Tok sevanja pozitivno nabitih delcev helijevih jeder. Značilnosti posameznih vrst sevanja

Alfa sevanje je tok težkih, pozitivno nabitih delcev, sestavljenih iz protona in nevtrona - helijeva jedra, ki ima nizko začetno hitrost in relativno visoko raven energije (od 3 do 9 MeV). Razpon alfa delcev, ki jih sevajo predvsem naravni elementi (radij, torij, uran, polonij itd.), je relativno majhen. Torej, v zraku je 10 ... 11 cm, v bioloških tkivih pa le nekaj deset mikrometrov (30 ... 40 µm). Alfa delci, ki imajo relativno veliko maso in nizko začetno hitrost, pri interakciji s snovjo hitro izgubijo svojo energijo in jih ta absorbira. Posledično imajo najvišjo linearno gostoto ionizacije, vendar nizko prodorno sposobnost.

Beta sevanje je tok negativno nabitih delcev - elektronov ali pozitivno nabitih delcev - pozitronov in nastane pri razpadu naravnih in umetnih radioaktivnih elementov. Zaradi visoke hitrosti širjenja, ki se približuje svetlobni hitrosti, imajo delci beta daljši doseg v mediju kot delci alfa. Tako največji razpon beta delcev v zraku doseže nekaj metrov, v bioloških medijih pa 1 ... 2 cm, znatno nižja masa in energijska raven (0,0005 ... 3,5 MeV) beta delcev določa tudi njihovo nižjo ionizacijo. sposobnost.

Imajo večjo prodorno sposobnost kot alfa delci, kar je odvisno od energijskega nivoja sevalca beta.

Sevanje gama, ki ga obravnavamo kot tok žarkov gama in predstavlja elektromagnetna nihanja z zelo kratko valovno dolžino, nastane v procesu jedrskih reakcij in radioaktivnega razpada. Energijsko območje sevanja gama je v območju 0,01...3 MeV. Ima zelo visoko prodorno sposobnost in nizek ionizirajoči učinek. Sevanje gama prodre globoko v biološka tkiva in povzroči, da ta pretrgajo molekularne vezi.

Nevtronsko sevanje, ki je tok elementarnih delcev atomskih jeder - nevtronov, ima visoko prodorno sposobnost, odvisno od energije nevtronov in kemijske zgradbe obsevane snovi. Nevtroni nimajo električnega naboja in imajo blizu mase protona. Interakcija nevtronov z medijem spremlja sipanje (elastično ali neelastično) nevtronov na atomskih jedrih, ki je posledica elastičnih ali neelastičnih trkov nevtronov z atomi obsevane snovi. Kot posledica elastičnih trkov, ki jih spremlja sprememba poti nevtronov in prenos dela kinetične energije na atomska jedra, pride do običajne ionizacije snovi.

Pri neelastičnem sipanju nevtronov se njihova kinetična energija porabi predvsem za radioaktivno vzbujanje jeder medija, kar lahko povzroči sekundarno sevanje, ki ga sestavljajo tako nabiti delci kot kvanti gama. Pridobivanje tako imenovanega induciranega sevanja s snovmi, obsevanimi z nevtroni, povečuje možnost radioaktivne kontaminacije in je pomembna lastnost nevtronskega sevanja.

Rentgenska študija je elektromagnetno sevanje, ki nastane, ko snov obsevamo s tokom elektronov pri dokaj visokih napetostih, ki dosežejo stotine kilovoltov. Narava delovanja rentgenskega sevanja je podobna sevanju gama. Ima nizko ionizirajočo sposobnost in veliko globino prodiranja pri obsevanju snovi. Odvisno od električne napetosti v inštalaciji se lahko energija rentgenskih žarkov giblje od 1 keV do 1 MeV.

Radioaktivne snovi spontano razpadajo in sčasoma izgubijo svojo aktivnost. Hitrost razpada je ena od pomembnih lastnosti radioaktivnih snovi.

Vsak izotop ima določeno razpolovno dobo, tj. čas, v katerem razpade polovica jeder tega izotopa. Razpolovne dobe so lahko kratke (radon-222, protaktinij-234 itd.) in zelo dolge (uran-238, radij, plutonij itd.).

Ko v telo vnesemo radioaktivne elemente s kratko razpolovno dobo, škodljivi učinki sevanja in boleči pojavi precej hitro prenehajo.

Odmerki sevanja

Merilo za količino radioaktivnih snovi je njihova aktivnost C, izražena s številom razpadov atomskih jeder na časovno enoto. Enota aktivnosti je razpad na sekundo (razpad/s).

Ta enota v sistemu C se imenuje becquerel (Bq). En Becquerel ustreza enemu razpadu na sekundo za kateri koli radionuklid. Izvensistemska enota aktivnosti je curie. Curie (Ci) je aktivnost radioaktivne snovi, pri kateri razpade 3,7 * 1010 jeder na sekundo. 1 Ci = 3,7*1010 Bq. Običajno se uporabljajo manjše enote - milikuri (mCi) in mikrokiri (μCi).

Obstajajo izpostavljenost, absorbirana in ekvivalentna doza sevanja.

Doza izpostavljenosti - kulon na kilogram, (C/kg) označuje učinek ionizirajočega sevanja

Dexp. = Q/m,

kjer je Q naboj istega predznaka, ki nastane med radioaktivnim obsevanjem zraka, C (kulon);

m - masa zraka, kg.

Nesistemska enota doze izpostavljenosti sevanju je rentgen (R).

1 rentgen je odmerek radioaktivnega sevanja, ki v 1 cm3 suhega zraka pri normalnih atmosferskih razmerah proizvaja ione, ki nosijo naboj vsakega predznaka v eni elektrostatični enoti.

Za učinek sevanja je pomembna hitrost doze sevanja. Nesistemska enota hitrosti doze sevanja je rentgen na sekundo (R/s).

