Использование радиоактивных изотопов в технических целях

Радиоактивность — неустойчивость ядер некоторых атомов, проявляющаяся в их способности к самопроизвольным превращениям (распаду), сопровождающимся испусканием ионизирующего излучения — радиацией.

Радиоактивный распад — изменение состава нестабильных атомных ядер. Ядра спонтанно распадаются на ядерные фрагменты и элементарные частицы (продукты распада). Распад порождает гамма-излучение. Это фактор поражения, обладающий продолжительным действием, действующий на огромной площади, зоне радиоактивного распада.

Характеристика зон заражения:

Зона умеренного заражения (зона А) — э кспозиционная доза излучения за время полного распада (Д) колеблется от 40 до 400 Р. Зона сильного заражения (зона Б) — э кспозиционная доза излучения за время полного распада (Д) колеблется от 400 до 1200 Р. Зона опасного заражения (зона В)- экспозиционная доза излучения за время полного распада (Д) составляет 1200 Р. Зона чрезвычайно опасного заражения (зона Г)- э кспозиционная доза излучения за время полного распада (Д) составляет 4000 Р.

Основные единицы измерения радиоактивности.

Рентген — внесистемная единица измерения дозы излучения (экспозиционной). 1 Р приблизительно равен 0,0098 Зв. Один рентген соответствует дозе рентгеновского или гамма-излучения, при которой в 1 см 3 воздуха образуется 2 . 10 9 пар ионов. 1 Р = 2, 58 . 10 -4 Кл/кг.

Грей — системная единица измерения дозы излучения (поглощенной). 1 грей поглощает 1 килограмм вещества при получении 1 джоуля энергии: Гр = Дж / кг = м² / с² .

Рад — внесистемная единица измерения дозы излучения (поглощенной). 1 рад — доза при которой вещество в 1 грамм получает 100 эрг энергии. 1 Гр = 100 рад

Бэр — внесистемная единица измерения дозы излучения (эквивалентной и эффективной), биологический эквивалент рентгена. 1 бэр — это такое облучение организма, при котором те же эффекты, что и при экспозиционной дозе 1 рентген.

Зиверт — системная единица измерения дозы излучения (эквивалентной и эффективной). 1 зиверт — энергия, полученная 1 килограммом биологической ткани, равное по воздействию дозе излучения в 1 грей: Зв = Дж / кг = м² / с² . 1 Зв = 100 бэр. Основная единица измерения в дозиметрах.

Беккерель — системная единица измерения активности источника. Определяется как активность источника, при которой происходит один распад в секунду. Выражается Бк = с −1

Кюри — внесистемная единица измерения активности источника. Один кюри соответствует числу распадов в секунду в 1 грамме радия. 1 Ки = 3,7 . 10 10 Бк.

Применение радиоактивных источников в различных сферах деятельности человека .

Медицина: использование радиации для диагностики заболевания (рентгенологическая и радиоизотопная диагностика); использование радиации для лечения (радиоизотопная и радиационная терапия); радиационная стерилизация.

Радиоизотопная диагностика — использование радиоактивных изотопов и меченных ими соединений для распознавания заболеваний. Радиотерапия — это облучение опухоли потоком лучей, иногда применяется и в лечении доброкачественных опухолей, препятствует росту, размножению и распространению раковых клеток на здоровые ткани. Радиационной стерилизации подвергают материалы и препараты для медицинского применения, не выдерживающие термической или химической обработки или теряющие при этом свои лечебные свойства.

Химическая промышленность: модифицирование текстильных материалов для получения шерстоподобных свойств, получение х/б тканей с антимикробными свойствами, радиационное модифицирование хрусталя для получения хрустальных изделий различного цвета, радиационная вулканизация резинотканевых материалов, радиационное модифицирование полиэтиленовых труб для повышения термостойкости и стойкости к агрессивным средам, отвердение лакокрасочных покрытий на различных поверхностях.

Деревообрабатывающая промышленность: В результате облучения мягкое дерево приобретает значительно низкую способность сорбировать воду, высокую стабильность геометрических размеров и более высокую твёрдость (изготовление мозаичного паркета).

Городское хозяйство: радиационная очистка и обеззараживание сточных вод.

С/х : облучение с/х растений малой дозой в целях стимуляции их роста и развития; применение ионизирующих излучений для радиационного мутагенеза и селекции растений; использование метода лучевой стерилизации для борьбы с насекомыми-вредителями.

