торію, радію, калію, рубідію.

У другому питанні слід детальніше розглянути поняття «активності» та її видів, так як саме активність характеризує радіонуклід по швидкості розпаду.

У третьому питанні слід навчитися розв’язувати задачі на закони радіоактивного розпаду. При розв’язуванні задач можна користуватись нижче наведеним прикладом і запропонованою методикою.

Методика розв’язання задач на застосування законів іонізуючого випромінювання:

1. Визначте вид радіоактивного розпаду та запишіть відповідний закон:

Для α-розпаду: ;

Для β-розпаду: ;

Для γ-випромінювання: .

2. Запишіть відповідну реакцію розпаду, взявши до уваги закони збереження масового та зарядового чисел.

Приклад

Написати реакції α-розпаду вісмуту та β-розпаду каліфорнію .

Розв’язання

- α-розпад з утворенням ізотопу талію

- β-розпа з утворенням ізотопу енштейнію .

Після опрацювання навчального матеріалу згідно плану необхідно зробити записи в зошиті для самостійних робіт у вигляді конспекту, виділяючи основні думки, положення.

Отже, після опрацювання самостійної роботи курсант, учень повинен:

знати:

• умови виникнення γ-випромінювання;

• характеристики радіонуклідів – джерел γ-випромінювання;

• поняття «активності радіонукліда» та її види;

вміти:

• застосовувати формули до розв’язування задач;

• застосовувати закони радіоактивного розпаду.

Теоретичні відомості

1. Радіонукліди як джерела -випромінювання.

Нукліди – це загальна назва атомів, що відрізняються кількістю нуклонів у ядрі або при однаковій кількості нуклонів містять різну кількість протонів чи нейтронів. Радіонуклід, або радіоактивний нуклід, - це нестійкий, такий, що розпадається, нуклід. Термін „радіонуклід” звичайно застосовують для визначення атомів радіоактивних речовин, так як радіоактивні ізотопи, як правило, бувають у складі сполук і дуже рідко у вільному стані. Так, говорять про радіонукліди ⁸⁹Sr і ⁹⁰Sr, ¹³⁴Сs і ¹³⁷Сs, ¹³¹І і ¹³²І і т.д. В принципі поняття „радіонуклід” близьке поняттю „радіоізотоп”.

Всі існуючі радіонукліди ділять на два класи - природні радіонукліди і штучні радіонукліди. На теперішній час з відомих 1950 радіонуклідів (радіоактивних ізотопів) 70 природних, що належать до 25 радіоактивних елементів і деяких нерадіоактивних елементів, до складу яких входять радіоактивні ізотопи. Основним джерелом надходження природних радіонуклідів в біосферу є земна кора. Значна частина може надходити з водою і певна частка – з атмосфери. Відомі також 1880 штучних радіонуклідів, які утворюються в умовах штучних ядерних реакціях розпаду деяких елементів, а також одержують при бомбардуванні нерадіоактивних елементів потоком високо енергетичних частинок. Для переважної більшості відомих елементів одержані радіоактивні ізотопи, кількість яких для деяких, як, наприклад для цезію, вимірюється десятками.

Джерелами надходження штучних радіонуклідів в біосферу є атомні вибухи і ядерні реактори. Безперечно, у цих ситуаціях виникають далеко не всі відомі штучні радіонукліди, а лише декілька сотень. При цьому переважна більшість їх є короткоживучими і внесок у дозу опромінення об’єктів біосфери формують практично декілька десятків радіонуклідів.

Зазвичай в якості радіоактивних джерел гамма-квантів використовують бета-активні ізотопи. Наприклад розпад ⁶⁰Co и ²²Na. ²²Na є джерелом γ-квантів з енергией 1275 и 511 кеВ.     Крім бета-активних ізотопів в якості джерел гамма-квантів використовуються також ізомери, наприклад^119mSn. Період піврозпаду  ^119mSn T_1/2 = 293.1 дня, енергія 23.9 кеВ.        В табл. 1 показані бета-активні ізотопи, які використовуються в зразкових спектрометричних джерелах (ЗСГД), що використовуються в якості робочих еталонів для повірки и градуювання засобів вимірювання фотонного випромінювання.

Таблиця 1. Ізотопи зразкових спектрометричних джерел гамма-квантів

	T1/2	Eγ, кеВ		T1/2	Eγ, кеВ		T1/2	Eγ, кеВ
22Na	2.6027 років	1274.54	109Cd	461.4 днів	88.0	152Eu	13.51 років	121.78 - 1408.0
44Ti	60.0 років	68.9 78.3 1157.0	113Sn	115.1 днів	255.1 391.7	153Gd	240.4 днів	97.4 103.2
54Mn	312.2 днів	834.8	134Cs	2.065 років	563.2 569.3 604.7 795.8	207Bi	32.9 років	569.7 1063.6
55Fe	2.741 років	5.9 6.5				228Th + дочірнє	1.911 років	84.4 - 2614.5
57Co	271.8 днів	14.4 122.1 136.5	133Ba	10.54 років	81.0 276.4 302.9 356.0 383.85	241Am	432.6 років	26.3 56.5
60Co	5.271 років	1173.2 1332.5				243Am	7370 років	43.5 74.7
65Zn	244.06 днів	1115.54	137Cs	30.018 років	661.7
88Y	106.6 днів	898.0 1836.1	139Ce	137.64 днів	165.9

    Монохроматичні γ-кванти більш високої енергії можна отримати, використовуючи ядерні реакції, які призводять до сильного збудження кінцевого ядра.

