Виды и законы радиоактивного излучения

Содержание:

06 декабря 2023
10 минут
410

Преподаватель физики

В $986$ году Антуаном Беккерелем было обнаружено ранее неизвестное излучение солей урана. Спустя два года Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри после исследования урановой руды смогли открыть новые элементы, названные полонием и радием. Они выдавали более интенсивное излучение по сравнению с ураном. Имея аналогичную массу, интенсивность излучения была больше в $10^{10}$ , а радия в $2 \cdot 10^{7}$ раз.

В это же период времени Э. Резерфорд после пропускания излучения через однородное магнитное поле пришел к выводу о том, что оно включает в себя два компонента с разноименными частицами. На рисунке $1$ приведена схема опыта Резерфорда, где имеются:
$1$ – фотопластинка, $2$ – направление индукции магнитного поля, $3$ – свинцовый контейнер, $4$ – радиоактивное вещество, $5$ – отвод для вакуумного насоса.

Компонента с положительно заряженными частицами получила название $α$ -лучей, компонента с отрицательными – $β$ -лучей. Позже было выявлено, что $β$ -лучи включают в себя поток электронов, а $α$ -лучи – поток ядер атома гелия. В $1900$ году П. Виллард обнаружил третью компоненту, которая не поддавалась влиянию магнитного поля. Она получила название $γ$ -лучей, являющихся потоком фотонов с самой короткой длиной волны во всем спектре электромагнитного излучения.

Определение 1

Радиоактивностью называют явление, которое происходит при излучении выше указанными изотопами («radius» - луч).

Виды и законы радиоактивного излучения

Рисунок $1$

Виды излучения

Определение 2

Радиоактивностью считают спонтанное образование изотопов химических элементов, которое обусловленное распадом ядер.

Основываясь на это, выделяют:

$α$ -распад (А. Беккерель, $1896$ год);
δ-распад:
- $β^{-}$ -распад (А. Беккерель, $1896$ год);
- $β^{+}$ распад (И. та Ф.Жолио-Кюри, $1934$ год);
- $K$ -захват (Л. Альварес);
спонтанное деление ядер (Г. М. Фльоров, К.А. Петржак, $1939$ год);
p-распад:
- однопротонный (Г. М. Фльоров, $1963$ год);
- двухпротонный.

$γ$ -излучение не относят к видам радиоактивного распада, так как оно не меняет состав ядра, а только свою энергию. Оно может возникать когда ядро не появляется в результате распада другого ядра, а находится в возбужденном состоянии. Переход из состояния с высшей энергией в состояние с низшей сопровождается $γ$ -излучением.

Основываясь на опытах, было доказано, что связанные с ней процессы протекают в самом ядре. Никакие внешние факторы не могут повлиять на скорость радиоактивного распада. Он не находится в зависимости от характера химического соединения, к которому проникает изотоп, и его агрегатного состояния.

Нестабильные ядра характеризуются природной радиоактивностью. Ядра стабильных изотопов могут становиться радиоактивными в результате облучения, что говорит об искусственной радиоактивности. Законы природной и искусственной радиоактивности не зависят от способа получения изотопа.

Зоны радиоактивного распада

Радиоактивный распад характеризуется своей произвольностью, к большей совокупности ядер применимы статистические законы.

Каждое радиоактивное ядро имеет определенную вероятность $λ$ того, что оно распадется за единицу времени. При существующем моменте времени $t$ имеется $N$ количество радиоактивных ядер, тогда их среднее количество $d N$ , распадающееся за время $d t$ , пропорционально определенному количеству ядер $N$ и величине $λ$ , отсюда следует,

$λ$ получила название постоянной распада. Она считается характерной постоянной радиоактивного изотопа. Знак $" - "$ говорит об уменьшении количества радиоактивных ядер. Проинтегрировав формулу, получим:

Формула явно выражает закон радиоактивного распада. Заметно, что уменьшение количества ядер происходит по экспоненциальному закону. Его относят к статистическому и справедливому для достаточно большого количества ядер радиоактивного изотопа. Закон и опыты подтверждают друг друга. Величина $N$ показывает не количество ядер, которые ужа распались, а количество радиоактивных ядер в момент времени $t$ . Периодом полураспада называют распад половины начального количества ядер за время $T$ .

Зачастую, возникающий в результате радиоактивного распада изотоп радиоактивный, что влечет за собой появление цепочки радиоактивных преобразований. При распаде ядер радиоактивного изотопа появляются другие ядра иного изотопа, являющиеся радиоактивными.

Определение 3

Состояние, которое соответствует вышеприведенному неравенству, получило название состояния насыщения. Еще одно название равенства – условие радиоактивного равновесия. Его физический смысл заключается в возможности компенсирования увеличением распада дочерних ядер по причине распада материнских.

Оценка радиоактивного излучения

Радиоактивные препараты характеризуются активностью, равняется количеству распадов радиоактивных ядер препарата за единицу времени: $A = \frac{N}{t}$ . Значение мгновенной радиоактивности – $|\frac{d N}{d t}|$ .