Stopnja doze izpostavljenosti (amper na kilogram) se določi po formuli:

Рexp = Dexp/t,

kjer je t čas obsevanja.

Absorbirana doza sevanja (J/kg) označuje absorpcijske lastnosti obsevanega okolja in je v veliki meri odvisna od vrste sevanja. Ta enota se imenuje sivina (Gy).

Absorb = E/m,

kjer je E energija sevanja, J;

m je masa medija, ki je absorbiral energijo, kg.

3a je izvensistemska enota absorbirane doze sevanja rad. 1rad.=10-2Gy.

Manjši enoti sta milirad (mrad) in mikrorad (mrad).

Hitrost absorbirane doze, W/kg

Rabgl = Dabgl/t.

Za oceno neenakega biološkega učinka, ki ga povzroči enaka doza različnih vrst ionizirajočega sevanja, je bil uveden koncept ekvivalentne doze. Ekvivalentna doza radioaktivnega sevanja je označena z absorbirano dozo sevanja in koeficientom relativne biološke učinkovitosti, imenovanim faktor kakovosti (Kk) različnih sevanj pri izpostavljenosti človeka.

Deq = DabsKk.

Enota SI za ekvivalentno dozo je sievert (Sv). En sievert ustreza dozi 1 J/kg (za rentgensko, γ- in β- sevanje).

Enota ekvivalentne doze sevanja je rem (biološki ekvivalent rentgenskega žarka).

Rem je odmerek katere koli vrste ionizirajočega sevanja, ki povzroči enak biološki učinek kot odmerek rentgenskega ali gama sevanja 1 rentgen.

Faktor kakovosti gama in rentgenskih žarkov, beta delcev, elektronov in pozitronov je enota.

 Teorija: Radioaktivnost je sprememba sestave atomskega jedra.

Alfa sevanje - pretok helijevih jeder (pretok pozitivno nabitih delcev)
Z alfa sevanjem se masno število zmanjša za 4, nabojno število pa za 2.
Pravilo premika: z alfa sevanjem se element premakne za dve celici na začetek periodnega sistema.

beta sevanje - tok elektronov (pretok negativno nabitih delcev)
Pri beta sevanju se masno število ne spremeni, nabojno število se poveča za 1.
Pravilo premika: sevanje beta povzroči, da element premakne eno celico proti koncu periodnega sistema.

sevanje gama - elektromagnetno valovanje visoke frekvence in prodorne sposobnosti.

Ko delci α in β vstopijo v magnetno polje, nanje deluje sila, ki jih odbije v stran. Masa alfa delcev je večja od mase beta delcev, zato se manj odklonijo. Smer sile je vzdolž. γ žarki se ne upogibajo.

Polovično življenje je časovno obdobje, v katerem razpade polovica prvotnega števila radioaktivnih jeder. Toda zakon o razpolovni dobi velja samo za veliko število atomov. Ker je nemogoče napovedati, kdaj bo posamezno jedro razpadlo, za veliko število delcev pa ta zakon velja.


Pri oddajanju γ-kvanta
1) število mase in naboja jedra se ne spremeni
2) povečata se masno in nabojno število jedra
3) masno število jedra se ne spremeni, nabojno število jedra se poveča
4) masno število jedra se poveča, nabojno število jedra se ne spremeni
rešitev: Sevanje gama je elektromagnetno valovanje, ne vpliva na sestavo atomskega jedra, masa in nabojno število jedra se ne spremenita.
odgovor: 1
OGE naloga iz fizike (fipi): Spodaj sta enačbi za dve jedrski reakciji. Katera je reakcija β-razpada?

1) samo A
2) samo B
3) A in B
4) niti A niti B
rešitev: Beta razpad spremlja emisija elektronov; v nobeni od reakcij ni elektronov.
odgovor: 4
OGE naloga iz fizike (fipi): Spodaj sta enačbi za dve jedrski reakciji. Katera je reakcija β-razpada?
1) samo A
2) samo B
3) A in B
4) niti A niti B
rešitev: beta razpad spremlja emisija elektronov, pri obeh reakcijah nastane elektron..
odgovor: 3

OGE naloga iz fizike (fipi): S pomočjo fragmenta periodnega sistema kemijskih elementov, predstavljenega na sliki, določite, kateri izotop elementa nastane kot posledica alfa razpada bizmuta.

1) izotop svinca
2) izotop talija
3) izotop polonija
4) izotop astatina
rešitev: zaradi alfa razpada se bo atomsko število elementa zmanjšalo za 2, iz bizmuta (Z=83) se bo element spremenil v izotop talija (Z=81)
odgovor: 2

OGE naloga iz fizike (fipi): S pomočjo fragmenta periodnega sistema kemijskih elementov, predstavljenega na sliki, določite, kateri izotop elementa nastane kot posledica elektronskega beta razpada bizmuta.

1) izotop svinca
2) izotop talija
3) izotop polonija
4) izotop astatina
rešitev: zaradi beta razpada se bo atomsko število elementa povečalo za 1, iz bizmuta (Z=83) se bo element spremenil v izotop polonija (Z=84)
odgovor: 3

OGE naloga iz fizike (fipi): Posodo z radioaktivno snovjo postavimo v magnetno polje, pri čemer se žarek radioaktivnega sevanja razdeli na tri komponente (glej sliko).

