Понятие радиоактивного распада. Методы регистрации ионизирующих излучений. Биологическое воздействие излучений на организм (стр. 1 из 3)
Содержание
3. Сущность процессов ионизации и возбуждения атомов
14. Стицилляционный, химический и фотохимический методы обнаружения и регистрации ионизирующих излучений
24. Действие радиоактивных излучений на клетки
Список литературы
1. Сущность процессов ионизации и возбуждения атомов
Открытия радиоактивности подтвердило сложность строения не только атомов, а и их ядер. В 1903 г. Э. Резерфорд и Ф. Содди предложили теорию радиоактивного распада, которая коренным образом изменила старые взгляды на строение атомов. В соответствии с этой теорией, радиоактивные элементы самочинно распадаются с выпусканием α- или β-частинок и образованием атомов новых элементов, химически отличных от исходных. При этом сохраняется стабильность массы как исходных атомов, так и тех, которые образовались вследствие хода процесса распада. Э. Резерфорд в 1919 г. впервые исследовало искусственное преобразование ядер. Во время бомбардировки атомов Нитрогена с α-частинками он выделил ядра атомов Гидрогена (протоны) и атомы нуклида Оксигену. Такие преобразования называют ядерными реакциями, поскольку из ядер атомов одного элемента получаются ядра атомов других элементов. Ядерные реакции записывают с помощью уравнений. Так, рассмотренную выше ядерную реакцию можно записать так:
Определения явлению радиоактивности можно дать, использовав понятие об изотопах: радиоактивностью называется преобразование нестойких ядер атомов одного химического элемента на ядра атомов другого элемента, которое сопровождается выпусканием элементарных частичек. Радиоактивность, которую проявляют изотопы элементов, которые существуют в природе, называется естественной радиоактивностью.
Скорость радиоактивных преобразований разная для разных изотопов. Она характеризуется постоянной радиоактивного распада, которая показывает, сколько атомов радиоактивного нуклида распадается за 1 с Установлено, что количество атомов радиоактивного нуклида, которое распадается за единицу времени, пропорциональная общему количеству атомов этого нуклида и зависит от величины постоянной радиоактивного распада. Например, если на протяжении некоторого периода распалась половина общего количества атомов радиоактивного нуклида, то в следующий такой самый период распадется половина остатка, то есть вдвое меньше, чем за предыдущий период, и т.д.
Продолжительность жизни радиоактивного нуклида характеризуют периодом полураспада, то есть таким промежутком времени, на протяжении которого распадается половина начального количества этого нуклида. Например, период полураспада Радона составляет 3,85 суток, Радия - 1620 лет, Урану - 4,5 миллиарда лет.
Известные такие типы радиоактивных преобразований: α-распад, β-разпад, спонтанный (самочинный) деление ядер. Эти типы радиоактивных преобразований сопровождаются выпусканием α-частичек, электронов, позитронов, γ-луч.
В процессе α-распада ядро атома радиоактивного элемента выпускает ядро атома Гелия, вследствие чего заряд ядра атома исходного радиоактивного элемента уменьшается на две единицы, а массовое число - на четырех. Например, преобразования атома Радия на атом Радона можно записать уравнением
Ядерную реакцию β-распада, который сопровождается выпусканием электронов, позитронов или увлечением орбитальных электронов, также можно записать уравнением
где е- -электрон; hν - квант γ-излучения; νo - антинейтрино (элементарная частичка, масса покоя которой и заряд равняются нулю).
Возможность β-розпаду связана с тем, что, в соответствии с современными представлениями, нейтрон может превращаться при определенных условиях на протон, выпуская при этом электрон и антинейтрино. Протон и нейтрон - два состояния одной и той самой ядерной частички - нуклона. Этот процесс можно изобразить схемой
Нейтрон -> Протон + Электрон + Антинейтрино
В процессе β-распада атомов радиоактивного элемента один из нейтронов, который входит в состав ядра атома, выпускает электрон и антинейтрино, превращаясь на протон. В этом случае положительный заряд ядра увеличивается на единицу. Такой вид радиоактивного распада называется электронным -распадом (β--распадом).
Итак, если ядро атома радиоактивного элемента выпускает одну α-частицу, получается ядро атома нового элемента с протонным числом на две единицы меньшим, а при выпускании β-частички - ядро нового атома с протонным числом на единицу большим, чем у исходного. В этом и состоит суть закона смещения Содди-Фаянса.
