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

Число нейтронов в ядре равно N = А – Z. Ядро обозначается химическим символом элемента с нижним Z и верхним А индексами: ZXA. 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. (1H1, 1H2, 1H3*). 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 1013 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 А 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: α, β, γ - излучения, спон­танное деление, протонная и двух протонная 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 α-частицы. Схема этого распада с учетом правила смещения записывается в виде

ZXA◊ Z-2YA-2 + 2α4,

где X и Y - символы соответственно материн­ского и дочернего ядра

88 Ra 226 → 86 Rn 222 + 2 Не 4

В связи с выбрасыванием α - 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 групп1 с близ­кой энергией, поэтому спектр со­стоит из не­скольких близко расположенных линий.

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

Различают три вида β - распада.

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

2. Схема β- - распада с учетом правила смеще­ния:

ZXA → Z+1Y A + -1 β 0 + v,

где - антинейтрино. Примером β- - распада может быть превра­щение трития в гелий.

1H3 → 2He3 + -1e0 + v

При β- - распаде электрон образуется вследствие внутриядер­ного превращения нейтрона в протон:

0n1 → 1p1 + -1e0 + v

3. Позитронный распад β+. Его схема zXA → Z-1YA ++1 β°+v, где v - нейтрино. При β+- распаде пози­трон образуется вследствие внутри­ядерного пре­вращения протона в нейтрон: 1р1 → 0 n1 + +1 е ° + v

4. Электронный, или е-захват. Этот вид радиоак­тивности заключа­ется в захвате ядром одного из внутренних электронов атома, при этом протон ядра превращается в нейтрон: 1р1 + -1 β0 → on' + v

Схема электронного захвата: zXA+ -1β° → z-1YA + v

Ядро, образовавшееся в результате α и β -рас­пада, находится обычно в возбужденном состоя­нии, поэтому, как правило, со­провожда­ются γ-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 γ-фотонов с разной энергией. Поэтому γ-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 – 8-10'° Дж). Осколки деления в момент своего образования обладают из­бытком нейтронов. Эти нейтроны, испускаемые оскол­ками, назы­ваются нейтронами деления. Так для 92U23S 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 от ношение 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 (а-частиц, ней­тронов и др.), могут возникать искусственно ра­диоактивные ядра, дающие собствен­ные радио­активные излучения.

Радиоактивный распад - статистический про­цесс. Нельзя указать заранее момент распада ядра, но можно установить веро­ятность этого распада. Эта вероятность характеризуется коэф­фи­циентом распада X, 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 = -λNodt

Пусть при t = 0, N = No (начальное число ядер). Решая диффе­ренциальное уравнение, получим:

(dN)/N0 = -λdt

∫(dN)/N0 = -λ ∫dt

InN│ = -λt│

InN – InN0 = -λt

InN/N0 = -λt, потенцируем, тогда N/N0 =e-λt

N = N0e-λt

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-λT

1/2 = e-λT

In2 = λT

T = In2/λ = 0.693/λ

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 = λN = 0.693N/T

A = λN0e-λt

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'

Наиболее употребительной единицей активности является кюри (Ки): 1Ки= 1,7-1010Бк = 3,71010с-1 Внесистемная единица активности - резерфорд (Рд) 1Рд=106Бк=106с1

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 А,, 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. 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 зависимость тока, протекающего через счетчик, от при­ложенного напряжения - видно, что на участке графика 0-U, 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 RH 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, Аг + 10% С2Н5ОН 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.

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 поучить методом авторадиографии. На биологическую ткань наносится слой чувстви­тельной фотоэмульсии. Радионуклиды остав­ляют след в соответствующем месте эмульсии, как бы фотографируя себя. Полученный «сни­мок» называют радиоавтографомили 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.