Ядерная энергетика (Атомная энергетика) — это отрасль энергетики, занимающаяся производством электрической и тепловой энергии путём преобразования ядерной энергии. Основу ядерной энергетики составляют атомные электростанции (АЭС). Обычно для получения ядерной энергии используют цепную ядерную реакцию деления ядер урана-235 или плутония. Ядерная энергия производится в атомных электрических станциях, используется на атомных ледоколах, атомных подводных лодках; кроме того, предпринимались попытки создать ядерный двигатель для самолётов (атомолётов) и «атомных» танков.

Радиоактивное излучение (или ионизирующее) – это энергия, которая высвобождается атомами в форме частиц или волн электромагнитной природы. Человек подвергается такому воздействию как через природные, так и через антропогенные источники.

Полезные свойства излучения позволили успешно использовать его в промышленности, медицине, научных экспериментах и исследованиях, сельском хозяйстве и других областях. Однако с распространением применения этого явления возникла угроза здоровью людей. Малая доза радиоактивного облучения способна повысить риск приобретения серьёзных заболеваний.

Отличие радиации от радиоактивности

Радиация, в широком смысле, означает излучение, то есть распространение энергии в виде волн или частиц. Радиоактивные излучения делят на три вида:

• альфа-излучение – поток ядер гелия-4;
• бета-излучение – поток электронов;
• гамма-излучение – поток высокоэнергетических фотонов.

Альфа-излучение, которое представляет собой поток корпускул с положительным зарядом, может быть задержано толщей воздуха или одеждой. Этот вид практически не проникает через кожный покров, но при попадании в организм, например, через порезы, очень опасен и пагубно действует на внутренние органы.

Бета-излучение обладает большей энергией – электроны движутся с высокой скоростью, а их размеры малы. Поэтому данный вид радиации проникает через тонкую одежду и кожу глубоко в ткани. Экранировать бета-излучение можно при помощи алюминиевого листа в несколько миллиметров или толстой деревянной доски.

Гамма-излучение – это высокоэнергетическое излучение электромагнитной природы, которое обладает сильной проникающей способностью. Для защиты от него нужно использовать толстый слой бетона или пластину из тяжёлых металлов таких, как платина и свинец.

Феномен радиоактивности был обнаружен в 1896 году. Открытие сделал французский физик Беккерель. Радиоактивность – способность предметов, соединений, элементов испускать ионизирующее изучение, то есть радиацию. Причина явления заключается в нестабильности атомного ядра, которое при распаде выделяет энергию. Существует три вида радиоактивности:

• естественная – характерна для тяжёлых элементов, порядковый номер которых больше 82;
• искусственная – инициируется специально с помощью ядерных реакций;
• наведённая – свойственна объектам, которые сами становятся источником радиации, если их сильно облучить.

• периодом полураспада;
• видом испускаемой радиации;
• энергией радиации;
• и другими свойствами.

Человеческий организм регулярно подвергается действию радиоактивного излучения. Приблизительно 80% ежегодно получаемого количества приходится на космические лучи. В воздухе, воде и почве содержатся 60 радиоактивных элементов, являющихся источниками естественной радиации. Основным природным источником излучения считается инертный газ радон, высвобождающийся из земли и горных пород. Радионуклиды также проникают в организм человека с пищей. Часть ионизирующего облучения, которому подвергаются люди, исходит от антропогенных источников, начиная от атомных генераторов электричества и ядерных реакторов до используемой для лечения и диагностики радиации. На сегодняшний день распространёнными искусственными источниками излучения являются:

• медицинское оборудование (основной антропогенный источник радиации);
• радиохимическая промышленность (добыча, обогащение ядерного топлива, переработка ядерных отходов и их восстановление);
• радионуклиды, применяющиеся в сельском хозяйстве, лёгкой промышленности;
• аварии на радиохимических предприятиях, ядерные взрывы, радиационные выбросы
• строительные материалы.

Радиоактивный фон существенно зависит от географического положения – в некоторых регионах уровень радиации может превышать средний в сотни раз.

Влияние радиации на здоровье человека

Радиоактивное излучение из-за ионизирующего действия приводит к образованию в организме человека свободных радикалов – химически активных агрессивных молекул, которые вызывают повреждение клеток и их гибель.

Особенно чувствительны к ним клетки ЖКТ, половой и кроветворной систем. Радиоактивное облучение нарушает их работу и вызывает тошноту, рвоту, нарушение стула, температуру. Воздействуя на ткани глаза, оно может привести к лучевой катаракте. К последствиям ионизирующего излучения также относят такие повреждения, как склероз сосудов, ухудшение иммунитета, нарушение генетического аппарата.

