53

Федеральное агентство по атомной энергии

Государственное образовательное учреждение

среднего профессионального образования

«Южно-Уральский политехнический колледж»

Е. Д. Громов

Учебная дисциплина

Физические основы радиохимии

Конспект лекций

для студентов специальности

240301 «Химическая технология неорганических веществ»

Озерск

2008

Утверждаю

Зам. директора по УР

______________Н.Ф.Минеева

Одобрено

на заседании ПЦК

химико-механических дисциплин

Протокол №______ от __________

Председатель

__________________ Э.И.Пескова

Согласовано

Зав. лабораторией МОУП

___________ Т.А.Огаркова

Составитель

__________ Е.Д.Громов, преподаватель ЮУПК

Рецензент

__________ А.П. Оконечников, преподаватель ЮУПК, д.ф.-м.н., профессор

Содержание

1. Учение о радиоактивности……………………………………………….4

2. Основной закон радиоактивного распада………………………………10

3. Последовательный распад и радиоактивное равновесие………………14

4. Элементы радиометрии…………………………………………………..19

5. Ионизационные методы регистрации ионизирующих излучений…….31

6. Сцинтилляционные методы регистрации ионизирующих излучений...36

7. Полупроводниковые детекторы………………………………………….39

8. Другие методы регистрации……………………………………………...43

9. Спектрометрия ядерных излучений……………………………………..48

10. Список литературы……………………………………………………….53

1.Учение радиоактивности.

1. Основные понятия радиоактивных превращений.

1.2. α – распад;

1.3. β – превращения;

1.4. Изомерный переход;

1.5. Другие виды распадов.

1.1 .Основные понятия

Ионизирующее излучение – такое излучение, взаимодействие которого со средой приводит к образованию в ней ионов, т.е. электрических зарядов разного знака.

Атомные ядра состоят из протонов⁺ и нейронов⁰, имеющие общее название – НУКЛОНЫ. Общее число нуклонов в ядре называется массовым числом (А), число протонов в ядре (Z) –характеризует его заряд, а также число электронов на электронной оболочке.

Число нейтронов в ядре: равно А – Z

Совокупность атомов, имеющих одинаковый заряд ядра называется ХИМИЧЕСКИМ ЭЛЕМЕНТОМ (Пр: ₉ F, ₉₂U).

Совокупность атомов, ядра которых имеют определенное число протонов( p) и нейтронов( n )называется НУКЛИДОМ (Пр: , ).

Различные нуклиды одного и того же элемента называются ИЗОТОПАМИ. Они имеют одинаковые Z и различные А. (Пр: , , …)

Нуклиды, ядра которых претерпевают самопроизвольное превращение (распад), называются радионуклидами.

Ядра, имеющие одинаковый заряд и одинаковую массу, но обладающие разными энергиями, называются ИЗОМЕРАМИ.

Радиационные превращения характеризуются энергией, которая измеряется в электричестве. Одни (эВ) – это ускорение, которое приобретает электрон в электрическом поле с разностью потенциалов 1В.

1эВ = 1,602 * 10^-19 Дж

2. α - распад характерен для самых тяжелых ядер (Z > 82), в которых велики силы расталкивания положительно заряженных протонов.

α – частица представляет собой ядро Не, и состоит из 2х p⁺ 2х n⁰ .

Если обозначить через Х₁ – исходный распадающийся (материнский) элемент, Х₂ – новый вторичный (дочерний) элемент, то формула α – распада будет выглядеть в следующем виде:

Х ₂

₁  +

Правило сдвига: ZZ-2

AA-4

Оно означает, в результате α - распада образуется новый элемент, смещенный в таблице Менделеева на 2 клетки влево. Атомная масса дочернего элемента на 4 единицы меньше материнского.

Энергия большинства α-частиц находится в пределах 4 ÷ 8 МэВ, но может быть и больше. Каждый распад характеризуется энергией распада - Е_р. Чем выше Е_р, тем быстрее происходит распад. Е_р распределяется между α-частицами и дочерними ядрами, обратно пропорционально их массам. Поскольку масса α-частицы намного меньше массы ядра, то максимум энергии E_p обычно достается α-частице.

Если α-частица получает всю энергию распада, то ядро остается в невозбужденном состоянии. Поэтому γ-излучения нет. Если же α-частица получает не всю энергию распада, то ядро остается возбужденным. При переходе ядра в основное состояние излучается один или несколько γ-квантов. При этом α-частицы излучаются в разных энергиях.

