Forelesning 16

Elementer av fysikk av atomkjernen

Spørsmål

1. Loven om radioaktivt forfall.

Kjernefysiske reaksjoner og deres hovedtyper.

Mønstre ,  Og forfaller.

Stråledoser.

Fisjonskjedereaksjon.

6. Fusjonsreaksjoner (termonukleære reaksjoner).

1. Loven om radioaktivt forfall

Under radioaktivt forfall forstå den naturlige radioaktive transformasjonen av kjerner som skjer spontant.

En atomkjerne som gjennomgår forfall kalles mors, den fremvoksende kjernen – datterselskaper.

Teorien om radioaktivt forfall følger statistikkens lover. Antall kjerner d N, forfalt i tidsintervallet fra t før t+ d t, proporsjonal med tidsperioden d t og nummer N udøde kjerner på den tiden t:

d N = – λ N d t , (1)

λ  konstant radioaktivt forfall, med  1 ; Minustegnet indikerer at det totale antallet radioaktive kjerner avtar under nedbrytningsprosessen.

(2)

Hvor N 0  startnummer uforfallen kjerner om gangen t = 0;N- Antall uforfallen kjerner om gangen t.

Loven om radioaktivt forfall: antall udøde kjerner avtar med tiden i henhold til en eksponentiell lov.

Intensiteten av forfallsprosessen er preget av to mengder:

halvt livT 1/2  tid hvor det opprinnelige antallet radioaktive kjerner halveres;

gjennomsnittlig levetid τ for en radioaktiv kjerne.

. (3)

Halveringstider T 1 /2
				4,510 9 år

Total forventet levealder d N kjerner er lik t|dN| = λ Nt d t. Ved å integrere dette uttrykket over t(dvs. fra 0 til ∞) og del på det opprinnelige antallet kjerner N 0 , vi får gjennomsnittlig levetid τ for en radioaktiv kjerne:

. (4)

Tabellintegral:

Dermed er gjennomsnittlig levetid τ for en radioaktiv kjerne den gjensidige av den radioaktive henfallskonstanten λ.

AktivitetEN av et nuklid i en radioaktiv kilde er antall henfall som skjer med kjernene til et stoff på 1 s:

Bk - becquerel, (5)

1Bq er aktiviteten til et nuklid, der en henfallshendelse skjer på 1 s.

Ekstrasystemenhet – curie [Ci]: 1[Ci] = 3,710 10 [Bq].

Radioaktivt forfall skjer i henhold til de såkalte forskyvningsreglene (en konsekvens av lovene om bevaring av ladning og massetall), som gjør det mulig å bestemme hvilken kjerne som oppstår som følge av forfallet til en gitt foreldrekjerne.

Forskyvningsregel for α-forfall:
. (6)

Bias-regel for beta-forfall:
, (7)

Hvor
- mors kjerne; Y symbol på barnekjernen;
- heliumkjerne (α-partikkel);  symbolsk betegnelse på et elektron (ladningen er  e, og massetallet er null).

Kjerner som er et resultat av radioaktivt forfall kan i sin tur være radioaktive. Dette fører til at det oppstår en kjede eller serie av radioaktive transformasjoner , slutter med et stabilt element. De endelige nuklidene er:
,
,
,
.

1. Kjernefysiske reaksjoner og deres hovedtyper

Kjernefysisk reaksjon – er prosessen med interaksjon av en atomkjerne med en annen kjerne eller elementærpartikkel, ledsaget av en endring i sammensetningen og strukturen til kjernen og frigjøring av sekundære partikler eller γ– kvanta .

, , (8)

X, Y- innledende og siste kjerner; MED mellomliggende sammensatt kjerne; EN, b- bombardere og emitterte partikler.

Den første kjernefysiske reaksjonen ble utført av E. Rutherford i 1919

(9)

Under kjernefysiske reaksjoner flere fredningslover: impuls, energi, vinkelmomentum, ladning. I tillegg til disse klassiske bevaringslovene i kjernefysiske reaksjoner, er bevaringsloven til den s.k. baryon ladning (dvs. antall nukleoner - protoner og nøytroner).

Klassifisering av kjernefysiske reaksjoner

etter hvilken type partikler som er involvert :

under påvirkning av nøytroner ;

under påvirkning av ladede partikler (protoner, partikler, etc.);

under påvirkning av quanta.

2. i henhold til energien til partiklene som forårsaker dem :

lave energier  1 eV (med nøytroner);

gjennomsnittlige energier  1 MeV (med kvanter, partikler);

høye energier  10 3 MeV (fødsel av nye elementærpartikler);

3. Etter typen kjerner involvert i dem:

på lette kjerner (A<50);

på middels kjerner (50<А<100);

på tunge kjerner (A>100);

4. på grunn av kjernefysiske transformasjoners natur :

med utslipp av nøytroner;

med utslipp av ladede partikler;

fange reaksjoner (et kvante sendes ut).

3. Regelmessigheter av ,  og forfall

forfall: kjerner av hovedsakelig tunge grunnstoffer er aktive ( EN> 200, Z > 82), for eksempel:

(10)

 partikkel dannes ved møte mellom to protoner og to nøytroner, har en hastighet på 1,410 7 ...210 7 m/s, som tilsvarer energier på 4,0...8,8 MeV.

