Контрольные вопросы

1. Опишите механизм возникновения спонтанного и индуцированного излучения атомов.

2. Укажите основные свойства индуцированного излучения.

3. Опишите устройство и принцип действия газового лазера.

4. Какое состояние называется инверсией населенностей?

5. Как создается инверсия населенностей атомов в гелий-неоновом лазере?

6. Каково назначение резонатора в газовом лазере?

7. Укажите возможности применения лазеров.

8. Как с помощью дифракционной решетки определить длину волны света?

9. Как в работе определить размеры эритроцитов?

Литература

1. А.Н. Ремизов Медицинская и биологическая физика. – М.: Высшая школа, 1999. – § 30.1.

2. Ливенцев Н.М. Курс физики. Атомная и ядерная физика. Основы медицинской электроники и кибернетики. – М.: Высшая школа, 1978. – § 113.

3. Лаврова И.В. Курс физики. – М.: Просвещение, 1981. – §§ 97, 98.

4. Трофимова Т.И. Курс физики. – М.: Высшая школа, 1997. – §§ 232, 233.

Лабораторная работа № 21

Изучение закона радиоактивного распада

Цель работы: снятие кривых распада -активных изотопов атмосферного воздуха.

Приборы и принадлежности: счетчик -излучений УИМ2-1е, пылесос, ватный фильтр, секундомер.

Радиоактивность – это явление самопроизвольного превращения одних атомных ядер в другие, сопровождающееся испусканием различных видов ионизирующих излу­чений (-, -, - и некоторых элементарных частиц).

-излучение. Оно представляет собой -частицы ( ), т.е. ядра гелия. Вслед­ствие наличия положительного заряда -частицы отклоняются электрическими и маг­нитными полями. Скорость, с которой вылетают -частицы, составляет около 10⁷ м/с.

-излучение. Оно представляет собой электроны, обладающие скоростью от 10⁸м/с до 0,999 с. Вследствие наличия отрицательного заряда электроны отклоняются электрическими и магнитными полями в противоположную сторону по сравнению с -частицами.

-излучение. Это электромагнитное излучение с длиной волны приблизительно 10^-12 м и соответственно частотой около 10²⁰ Гц. Оно не отклоняется электрическими и магнитными полями.

При искусственных превращениях ядер могут возникать изотопы, испускающие радиоактивное излучение четвертого типа.

⁺-излучение. Оно представляет собой позитроны, т.е. частицы, которые отли­чаются от электронов только знаком заряда.

Особенностью радиоактивного распада является то, что ядра одного и того же элемента распадаются не все сразу, а постепенно, в различное время. Момент распада каждого ядра не может быть указан заранее, однако теория позволяет установить вероятность распада одного ядра за единицу времени. Эта вероятность характеризуется коэффициентом, который называется постоянной распада . Размерность постоянной распада зависит от выбранных единиц измерения времени: с^-1, мин^-1, час^-1 и т.д.

Величина, обратная постоянной распада,  = 1/, называется средней продолжительностью жизни ядра.

Основной закон радиоактивного распада устанавливает, что за единицу времени распадается всегда одна и та же доля наличных (т.е. еще не распавшихся) ядер данного элемента (эта доля характеризуется постоянной распада ).

Из закона следует, что количество dN ядер, распадающихся за промежуток времени dt, прямо пропорционален количеству N ядер, еще не распавшихся к началу данного промежутка времени, и промежутка dt:

– dN = Ndt, (1)

где  – постоянная распада. Знак минус показывает на убывание со временем величины N. Решением уравнения является экспоненциальная функция

N = N₀e^-t, (2)

где N₀ – исходное количество ядер (в момент t = 0).

График этой зависимости приведен на рис.1.

С корость распада различных радиоактивных элементов характеризуют периодом полураспада Т. Так называется время, в течение которого распадается половина исходного количества радиоактивных ядер. Период полураспада Т можно определить из следующих соображений. При t = T количество нераспавшихся ядер . При этом , откуда . Решение этого уравнения дает

. (3)

Период полураспада для различных элементов имеет значения от доли секунды до миллионов лет. Соответственно и радиоактивные изотопы разделяются на короткоживущие (минуты, часы, дни) и долгоживущие (многие годы).

