Радиоактивный распад. Виды распада.
Радиоактивный распад - явление самопроизвольного распада нестабильных атомных ядер. При этом происходит изменение состава нестабильных ядер путем испускания радиоактивных излучений высокой энергии: элементарных частиц, гамма-квантов, ядерных фрагментов.
В ранних опытах было установлено, что распад сопровождается излучением, имеющим три компоненты, названные -, - и -излучением. Позже выяснилось, что фактически изучался распад смеси нестабильных ядер.
Из известных к настоящему времени 1700 видов ядер к стабильным относятся 272.
Альфа-распад.
Альфа-распад – это распад нестабильного ядра на дочернее ядро и α-частицу. Этот тип распада характерен для тяжелых атомных ядер (с массовым числом А³140). Альфа-частица представляет собой фрагмент материнского ядра, состоящий из двух протонов и двух нейтронов, объединенных в ядро гелия 2He4. Альфа-распад происходит по следующей схеме:
ZХA ® Z-2YA- 4 + 2He4.
Альфа-распад сопровождается гамма-излучением.
Пример α-распада: 92U238 ® 90Th234 + 2He4. Дочернее ядро – ядро тория.
Бета-распад.
Бета-распад известен в двух разновидностях.
При b -- - распаде один из нейтронов превращается в протон и остается в дочернем ядре. Из ядра испускаются электрон и антинейтрино:
ZXA ® Z+1XA + -1e0 + 0ν0
|
|
|
Бета-лучи – электроны, возникшие при b-- распаде – могут иметь энергию от 0,02 МэВ до ≈20МэВ. Энергетический спектр b - электронов непрерывен. b- - распад сопровождается гамма-излучением, имеющим линейчатый спектр; исключение составляет изотоп стронция 38Sr90, который распадается без сопутствующего гамма-излучения.
При b + -распаде один из протонов превращается в нейтрон и остается в дочернем ядре. Из ядра испускаются позитрон и нейтрино:
ZXA ® Z-1XA + +1e0 + 0ν0
По схеме b+-распада распадаются только искусственно созданные изотопы.
Нейтрино, антинейтрино – фундаментальные частицы, имеющие очень малую массу и не имеющие заряда. Имеют чрезвычайно малую вероятность взаимодействия с веществом.
Примеры b-распада:
6C14 ® 7N14 + -1e0 + 0ν0 (C14 ® N)
6C11 ® 5B11 + +1e0 + 0ν0 (C11 ® B)
Уравнение радиоактивного распада. Период полураспада. Активность.
Радиоактивный распад нестабильного ядра – событие случайное, не зависящее от состояния, в котором находятся другие нестабильные ядра. Если нестабильное ядро длительное время не распадалось, то это вовсе не означает, что ему «уже пора»: долгое ненаступление распада не приближает и не отдаляет во времени предстоящий распад. Распад неизбежен, поскольку ядро объективно нестабильное. Вероятность его распада в любую секунду остается величиной постоянной.
|
|
|
Закономерности подобных процессов устанавливаются по средним показателям большой группы ядер, с применением методов математической статистики.
Уравнение радиоактивного распада (Резерфорд, Содди, 1903 год) получено, следуя логике статистического анализа. Эта логика особенно убедительна при записи уравнения распада в дифференциальной форме:
(-dN) / dt = λN (8)
Здесь N – численность нестабильных атомных ядер в момент времени t ;
- dN – изменение (уменьшение) этой численности за бесконечно малый
промежуток времени dt наблюдения за распадом;
(-dN) / dt – скорость уменьшения численности нестабильных ядер (скорость
распада в промежутке времени от t до t+dt);
λ – постоянная распада – константа, своя для каждого вида
радиоактивных атомов.
Следовательно, уравнение радиоактивного распада (8) можно сформулировать следующим образом: скорость радиоактивного распада пропорциональна численности еще не распавшихся ядер.
|
|
|
Интегрирование дифференциального уравнения (8) приводит к уравнению радиоактивного распада в интегральной форме:
N = N0 e-λt (9)
Здесь N = N(t) – численность еще не распавшихся ядер как функция времени t;
N0 – численность нераспавшихся ядер в начальный момент времени (при t = 0);
e – основание натуральных логарифмов.
График уравнения (9) представлен на рис. 9:
Рис. 9. График уравнения радиоактивного распада.
Период полураспада – это промежуток времени, в течение которого число нераспавшихся ядер уменьшается в два раза, от N0 до ½N0. Этот показатель связан с постоянной распада следующим образом:
(10)
Постоянная распада λ является важной характеристикой радиоактивных ядер: она равна вероятности распада отдельного ядра данного вида за единицу времени. Какая именно единица времени: секунда, минута, или год – будет зависеть от того, в каких единицах времени подставляется в формулу (10) период полураспада Т1/2.
|
|
|
Допустимо и другое толкование: постоянная распада λ равна доле от численности атомных ядер данного вида, распадающихся в единицу времени.
Диапазон значений периода полураспада природных радиоактивных изотопов необычайно широк: от 1,39‧1010 лет для тория 90Th234 до 3,04·10-7 секунды для полония Po212.
Радиоактивные изотопы с периодом полураспада, измеряемые в секундах, минутах, часах и в сутках – это короткоживущие изотопы. Изотопы с периодом полураспада, измеряемым в годах, тысячелетиях, и т.п., -это долгоживущие изотопы.
В медицинской практике нашли применение и те, и другие. Если радиоактивный изотоп вводится в организм, то крайне желательно, чтобы период его полураспада был невелик. Например, хорош изотоп золота 79Au198 с периодом полураспада Т1/2 = 2,7 суток, а изотоп натрия 11Na24 – еще лучше, у него Т1/2=15 часов. Если же пациент подвергается воздействию радиоактивных излучений от внешнего источника, то такой источник удобнее иметь с большим периодом полураспада. Таков, к примеру, изотоп кобальта 27Co60 с периодом полураспада Т1/2 = 5,26 лет. Он излучает --частицы с энергией 0,31 МэВ и -кванты 1,33 МэВ и 1,17 МэВ. Кобальтовая пушка – источник -излучения, применяемый в лучевой терапии.
Активность радиоактивного препарата - это число нестабильных атомов этого препарата, распадающихся за одну секунду. В системе СИ принята единица активности беккерель (в честь Антуана Беккереля, одного из первых исследователей радиоактивности):
1 Бк = 1 = 1 1/c
Широко применяется внесистемная единица активности – Кюри:
1 Ки = 3,7‧1010 Бк = 3,7‧1010 1/c
1Ки – очень большая величина. В медицинской практике используют препараты с активностью в милли- и микрокюри: 1 мКи = 10-3 Ки; 1 мкКи = 10-6 Ки.
Активность, по определению, является показателем скорости распада (число распадов в единицу времени), в то время как в уравнении (9) N – это численность еще не распавшихся ядер. Взяв производную N/ = dN/dt от функции (9), мы получаем уравнение, описывающее активность препарата как функцию времени:
(11)
Знак «минус» в этом выражении указывает на то, что функция (9) является убывающей, а скорость dN/dt этого убывания уменьшается по экспоненциальному закону, как и численность N в уравнении (9).
Дата добавления: 2018-11-24; просмотров: 570; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!