Глава 3. Радиоактивность

Открытие в 1895 году Анри Беккерелем явления радиоактивности и исследование его супругами Пьером и Мари Кюри и другими выдающимися физиками имело огромное значение для развития физики, химии, медицины, фармации.

1. 3.1. РАДИОАКТИВНОСТЬ. ВИДЫ РАДИОАКТИВНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ЯДЕРНЫХ РАСПАДОВ.

Нуклид - тип атомного ядра, аналог химического элемента в применении к ядру. Основная характеристика химического элемента – количество электронов на оболочках его атомов. А нуклид характеризуется количеством протонов и нейтроновв ядре. Обозначается нуклид, например, так, z – зарядовое число – числов ядре, А – массовое число – число нуклонов – ядерных частиц – суммарное числоив ядре.

Одному и тому же химическому элементу могут соответствовать разные нуклиды. Количество электронов в атоме и химические свойства элемента определяются числом протонов в ядре его атома. А нуклид ещё характеризуется и числом нейтронов. Нуклиды с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов называются изотопами. Химические свойства изотопов одинаковы, но среди некоторых изотопов встречаются стабильные и нестабильные. Последние обладают способностью самопроизвольно распадаться, превращаться в другие нуклиды, и это превращение сопровождается испусканием ионизирующего радиоактивного излучения. Например, кроме стабильных изотопов углерода , содержащих 6 протонов - и 6 нейтронов –в природе, правда в неизмеримо меньшем количестве, встречается его нестабильный »родственник» С¹⁴ , содержащий тоже 6 , но уже 8что и делает его неустойчивым . То одно, то другое ядро самопроизвольно распадается, а через 5600 лет распадётся примерно половина всех ядер (из их большого числа). Нуклид превращается в- ядро атома азота, и при этом испускается_- частица – электрон с огромной скоростью и энергией и антинейтрино - крохотная частица очень маленькой массы.

→

Есть и такие элементы, у которых все изотопы нестабильны, например, родон:

, .

Радиоактивность – самопроизвольный распад некоторых нуклидов. Радиоактивный распад сопровождается испусканием ионизирующего радиоактивного излучения. Радиоактивные излучения бывают четырёх типов - излучение,_- - излучение, ₊ - излучение и - излучение.

- частицы – ядра атома гелия , в которых 2и 2, вылетающие из распавшегося ядра с огромной скоростью, порядка 10⁷ м/с, и энергией – до 10 МэВ, _- частица – электрон, вылетающий из ядра со скоростью до 10⁸ м/с и с энергией до 2-3 Мэв, ₊ частица – позитрон - антиэлектрон, электрон с положительным зарядом, вылетающий из ядра со скоростью до 10⁸ м/с и с энергией до 2-3 Мэв, - излучение – электромагнитные волны с очень малыми длинами волн – меньше 10^-5 нм и, следовательно, с очень большой энергией фотонов - до 2-3 МэВ.

Разные типы неустойчивых ядер – разные радионуклиды способны к разным типам распадов:

А. Схема - распада:

- материнское ядро, – дочернее ядро. Поскольку из материнского ядра вылетает 2 протона и 2 нейтрона - всего 4 нуклона, зарядовое число уменьшается при- распаде на 2, массовое – на 4. Наблюдается превращение одного химического элемента в другой. Например, по этой схеме родон превращается в полоний, а затем полоний в свинец.

Б. Схема _- - распада:

массовое число ядра при этом не меняется, так как масса электрона почти в 2000 раз меньше массы нуклона и поэтому ей можно в данном случае пренебречь, а зарядовое число увеличится на 1 - по закону сохранения заряда, поскольку электрон забрал из ядра отрицательный элементарный заряд. Дело в том что при _- - распаде один нейтрон ядра превращается в протон, электрон и антинейтрино:

Примером _- - распада может служить рассмотренное выше превращение радиоизотопа углерода в азот. Вот ещё один пример – превращение трития в гелий

В. Схема ₊ - распада:

+ ₊+, в этом случае протон в ядре превращается в нейтрон, позитрон и нейтрино:

Примером ₊ - распада может служить превращение рубидия в криптон:

А вот особого- распада нет.- излучение может сопровождать,_- , ₊ - распады. Дочернее ядро при этих распадах может оказываться в возбуждённом состоянии и, при переходе в невозбуждённое состояние оно излучает -квант.

Г. Электронный захват – ещё один вид ядерного превращения. Ядро захватывает один из электронов, находящийся на ближайшем к ядру электронном слое. При этом протон в ядре превращается в нейтрон и из ядра вылетает нейтрино

Схема е–захвата

Примером е–захвата может служить превращение бериллия в литий

На освободившееся на внутреннем электронном слое место переходит электрон с одного из верхних слоёв. Это сопровождается характеристическим рентгеновским излучением.