Komponenta (3) ustreza
1) sevanje gama
2) alfa sevanje
3) beta sevanje
4) nevtronsko sevanje
rešitev: Uporabimo pravilo leve roke, tok delcev je usmerjen navzgor, štiri prste usmerimo navzgor. Magnetne silnice so usmerjene v ravnino zaslona (proč od nas), magnetne silnice so usmerjene v dlan, palec upognjen za 90 o kaže, da so pozitivno nabiti delci odklonjeni v levo. Komponenta (3) je odklonjena v desno, zato so ti delci negativno nabiti. Beta sevanje je tok negativno nabitih delcev.
2. način: Komponenta (3) odstopa bolj kot komponenta (1), kar pomeni, da ima (3) manjšo maso. Masa elektrona je manjša od mase helijevega jedra, kar pomeni, da je komponenta (3) tok elektronov (sevanje gama).
odgovor: 3

OGE naloga iz fizike (fipi): Razpolovna doba je čas, v katerem razpade polovica prvotnega števila radioaktivnih jeder. Slika prikazuje graf spreminjanja števila N radioaktivnih jeder v času t.

Glede na graf je razpolovna doba
1) 10 s
2) 20 s
3) 30 s
4) 40 s
rešitev: V času t 1 = 20 sekund je bilo N 1 = 40 10 6 radioaktivnih jeder, polovica radioaktivnih jeder N 2 = 20 10 6 je razpadla do časa t 2 = 40 sekund, zato je razpolovna doba T = t 2 - t 1 = 40 - 20 = 20 s, graf kaže, da vsakih 20 sekund razpade polovica preostalih atomov.
odgovor: 2
Naloga OGE iz fizike 2017: Med alfa razpadom jedra njegovo nabojno število
1) se zmanjša za 2 enoti
2) zmanjša za 4 enote
3) se poveča za 2 enoti
4) se poveča za 4 enote
rešitev: Med alfa razpadom jedra se njegovo nabojno število zmanjša za 2 enoti, ker izleti jedro helija z nabojem +2e.
odgovor: 1
OGE naloga iz fizike (fipi): Pri proučevanju naravne radioaktivnosti so odkrili tri vrste sevanja: sevanje alfa (tok delcev alfa), sevanje beta (tok delcev beta) in sevanje gama. Kakšna sta predznak in velikost naboja delcev beta?
1) pozitiven in po modulu enak osnovnemu naboju
2) pozitiven in po modulu enak dvema osnovnima nabojema
3) negativen in po modulu enak osnovnemu naboju
4) beta delci nimajo naboja
rešitev: beta sevanje je tok elektronov, naboj elektrona je negativen in po velikosti enak elementarnemu naboju.
odgovor: 3
OGE naloga iz fizike (fipi): Spodaj sta enačbi za dve jedrski reakciji. Katera je reakcija α-razpada?

1) samo A
2) samo B
3) A in B
4) niti A niti B
rešitev: Alfa razpad proizvaja helijeva jedra; od obeh reakcij le druga proizvaja helijevo jedro.
odgovor: 2
OGE naloga iz fizike (fipi): Radioaktivno zdravilo postavimo v magnetno polje. To polje lahko odstopa
A. α-žarki.
B. β-žarki.
Pravilen odgovor je
1) samo A
2) samo B
3) A in B
4) niti A niti B
rešitev: premikajoči se nabiti delec, ki vstopi v magnetno polje, se odkloni, žarki α in β imajo naboj, zato se bodo v magnetnem polju odklonili.
odgovor: 3
OGE naloga iz fizike (fipi): Katere vrste radioaktivnega sevanja, ki prehajajo skozi močno magnetno polje, se ne odklonijo?
1) alfa sevanje
2) beta sevanje
3) sevanje gama
4) alfa sevanje in beta sevanje
rešitev: gibajoči se naelektreni delec, ki vstopi v magnetno polje, se odkloni; žarki gama nimajo naboja, zato se v magnetnem polju ne odklonijo.
odgovor: 3
OGE naloga iz fizike (fipi): Naravna radioaktivnost elementa
1) odvisno od temperature okolja
2) odvisno od atmosferskega tlaka
3) odvisno od kemične spojine, ki vsebuje radioaktivni element
4) ni odvisen od naštetih dejavnikov
odgovor: 4
OGE naloga iz fizike (fipi): S pomočjo delčka periodnega sistema kemijskih elementov, predstavljenega na sliki, določite sestavo fluorovega jedra z masnim številom 19.

1) 9 protonov, 10 nevtronov
2) 10 protonov, 9 nevtronov
3) 9 protonov, 19 nevtronov
4) 19 protonov, 9 nevtronov
rešitev:število protonov je enako atomskemu številu elementa, fluor ima 9 protonov, da bi našli število nevtronov od masnega števila odštejemo nabojno število 19-9 = 10.
odgovor: 1
OGE naloga iz fizike (fipi): Katera od treh vrst sevanja – α, β ali γ – ima najmanjšo prodorno moč?
1) α
2) β
3) γ

rešitev: Od treh vrst sevanja so največji α-delci, jedra helija so večja od elektronov in žarkov gama, zato težje preidejo skozi oviro.
odgovor: 1
Katera od treh vrst sevanja – α, β ali γ – ima največjo prodorno moč?
1) α
2) β
3) γ
4) prodorna sposobnost vseh vrst sevanja je enaka

Korpuskularna sevanja - ionizirajoče sevanje, sestavljeno iz delcev z maso, različno od nič.

Alfa sevanje - tok pozitivno nabitih delcev (jedra atomov helija - 24He), ki se giblje s hitrostjo okoli 20.000 km/s. Alfa žarki nastajajo pri radioaktivnem razpadu jeder elementov z velikimi atomskimi števili ter pri jedrskih reakcijah in transformacijah. Njihova energija se giblje od 4-9 (2-11) MeV. Domet a-delcev v snovi je odvisen od njihove energije in od narave snovi, v kateri se gibljejo. V povprečju je razdalja v zraku 2-10 cm, v biološkem tkivu - več mikronov. Ker so a-delci masivni in imajo relativno visoko energijo, je njihova pot skozi snov naravnost , povzročajo močan ionizacijski učinek. Specifična ionizacija je približno 40.000 ionskih parov na 1 cm poti v zraku (na celotni dolžini poti se lahko ustvari do 250 tisoč ionskih parov). V biološkem tkivu se na poti 1-2 mikrona ustvari tudi do 40.000 ionskih parov. Vsa energija se prenese v celice telesa in mu povzroči veliko škodo.

