3. Ядерные силы, дефект массы, соотношение Эйнштейна между массой и энергией.

Протоны и нейтроны в ядре связаны между собой огромными ядерным силами притяжения, в 1000 раз превосходящими кулоновские силы отталкивания, действующие между протонами. Радиус действия ядерных сил 10^-13см., поэтому их называют короткодействующими в отличие от дальнодействующих электрических сил.При большом количестве протонов в тяжёлых ядрах электрические силы отталкивания уже соизмеримы с ядерными силами и при Z115 превосходят их. Ядро сущест-ать не можт

Ядерные силы возникают в процессе непрерывного обмена между нуклонами особыми частицами пи-мезонами (пионами). Пион может иметь заряд “+”, ”--“, ”о”, его масса покоя 273,2 массы (е ^-),1/7 массы нуклона. Считают, что протон и нейтрон состоят из керна, окружённого мезонной «шубой» («+» у р и «– » у нейтрона).

Масса ядра всегда меньше суммы масс составляющих его нуклонов на величину дефекта массы m.

Рассчитаем дефект массы ядра атома гелия ₂Нe⁴ , состоящего из двух протонов и двух нейтронов.

Сумма масс нуклонов (1,0076 х 2) + (1,0089 х 2) = 4,033 а.е.м. Массы ядра атома гелия ₂Нe⁴= 4,03 а.е.м. Дефект массы m = 4,033 - 4,03 = 0,003 а.е.м.

Теория относительности Эйнштейна устанавливает связь между массой и энергией Е=m  C² .

С – скорость света 300000км/с (3*10¹⁰ см/с). 1а.е.м. при расчете по этой ф-ле = 931МэВ, а 0,003аем = 28Мэв.Примерно столько энергии выделится при слиянии двух ядер дейтерия в ядро гелия. Эта реакция синтеза происходит на Солнце и в водородных бомбах.. При реакциях деления U и Pu в ядерных реакторах и атомных бомбах, также наблюдается превращение части массы в энергию.

4. Радиоактивность. Радиоактивные семейства.

Радиоактивность– это самопроизвольное превращение (распад) ядер определённых элементов в ядра других элементов с испусканием ионизирующих излучений в виде-,-частиц и-лучей, разделяющихся на три пучка в электрическом или магнитном поле. Замедлить или ускорить

ход р/а распада невозможно. Все виды ионизирующих излучений возникают только при ядерных превращениях. При альфа- и бета-распаде гамма-кванты уносят из ядра избыток энергии, не захваченный  или частицей. и излучения проявляют как волновые, так и корпускулярные свойства.

В природе известны три естественно-радиоактивных семейства: урана-238 – радия, тория-232 и актиния-235. Они представляют естественную радиоактивность. Аналогичнаискусственная радиоактивностьв р/а изотопах полученных искусственным путём. Каждый р/а изотоп характеризуетсяпериодом полураспада Т_1/2– это время, за которое распадается половина исходного количества атомов.

 Семейство урана -238

 Уран-238 + Т_1/2 = 4,47 млрд.лет Свинец-214+26,8 мин.

Торий-234+24,1 суток Висмут-214+19,7 мин.

Протактиний +1,17 мин. Пололний-21419,7 мин.

Уран-234 +245000 лет. Свинец-210+22,3 лет.

Торий-230 +8000 лет Висмут-210+5 суток.

Радий-226 +1600 лет Полоний-210+138,4суток

Радон-222 3,8 суток Свинец-206 стабильный

Полоний-218 3,05 минуты.

Ядра всех изотопов химического элемента образуют группу нуклидов, радиоактивные ядра называютрадионуклидами.

5. Вывод закона радиоактивного распада. Период полураспада. Кривая р/а распада. Вследствие самопроизвольного распада ядер постоянно уменьшается количество любого радиоактивного изотопа. Введено понятие период полураспада - Т1/2 - это время, за которое распадается половина исходного количества атомов радиоактивного изотопа.

• Пусть в начальный момент времени tо имелось No атомов.

• Через время, равное 1Т1/2 останется половина атомов ( N=No/2) 2 в 1й ст

• Через время, равное 2Т1/2 останется четверть атомов ( N=No/4) 2 во 2й ст

• Через время, равное 3Т1/2 останется восьмая часть атомов ( N=No/8) 2 в 3й ст

• Через время, равное 4Т1/2 останется одна шестнадцатая ( N=No/16) и т. д.

