Как найти активность радия

Физика. 9 класс. Барьяхтар

Этот учебник можно скачать в PDF формате на сайте тут.

§ 24. Активность радиоактивного вещества. Применение радиоактивных изотопов

Какое именно ядро в радиоактивном веществе распадется первым, какое — следующим, какое — последним? Физики утверждают, что узнать это невозможно: распад того или иного ядра радионуклида — событие случайное. Вместе с тем поведение радиоактивного вещества в целом подчиняется четким закономерностям.

1. Узнаём о периоде полураспада

Если взять закрытую стеклянную колбу, содержащую некоторое количество Радона-220, окажется, что примерно через 56 с количество атомов Радона в колбе уменьшится в два раза, в течение следующих 56 с — еще в два раза и т. д. Таким образом, понятно, почему интервал времени 56 с называют периодом полураспада Радона-220.

Период полураспада Т_1/2 — это физическая величина, которая характеризует радионуклид и равна времени, в течение которого распадается половина имеющегося количества ядер данного радионуклида.

Единица периода полураспада в СИ — секунда:

[T_1/2] = 1 c.

У каждого радионуклида — свой период полураспада (см. таблицу).

• Образец содержит 6,4 • 10²⁰ атомов Йода-131. Сколько атомов Йода-131 будет в образце через 16 суток?

2. Даём определение активности радиоактивного источника

• И Уран-238, и Радий-226 являются α-радиоактивными (их ядра могут спонтанно распадаться на α-частицу и соответствующее дочернее ядро). Из какого образца за 1 с вылетит больше α-частиц, если число атомов Урана-238 и Радия-226 одинаково?

Период полураспада некоторых радионуклидов

Надеемся, вы правильно ответили на вопрос и, учитывая, что периоды полураспада данных радионуклидов отличаются почти в 3 млн раз, установили, что за одно и то же время в образце радия произойдет намного больше ос-распадов, чем в образце урана.

Физическую величину, численно равную количеству распадов, происходящих в радиоактивном источнике за единицу времени, называют активностью радиоактивного источника.

Активность радиоактивного источника обозначают символом А. Единица активности в СИ — беккерель.

1 Бк — это активность такого радиоактивного источника, в котором за 1 с происходит 1 акт распада:

1 Бк — это очень малая активность, поэтому используют внесистемную единицу активности — кюри (Ки):

1 Ки = 3,7 • 10¹⁰ Бк.

• В честь каких ученых названы указанные единицы? Какие открытия они сделали?

Если образец содержит атомы только одного радионуклида, то активность этого образца можно определить по формуле:

Α = λN,

Со временем количество нераспавшихся ядер радионуклидов в радиоактивном образце уменьшается, поэтому уменьшается и активность образца (рис. 24.1).

Рис. 24.1. График зависимости активности Радия-226 от времени. Период полураспада Радия-226 — 1600 лет

История открытия искусственных радиоактивных изотопов

Первый искусственный радиоактивный изотоп (³⁰₁₅P) был получен в 1934 г. супругами Фредериком и Ирен Жолио-Кюри. Облучая α-частицами алюминий, они наблюдали излучение нейтронов, то есть происходила следующая ядерная реакция:

²⁷₁₃Al + ⁴₂He → ³⁰₁₅P + ¹₀n.

Итальянский физик Энрико Ферми известен несколькими достижениями, но свою высшую награду — Нобелевскую премию — он получил за открытие искусственной радиоактивности, вызванной облучением вещества медленными нейтронами. Сейчас метод облучения нейтронами широко применяют в промышленности для получения радиоактивных изотопов.

3. Узнаём о применении радиоактивных изотопов

Наличие в объекте радионуклидов можно выявить по излучению. Вы уже выяснили, что интенсивность излучения зависит от вида радионуклида и его количества, которое со временем уменьшается. Все это положено в основу использования радиоактивных изотопов, которые физики научились получать искусственно. Сейчас для каждого химического элемента, встречающегося в природе, получены искусственные радиоактивные изотопы.