Alfa delci se ujamejo v list papirja in praktično ne morejo prodreti v zunanjo (zunanjo) plast kože, absorbira jih stratum corneum kože. Zato a-sevanje ne predstavlja nevarnosti, dokler radioaktivne snovi, ki oddajajo a-delce, ne pridejo v telo skozi odprto rano, s hrano ali vdihanim zrakom – takrat postanejo izjemno nevarno .

Beta sevanje - tok b-delcev, sestavljen iz elektronov (negativno nabiti delci) in pozitronov (pozitivno nabiti delci), ki jih oddajajo atomska jedra med njihovim b-razpadom. Absolutna masa beta delcev je 9,1x10-28 g. Beta delci nosijo en elementarni električni naboj in se širijo v mediju s hitrostjo od 100 tisoč km/s do 300 tisoč km/s (tj. do svetlobne hitrosti). odvisno od energije sevanja. Energija b-delcev je zelo različna. To je razloženo z dejstvom, da se med vsakim b-razpadom radioaktivnih jeder nastala energija porazdeli med hčerinsko jedro, b-delce in nevtrine v različnih razmerjih, energija b-delcev pa lahko niha od nič do neke največje vrednosti. . Največja energija se giblje od 0,015-0,05 MeV (mehko sevanje) do 3-13,5 MeV (trdo sevanje).

Ker imajo b-delci naboj, pod vplivom električnega in magnetnega polja odstopajo od premočrtne smeri. Ker imajo b-delci zelo majhno maso, se ob trčenju z atomi in molekulami zlahka odvrnejo od svoje prvotne smeri (tj. so močno razpršeni). Zato je zelo težko določiti dolžino poti delcev beta – ta pot je preveč vijugasta. kilometrina
b-delci zaradi dejstva, da imajo različno količino energije, tudi nihajo. Dolžina teka v zraku lahko doseže
25 cm, včasih pa tudi nekaj metrov. V bioloških tkivih je pot delcev do 1 cm, na pot gibanja pa vpliva tudi gostota medija.

Ionizacijska sposobnost beta delcev je bistveno nižja od alfa delcev. Stopnja ionizacije je odvisna od hitrosti: manjša hitrost - večja ionizacija. Na 1 cm prepotovane razdalje v zraku nastane b-delec
50-100 ionskih parov (1000-25 tisoč ionskih parov po vsem zraku). Visokoenergijski beta delci, ki prehitro letijo mimo jedra, nimajo časa povzročiti enako močnega ionizirajočega učinka kot počasni beta delci. Ko se energija izgubi, jo zajame bodisi pozitivni ion, da nastane nevtralni atom, bodisi atom, da nastane negativni ion.

Nevtronsko sevanje - sevanje, sestavljeno iz nevtronov, tj. nevtralni delci. Nevtroni nastajajo med jedrskimi reakcijami (verižna reakcija cepitve jeder težkih radioaktivnih elementov, med reakcijami sinteze težjih elementov iz vodikovih jeder). Nevtronsko sevanje je posredno ionizirajoče; nastanek ionov ne poteka pod vplivom samih nevtronov, temveč pod vplivom sekundarnih težkih nabitih delcev in žarkov gama, na katere nevtroni prenašajo svojo energijo. Nevtronsko sevanje je izjemno nevarno zaradi velike prodorne sposobnosti (razpon v zraku lahko doseže več tisoč metrov). Poleg tega lahko nevtroni povzročajo inducirano sevanje (tudi v živih organizmih), ki spremeni atome stabilnih elementov v njihove radioaktivne. Materiali, ki vsebujejo vodik (grafit, parafin, voda itd.), so dobro zaščiteni pred nevtronskim sevanjem.

Glede na energijo ločimo naslednje nevtrone:

1. Ultra hitri nevtroni z energijo 10-50 MeV. Nastajajo med jedrskimi eksplozijami in delovanjem jedrskih reaktorjev.

2. Hitri nevtroni, njihova energija presega 100 keV.

3. Vmesni nevtroni – njihova energija je od 100 keV do 1 keV.

4. Počasni in toplotni nevtroni. Energija počasnih nevtronov ne presega 1 keV. Energija toplotnih nevtronov doseže 0,025 eV.

Nevtronsko sevanje uporabljamo za nevtronsko terapijo v medicini, določanje vsebnosti posameznih elementov in njihovih izotopov v bioloških medijih itd. Medicinska radiologija uporablja predvsem hitre in toplotne nevtrone, predvsem kalifornij-252, ki pri razpadu sprosti nevtrone s povprečno energijo 2,3 MeV.

Elektromagnetno sevanje razlikujejo po izvoru, energiji in valovni dolžini. Elektromagnetno sevanje vključuje rentgenske žarke, sevanje gama radioaktivnih elementov in zavorno sevanje, ki nastane, ko visoko pospešeni nabiti delci prehajajo skozi snov. Vidna svetloba in radijski valovi so tudi elektromagnetno sevanje, vendar ne ionizirajo snovi, ker je zanje značilna dolga valovna dolžina (manjša togost). Energija elektromagnetnega polja se ne oddaja neprekinjeno, temveč v ločenih delih - kvantih (fotonih). Zato je elektromagnetno sevanje tok kvantov ali fotonov.

Rentgensko sevanje. Rentgenske žarke je leta 1895 odkril Wilhelm Conrad Roentgen. Rentgenski žarki so kvantno elektromagnetno sevanje z valovno dolžino 0,001-10 nm. Sevanje z valovno dolžino nad 0,2 nm se običajno imenuje "mehko" rentgensko sevanje, do 0,2 nm pa "trdo". Valovna dolžina je razdalja, ki jo sevanje prepotuje v eni nihajni periodi. Rentgensko sevanje, tako kot vsako elektromagnetno sevanje, potuje s svetlobno hitrostjo – 300.000 km/s. Energija rentgenskih žarkov običajno ne presega 500 keV.