Единицей активности препарата считается один распад за секунду – беккерель $(Б к)$ . Зачастую применима внесистемная единица распада – Кюри $(К и)$ : $1 К и = 3, 7 \cdot 10^{10} Б к$ .

Определение 4

Количественная оценка действий радиоактивного и рентгеновского излучения на вещество – доза облучения. Их делят на экспозиционную дозу поглощения, эквивалентную дозу.

Определение 5

Экспозиционная доза $D_{э к с п}$ – это мера ионизации рентгеновского и $γ$ -излучения в воздухе, численно равная отношению суммарного заряда ионов одного знака $∆ Q$ , созданных в воздухе при помощи вторичных частиц (электронами и позитронами, образующимися в элементарном объеме при их полном торможении) до массы $∆ m$ воздуха в этом объеме $D_{э к с п} = \frac{∆ Q}{∆ m}$ и измеряется в кулонах на килограмм $(К л / к г)$ . Широкое распространение на практике получила единица, называемая рентген $(Р)$ , $1 P = 2, 58 \cdot 10^{- 4} К л / к г$ .

Определение 6

Определение дозы поглощения $D_{п о г л}$ выполняется при помощи соотношения энергии $∆ E$ , переданной ионизирующим излучением веществу в элементарном объеме, к массе $∆ m$ вещества в этом объеме $D_{п о г л} = \frac{∆ E}{∆ m}$ . Измеряется в греях $(Г р)$ , $1 Г р = 1 Д ж / к г$ . Широкое распространение также получила единица, называемая радиан, $1 р а д = 0, 01 Г р$ .

Определение 7

Определение эквивалентной дозы $D_{э к в}$ выполняется как произведение поглощенной дозы $D_{п о г л}$ на коэффициент ионизирующего излучения $K$ , то есть $D_{э к в} = K D_{п о г л}$ . Ее единица измерения аналогичная единице измерения дозы поглощения. В системе СИ единица эквивалентной дозы – зиверт (Зв), соответствующей поглощенной дозе в $1$ грей при $K = 1$ . Широкое распространение получила специальная единица измерения эквивалентной дозы, соответствующая биологическому эквиваленту рентгена $(б е р)$ , то есть совпадает с поглощенной дозой в $1 р а д$ при $K = 1 (1 б е р = 0, 01 З в)$ .

Искусственная радиоактивность

В $1934$ году Иреной и Фредериком Жолио-Кюри было выявлено становления алюминия радиоактивным после облучения $α$ -частицами. Искусственная радиоактивность ядерных преобразований действует в два этапа. Первый характеризуется преобразованием ядра в радиоактивное под действием частиц. Второй – спонтанный радиоактивный распад созданного ранее ядра, происходящий согласно экспоненциальному закону.

Выявили, что при бомбардировке атомных ядер разных элементов $α$ -частицами, протонами, нейтронами, дейстронами и $γ$ -квантами появляются ядра новых радиоактивных изотопов, распад которых подчиняется по тому же закону.

За последнее время было получено достаточное количество радиоактивных изотопов. Во время бомбардировки частицами высоких энергий ядер изотопов, находящихся в конце периодической таблицы, создавали искусственные ядра, которые стали основателями радиоактивных семей с малым временем жизни.

Бомбардируя ${}_{90}^{232}T h$ дейтронами с энергией $690 М э В$ , образовывались радиоактивные ядра ${}_{91}^{227}P a$ . Реакция выглядит следующим образом:

Для изображения распада ядер ${}_{91}^{227}P a$ используется:

Такие искусственные радиоактивные элементы преимущественно $β$ -активные, притом $β^{-}$ или $β^{+}$ -активные, узнаются по специальной диаграмме зависимости количества нейтронов от количества протонов в ядре для стабильных и радиоактивных ядер, как показано на рисунке. Расположение стабильных ядер присуще узкой зоне, ограниченной кривыми $1$ и $2$ . Изотопы, для которых соотношение $N / Z > N_{с т} / Z_{с т}$ превышает значение, что отвечает $1$ , принадлежащей области протонодефицитных ядер $I$ . Прохождение такого распада может протекать с уменьшением $N / Z$ , то есть при сокращении количества нейтронов $N$ в ядре. В ядре происходят преобразования вида $n \to p + e^{-} + {\tilde{v}}_{e}$ . Отсюда следует, что протонодефицитные ядра во время радиоактивного распада характеризуются распадом
$β$ -частиц. И наоборот, ядра, располагаемые в области $I I$ , нейтронодефицитных ядер

Процесс создания искусственных радиоактивных ядер также относят к делению тяжелых ядер. При делении ядер ${}_{92}^{235}U$ могут быть созданы два новых, относящихся к протонодефицитным, именно поэтому аналогичные ядра способны излучать $β$ -частицы.

Некоторые радиоактивные изотопы, полученные искусственным путем после излучения электронов, еще могут излучать $γ$ -кванты. Теперь возможно получать радиоактивные изотопы с высокой активностью. Это открывает возможности для создания компактных источников радиоактивности, широко используемые в науке и технике.

Курсовая работа по физике

от 5 дней/ от 2160 р.

Реферат по физике

от 1 дня/ от 840 р.

Решение задач по физике

от 1 дня/ от 150 р.