Ядро атома. Радиоактивность.

По современным представлениям, ядра атомов состоят из протонов и нейтронов, называемых нуклонами. В свободном состоянии протоны и нейтроны - самостоятельные частицы, но в ядре они могут взаимно превращаться и тогда рассматриваются как различные состояния одной и той же частицы. Масса покоя свободного нуклона близка к 1 атомной единице массы (а.е.м.) (1 а.е.м.=1/12 массы С-12). Протон имеет положительный заряд, равный по величине заряду электрона, нейтрон заряда не имеет.

Число протонов Z в ядре равно атомному номеру элемента. Общее число нуклонов в ядре определяется его массовым числом А.

Массовое число - это целое число, ближайшее к атомной массе элемента, выраженной в а.е.м.

Число нейтронов в ядре равно N=A – Z

Ядро обозначается химическим символом элемента с нижним Z и верхним A индексами: _zX^А

Большинство химических элементов имеют разновидности, называемые изотопами, ядра которых имеют одинаковый атомный номер, но различаются по атомной массе, т.е. они, содержат одинаковое число протонов и различное число нейтронов. (₁Н¹, ₁Н²,₁Н^3*).

Нуклоны в ядре связаны особыми силами взаимного притяжения, называемые ядерными силами. Они не являются ни гравитационными ни электрическими ни магнитными. По величине они значительно превышают электростатические силы отталкивания между протонами.

В настоящее время наиболее вероятной считается мезонная теория ядерных сил, согласно которой нуклоны взаимодействуют друг с другом путем обмена особыми элементарными частицами - мезонами.

Основные свойства ядерных сил:

1. Ядерные силы - короткодействующие. Радиус действия 10^-13 см. При увеличении расстояния между нуклонами они резко убывают и на расстоянии порядка 10^-12 см становятся практически равными нулю.

2. Ядерные силы - сильнодействующие. Они на несколько порядков выше, чем силы любых других известных в природе взаимодействий.

3. Ядерные силы - действуют между нуклонами, независимо от их электрического заряда. Это свойство называется зарядовой независимостью ядерных сил.

4. Они имеют свойство насыщения, т.е. каждый нуклон взаимодействует только с ограниченным числом окружающих его нуклонов, поэтому при увеличении числа нуклонов в ядре ядерные силы не возрастают.

Устойчивость атомных ядер зависит от общего числа нуклонов A в ядре, а также от соотношения числа нейтронов и протонов N/Z. Наиболее прочными являются легкие ядра. По мере увеличения общего числа нуклонов в ядре устойчивость ядра ослабляется, вследствие чего у элементов последнего ряда происходит самопроизвольный распад, называемый одной из разновидностью радиоактивности.

Радиоактивность – свойство ядер определенных элементов самопроизвольно превращаться в ядра других элементов с испусканием особого рода излучения, называемого радиоактивным излучением.

Радиоактивные явления, происходящие у встречающихся в природе радионуклидов, называются естественной радиоактивностью, а происходящие в искусственно полученных радионуклидах - искусственной радиоактивностью. Оба вида радиоактивности подчиняются одним и тем же законам.

Радиоактивное излучение сложное по составу. Различают шесть видов: a-, b-, g-излучения, спонтанное деление, протонная и двухпротонная радиоактивность.

Все радиоактивные излучения:

1. Обладают фотохимическим действием.

2. Вызывают ионизацию газов и веществ, через которые проходят.

3. Вызывают свечение (флюоресценцию) ряда твердых тел и жидкостей.

4. Радиоактивные излучения сопровождаются выделением энергии.

Удельная ионизация характеризуется количеством пар ионов, образующихся на 1 см пробега частицы в воздухе.

Рассмотрим четыре вида радиоактивности:

Альфа-излучение состоит в самопроизвольном превращении ядра с испусканием a-частицы (ядра атома гелия-4). Схема этого распада с учетом правила смещения записывается в виде _ZX^A®_Z-2Y^A-4+₂He⁴, где X и Y - символы соответственно материнского и дочернего ядра

₈₈Ra²²⁶®₈₆Rn²²²+₂He⁴

В связи с выбрасыванием a-частицы заряд ядра и соответственно атомный номер элемента уменьшаются на две единицы, а массовое число - на четыре единицы.