Geiger-Nattall lov:
, (11)

R  kilometerstand, avstanden tilbakelagt av en partikkel i et stoff til det stopper helt;
.Jo kortere halveringstiden til et radioaktivt grunnstoff, desto større rekkevidde, og dermed energien partikler.

 en partikkel med en energi på 4,2 MeV er omgitt av en potensiell barriere av Coulomb-krefter på 8,8 MeV. Dens avgang forklares i kvantemekanikk av tunneleffekten.

 forfall: elektron er født som et resultat av prosesser som skjer inne i kjernen. Fordi antall nukleoner endres ikke, men Zøker med 1, så blir ett av nøytronene til et proton med dannelse av et elektron og emisjon antinøytrino:

(12)

Teorien om  forfall med nøytrinoutslipp ble foreslått av Pauli i 1931 og eksperimentelt bekreftet i 1956. Den har høy penetreringsevne: en nøytrino med en energi på 1 MeV i bly reiser en bane på 10 18 m!

forfall: er ikke uavhengig, men følger med  og  forfall.  spekteret er diskret; det er ikke preget av bølger, men av korpuskulære egenskaper.  quanta, som har null hvilemasse og ingen ladning, kan ikke bremse ned i mediet, men kan heller bli absorbert, eller forsvinne. Den høye penetreringskraften til -stråling brukes i  feildeteksjon.

Radioaktivitet. Grunnloven for radioaktivt forfall.

Radioaktivitet er det spontane forfallet av ustabile kjerner med utslipp av andre kjerner og elementærpartikler.

Typer radioaktivitet:

1. Naturlig

2. Kunstig.

Ernest Rutherford - strukturen til atomet.

Typer radioaktivt forfall:

α-forfall: à + ; β-forfall: à +

Grunnloven for radioaktivt forfall. N= N o e -lt

Antall udøde radioaktive kjerner avtar i henhold til en eksponentiell lov. L(lambda) er forfallskonstanten.

Konstant forfall. Halvt liv. Aktivitet. Typer radioaktivt forfall og deres spektre.

L(lambda) er en forfallskonstant, proporsjonal med sannsynligheten for forfall av en radioaktiv kjerne og forskjellig for forskjellige radioaktive stoffer.

Halvt liv ( T )- Dette er tiden hvor halvparten av de radioaktive kjernene forfaller. T=ln2/l=0,69/l.

Aktivitet er preget av forfallshastigheten. A=-dN/dT=lN=lN o e -lt =(N/T)*ln2

[A]-becquerel (Bq) = 1 henfall/sekund.

[A]-curie (Ci). 1 Ci=3,7*10 10 Bq=3,7*10 10 s -1

[A]-rutherford(Rd). 1Рд=10 6

Typer radioaktivt forfall. Offset-regel.

Alfa-forfall (svakest): A Z X> 4 2 He + A-4 Z-2 Y

Beta-forfall: A Z X> 0 -1 e + A Z+1 Y

Energispektrene til partikler av mange radioaktive grunnstoffer består av flere linjer. Årsaken til utseendet til en slik spektrumstruktur er forfallet av den opprinnelige kjernen (A, Z) til en eksitert tilstand av kjernen (A-4, Z-2. For alfa-forfall, for eksempel). Ved å måle spektrene til partikler kan man få informasjon om arten av de eksiterte tilstandene til kjernen.

Kjennetegn på samspillet mellom ladede partikler og materie: lineær ioniseringstetthet, lineær stoppkraft, gjennomsnittlig lineært område. Penetrerende og ioniserende evner til alfa-, beta- og gammastråling.

Ladede partikler, som sprer seg i materie, samhandler med elektroner og kjerner, som et resultat av at tilstanden til både materie og partikler endres.

Lineær ioniseringstetthet er forholdet mellom ioner av fortegn dn dannet av en ladet ionisert partikkel på en elementær bane dL og lengden av denne banen. I=dn/dL.

Lineær bremseevne - dette er forholdet mellom energien dE tapt av en ladet ioniserende partikkel når den passerer gjennom en elementær bane dL og lengden på denne banen. S=dE/dL.

Gjennomsnittlig lineær kjørelengde - Dette er avstanden som en ioniserende partikkel reiser i et stoff uten å kollidere. R er gjennomsnittlig lineær kjørelengde.

Det er nødvendig å ta hensyn til strålingens penetrerende evne. For eksempel har tunge atomkjerner og alfapartikler ekstremt kort rekkevidde i materie, så radioaktive alfakilder er farlige hvis de kommer inn i kroppen. Tvert imot har gammastråler betydelig gjennomtrengende kraft fordi de består av høyenergifotoner som ikke har ladning.

Penetrasjonsevnen til alle typer ioniserende stråling avhenger av energi.

1. Radioaktivitet. Den grunnleggende loven om radioaktivt forfall. Aktivitet.

2. Hovedtyper av radioaktivt forfall.

3. Kvantitative egenskaper ved samspillet mellom ioniserende stråling og materie.

4. Naturlig og kunstig radioaktivitet. Radioaktiv serie.

5. Bruk av radionuklider i medisin.

6. Akseleratorer av ladede partikler og deres bruk i medisin.

7. Biofysisk grunnlag for virkningen av ioniserende stråling.

8. Grunnleggende begreper og formler.

9. Oppgaver.

Legenes interesse for naturlig og kunstig radioaktivitet skyldes følgende.

