Чи можна дізнатися, яке саме ядро в певній радіоактивній речовині розпадеться першим? Яке буде наступним? Яке розпадеться останнім? Фізики стверджують, що дізнатися про це неможливо: розпад того чи іншого ядра радіонукліда — подія випадкова. Разом із тим поведінка радіоактивної речовини в цілому підлягає чітко визначеним закономірностям.
Дізнаємося про період піврозпаду
Якщо взяти закриту скляну колбу, що містить певну кількість Ра-дону-220, то виявиться, що приблизно через 56 с кількість радону в колбі зменшиться вдвічі. Ще через 56 с із решти атомів знову залишиться половина і т. д. Отже, зрозуміло, чому інтервал часу 56 с був названий періодом піврозпаду Радону-220.
період піврозпаду Т1/2 — це фізична величина, що характеризує радіонуклід і дорівнює часу, протягом якого розпадається половина наявної кількості ядер даного радіонукліда.
Одиниця періоду піврозпаду в СІ — секунда:
У кожного радіонукліда — свій період піврозпаду (див. таблицю).
Зразок містить 6,4 · 1020 атомів Йоду-131. Скільки атомів Йоду-131 буде в зразку через 32 доби?
Даємо означення активності радіоактивного джерела
І Уран-238, і Радій-226 є а-радіо-активними (їхні ядра можуть спонтанно розпадатися на а-частинку і відповідне дочірнє ядро). Якщо кількість атомів Урану-238 і Ра-дію-226 є однаковою, з якого зразка за 1 с вилетить більше а-частинок?
Сподіваємося, що ви правильно відповіли на подане запитання й, урахувавши, що періоди піврозпаду даних радіонуклідів відрізняються майже у 3 млн разів, визначили, що за той самий час у зразку радію відбудеться набагато більше а-розпадів, ніж у зразку урану.
Фізичну величину, яка чисельно дорівнює кількості розпадів, що відбуваються в певному радіоактивному джерелі за одиницю часу, називають активністю радіоактивного джерела.
Рис. 24.1. Графік залежності активності Радію-226 від часу. Період піврозпаду Радію-226 — 1600 років
Історія відкриття штучних радіоактивних ізотопів
Перший штучний радіоактивний ізотоп (^Р) був отриманий на початку 1934 р. подружжям Фредеріком і Ірен Жоліо-Кюрі. Опромінюючи а-частинками алюміній, вони спостерігали випромінювання нейтронів, тобто відбувалася така ядерна реакція:
Італійський фізик Енріко Фермі уславив своє ім’я кількома видатними досягненнями. Однак свою найвищу нагороду — Нобелівську премію — учений одержав за відкриття штучної радіоактивності, спричиненої опромінюванням речовини повільними нейтронами. Зараз метод опромінювання нейтронами широко застосовують у промисловості для отримання радіоактивних ізотопів.
Активність радіоактивного джерела позначають символом Л. Одиниця активності в СІ — бекерель.
1 Бк — це активність такого радіоактивного джерела, в якому за 1 с відбувається 1 акт розпаду:
1 Бк — це дуже мала активність, тому використовують позасистемну одиницю активності — кюрі (Кі):
На честь яких науковців названо зазначені одиниці? Які відкриття вони зробили?
Якщо зразок містить атоми лише одного радіонукліда, то активність цього зразка можна визначити за формулою:
де N — кількість атомів радіонукліда в зразку на даний час; 1 — стала радіоактивного розпаду радіонукліда (фізична величина, яка є характеристикою радіонукліда та пов’язана з періодом піврозпаду
співвідношенням:
Оскільки з плином часу в радіоактивному зразку кількість ядер радіонуклідів, що не розпалися, зменшується, то зменшується й активність зразка (рис. 24.1).
Дізнаємося про застосування радіоактивних ізотопів
Наявність у певному об’єкті радіонуклідів можна виявити за випромінюванням. Ви вже з’ясували, що активність випромінювання залежить від виду радіонукліда та його кількості, яка з часом зменшується. Все це покладено в основу використання радіоактивних ізотопів, які фізики навчилися отримувати штучно. Зараз для кожного хімічного елемента, що зустрічається в природі, отримано штучні радіоактивні ізотопи.
Можна визначити два напрями використання радіоактивних ізотопів.
1. Використання радіоактивних ізотопів як індикаторів. Радіоактивність є своєрідною міткою, за допомогою якої можна виявити наявність елемента, простежити за поведінкою елемента під час фізичних і біологічних процесів тощо (див., наприклад, рис. 24.2).
