Единицей измерения активности в системе си является

Активность вещества и единица ее измерения

Вещество считается радиоактивным, или оно содержит в своем составе радионуклиды и в нем идет процесс радиоактивного распада. Количество радиоактивного вещества обычно определяют не единицами массы (грамм, миллиграмм и т.п.), а активностью данного вещества.

Активность вещества определяется интенсивностью или скоростью распада его ядер. Активность пропорциональна числу радиоактивных атомов содержащихся в данном веществе, т.е. возрастает с увеличением количества данного вещества.

Активность – это мера количества радиоактивного вещества, которая выражается числом радиоактивных превращений (распадов ядер) в единицу времени. Так как скорость распада радиоактивных изотопов различна, то одинаковые по массе радионуклиды имеют различную активность. Чем больше ядер распадается в единицу времени, тем выше активность. Активность измеряется обычно в распадах в секунду. За единицу активности в Международной системе единиц (СИ) принят один распад в секунду. Эта единица названа в честь Анри Беккереля, открывшего впервые явление естественной радиоактивности в 1896 году, беккерелем (Бк). 1Бк – такое количество радионуклида, в котором за одну секунду происходит один распад. Так как беккерель очень малая величина, то используют кратные величина. кБк – калобеккерель (10 3 Бк), МБк – мегабеккерель (10 6 Бк), ГБк – гигабеккерель (10 9 Бк).

Внесистемной единицей активности является кюри (Ки). Кюри – это такая активность, когда число радиоактивных распадов в секунду равно 3,7 х 10 10 (37 млрд. расп./с). Кюри соответствует активности 1г радия. Так как кюри очень большая величина, то обычно употребляют производные величины: мКи – милликюри (тясячная доля кюри) – 3,7 х 10 7 расп/с; мкКи – микрокюри (миллионная доля кюри) – 3,7 х 10 4 расп/с; нКи – нанокюри (миллиардная доля кюри) – 3,7х10 расп/с.

На практике часто пользуются числом распадов в минуту.

1 Ки = 2,22 х 10 12 расп/мин

1 мКи = 2,22 х 10 9 расп/мин

1 мкКи = 2,22 х 10 6 расп/мин

При измерении активности радиоактивного образца ее обычно относят к массе, объему, площади поверхности или длине. Различают следующие виды активности радионуклида.

Удельная активность – это активность, приходящаяся на единицу массы вещества (активность, отнесенная к единице массы) – Бк/кг, Ки/кг.

Объемная активность – это активность, приходящаяся на единицу объема – Бк/л, Ки/л, Бк/м 3. Ки/м 3. В случае распределения радионуклидов на поверхности активность называется поверхностной (отношение активности радионуклида, на которой находится радионуклид) – Бк/м 2. Ки/м2 .Для характеристики загрязнения территории применяется величина Ки/км 2 Массу в граммах при известной активности (например, 1Ки) радионуклида определяют по формуле m = к х А х Т½ х а, где m — масса в граммах; А – атомная масса; Т½ — период полураспада; а – активность в кюри или беккерелях; к – константа, зависящая от единиц, в которых дан период полураспада и активность. Если период полураспада дан в секундах, то при активности в беккерелях константа равна 2,4 х 10 -24. при активности в кюри – 8,86 х 10 -14. Если период полураспада дан в других единицах, то его переводят в секунды.

Биологическое действие радиации обусловлено ионизацией облучаемой биологической среды. На процесс ионизации излучение растрачивает свою энергию. Т.е. в результате взаимодействия излучения с биологической средой живому организму передается определенная величина энергии. Часть излучения, которая пронизывает облучаемый объект (без поглощения ), действия на него не оказывает. Радиационный эффект зависит от многих факторов: количества радиоактивности снаружи и внутри организма, пути ее поступления, вида и энергии излучения при распаде ядер, биологической роли облучаемых органов и тканей т.д. Объективным показателем, увязывающем все эти разнообразные факторы, является количество поглощенной энергии излучения от ионизации, которую эта энергия производит в массе вещества.

Для того, чтобы предсказать величину радиационного эффекта, нужно научиться измерять интенсивность воздействия ионизирующего излучения. А это можно сделать, измерив поглощенную в объекте энергию или суммарный заряд образовавшихся при ионизации ионов. Эта величина поглощенной энергии получила название дозы.

Радиоактивные ряды ( радиоактивные семейства) группы генетически связанных радиоактивных изотопов, в которых каждый последующий изотоп возникает в результате альфа или бета распада предыдущего.

Каждый радиоактивный ряд имеет родоначальника — изотоп с наибольшим периодом полураспада T1/2. Завершают радиоактивные ряды стабильные изотопы.