Можно выделить два направления использования радиоактивных изотопов.

1. Использование радиоактивных изотопов в качестве индикаторов. Радиоактивность является своеобразной меткой, с помощью которой можно определить наличие элемента, проследить за поведением элемента во время физических и биологических процессов и т. д. (см., например, рис. 24.2).

Рис. 24.2. Чтобы выяснить, как растения усваивают фосфорные удобрения, в эти удобрения добавляют радиоактивный изотоп Фосфора, затем исследуют растения на радиоактивность и определяют количество усвоенного фосфора

2. Использование радиоактивных изотопов как источников γ-излучения (см., например, рис. 24.3).

Рис. 24.3. Использование γ-излучения для лечения онкозаболеваний. Чтобы γ-лучи не уничтожали здоровые клетки, используют несколько слабых пучков γ-лучей, которые фокусируются на опухоли

Рассмотрим несколько примеров.

4. Выясняем, как используют радиоактивные изотопы для диагностики заболеваний

Организм человека имеет свойство накапливать в своих тканях определенные химические вещества. Известно, например, что щитовидная железа накапливает йод, костная ткань — фосфор, кальций и стронций, печень — некоторые красители и т. д. Скорость накопления веществ зависит от состояния здоровья органа. Например, при базедовой болезни активность щитовидной железы резко возрастает.

За количеством йода в щитовидной железе удобно следить при помощи его γ-радиоактивного изотопа. Химические свойства радиоактивного и стабильного йода не отличаются, поэтому радиоактивный Йод-131 будет накапливаться так же, как и его стабильный изотоп. Если щитовидная железа в норме, то через некоторое время после введения в организм Йода-131 γ-излучение от него будет иметь определенную оптимальную интенсивность. А вот если щитовидная железа функционирует с отклонением от нормы, то интенсивность γ-излучения будет аномально высокой или, наоборот, низкой. Аналогичный метод применяют для исследования обмена веществ в организме, выявления опухолей и др.

Понятно, что, используя указанные методы диагностики, необходимо тщательно дозировать количество радиоактивного препарата, чтобы внутреннее облучение оказывало минимальное негативное воздействие на организм человека.

5. Определяем возраст древних предметов

В атмосфере Земли всегда имеется некоторое количество β-радиоактивного Карбона-14 (¹⁴₆С), который образуется из Нитрогена в результате ядерной реакции с нейтронами. В составе углекислого газа этот изотоп поглощается растениями, а через них — животными. Пока животное или растение живы, содержание радиоактивного Карбона в них остается неизменным. После прекращения жизнедеятельности количество радиоактивного Карбона в организме начинает уменьшаться, уменьшается и активность β-излучения. Зная, что период полураспада Карбона-14 составляет 5700 лет, можно определить возраст археологических находок (рис. 24.4).

Рис. 24.4. Полученный из молодого дерева 1 г углерода имеет активность 14-15 Бк (излучает 14-15 β-частиц в секунду). Через 5700 лет после гибели дерева количество β-распадов в секунду уменьшается вдвое

6. Применяем γ-излучение в технике

Особое значение в технике имеют гамма- дефектоскопы, с помощью которых проверяют, например, качество сваренных соединений. Если мастер, приваривая петли к воротам, допустил брак, через некоторое время петли отвалятся. Это неприятно, но ситуация поправима. А вот если брак случился при сварке элементов конструкции моста или ядерного реактора, трагедия неминуема. Благодаря тому что γ-лучи по-разному поглощаются массивной сталью и сталью с пустотами, гамма-дефектоскоп «видит» трещины внутри металла, а следовательно, выявляет брак еще на стадии изготовления конструкции.

7. Уничтожаем микробы с помощью радиации

Известно, что определенная доза облучения убивает организмы. Но ведь не все организмы полезны человеку. Так, медики постоянно работают над тем, чтобы избавиться от болезнетворных микробов. Вспомните: в больницах моют пол со специальными растворами, облучают помещение ультрафиолетом, обрабатывают медицинские инструменты и т. д. Такие процедуры называют дезинфекцией и стерилизацией.