Легко заметить, что цифра, выражающая количество периодов полураспада (1,2,3,4) это показатель степени, в которую нужно возвести двойку, для получения величины доли оставшихся атомов. (1/2, 1/4 1/8 1/16 итд)

n t/T1/2 -t/T1/2

Поэтому Nt = No/2 = No/2 = No*2

По этим данным можно построить график радиоактивного распада.

No (%) 100%

50%

25%

12,5%

0

T 2T 3T 4T 5T t (время)

Видим, что число радиоактивных ядер (а следовательно и атомов) уменьшается с течением времени по экспоненциальному закону и за единицу времени (например за Т) распадается всегда одна и та же доля, имеющихся в наличии ядер. Эту долю называют постоянной радиоактивного распада - (лямбда)  = 0,693/Т1/2.

Величина, обратная постоянной распада называется Средней продолжительностью жизни ядра -   = 1/. ( = Т/ 0,693 или  = 1,44Т)

Если процесс распада ядер описать дифференциальным уравнением, то интегрируя его можно получить другое математическое выражение закона р/а распада -0,693 t/T

Nt = No * е

Но, т. к. основание натурального логарифма е = 2,718 в степени 0,693 = 2, то видно, что это то же самое соотношение, которое мы получили выше в результате логических рассуждений.

Нужно учитывать, что все полученные закономерности справедливы для большого количества радиоактивных атомов, т.к. распад любого радиоактивного элемента носит вероятностный характер и подчиняется статистическим закономерностям.

Поэтому при проведении радиационной экспертизы объектов ветеринарного надзора следует ожидать, что более точные результаты могут быть получены в результате усреднения нескольких измерений.

6. Активность радиоактивного изотопа. Единицы активности. Изменение активности с течением времени. Активность - это число ядер распадающихся в единицу времени или мера количества р/а вещества.

Единицей активности в системе СИ является Беккерель -это один распад в секунду. 1Бк = с¯¹. Внесистемная единица Кюри . 1Кu = 3,7*10¹° расп/сек.

Следовательно 1Кu = 37 миллиардов Бк.

Активностью в 1 Кюри обладает: 1 грамм радия;

1 миллиграмм кобальта - 60;

8 микрограмм йода -131;

3 тонны урана - 238.

Кюри - очень большая величина, поэтому применяют более мелкие дольные единицы: милликюри (мКu) = 10¯³ Кu = 3,7*10 в 7-й степени расп/сек.

микрокюри (мКu) = 10 в -6-й ст Кu = 3,7*10 в 4й степени расп/сек.

нанокюри (нКu) = 10 в -9-й ст Кu = 3,7*10 расп/сек (37 Бк).

пикокюри (пКu) = 10 в -12-й ст Кu = 0,037 расп/сек.

При контроле содержания р/а веществ в объектах санитарного и ветеринарного надзора (вода, воздух, продукты питания, корма, продукты животноводства) пользуются величиной удельной активности или концентрации. Это активность, приходящаяся на единицу массы или объёма.

Их выражают в Кu/л, Кu/кг, Бк/л, Бк/кг и производных от этих единиц.

Зараженность земель радионуклидами характеризуется поверхностной активностью и измеряется в Кu/км².

Активность любого радиоактивного изотопа с течением времени убывает в соответствии с законом радиоактивного распада и определяется по аналогичным соотношениям:

-t/T - 0,693 t/T

Аt = Ао*2 Аt = Ао*2 ,

где

Аt - активность на интересующее нас время t, Ао - начальная активность изотопа.

Для характеристики гамма-излучающих изотопов введена гамма-постоянная КÝ

Это мощность экспозиционной дозы в рентгенах за час, создаваемая точечным изотопным источником активностью в 1мКu на расстоянии 1 см

Для всех р/а изотопов величина КÝ приведена в справочниках. Для Ra КÝ=8,4 р/ч и является эталоном при определении ионизационной способности различных радионуклидов в единицах миллиграмм эквивалент радия (мг-экв.радия).

Это количество любого радионуклида, которое создаёт такую же мощность экспозиционной дозы (8,4р/ч), как и 1 мг радия, заключённый в платиновый фильтр, толщиной 0.5 мм.

Изотоп	Активность -А	КÝ р/ч*см² : мКu	мг - экв. радия	Масса
Ra - 226	1 мкКu	8,4	1	1 мг
Со - 60	“------“	13,2	13,2 : 8,4=1,6	0,01 мг
Сs- 137	“------“	3,55	3,55 : 8,4=0,4	сотые мг
Рu-239	“-----“	0,05	0,05 : 8,4 = 0,006	сотни кг