Если ядро испускает альфа-частицу, его заряд (Z ) уменьшается на 2, а массовое число (А ) — на 4. При испускании бета частицы Z увеличивается на 1, а А не изменяется. Следовательно, в каждом радиоактивном ряде массовые числа изотопов могут или быть одинаковыми, или различаться на число, кратное 4. Если значения массовых чисел членов данного радиоактивного ряда делятся на 4 без остатка, то такие массовые числа можно выразить общей формулой 4n (где n — некоторое целое число): в тех же случаях, когда при делении на 4 в остатке будет 1, 2 или 3, общие формулы для массовых чисел можно записать как 4n + 1, 4n + 2 или 4n +3. В соответствии с этими формулами различают четыре радиоактивных ряда. родоначальниками которых являются (ряд 4n ); (4n + 1); (4n + 2); (4n + 3). Сами радиоактивные ряды обычно называют по их родоначальникам. Поэтому говорят о радиоактивных рядах тория, нептуния, урана ( 238 U) и актино-урана

( 235 U). Иногда ряд 238 U называют рядом урана-радия (наиболее устойчивый изотоп радия 226 Ra — член этого радиоактивного ряда ). Разумеется, радиоактивный изотоп может входить только в один какой-либо определённый радиоактивный ряд. В природе существуют ряды тория, актиноурана и урана-радия (естественные радиоактивные ряды ). Это связано с тем, что периоды полураспада 232 Th (T1/2 = 1,41× 10 10 лет), 235 U (T1/2 = 7,13× 10 8 лет) и 238 U (T1/2 = 4,51× 10 9 лет) соизмеримы с возрастом Земли (несколько миллиардов лет), и эти изотопы ещё не успели полностью распасться. Заканчиваются естественные радиоактивные ряды изотопами свинца 208 Pb, 207 Pb и 206 Pb.

Период полураспада 237 Np составляет 2,14×10 6 лет. Поэтому нептуния и членов его радиоактивного ряда в природе нет; все они были получены в 40-50-х гг. 20 в. искусственно, с помощью ядерных реакций. Завершается ряд 237 Np стабильным 209 Bi. Каждый радиоактивный ряд содержит как долгоживущие, так и короткоживущие изотопы. Если изотоп принадлежит к естественному радиоактивному ряду. то он обязательно присутствует в природе, даже если скорость распада его ядер очень велика. Связано это с тем, что в радиоактивные ряды с течением времени устанавливается так называемое вековое равновесие. Время достижения такого равновесия во всём ряду приблизительно равно 10 периодам полураспада самого долгоживущего промежуточного члена ряда. При вековом равновесии скорости образования изотопа и его распада равны. Поэтому содержание такого изотопа остаётся практически неизменным в течение столетий. Оно с неизмеримо малой скоростью уменьшается лишь по мере распада родоначальника ряда.

Некоторые изотопы — члены радиоактивных рядов — распадаются не по одному пути (альфа или бета распад), а по двум. Ядра таких изотопов в одних случаях испускают альфа частицы, в других бета частицы. Например, 227 Ac в ряду актиноурана в 988 случаях из 1000 претерпевает (альфа распад, а в 12 случаях – бета распад).

Единицей измерения активности в системе СИ является БЕККЕРЕЛЬ (Бк)

При альфа-распаде ядро атома испускает два протона и два нейтрона, связанные в ядро атома гелия 4 2 Н, т.е. альфа-частица является ядром атома гелия. Таким образом, в результате альфа-распада образуется атом элемента, смещенный на два места от исходного радиоактивного элемента к началу периодической системы И.Д. Менделеева. Энергия альфа-частиц может быть в пределах 1 – 10 МэВ.Скорость движения альфа – частиц в воздухе 10 7 м/с.

Бета – распад – это процесс превращения в ядре атома протона в нейтрон или нейтрона в протон. Бета – распад характерен для 80 % радиоактивных изотопов. Бета – распад объединяет три самостоятельных вида радиоактивных превращений:

1. Выбрасывание электрона и антинейтрино — — b — распад;

2. Выбрасывание позитрона и нейтрино — + b — распад;

3. Поглощение электрона с ближайших к ядру электронных оболочек. При этом заряд ядра поглотителя, как и при + b — распаде, уменьшается на единицу.

Как правило, — b — распад происходит с ядрами тяжелых радиоактивных изотопов, у которых имеется избыток нейтронов.

Процесс + b — распад наблюдается в основном для легких радиоактивных изотопов.

Поглощение электрона ядром (орбитальный захват) это тоже процесс присущий легким изотопам, стремящихся к обмену протона на нейтрон.