Поставить процесс стерилизации на промышленную основу позволили особенности γ-излучения (рис. 24.5). Такая стерилизация осуществляется в специальных установках с надежной защитой от проникающей радиации. В качестве источника γ-лучей используют искусственно созданные изотопы Кобальта и Цезия (⁶⁰₂₇Со и ¹³⁷₅₅Cs).

Рис. 24.5. Самую распространенную медицинскую продукцию: шприцы, системы переливания крови и т. п. — перед отправкой потребителю тщательно стерилизуют с использованием γ-излучения

8. Учимся решать задачи

Задача. Определите массу Радия-226, если его активность составляет 5 Ки. Постоянная радиоактивного распада Радия-226 равна 1,37 • 10^-11 с^-1.

Анализ физической проблемы, поиск математической модели

Для решения задачи воспользуемся формулой для определения активности: А = λΝ. Зная активность, выясним количество Ν атомов Радия. Массу вещества можно определить, умножив число атомов на массу одного атома: m = Ν • m₀.

Подводим итоги

Время, в течение которого распадается половина имеющегося количества ядер данного радионуклида, называют периодом полураспада Т_1/2. Период полураспада является характеристикой данного радионуклида.

Физическую величину, которая численно равна количеству распадов, происходящих в данном радиоактивном источнике за единицу времени, называют активностью радиоактивного источника. Если источник содержит атомы только одного радионуклида, активность А источника можно определить по формуле A = λV, где Ν — количество атомов радионуклида в образце; λ — постоянная радиоактивного распада радионуклида. Единица активности в СИ — беккерель (Бк).

Со временем активность радиоактивного образца уменьшается, и это используют для определения возраста археологических находок.

Искусственные изотопы применяют для стерилизации медицинских изделий, диагностики и лечения заболеваний, выявления дефектов в металлах и др.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение периода полураспада. Что характеризует эта физическая величина? 2. Что такое активность радиоактивного источника? 3. Какова единица активности в СИ? 4. Как активность радионуклида связана с его постоянной радиоактивного распада? 5. Изменяется ли со временем активность радионуклидного образца? Если изменяется, то почему и как? 6. Приведите примеры использования радиоактивных изотопов.

Упражнение № 24

1. Имеется одинаковое количество ядер Йода-131, Радона-220 и Урана-235. Какой радионуклид имеет наибольший период полураспада? Активность какого образца на данный момент времени наибольшая? Поясните ответ.

2. В образце содержится 2 • 10²⁰ атомов Йода-131. Определите, сколько ядер Йода в образце распадется в течение часа. Активность Йода-131 на протяжении этого времени считайте неизменной. Постоянная радиоактивного распада Йода-131 равна 9,98 • 10^-7 с^-1.

3. Период полураспада радиоактивного Карбона-14 составляет 5700 лет. Во сколько раз уменьшилось количество атомов Карбона-14 в сосне, срубленной 17 100 лет назад?

4. Определите период полураспада радионуклида, если за интервал времени 1,2 с количество распавшихся ядер составило 75 % их начального количества.

5. На данный момент в радиоактивном образце содержится 0,05 моль Радона-220. Определите активность Радона-220 в образце.

6. На сегодня одними из самых важных считаются исследования обмена веществ в организме человека с помощью радиоактивных изотопов. В частности, выяснилось, что за сравнительно небольшое время организм почти полностью восстанавливается. Воспользуйтесь дополнительными источниками информации и узнайте об этих исследованиях больше.

Физика и техника в Украине

Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт» (ХФТИ) — всемирно известный научный центр. Основан в 1928 г. по инициативе академика А. Ф. Иоффе как Украинский физико-технический институт с целью исследований в области ядерной физики и физики твердого тела.

