Определение основного закона радиоактивного распада

Количество любого радиоактивного изотопа со временем уменьшается вследствие радиоактивного распада (превращения ядер). Скорость распада определяется строением ядра, и поэтому нельзя повлиять на этот процесс никакими обычными физическими или химическими способами, не изменив состояние ядра атома. Для каждого радиоактивного элемента средняя скорость распада его атомов постоянна, неизменна и характерна только для данного элемента. Постоянная радиоактивного распада (λ) показывает вероятность распада определенной доли ядер в единицу времени. Размерность постоянной распада выражают в обратных единицах времени: с^-1, мин^-1, ч^-1 и т.д., чтобы показать, что количество радиоактивных ядер не растет, а убывает.

Основной закон радиоактивного распада устанавливает, что за единицу времени распадается всего одна и та же доля имеющихся в наличии ядер.

Для характеристики скорости распада радиоактивных элементов в практике пользуются вместо постоянной распада периодом полураспада.

Период полураспада (T_1/2) – это время, в течение которого распадается половина исходного количества радиоактивных ядер. Он обозначается буквой T и выражается в единицах времени. Для радиоактивных изотопов период полураспада имеет значение от долей секунды до миллиарда лет. Соответственно и радиоактивные элементы разделяются на короткоживущие (часы, дни) и долгоживущие (годы).

Особенность радиоактивного распада состоит в том, что ядро одного и того же элемента распадаются не все сразу, а постепенно, в различное время. Момент распада каждого ядра не может быть указан заранее. Поэтому распад любого радионуклида, подчиняясь статическим закономерностям, носит вероятностный характер и может быть математически определен для большого количества радиоактивных атомов. Иными словами, распад ядер происходит неравномерно то большими, то меньшими порциями. Из этого следует практический вывод, что при одном и том же времени счета радиоактивного препарата мы можем получить разные значения. Следовательно, для получения верных данных необходимо одну и ту же пробу считать не один, а несколько раз и чем больше, тем точнее будут показатели.

 

 

Методы регистрации и измерения радиоактивных излучений

Методы обнаружения и регистрации ионизирующих излучений

Радиоактивные излучения не воспринимаются органами чувств. Эти излучения могут быть обнаружены (детектированы) при помощи приборов и приспособлений, работа которых основана на физико-химических эффектах, возникающих при взаимодействии излучений с веществом.

В практике наиболее употребительны ионизационные детекторы излучений, которые измеряют непосредственные эффекты взаимодействия излучения с веществом – ионизацию газовой среды (ионизационные камеры, пропорциональные счетчики и счетчики Гейгера-Мюллера, а также коронные и искровые счетчики).

Другие методы предусматривают измерение, вторичных эффектов, обусловленных ионизацией, - фотографический, люминесцентный, химический, калориметрический и др.

Ионизирующие детекторы излучения представляют собой заполненную воздухом или газом камеру с электродами для создания в ней соответствующего электрического поля.

При отсутствии напряжения на электродах все ионы, созданные начальной ионизацией, полностью рекомбинируют в нейтральные ионы. При возрастании напряжения, ионы под действием электрического поля обретают направленной движение; положительные ионы под действием собираются на катоде, а электроны – на аноде. В цепи возникает ионизационный ток, который может быть зарегистрирован прибором. Величина ионизационного тока служит мерой количества излучения.

Ионизационная камера

Это один из распространенных детекторов излучения. Ее применяют для измерения всех типов ядерных излучений. По конструктивному оформлению ионизационные камеры могут быть плоские, цилиндрические и сферические с объемом воздуха 0,5-5 л. Есть миниатюрные ионизационные камеры – наперстковые, смонтированные в футляре, по форме похожие на авторучку. Их используют как индивидуальные дозиметры. Воздушный объем таких камер колеблется от нескольких кубических сантиметров до их долей.

Камеры с большим объемом более чувствительны, поэтому для измерения малых доз излучения используют камеры с большим объемом.

Для работы ионизационной камеры существенны: материал, толщина стенок, величина и форма камеры, природа и состояние наполняющего газа, пространственное распространение излучения в камере и способ измерения ионизационного тока. Обычно в стенке камеры изготавливают из воздухоэквивалентного материала, 1 г которого поглощает такую же энергию, как и 1 г воздуха при одинаковых условиях облучения. Такими материалами служат органические пластмассы: бакелит, резит, полистирол и т.п. толщина стенок составляет 2-4 мм. Ток насыщения, в режиме которого работают ионизационные камеры, достигается при напряжении 150-300 В.

