Основной закон радиоактивного распада в дифференциальной и интегральной форме
ЯГМА
Медицинская физика
Фармацевтический факультет
Курс
Семестр
Лекция № 14,15.
«Элементы ядерной физики»
Выполнила: Крайнова Е.Ю.
2003 г.
1. Радиоактивность, её особенности, виды и характеристика. Естественные радиоактивные изотопы и их характеристика.
Явление радиоактивности было открыто в 1896 году Беккерелем. Он обнаружил, что соли урана испускают лучи, способные проникать через слои прозрачных веществ, ионизировать воздух, действовать на фотографическую пластинку, вызывать люминесценцию ряда веществ.
Радиоактивность - это самопроизвольное превращение неустойчивых ядер одного элемента в ядра другого элемента.
Это явление сопровождается убылью вещества и часто называется радиоактивным распадом.
Особенности:
a. Всегда происходит с выделением энергии.
b. Осуществляется по единому закону (закону радиоактивного распада).
c. Ограничен ≈ 10 видами распада (α-распад, β-распад, γ-распад, нейтронный, протонный и т.д. распады).
| Радиоактивность | |
| Естественная. | Искусственная. |
| ¯ | ¯ |
| Не зависит от внешних условий, происходит в естественно встречающихся элементах вещества. Осуществляется за счет естественных радиоактивных изотопов - первичных и вторичных. | Радиоактивность элементов веществ, созданных человеком, независимо от того, существуют они в природе или нет. |
Оба вида радиоактивности не имеют физических различий и подчиняются одинаковым законам.
Естественные радиоактивные изотопы и их характеристика.
Естественная радиоактивность осуществляется за счёт радиоактивных изотопов.
Изотопы - это разновидность атомов с одинаковыми зарядами ядра, но с разными массовыми числами: 1 1H(протий), 2 1H (дейтерий), 3 1H (тритий).
Естественные радиоактивные изотопы делят на первичные и вторичные.
1. Первичные - образованы в земной коре при формировании Земли. Сейчас остались только первичные изотопы, имеющие период полураспада Т > 108 лет. К ним относятся члены радиоактивных семейств:
A. Семейство урана - радия.
Уран (238) - родоначальник семейства 238 92U в результате 14 радиоактивных превращений дает устойчивый изотоп свинца. 206 82Pb
Б. Семейство тория 232 90Th (Т = 1,39 · 1010 лет) в результате 10 превращений даёт изотоп свинца. 208 32Pb
B. Семейство актиния 235 92U (Т = 7,3 · 108 лет) в результате 11 превращений даёт изотоп свинца. 207 32Pb
2. Вторичные - образуются под действием первичных изотопов или под действием космических лучей (протоны, α - частицы, ядра С, N, O2, фотоны).
Особенности:
А. Подчиняются законам динамического равновесия: их образование уравновешивается распадом.
Б. Они включены в состав живых организмов. Большое биологическое значение имеет вторичный изотоп 14С, который образуется из атмосферного азота под действием космических нейтронов. Изотоп углерода 14С в виде СО2 (углекислого газа) усваивается растениями => животными => человеком. При гибели живых растении и животных радиоактивность в них начинает убывать и по степени убыли можно определить возраст различных ископаемых.
2. "α", "β" и "γ" излучения и их характеристика.
Излучение радиоактивных веществ состоит из трёх компонентов:
1. α-лучи (α - частицы) - ионизированное излучение, несущее положительный заряд. | q | = | 2е | = 3,2 · 10-19Кл. Имеет структуру ядра гелия 4 2 He
А = 4 - массовое число.
Z = 2 - порядковый номер (заряд ядра).
mα = 6,7 · 10-27 кг.
Свойства:
A. Отклоняются электрическим и магнитным полями.
Б. να cp = 10 - 20000 км/с.
Еα = 1,8 ÷ 11,7 МэВ.
Спектр - линейчатый.
B. Пробег α - частицы зависит от вида среды
в воде - 0, 1 мм
в воздухе - 1 см.
Г. Обладают невысокими проникающими способностями (легко поглощаются тонкими слоями вещества; защитой от него являются лист картона, х/б ткань и т.п.).
Д. Имеют самую большую ионизационную способность из всех видов радиоактивных излучений (30 - 40 тысяч пар ионов на 1 см пути пробега в воздухе).
Е. При прохождении через слой вещества число α - частиц не изменяется, а постепенно изменяется их скорость. Когда толщина слоя достигает определенной величины, α-частицы поглощаются веществом все сразу.
2. β-лучи (β - частицы) - ионизированное излучение, состоящее из положительных и отрицательных β - частиц.