В условиях, когда радиоактивное излучение используется для каких-либо целей (как, например, в медицине), необходимо знать общее количество распадов, происходящих в данном количестве (массе) радиоактивного элемента в единицу времени. Эта величина А называется активностью:

.

Активность обычно характеризуется числом распадов за одну секунду. Активность – это абсолютная скорость распада данного количества радиоактивного элемента, поэтому она зависит как от природы элемента, так и от наличного количества N ядер.

Используя формулы (1, 2, 3), можно найти следующую зависимость для активности:

, (4)

. (5)

Таким образом, активность препарата тем больше, чем больше радиоактивных ядер и чем меньше их период полураспада! Активность препарата со временем убывает по экспоненциальному закону.

Единица активности – беккерель (Бк), что соответствует активности нуклеида в радиоактивном источнике, в котором за 1 с происходит один акт распада. Наиболее употребительной единицей активности является кюри (Ки); 1 Ки = 3,710¹⁰ Бк = 3,710¹⁰ с^-1. Кроме того, существует еще одна внесистемная единица активности – резерфорд (Рд); 1 Рд = 10⁶ Бк = 10⁶ с^-1.

Ионизирующее излучение оказывает специфическое воздействие на биологиче­ские объекты. Его физическое воздействие на ткани живого организма заключается в процессах возбуждения и ионизации атомов и молекул. При этом разрываются химиче­ские связи молекул и сами молекулы распадаются на составные химические радикалы. Такие изменения вызывают нарушения в нормальной жизнедеятельности клетки и могут привести к ее гибели. Биологический эффект воздействия зависит от вида ионизирую­щего излучения, дозы облучения, времени воздействия, размеров облучаемой поверхно­сти и индивидуальной чувствительности организма.

Любые виды ионизирующих излучений являются опасными для организма. Дли­тельное воздействие облучения в значительных дозах может привести к тяжелым по­следствиям. Наиболее чувствительными к поражению являются кровь и клетки крове­творных органов. Поэтому первым признаком лучевого поражения является изменение состава крови. При облучении нарушается способность клеток к делению, вследствие чего сильнее поражаются растущие организмы.

Альфа-излучение радиоактивных изотопов обладает малой проникающей способ­ностью. Потоки -частиц при внешнем облучении не представляют опасности для человека, так как они полностью задерживаются тканью одежды, а при попадании на открытые участки тела поглощаются ороговевшим слоем кожи. Однако при попадании -радиоактивных веществ внутрь организма излучение оказывает губительное дейст­вие на клетки. Бета-излучение обладает большей проникающей способностью и может представлять опасность и при внешнем облучении.

Работа с любыми источниками радиоактивного излучения требует принятия мер для защиты человека от его воздействия. Для выбора необходимых способов и средств защиты следует знать дозы ионизирующих излучений, а также активность радиоактив­ных препаратов. Для определения доз применяются дозиметрические устройства – до­зиметры. Активность радиоактивных изотопов измеряют радиометрами.

Атмосферный воздух обладает естественной радиоактивностью, которая обуслов­лена в основном наличием в нем радона и продуктов его распада. Радон – инертный газ, являющийся продуктом распада радия, содержащегося в почве. Количество радона в воздухе определяется содержанием радия в почве и условиями выхода радона из почвы. Продуктами распада радона ²²²₈₆Rn являются изотопы ²¹⁸₈₆Ро, ²¹⁴₈₂Pb, ²¹⁴₈₃Bi, ²¹⁴₈₄Ро и др.

Несмотря на малую концентрацию этих изотопов в воздухе, их можно сравни­тельно легко обнаружить. При встрече с твердыми частицами дыма, пыли, капельками тумана радиоактивные изотопы оседают на их поверхности. Если пропустить значи­тельный объем воздуха через фильтр, улавливающий твердые частицы, то можно скон­центрировать естественные радиоактивные изотопы, присутствующие в данном объеме воздуха, в небольшом объеме фильтра. Для этой цели можно использовать специальные аэрозольные фильтры, а также вату, фильтровальную бумагу. Активность полученного таким образом препарата зависит в основном от -радиоактивности изотопов ²¹⁴₈₂Pb и ²¹⁴₈₄Вi.