Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 5

Гамма-радиометрия

Цель работы: приобретение практических навыков по использованию сцинтилляционного гамма-ра­диометра; определение удельной активности проб относительным методом.

1. Основные теоретические положения

Явление самопроизвольного (спонтанного) изменения структуры ядра атома одного элемента и превращение его в более устойчивое ядро атома другого элемента называется радиоактивностью, а само неустойчивое ядро – радиоактивным.

Радиоактивность характеризуется сортом и энергией вылетающих частиц, длительностью протекания процесса (постоянная распада , среднее время жизни , период полураспада Т_12). Основные виды радиоактивного распада – альфа () и бета (). Бета- и гамма-радиоактивность присуща и легким, и средним, и тяжелым ядрам, альфа-радиоактивность встречается только среди тяжелых ядер. Принято говорить о естественной и искусственной радиоактивности (возникновение искусственной радиоактивности произошло из-за человеческой деятельности – создание ускорителей и реакторов). В настоящее время большинство радиоактивных ядер произведено искусственным путем.

Каждый такой отдельный акт самопроизвольного превращения ядер с испусканием элементарных частиц или их групп называется радиоактивным распадом. Если радиоактивный распад сопровождается испусканием альфа-частиц, он называется альфа-распадом; бета-частиц – бета-распадом.

Альфа- и бета-распад обычно сопровождаются гамма-излучением. Возникающие при самостоятельных превращениях ядер атомов потоки элементарных частиц или их групп являются ионизирующими излучениями.

Закон радиоактивного распада для любых превращений ядер устанавливает, что за единицу времени распадается всегда одна и та же доля нераспавшихся ядер данного радионуклида. Эту долю называют постоянной распада и обозначают . В общем виде этот закон выражается экспоненциальной зависимостью

, (5.1)

где N – число ядер, не распавшихся за время t; N₀ – начальное число ядер радионуклида; е = 2,718;  – постоянная распада, зависящая только от устойчивости ядер.

Для характеристики устойчивости ядер радиоактивного вещества относительно распада используется понятие периода полураспада. Период полураспада радионуклида (Т_1/2) – это время, в течение которого первоначальное число радиоактивных ядер N₀ уменьшается в два раза. Связь между постоянной распада () и периодом полураспада (Т_1/2) описывается соотношением

. (5.2)

Величина, обратная постоянной распада, называется средним временем жизни  радиоактивного ядра.

Активностью радионуклида в источнике называется отношение числа радиоактивных распадов, происходящих в этом источнике за интервал времени, к величине этого интервала (скорость распада ядер).

Если радиоактивное вещество содержит N атомов и его постоянная распада , то активность будет равна

. (5.3)

Известно, что постоянная радиоактивного распада и период полураспада Т_1/2 связаны соотношением

. (5.4)

Моль вещества содержит 6,0210²³ атомов (число Авогадро). В массе m вещества с массовым числом А число атомов

. (5.5)

Тогда активность источника выражается формулой

, (5.6)

где А_n – активность радионуклида, Бк; m – масса радионуклида, г; А – массовое число радионуклида; Т_1/2– период полураспада радионуклида, с.

Активность источника, в котором содержатся радиоактивные ядра одного вида, уменьшается во времени по экспоненциальному закону:

, (5.7)

где А₀ – активность источника в начальный момент времени (t = 0); t – текущее время, которому соответствует активность вещества A_t.

Чем меньше период полураспада, тем большая доля ядер атомов радионуклида распадается в единицу времени. Число распадов в единицу времени в данном количестве радиоактивного вещества выражает активность вещества. Поэтому количество радиоактивного вещества удобнее выражать не в весовых единицах, а в единицах активности.

Единицей измерения активности в Международной системе единиц (СИ) является беккерель (Бк). Беккерель равен активности нуклида в радиоактивном источнике, в котором за время 1 с происходит 1 распад, т. е. 1 Бк = 1 распад/с. В практике еще используется внесистемная единица измерения активности – кюри (Ки). Кюри равен активности нуклида в радиоактивном источнике, в котором за время 1 с происходит 3,710¹⁰ распадов, т. е. 1 Ки = 3,710¹⁰ Бк. Такой активностью обладает 1 г радия, что и было принято за единицу измерения – кюри. 1 Бк = 1 распад/с = = 2,70310^–11 Ки.

Радиометрия – совокупность методов измерения активности радиоактивного источника. Радиометр – прибор для проведения таких измерений. В соответствии с сортом регистрируемых частиц говорят о гамма-, бета-, альфа-радиометрах.

Методы измерения активности подразделяются на абсолютный и относительный.

При абсолютном методе активность источника устанавливается по числу зарегистрированных частиц n, значению относительного телесного угла, под которым источник «видит» детектор, и эффективности регистрации (отношение числа зарегистрированных частиц к числу частиц, поступивших на детектор). Но определение последних двух величин для объемного источника является трудоемкой задачей; это обстоятельство и необходимость учета ряда поправок затрудняют широкое распространение абсолютного метода.

В относительном методе активность изучаемого образца А_X сравнивается с известной активностью стандартного источника той же геометрии и близкого состава: А_X = Аn_X / n. Для реализации как абсолютного, так и относительного метода необходимы предварительные сведения о радиоизотопном составе исследуемых образцов (схемах распада радиоактивных ядер, входящих в образцы).

В данной работе используется сцинтилляционный гамма-радиометр для определения удельной активности изотопа цезия-137 в жидких (вода, молоко, растительное масло и т. п.), сыпучих (мука, крупа, сахар, соль и т. п.) и твердых (мясо, сыр, овощи и т. п.) продуктах питания относительным методом.