Obstajajo zavorno sevanje in značilni rentgenski žarki. Zavorno sevanje nastane, ko se hitri elektroni upočasnijo v elektrostatičnem polju atomskih jeder (tj. ko elektroni medsebojno delujejo z atomskimi jedri). Ko gre visokoenergijski elektron blizu jedra, opazimo sipanje (pojemek) elektrona. Hitrost elektrona se zmanjša in del njegove energije se odda v obliki zavornega rentgenskega fotona.

Značilni rentgenski žarki nastanejo, ko hitri elektroni prodrejo globoko v atom in so izločeni iz notranjih ravni (K, L in celo M). Atom je vzburjen in se nato vrne v osnovno stanje. V tem primeru elektroni iz zunanjih nivojev zapolnijo izpraznjene prostore v notranjih nivojih, hkrati pa se oddajajo fotoni karakterističnega sevanja z energijo, ki je enaka razliki energije atoma v vzbujenem in osnovnem stanju (ne presega 250 keV). Tisti. do značilnega sevanja pride, ko se elektronske lupine atomov preuredijo. Pri različnih prehodih atomov iz vzbujenega stanja v nevzbujeno stanje lahko presežek energije oddaja tudi v obliki vidne svetlobe, infrardečih in ultravijoličnih žarkov. Ker imajo rentgenski žarki kratke valovne dolžine in se manj absorbirajo v snov, imajo večjo prodorno moč.

Gama sevanje - To je sevanje jedrskega izvora. Oddajajo ga atomska jedra med alfa in beta razpadom naravnih umetnih radionuklidov v primerih, ko hčerinsko jedro vsebuje presežek energije, ki je ne ujame korpuskularno sevanje (alfa in beta delci). Ta odvečna energija se takoj oddaja v obliki žarkov gama. Tisti. Sevanje gama je tok elektromagnetnega valovanja (kvanta), ki se oddaja med procesom radioaktivnega razpada, ko se spremeni energijsko stanje jeder. Poleg tega kvanti gama nastanejo med antihilacijo pozitrona in elektrona. Lastnosti sevanja gama so blizu rentgenskim žarkom, vendar imajo večjo hitrost in energijo. Hitrost širjenja v vakuumu je enaka hitrosti svetlobe – 300.000 km/s. Ker žarki gama nimajo naboja, se v električnih in magnetnih poljih ne odklonijo, širijo pa se naravnost in enakomerno v vse smeri od vira. Energija gama sevanja se giblje od deset tisoč do milijonov elektronvoltov (2-3 MeV), redko doseže 5-6 MeV (povprečna energija gama žarkov, ki nastanejo pri razpadu kobalta-60, je 1,25 MeV). Tok sevanja gama vključuje kvante različnih energij. Med razpadom 131

Radioaktivnost je spontana transformacija enih atomskih jeder v druga, ki jo spremlja emisija osnovnih delcev. Samo nestabilna jedra so podvržena takšnim transformacijam. Med radioaktivne procese spadajo: 1) α - razpad, 2) β - razpad (vključno z zajemom elektronov), 3) γ - jedrsko sevanje, 4) spontana cepitev težkih jeder, 5) protonska radioaktivnost.

Proces radioaktivne transformacije jeder, ki obstajajo v naravi, in jeder, pridobljenih z jedrskimi reakcijami, poteka po enakih zakonitostih.

Zakon radioaktivne transformacije . Posamezna radioaktivna jedra se transformirajo neodvisno drug od drugega. Zato lahko domnevamo, da je število jeder dN, ki razpadejo v kratkem času dt, sorazmerno s številom razpoložljivih jeder N in časovnim intervalom dt:

Tukaj je λ konstantna značilnost vsake radioaktivne snovi, imenovane konstanta razpada. Predznak minus je vzet tako, da se dN lahko obravnava kot prirastek v številu nerazpadlih jeder N.

Integracija izraza vodi do relacije

N = N 0 e -λt ,

kjer je N 0 število jeder v začetnem trenutku, N je število nerazpadlih jeder v času t. Formula izraža zakon radioaktivne transformacije. Ta zakon je zelo preprost: število nerazpadlih jeder se s časom eksponentno zmanjšuje.

Število jeder, ki razpadejo v času t, je določeno z izrazom

N 0 - N = N 0 (1 - e -λt).

Imenuje se čas, v katerem razpade polovica prvotnega števila jeder polovično življenje T. Ta čas je določen s stanjem

Razpolovna doba trenutno znanih radioaktivnih jeder se giblje od 3·10 -7 s do 5·10 15 let.

Poiščimo povprečno življenjsko dobo radioaktivnega jedra. Število jeder dN(t), ki se transformirajo v časovnem intervalu od t do (t + dt), je določeno z modulom izraza: dN(t) = λN(t)dt. Življenjska doba vsakega od teh jeder je t. Posledično dobimo vsoto življenjskih dob vseh N 0 prvotno razpoložljivih jeder z integracijo izraza tdN(t). To vsoto delimo s številom jeder N 0 dobimo povprečno življenjsko doboτ radioaktivno jedro:

Zamenjajmo izraz za N(t) tukaj:

(morate iti do spremenljivke x = λt in izvesti integracijo po delih). Tako je povprečna življenjska doba recipročna konstanta razpada λ:

.

Primerjava z kaže, da se razpolovna doba T razlikuje od τ za numerični faktor, ki je enak ln2.