3.2 ОСНОВНОЙ ЗАКОН РАДИОАКТИВНОГО РАСПАДА

Это закон статистический – вероятностный, выполняется только для большого числа ядер. Каждое отдельное ядро может распасться или нет за какое-то малое время dt, а вот если число ядер N велико, то можно с достаточной уверенность подсчитать число распавшихся за это время ядер dN:

dN = -N dt (3.1)

– это основной закон радиоактивного распада в дифференциальном виде.

Здесь - постоянная радиоактивного

распада – вероятность распада ядра за единицу времени, измеряется в 1/с.

Интегральный вид основного закона радиоактивного распада - зависимость числа оставшихся нераспавшимися ядер N от времени t можно получить, решив дифференциальное уравнение ( 3.1 ):

Сначала разделим переменные

Потом проинтегрируем левую часть уравнения в пределах от N₀ - начального числа ядер в момент времени t =0 до N – числа ядер в момент t , а правую часть в пределах от 0 до t:

После потенцирования получим:

И наконец. число ядер, не распавшихся к моменту t:

(3.2)

- это основной закон радиоактивного распада в интегральном виде.

На рисунке 3.1 показана зависимость числа ещё не распавшихся ядер N – кривая 1 и числа распавшихся ядер N = N₀ – N - кривая 2 от времени t.

Рис.3.1. Зависимость числа ещё не распавшихся ядер N – кривая 1 и числа распавшихся ядер N = N₀ – N - кривая 2 от времени t.

Т_1/2 – период полураспада – время, за которое распадается половина наличного числа ядер.

Период полураспада обратно пропорционален постоянной радиоактивного распада, так как t = T_1|2 , N = и поэтому:

И

• На рисунке 3.2 два графика временных зависимостей числа не распавшихся ядер для двух препаратов у которых _{1 2}и, следовательно, Т₁ Т₂

Рис.3.2. Графики временных зависимостей числа не распавшихся ядер для двух препаратов у которых _{1 2}и, следовательно, Т₁ Т₂

У разных радионуклидов разные периоды полураспадов. Так, у

- 510⁹ лет, а у - 0,9 с.

3.3 АКТИВНОСТЬ РАДИОАКТИВНЫХ ПРЕПАРАТОВ

Активность радиоактивных препаратов – модуль скорости распада радионуклидов:

Воспользовавшись основным законом радиоактивного распада (3.2),

получим:

Видим, что:

1) Активность уменьшается со временем по закону: А = , где А₀ =

2) Активность прямо пропорциональна наличному числу ядер: А

3) Активность прямо пропорциональна постоянной радиоактивного распада: А и, соответственно, обратно пропорциональна периоду полураспада: А

Единица измерения активности в СИ – беккерель(Бк) = 1/с –активность такого радиоактивного препарата, в котором происходит один распад ядра за секунду. Названа эта единица в честь французского физика Анри Беккереля, открывшего явление радиоактивности.

Но в ходу также внесистемные единицы измерения активности - 1кюри(Ки) = 3,7 *10¹⁰ Бк. Названа в честь французских учёных Марии и Пьера Кюри, открывших радиоактивные элементы. 1Ки – огромная активность – активность одного грамма радия – радиоактивного элемента, открытого супругами Кюри. Поэтому пользуются мКи = 10^-3 Ки, мкКи = 10^-6 Ки и т.д.

Также иногда используют резерфорд(Рд) = 10⁶ Бк, названа в честь Эрнеста Резерфорда – британского учёного, открывшего атомное ядро.

Удельная массовая активность А/m- активность единицы массы препарата , измеряется в Бк/кг.

3.4. ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ. МЕЧЕНЫЕ АТОМЫ

А. Ядерные реакции – превращения одних нуклидов в другие, вызванные взаимодействием ядер с другими ядрами или элементарными частицами больших энергий. Приведём в качестве примера постоянно происходящую в земной атмосфере ядерную реакцию превращения в:

Нейтроны большой энергии из космического излучения, приходящего к нам от Солнца, взаимодействуют с ядрами азота ,превращая их в радиоактивный изотоп углерода

Эту ядерную реакцию можно записать и так:

Первая ядерная реакция, проведённая в лаборатории ( в 1919 году Э.Резерфордом):

А в 1934 году Ирен и Фредерик Жолио-Кюри осуществили ядерную реакцию:

В обоих случаях превращения нуклидов произошло под воздействие -частиц.