For det første blir alle levende ting konstant utsatt for naturlig bakgrunnsstråling, som består av kosmisk stråling, stråling fra radioaktive elementer som ligger i overflatelagene av jordskorpen, og stråling fra elementer som kommer inn i dyrekroppen sammen med luft og mat.

For det andre brukes radioaktiv stråling i selve medisinen til diagnostiske og terapeutiske formål.

33.1. Radioaktivitet. Den grunnleggende loven om radioaktivt forfall. Aktivitet

Fenomenet radioaktivitet ble oppdaget i 1896 av A. Becquerel, som observerte spontane utslipp av ukjent stråling fra uransalter. Snart slo E. Rutherford og Curies fast at under radioaktivt forfall sendes det ut He-kjerner (α-partikler), elektroner (β-partikler) og hard elektromagnetisk stråling (γ-stråler).

I 1934 ble forfall med utslipp av positroner (β + -forfall) oppdaget, og i 1940 ble en ny type radioaktivitet oppdaget - spontan fisjon av kjerner: en fisjonskjerne faller fra hverandre i to fragmenter med sammenlignbar masse med det samtidige utslippet av nøytroner og γ -kvantum. Protonradioaktivitet av kjerner ble observert i 1982.

Radioaktivitet - evnen til noen atomkjerner til spontant (spontant) å forvandle seg til andre kjerner med utslipp av partikler.

Atomkjerner består av protoner og nøytroner, som har et generelt navn - nukleoner. Antall protoner i kjernen bestemmer de kjemiske egenskapene til atomet og er betegnet med Z (dette er serienummer kjemisk element). Antall nukleoner i en kjerne kalles massenummer og betegne A. Kjerner med samme atomnummer og forskjellige massetall kalles isotoper. Alle isotoper av ett kjemisk grunnstoff har det samme Kjemiske egenskaper. De fysiske egenskapene til isotoper kan variere sterkt. For å betegne isotoper, bruk symbolet til et kjemisk grunnstoff med to indekser: A Z X. Den nedre indeksen er serienummeret, den øvre indeksen er massetallet. Ofte utelates subscriptet fordi det er indikert med selve elementets symbol. For eksempel skriver de 14 C i stedet for 14 6 C.

Evnen til en kjerne til å forfalle avhenger av dens sammensetning. Det samme grunnstoffet kan ha både stabile og radioaktive isotoper. For eksempel er karbonisotopen 12 C stabil, men isotopen 14 C er radioaktiv.

Radioaktivt forfall er et statistisk fenomen. En isotops evne til å forfalle kjennetegner forfallskonstantλ.

Forfall konstant- sannsynligheten for at kjernen til en gitt isotop vil forfalle per tidsenhet.

Sannsynligheten for kjernefysisk forfall i løpet av kort tid dt finnes av formelen

Ved å ta hensyn til formel (33.1), får vi et uttrykk som bestemmer antall forfalte kjerner:

Formel (33.3) kalles hoved lov om radioaktivt forfall.

Antallet radioaktive kjerner avtar med tiden i henhold til en eksponentiell lov.

I praksis i stedet forfallskonstantλ en annen mengde brukes ofte, kalt halvt liv.

Halvt liv(T) - tiden den forfaller halv radioaktive kjerner.

Loven om radioaktivt forfall ved bruk av halveringstid er skrevet som følger:

Grafen for avhengighet (33.4) er vist i fig. 33.1.

Halveringstiden kan være veldig lang eller veldig kort (fra brøkdeler av et sekund til mange milliarder år). I tabellen Figur 33.1 viser halveringstidene for noen elementer.

Ris. 33.1. Nedgang i antall kjerner av det opprinnelige stoffet under radioaktivt forfall

Tabell 33.1. Halveringstid for enkelte elementer

For rate grad av radioaktivitet isotopbruk en spesiell mengde kalt aktivitet.

Aktivitet - antall kjerner i et radioaktivt medikament som forfaller per tidsenhet:

SI-enheten for aktivitet er becquerel(Bq), 1 Bq tilsvarer én henfallshendelse per sekund. I praksis mer

barnslig ikke-systemisk aktivitetsenhet - curie(Ci), lik aktiviteten til 1 g 226 Ra: 1 Ci = 3,7x10 10 Bq.

Over tid avtar aktiviteten på samme måte som antallet udøde kjerner reduseres:

33.2. Hovedtyper av radioaktivt forfall

I prosessen med å studere fenomenet radioaktivitet ble det oppdaget 3 typer stråler som sendes ut av radioaktive kjerner, som ble kalt α-, β- og γ-stråler. Det ble senere oppdaget at α- og β-partikler er produkter av to forskjellige typer radioaktivt forfall, og γ-stråler er et biprodukt av disse prosessene. I tillegg følger γ-stråler med mer komplekse kjernefysiske transformasjoner, som ikke er vurdert her.

Alfa-forfall består i spontan transformasjon av kjerner med emisjonenα -partikler (heliumkjerner).

α-forfallsskjemaet skrives som

hvor X, Y er symbolene for henholdsvis mor- og datterkjernene. Når du skriver α-forfall, kan du skrive "Han" i stedet for "α".

Under dette forfallet synker elementets atomnummer Z med 2, og massetallet A - med 4.

Under α-forfall dannes datterkjernen som regel i en eksitert tilstand og sender ut et y-kvante ved overgang til grunntilstanden. Den generelle egenskapen til komplekse mikroobjekter er at de har diskret et sett med energitilstander. Dette gjelder også kjerner. Derfor har y-stråling fra eksiterte kjerner et diskret spektrum. Følgelig er energispekteret til α-partikler diskret.

