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 ₆С¹²). 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 = А – Z. Ядро обозначается химическим символом элемента с нижним Z и верхним А индексами: _ZX^A. 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, ₁H^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 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

_ZX^A◊ _Z-2Y^A-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:

_ZX^A → _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 _zX^A → _Z-1Y^A +₊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: _zX^A+ _-1β° → _z-1Y^A + 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 ₉₂U^23S 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 = -λN_odt

Пусть при t = 0, N = N_o (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 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, 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 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.

8