2. Використання радіоактивних ізотопів як джерел у-випромінювання (див., наприклад, рис. 24.3).
Розглянемо кілька прикладів.
Застосовуємо радіоактивні ізотопи для діагностики захворювань
Організм людини має властивість накопичувати у своїх тканинах певні хімічні речовини. Відомо, наприклад, що щитоподібна залоза накопичує йод, кісткова тканина — фосфор, кальцій і стронцій, печінка — деякі барвники тощо. Швидкість накопичування речовин зале-жіть від стану здоров’я органа. Наприклад, відомо, що активність щитоподібної залози різко зростає у випадку базедової хвороби.
За кількістю йоду в щитоподібній залозі зручно стежити за допомогою його у-радіо-активного ізотопу. Хімічні властивості радіоактивного і стабільного йоду не відрізняються, тому радіоактивний Йод-131 буде накопичуватися так само, як і його стабільний ізотоп.
Якщо щитоподібна залоза в нормі, то через певний час після введення в організм Йоду-131 у-випромінювання від нього матиме певну оптимальну інтенсивність. А от якщо щитоподібна залоза функціонує з відхиленням від норми, то інтенсивність у-випромінювання буде аномально високою або, навпаки, низькою.
Аналогічний метод застосовують для досліджування обміну речовин в організмі, виявлення пухлин та ін.
Зрозуміло, що, використовуючи зазначені методи діагностики, необхідно ретельно дозувати кількість радіоактивного препарату, щоб внутрішнє опромінювання спричинило мінімальний негативний вплив на організм людини.
рис. 24.4. Отриманий з молодого дерева 1 г вуглецю має активність 14-15 Бк (випромінює 14-15 р-частинок за секунду). Через 5700 років після загибелі дерева кількість р-розпадів за секунду зменшується удвічі
рис. 24.5. Найбільш поширену медичну продукцію: шприци, системи переливання крові тощо — перед відправленням споживачеві ретельно стерилізують із використанням у-випромінювання
визначаємо вік стародавніх предметів
В атмосфері Землі завжди є певна кількість р-радіоактивного Карбону ^С , який утворюється з Нітрогену внаслідок ядерної реакції з нейтронами. Цей ізотоп у складі вуглекислого газу (С02) поглинається рослинами, а через них — тваринами. Поки тварина або рослина живі, вміст радіоактивного Карбону в них залишається незмінним. Після припинення життєдіяльності організму кількість радіоактивного Карбону починає зменшуватися, зменшується й активність р-випромінювання. Знаючи, що період піврозпаду Карбону ^С становить 5700 років, можна визначити вік археологічних знахідок (рис. 24.4).
Застосовуємо у-випромінювання в техніці
Особливе значення в техніці мають гамма-дефектоскопи, за допомогою яких перевіряють, наприклад, якість зварених з’єднань. Якщо майстер, приварюючи петлі до воріт, припустився браку, через деякий час петлі відваляться. Це, звісно, неприємно, але ситуацію можна виправити. А от якщо брак стався у зварюванні елементів конструкції моста або ядерного реактора, трагедія неминуча. Завдяки тому що у-промені по-різному поглинаються масивною сталлю і сталлю з порожнинами, гамма-дефектоскоп «бачить» тріщини всередині металу, а отже, виявляє брак ще на стадії виготовлення конструкції.
Знищуємо мікробів за допомогою радіації
Відомо, що певна доза опромінення вбиває організми. Але ж не всі вони корисні для людини. Так, медики невпинно працюють над тим, щоб позбутися хвороботворних мікробів. Згадайте: в лікарнях миють підлогу спеціальними розчинами, опромінюють приміщення ультрафіолетом, обробляють медичний інструмент і т. д. Такі процедури називають дезінфекцією та стерилізацією.
Поставити процес стерилізації на промислову основу дозволили особливості у-випро-мінювання (рис. 24.5). Така стерилізація
здійснюється у спеціально створених установках із надійним захистом від проникаючої радіації. Як джерело у-променів використовують штучно створені ізотопи Кобальту
Учимося розв'язувати задачі
Задача. Визначте масу Радію-226, якщо його активність становить 5 Кі. Стала радіоактивного розпаду Радію-226 дорівнює 1,37 · 10 11 с-1.
Аналіз фізичної проблеми, пошук математичної моделі Для розв’язання задачі скористаємося формулою для визначення активності: Л = XN. Знаючи активність, визначимо кількість N атомів Радію. Масу речовини можна визначити, якщо кількість атомів помножити на масу одного атома: т = N ■ т0 .