β- или 0 -1е - электроны q е= 1,6 · 10-19Кл
β+ или 0 +1е - позитроны me = 9 · 10-31кг
Электроны и позитроны испускаются при ядерных превращениях или образуются при распаде нейтрона. Свойства:
А. Отклоняются электрическим и магнитным полем.
Б. νβ cp ≈ 150000 км/с.
Еβ = 0,018 ÷ 4,8 МэВ.
Спектр - сплошной.
В. Пробег β - частиц в среде зависит от вида среды и энергии β - частиц
в воде - до 1, 5 см
в воздухе - до 100 см
Г. Обладают более высокой проникающей способностью, чем α - лучи (защитой от него является слой металла толщиной 3 мм).
Д. Ионизационная способность меньше, чем у α - лучей (300 - 400 пар ионов на 1 см пути пробега в воздухе).
E. Электронный β- распад наблюдается в основном у тех ядер, у которых число нейтронов ( 0 1n) больше числа протонов ( 1 1Pb)
Nn > NP
Позитронный β - распад наблюдается, если число протонов больше числа нейтронов
Nn < NP
Ж. β - частицы больших энергий, взаимодействуя с ядрами атомов, дают тормозное рентгеновское излучение.
3. γ-излучение - электромагнитное излучение, представляющее собой поток фотонов с высокой энергией (Еф = 1 ÷ 3 МэВ).
Это коротковолновое излучение (λ ≈ 0,1÷ 10-5 нм) возникает как вторичное явление при α и β - распаде. Имеет природу, схожую с природой рентгеновского излучения.
Свойства:
A. Не отклоняется электрическим и магнитным полями.
Б. νγ = νсвета = 3 · 108 м/с.
Еγ = от 10 кэВ до 10 МэВ.
Спектр - линейчатый.
B. Обладает ионизационной способностью меньшей, чем у α и β - лучей (3-4 пары ионов на 1 см пути пробега в воздухе).
Г. Длина пробега γ- лучей в воздухе - до нескольких сот метров.
Д. Обладает очень высокой проникающей способностью (защитой является слой свинца, толщиной 20 см и больше).
В медицине широко используется для лечения глубоко расположенных злокачественных опухолей, в фармации — для стерилизации лекарств и лекарственных смесей.
3. Законы смещения при "α" и "β" распаде.
Законы смещения - это законы, по которым изменяются ядра радиоактивных элементов при "α" и "β" распаде.
При формулировке необходимо учитывать закон сохранения массы и закон сохранения заряда.
Закон сохранения массы:
Массовое число исходного продукта должно быть равно сумме массовых продуктов реакции.
Закон сохранения заряда:
Заряд ядра исходного продукта должен быть равен сумме зарядов ядер продуктов реакции.
1. Закон "α" - распада.
При α - распаде образуется новое ядро с массовым числом на 4 единицы и порядковым номером на 2 единицы меньше, чем у исходного.
A ZX→ 4 2 He+ A-4Z-2Y
226 88Ra→ 4 2 He+ 222 86 Rn(при этом получается фотон с Е = 0,188 МэВ)
Особенность: в естественных условиях встречается у элементов с порядковым номером Z > 83.
2. Законы электронного "β" – распада - (β-).
При электронном β - распаде образуется новое ядро с тем же массовым числом и порядковым номером на 1 больше, чем у исходного:
A ZX→ A Z+1Y+ 0 -1 e
4019K→ 4020Ca+ 0 -1 e - распад изотопа калия с превращением его в кальций
3. Закон позитронного "β" - распада (β+)
При позитронном β - распаде образуется новое ядро с тем же массовым числом и порядковым номером на 1 меньше, чем у исходного.
A ZX → A Z-1Y+ 0 +1 e
3015P→ 3014Si+ 0 +1 e Распад изотопа фосфора
Следствия из 1, 2 и 3 законов:
"α" и "β" - распаду в некоторых случаях сопутствует излучение "γ" - квантов. Это излучение наблюдается так же при изомерном переходе ядер (из возбужденного в невозбужденное состояние);
(X)* = X + n•γ ® число γ – квантов
¯ ¯
возбужд. невозбужд.
состояние состояние
4. Электронный захват.
При захвате электрона исходным ядром образуется новое ядро с тем же массовым числом, и порядковым номером на 1 меньше, чем у исходного.
Ядро захватывает электрон с ближайшей к нему оболочки
Þ ZX + -1e ® Z-1Y
7 4Be+ 0 -1e→ 7 3Li
Основной закон радиоактивного распада в дифференциальной и интегральной форме.
Радиоактивный распад ядер одного и того же элемента происходит постепенно и с разной скоростью для разных радиоактивных элементов. Нельзя указать заранее момент распада ядра, но можно установить вероятность распада одного ядра за единицу времени. Вероятность распада характеризуется коэффициентом "λ" - постоянной распада, который зависит только от природы элемента.