Czy można dowiedzieć się, które z jąder w pewnej substancji radioaktywnej rozpadnie się w pierwszej kolejności? Które będzie następne? Które rozpadnie się w ostatniej kolejności? Fizycy twierdzą, że nie można się tego dowiedzieć: rozpad tego czy innego jądra radionuklidów jest przypadkowym wydarzeniem. Jednocześnie zachowanie się substancji radioaktywnej podlega ustalonym prawidłowościom.
Dowiadujemy się o półokresie rozpadu
W zamkniętej szklanej probówce znajduje się określona ilość Radonu—220. Po 56 sekundach okaże się, że ilość Radonu w probówce zmniejsza się dwukrotnie. Jeszcze po 56 sekundach z reszty atomów pozostanie połowa itd. Wiadomo zatem, dlaczego odcinek 56 sekund nazwano pólokresem rozpadu.
Półokres rozpadu ^1/2 - jest to wielkość fizyczna, która charakteryzuje radionuklid i dorównuje czasu, który upłynie do chwili, kiedy połowa jąder danego radionuklidu ulegnie rozpadowi.
Jednostką półokresu rozpadu w SI jest sekunda:
Każdy radionuklid ma swój półokres rozpadu (patrz tabelę).
Próbka zawiera 6,4 · 1020 atomów Jodu-131. Ile atomów Jodu-131 pozostanie w próbce po upływie 32 dób?
Półokres rozpadu niektórych radioaktywnych izotopów
Podajemy definicję aktywności radioaktywnego źródła
I Uran-238, i Rad-236 sąα-radioaktywne (ich jądra mogą samorzutnie rozpadać się na α-cząstkę i odpowiednie nowe jądro. Jeżeli ilość atomów Uranu-238 i Radu-236 jest jednakowa, z której próbki w ciągu 1 sekundy wylatuje więcej a-cząstek?
Spodziewamy się, że prawidłowo odpowiedziałeś na dane pytanie i uwzględniając to, że półokresy rozpadu danych radionuklidów różnią się prawie 3 000 000 razy, określiłeś, że w ciągu tego samego czasu w próbce radu odbywa się o wiele więcej α-rozpadu, niżeli w próbce uranu.
Aktywnością źródła radioaktywnego będziemy nazywać liczbę rozpadów promieniotwórczych, która następuje w ciągu 1 s.
Aktywność radioaktywnego źródła oznaczamy symbolem A; jednostką aktywności w SI jest bekerel.
1 Bq - jest to aktywność takiego radioaktywnego źródła, w którym w ciągu 1 s odbywa się 1 rozpad:
Jednak 1 Bq jest bardzo małą aktywnością, dlatego stosowana jest pochodna jednostka aktywności - kiur (Ci):
1 Ci = 3,7 -1010 Bq.
Ku czci jakich uczonych nazwano wartość jednostki? Jakie odkrycia do nich należą?
Jeżeli próbka zawiera atomy tylko jednego radionuklidu, to aktywność tej próbki wyznaczana jest według wzoru:
Gdzie N — to ilość atomów radionuklidu w próbce w danym momencie λ - stała radioaktywnego rozpadu radionuklidu (wielkość fizyczna, która charakteryzuje radionuklid i jest związana z półokresem rozpadu za pomocą wzoru:
Tak jak aktywność czystych substancji radioaktywnych maleje w czasie w ściśle określony sposób, to maleje również aktywność próbki (rys. 24.1).
Historia odkrycia sztucznych izotopów radioaktywnych
Pierwszy sztuczny izotop radioaktywny (i5 P ) otrzymano na początku 1934 r. Przez małżeństwo Frederica i Irene Jean Joliot-Curie (czyt. Fride-rik i Iren Zan Zolio-Kiri). Przeprowadzili oni doświadczenie, w którym bombardowali folię aluminiową cząstkami a. W wyniku czego obserwowali emisję neutronu, czyli zaszła taka reakcja jądrowa:
Włoski fizyk Enrico Fermi znany jest dzięki swoim wybitnym osiągnięciom. Jednak najwyższą nagrodę - nagrodę Nobla - uczony otrzymał za odkrycie sztucznej radioaktywności, spowodowanej napromieniowaniem substancji neutronami powolnymi. Obecnie metoda napromieniowania neutronami znalazła szerokie zastosowanie w przemyśle do otrzymania radioaktywnych izotopów.
Dowiadujemy się o zastosowaniu radioaktywnych izotopów Obecność radionuklidów substancji w określonym obiekcie można zobaczyć dzięki promieniowaniu. Już wyjaśniliście, że aktywność promieniowania zależy od rodzaju radionuklidów i jego ilości, która z czasem zmniejsza się. Wszystko to jest podstawą stosowania sztucznie otrzymanych radioaktywnych izotopów. Obecnie dla każdego pierwiastka promieniotwórczego występującego w przyrodzie, otrzymano sztuczne radioaktywne izotopy.
Rozróżniamy dwa kierunki zastosowania radioaktywnych izotopów.
