Материал: 3941
16
Измерения удельного заряда mq показали, что - частицы являются элек-
тронами весьма больших скоростей, достигающих в некоторых случаях 0,999 с, что отвечает энергиям до 10Мэв. Средняя скорость - частиц составляет 160000 км/с, а масса в 7350 раз меньше массы - частицы. Поскольку - частица имеет малую массу, большую скорость и несет только один элементарный заряд, ее ионизирующая способность значительно меньше, а пробег во много раз больше, чем у - частицы ( в воздухе 40 м, в Al – 2 см, в биологической ткани – 6 см). - лучи
- лучи представляют собой поток фотонов, имеющих высокую частоту ~1020 Гц, что соответствует короткой длине волны ~10-12 м; энергия - фо-
тонов порядка 0,1-10 Мэв. Отсутствие отклонения в электрическом и магнитном полях, огромная проникающая способность указывает на аналогию их с рентгеновскими лучами, но в отличие от рентгеновских лучей, - лучи испус-
каются атомным ядром. Наиболее жесткие - лучи проходят слой свинца толщиной 5 см или через слой воздуха толщиной в несколько сотен метров: тело
человека они пронизывают насквозь. Ионизирующая способность - лучей невелика (в воздухе в среднем 1-2 пары ионов на 1 см «пробега»).
Радиоактивное излучение испускается атомными ядрами, а не их электронными оболочками. Очевидно, что радиоактивное излучение ведет к превращению атомов излучающего элемента в атомы другого элемента.
При испускании - частицы заряд ядра увеличивается на единицу (благодаря превращению нейтрона в протон), а масса практически не меняется (ввиду
малости массы - частицы). Следовательно, по мере - распада радиоактивный элемент превращается в другой элемент с атомным номером на единицу большим и с тем же массовым числом. Иначе говоря, при - распаде элемент
смещается в периодической системе на один номер вправо без изменения массового числа. Символически это правило смещения записывается так:
|
А X |
AY |
. |
|
|
Z |
Z 1 |
|
|
Например: |
21083 Bi 21084 Po . |
|
|
|
При - распаде элемент смещается в периодической системе на два номе- |
||||
ра влево с уменьшением массового числа на четыре единицы, т. к. |
- частица |
|||
представляет собой ядро атома гелия, которое состоит из двух протонов и двух
нейтронов. Правило смещения при - распаде выглядит так:
ZA Х ZA 42Y 24He .
Например:
84210 Po 82206 Pb 42 He .
17
Радиоактивный распад вызывает непрерывное уменьшение числа атомов радиоактивного элемента по закону:
N N0 e t . |
(9) |
где N0 – число ядер в начальный момент;
N- количество оставшихся (не распавшихся) ядер;
- постоянная радиоактивного распада;
t - время, прошедшее с начала распада;
e - основание натурального логарифма (е=2,718).
Время, в течение которого распадается половина начального количества вещества, называется периодом полураспада этого элемента. Период полураспада Т связан с постоянной распада соотношением:
ТIn2 0.693 . (10)
Ти для различных радиоактивных элементов различны. Например, для
урана Т измеряется миллиардами лет, а для радиоактивного изотопа лития Т=
0,89 с.
Продукт радиоактивного распада химического элемента может сам быть радиоактивным. Поэтому процесс радиоактивного распада обычно проходит через ряд промежуточных стадий, образуя цепочку радиоактивных элементов, заканчивающуюся стабильным элементом, как правило, изотопом свинца. В на-
стоящее время известны 4 радиоактивных семейства: урана - 23892U , нептуния -
93237 Np , актиния - 92235 Ac , тория - 90232Th .
Радиоактивные элементы (радионуклиды) характеризуются активностью, т. е. количеством распадов за 1 с:
n |
N |
|
|
t . |
(11) |
||
|
В системе СИ активность измеряется в беккерелях (Бк).
1Бк = 1 распад/с. Широко используется внесистемная единица активности – Кюри (Ки), 1 Ки = 3,71010 распадов/с.
Ядерные излучения оказывают сильное поражающее действие на все живые организмы. Характер этого действия зависит от поглощенной дозы излучения и его вида. Дозой поглощенного излучения называют величину, равную отношению энергии излучения, поглощенной телом, к его массе. В системе СИ принят Грей (Гр) 1 Гр = 1 Дж/1 кг.
Экспозиционной дозой излучения называют величину, равную отношению суммарного заряда ионов одного знака, образованных излучением в некотором
Q Кл
объеме воздуха, к массе воздуха в этом объеме: ЭДИ = m кг .
Поражающее действие излучения при одной и той же поглощенной дозе зависит от вида излучения. Поэтому принято сравнивать биологическое действие
18
всех видов излучения с биологическим действием рентгеновского и - излучения. Для этого введен коэффициент относительной биологической эффективности (КОБЭ).
Рентгеновское и - излучение, - частицы – 1 КОБЭ. Быстрые нейтроны, протоны, - частицы - 10 КОБЭ.
За единицу эквивалентной дозы поглощения принят 1 Зиверт (Зв). Зв = 1 Гр КОБЭ.
На практике часто используют внесистемную единицу БЭР (биологический эквивалент рентгена). 1 Зв = 100 БЭР.