Система передачи наследственных данных имеет тонкую организацию. Свободные радикалы и их производные способны нарушать структуру ДНК – носителя генетической информации. Это приводит к возникновению мутаций, которые сказываются на здоровье последующих поколений.

Характер воздействия радиоактивного излучения на организм определяется рядом факторов:

• вид излучения;
• интенсивность радиации;
• индивидуальные особенности организма.

Поглощённое количество радиации характеризуется величиной, называемой Зиверт (Зв).

• Нормальный радиационный фон не превышает 0,2 мЗв/ч, что соответствует 20 микрорентгенам в час. При рентгенографии зуба человек получает 0,1 мЗв.

Применение ионизирующих излучений

Радиоактивное излучение широко применяется в технике, медицине, науке, военной и атомной промышленности и других сферах человеческой деятельности. Явление лежит в основе таких устройств, как датчики задымления, генераторы электроэнергии, сигнализаторы обледенения, ионизаторы воздуха.

В медицине радиоактивное излучение используется в лучевой терапии для лечения онкологических заболеваний. Ионизирующая радиация позволила создать радиофармацевтические препараты. С их помощью проводят диагностические обследования. На базе ионизирующего излучения устроены приборы для анализа состава соединений, стерилизации.

Открытие радиоактивного излучения было без преувеличения революционным – применение этого явления вывело человечество на новый уровень развития. Однако это также стало причиной возникновения угрозы экологии и здоровью людей. В связи с этим поддержание радиационной безопасности является важной задачей современности.

Введение 3 1 Радиоактивность 5 1.1 Типы радиоактивного распада и радиоактивного излучения 5 1.2 Закон радиоактивного распада 7 1.3 Взаимодействие радиоактивного излучения с веществом и счетчики излучения 8 1.4 Классификация источников радиоактивного излучения и радиоактивных изотопов 10 2 Методики анализа, основанные на измерении радиоактивности 12 2.1 Использование естественной радиоактивности в анализе 12 2.2 Активационный анализ 12 2.3 Метод изотопного разбавления 14 2.4 Радиометрическое титрование 14 3 Применение радиоактивности 18 3.1 Применение радиоактивных индикаторов в аналитической химии 18 3.2 Применение радиоактивных изотопов 22 Заключение 25 Список использованных источников 26

1 Радиоактивность

1.1 Типы радиоактивного распада и радиоактивного излучения

В соответствии с законом радиоактивного смещения, при?-распаде получается атом, порядковый номер которого на две единицы, а атомная масса на четыре единицы меньше, чем у исходного атома. 2) ?-Распад. Различают несколько видов?- распада: электронный?-распад; позитронный?-распад; К-захват. При электронном?-распаде, например,

Нейтрон внутри ядра превращается в протон. При испускании отрицательно заряженной?-частицы порядковый номер элемента возрастает на единицу, а атомная масса практически не меняется. При позитронном?-распаде из атомного ядра выделяется позитрон (? + -частица), а потом внутри ядра превращается в нейтрон. Например:

На свободное место в К-оболочке переходит один из электронов внешней оболочки, что сопровождается испусканием жёсткого рентгеновского излучения. 3) Спонтанное деление. Оно характерно для элементов периодической системы Д. И. Менделеева с Z > 90. При спонтанном делении тяжёлые атомы делятся на осколки, которыми обычно являются элементы середины таблицы Л. И. Менделеева. Спонтанное деление и?-распад ограничивают получение новых трансурановых элементов. Поток? и?-частиц называют соответственно? и?-излучением. Кроме того, известно?-излучение. Это электромагнитные колебания с очень короткой длиной волны. В принципе, ?-излучение близко к жёсткому рентгеновскому и отличается от него своим внутриядерным происхождением. Рентгеновское излучение при переходах в электронной оболочке атома, а?-излучение испускает возбуждённые атомы, получившиеся в результате радиоактивного распада (? и?). В результате радиоактивного распада получаются элементы, которые по заряду ядер (порядковому номеру) должны быть помещены в уже занятые клетки периодической системы элементами с таким же порядковым номером, но другой атомной массой. Это так называемые изотопы. По химическим свойствам их принято считать неразличимыми, поэтому смесь изотопов обычно рассматривается как один элемент. Неизменность изотопного состава в подавляющем большинстве химических реакций иногда называют законом постоянства изотопного состава. Например, калий в природных соединениях представляет собой смесь изотопов, на 93,259% из 39 К, на 6,729% из 41 К и на 0,0119% из 40 К (К-захват и?-распад). Кальций насчитывает шесть стабильных изотопов с массовыми числами 40, 42, 43, 44, 46 и 48. В химико-аналитических и очень многих других реакциях это соотношение сохраняется практически неизменным, поэтому для разделения изотопов химической реакции обычно не применяются. Чаще всего для этой цели используются различные физические процессы – диффузия, дистилляция или электролиз. Единицей активности изотопа является беккерель (Бк), равный активности нуклида в радиоактивном источнике, в котором за время 1с происходит один акт распада.