Как предполагают физики, процесс бета – распад во многом определяется соотношением нейтронов и протонов в ядре атома.

Для равновесия в ядре должно быть определенное сочетание количества протонов и нейтронов. При этом нейтронов для придания устойчивости ядру должно быть больше по мере роста порядкового номера химического элемента. Однако, если имеет место чрезмерный избыток нейтронов, то ядро становится неустойчивым, что вызывает превращение нейтрона в протон. При этом образуется химический элемент с порядковым номером на единицу больше, а материнское ядро испускает электрон и антинейтрино. Если в ядре избыток протонов по сравнению с нейтронами, то протон превращается в нейтрон с испусканием позитрона и нейтрино. При этом образуется химический элемент с порядковым номером на единицу меньше материнского. Приведем примеры таких распадов.

К ——-> Са + е — (электрон) + n(антинейтрино) (1.6)

Энергия бета-частиц изменяется в больших пределах и может достигать 13,5 МэВ. Бета-частицы распространяются в среде со скоростью 0,29 – 0,99 скорости света.

Примечание. Так как массы выбрасываемых электрона, позитрона, нейтрино и антинейтрино крайне малы по сравнению с массой протонов и нейтронов, то массовое число атома можно считать неизменным.

Иногда радиоактивный распад сопровождается выбросом не только бета- или альфа-частиц, но и гамма-квантов.

Гамма-кванты – это электромагнитное излучение с частотой до10 20 с -1. с энергией до 10 МэВ. Это происходит в том случае, если при распаде не вся энергия передается выбрасываемому электрону, позитрону или альфа частице. Например:

Примечание . Заметим, что как самостоятельный вид гамма-распад не существует.

Радиоактивные превращения ядер могут происходить и при захвате ядром орбитального электрона (К-захват):

Позитронный распад и К-захват являются конкурирующими процессами, т.е. если возможен позитронный распад, то и К-захват тоже. К-захват характерен для нейтронно дефицитных ядер. Поглотив орбитальный электрон, протон превращается в нейтрон. При этом на освободившееся место на орбите, электрон переходит с более высокого энергетического уровня, а атом испускает характеристическое рентгеновское излучение, по которому обычно и фиксируется К-захват.

Спонтанное деление атомных ядер (нейтронный распад) – это самопроизвольное деление некоторых тяжелых ядер (уран-238, калифорний-240, 248, 249, 250; кюрий-244, 248 и др.). Вероятность самопроизвольного деления ядер незначительна по сравнению с альфа-распадом. Процесс самопроизвольного деления ядер происходит из-за того, что ядра сами по себе нестабильны. При этом происходит расщепление ядра на два осколка (ядра), близких по массе (рис.1.1.). При самопроизвольном делении имеет место неравентство mЯД > m1 + m2.

Здесь mяд — масса ядра, m1 и m2 – массы ядер-осколков, образующиеся в результате распада ядра. Кинетическая энергия ядер-осколков во много раз больше энергии альфа частиц. Кроме того, выбрасывается некоторое количество нейтронов, обычно 2 — 3 на акт деления. Другой отличительной особенностью деления является огромное энерговыделение (в миллионы раз больше, чем при сжигании органического топлива). И наконец, продукты деления являются радиоактивными. Ядра-осколки перегружены нейтронами и поэтому испускают нейтроны, бета-частицы и гамма-кванты. То есть, при делении тяжелых ядер появляются различного рода ионизирующие излучения.

Рис.1.1. Схема одного из вариантов спонтанного деления ядра урана-238

Протонная радиоактивность. Как известно, космическое излучение представляет собой поток протонов (90%), альфа-частиц (9%), остальные – это ядра легких элементов и другие элементарные частицы. Пояснение протонной радиоактивности рассмотрим на примере протекания термоядерных реакций на Солнце.

Как уже отмечалось ранее, протон стабильная частица и является ядром самого распространенного изотопа водорода-протия. Протон участвует во всех процессах взаимодействия элементарных частиц. Солнце содержит много водорода (примерно 50% массы Солнца, остальную часть составляют углерод, азот, кислород). Температура центральной части Солнца находится в пределах 1,2×10 7 К – 1,5×10 7 К. При такой температуре все легкие элементы полностью ионизированы, так что вещество представляет собой плазму – смесь протонов (ядер водорода), электронов, легких ядер (альфа-частицы) и незначительное количество средних и тяжелых ядер. В этих условиях основной источник энергии связан с превращением водорода в гелий. При “низких” температурах около 10 7 К доминируют реакции, при которых происходит непосредственный захват протонов протонами. При температуре около 2×10 7 К основную роль играет реакция, при которой синтез гелия реализуется с помощью ядер углерода и азота. В отличие от первой реакции вторая реакция протекает очень быстро, так как количество ядер тяжелого водорода ( 2 1 Н) в звездах неизмеримо мало. Далее, из всех возможных наиболее вероятна следующая реакция:

Энергия альфа-частицы = 12,8 МэВ. Известно, что при температурах 2×10 7 К превращение протона в альфа частицу (гелий) идет с помощью ядер-катализаторов – углерода и азота. Термоядерные реакции возможны и в земных условиях и реализованы в термоядерных боеприпасах, которые рассматриваются в отдельной теме.