В таблице 1 показаны все единицы величин радиоактивности.
Таблица 6
Характеристики и единицы измерения радиоактивности
Физические |
Единица радиоактивности |
Соотношение |
||||||||
|
|
|
|
|
Внесистемные |
между |
||||
величины |
Система Си |
|||||||||
единицы |
единицами |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|||||
Активность |
Беккерель (Бк), |
Кюри (Ки) |
1 Ки =3,7 1010 Бк |
|||||||
нуклида |
1 распад/с |
|
|
|
|
|||||
Поглощенная до- |
Грей |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
Дж |
|
Рад |
1 Гр = 100 рад |
||||
за излучения |
1 Гр= 1 |
|||||||||
с |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Экспозиционная |
|
Кл |
|
|
|
|
|
Кл |
|
|
|
|
|
Рентген (Р) |
1 Р= 2,58 10-4 кг |
||||||
доза излучения |
|
кг |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Эквивалентная |
Зиверт (Зв) |
бэр |
1 Зв = 100 бэр |
|||||||
доза излучения |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Описание установки и метода измерений |
|||||||||
Определение радиоактивности препарата в работе осуществляется с помощью радиометра Б-4. Он состоит из счетчика частиц Гейгера и пересчетного устройства с декатронным счетчиком импульсов.
В счетную часть установки Б-4 входят: счетчик 1, высоковольтный выпрямитель для питания счетчика 2, усилитель импульсов 3, декатронный счетчик импульсов 4 (рис. 4).
Счетчик Гейгера представляет собой цилиндрический баллон (из стекла или другого материала), внутренние стенки которого покрыты тонким слоем меди, являющейся катодом. Вдоль оси цилиндра натянута металлическая нить – анод, изолированная от катода. Анод через сопротивление соединяется с землей.
Пространство между электродами заполнено газом при пониженном давлении, между анодом и катодом с помощью высоковольтного выпрямителя создается высокая разность потенциалов (0-200 В ).
19
Заряженная микрочастица, попадая в пространство между анодом и катодом, вызывает ионизацию газа. Образовавшиеся в газе ионы будут притягиваться полем к электродам (аноду и катоду), вследствие чего возникает слабый кратковременный ток. Этот заряд нужно быстро «погасить», чтобы импульс тока от следующей частицы не накладывался на предыдущий. Такое гашение импульса достигается включением большого активного сопротивления R (порядка 109 Ом) между анодом счетчика и положительным полюсом выпрямителя. Слабые импульсы падения напряжения на сопротивлении усиливаются усилителем и подаются на пересчетное устройство. Конденсатор С необходим для того, чтобы постоянное высокое напряжение не попадало на вход усилителя импульсов.
|
А |
|
|
|
|
1 |
С |
3 |
4 |
К |
|
|
|
|
|
R |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
- |
+ |
|
|
|
Рис. 4. Счетчик Гейгера
1 - счетчик; 2 - высоковольтный выпрямитель; 3 - усилитель импульсов; 4 - счетчик импульсов; А - анод; К – катод
Распад ядер регистрируется счетчиком, но из всех частиц, на которые распадаются ядра радиоактивного препарата, счетчик отметит только ту часть, которая попадает на трубку (рис. 3).
Частицы излучаются радиально во всех направлениях, и общее число радиоактивных частиц, испускаемых в единицу времени или активность препарата можно подсчитать так:
n |
4 R 2 |
|
N S |
, |
(12) |
|
Smp |
t |
|||||
|
|
|||||
|
|
|
|
где 4 R2 - площадь сферы радиуса, равного расстоянию препарата от счетчика частиц;
20
Smp - площадь сечения трубки счетчика равняется ее диаметру, умноженному на длину цилиндрической части трубки: Smp = d l;
NS - число распадов за время t , отсчитанных на опыте счетчиком ионизирующих частиц, за вычетом «фона». Фон N / определяется числом ионизирующих частиц, попадающих в счетчик в отсутствие радиоактивного препарата. Радиационный фон земли складывается из трех компонентов:
1)излучения, обусловленного космическим излучением;
2)излучения от рассеянных в земной коре, почве, воздухе, воде естественных
радионуклидов, из которых основной вклад в дозу облучения человека вносят 40K, 238U, 232 Th вместе с продуктами распада урана и тория;
3)излучения от искусственных радионуклидов, обусловленного деятельностью человека (ядерные взрывы, отходы атомных станций, атомной промышленности, использование радиоактивных веществ в медицине, науке, технике, сельском хозяйстве).
Рис. 5. Регистрация заряженных частиц счетчиком Гейгера
Порядок выполнения работы
1.Включить кабель питания в сеть переменного тока.
2.Нажать кнопку «вход» 1:1.
3.Нажать кнопку «стоп» кнопочного переключателя. При этом установка включается в сеть.
4.Нажать кнопку «сброс». При этом показания счетчиков устанавливаются на нуль.
5.Поместить радиоактивный препарат возле счетчика на расстояние R, значение R занести в таблицу.
6.Произвести счет разрядов NS/ , для чего нажать кнопку «пуск» одновременно с секундомером. Через 2 мин также одновременно нажать кнопку «стоп» и выключить секундомер. Снять показания счетчиков. Число зарегистриро-