Если t = 0, то и, следовательно, const = -lg N 0 . Окончательно

1.3 Взаимодействие радиоактивного излучения с веществом и счетчики

излучения

1.4 Классификация источников радиоактивного излучения и

радиоактивных изотопов

2 Методики анализа, основанные на измерении радиоактивности

2.1 Использование естественной радиоактивности в анализе

2.2 Активационный анализ

Нейтроны вступают в ядерную реакцию с компонентами анализируемой пробы, например: 55 Mn + n = 56 Mn или Mn (n,?) 56 Mn Радиоактивный 56 Mn распадается с периодом полураспада 2,6 ч:

Для получения информации о составе образца некоторое время измеряют его радиоактивность и анализируют полученную кривую (рисунок 2.1). При проведении такого анализа необходимо располагать надёжными данными о периодах полураспада различных изотопов, чтобы провести расшифровку суммарной кривой.

Другим вариантом активационного анализа является метод?-спектроскопии, основанный на измерении спектра?-излучения образца. Энергия?-излучения является качественной, а скорость счёта – количественной характеристикой изотопа. Измерения производят с помощью многоканальных?-спектрометров со сцинтилляционными или полупроводниковыми счётчиками. Это значительно более быстрый и специфичный, хотя и несколько менее чувствительный метод анализа, чем радиохимический. Важным достоинством активационного анализа является его низкий предел обнаружения. С его помощью может быть обнаружено при благоприятных условиях до 10 -13 – 10 -15 г вещества. В некоторых специальных случаях удавалось достигнуть ещё более низких пределов обнаружения. Например, с его помощью контролируют чистоту кремния и германия в промышленности полупроводников, обнаруживая содержание примесей до 10 -8 – 10 -9 %. Такие содержания никаким другим методом, кроме активационного анализа определить невозможно. При получении тяжёлых элементов периодической системы, таких, как менделевий и курчатовий, исследователям удавалось считать почти каждый атом полученного элемента. Основным недостатком активационного анализа является громоздкость источника нейтронов, а также нередко длительность самого процесса получения результатов.

2.4 Радиометрическое титрование

Изменение активности в ходе этого титрования можно видеть на рисунке 2.2, а. Здесь же показано графическое определение точки эквивалентности. До точки эквивалентности активность раствора будет резко убывать, так как радиоактивный из раствора будет переходить в осадок. После точки эквивалентности активность раствора будет оставаться практически постоянной и очень небольшой. Как видно из рисунка 2.2, б, добавление гидрофосфата к раствору до точки эквивалентности практически не будет вызывать увеличения активности раствора, так как радиоактивный изотоп будет переходить в осадок. После точки эквивалентности активность раствора начинает возрастать пропорционально концентрации гидрофосфата.

Реакции радиометрического титрования должны удовлетворять требованиям, обычно предъявляемым к реакциям титриметрического анализа (скорость и полнота протекания реакции, постоянство состава продукта реакции и т. д.). Очевидным условием применимости реакции в данном методе является также переход продукта реакции из анализируемого раствора в другую фазу, с тем, чтобы устранить помехи при определении активности раствора. Этой второй фазой часто является образующийся осадок. Известны методики, где продукт реакции экстрагируется органическим растворителем. Например, при титровании многих катионов дитизоном в качестве экстрагента применяют хлороформ или тетрахлорид углерода. Применение экстрагента позволяет более точно установить точку эквивалентности, так как в этом случае её определения можно измерять активность обеих фаз.