Energien til utsendte α-partikler for nesten alle α-aktive isotoper ligger i området 4-9 MeV.

Beta-forfall består i spontan transformasjon av kjerner med emisjon av elektroner (eller positroner).

Det er fastslått at β-forfall alltid er ledsaget av utslipp av en nøytral partikkel - en nøytrino (eller antinøytrino). Denne partikkelen samhandler praktisk talt ikke med materie og vil ikke bli vurdert videre. Energien som frigjøres under beta-forfall fordeles tilfeldig mellom beta-partikkelen og nøytrinoen. Derfor er energispekteret til β-stråling kontinuerlig (fig. 33.2).

Ris. 33.2. Energispekter av β-forfall

Det er to typer β-forfall.

1. Elektroniskβ - -forfall består av transformasjonen av ett kjernefysisk nøytron til et proton og et elektron. I dette tilfellet vises en annen partikkel ν" - en antinøytrino:

Et elektron og en antinøytrino flyr ut fra kjernen. Elektron β - henfallsskjemaet er skrevet i formen

Under elektronisk β-forfall øker ordrenummeret til Z-elementet med 1, men massetallet A endres ikke.

Energien til β-partikler ligger i området 0,002-2,3 MeV.

2. Positroniskβ + -forfall innebærer transformasjon av ett kjernefysisk proton til et nøytron og et positron. I dette tilfellet vises en annen partikkel ν - en nøytrino:

Elektronfangst i seg selv produserer ikke ioniserende partikler, men det gjør det ledsaget av røntgenstråling. Denne strålingen oppstår når rommet som forlates ved absorpsjon av et indre elektron fylles av et elektron fra den ytre bane.

Gammastråling har en elektromagnetisk natur og representerer fotoner med bølgelengdeλ ≤ 10 -10 m.

Gammastråling er ikke en uavhengig type radioaktivt forfall. Stråling av denne typen følger nesten alltid ikke bare α-forfall og β-forfall, men også mer komplekse kjernereaksjoner. Den avbøyes ikke av elektriske og magnetiske felt, har en relativt svak ioniserende og svært høy penetreringsevne.

33.3. Kvantitative egenskaper ved samspillet mellom ioniserende stråling og materie

Påvirkningen av radioaktiv stråling på levende organismer er forbundet med ionisering, som det forårsaker i vev. En partikkels evne til å ionisere avhenger både av dens type og energi. Når en partikkel beveger seg dypere inn i materien, mister den energien sin. Denne prosessen kalles ioniseringshemming.

For å kvantitativt karakterisere samspillet mellom en ladet partikkel med materie, brukes flere mengder:

Når partikkelens energi faller under ioniseringsenergien, opphører dens ioniserende effekt.

Gjennomsnittlig lineær kjørelengde(R) av en ladet ioniserende partikkel - banen som den reiste i et stoff før den mistet sin ioniserende evne.

La oss vurdere noen karakteristiske trekk ved interaksjonen mellom ulike typer stråling med materie.

Alfastråling

Alfapartikkelen avviker praktisk talt ikke fra den opprinnelige bevegelsesretningen, siden massen er mange ganger større

Ris. 33.3. Avhengighet av lineær ioniseringstetthet på banen som en α-partikkel går i mediet

massen til elektronet som det samhandler med. Når den trenger dypt inn i stoffet, øker først ioniseringstettheten, og når fullføring av kjøringen (x = R) synker kraftig til null (fig. 33.3). Dette forklares med det faktum at når bevegelseshastigheten avtar, øker tiden den tilbringer nær et molekyl (atom) i mediet. Sannsynligheten for ionisering øker i dette tilfellet. Etter at energien til α-partikkelen blir sammenlignbar med energien til molekylær termisk bevegelse, fanger den to elektroner i stoffet og blir til et heliumatom.

Elektroner som dannes under ioniseringsprosessen, beveger seg som regel bort fra α-partikkelsporet og forårsaker sekundær ionisering.

Kjennetegn på samspillet mellom a-partikler med vann og bløtvev er presentert i tabell. 33.2.

Tabell 33.2. Avhengighet av egenskapene til interaksjon med materie på energien til α-partikler

Betastråling

For bevegelse β -partikler i materie er preget av en krumlinjet uforutsigbar bane. Dette er på grunn av likheten mellom massene av samvirkende partikler.

Interaksjonsegenskaper β -partikler med vann og bløtvev er presentert i tabellen. 33.3.

Tabell 33.3. Avhengighet av egenskapene til interaksjon med materie på energien til β-partikler

I likhet med α-partikler øker ioniseringsevnen til β-partikler med synkende energi.

Gammastråling

Absorpsjon γ -stråling fra materie adlyder en eksponentiell lov som ligner på loven om absorpsjon av røntgenstråling:

De viktigste prosessene som er ansvarlige for absorpsjon γ -stråling er den fotoelektriske effekten og Compton-spredning. Dette produserer et relativt lite antall frie elektroner (primær ionisering), som har svært høy energi. De forårsaker prosesser med sekundær ionisering, som er uforlignelig høyere enn den primære.

33.4. Naturlig og kunstig

radioaktivitet. Radioaktiv serie

Vilkår naturlig Og kunstig radioaktivitet er betinget.