Схема α –распада строится следующим образом:

От энергетического уровня исходного ядра проводят вниз-влево стрелки : каждая из них отвечает энергии Е_αi К энергетическому уровню дочернего ядра ведет стрелка, отвечающая Е_αi - Е_р, т.е. энергии распада; γ-кванты показывают стрелкой вверх, вниз между уровнями Е_γ = равна разности энергии α-частиц, переход ядра из одного энергетического уровня к другому.

П

⁰

р.:  , где α – излучение моно- энергетическое, E_α =4,2 МэВ. Дочернее ядро имеет основное состояние.

Энергетический уровень исходного ядра

Eα=4,2 МэВ

Энергетический уровень дочернего ядра

 , Eα_i=4,46; 4,48; 4,61; 4,68 МэВ

Eγ_i=0,07; 0,13; 0,2; 0,22 МэВ

Ep=4,68 МэВ

Здесь γ-кванты возникают при переходах ядра, отвечающим следующим энергиям α-частиц:

4,61 – 4,48 = 0,13 МэВ

4,68 – 4,46 = 0,22 МэВ

4,68 – 4,48 = 0,2 МэВ

4,68 – 4,61 = 0,07 МэВ

4

- γ-излучение не вызывают

,48 – 4,46 = 0,02 МэВ

4,61 – 4,46 = 0,25 МэВ

Энергетический уровень ядра

3. β-превращения

Различают β^ -распад (электронный распад); β⁺ -распад (позитронный распад); электронный захват (ЭЗ)

β^ -распад – характерен для ядер, имеющих относительный избыток нейтронов. При этом один нейтрон распадается на р⁺, электрон и нейтрино . Это превращение происходит на основе закона сохранения алгебраической суммы зарядов и механического вращения (закон сохранения).

Формула распада:  + +

Правило сдвига: Z →Z+1

A→A

В результате этого распада образуется новый элемент, смещенный в таблице ПСХЭ на 1 клетку вправо.

П р:



β⁺-распад – характерен для ядер с избытком и связан с превращением протона в , позитрон и нейтрино.

1

1

 + β⁺+

Формула распада:

₁  ₂+β⁺+

Правило сдвига: ZZ-1

A=A

В результате этого распада образуется новый элемент, смещенный в таблице ПСЭХ на 1 клетку влево.

Взаимодействуя с электроном они аннигилируют (взаимоуничтожаются), образуя на каждый акт взаимодействия 2 γ-кванта по 0,511 МэВ. Среди естественно-радиоактивных элементов такого распада не наблюдается. Энергия β- распада по закону вероятности распределяется между дочерним ядром, β-частицей и нейтрино (или антинейтрино). В зависимости от углов разлета β-частицы и нейтрино уносят больше или меньше энергии. Поэтому энергия β-частиц распределяется непрерывно от О до Е мах, а наиболее вероятная энергия ~ 1/3 Емах.

β-излучение обычно всегда сопровождается γ-излучением.

Пр: построить схему β-распада по следующим данным:

38

β^

38

Е_max = 1,11(31%); 2,77(16%); 4,81(53%) МэВ

C

17

17

8

l → Ar, Е_γ = 1,66; 2,04 МэВ

Е_р = 4,81 МэВ

- энергетический уровень X₁

- энергетический уровень X₂

ЭЛЕКТРОННЫЙ ЗАХВАТ – в нейтронно-дефицитных ядрах один из протонов может превратиться в нейтрон путем захвата электрона с ближней к ядру орбиты (k – орбиты) по реакции:

+ ē → + υ

Правило сдвига: А → А

Z → Z - 1

Электронный захват обнаруживается по характеристическому рентгеновскому излучению, возникающему при переходе электрона с дальних орбит на освободившуюся ближнюю (k – орбиту). Энергия возбуждения атома нередко передается одному или нескольким орбитальным электронам. Они, преодолевая энергию их связи, покидают атом. Такие электроны получили название электронов Оже, которые в отличие от β-частиц имеют дискретное значение энергии.

Изомерный переход.

Ядра нуклидов могут находиться на различных энергетических уровнях. Один из них является основным, а остальные возбужденными. Переход ядра из возбужденного состояния в основное сопровождается излучением γ-кванта. Обычно при α- и β- распадах возбужденное состояние ядра длится < 10^-10сек. Потому γ-излучение сопутствует α и β-излучению. Если возникают уровни, где ядра находятся более 10^-10 сек, то эти уровни называются метастабильными. Переход из метастабильного состояния в основное называется изомерным переходом, при этом Z и А не изменяются. γ-излучение, как особый тип распада, рассматривается лишь при изомерном переходе.

Известно более 300 пар изомеров. Для некоторых ядер существует 3-4 изомерных состояния:

, ,

= Е воз = 0,4 МэВ,  =2,4 час