Эффект открыт в 1958 г. Р. П. Мессбауэром. Под этим названием часто объединяют явления испускания, поглощения и рассеяния?-квантов ядрами атомов без затраты энергии на отдачу ядер. Обычно исследуется поглощение?-излучения, поэтому эффект Мессбауэра часто называют также?-резонансной спектроскопией (ГРС). При испускании?-квантов ядро атома возвращается в нормальное состояние. Однако энергия испускаемого излучения будет определяться не только разностью энергетических состояний ядра в возбужденном и нормальном состояниях. Вследствие закона сохранения импульса ядро испытывает так называемую отдачу. Это приводит к тому, что в случае газообразного атома энергия испускаемого излучения будет меньше, чем в случае, когда излучатель будет находиться в твердом теле. В последнем случае потери энергии на отдачу уменьшаются до пренебрежимо малого значения. Таким образом, ?-кванты излучения, испускаемого без отдачи, могут поглощаться невозбужденными атомами того же элемента. Однако различие в химическом окружении ядра-излучателя и ядра-поглотителя вызывает некоторую разницу в энергетических состояниях ядер, достаточную, чтобы резонансное поглощение?-квантов не происходило. Разницу в энергетических состояниях ядер количественно компенсируют с помощью эффекта Допплера, в соответствии с которым частота излучения (в данном случае энергия?-квантов) зависит от скорости движения. При некоторой скорости движения излучателя (или поглотителя, так как значение имеет лишь их относительная скорость перемещения) наступает резонансное поглощение. Зависимость интенсивности поглощения?-квантов от скорости движения называют спектром Мессбауэра. Типичный мессбауэровский спектр представлен на рисунке 2.3, где в качестве меры интенсивности поглощения отложена обратно пропорциональная ей скорость счета.

Скорость перемещения образца или излучателя обычно не превышает нескольких сантиметров в секунду. Спектр Мессбауэра являетсся очень важной характеристикой вещества. Он позволяет судить о природе химической связи в исследуемых соединениях, их электронной структуре и других особенностях и свойствах.

3.1 Применение радиоактивных индикаторов в аналитической химии

Где — радиоактивность образца, выраженная в беккерелях, а — масса образца определяемого вещества, в котором равномерно распределен радионуклид, остается постоянной как для всего образца, так и для любой его части. Рассмотрим опыт по определению давления паров такого крайне труднолетучего и тугоплавкого металла, как вольфрам. В качестве метки можно использовать искусственно получаемый?-радиоактивный вольфрам-185. Приготовим металлический вольфрам, содержащий эту метку, и определим его удельную активность. Далее соберем пары металла, испарившиеся с поверхности вольфрама при выбранной температуре и содержавшиеся в определенном объеме пара. В тех же условиях, в которых определяли, найдем активность этих паров. Очевидно, что масса паров

Используя несколько отличающуюся методику, можно найти содержание иода в морской воде в форме иодид-ионов. Для этого после введения радиоактивной метки в пробу следует создать такие условия, при которых изотопный обмен (обмен атомами иода) между иодид-ионами и другими содержащими иод формами (иодат- и периодат-ионами) не протекает (для этого надо использовать холодный раствор с нейтральной средой). Выделив далее из морской воды небольшую порцию иодид-ионов с помощью осадителя — нитрата серебра в виде AgI (масса порции) и измерив ее радиоактивность, по формуле (3.5) можно найти содержание иодид-ионов в образце.

1 – парафиновый блок, 2 – ампульный источник нейтронов, 3 – облучаемые образцы. Рисунок 3.1 – Схема проведения нейтронного активационного анализа

Рисунок 3.2 – График зависимости регистрируемой активности/активированных нейтронами образцов от массы m диспрозия в образцах. В анализируемом образце около 3мкг диспрозия

3.2 Применение радиоактивных изотопов

Какое именно ядро в радиоактивном веществе распадется первым, какое — следующим, какое — последним? Физики утверждают, что узнать это невозможно: распад того или иного ядра радионуклида — событие случайное. Вместе с тем поведение радиоактивного вещества в целом подчиняется четким закономерностям.

Узнаём о периоде полураспада

Если взять закрытую стеклянную колбу, содержащую некоторое количество Радона-220, окажется, что примерно через 56 с количество атомов Радона в колбе уменьшится в два раза, в течение следующих 56 с — еще в два раза и т. д. Таким образом, понятно, почему интервал времени 56 с называют периодом полураспада Радона-220.

период полураспада T 1/2 — это физическая величина, которая характеризует радионуклид и равна времени, в течение которого распадается половина имеющегося количества ядер данного радионуклида.

Период полураспада некоторых радионуклидов

Единица периода полураспада в СИ — секунда:

У каждого радионуклида — свой период полураспада (см. таблицу).

Образец содержит 6,4 · 10 20 атомов Йода-131. Сколько атомов Йода-131 будет в образце через 16 суток?

И Уран-238, и Радий-226 являются α-радиоактивными (их ядра могут спонтанно распадаться на α-частицу и соответствующее дочернее ядро).

Из какого образца за 1 с вылетит больше α-частиц, если число атомов Урана-238 и Радия-226 одинаково?