1.1.3. ОСНОВНОЙ ЗАКОН РАДИОАКТИВНОГО РАСПАДА РАДИОНУКЛИДА

В результате всех видов радиоактивных превращений количество ядер данного изотопа постепенно уменьшается. Убывание количества распадающихся ядер происходит по экспоненте и записывается в следующем виде:

где N0 – количество ядер радионуклида в момент начала отсчета времени

(t =0); l — постоянная распада, которая для различных радионуклидов разная; N – количество ядер радионуклида спустя время t; е – основание натурального логарифма (е = 2,713….). Это и есть основной закон радиоактивного распада.

Вывод формулы (1.10.). Естественный радиоактивный распад ядер протекает самопроизвольно, без всякого воздействия из вне. Этот процесс статистический и для отдельно взятого ядра можно лишь указать вероятность распада за определенное время. Поэтому скорость радиоактивного распада можно характеризовать временем t. В практических расчетах для оценки характеристик радиационного излучения используется понятие периода полураспада Т1/2. Периодом полураспада называется промежуток времени, в течении которого исходное число радиоактивных ядер уменьшится вдвое, а число распавшихся ядер за время Т1/2 остается постоянным (l = const).

Пусть имеется число N атомов радионуклида. Тогда, число распадающихся атомов dN за время dt пропорционально числу атомов N и промежутку времени dt:

где l — коэффициент пропорциональности, называемый постоянной распада. Знак минус показывает, что число N исходных атомов уменьшается во времени. Экспериментально показано, что свойства ядер со временем не меняются, от сюда следует, что l есть величена постоянная. Она носит название постоянная распада. Из (1.11) следует, что

Экспериментально показано, что свойства ядер со временем не меняются, от сюда следует, что l есть величена постоянная. Она носит название постоянная распада. Из (1.11) следует, что

В уравнении (1.11.) поделим правую и левую части на N и проинтегрируем:

где N0 есть начальное число распадающихся атомов (N при t =0).

В практических расчетах для временной оценки характеристик радиационного излучения используется понятие периода полураспада Т1/2. Периодом полураспада называется промежуток времени, в течении которого исходное число радиоактивных ядер уменьшится вдвое, а число распавшихся ядер за время Т1/2 остается постоянным (l = const).

Найдем связь постоянной радиоативного распада с периодом полураспада для чего в уравнении (1.10.) правую и левую часть поделим на N, и приведем к виду:

Подставив выражение (1.17.) в (1.10.) получим

Рис. 1.2. Изменение числа распавшихся ядер исходного элемента со временем.

На графике (рис.1.2.) показана зависимость числа распадающихся атомов от времени. Из графика следует, что в несколько первых полупериодов распад происходит быстро, а затем медленно. Теоретически кривая экспонента никогда не может слиться с осью абсцисс, но на практике можно считать, что примерно через 10 – 20 периодов полураспада радиоактивное вещество распадается полностью.

Основной характеристикой источника радиационного излучения является его активность .

АКТИВНОСТЬ — это физическая величина, характеризующая число радиоактивных распадов в единицу времени.

АКТИВНОСТЬ — это отношение числа спонтанных (вероятных) ядерных переходов из определенного ядерно-энергетического состояния радионуклида за интервал времени.

Исходя из определения активности, следует, что активность характеризует скорость ядерных переходов в единицу времени. С другой стороны, количество ядерных переходов зависит от постоянной радиоактивного распада.

Беккерель равен активности источника (радионуклида), в котором за время 1 секунды происходит один спонтанный (вероятностный) переход из определенного ядерно-энергетического состояния этого радионуклида.

188.123.231.15 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам.

Единицей измерения активности в системе СИ является БЕККЕРЕЛЬ (Бк);

При альфа-распаде ядро атома испускает два протона и два нейтрона, связанные в ядро атома гелия 4 2 Н, т.е. альфа-частица является ядром атома гелия. Таким образом, в результате альфа-распада образуется атом элемента, смещенный на два места от исходного радиоактивного элемента к началу периодической системы И.Д. Менделеева. Энергия альфа-частиц может быть в пределах 1 – 10 МэВ.Скорость движения альфа – частиц в воздухе 10 7 м/с.

