МАРК РЕГНЕРУС ДОСЛІДЖЕННЯ: Наскільки відрізняються діти, які виросли в одностатевих союзах
РЕЗОЛЮЦІЯ: Громадського обговорення навчальної програми статевого виховання ЧОМУ ФОНД ОЛЕНИ ПІНЧУК І МОЗ УКРАЇНИ ПРОПАГУЮТЬ "СЕКСУАЛЬНІ УРОКИ" ЕКЗИСТЕНЦІЙНО-ПСИХОЛОГІЧНІ ОСНОВИ ПОРУШЕННЯ СТАТЕВОЇ ІДЕНТИЧНОСТІ ПІДЛІТКІВ Батьківський, громадянський рух в Україні закликає МОН зупинити тотальну сексуалізацію дітей і підлітків Відкрите звернення Міністру освіти й науки України - Гриневич Лілії Михайлівні Представництво українського жіноцтва в ООН: низький рівень культури спілкування в соціальних мережах Гендерна антидискримінаційна експертиза може зробити нас моральними рабами ЛІВИЙ МАРКСИЗМ У НОВИХ ПІДРУЧНИКАХ ДЛЯ ШКОЛЯРІВ ВІДКРИТА ЗАЯВА на підтримку позиції Ганни Турчинової та права кожної людини на свободу думки, світогляду та вираження поглядів Контакти
Тлумачний словник |
|
|||||||||||||||||
Радіоактивність8.3.1. Радіоактивність – процес самовільного перетворення деяких (нестабільних) ядер в інші з випромінюванням часток. До радіоактивних перетворень відносяться: a-розпад, b-розпад (з випромінюванням електрона, позитрона чи захопленням орбітального електрона), спонтанний поділ важких ядер, протонна та нейтронна радіоактивність. Радіоактивність нестабільних ядер, які існують у природі (їх відомо ~ 300), називається природною (А.Беккерель, 1896 р.), а тих, що одержані шляхом ядерних реакцій (їх відомо ~ 1700), – штучною (І. та Ф. Жоліо-Кюрі,1934 р). Обидва види радіоактивності підкоряються одному законові радіоактивного розпаду. Із-за незалежності радіоактивних перетворень окремих ядер можна вважати, що кількість ядер dN, які розпадаються за проміжок часу dt, пропорційна до наявного числа ядер N і до величини проміжку часу dt, тобто , (8.13) де l – постійна розпаду, яка характеризує ймовірність розпаду кожного ядра за одиницю часу; знак мінус вказує, що число ядер зменшується з часом. Інтегруючи (8.13) при умові , одержуємо закон радіоактивного розпаду . (8.14) Він показує, що число радіоактивних ядер N, які не розпалися до моменту часу t, зменшується з часом експоненційно (рис.8.3). Кількість ядер, які розпались за час t, , (8.15) Час Т, протягом якого розпадається половина початкової кількості ядер, називається періодом піврозпаду. Підставляючи у (8.15) t = T i , одержуємо . (8.16) Період піврозпаду відомих радіонуклідів змінюється в дуже широких межах: від 3×10-7с до 5×1015 років. Очевидно, величина має сенс середнього часу життя ядра, тому з (8.13) випливає . (8.17) Виявляється, що в процесі радіоактивного перетворення вихідного (материнського) ядра виникає дочірнє ядро, яке теж може бути радіоактивним. В результаті виникає ряд (сімейство) радіоактивних елементів, генетично зв’язаних між собою. Для природно-радіоактивних елементів відомо 3 таких ряди: ряд торію ряд урану ряд актиноурану ; ці елементи започатковують свої ряди, які закінчуються стабільними ізотопами свинцю (, , ). Для штучно-радіоактивних елементів відомий ряд нептунію (найбільш довгоживучий елемент ряду), який починається з плутонію і закінчується стабільним ізотопом талію З часом у кожному радіоактивному сімействі встановлюється так звана вікова рівновага, при якій швидкості утворення і розпаду проміжних членів ряду зрівнюються, тобто . (8.18) Вікова рівновага встановлюється на протязі десяти періодів напіврозпаду найбільш довгоживучого члена ряду. З його розпадом загальний вміст членів ряду в земній корі повільно зменшується. Оскільки для нептунію період напіврозпаду складає ~ середнього віку