Надеемся, вы правильно ответили на вопрос и, учитывая, что периоды полураспада данных радионуклидов отличаются почти в 3 млн раз, установили, что за одно и то же время в образце радия произойдет намного больше α-распадов, чем в образце урана.

Физическую величину, численно равную количеству распадов, происходящих в радиоактивном источнике за единицу времени, называют активностью радиоактивного источника.

Активность радиоактивного источника обозначают символом A. Единица активности в СИ — беккерель.

Рис. 24.1. График зависимости активности Радия-226 от времени. Период полураспада Радия-226 — 1600 лет

История открытия искусственных радиоактивных изотопов

Первый искусственный радиоактивный изотоп (15P) был получен в 1934 г. супругами Фредерикоми Ирен Жолио-Кюри. Облучая α-частицами алюминий, они наблюдали излучение нейтронов, то есть происходила следующая ядерная реакция:

Итальянский физик Энрико Фермиизвестен несколькими достижениями, но свою высшую награду — Нобелевскую премию — он получил за открытие искусственной радиоактивности, вызванной облучением вещества медленными нейтронами. Сейчас метод облучения нейтронами широко применяют в промышленности для получения радиоактивных изотопов.

1 Бк — это активность такого радиоактивного источника, в котором за 1 с происходит 1 акт распада:

1 Бк — это очень малая активность, поэтому используют внесистемную единицу активности — кюри (Ки):

В честь каких ученых названы указанные единицы? Какие открытия они сделали?

Если образец содержит атомы только одного радионуклида, то активность этого образца можно определить по формуле:

где N — число атомов радионуклида в образце на данный момент времени; λ — постоянная радиоактивного распада радионуклида (физическая величина, являющаяся характеристикой радионуклида и связанная с периодом полураспада соотношением:

Со временем количество нераспавшихся ядер радионуклидов в радиоактивном образце уменьшается, поэтому уменьшается и активность образца (рис. 24.1).

Узнаём о применении радиоактивных изотопов

Наличие в объекте радионуклидов можно выявить по излучению. Вы уже выяснили, что интенсивность излучения зависит от вида радионуклида и его количества, которое со временем уменьшается. Все это положено в основу использования радиоактивных изотопов, которые физики научились получать искусственно. Сейчас для каждого химического элемента, встречающегося в природе, получены искусственные радиоактивные изотопы.

Можно выделить два направления использования радиоактивных изотопов.

Рис. 24.2. Чтобы выяснить, как растения усваивают фосфорные удобрения, в эти удобрения добавляют радиоактивный изотоп Фосфора, затем исследуют растения на радиоактивность и определяют количество усвоенного фосфора

Рис. 24.3. Использование γ-излучения для лечения онкозаболеваний. Чтобы γ-лучи не уничтожали здоровые клетки, используют несколько слабых пучков γ-лучей, которые фокусируются на опухоли

1. Использование радиоактивных изотопов в качестве индикаторов. Радиоактивность является своеобразной меткой, с помощью которой можно определить наличие элемента, проследить за поведением элемента во время физических и биологических процессов и т. д. (см., например, рис. 24.2).

2. Использование радиоактивных изотопов как источников γ-излучения (см., например, рис. 24.3).

Рассмотрим несколько примеров.

Выясняем, как используют радиоактивные изотопы для диагностики заболеваний

Организм человека имеет свойство накапливать в своих тканях определенные химические вещества. Известно, например, что щитовидная железа накапливает йод, костная ткань — фосфор, кальций и стронций, печень — некоторые красители и т. д. Скорость накопления веществ зависит от состояния здоровья органа. Например, при базедовой болезни активность щитовидной железы резко возрастает.

За количеством йода в щитовидной железе удобно следить при помощи его γ-радиоактивного изотопа. Химические свойства радиоактивного и стабильного йода не отличаются, поэтому радиоактивный Йод-131 будет накапливаться так же, как и его стабильный изотоп. Если щитовидная железа в норме, то через некоторое время после введения в организм Йода-131 γ-излучение от него будет иметь определенную оптимальную интенсивность. А вот если щитовидная железа функционирует с отклонением от нормы, то интенсивность γ-излучения будет аномально высокой или, наоборот, низкой. Аналогичный метод применяют для исследования обмена веществ в организме, выявления опухолей и др.

Понятно, что, используя указанные методы диагностики, необходимо тщательно дозировать количество радиоактивного препарата, чтобы внутреннее облучение оказывало минимальное негативное воздействие на организм человека.