1. Zastosowanie radioaktywnych izotopów w postaci czujników. Radioaktywność jest swego rodzaju znakiem, za pomocą którego można zobaczyć pierwiastek, obserwować jego zachowanie podczas procesów fizycznych i biologicznych (patrz na przykład rys. 24.2).
2. Zastosowanie radioaktywnych izotopów jako źródeł γ-promieniowania (patrz na przykład rys. 24.3).
Rozpatrzymy jeszcze kilka przykładów.
Rys. 24.2. W celu wyjaśnienia, w jaki sposób rośliny pobierają nawozy fosforowe, do tych nawozów dodawany jest radioaktywny izotop Fosforu, następnie bada się rośliny na radioaktywność i określa się ilość wchłanianego fosforu
Zastosowanie radioaktywnych izotopów do diagnostyki chorób
Wiadomo, na przykład, że tarczyca gromadzi jod, tkanka kostna - fosfor, potas i stront, wątroba -niektóre barwniki itd. Prędkość gromadzenia substancji zależy od stanu zdrowia narządu. Na przykład wiadomo, że aktywność tarczycy gwałtownie wzrasta w przypadku choroby Basedowa.
Za pomocą γ-radioaktywnego izotopu jodu wygodnie jest śledzić ilość jodu w tarczycy. Chemiczne właściwości radioaktywnego i stabilnego jodu są jednakowe, dlatego radioaktywny Jod-131 będzie gromadzić się podobnie jak i jego stabilny izotop.
Jeżeli tarczyca jest w normie, to po pewnym czasie od wprowadzenia do organizmu Jodu-131 γ-promieniowanie będzie najbardziej intensywne, jeżeli zaś tarczyca funkcjonuje z odchyleniem od normy, γ-promieniowanie będzie zbyt wysokie lub zbyt niskie.
Analogiczna metoda wykorzystywana jest do badań wymiany substancji w organizmie, wykrycia nowotworów i in.
Wiadomo, że podczas wykorzystania wyżej wymienionych metod diagnostyki należy rzetelnie dawkować ilość radioaktywnego preparatu, aby wewnętrzne napromieniowanie spowodowało minimalny negatywny wpływ na organizm człowieka.
Określamy wiek starożytnych przedmiotów
W atmosferze Ziemi zawsze jest określona
ilość β-radioaktywnego Carboneum 1gC, który tworzy się z Nitrogenium na skutek reakcji jądrowej z neutronami. Ten izotop zawarty w dwutlenku węgla (C02) jest pochłaniany przez rośliny, a za ich pośrednictwem — przez zwierzęta. Póki zwierzę lub roślina są żywe, zawartość radioaktywnego Carboneum podtrzymuje się w nich stale. Po śmierci organizmu ilość radioaktywnego Carboneum zaczyna zmniejszać się, zmniejsza się również aktywność β-promieniowania. Wiedząc, że półokres rozpadu Carboneum 1gC wynosi 5700 lat, można określić wiek archeologicznych wykopalisk (rys. 24.4).
Zastosowanie γ-promieniowania w technice
Gamma-promieniowanie jest wykorzystywane w technice, na przykład w urządzeniach o nazwie gamma-defektoskopy. Za pomocą danych urządzeń sprawdza się, na przykład, jakość łączeń spawanych. Gdy podczas spawania zawiasów do bramy majster popełnił błąd, to po jakimś czasie zawiasy odłamią się. Ten błąd można poprawić. Jednak, gdy taki błąd trafi się przy spawaniu części konstrukcji mostu lub reaktora jądrowego, tragedii nie da się uniknąć. Dzięki temu, że γ-promienie są pochłaniane przez stal masywną i stal z pustkami, gamma-defektoskop widzi pęknięcia wewnątrz metalu, więc wskazuje braki jeszcze na początkowym etapie sporządzania konstrukcji.
Niszczymy drobnoustroje za pomocą radiacji
Wiadomo, że określona dawka napromieniowania zabija organizmy. Jednak nie wszystkie one są pożyteczne dla człowieka. Medycy ciągle pracują nad tym, aby pozbyć się drobnoustrojów chorobotwórczych. Przypomnij sobie: w szpitalach myje się podłogę specjalnym roztworem, napromieniowuje się pomieszczenia światłem nadfioletowym, obrabia się sprzęt medyczny itd. Takie zabiegi nazywamy dezynfekcją czy sterylizacją.
Ogromny potencjał y-promieniowania daje możliwość stosowania go na szeroką skalę (rys. 24.5). Taka sterylizacja jest wykonywana w
specjalnie stworzonych urządzeniach z bezpieczną ochroną od przenikającej radiacji. Jako źródło γ-promieni wykorzystywane są sztucznie stworzone izotopy Cobaltum
Uczymy się rozwiązywać zadania
Zadanie. Wyznacz masę Radium-226, jeżeli jego aktywność wynosi 5 Ci. Stała radioaktywnego rozpadu Radium-226 wynosi 1,37- 10~n s-1.
Analiza problemu fizycznego, poszukiwanie modelu matematycznego Zadanie rozwiązujemy za pomocą wzoru wyznaczania aktywności: Α = λΝ. Znając aktywność, obliczamy ilość N atomów Radium. Masę substancji wyznaczamy ze wzoru: m = N ■ m0 .