Pogosto se zgodi, da se jedra, ki nastanejo kot posledica radioaktivne transformacije, izkažejo za radioaktivna in razpadajo z drugačno hitrostjo, za katero je značilna drugačna konstanta razpada. Novi produkti razpada se lahko tudi izkažejo za radioaktivne itd. Posledično pride do cele vrste radioaktivnih transformacij. V naravi obstajajo tri radioaktivne serije (ali družine), katerih predniki so
(serija urana),
(torijeva serija) in
(serija aktinouranija). Končni produkt v vseh treh primerih so izotopi svinca – v prvem primeru
, v drugem
, in končno, v tretjem
.

Naravno radioaktivnost je leta 1896 odkril francoski znanstvenik A. Becquerel. Pierre Curie in Maria Sklodowska-Curie sta veliko prispevala k študiju radioaktivnih snovi. Ugotovljeno je bilo, da obstajajo tri vrste radioaktivnega sevanja. Eden od njih, imenovan α-žarki, se pod vplivom magnetnega polja odkloni v isto smer, v katero bi se odklonil tok pozitivno nabitih delcev. Drugi, imenovani β - žarki, se z magnetnim poljem odklonijo v nasprotni smeri, tj. tako kot bi se tok negativno nabitih delcev odvrnil. Nazadnje, tretje sevanje, ki nikakor ne reagira na delovanje magnetnega polja, so poimenovali γ - žarki. Pozneje se je izkazalo, da so žarki γ elektromagnetno sevanje zelo kratke valovne dolžine (od 10 -3 do 1 Å).

Alfa razpad . Alfa žarki so tok helijevih jeder
. Razpad poteka po naslednji shemi:

Črka X označuje kemijski simbol razpadajočega (materinega) jedra, črka Y pa kemijski simbol nastalega (hčerinskega) jedra. Razpad alfa običajno spremlja emisija žarkov γ hčerinskega jedra. Iz diagrama razpada je razvidno, da je atomsko število hčerinske snovi 2 enoti, masno število pa 4 enote manjše od matične snovi. Primer je razpad izotopa urana
, ki poteka s tvorbo torija:

.

Hitrosti, pri katerih delci α (tj. jedra
) odletijo iz

razpadlo jedro je zelo veliko (~ 10 9 cm/s; kinetična energija reda več MeV). Ko leti skozi snov, delec α postopoma izgublja svojo energijo, jo porabi za ionizacijo molekul snovi in ​​se sčasoma ustavi. Za tvorbo enega para ionov v zraku se porabi povprečno 35 eV. Tako α-delec na svoji poti tvori približno 10 5 parov ionov. Seveda je večja kot je gostota snovi, krajši je doseg α-delcev pred zaustavitvijo. Tako je v zraku pri normalnem tlaku razpon nekaj centimetrov, v trdni snovi pa je razpon reda 10 -3 cm (α - delce povsem zadrži navaden list papirja).

Kinetična energija α-delcev nastane zaradi presežka energije počitka matičnega jedra nad skupno energijo počitka hčerinskega jedra in α-delca. Ta presežna energija se porazdeli med delec α in hčerinsko jedro v razmerju, ki je obratno sorazmerno z njunima masama. Izkazalo se je, da so energije (hitrosti) α-delcev, ki jih oddaja določena radioaktivna snov, strogo določene. V večini primerov radioaktivna snov oddaja več skupin delcev α s podobnimi, vendar različnimi energijami. To je posledica dejstva, da lahko hčerinsko jedro nastane ne le v normalnih, ampak tudi v vznemirjenih stanjih.

Na sl. Slika 4 prikazuje diagram, ki pojasnjuje nastanek različnih skupin α - delcev (videz fine strukture α - spektra), ki se oddajajo med razpadom jeder.
(bizmut-212).

Diagram na levi prikazuje energijske nivoje hčerinskega jedra
(talij-208). Energija osnovnega stanja je enaka nič. Presežek energije mirovanja matičnega jedra nad energijo mirovanja delca α in hčerinskega jedra v normalnem stanju je 6,203 MeV. Če se hčerinsko jedro pojavi v nevzbujenem stanju, se vsa ta energija sprosti v obliki kinetične energije in delec α predstavlja

(ta skupina delcev je na diagramu označena z α 0). Če se hčerinsko jedro pojavi v petem vzbujenem stanju, katerega energija je za 0,617 MeV večja od energije normalnega stanja, bo sproščena energija 6,203-0,617 = 5,586 MeV, delež delca α pa 5,481. MeV (skupina delcev α 5). Relativno število delcev je ~27 % za α0, ~70 % za α1 in le ~0,01 % za α5. Tudi relativne količine α 2 , α 3 in α 4 so zelo majhne (približno 0,1-1 %).

Povprečna življenjska doba τ vzbujenih stanj za večino jeder leži v območju od 10 -8 do 10 -15 s. V času, ki je v povprečju enak τ, preide hčerinsko jedro v normalno ali nižje vzbujeno stanje in odda foton γ. Na sl. Slika 4 prikazuje nastanek γ – fotonov šestih različnih energij.

Energija vzbujanja hčerinskega jedra se lahko sprosti na druge načine. Vzbujeno jedro lahko odda poljuben delec: proton, nevtron, elektron ali delec α. Končno lahko vzbujeno jedro, ki nastane kot posledica α-razpada, odda odvečno energijo neposredno (brez predhodne emisije γ-kvanta) enemu od elektronov K-, L- ali celo M- lupine atoma, kot zaradi česar elektron odleti iz atoma. Ta proces se imenuje notranja pretvorba. Posledica odhoda

elektrona, bo prazno mesto zapolnjeno z elektroni z višjih energijskih ravni. Zato notranjo pretvorbo vedno spremlja emisija značilnih rentgenskih žarkov.

