Радиоактивность. Альфа-, бета- и гамма-излучения.

 

В 1896 г. А.Беккерель обнаружил, что уран самопроизвольно испускает какое-то неизвестное невидимое излучение, проникающее сквозь картон и бумагу и действующее на фотопластинку.

В 1898 г. П. Кюри и М. Склодовская-Кюри выделили из урановой смоляной руды два новых химических элемента, названные ими радий и полоний. Оказалось, что эти вещества тоже самопроизвольно испускают невидимое излучение.

В 1899 г. Э.Резерфорд, пропустив излучение радия через сильное магнитное поле, обнаружил, что оно разделяется на два компонента: положительно заряженный, названный альфа-излучением, и отрицательно заряженный, названный бета-излучением.

В 1990 г. обнаружили, что существует третий нейтральный компонент, названный гамма-излучением.

Крупица радия помещалась в свинцовый контейнер, из отверстия которого испускалось исследуемое излучение. Проходя между полюсами сильного магнита, заряженные альфа- и бета- частицы отклонялись в противоположных направлениях, а на нейтральное гамма-излучение магнитное поле не действовало. Излучение попадало на фотопластинку и вызывало почернение фотоэмульсии в трех областях.

Самопроизвольное превращение атомного ядра, сопровождающееся испусканием заряженных частиц, нейтронов и фотонов называется радиоактивностью.

Скорость распада конкретного радиоактивного изотопа не зависит от массы вещества, т.е. от числа ядер. Существует определенное время, называемое периодом полураспада, в течение которого распадается половина от наличного числа ядер.

Позже было доказано, что альфа-частицы – это ядра гелия. Альфа-частицы, рождающиеся при радиоактивном распаде, могут быть легко остановлены листом бумаги. Бета-частицы – очень быстрые электроны, для защиты от бета-частиц энергией до 1 МэВ достаточно алюминиевой пластины толщиной в несколько миллиметров. Гамма-излучение – кванты электромагнитного излучения высокой частоты. Гамма-излучение обладает гораздо большей проникающей способностью, для защиты эффективны тяжёлые элементы (свинец и т.д.), поглощающие фотоны в слое толщиной несколько см.

Важными показателями взаимодействия ионизирующего излучения с веществом служит поглощённая доза излучения, показывающая, какая энергия излучения поглощается в единице массы вещества. В СИ единицей поглощённой дозы является грэй (Гр), численно равный отношению 1 Дж к 1 кг. Естественный фон радиации составляет за один год дозу излучения около 2 мГр на человека.

Биологическое действие ионизирующих излучений. Ионизация, создаваемая излучением в клетках, приводит к образованию свободных радикалов. Свободные радикалы вызывают разрушения целостности цепочек макромолекул (белков и нуклеиновых кислот), что может привести к массовой гибели клеток. Наиболее подвержены воздействию ионизирующего излучения активно делящиеся (эпителиальные, стволовые, также эмбриональные) клетки.

Применение ионизирующих излучений. Ионизирующие излучения применяются в различных отраслях тяжёлой (интроскопия) и пищевой (стерилизация медицинских инструментов, расходных материалов и продуктов питания) промышленности, а также в медицине (лучевая терапия, ПЭТ-томография).

Для лечения опухолей используют тяжёлые ядерные частицы такие как протоны, тяжёлые ионы, отрицательные π-мезоны и нейтроны разных энергий. Создаваемые на ускорителях пучки тяжёлых заряженных частиц имеют малое боковое рассеяние, что дает возможность формировать дозные поля с чётким контуром по границам опухоли.

Билет № 24.

Опыты Резерфорда. Планетарная модель атома. Состав атомного ядра. Ядерные реакции.

 

Все вещества, состоят из атомов. Атом — это мельчайшая ча­стица вещества, наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его химических свойств.

Решающую роль в раскрытии строения атома сы­грали опыты, которые провел в 1911 г. основоположник ядерной физики Э. Резерфорд. Радиоактивный препарат, например радий, помещалсявнутрь свинцового цилиндра, вдоль которого был высверлен узкий канал. Пучок -частиц из канала падал на тонкую фольгу из исследуемого материала (золото, медь и др.) После рассеяния -частицы попадали на экран, покрытый сульфидом цинка. Столкновение каждой частицы с экраном сопровождалось вспышкой света, которую можно было наблюдать в микроскоп. Весь прибор размещался в сосуде, из которого был откачан воздух.

Модифицируя экспериментальную установку, Резерфорд пытался обнаружить отклонения -частиц на большие углы. Неожиданно оказалось, что некоторое число -частиц отклоняется на углы больше 90°. Проанализировав опыты, Резерфорд пришел к идее атомного ядра — тела малых размеров, в котором сосредоточен весь положительный заряд атома и почти вся его масса.

Из опытов Резерфорда вытекает планетарная модель атома. В центре расположено положительно заряженное атомное ядро, а электроны движутся вокруг ядра примерно так же, как планеты движутся вокруг Солнца. Такой харак­тер движения электронов определяется действием кулоновских сил со стороны ядра.

В 1932 г. советский физик Д. Д. Иваненко и немецкий ученый В. Гейзенберг предложили протонно-нейтронную модель ядра. Согласно этой модели ядра состоят из протонов и нейтронов. Так как в целом атом электрически нейтрален, а заряд про­тона по модулю равен заряду электрона, то число протонов в ядре равно числу электронов в атомной оболочке. Следовательно, число протонов в ядре равно порядковому номеру (Z-зарядовое число) элемента в периодической системе элементов Д. И. Менделеева.

Сумму числа протонов и нейтронов в ядре называют атом­ным числом и обозначают буквой А: A = Z + N.

Ядерными реакциями называют изменения атомных ядер при взаимодействии их с другими частицами или друг с дру­гом.

Ядерные реакции происходят, когда частицы вплотную приближаются к ядру и попадают в сферу действия ядер­ных сил. Одноименные заряженные частицы отталкива­ются друг от друга. Поэтому сближение положительных заряженных частиц с ядрами возможно, только если им сообщена большая кинетическая энергия. Эту энергию сообщают протонам, дейтронам (ядрам дейтерия), -частицам и другим более тяжелым ядрам с помощью ускори­телей элементарных частиц и ионов.

Первая ядерная реакция на быстрых протонах была осу­ществлена в 1932 г. Тогда удалось расщепить ядро лития на две -частицы: ₃⁷Li+₁¹H ₂⁴He+₂⁴He.

В этой ядерной реакции кинетическая энергия двух обра­зующихся ядер гелия оказывается больше кинетической энергии протона, вступившего в реакцию, на 7,3 МэВ. Таким образом, ядерные превращения сопровождаются изменением внутренней энергии (энергии связи) ядер. Энергия связи атомных ядер - та энергия, которая необходима для расщепления ядра на отдельные нуклоны (нуклоны — ядерные частицы: протоны и нейтроны).

Для определения энергии связи можно использовать соотношение между массой и энергией (формула Эйнштейна). Е = тс².

Энергетическим выходом ядерной реакции называется разность энергий ядер и частиц до реакции и после реакции.

Билет № 25.