Ядра атомов некоторых нестабильных изотопов могут выпускать частички, которые имеют положительный заряд +1 и массу, близкую к массе электрона. Эта частичка называется позитроном. Итак, возможное преобразование протона на нейтрон согласно с схемой
Протон → Нейтрон + Позитрон + Нейтрино
Преобразования протона на нейтрон наблюдается лишь в том случае, когда нестабильность ядра вызванная избыточным содержимым в нем протонов. Тогда один из протонов превращается в нейтрон, а позитрон и нейтрино, которые возникают при этом, вылетают за границы ядра; заряд ядра уменьшается на единицу
Такой тип радиоактивного распада называется позитронным -распадом (β+-распадом).
Итак, вследствие β-розпаду ядра атома радиоактивного элемента получается атома элемента, смещенного на одно место вправо (β-розпад) или влево (β+-распад) от исходного радиоактивного элемента.
Уменьшения заряда ядра радиоактивного атома на единицу может быть вызвано не только β+-распадом, а и электронным увлечением, вследствие чего один из электронов ближайшего к ядру электронного шара захватывается ядром. Этот электрон с одним из протонов ядра образовывает нейтрон:
е- +р → n.
Теорию строения ядра атома разработали в 30-х годах XX ст. украинские ученые Д.Д. Иваненко и Е.М. Гапон, а также немецкий ученый В. Гейзенберг. В соответствии с этой теорией, ядра атомов состоят из положительно заряженных протонов и электронейтральных нейтронов. Относительные массы этих элементарных частичек почти одинаковые (масса протона 1,00728, масса нейтрона- 1,00866). Протоны и нейтроны (нуклоны) содержатся в ядре очень крепкими ядерными силами. Ядерные силы действуют только на очень маленьких расстояниях - порядка 10-15 м.
Энергия, которая выделяется во время образования ядра из протонов и нейтронов, называется энергией связи ядра и характеризует ее стабильность.
14. Стицилляционный, химический и фотохимический методы обнаружения и регистрации ионизирующих излучений
Современные сцинтилляционные счетчики подразделяют на счетчики с твердым и жидким сцинтилляторами. Жидкостно-сцинтилляционные счетчики предназначены для регистрации бета-излучения низкой энергии. Для регистрации гамма-излучения удобна использовать твердые сцинтилляторы. Сцинтиллятор — вещество, испускающее вспышки света при действии на него ионизирующей радиации.
Жидкие сцинтилляторы — это растворы, содержащие соединения, способные флуоресцировать под действием ионизирующей радиации. Наиболее широко в качестве такого соединения используют 2,5-дифенилоксазол (ППО). Радиоактивное соединенна вводят в сцинтиллятор, что обеспечивает наибольший его контакт с флуоресцирующим веществом.
В качестве твердых сцинтшгляторов чаще всего используют кристалл йодистого натрия, которому придают форму колодца. Под действием излучения молекулы кристаллической решетки подвергаются ионизации и возбуждению, сопровождающемуся световой вспышкой. Интенсивность вспышки зависит от энергии излучения. Световые вспышки фиксируются фотоумножителем, который превращает их в электрические импульсы. Амплитуда этих импульсов пропорциональна интенсивности вспышек, а следовательно, энергии излучения, вызывающего эти вспышки.
Большинство жидких сцинтилляторов, применяемых в настоящее время, приготовлено на основе толуола или диоксана. Толуоловые сцинтилляторы имеют более высокую эффективность регистрации низкоэнергетического бета-излучения. Однако водные образцы в толуоловых сцинтилляторах измерять неудобно из-за малой растворимости воды в толуоле и сильного тушения сцинтилляторов, которое вызвано введением воды.
В качестве растворителя в сцинтилляционных смесях, предназначенных для измерения водных образцов, чаще применяют диоксан. В диоксане можно растворить большое количество воды (до 30%).
Основными компонентами любого сцинтилляционного счетчика являются сцинтиллятор, фотоумножитель, логарифмический усилитель электрических импульсов, электронная система анализа и регистрация (рис. 1).
Рис. 1. Принцип устройства сцинтилляционного датчика
С целью исключения импульсов, соответствующих фону фотоумножителей, сцинтилляции детектируются не одним, а двумя фотоумножителями, соединенными в электронной схеме совпадения, что позволяет почти полностью исключить импульсы, соответствующие фону ФЭУ.
Основные источники фона сцинтилляционных счетчиков.
1. Внешнее излучение (космическое и излучение от источников в помещении лаборатории). Внешний фон в значительной степени ослабляется защитой и дискриминацией импульсов с большой амплитудой.
2. Внутреннее излучение, обусловленное загрязненностью радиоактивными изотопами материалов защиты с самого счетчика, а также присутствием в воздухе эманации радия и тория.
3. Случайные совпадения между двумя ФЭУ оптической обратной связи (свечение остаточных газов, люминесценция стекла колб ФЭУ или динодов).
4. Случайные совпадения из-за термошумов ФЭУ и конечного разрешающего времени схемы совпадений.