Определяем возраст древних предметов

Рис. 24.4. Полученный из молодого дерева 1 г углерода имеет активность 14-15 Бк (излучает 14-15 β-частиц в секунду). Через 5700 лет после гибели дерева количество β-распадов в секунду уменьшается вдвое

Рис. 24.5. Самую распространенную медицинскую продукцию: шприцы, системы переливания крови и т. п. — перед отправкой потребителю тщательно стерилизуют с использованием γ-излучения

В атмосфере Земли всегда имеется некоторое количество β-радиоактивного Карбона-14 (^C), который образуется из Нитрогена в результате ядерной реакции с нейтронами. В составе углекислого газа этот изотоп поглощается растениями, а через них — животными. Пока животное или растение живы, содержание радиоактивного Карбона в них остается неизменным. После прекращения жизнедеятельности количество радиоактивного Карбона в организме начинает уменьшаться, уменьшается и активность β-излучения. Зная, что период полураспада Карбона-14 составляет 5700 лет, можно определить возраст археологических находок (рис. 24.4).

Применяем γ-излучение в технике

Особое значение в технике имеют гамма-дефектоскопы, с помощью которых проверяют, например, качество сваренных соединений. Если мастер, приваривая петли к воротам, допустил брак, через некоторое время петли отвалятся. Это неприятно, но ситуация поправима. А вот если брак случился при сварке элементов конструкции моста или ядерного реактора, трагедия неминуема. Благодаря тому что γ-лучи по-разному поглощаются массивной сталью и сталью с пустотами, гамма-дефектоскоп «видит» трещины внутри металла, а следовательно, выявляет брак еще на стадии изготовления конструкции.

Уничтожаем микробы с помощью радиации

Известно, что определенная доза облучения убивает организмы. Но ведь не все организмы полезны человеку. Так, медики постоянно работают над тем, чтобы избавиться от болезнетворных микробов. Вспомните: в больницах моют пол со специальными растворами, облучают помещение ультрафиолетом, обрабатывают медицинские инструменты и т. д. Такие процедуры называют дезинфекцией и стерилизацией.

Поставить процесс стерилизации на промышленную основу позволили особенности γ-излучения (рис. 24.5). Такая стерилизация осуществляется в специальных установках

с надежной защитой от проникающей радиации. В качестве источника γ-лучей используют искусственно созданные изотопы Кобальта и Цезия

Учимся решать задачи

Задача. Определите массу Радия-226, если его активность составляет 5 Ки. Постоянная радиоактивного распада Радия-226 равна 1,37 · 10 11 с 1 .

Анализ физической проблемы, поиск математической модели

Для решения задачи воспользуемся формулой для определения активности: A = AN. Зная активность, выясним количество N атомов Радия. Массу вещества можно определить, умножив число атомов на массу одного атома: m = N ■ m 0 .

Из курса химии вы знаете:

1 моль вещества содержит N A = 6,02 10 атомов;

молярная масса вещества (масса 1 моль).

Масса атома

Подводим итоги

Время, в течение которого распадается половина имеющегося количества ядер данного радионуклида, называют периодом полураспада Т 1/2 . Период полураспада является характеристикой данного радионуклида. Физическую величину, которая численно равна количеству распадов, происходящих в данном радиоактивном источнике за единицу времени, называют активностью радиоактивного источника. Если источник содержит атомы только одного радионуклида, активность A источника можно определить по формуле A = AN, где N — количество атомов радионуклида в образце; λ — постоянная радиоактивного распада радионуклида. Единица активности в СИ — беккерель (Бк).

Со временем активность радиоактивного образца уменьшается, и это используют для определения возраста археологических находок.

Искусственные изотопы применяют для стерилизации медицинских изделий, диагностики и лечения заболеваний, выявления дефектов в металлах и др.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение периода полураспада. Что характеризует эта физическая величина? 2. Что такое активность радиоактивного источника? 3. Какова единица активности в СИ? 4. Как активность радионуклида связана с его постоянной радиоактивного распада? 5. Изменяется ли со временем активность радионуклидного образца? Если изменяется, то почему и как? 6. Приведите примеры использования радиоактивных изотопов.

Упражнение № 24

1. Имеется одинаковое количество ядер Йода-131, Радона-220 и Урана-235. Какой радионуклид имеет наибольший период полураспада? Активность какого образца на данный момент времени наибольшая? Поясните ответ.

2. В образце содержится 2 · 10 20 атомов Йода-131. Определите, сколько ядер Йода в образце распадется в течение часа. Активность Йода-131 на протяжении этого времени считайте неизменной. Постоянная радиоактивного распада Йода-131 равна 9,98 · 10 -7 с -1 .