Підбиваємо підсумки
Час, протягом якого розпадається половина наявної кількості ядер даного радіонукліда, називають періодом піврозпаду Т1/2 . Період півроз-паду є характеристикою радіонукліда.
Фізичну величину, яка чисельно дорівнює кількості розпадів, що відбуваються в певному радіоактивному джерелі за одиницю часу, називають активністю радіоактивного джерела. Якщо джерело містить атоми тільки одного радіонукліда, активність Л джерела можна визначити за формулою: Л = XN, де N — кількість атомів радіонукліда в зразку; 1 — стала радіоактивного розпаду радіонукліда. Одиниця активності в СІ — бекерель (Бк).
Із часом активність радіонуклідів зменшується, і цю властивість застосовують для визначення віку археологічних знахідок. Штучно створені ізотопи використовують для стерилізації одноразових медичних виробів, діагностики та лікування захворювань, виявлення дефектів у металах та ін.
Контрольні запитання —
1. Дайте означення періоду піврозпаду. Що характеризує ця фізична величина? 2. Що таке активність радіоактивного джерела? 3. Яка одиниця активності в СІ? 4. Як активність радіонукліда пов’язана зі сталою його розпаду?
5. Чи змінюється з часом активність радіонукліда? Якщо змінюється, то чому
і як? 6. Наведіть приклади використання радіоактивних ізотопів.
вправа № 24
1. Є однакова кількість ядер Йоду-131, Радону-220 і Урану-235. Який радіонуклід має найбільший період піврозпаду? Активність якого радіонукліда на даний момент часу є найбільшою? Обґрунтуйте свою відповідь.
2. У зразку міститься 2 · 1020 атомів Йоду-131. Визначте, скільки ядер Йоду розпадеться в зразку протягом години. Активність Йоду-31 протягом цього часу вважайте незмінною. Стала радіоактивного розпаду Йоду-131 дорівнює 9,98 · 10-7 с-1.
3. Період піврозпаду радіоактивного Карбону-14 становіть 5700 років. У скільки разів зменшилася кількість атомів Карбону-14 у сосні, яку зрубали 17 100 років тому?
4. Визначте період піврозпаду радіонукліда, якщо за інтервал часу 1,2 с кількість ядер, що розпалися, складає 75 % їхньої початкової кількості.
5. На даний момент часу в радіоактивному зразку міститься 0,05 моль Ра-дону-220. Визначте активність Радону-220 у цьому зразку.
6. На сьогодні одними з найбільш значущих є дослідження обміну речовин в організмі людини за допомогою радіоактивних ізотопів. Зокрема, виявлено, що за порівняно невеликий час організм майже повністю відновлюється. Скористайтеся додатковими джерелами інформації та дізнайтеся про ці дослідження більше.
Фізика і техніка в Україні
національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут»
(ННЦ ХФТІ) — всесвітньо відомий науковий центр у галузі фізичних наук. Установу створено в 1928 р. за ініціативою академіка А. Ф. Йоффе як Український фізико-технічний інститут із метою досліджень у галузі ядерної фізики та фізики твердого тіла.
Уже в 1932 р. в інституті було отримано видатний результат — здійснено розщеплення ядра атома Літію. Пізніше в лабораторних умовах отримано рідкі водень і гелій, збудовано перший трикоординатний радіолокатор, проведено перші дослідження ви-соковакуумної техніки, що дало поштовх розвиткові нового фізико-технологічного напряму — вакуумної металургії. У повоєнні часи вчені інституту відігравали вагому роль у вирішенні проблем використання атомної енергії.
У різні роки в ННЦ ХФТІ працювали видатні фізики: І. В. Обреімов, Л. Д. Ландау, І. В. Кур-чатов, К. Д. Синельников, Л. В. Шубников, О. І. Лейпунський, Є. М. Ліфшиць, І. М. Ліф-шиць, А. К. Вальтер, Б. Г. Лазарєв, Д. Д. Іваненко, А. І. Ахієзер, В. Є. Іванов, Я. Б. Файнберг, Д. В. Волков та ін. Наукові школи, створені в інституті, відомі в усьому світі.
У ННЦ ХФТІ розташований найпотужніший у СНД лінійний прискорювач електронів, а також сукупність термоядерних комплексів «Ураган».
Генеральний директор центру — відомий український фізик, академік НАНУ Микола Федорович Шульга.
Це матеріал з підручника Фізика 9 клас Бар'яхтар, Довгий