Уже в 1932 г. в институте был достигнут выдающийся результат — осуществлено расщепление ядра атома Лития. Позднее в лабораторных условиях получены жидкие водород и гелий, построен первый трехкоординатный радиолокатор, проведены первые исследования высоковакуумной техники, что послужило толчком к развитию нового физико-технологического направления — вакуумной металлургии. Ученые института сыграли важную роль в решении проблем использования атомной энергии.

В разные годы в ННЦ ХФТИ работали выдающиеся физики: И. В. Обреимов, Л. Д. Ландау, И. В. Курчатов, К. Д. Синельников, Л. В. Шубников, А. И. Лейпунский, Е. М. Лифшиц, И. М. Лифшиц, А. К. Вальтер, Б. Г. Лазарев, Д. Д. Иваненко, А. И. Ахиезер, В. Е. Иванов, Я. Б. Файнберг, Д. В. Волков и др. В институте были созданы научные школы, известные во всем мире.

В ННЦ ХФТИ расположены крупнейший в СНГ линейный ускоритель электронов и совокупность термоядерных комплексов «Ураган».

Генеральный директор центра — известный украинский физик, академик НАНУ Николай Федорович Шульга.

ГДЗ к учебнику можно найти тут.



Нашли ошибку? Сообщите в комментариях (внизу страницы)

Воздействие на биологические объекты
гамма-фотонови частиц, возникающих
при распаде радионуклидов, зависит от
их числа за единицу времени, т.е. от
скорости распада радионуклидов,
опреде­ляющей ихактивность. Таким
образом, активность (А) радиоактивного
препарата является его важнейшей
характеристикой иопределяется
числом актов распада за единицу времени:

А
=
.
(2.5)

Активность радионуклидов в данный
момент времени определяется числом
нераспавшихся к этому моменту ядер. В
формулу (2.5) подставим конкретную
зависимость N(t)
— закон радиоактивного распада
(2.2) – и произведем его
дифференцирование по времени :

А
=
.
(2.5)

Окончательно:

А = N или А =
. (2.6)

Видно, что активность препарата тем
больше, чем выше содержание в нем
радиоактивных ядер и чем меньше их
период полураспада. Со временем активность
убывает по экспоненциальному закону.

За единицу активности в международной
системе единиц принимают беккерель(Бк) -активность нуклида
в радиоактивном источ­нике, в котором
за I с происходит
Iраспад. Ис­пользуется ещё
внесистемная единица активности
-кюри (Ки),представляющая
активность 1 г радия,
находящегося в равновесии со своими
продуктами распада. Эта единица измерения
активности весьма велика:1Ки
= 3,710¹⁰
Бк.Активность типичных расфасовок
радиоактивных веществ, применяемых для
лабораторных исследо­ваний, составляет
обычно микро- и милликюри.

Установим связь между массой
радионуклидов m
и их активностью.Число нераспавшихся
ядер N равно
их массе, делённой на массу одного атома
(массой электронов можно пренебречь):N = m/
m_А,Учитывая, что масса одного атома равна
атомной массе М, деленной на чис­ло
Авогадро N
_А, используя
формулу (2.6) получим для активности:

.

Подставляя в полученное выражение массу
радионуклида в граммах и его атомную
массу в г/моль, значение периода
полураспада в се­кундах, получим
активность в беккерелях.

По известной активности радионуклида,
наоборот, можем най­ти его массу в
граммах:

m = 2,410^-24
ATM.

Например, определим активность
1г
(Т = 1600лет
= 5.04I0¹⁰с):

A = 4,1710²³
= 3,710¹⁰
Бк.

Как показывает расчет, активность
1г радия равна 1 Kи.

Для характеристики радиационной
загрязненности объекта (например,
твердых продуктов питания) вводят
удельную массовую активность
(А_m)
– отношение активности радионуклидов
к массе содержащего их объектаm:А_m
= А/m. Если рассматриваемый
объект – жидкость или газ (например,
вода или воздух), то его характеризуют удельной объемной активностью– отношением активности радионуклидов
в образце к его объемуV:
А_V
= А/V.Поверхностная активность
применяется для оценки радиационной
загрязненности по­верхностей и
представляет отношение активности
радионукли­дов, содержащихся на
поверхности образца к площади
Sэтой поверхности:А_S=
A/ S. В частности, в
публикуемых кар­тах радиоактивной
загрязненности больших территорий
данные приводятся в Ки /км².