Naturlig kalt radioaktiviteten til isotoper som eksisterer i naturen, eller radioaktiviteten til isotoper dannet som et resultat av naturlige prosesser.

For eksempel er radioaktiviteten til uran naturlig. Radioaktiviteten til karbon 14 C, som dannes i de øvre lagene av atmosfæren under påvirkning av solstråling, er også naturlig.

Kunstig kalt radioaktivitet av isotoper som oppstår som følge av menneskelig aktivitet.

Dette er radioaktiviteten til alle isotoper som produseres i partikkelakseleratorer. Dette inkluderer også radioaktiviteten til jord, vann og luft som oppstår under en atomeksplosjon.

Naturlig radioaktivitet

I den innledende perioden med å studere radioaktivitet, kunne forskere bare bruke naturlige radionuklider (radioaktive isotoper) inneholdt i jordbergarter i tilstrekkelig store mengder: 232 Th, 235 U, 238 U. Tre radioaktive serier begynner med disse radionuklidene, og slutter med stabile isotoper Pb. Deretter ble det oppdaget en serie som startet med 237 Np, med den endelige stabile kjernen 209 Bi. I fig. Figur 33.4 viser raden som starter med 238 U.

Ris. 33.4. Uran-radium-serien

Elementer i denne serien er hovedkilden til intern menneskelig stråling. For eksempel kommer 210 Pb og 210 Po inn i kroppen med mat – de er konsentrert i fisk og skalldyr. Begge disse isotopene akkumuleres i lav og finnes derfor i reinsdyrkjøtt. Den viktigste av alle naturlige kilder til stråling er 222 Rn - en tung inert gass som er et resultat av nedbrytningen av 226 Ra. Det står for omtrent halvparten av dosen naturlig stråling som mottas av mennesker. Formet i jordskorpen siver denne gassen inn i atmosfæren og kommer inn i vann (den er svært løselig).

Den radioaktive isotopen av kalium 40 K er konstant tilstede i jordskorpen, som er en del av naturlig kalium (0,0119%). Fra jorda kommer dette elementet inn gjennom rotsystemet til planter og med plantemat (korn, friske grønnsaker og frukt, sopp) inn i kroppen.

En annen kilde til naturlig stråling er kosmisk stråling (15%). Dens intensitet øker i fjellområder på grunn av en reduksjon i den beskyttende effekten av atmosfæren. Kilder til naturlig bakgrunnsstråling er oppført i tabell. 33.4.

Tabell 33.4. Komponent av naturlig radioaktiv bakgrunn

33,5. Bruk av radionuklider i medisin

Radionuklider kalles radioaktive isotoper av kjemiske grunnstoffer med kort halveringstid. Slike isotoper finnes ikke i naturen, så de oppnås kunstig. I moderne medisin er radionuklider mye brukt til diagnostiske og terapeutiske formål.

Diagnostisk applikasjon basert på selektiv akkumulering av visse kjemiske elementer av individuelle organer. Jod, for eksempel, er konsentrert i skjoldbruskkjertelen, og kalsium i beinene.

Innføringen av radioisotoper av disse elementene i kroppen gjør det mulig å oppdage områder av deres konsentrasjon ved radioaktiv stråling og dermed få viktig diagnostisk informasjon. Denne diagnostiske metoden kalles ved merket atom-metoden.

Terapeutisk bruk radionuklider er basert på den destruktive effekten av ioniserende stråling på tumorceller.

1. Gammaterapi- bruk av høyenergi γ-stråling (60 Co-kilde) for å ødelegge dyptliggende svulster. For å forhindre at overfladiske vev og organer blir utsatt for skadelige effekter, utføres eksponering for ioniserende stråling i forskjellige økter i forskjellige retninger.

2. Alfa terapi- terapeutisk bruk av α-partikler. Disse partiklene har en betydelig lineær ioniseringstetthet og absorberes av selv et lite luftlag. Derfor terapeutisk

Bruken av alfastråler er mulig gjennom direkte kontakt med overflaten av organet eller når det administreres internt (ved hjelp av en nål). For overflateeksponering brukes radonterapi (222 Rn): eksponering for hud (bad), fordøyelsesorganer (drikking) og luftveisorganer (innånding).

I noen tilfeller medisinsk bruk α -partikler er assosiert med bruk av nøytronfluks. Med denne metoden blir elementer først introdusert i vevet (svulsten), hvis kjerner, under påvirkning av nøytroner, avgir α -partikler. Etter dette blir det syke organet bestrålt med en strøm av nøytroner. På denne måten α -partikler dannes direkte inne i organet som de skal ha en destruktiv effekt på.

Tabell 33.5 viser egenskapene til noen radionuklider som brukes i medisin.

Tabell 33.5. Karakteristikk av isotoper

33,6. Ladede partikkelakseleratorer og deres bruk i medisin

Akselerator- en installasjon der det, under påvirkning av elektriske og magnetiske felt, produseres rettede stråler av ladede partikler med høy energi (fra hundrevis av keV til hundrevis av GeV).

Akseleratorer skaper smal stråler av partikler med en gitt energi og lite tverrsnitt. Dette lar deg gi regissert innvirkning på bestrålte gjenstander.

Bruk av akseleratorer i medisin

Elektron- og protonakseleratorer brukes i medisin for strålebehandling og diagnostikk. I dette tilfellet brukes både selve de akselererte partiklene og den medfølgende røntgenstrålingen.