Бета – распад – это процесс превращения в ядре атома протона в нейтрон или нейтрона в протон. Бета – распад характерен для 80 % радиоактивных изотопов. Бета – распад объединяет три самостоятельных вида радиоактивных превращений:

1. Выбрасывание электрона и антинейтрино — — b — распад;

2. Выбрасывание позитрона и нейтрино — + b — распад;

3. Поглощение электрона с ближайших к ядру электронных оболочек. При этом заряд ядра поглотителя, как и при + b — распаде, уменьшается на единицу.

Как правило, — b — распад происходит с ядрами тяжелых радиоактивных изотопов, у которых имеется избыток нейтронов.

Процесс + b — распад наблюдается в основном для легких радиоактивных изотопов.

Поглощение электрона ядром (орбитальный захват) это тоже процесс присущий легким изотопам, стремящихся к обмену протона на нейтрон.

Как предполагают физики, процесс бета – распад во многом определяется соотношением нейтронов и протонов в ядре атома.

Для равновесия в ядре должно быть определенное сочетание количества протонов и нейтронов. При этом нейтронов для придания устойчивости ядру должно быть больше по мере роста порядкового номера химического элемента. Однако, если имеет место чрезмерный избыток нейтронов, то ядро становится неустойчивым, что вызывает превращение нейтрона в протон. При этом образуется химический элемент с порядковым номером на единицу больше, а материнское ядро испускает электрон и антинейтрино. Если в ядре избыток протонов по сравнению с нейтронами, то протон превращается в нейтрон с испусканием позитрона и нейтрино. При этом образуется химический элемент с порядковым номером на единицу меньше материнского. Приведем примеры таких распадов.

К ——-> Са + е — (электрон) + n(антинейтрино) (1.6)

Энергия бета-частиц изменяется в больших пределах и может достигать 13,5 МэВ. Бета-частицы распространяются в среде со скоростью 0,29 – 0,99 скорости света.

Примечание. Так как массы выбрасываемых электрона, позитрона, нейтрино и антинейтрино крайне малы по сравнению с массой протонов и нейтронов, то массовое число атома можно считать неизменным.

Иногда радиоактивный распад сопровождается выбросом не только бета- или альфа-частиц, но и гамма-квантов.

Гамма-кванты – это электромагнитное излучение с частотой до10 20 с -1. с энергией до 10 МэВ. Это происходит в том случае, если при распаде не вся энергия передается выбрасываемому электрону, позитрону или альфа частице. Например:

Примечание . Заметим, что как самостоятельный вид гамма-распад не существует.

Радиоактивные превращения ядер могут происходить и при захвате ядром орбитального электрона (К-захват):

Позитронный распад и К-захват являются конкурирующими процессами, т.е. если возможен позитронный распад, то и К-захват тоже. К-захват характерен для нейтронно дефицитных ядер. Поглотив орбитальный электрон, протон превращается в нейтрон. При этом на освободившееся место на орбите, электрон переходит с более высокого энергетического уровня, а атом испускает характеристическое рентгеновское излучение, по которому обычно и фиксируется К-захват.

Спонтанное деление атомных ядер (нейтронный распад) – это самопроизвольное деление некоторых тяжелых ядер (уран-238, калифорний-240, 248, 249, 250; кюрий-244, 248 и др.). Вероятность самопроизвольного деления ядер незначительна по сравнению с альфа-распадом. Процесс самопроизвольного деления ядер происходит из-за того, что ядра сами по себе нестабильны. При этом происходит расщепление ядра на два осколка (ядра), близких по массе (рис.1.1.). При самопроизвольном делении имеет место неравентство mЯД > m1 + m2.

Здесь mяд — масса ядра, m1 и m2 – массы ядер-осколков, образующиеся в результате распада ядра. Кинетическая энергия ядер-осколков во много раз больше энергии альфа частиц. Кроме того, выбрасывается некоторое количество нейтронов, обычно 2 — 3 на акт деления. Другой отличительной особенностью деления является огромное энерговыделение (в миллионы раз больше, чем при сжигании органического топлива). И наконец, продукты деления являются радиоактивными. Ядра-осколки перегружены нейтронами и поэтому испускают нейтроны, бета-частицы и гамма-кванты. То есть, при делении тяжелых ядер появляются различного рода ионизирующие излучения.

Рис.1.1. Схема одного из вариантов спонтанного деления ядра урана-238

Протонная радиоактивность. Как известно, космическое излучение представляет собой поток протонов (90%), альфа-частиц (9%), остальные – это ядра легких элементов и другие элементарные частицы. Пояснение протонной радиоактивности рассмотрим на примере протекания термоядерных реакций на Солнце.