Ионизационные камеры в зависимости от назначения и конструкции могут работать в импульсном и интегральном режимах. Импульсные камеры используют для регистрации отдельных тяжелых заряженных частиц (α-частиц, протонов, ядра различных элементов и т.д.). удельная ионизация легких частиц (электронов, позитронов) сравнительно мала, поэтому регистрация их в импульсном режиме неэффективна. Токовые камеры принимают для измерения интенсивности всех типов излучения, которые пропорциональны среднему току, проходящему через камеру. Поскольку величина ионизирующего тока пропорциональна энергии излучения, то ионизационные камеры измеряют ток насыщения в единицу времени, т.е. мощность дозы данного излучения. Поэтому они могут быть отградуированы в единицах мощности дозы. Следовательно, ионизационные камеры могут быть использованы не только для измерения дозы излучения, но и ее мощности.

Пропорциональные счетчики отличаются от ионизационной камеры тем, что начальное усиление первичной ионизации происходит внутри самого счетчика (коэффициент газового усиления = 10³-10⁴). Использование газового усиления в пропорциональных счетчиках дает возможность значительно повысить чувствительность измерений и упростить схему усиления сигнала по сравнению с ионизационными камерами. Наличие пропорционального усиления в счетчиках позволяет определить энергию ядерных частиц и изучить их природу.

Пропорциональные счетчики в большинстве случаев используются для регистрации α-частиц.

Счетчики Гейгера-Мюллера

Счетчики Гейгера-Мюллера (газоразрядные счетчики), конструктивно мало отличаются от пропорциональных счетчиков цилиндрического и торцевого типа.

Основное различие состоит в том, что внутренний объем счетчика Гейгера заполнен инертным газом при пониженном давлении (15-75 гПа), а работа осуществляется в области Гейгера, т.е. в режиме самостоятельного газового разряда.

Время, в течение которого счетчик не может зарегистрировать попавшую в него частицу (квант), называется мертвым временем счетчика. Мертвое время самогасящихся счетчиков составляет 10^-4 с.

Время, в продолжение которого счетчик способен регистрировать частицы (кванты) раздельно, характеризует его разрешающую способность. Несамогасящиеся счетчики способны раздельно регистрировать не более 10²-10³ имп/с, самогасящиеся – до10⁴ имп/с. В настоящее время самогасящиеся счетчики, обладающие высокой эффективностью счета, полностью вытеснили несамогасящиеся.

Под эффективностью счета понимают процентное соотношение числа зарегистрированных счетчиком импульсов к общему числу частиц (квантов), попавших за этот же отрезок времени в рабочий объем счетчика. Эффективность счета определяют путем измерения излучения радиоактивных препаратов с известной активностью (эталонов).

Счетчики Гейгера-Мюллера применяются для регистрации всех видов излучений, но чаще для β- и γ-излучений. Конструкция счетчиков определяется теми задачами, которые они призваны решать. Для счета α- и β-частиц малых энергий 0,1-0,2 МэВ – применяются торцевые счетчики с тонким входным отверстием (1-5 мг/см²).

Для обнаружения β-излучений средней и большой энергии используют цилиндрические счетчики, имеющие стенки из нержавеющей стали и алюминия, толщиной 40-45 мг/см².

Счетчики для регистрации γ-излучения имеют некоторую особенность в конструкции. Регистрация γ-излучения возможна в результате выбивания вторичных электронов из катода счетчика на основе известных трех механизмов взаимодействия данного излучения с веществом: фотоэффекта, образование электронно-позитронных пар. Вторичные электроны (фотоэлектроны, электроны отдачи), попадая в чувствительный объем счетчика, вызывают газовый разряд (ударную ионизацию), который и регистрируется радиометрическим устройством. В силу того, что γ-кванты слабо поглощаются веществом, эффективность γ-счетчика очень мала и не превышает 1%. Для повышения эффективности счета γ-квантов стенки γ-счетчиков делают из материалов с большим атомным номером и более толстыми (с учетом величины максимального пробега вторичных электронов в данном веществе).