Bremsstrahlung røntgen oppnås ved å rette en stråle av partikler til et spesielt mål, som er kilden til røntgenstråler. Denne strålingen skiller seg fra røntgenrøret ved betydelig høyere kvanteenergi.

Synkrotron røntgenstråler oppstår under akselerasjonen av elektroner i ringakseleratorer - synkrotroner. Slik stråling har høy grad av retningsbestemthet.

Den direkte effekten av raske partikler er assosiert med deres høye penetreringsevne. Slike partikler passerer gjennom overfladisk vev uten å forårsake alvorlig skade og har en ioniserende effekt på slutten av reisen. Ved å velge riktig partikkelenergi er det mulig å ødelegge svulster på en gitt dybde.

Bruksområdene for akseleratorer i medisin er vist i tabell. 33,6.

Tabell 33.6. Anvendelse av akseleratorer i terapi og diagnostikk

33,7. Biofysisk grunnlag for virkningen av ioniserende stråling

Som nevnt ovenfor er virkningen av radioaktiv stråling på biologiske systemer assosiert med ionisering av molekyler. Prosessen med interaksjon av stråling med celler kan deles inn i tre påfølgende stadier (stadier).

1. Fysisk stadium inneholder energioverføring stråling til molekyler i et biologisk system, noe som resulterer i deres ionisering og eksitasjon. Varigheten av dette stadiet er 10 -16 -10 -13 s.

2. Fysisk-kjemiske scenen består av ulike typer reaksjoner som fører til omfordeling av overflødig energi fra eksiterte molekyler og ioner. Som et resultat svært aktiv

produkter: radikaler og nye ioner med et bredt spekter av kjemiske egenskaper.

Varigheten av dette stadiet er 10 -13 -10 -10 s.

3. Kjemisk stadium - dette er interaksjonen mellom radikaler og ioner med hverandre og med omkringliggende molekyler. På dette stadiet dannes strukturelle skader av forskjellige typer, noe som fører til endringer i biologiske egenskaper: strukturen og funksjonene til membraner blir forstyrret; lesjoner oppstår i DNA- og RNA-molekyler.

Varigheten av det kjemiske stadiet er 10 -6 -10 -3 s.

4. Biologisk stadium. På dette stadiet fører skade på molekyler og subcellulære strukturer til ulike funksjonelle forstyrrelser, til for tidlig celledød som følge av virkningen av apoptotiske mekanismer eller på grunn av nekrose. Skader mottatt på det biologiske stadiet kan arves.

Varigheten av det biologiske stadiet er fra flere minutter til titalls år.

La oss merke oss de generelle mønstrene til det biologiske stadiet:

Store forstyrrelser med lavt absorbert energi (en dødelig dose stråling for mennesker får kroppen til å varme opp med bare 0,001°C);

Effekt på påfølgende generasjoner gjennom arveapparatet til cellen;

Karakterisert av en skjult, latent periode;

Ulike deler av cellene har ulik følsomhet for stråling;

Først av alt påvirkes delende celler, noe som er spesielt farlig for et barns kropp;

Skadelig effekt på vev av en voksen organisme der det er deling;

Likheten av stråling endres med patologien til tidlig aldring.

33,8. Grunnleggende begreper og formler

Tabellfortsettelse

33,9. Oppgaver

1. Hva er aktiviteten til stoffet hvis 10 000 kjerner av dette stoffet forfaller innen 10 minutter?

4. Alderen til gamle treprøver kan tilnærmet bestemmes av den spesifikke masseaktiviteten til 14 6 C isotopen i dem. Hvor mange år siden ble treet hugget ned som ble brukt til å lage en gjenstand, hvis den spesifikke masseaktiviteten til karbon i det er 75 % av den spesifikke masseaktiviteten til det voksende treet? Halveringstiden for radon er T = 5570 år.

9. Etter Tsjernobyl-ulykken var noen steder jordforurensning med radioaktivt cesium-137 på nivået 45 Ci/km 2 .

Etter hvor mange år vil aktiviteten på disse stedene avta til et relativt trygt nivå på 5 Ci/km 2? Halveringstiden til cesium-137 er T = 30 år.

10. Den tillatte aktiviteten til jod-131 i den menneskelige skjoldbruskkjertelen bør ikke være mer enn 5 nCi. Hos noen mennesker som var i Tsjernobyl-katastrofesonen, nådde aktiviteten til jod-131 800 nCi. Etter hvor mange dager gikk aktiviteten ned til normalen? Halveringstiden for jod-131 er 8 dager.

11. For å bestemme blodvolumet til et dyr, brukes følgende metode. Et lite volum blod tas fra dyret, røde blodceller skilles fra plasmaet og legges i en løsning med radioaktivt fosfor, som assimileres av de røde blodcellene. De merkede røde blodcellene gjeninnføres i dyrets sirkulasjonssystem, og etter en tid bestemmes aktiviteten til blodprøven.

ΔV = 1 ml av en slik løsning ble injisert i blodet til et dyr. Startaktiviteten til dette volumet var lik A 0 = 7000 Bq. Aktiviteten til 1 ml blod tatt fra venen til et dyr en dag senere var lik 38 pulser per minutt. Bestem dyrets blodvolum hvis halveringstiden for radioaktivt fosfor er T = 14,3 dager.