Как уже отмечалось ранее, протон стабильная частица и является ядром самого распространенного изотопа водорода-протия. Протон участвует во всех процессах взаимодействия элементарных частиц. Солнце содержит много водорода (примерно 50% массы Солнца, остальную часть составляют углерод, азот, кислород). Температура центральной части Солнца находится в пределах 1,2×10 7 К – 1,5×10 7 К. При такой температуре все легкие элементы полностью ионизированы, так что вещество представляет собой плазму – смесь протонов (ядер водорода), электронов, легких ядер (альфа-частицы) и незначительное количество средних и тяжелых ядер. В этих условиях основной источник энергии связан с превращением водорода в гелий. При “низких” температурах около 10 7 К доминируют реакции, при которых происходит непосредственный захват протонов протонами. При температуре около 2×10 7 К основную роль играет реакция, при которой синтез гелия реализуется с помощью ядер углерода и азота. В отличие от первой реакции вторая реакция протекает очень быстро, так как количество ядер тяжелого водорода ( 2 1 Н) в звездах неизмеримо мало. Далее, из всех возможных наиболее вероятна следующая реакция:

Энергия альфа-частицы = 12,8 МэВ. Известно, что при температурах 2×10 7 К превращение протона в альфа частицу (гелий) идет с помощью ядер-катализаторов – углерода и азота. Термоядерные реакции возможны и в земных условиях и реализованы в термоядерных боеприпасах, которые рассматриваются в отдельной теме.

1.1.3. ОСНОВНОЙ ЗАКОН РАДИОАКТИВНОГО РАСПАДА РАДИОНУКЛИДА

В результате всех видов радиоактивных превращений количество ядер данного изотопа постепенно уменьшается. Убывание количества распадающихся ядер происходит по экспоненте и записывается в следующем виде:

где N0 – количество ядер радионуклида в момент начала отсчета времени

(t =0); l — постоянная распада, которая для различных радионуклидов разная; N – количество ядер радионуклида спустя время t; е – основание натурального логарифма (е = 2,713….). Это и есть основной закон радиоактивного распада.

Вывод формулы (1.10.). Естественный радиоактивный распад ядер протекает самопроизвольно, без всякого воздействия из вне. Этот процесс статистический и для отдельно взятого ядра можно лишь указать вероятность распада за определенное время. Поэтому скорость радиоактивного распада можно характеризовать временем t. В практических расчетах для оценки характеристик радиационного излучения используется понятие периода полураспада Т1/2. Периодом полураспада называется промежуток времени, в течении которого исходное число радиоактивных ядер уменьшится вдвое, а число распавшихся ядер за время Т1/2 остается постоянным (l = const).

Пусть имеется число N атомов радионуклида. Тогда, число распадающихся атомов dN за время dt пропорционально числу атомов N и промежутку времени dt:

где l — коэффициент пропорциональности, называемый постоянной распада. Знак минус показывает, что число N исходных атомов уменьшается во времени. Экспериментально показано, что свойства ядер со временем не меняются, от сюда следует, что l есть величена постоянная. Она носит название постоянная распада. Из (1.11) следует, что

Экспериментально показано, что свойства ядер со временем не меняются, от сюда следует, что l есть величена постоянная. Она носит название постоянная распада. Из (1.11) следует, что

В уравнении (1.11.) поделим правую и левую части на N и проинтегрируем:

где N0 есть начальное число распадающихся атомов (N при t =0).

В практических расчетах для временной оценки характеристик радиационного излучения используется понятие периода полураспада Т1/2. Периодом полураспада называется промежуток времени, в течении которого исходное число радиоактивных ядер уменьшится вдвое, а число распавшихся ядер за время Т1/2 остается постоянным (l = const).

Найдем связь постоянной радиоативного распада с периодом полураспада для чего в уравнении (1.10.) правую и левую часть поделим на N, и приведем к виду:

Подставив выражение (1.17.) в (1.10.) получим

Рис. 1.2. Изменение числа распавшихся ядер исходного элемента со временем.

На графике (рис.1.2.) показана зависимость числа распадающихся атомов от времени. Из графика следует, что в несколько первых полупериодов распад происходит быстро, а затем медленно. Теоретически кривая экспонента никогда не может слиться с осью абсцисс, но на практике можно считать, что примерно через 10 – 20 периодов полураспада радиоактивное вещество распадается полностью.

Основной характеристикой источника радиационного излучения является его активность .

АКТИВНОСТЬ — это физическая величина, характеризующая число радиоактивных распадов в единицу времени.