Распределение испускаемых частиц по энергиям называется спектром радиоактивного излучения.

Альфа-частицы, испускаемые определенным элементом, составляют несколько групп с близкой энергией, поэтому спектр состоит из нескольких близко расположенных линий.

Бета-распад заключается во внутриядерном взаимном превращении нейтрона и протона.

Различают три вида b-распада.

1. Электронный распад проявляется в вылете из ядра электрона. Энергии b-частиц принимают всевозможные значения, поэтому спектр энергий - сплошной.

2. Схема b^--распада с учетом правила смещения: _ZX^A®_Z+1Y^A+_-1b⁰+n, где n-антинейтрино. Примером b^--распада может быть превращение трития в гелий. ₁H³®₂He³+_-1e⁰+n

При b^--распаде электрон образуется вследствие внутриядерного превращения нейтрона в протон: ₀n¹®₁p¹+_-1e⁰+n

3. Позитронный распад b⁺. Его схема _ZX^A®_Z-1Y^A+₊₁b⁰+n, где n-нейтрино. Пример - распад изотопа фосфора с образованием кремния: ₁₅P³⁰®₁₄Si³⁰+₊e⁰+n

При b⁺- распаде позитрон образуется вследствие внутриядерного превращения протона в нейтрон: ₁p¹®₀n¹+₊₁e⁰+n

Электронный захват. Этот вид радиоактивности заключается в захвате ядром одного из внутренних электронов атома, при этом протон ядра превращается в нейтрон: ₁p¹+_-1b⁰®₀n¹+n

Схема электронного захвата: _ZX^A+_-1b⁰®_Z-1Y^A+n. Пример: ₄Be⁷+_-1e⁰®₃Li⁷+n

Ядро, образовавшееся в результате a- и b-распада, находится обычно в возбужденном состоянии, поэтому, как правило, сопровождаются g-излучением - это жесткое электромагнитное излучение.

Возвращение возбужденного ядра в основное состояние может происходить как единым переходом, так и ступенчато через промежуточные энергетические уровни, тогда излучается несколько g-фотонов с разной энергией. Поэтому g-излучение имеет линейчатый спектр.

Рассмотрим четвертый вид радиоактивности - спонтанное деление.

Примером такого деления может служить деление изотопа ₉₂U²³⁵ под действием тепловых нейтронов (их энергия до 0.5 эВ).

Тяжелое ядро при захвате нейтрона может разделиться на две приблизительно равные части. Образовавшиеся части называют осколками деления. Этот процесс сопровождается выделением огромной энергии (₉₂U²³⁵ - 8·10¹⁰ Дж).

Осколки деления в момент своего образования обладают избытком нейтронов. Эти нейтроны, испускаемые осколками, называются нейтронами деления. Так для ₉₂U²³⁵ на один акт деления образуется 1-3 нейтрона. Если каждый нейтрон, возникший в реакции деления, взаимодействует с соседними ядрами делящегося вещества, вызывает в них реакцию деления, то происходит лавинообразное нарастание числа актов деления - цепная реакция деления.

Условием возникновения цепной реакции является наличие размножающихся нейтронов.

Коэффициентом размножения нейтронов К называется отношение числа нейтронов, возникающих в некотором звене реакции, к числу таких нейтронов в предыдущем звене.

Если k®1, то происходит цепная реакция.

Практическое применение этого вида радиоактивности - атомная энергетика, атомная и нейтронная бомба.

В 1934 г. Французские ученые Ирен и Фредерик Жолио-Кюри открыли явление искусственной радиоактивности. Оно состоит в том, что при некоторых ядерных реакциях, осуществляемых с помощью элементарных частиц (a-частиц, нейтронов и др.), могут возникать искусственно радиоактивные ядра, дающие собственные радиоактивные излучения. Примеры: 1. ₁₃Al²⁷+₂He⁴®₁₅P³⁰+₀n¹; ₁₅P³⁰®₁₄Si³⁰+₊₁b⁰+n

2. ₂₆Fe⁵⁶+₀n¹®₂₅Mn⁵⁶+₁p¹; ₂₅Mn⁵⁶®₂₆Fe⁵⁶+_-1b⁰+ύ

Радиоактивный распад - статистический процесс. Нельзя указать заранее момент распада ядра, но можно установить вероятность этого распада. Эта вероятность характеризуется коэффициентом распада l, который называется постоянной распада и зависит только от природы элемента.