Radioaktiv stråling og dens typer

I 1896 oppdaget den franske fysikeren A. Becquerel, mens han studerte luminescensen til uransalter, ved et uhell deres spontane utslipp av stråling av ukjent natur, som virket på en fotografisk plate, ioniserte luften, penetrert gjennom tynne metallplater og forårsaket luminescens. av en rekke stoffer. Ved å fortsette studiet av dette fenomenet, oppdaget Curie-ektefellene - Marie og Pierre - at Becquerel-stråling er karakteristisk ikke bare for uran, men også for mange andre tunge grunnstoffer, som thorium og aktinium. De viste også at uranbekblende (malmen som uranmetall utvinnes fra) sender ut stråling hvis intensitet er mange ganger større enn uran. Dermed var det mulig å isolere to nye elementer - bærere av Becquerel-stråling: polonium og radium.

Den oppdagede strålingen ble navngitt radioaktiv stråling , og selve fenomenet er utslipp av radioaktiv stråling - radioaktivitet.

Typer radioaktiv stråling:

1) - stråling

Den avbøyes av elektriske og magnetiske felt, har høy ioniseringsevne og lav penetreringsevne. Representerer en strøm av heliumkjerner; ladningen til -partikkelen er +2e, og massen sammenfaller med massen til heliumisotopkjernen. Basert på avviket til partikler i elektriske og magnetiske felt, ble deres spesifikke ladning bestemt, hvis verdi bekreftet riktigheten av ideer om deres natur.

2) -stråling

Avbøyd av elektriske og magnetiske felt; dens ioniserende evne er mye lavere (med omtrent to størrelsesordener), og dens penetreringsevne er mye større enn partiklers. Det er en strøm av raske elektroner (dette følger av definisjonen av deres spesifikke ladning).

3) -stråling

Den avbøyes ikke av elektriske og magnetiske felt, har en relativt svak ioniserende evne og svært høy penetreringsevne, og utviser diffraksjon når den passerer gjennom krystaller. Det er kortbølget elektromagnetisk stråling med ekstremt kort bølgelengde m og som et resultat uttalte korpuskulære egenskaper, dvs. er en strøm av partikler – kvanter (fotoner).

Radioaktivitet– Evnen til noen atomkjerner til spontant (spontant) å forvandle seg til andre kjerner med utslipp av forskjellige partikler:

1) Naturlig - observert i ustabile isotoper som eksisterer i naturen;

2) Kunstig - observert i isotoper syntetisert gjennom kjernefysiske reaksjoner i laboratoriet.

Loven om radioaktivt forfall

Radioaktivt forfall- naturlig transformasjon av kjerner som skjer spontant.

Dette fenomenet er statistisk, derfor er konklusjonene som følger av lovene for radioaktivt forfall, sannsynlige i naturen.

Konstant for radioaktivt forfall- sannsynlighet for kjernefysisk forfall per tidsenhet, lik andelen av kjerner som forfaller på 1 s.

Loven om radioaktivt forfall: På grunn av spontaniteten til radioaktivt nedbrytning kan vi anta at antall kjerner dN som i gjennomsnitt avtok i løpet av tidsintervallet fra t til t+dt er proporsjonalt med tidsintervallet dt og antallet N av kjerner som ikke avbrøt pr. tid t:

[ N er antall udøde kjerner på tidspunktet t; - det initielle antallet udøde kjerner ved tidspunktet t=0; -radioaktiv nedbrytningskonstant]

Halvt liv ()- tidsperioden hvor i gjennomsnitt antall udøde kjerner reduseres med det halve.

Gjennomsnittlig levetid for en radioaktiv kjerne:

Nuklidaktivitet- antall henfall som oppstår med prøvekjernene på 1 s:

Aktivitetsenhet - 1 Bq: 1 becquerel - aktiviteten til en nuklid i en radioaktiv kilde, der en henfallshendelse skjer på 1 s. 1Bq= 2.703 curies.

5. Motregningsregler for - Og -forfaller

Mors kjerne- en atomkjerne som gjennomgår radioaktivt forfall.

Barnekjerne- en atomkjerne som er et resultat av radioaktivt forfall.

Offset-regler– regler som lar en bestemme hvilken kjerne som oppstår som følge av forfallet til en gitt foreldrekjerne. Disse reglene er en konsekvens av lovene som gjelder under radioaktive henfall – loven om bevaring av ladningstall og loven om bevaring av massetall.

Lover for bevaring av ladning og massetall

1) Summen av ladningstallene til de fremkommende kjernene og partiklene er lik ladningstallet til den opprinnelige kjernen.

2) summen av massetallene til de fremkommende kjernene og partiklene er lik massetallet til den opprinnelige kjernen.

Forskyvningsreglene er en konsekvens av lovene om bevaring av ladning og massetall.

Alfa-forfall kalt det spontane forfallet av en atomkjerne til en datterkjerne og en alfapartikkel (atomkjernen 4 Han).

Alfa-forfall oppstår vanligvis i tunge kjerner med massenummer

EN≥ 140 (selv om det er noen få unntak).

Forskyvningsregel for α-forfall: , hvor er heliumkjernen (a-partikkel),

Eksempel (alfa-forfall uran-238 til thorium-234):

Som et resultat av α-forfall flytter atomet 2 celler til begynnelsen periodiske tabeller(det vil si atomladningen Z reduseres med 2), reduseres massetallet til datterkjernen med 4.