2.6. Взаимодействие ионзирующего излучения с веществом

Рассмотрим
вначалеобщие параметры, характеризующие
это взаимодействие. Основная часть
энергии заряженных частиц и-квантов,
взаимодействующих с веществом, идет
на его ионизацию. Степень этой ионизации
зависит от свойств излучения и от
структуры объекта. Кроме того, она
зависит от того расстоянияl, которое
квант излучения или частица проходит
в веществе. Так, например,-частицы
и протоны создают максимальную ионизацию
в конце своего пробега – перед моментом
полной растраты своей энергии.

Для количественной характеристики
ионизирующего эффекта частицы,
распространяющейся в веществе по
направлению l, выделим произвольно
тонкий слой вещества толщинойdl.
Допустим, в нем образовалось число пар
ионов dn
(см. рис. 5 ).

Линейная плотность ионизации
( i
) — этоотношение числа ионов одного
знака, образованных заряженной
ионизирующей части­цей на элементарном
пути dl,к
величине этого пути: i
= dn / dl . Обычная
единица ее измерения –частиц/см
или пар ионов/см.Подчеркнем,
что линейная плотность ионизации зависит
от пути, пройденного частицей в веществе:i =
f ( l ).

Энергия, передаваемая частицей веществу,
расходуется не только на его прямую
ионизацию, но и на другие структурные
перестройки, характер и степень развития
которых также зависят от вида излучения
и состава вещества. Чем больше энергия
dE, выделившаяся
в слое толщиной dl,
тем сильнее разрушительное действие
ионизирующего излучения.

Линейная передача энергии
(ЛПЭ)является физической харак­теристикой
качества ионизирующего излучения
-это отношение энергииdE,
переданной среде движущейся
заряженной частицей вследствие
столкновений при перемещении ее на
расстояниеdl, к этому
расстоянию: ЛПЭ
= dE/dl. Системная
единица ее измерения Дж/м.
Чаще эту величину
из­меряют во внесистемых единицах:
килоэлектрон-вольт на
микро­метр воды (кэВ/мкм). Для
незаряженных частиц ЛПЭ не применяется,
но используются значения ЛПЭ вторичных
заряженных частиц, образующихся в
веществе.

Как и линейная плотность ионизации,
ЛПЭ зависит от расстояния, проходимого
частицей или квантом в веществе. Быстрые
электроны теряют свою энергию при
прохождении первых сантиметров
биологической ткани. Тяжелые заряженные
частицы ( альфа- частицы, протоны, дейтроны
) вначале своего пробега растрачивают
свою энергию довольно равномерно, а в
конце его ЛПЭ для этих частиц резко
возрастает.

Средний линейный пробегчастицы
определяется средним значением расстояния
между началом и концом пробега.

Рассмотрим теперь особенности
взаимодействия с веществом различных
частиц.

I)Альфа-частицыобладают высокой
ионизирующей способ­ностью. На рис.2.7.показана зависимость линейной плотности
ионизации воздуха от длины пути,
проходимого в нем альфа-частицей,
возникающей при распаде
естественно-радиоактивных нуклидов.
По мере продвижения альфа-частицы в
вещество вначале плотность ионизации
возрастает,а затем,
практически при завершении пробега,
резко падает. Как видно из рис.2.7,линейная плотность ионизации в воздухе
изменяется от 210⁴в начале пробега до 810⁴пар ионов/см в его конце. Суммарное число
ионов, образованных в веществе за счет
полного пробега альфа-частицы может
быть получено интегрированием зависимости i ( l ).
Средний линейный пробег альфа-частицы
зависит от ее энергии и свойств вещества.
В воздухе он равен нескольким сантиметрам,
в жидкостях и биологических тканях:10100мкм. Несмотря на небольшую глубину
проникновения альфа-частиц в биологическую
ткань, их разрушительное действие весьма
значительно из-за высокой ионизирующей
способ­ности. Кроме ионизации при
взаимодействии с веществом альфа-частиц
развивается и ряд других эффектов:
возбуждение атомов, возникновение
характеристического рентгеновского
излучения, радиолюминесценция и др.
Более редкий процесс –взаимодействие альфа-частиц с ядрами
атомов, входящих в
состав вещества. В этом случае
возможны ядерные реакции.