АКТИВНОСТЬ — это отношение числа спонтанных (вероятных) ядерных переходов из определенного ядерно-энергетического состояния радионуклида за интервал времени.

Исходя из определения активности, следует, что активность характеризует скорость ядерных переходов в единицу времени. С другой стороны, количество ядерных переходов зависит от постоянной радиоактивного распада.

Беккерель равен активности источника (радионуклида), в котором за время 1 секунды происходит один спонтанный (вероятностный) переход из определенного ядерно-энергетического состояния этого радионуклида.

Единицей измерения активности в системе си является

studopedia.su — Студопедия (2013 — 2017) год. Не является автором материалов, а предоставляет студентам возможность бесплатного обучения и использования! Последнее добавление ‚аш ip: 188.123.231.15

Генерация страницы за: 0.071 сек.

1.3. Активность, единицы измерения

Активность (А) — мера радиоактивности какого-либо количества ра­дионуклида, находящегося в данном энергетическом состоянии в данный момент времени:

Единицей измерения активности в системе си является

где dN ожидаемое число спонтанных ядерных превращений из данного энергетического состояния, происходящих за промежуток времениdt. Единицей активности в СИ является обратная секунда (с -1 ), называемаябеккерель (Бк) .

Использовавшаяся ранее внесистемная единица активности кюри (Ки) составляет 3,7×10 10 Бк.

Активность является мерой количества радиоактивного изотопа. Она прямо пропорциональна числу радионуклидов, содержащихся в данном образце, т. е. количеству радиоактивного вещества. В определениях активности и единиц измерения активности говорится о числе распадов радионуклидов, а не о числе вылетающих из источника (образца) частиц. Как установлено в настоящее время, при одном акте рас­пада может вылетать как одна, так и несколько частиц. Таким образом, ак­тивность не характеризует количество вылетающих частиц при распаде, а лишь констатирует количество самих распадов нуклидов. С течением времени активность убывает согласно основному закону радиоактивного распада.

Отметим, что величина активности характеризует лишь количественное наличие радионуклида и интенсивность испускаемого излучения, не определяя ни тип радионуклидов, ни вид излучения.

Активность удельная (объемная) — отношение активностиА радио­нуклида в веществе к массет (объемуV) вещества:

Единицей измерения активности в системе си являетсяЕдиницей измерения активности в системе си является

Единица удельной активности — беккерель на килограмм, Бк/кг. Единица объемной активности —беккерель на метр кубический, Бк/м3 .

Поверхностная активностьAs — активность, отнесенная к единице по­верхности:

Единицей измерения активности в системе си является

где S — площадь поверхности.

Данная величина встречается и под другими названиями — плотность за­грязнения поверхности радионуклидами или поверхностная концентрация. Основная единица измерения – кБк/м 2. внесистемная – Ки/м 2 .

Активность радиоактивного вещества непосредственно не характеризует ионизирующее воздействие излучения, так как при одной и той же активности ио­низирующее воздействие зависит от вида и энергии излучения, физических свойств облучаемой среды и других факторов. Ионизирующее действие излучений, а следовательно, и их поражающее воздействие на организм харак­теризуется дозой излучения (облучения).

1.4. Законрадиоактивного распада

Количество любых радионуклидов со временем уменьшается вследствие радиоактивного распада. Особенность радиоактивного распада состоит и в том, что нуклиды одного и того же элемента распадаются не все сразу, а постепенно, в различное время. Каждое ядро обязательно распадется, только момент распада конкретного ядра предсказать невозможно. Можно лишь указать, что за определенный промежуток времени распадется такое-то количество радионуклидов. Поэтому говорят, что радиоактивный распад носит вероятностный характер.

Скорость распада определяется строением ядра, и поэтому на этот процесс невозможно повлиять никакими обычными физическими или химическими способами.

Кроме того, если мы будем наблюдать за малым количеством радионуклидов (например, 5 или 25 нуклидов), то мы не заметим никаких закономерностей радиоактивного распада. Малое число ядер может распасться сразу в момент начала наблюдения, а может не распадаться довольно большое время, или распад может идти неравномерно: то большими, то меньшими порциями. Закономерности распада проявляются для большого числа радионуклидов, как правило, более чем 100 ядер. Такие закономерности, характерные для большого количества данных, описываются математически с помощью статистики. Исходя из этого говорят, что радиоактивный распад носит статистический характер, т. е. справедлив для большого количества нуклидов.