Beta-forfall

Becquerel beviste at β-stråler er en fluks elektroner. Beta-forfall er en manifestasjon svak interaksjon.

Radioaktivitetskonsept

Loven om radioaktivt forfall

Kvantifisering av radioaktivitet og dens enheter

Ioniserende stråling, deres egenskaper.

AI-kilder

1. Radioaktivitetskonsept

Radioaktivitet er den spontane prosessen med transformasjon (forfall) av atomkjerner, ledsaget av utslipp av en spesiell type stråling, kalt radioaktiv.

I dette tilfellet skjer transformasjonen av atomer av noen elementer til atomer av andre.

Radioaktive transformasjoner er kun karakteristiske for individuelle stoffer.

Et stoff anses som radioaktivt hvis det inneholder radionuklider og gjennomgår radioaktivt nedbrytning.

Radionuklider (isotoper) - kjernene til atomer som er i stand til spontant forfall kalles radionuklider.

For å karakterisere en nuklid, bruk symbolet til et kjemisk grunnstoff, angi atomnummeret (antall protoner) og massenummeret til kjernen (antall nukleoner, dvs. totalt antall protoner og nøytroner).

For eksempel betyr 239 94 Pu at kjernen til et plutoniumatom inneholder 94 protoner og 145 nøytroner, for totalt 239 nukleoner.

Følgende typer radioaktivt forfall finnes:

Beta-forfall;

Alfa-forfall;

Spontan fisjon av atomkjerner (nøytronforfall);

Protonradioaktivitet (protonfusjon);

To-proton- og klyngeradioaktivitet.

Beta-forfall er prosessen med transformasjon av et proton til et nøytron eller et nøytron til et proton i kjernen til et atom med frigjøring av en beta-partikkel (positron eller elektron)

Alfa-forfall - karakteristisk for tunge elementer, hvis kjerner, fra nummer 82 i D.I. Mendeleevs tabell, er ustabile, til tross for overskudd av nøytroner og spontant forfall. Kjernene til disse elementene avgir hovedsakelig kjerner av heliumatomer.

Spontan fisjon av atomkjerner (nøytronforfall) - dette er den spontane fisjon av noen kjerner av tunge elementer (uran-238, californium 240,248, 249, 250, curium 244, 248, etc.). Sannsynligheten for spontan kjernefysisk fisjon er ubetydelig sammenlignet med alfa-forfall. I dette tilfellet deler kjernen seg i to fragmenter (kjerner) med lignende masse.

1. Loven om radioaktivt forfall

Stabiliteten til kjernene avtar når det totale antallet nukleoner øker. Det avhenger også av forholdet mellom antall nøytroner og protoner.

Prosessen med påfølgende kjernefysiske transformasjoner ender som regel med dannelsen av stabile kjerner.

Radioaktive transformasjoner følger loven om radioaktivt forfall:

N = N 0 e λ t ,

hvor N, N 0 er antall atomer som ikke har forfalt til tider t og t 0 ;

λ er den radioaktive henfallskonstanten.

Verdien λ har sin egen individuelle verdi for hver type radionuklid. Det karakteriserer forfallshastigheten, dvs. viser hvor mange kjerner som forfaller per tidsenhet.

I følge ligningen til loven om radioaktivt forfall, er kurven eksponentiell.

1. Kvantifisering av radioaktivitet og dens enheter

Tiden hvor halvparten av kjernene forfaller på grunn av spontane kjernefysiske transformasjoner kalles halvt liv T 1/2 . Halveringstiden T 1/2 er relatert til henfallskonstanten λ ved avhengigheten:

T 1/2 = ln2/λ = 0,693/λ.

Halveringstiden T 1/2 for forskjellige radionuklider er forskjellig og varierer mye - fra brøkdeler av et sekund til hundrevis og til og med tusenvis av år.

Halveringstider for noen radionuklider:

Jod-131 - 8,04 dager

Cesium-134 - 2,06 år

Strontium-90 - 29,12 år

Cesium-137 - 30 år

Plutonium-239 - 24065 år

Uran-235 - 7,038. 10 8 år

Kalium-40 - 1,4 10 9 år.

Den gjensidige av forfallskonstanten er kaltgjennomsnittlig levetid for et radioaktivt atom t :

Forfallshastigheten bestemmes av aktiviteten til stoff A:

A = dN/dt = A 0 e λ t = λ N,

hvor A og A 0 er aktivitetene til stoffet til tidene t og t 0 .

Aktivitet– et mål på radioaktivitet. Det er preget av antall henfall av radioaktive kjerner per tidsenhet.

Aktiviteten til en radionuklid er direkte proporsjonal med det totale antallet radioaktive atomkjerner på tidspunkt t og omvendt proporsjonal med halveringstiden:

A = 0,693 N/T 1/2.

SI-enheten for aktivitet er becquerel (Bq). En becquerel tilsvarer ett forfall per sekund. Den ekstrasystemiske aktivitetsenheten er curie (Ku).

1 Ku = 3,7 10 10 Bq

1Bq = 2,7 10-11 Ku.

Curie-aktivitetsenheten tilsvarer aktiviteten til 1 g radium. I målepraksis er begrepene volumetrisk A v (Bq/m 3, Ku/m 3), overflate A s (Bq/m 2, Ku/m 2) og spesifikk Am (Bq/m, Ku/m) aktivitet brukes også.