Процесс распада подчиняется основному закону радиоактивного распада.

За равные промежутки времени распадается одинаковая доля наличных (т.е. не распавшихся к началу данного промежутка времени) ядер данного элемента.

Пусть за достаточно малый интервал времени dt распадается dN ядер. Оно будет пропорционально этому интервалу времени и общему числу N радиоактивных ядер: dN=-lN₀dt

Пусть при t=0, N=N₀ (начальное число ядер). Решая дифференциальное уравнение, получим: (dN)/N₀=-ldt

(знак интеграла, над – N, под – N₀)(dN)/N₀=-l(знак интеграла, над – t, под – 0)dt

lnN(вертикальная черта, над – N, под – N₀)=-lt(вертикальная черта, над – t, под – 0)

lnN-lnN₀=-lt

ln(N/N₀)=-lt, потенцируем, тогда (N/N₀)=e^-lt

N=N₀e^-lt

На практике чаще используют другую характеристику - период полураспада Т.

Период полураспада - это время, в течение которого распадается половина исходных радиоактивных ядер.

Исходя из этого: N₀/2=N₀e^-lt

1/2=e^-lt

ln2=lt

T=ln2/l=0,692/l

При использовании радиоактивных источников важно знать число ядер, распадающихся за секунду и вылетающих из вещества.

Скорость распада называется активностью радиоактивного вещества.

A=-(dN/dt)

A=lN=0,693N/T

A=lN₀e^-lt

Она является существенной характеристикой радиоактивного источника. Таким образом, активность тем больше, чем больше радиоактивных ядер и чем меньше их период полураспада. Активность препарата со временем убывает по экспоненциальному закону.

Единица активности - беккерель (Бк) - за 1 с происходит один акт распада.

1Бк=1с^-1

Наиболее употребительной единицей активности является кюри (Ки):

1Ки=3,7·10¹⁰Бк=3,7·10¹⁰с^-1

Внесистемная единица активности - резерфорд (Рд)

1Рд=10⁶Бк=10⁶с^-1

Детекторы (регистраторы) ионизирующих излучений условно можно разделить на три группы: следовые (трековые) детекторы, счетчики и интегральные приборы.

К следовым относят камеру Вильсона, диффузионную, пузырьковую камеры и толстослойные фотопластинки. Общим для них является то, что наблюдаемая частица ионизирует молекулы или атомы вещества на своем пути. Образованные ионы проявляются по вторичным эффектам: конденсация перенасыщенного пара (камера Вильсона и диффузионная); парообразование перегретой жидкости (пузырьковая камера); фотохимическое действие (толстослойные фотопластинки).

К следующей группе методов и приборов наблюдения и регистрации относятся сцинтилляционный и ионизационный счетчики. Сцинтилляционный счетчик основан на радиолюминесценции, т. е. флуоресценции вещества под действием радиоактивного излучения. Он представляет собой экран, покрытый люминофором, на котором каждый удар радиоактивной частицы вызывает свечение его (спинтарископ). Это явление можно наблюдать визуально. Более сложным и очень чувствительным сцинтилляционным счетчиком является фотоэлектронный умножитель (ФЭУ). Он представляет собой стеклянный баллон, в который впаян один катод и несколько анодов А₁, А₂, А₃ и т. д. Вырванные фотоэлектроны под воздействием α-частицы летят к анодам и выбивают из них несколько вторичных электронов, образуя поток электронов. В результате на выходе ФЭУ возникает значительный импульс тока, регистрируемый счетным устройством.

Ионизационный счетчик (счетчик Гейгера-Мюллера) основан на возникновении газового разряда при ионизации газа, движущейся радиоактивной частицей, который является главной частью радиометра.

Он представляет собой стеклянный или металлизированный медью, либо металлический цилиндр, наполненный газом аргоном (рис. 1.8.1). По его оси натянута металлическая нить, имеющая относительно стенок трубки положительный потенциал порядка 1000 В. Попадание во внутрь цилиндра ионизирующей частицы приводит к появлению в счетчике ионов - это первичная ионизация. Эти ионы, ускоряясь полем, существующим между нитью и цилиндром, вызывают вторичную "лавинную" ионизацию, в трубке начинается разряд.

При рассмотрении вольтамперной характеристики счетчика (рис. 1.8.2) зависимость тока, протекающего через счетчик, от приложенного напряжения - видно, что на участке графика 0-U₁ ток в цепи счетчика изменяется прямо пропорционально приложенному напряжению (первичная ионизация). Далее на участке (2) при повышении напряжения значения тока остаются постоянными (ток насыщения при первичной ионизации). Дальнейшее увеличение напряжения на участке графика 3 возникает вторичная ионизация газа (регулируемый разряд). На участке 4 дальнейшее увеличение напряжения вызывает самостоятельный (лавинообразный не регулируемый) разряд. Счетчик работает в режиме самостоятельного разряда (участок U₃-U₄). Так как в момент лавинообразной ионизации счетчик не может реагировать на новые частицы, то возникающий разряд должен быть погашен.

Простейший способ гашения лавинообразного разряда в счетчике состоит в том, что в цепь счетчика включается большое нагрузочное сопротивление R_H около 10⁸ Ом. Тогда импульс тока в трубке вызывает на этом сопротивлении большое падение напряжения, при этом напряжение на счетчике резко уменьшается - разряд гасится и счетчик готов к приему следующей ионизирующей частицы.

Таким образом, за один акт попадания ионизирующей частицы в счетчик он отвечает одним импульсом тока.

Самогасящиеся счетчики содержат помимо инертного газа еще многоатомные спирты (например, Ar+10% C₂H₅OH при давлении 10 мм рт.ст.). В таких трубках разряд прекращается вследствие поглощения энергии ионизированных молекул аргона парами спирта. В трубке возникает импульс, а разряд гасится. Такие счетчики способны считать за 1 секунду до 10000 ионизирующих частиц.

Рассмотрим блок-схему радиометра, в котором основной частью является счетчик Гейгера-Мюллера.

Радиометр состоит из 6 основных блоков:

1 - счетчик Гейгера-Мюллера; 2 - усилитель; 3 - блок питания; 4 - блок формирования прямоугольных импульсов; 5 - пересчетное устройство; 6 - регистратор числа импульсов.

Радиоактивные нуклиды в медицине используют в двух направлениях - диагностике и с исследовательскими целями. Другая группа методов основана на применении ионизирующего излучения для биологического действия с лечебной целью. Сюда же можно отнести бактерицидное действие излучения.

Метод меченых атомов состоит в том, что в организм вводят радионуклиды и определяют их место нахождения и активность в органах и тканях. По скорости изменения концентрации радионуклидов можно делать диагностический вывод о состоянии органа или ткани.

Для обнаружения распределения радионуклидов используют гамма-топограф, который автоматически регистрирует распределение радиоактивного препарата. Он представляет собой сканирующий счетчик, который постепенно проходит участки над телом больного. Регистрация излучения фиксируется штриховой отметкой на бумаге.

Используя изотопные индикаторы, можно проследить за обменом веществ в организме, определять общий объем жидкости в нем.

В эксперименте более детальные сведения можно получить методом авторадиографии. На биологическую ткань наносится слой чувствительной фотоэмульсии. Радионуклиды оставляют след в соответствующем месте эмульсии, как бы фотографируя себя. Полученный "снимок" называют радиоавтографом или авторадиограммой. Радионуклиды вводят в количествах, не оказывающих вредного действия на организм.

В лечебном применении используются в основном γ-излучение (гамма-терапия), гамма-камера состоит из источника, обычно защитного контейнера, внутри которого помещен источник. Больной размещается на столе. Гамма излучение высокой энергии (порядка 1,0 -1,4 МэВ) позволяет разрушать глубоко расположенные опухоли, при этом поверхностные органы и ткани подвергаются меньшему губительному действию.

В настоящее время в медицинской практике применяются ускорители заряженных частиц как средство лучевой терапии для глубоко расположенных злокачественных образований.