   При радіаційному захопленні повільних нейтронів зазвичай утворюються γ-кванти з енергією від 4 до 11 МеВ (енергії зв'язку нейтронів в різних ядрах). Енергетичний спектр γ-квантів такого джерела містить одну або кілька ліній. Створення досить інтенсивних джерел γ-квантів шляхом радіаційного захоплення нейтронів передбачає використання потужних ядерних реакторів. Сучасні ядерні реактори дозволяють отримувати інтенсивності γ-квантів радіаційного захоплення до 108 квант / с.

Неминучим недоліком γ-джерел такого типу є великий нейтронний фон. Якщо енергія збудження ядра значно перевищує енергію зв'язку нуклона, то, як правило, збудження буде зніматися випусканням протонів, нейтронів або більш складних частинок. Уран. Сріблясто-білий метал зі щільністю 19,0 г.см^-3 (для порівняння: свинець – 11,3) і температурами плавлення та кипіння, відповідно, 1133 і 3860^ОС. Природний уран являє собою суміш трьох радіоактивних ізотопів: ²³⁴U (0,006%), ²³⁵U (0,7%) і ²³⁸U (99,3%). Основне α-випромінювання з енергіями, відповідно, 4,84, 4,47 і 4,27 МеВ і періодами піврозпаду (Т1/2) –2,4^.10⁵, 7,1 ^.10⁸, 4,5^.10⁹ років. Вихід супроводжуючого β- і γ-випромінювання відносно невеликий. Тому зовнішнє опромінення ураном особливої небезпеки не являє. Він стає небезпечним при внутрішньому попаданні в організм. Надходження урану в організм людини можливе при його видобутку на рудниках і збагаченні на відповідних підприємствах. Сполуки урану самі по собі токсичні. Тому у ранні періоди дії переважає хімічна токсичність елемента, а радіаційний фактор проявляється, як правило, пізніше. При тривалому надходженні сполук урану може розвинутися хронічна форма променевої хвороби.

Основний ізотоп ²³⁸U, а також ²³⁵U є родоначальниками радіоактивних родин. В процесі їх розпаду виникає низка радіоактивних ізотопів важких елементів , зокрема і таких, що визначають певний внесок у загальну дозу опромінення живих організмів – полонію і радону. Ізотоп ²³⁵U є основною енергетичною сировиною для одержання ядерного пального і ядерної зброї. Торій. Сріблясто-білий метал зі щільністю 11,7 г.см^-3, температурами плавлення і кипіння, відповідно, 1750 і 4200^ОС. Практично на 100% представлений ізотопом ²³²Th, хоча і виявлені сліди природних ізотопів з масовими числами 227, 228, 230, 231, 234. Як і уран, ²³²Th переважно α-випромінювач з середньою енергією частинок 4,07 МеВ і Т1/2 1,41 .10¹⁰ років. Торій може надходити в організм тільки при роботі з ним і в основному через органи дихання у вигляді аерозольних частинок чи газоподібних продуктів. ²³²Th також є родоначальником радіоактивної родини, в тому числі виникнення ізотопів радію, радону, полонію та інших. Зі сплаву ²³²Th і збагаченого ²³⁵U виготовляють твели (тепловиділяючі елементи) – ядерне паливо для атомних електростанцій. Радій. Ковкий, блискучий, сріблясто-білий метал з групи лужноземельних зі щільністю 5,0 г.см^-3 і температурами плавлення та кипіння, відповідно 690 і 1536^ОС. Відомі природні ізотопи радію з масовими числами 222, 224, 226 і 228. Всі вони радіоактивні. Найбільш довгоживучим є ізотоп ²²⁶Ra з Т1/2 1620 років. Прожарена сіль радію є чистим α-випромінювачем з енергією 4,86 МеВ. При накопиченні у ній продуктів розпаду вона стає джерелом β- і γ- випромінювання. Рівноважна сіль радію є потужним джерелом γ- випромінювання і до створення штучних γ-випромінюючих ізотопів була практично єдиним джерелом, яке використовувалося у радіаційній терапії.В організм людини 90% радію надходить з їжею.

Калій-40. Калій – сріблясто-білий блискучий метал з групи лужних зі щільністю 0,86 г.см^-3 і температурами плавлення і кипіння, відповідно, 63 і 776^ОС. Природний калій складається з трьох ізотопів: двох стабільних – ³⁹К(93,08%) і ⁴¹К (6,91%) і радіоактивного ⁴⁰К (0,01%) з Т1/2 1,32^.10⁹ років, який є β- і γ випромінювачем з енергіями, відповідно, 1,325 і 1,459 МеВ. ⁴⁰К надходить до організму з їжею і водою. Він практично повністю всмоктується в ШКТ і рівномірно розподіляється в органах і тканинах.

Рубідій-87. Рубідій - сріблясто-білий блискучий метал з групи лужних зі щільністю 1,53 г.см³ і температурами плавлення і кипіння, відповідно, 39 і 686^ОС. Природний рубідій складається з двох ізотопів: стабільного 85Rb (72,15%) і радіоактивного ⁸⁷Rb (27,85%) з Т½ 6,15.10¹⁰ років, який, як і калій, є β- і γ-випромінювачем з енергіями, відповідно, 0,275 і 0,394 МеВ, тобто значно м’якішим за ⁴⁰К.