Ядерные реакции распада тяжёлых ядер, сопровождаются освобождением огромной энергии ядра. Например, открытая в 1938 году немецкими учёными Отто Ганном, Фрицем Штрассманом, Лизой Мейтнер и Отто Фришем реакция деления ядра урана:

При делении 1г урана выделяется энергии почти в 3млн раз больше, чем при сжигании 1г угля.

Реакция деления тяжёлых ядер в 1945 году была преступно использована армией США для убийства сотен тысяч мирных людей в японских городах Хиросима и Нагасаки, а в СССР в 1954 году впервые в Обнинске заработал мирный ядерный реактор на АЭС –атомной электростанции. В 1986 году в СССР произошла страшная трагедия - аварии на АЭС в Чернобыле, которая поставила под сомнение разумность строительства АЭС, однако во многих странах до сих пор значительная часть электроэнергии поставляется АЭС. Надо заметить, что при нормальной работе АЭС более экологична, чем тепловая электростанция. Даже радионуклидов АЭС выбрасывают в атмосферу меньше, чем тепловые электростанции. Однако до сих пор не решена проблема захоронения радиоактивных отходов работы АЭС.

При ядерных реакция синтеза лёгких ядер выделяется ещё большая энергия. Например, реакция синтеза гелия:

На реакцию синтеза лёгких ядер возлагались большие надежды, однако до сих пор не решена проблема проведения управляемой термоядерной реакции. Поэтому, к сожалению, она пока использовалась только, в так называемых, водородных бомбах,

Для медицины и фармации исключительно важно, что ядерные реакции позволяют получать искусственные радиоизотопы многих элементов. Они отличаются от своих стабильных «родственников» числом нейтронов в ядре, что и делает их неустойчивыми. А вот химические свойства у них такие же, потому что в их ядрах то же количество протонов и, соответственно, такие же электронные оболочки. И вот это то и привело к созданию изумительного, потрясающе точного метода исследования – методу меченых атомов.

Б. Меченые атомы – это радиоактивные изотопы тех элементов, местоположение которых требуется обнаружить. Например, для фармации очень важна проблема преодоления лекарственными веществами биологических барьеров. Для обнаружения скорости и путей распространения исследуемого вещества, а также мест его депонирования – накопления, а также скорости и путей выведения вещества из организма в исследуемое вещество среди элементов его составляющих вводится некоторое количество меченых атомов. У меченых атомов ядра – нестабильные. Они периодически распадаются и испускают ионизирующее излучение. Концентрация меченых атомов требуется ничтожная, их излучение абсолютно безопасно для организма. Однако, очень точные приборы по этому излучению надёжно определят и местоположение и концентрацию меченых атомов, а значит и исследуемого вещества.

Метод меченых атомов открыл новые возможности для диагностики ряда заболеваний. Особенно для ранней диагностики онкологических заболеваний. Новообразования отличаются по химическому составу от здоровых тканей. Введя в организм эти вещества, с небольшим количеством меченых атомов, можно надёжно их обнаружить по большей или меньшей активности, наблюдаемой над определёнными участками организма. Например, введение в организм радиоизотопа иода I¹³¹ позволяет по его накоплению в щитовидной железе и в других органах диагностировать рак щитовидной железы и метастазы по ионизирующему излучению, сопровождающему распад:

Метод меченых атомов позволяет исследовать многие биологические процессы. Например, этим методом было обнаружено, что за три месяца организм обменивает 50% своих белков, что скорость движения соков растений порядка метров в секунду.

Радиоизотопы используются также для терапии - в основном, для лечения онкологических заболеваний.

Приведём ещё один пример применения радионуклидов - для определения объёма крови пациента. В кровь пациента вводится объём V вещества, содержащего N₁ радионуклидов. Через несколько минут, за которые введённое вещество успевает перемешаться со всей кровью пациента, берут пробу вещества такого же объёма V. Сравнивая активность введённой порции А ₁ с активностью пробы А₂ , можно определить объём крови по формуле:

ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ К ГЛАВЕ 3

1.Какова природа ,и- излучений. Какие ядерные превращения они сопровождают?

2. Период полураспада -5600 лет. Во всех растениях и животных при жизни содержится определённое количество этого радиоактивного изотопа углерода. Через сколько лет содержаниев органических останках снижается в 4 раза?

3. Во сколько раз отличаются активности двух радиоактивных препаратов, если у второго препарата период полураспада в 2 раза больше, чем у первого, а число нестабильных ядер в нём в 8 раз больше, чем в первом?

4. Два радиоактивных препарата содержат одинаковое количество нестабильных ядер. У второго препарата период полураспада в два раза больше, чем у первого. Через какое время их активности окажутся одинаковыми?

5. Допишите уравнение ядерной реакции:

5. В чём заключается метод меченых атомов? Для чего он используется в медицине и фармации?