Tako kot foton ne obstaja v že pripravljeni obliki v globini atoma in se pojavi šele v trenutku sevanja, se tudi delec α pojavi v trenutku radioaktivnega razpada jedra. Ko zapusti jedro, mora α-delec premagati potencialno pregrado, katere višina presega skupno energijo α-delca, ki je v povprečju 6 MeV (slika 5). Zunanjo stran pregrade, ki asimptotično pada na nič, povzroča Coulombov odboj delca α in hčerinskega jedra. Notranja stran pregrade je posledica jedrskih sil. Poskusi sipanja α-delcev na težkih α-radioaktivnih jedrih so pokazali, da višina pregrade opazno presega energijo α-delcev, ki se oddajajo med razpadom. Po klasičnih konceptih je nemogoče, da bi delec pod določenimi pogoji premagal potencialno oviro. Vendar pa glede na kvantno mehaniko obstaja verjetnost, ki ni ničelna, da bo delec ušel skozi pregrado, kot da bi šel skozi tunel v pregradi. O tem pojavu, imenovanem učinek tunela, smo razpravljali prej. Teorija α - razpada, ki temelji na konceptu tunelskega učinka, vodi do rezultatov, ki se dobro ujemajo z eksperimentalnimi podatki.

Beta razpad . Obstajajo tri vrste β - razpada. V enem primeru jedro, ki je podvrženo transformaciji, oddaja elektron, v drugem - pozitron, v tretjem primeru, imenovan elektronski zajem(e-zgrabi), jedro absorbira enega od elektronov K - lupine, veliko redkeje L - ali M - lupine (v skladu s tem namesto e - zajetje govorijo o K - zajemu, L - zajemu ali M - zajemu).

Prva vrsta razpada (β - – razpad oz razpad elektrona) poteka po naslednji shemi:

Da bi poudarili ohranitev naboja in števila nukleonov v procesu β - razpada, smo β - elektronu pripisali nabojno število Z = -1 in masno število A = 0.

Iz diagrama je razvidno, da ima hčerinsko jedro atomsko število za ena večje od matičnega jedra, masni števili obeh jeder sta enaki. Skupaj z elektronom se oddaja tudi antinevtrino .Celoten proces poteka kot pri enem od nevtronov jedra
spremenil v proton, ki se transformira v skladu s shemo. Na splošno je proces poseben primer procesa. Zato pravijo, da je prosti nevtron β radioaktiven.

Beta razpad lahko spremlja emisija žarkov γ. Mehanizem njihovega nastanka je enak kot pri α - razpadu - hčerinsko jedro se ne pojavi samo v normalnih, ampak tudi v vzbujenih stanjih. Nato jedro preide v stanje z nižjo energijo in odda foton γ.

Primer β - razpada je transformacija torija
do protaktinija
z emisijo elektronov in antinevtrinov:

Za razliko od α - delcev, ki imajo znotraj vsake skupine strogo določeno energijo, imajo β - elektroni široko paleto kinetičnih energij od 0 do E max. Na sl. Slika 6 prikazuje energijski spekter elektronov, ki jih oddajajo jedra med β - razpadom. Območje, ki ga zajema krivulja, bo dalo skupno število oddanih elektronov na časovno enoto, dN – število elektronov, katerih energija je vsebovana v intervalu dE. Energija E max ustreza razliki med maso matičnega jedra ter maso elektrona in hčerinskega jedra. Posledično pride do razpadov, pri katerih je energija elektronov E manjša od E max, z očitno kršitvijo zakona o ohranitvi energije.

Da bi razložil izginotje energije (E max - E), je Pauli leta 1932 predlagal, da se med beta razpadom poleg elektrona odda še en delec, ki odnese energijo (E max - E). Ker se ta delec nikakor ne razkrije, je treba priznati, da je nevtralen in ima zelo majhno maso (zdaj je bilo ugotovljeno, da je masa mirovanja tega delca nič). Po predlogu E. Fermija so ta hipotetični delec poimenovali nevtrino (kar pomeni "majhen nevtron").

Obstaja še en razlog več za predpostavko o nevtrinih (ali antinevtrinih). Spin nevtrona, protona in elektrona je enak in enak 1/2. Če zapišemo shemo brez antinevtrinov, potem se bo skupni spin nastalih delcev (ki je za dva delca s s = 1/2 lahko nič ali ena) razlikoval od spina prvotnega delca. Tako sodelovanje drugega delca pri β - razpadu narekuje zakon o ohranitvi kotne količine in temu delcu je treba pripisati vrtenje, ki je enako 1/2 (ali 3/2). Ugotovljeno je bilo, da je spin nevtrinov (in antinevtrinov) enak 1/2.

Neposredni eksperimentalni dokaz obstoja nevtrinov je bil pridobljen šele leta 1956.

Tako se energija, ki se sprosti med beta razpadom, porazdeli med elektron in antinevtrino (ali med pozitron in nevtrino, glej spodaj) v najrazličnejših razmerjih.

Druga vrsta razpada (β + – razpad oz pozitronski razpad) poteka po shemi

Primer je pretvorba dušika
v ogljik
:

Iz diagrama je razvidno, da je atomsko število hčerinskega jedra za ena manjše od atomskega števila matičnega jedra. Proces spremlja emisija pozitrona e + (v formuli je označen s simbolom ) in nevtrina ν je možen tudi nastanek γ - žarkov. Pozitron je antidelec za elektron. Zato sta oba delca, emitirana med razpadom, antidelca glede na delce, emitirane med razpadom

Proces razpada β + - poteka tako, kot da bi se eden od protonov prvotnega jedra spremenil v nevtron, ki oddaja pozitron in nevtrino:

Za prosti proton je tak proces iz energetskih razlogov nemogoč, saj je masa protona manjša od mase nevtrona. Vendar pa si lahko proton v jedru izposodi potrebno energijo od drugih nukleonov, ki sestavljajo jedro.