Z nauki chemii wiesz:
• 1 mol substancji zawiera NA = 6,02 1023 atomów;
• masa atomów
gdzie M - masa molowa substancji.
Podsumowanie
Półokres rozpadu ^1/2 jest to czas, jaki upłynie do chwili, kiedy połowa jąder ulegnie rozpadowi. Półokres rozpadu jest charakterystyką radionuklidu. Aktywnością będziemy nazywać liczbę rozpadów radioaktywnych, która następuje w ciągu 1 s. Jeżeli źródło zawiera atomy tylko jednego radionuklidu, to aktywność A źródła można wyznaczyć według wzoru: A = λΝ , gdzie N — ilość atomów radionuklidu w próbce; λ — stała radioaktywnego rozpadu radionuklidu. Jednostką aktywności w SI jest bekerel (Bq).
Z upływem czasu aktywność radionuklidów zmniejsza się. Daną właściwość zastosowuje się do wyznaczania wieku archeologicznych wykopalisk. Sztucznie stworzone izotopy stosuje się do sterylizacji jednorazowego sprzętu medycznego, diagnostyki i leczenia chorób, znalezienia defektów w metalach i in.
Pytania kontrolne
1. Podaj definicję półokresu rozpadu. Co wyznacza dana wielkość fizyczna? 2. Co nazywamy aktywnością radioaktywnego źródła? 3. Podaj jednostkę aktywności w SI. 4. Jak jest powiązana aktywność radionuklidu z jego stałą rozpadu? 5. Czy zmienia się z czasem aktywność radionuklidu? Jeżeli zmienia się, to dlaczego i w jaki sposób? 6. Podaj przykłady zastosowania radioaktywnych izotopów.
Ćwiczenie nr 24
1. Mamy jednakową ilość jąder Jodium-131, Radonu-220 i Uranium-235. Jaki radionuklid ma największy półokres rozpadu? Aktywność jakiego radionuklidu na dany moment czasu jest największa? Uzasadnij odpowiedź.
2. Próbka zawiera 2 1020 atomów Jodium-131. Oblicz, ile jąder Jodium rozpada się w próbce w ciągu godziny. Aktywność Jodium-131 w ciągu tego czasu uważaj za stałą. Stała radioaktywnego rozpadu Jodium-131 wynosi 9,98 10-7 s-1.
Półokres rozpadu radioaktywnego Carboneum-14 wynosi 5700 lat. Ile razy zmniejszy się ilość atomu Carboneum-14 w sośnie ściętej 17 100 lat temu?
4. Oblicz półokres rozpadu radionuklidu, jeżeli w ciągu 1,2 s ilość jąder, które rozpadły się, wynosi 75 % od ich początkowej ilości.
5. Na dany moment czasu w radioaktywnej próbce znajduje się 0,05 moli Ra-donu-220. Wyznacz aktywność Radonu-220.
6. Obecnie, jednym z najbardziej znaczących jest badanie wymiany substancji w organizmie człowieka za pomocą radioaktywnych izotopów. Zauważono, że za stosunkowo krótki czas organizm prawie całkowicie regeneruje się. Wykorzystaj dodatkowe źródła informacji i dowiedz się więcej o tych badaniach.
Fizyka i technika na Ukrainie
Państwowe centrum naukowe „Fizyko-techniczny instytut" w Charkowie jest znanym na skalę światową centrum naukowym w dziedzinie nauk fizycznych. Instytucja została założona w 1928 r. z inicjatywy akademika A. Joffe w celu badań w dziedzinie fizyki jądrowej i fizyki ciała stałego i nazwana Ukraińskim fizyko-technicznym instytutem.
W 1932 roku w instytucie miało miejsce wybitne osiągnięcie naukowe - dokonano rozszczepienia jądra atomu Litium. Później, w warunkach laboratoryjnych, otrzymano ciekły wodór i hel, zbudowano pierwszy trójwspółrzędny radar, przeprowadzono pierwsze badania techniki wysokopróżniowej, co zapoczątkowało rozwój nowego fizyko-techno-logicznego kierunku - metalurgii próżniowej. Po wojnie uczeni instytutu odegrali ważną rolę w rozwiązaniu problemu wykorzystania energii atomowej.
W różnych latach pracowali tu wybitni fizycy: I Obreimow, L. Landau, I. Kurczatow,
K. Synelnikow, L. Szubnykow, O. Lejpuński, E. Lifszyc, I. Liwszyc, A. Walter, B. Łazariew, D. I wanenko, A. Achijezer, W. Iwanow, J. Fajnberg, D. Wołkow i in. Szkoły naukowe, stworzone w instytucie, są znane na całym świecie.
W instytucie znajduje się najbardziej potężny liniowy przyspieszacz elektronów, a także zbiór urządzeń termojądrowych „Uragan".
Dyrektorem centrum jest znany ukraiński fizyk akademik PAN Ukrainy Mykoła Szulga.
Źródło: Fizyka podręcznik dla klasy 9 Barjachtar