2)Бета-частицы,
обладая по сравнению с альфа-частицами
меньшим зарядом и существенно меньшей
массой, имеют и меньшую ионизирующую
способность. В воздухе линейная плотность
ионизации может быть рассчитана по
формуле:i =к (с/v)²,
где с -скорость света
в вакууме, v -скорость бета-частицы, к 
46пар ионов/см. За счет
рассеяния на электронах вещества при
распространении в нем бета-частицы
сильно изменяют свои первичные направления
распространения. Глубина проникновения
бета-излучения в ткани организма
составляет 10 — 15мм. Кроме
ионизации, за счет тор­можения
электронов в веществе возникаеттормозноерентгеновскоеизлучение.
Позитроны при попадании в вещество
могут вступать в реакциюаннигиляциис электронами, образуя
гамма-кванты :

.

3) Гамма-излучение.
Представляя собой
весьма короткие электромагнитные волны
это излучение является более жестким,
чем рентгеновское, хотя первичные
механизмы взаимодействия с веществом
во многом аналогичны. В первичных актах
взаимодействия меньшее значение здесь
имеет когерентное рас­сеяние, поскольку
оно проявляется для энергий кванта,
меньших энергии ионизации атома.
Гамма-фотон обладает большей энергией,
чем квант рентгеновского излучения, и
за счет фотоэффекта и некогерентного
рассеяния при его взаимодействии с
веществом образуются рассеянные
вторичные гамма-кванты высоких энергий
и электроны, ионизирующие среду. Кроме
того, высокоэнергетичные гамма-кванты
в силовом поле ядер атомов
вещества могут вызывать образование
электронно-позитронных пар – процесс,
обратный приведенной выше реакции
аннигиляции:

.

Поскольку при распространении в веществе
гамма-излучение вызывает ряд вторичных
процессов, экспоненциальный закон
ослабления его интенсивности выполняется
приближенно, особенно, для гамма-квантов
высоких энергий. Проникающая способность
гамма-излучения весьма высока – в
воздухе средняя длина пробега квантов
превышает десятки и даже сотни метров,
тело человека пронизывается ими
практически полностью.

4)Нейтроны. Не
смотря на отсутствие заряда у нейтрона,
нейтронные потоки также производят
ионизацию вещества. Иони­зирующее
действие возникает за счет сложных
процессов. Это может быть деление ядер
при захвате нейтронов, из-за которого
возникают радиоактивные осколки,
заряженные частицы и гамма-излучение.
Могут происходить ядерные реакции с
выделением протонов и альфа-частиц.
Поскольку из-за отсутствия
заряда нейтроны глубоко проникают в
вещество, защита от нейтронного облучения
представляет сложную задачу. Быстрые
нейроны необ­ходимо сначала замедлить,
для чего используются водородосодер­жащие
вещества (например, вода). Затем применяют
вещества, активно поглощающие нейтроны
(например, кадмиевые поглотители).

Популярное на сайте:

Как быстро выучить стихотворение наизусть? Запоминание стихов является стандартным заданием во многих школах. 

Как научится читать по диагонали? Скорость чтения зависит от скорости восприятия каждого отдельного слова в тексте. 

Как быстро и эффективно исправить почерк?  Люди часто предполагают, что каллиграфия и почерк являются синонимами, но это не так.

Как научится говорить грамотно и правильно? Общение на хорошем, уверенном и естественном русском языке является достижимой целью.