Tretja vrsta β - razpada ( elektronski zajem) je, da jedro absorbira enega od K - elektronov (redkeje enega od L - ali M - elektronov) svojega atoma, zaradi česar se eden od protonov spremeni v nevtron, ki oddaja nevtrino:

Nastalo jedro je lahko v vzbujenem stanju. Nato preide v nižja energijska stanja in oddaja fotone γ. Diagram postopka izgleda takole:

Prostor v elektronski lupini, ki ga sprosti zajeti elektron, se napolni z elektroni iz zgornjih plasti, kar povzroči nastanek rentgenskih žarkov. Zajetje elektronov je enostavno zaznati s spremljajočim rentgenskim sevanjem. Na ta način je bil odkrit K - ujetje Alvareza leta 1937.

Primer zajetja elektronov je pretvorba kalija

na argon
:

Spontana cepitev težkih jeder . Leta 1940 so sovjetski fiziki N.G. Flerov in K.A. Petrzak je odkril proces spontane cepitve uranovih jeder na dva približno enaka dela. Pozneje so ta pojav opazili pri številnih drugih težkih jedrih. Po svojih značilnostih je spontana delitev blizu prisilne delitve, o kateri govori naslednji odstavek.

Protonska radioaktivnost . Kot že ime pove, se pri protonski radioaktivnosti jedro transformira in odda enega ali dva protona (v slednjem primeru govorimo o dvoprotonski radioaktivnosti). To vrsto radioaktivnosti je leta 1963 prvič opazila skupina sovjetskih fizikov pod vodstvom G.N. Flerov.

Aktivnost radioaktivne snovi . Aktivnost radioaktivnega zdravila je število razpadov, ki se zgodijo v zdravilu na enoto časa. Če v času dt dN razpadna jedra razpadejo, potem je aktivnost enaka dN razpadu /dt. Po navedbah

dN disp = |dN| = λNdt.

Iz tega sledi, da je aktivnost radioaktivnega zdravila enaka λN, tj. zmnožek konstante razpada s številom nerazpadlih jeder, prisotnih v pripravku.

V mednarodnem sistemu enot (SI) je enota dejavnosti dis/s. Dovoljena je uporaba nesistemskih enot disperzije/min in curie (Ci). Enota aktivnosti, imenovana curie, je definirana kot aktivnost takega zdravila, pri katerem se zgodi 3.700·10 10 razpadov na sekundo. Uporabljajo se frakcijske enote (milikuri, mikrokiri itd.), pa tudi večkratne enote (kilokuri, megakuri).

Alfa sevanje (alfa žarki) je vrsta ionizirajočega sevanja; je tok hitro gibajočih se, visoko energijskih, pozitivno nabitih delcev (alfa delcev).

Glavni vir alfa sevanja so alfa sevalci, ki med procesom razpada oddajajo alfa delce. Značilnost alfa sevanja je njegova nizka prodorna sposobnost. Pot alfa delcev v snovi (to je pot, po kateri proizvajajo ionizacijo) se izkaže za zelo kratko (stotinke milimetra v biološkem mediju, 2,5-8 cm v zraku).

Na kratki poti pa delci alfa ustvarijo veliko število ionov, to pomeni, da povzročijo veliko linearno gostoto ionizacije. To zagotavlja izrazito relativno biološko učinkovitost, 10-krat večjo kot pri izpostavljenosti rentgenskim žarkom in. Pri zunanjem obsevanju telesa lahko alfa delci (ob dovolj veliki absorbirani dozi sevanja) povzročijo hude, čeprav površinske (kratke) opekline; ko jih zaužijemo preko dolgoživečih alfa sevalcev, se s krvnim obtokom prenašajo po telesu in odlagajo v organih itd., kar povzroča notranje obsevanje telesa. Alfa sevanje se uporablja za zdravljenje nekaterih bolezni. Glej tudi Ionizirajoče sevanje.

Alfa sevanje je tok pozitivno nabitih delcev α (jedra atomov helija).

Glavni vir sevanja alfa so naravni radioaktivni izotopi, od katerih mnogi ob razpadu oddajajo delce alfa z energijami od 3,98 do 8,78 MeV. Delci alfa zaradi svoje visoke energije, dvojnega naboja (v primerjavi z elektronom) in relativno nizke (v primerjavi z drugimi vrstami ionizirajočega sevanja) hitrosti gibanja (od 1,4 10 9 do 2,0 10 9 cm/s) ustvarjajo zelo veliko število ionov, ki so gosto nameščeni vzdolž njihove poti (do 254 tisoč parov ionov). Hkrati hitro porabijo svojo energijo in se spremenijo v navadne atome helija. Razpon alfa delcev v zraku pri normalnih pogojih je od 2,50 do 8,17 cm; v bioloških medijih - stotinke milimetra.

Linearna gostota ionizacije, ki jo ustvarijo delci alfa, doseže več tisoč parov ionov na 1 mikronsko pot v tkivih.

Ionizacija, ki jo povzroča alfa sevanje, določa številne značilnosti tistih kemičnih reakcij, ki se odvijajo v snovi, zlasti v živem tkivu (tvorba močnih oksidantov, prostega vodika in kisika itd.). Te radiokemične reakcije, ki potekajo v bioloških tkivih pod vplivom alfa sevanja, pa povzročajo posebno biološko učinkovitost alfa sevanja, ki je večja kot pri drugih vrstah ionizirajočega sevanja. V primerjavi z rentgenskim sevanjem, beta in gama sevanjem se predpostavlja, da je relativna biološka učinkovitost alfa sevanja (RBE) 10, čeprav se lahko v različnih primerih zelo razlikuje. Tako kot druge vrste ionizirajočega sevanja se alfa sevanje uporablja za zdravljenje bolnikov z različnimi boleznimi. Ta del radioterapije se imenuje alfa terapija (glejte).

Glej tudi Ionizirajoče sevanje, Radioaktivnost.