3. Период полураспада радиоактивного Карбона-14 составляет 5700 лет. Во сколько раз уменьшилось количество атомов Карбона-14 в сосне, срубленной 17 100 лет назад?

4. Определите период полураспада радионуклида, если за интервал времени 1,2 с количество распавшихся ядер составило 75 % их начального количества.

5. На данный момент в радиоактивном образце содержится 0,05 моль Радона-220. Определите активность Радона-220 в образце.

6. На сегодня одними из самых важных считаются исследования обмена веществ в организме человека с помощью радиоактивных изотопов. В частности, выяснилось, что за сравнительно небольшое время организм почти полностью восстанавливается. Воспользуйтесь дополнительными источниками информации и узнайте об этих исследованиях больше.

Физика и техника в Украине

Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт»

(ХФТИ) — всемирно известный научный центр. Основан в 1928 г. по инициативе академика А. Ф. Иоффе как Украинский физико-технический институт с целью исследований в области ядерной физики и физики твердого тела.

Уже в 1932 г. в институте был достигнут выдающийся результат — осуществлено расщепление ядра атома Лития. Позднее в лабораторных условиях получены жидкие водород и гелий, построен первый трехкоординатный радиолокатор, проведены первые исследования высоковакуумной техники, что послужило толчком к развитию нового физико-технологического направления — вакуумной металлургии. Ученые института сыграли важную роль в решении проблем использования атомной энергии.

В разные годы в ННЦ ХФТИ работали выдающиеся физики: И. В. Обреимов, Л. Д. Ландау, И. В. Курчатов, К. Д. Синельников, Л. В. Шубников, А. И. Лейпунский, Е. М. Лифшиц, И. М. Лифшиц, А. К. Вальтер, Б. Г. Лазарев, Д. Д. Иваненко, А. И. Ахиезер, В. Е. Иванов, Я. Б. Файнберг, Д. В. Волков и др. В институте были созданы научные школы, известные во всем мире.

В ННЦ ХФТИ расположены крупнейший в СНГ линейный ускоритель электронов и совокупность термоядерных комплексов «Ураган».

Генеральный директор центра — известный украинский физик, академик НАНУ Николай Федорович Шульга.

Это материал учебника

Явление радиоактивности и его использование в отраслях науки, промышленности и в медицине

школы № 26 г. Владимир

Еще одна загадка природы

Конец 19 и начало 20 веков были исключительно богаты головокружительными открытиями и изобретениями, о которых люди могли только мечтать. Идея о возможности получения неисчерпаемой энергии, заключенной в ничтожно малом количестве вещества жила в тайниках человеческой мысли.

Известным ученым того времени был Беккерель, который поставил перед собой цель разгадать природу таинственного свечения некоторых веществ под влиянием солнечного излучения. Беккерель собирает огромную коллекцию светящихся химических веществ и природных минералов.

• Изучение понятия радиоактивности, ее открытие.
  

• Выяснить, как применяются радиоактивные изотопы в науке, промышленности и медицине.
  

• Определить ценность явления радиоактивности в мире.
  

Явление радиоактивности

Радиоактивность-способность некоторых атомных ядер самопроизвольно превращаться в другие ядра с испусканием различных видов радиоактивных излучений и элементарных частиц.

Применение радиоактивности в медицине

Радиотерапия-использование сильного излучения для уничтожения раковых клеток.

железе, определяет нарушения функций и

Меченый по натрию физиологический раствор измеряет скорость кровообращения, определяет проходимость кровеносных сосудов конечностей.

Применение радиоактивности в промышленности

Одним из примеров этого может служить следующий способ контроля износа поршневых колец в двигателях внутреннего сгорания. Облучая поршневое кольцо нейтронами, вызывают в нем ядерные реакции и делают его радиоактивным. При работе двигателя частички материала кольца попадают в смазочное масло. Исследуя уровень радиоактивности масла после определенного времени работы двигателя, определяют износ кольца. Мощное гамма-излучение радиоактивных препаратов используют для исследования внутренней структуры металлических отливок с целью обнаружения в них дефектов.

Облучение семян растений небольшими дозами гамма-лучей от радиоактивных препаратов приводит к заметному увеличению урожайности. Применение получили «меченые атомы» в агротехнике. Например, чтобы выяснить, какое из фосфорных удобрений лучше усваивается растением, помечают различные удобрения радиоактивным фосфором Р. Исследуя затем растения на радиоактивность, можно определить количество усвоенного ими фосфора из разных сортов удобрения.

Источник

• https://prodazh.ru/finansy/radioaktivnost-primenenie-radioaktivnyh-izotopov-v/