Все указанные выше особенности радиоактивного распада позволяют определить его как статистический вероятностный процесс, т.е. вероятность распада для данного радионуклида постоянна и не зависит от присутствия или отсутствия других радиоактивных ядер. Скорость распада зависит только от числа радиоактивных ядер в данный момент вре­мени. Такие процессы описываются экспоненциальным соотношением. Мате­матически закон радиоактивного распада выражается следующим уравнением и устанавливает, что за единицу времени распадается всегда одна и та же доля имеющихся в наличии ядер:

где Nt – количество атомных ядер, оставшихся через промежуток вре­мени t;N0 – начальное количество атомных ядер, т. е. количество ядер в момент наблюдения приt=0; е = 2,72 — основание натурального логарифма, которое указывает на графический вид математической зависимости (графически распад выражается не прямой линией, а экспонентой);- постоянная радиоактивного распада, показывающая какая доля радионуклидов распадается в единицу времени; t – время распада.

Постоянная радиоактивного распада является справочной величиной и строго определенной для каждого типа радионуклидов; она также характеризует относительную скорость распада. Размерность постоянной распада выражают в обратных единицах времени: с -1. мин -1. ч -1 и т. д. чтобы показать, что количество радионуклидов не растет, а убывает. Величину, обратную постоянной радиоактивного распада= 1/, называют средней продолжительностью жизни ядра.

Графически закон радиоактивного распада выражается экспоненциаль­ной кривой (рис. 1).

Единицей измерения активности в системе си является

Рис.1. Кривая радиоактивного распада.

Для характеристики скорости распада радиоактивных элементов в прак­тике пользуются вместо постоянной распада периодом полураспада.

Период полураспада – это время, в течение которого распадается поло­вина исходного количества радиоактивных ядер. Он обозначается буквой Т1/2 и выражается в единицах времени. Для различных радиоактивных изотопов пе­риод полураспада имеет значения от долей секунды до миллиардов лет. причем у одного и того же элемента могут быть изотопы с различными периодами полураспада. По­этому радиоактивные изотопы разделяются на короткоживущие (часы, дни) и долгоживущие (годы). Период полураспада, также как и постоянная распада, является ядерной постоянной, строго определенной для каждого типа радионуклидов и справочной величиной. Только случайно два периода полураспада могут оказаться одинаковыми или очень близкими для того, чтобы их можно было отличить. Так, марганец-56 и никель-65 имеют периоды полураспада 2,58 и 2,56 ч соответственно.

Зная период полураспада или постоянную распада, всегда можно произвести идентификацию радионуклида, т. е. указать, какой именно радионуклид присутствует в данном образце или продукте. Период полураспада связан с постоянной радиоактивного распада соотношением:

Это соотношение показывает, что между этими двумя постоянными существует обратная зависимость, т. е. чем больше значение , тем меньше величина Т1/2 и, соответственно, распад протекает быстрее; и, наоборот, чем меньше, тем больше Т1/2 и распад идет медленнее. Заменивв формуле на Т1/2. получим

Чтобы узнать полное время жизни данных радионуклидов, необходимо увеличить Т1/2 в 10 раз. Например, у стронция-90 Т1/2 29 лет, следовательно, через 290 лет данный искусственный радионуклид практически полностью распадется с момента его образования. Однако, исходя из вида экспоненциальной кривой, которая всегда стремится к нулю, но его не достигает, всегда есть вероятность, что хотя бы мизерное количество данных радионуклидов может через 10Т1/2 не распасться.

Радиоактивное превращение одного из ядер никак не влияет на пре­вращение соседних ядер, т.е. процессы распада различных ядер протекают абсолютно независимо друг от друга. Радиоактивный распад нельзя замедлить или ускорить действием температуры, давления, изменением химического состояния ато­мов или каким-либо другим способом. Поэтому, в отличие от химических от­равляющих веществ, радиоактивные вещества нельзя обезопасить ни какой-либо химической реакцией, ни физической обработкой.

Также бессмысленно говорить о времени полураспада или времени жизни одного радиоактивного ядра. При использовании этих терминов подразумевают усредненные величины, справедливые при наличии достаточного большого числа ядер данного изотопа. Когда говорят о среднем времени жизни радиоактивного ядра, то понимают под этим среднее время жизни ядер в каком-либо образце, содержащем эти радиоактивные ядра.

Определения основных единиц, соответствующие решениям Генеральной конференции по мерам и весам, следующие.

Метр равен длине пути, проходимого светом в вакууме за 1/299792458 долю секунды.

Килограмм равен массе международного прототипа килограмма.

Секунда равна 9192631770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.

Ампер равен силе неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового сечения, расположенным на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, вызывает на каждом участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия, равную Н.

Кельвин равен 1/273.16 части термодинамической температуры тройной точки воды.

Моль равен количеству вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде-12 массой 0.012 кг.

Кандела равна силе света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *