mozok.click » Фізика » Активность радиоактивного вещества. Применение радиоактивных изотопов
Інформація про новину
  • Переглядів: 4918
  • Автор: admin
  • Дата: 14-10-2017, 18:01
14-10-2017, 18:01

Активность радиоактивного вещества. Применение радиоактивных изотопов

Категорія: Фізика

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.

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 T1/2 — это физическая величина, которая характеризует радионуклид и равна времени, в течение которого распадается половина имеющегося количества ядер данного радионуклида.

Период полураспада некоторых радионуклидов

Единица периода полураспада в СИ — секунда:

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?



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?

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 α-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 A. Единица активности в СИ — беккерель.

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 (15P) был получен в 1934 г. супругами Фредерикоми Ирен Жолио-Кюри. Облучая α-частицами алюминий, они наблюдали излучение нейтронов, то есть происходила следующая ядерная реакция:

Итальянский физик Энрико Фермиизвестен 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.

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):

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:

где N — число атомов радионуклида в образце на данный момент времени; λ — постоянная радиоактивного распада радионуклида (физическая величина, являющаяся характеристикой радионуклида и связанная с периодом полураспада соотношением:

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


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.

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

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

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).

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

Рассмотрим несколько примеров.

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.

Определяем возраст древних предметов

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

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

В атмосфере Земли всегда имеется некоторое количество β-радиоактивного Карбона-14 (^C), 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).

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.

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

Учимся решать задачи

Задача. Определите массу Радия-226, если его активность составляет 5 Ки. Постоянная радиоактивного распада Радия-226 равна 1,37 · 10 11 с1.

Анализ физической проблемы, поиск математической модели

Для решения задачи воспользуемся формулой для определения активности: A = AN. Зная активность, выясним количество N атомов Радия. Массу вещества можно определить, умножив число атомов на массу одного атома: m = N ■ m0 .

Из курса химии вы знаете:

23

• 1 моль вещества содержит NA = 6,02 10 атомов;

молярная масса вещества (масса 1 моль).

• масса атома

Подводим итоги

Время, в течение которого распадается половина имеющегося количества ядер данного радионуклида, называют периодом полураспада Т1/2 . 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 A источника можно определить по формуле A = AN, где N — 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.

 

Это материал учебника Физика 9 класс Барьяхтар, Довгий

 






^