Землі, членів його ряду в природі немає, вони були одержані штучно. Для будь-якого іншого елемента його ряду, крім свинцю, для якого λ = 0. Тому через великі проміжки часу виникає стільки ядер свинцю, скільки розпадається ядер урану, тобто . Очевидно також, що . Виключаючи невідому початкову концентрацію ядер урану , одержуємо . Сучасна концентрація урану та свинцю в уранових рудах може бути виміряна експериментально, що для середнього віку Землі дає величину ~ 4,5×109 років. Вже перші дослідники природної радіоактивності (П. та М. Кюрі, Е. Резерфорд) виявили, що радіоактивна речовина є джерелом трьох видів випромінювань: a-, b- і g -променів. 8.3.2. a-промені являють собою потік ядер гелію ; a-розпад відбувається за схемою . (8.19) Індекси дочірнього ядра встановлюються на основі законів збереження зарядового і масового чисел: зарядове чи масове число до реакції рівне сумі відповідних чисел після реакції. Звідси випливають так звані правила зміщення; зокрема, при a-розпаді Z дочірнього ядра на 2, а А на 4 менші, ніж у материнського ядра; наприклад, . Енергія реакції a-розпаду визначається на основі формули (8.7), де дефект маси реакції . (8.20) Ця енергія виділяється у вигляді кінетичної енергії продуктів реакції і розподіляється між a-частинкою і дочірнім ядром у відношенні обернено пропорційному до їх мас (це можна показати на основі законів збереження енергії та імпульсу). Певний радіоактивний елемент випромінює a-частинки декількох чітко визначених груп. Це зумовлено тим, що дочірнє ядро може виникати не тільки в основному стані 1, але і в збуджених станах 2,3,… (рис.8.4). За час існування збуджених станів t ~ (10-8 – 10-15) с дочірнє ядро переходить у більш низький чи нормальний стан, випромінюючи g-квант. Так виникають g-промені, які, звичайно, супроводжують a-розпад, хоча дочірнє ядро може звільнитись від надлишку енергії також іншими способами: випромінюючи яку-небудь частинку або іонізуючи атом (процес внутрішньої конверсії). Процес a-розпаду не можна пояснити на основі класичної механіки. Досліди показують, що з радіоактивних ядер випромінюються a-частинки з енергією ~6 МеВ. В той же час a-частинки з енергією ~8 МеВ не проникають в ядро. Ядро для a-частинки є потенціальним бар’єром, висота якого U0більша від енергії a-частинки Е (рис. 8.5). Внутрішня сторона бар’єру зумовлена ядерними силами притягання, зовнішня – силами кулонівського відштовхування. Явище стає зрозумілим на основі квантової механіки: a-частинка виникає в момент радіоактивного розпаду ядра і долає бар’єр ядра за допомогою тунельного ефекту (для мікрочастинки існує відмінна від нуля ймовірність проникнути через бар’єр з енергією меншою від висоти бар’єру; Г. Гамов, 1928 р.). Теорія a-розпаду, що спирається на явище тунельного ефекту, підтверджує емпіричний закон Гейгера-Неттола , (8.21) де А і В – константи, l – стала розпаду, R – пробіг a-часинки, який, очевидно, пропорційний до її енергії E. Цей закон показує, що менш стабільні ядра дійсно випромінюють a-частинки з більшою енергією. 8.3.3.Існує три типи b-розпаду: b –-розпад (ядро випромінює електрон ), b +-розпад (ядро випромінює позитрон) і так зване електронне захоплення (ядро поглинає один з електронів К–, рідше L–, чи М– шару свого атома). b –розпад відбувається за схемою , (8.22) з якої випливає, що при b –-розпаді масове число дочірнього ядра не змінюється, а зарядове число змінюється на одиницю; наприклад, . Як і при a-розпаді, енергія реакції b-розпаду визначається за дефектом мас реакції і лежить в межах від десятків кеВ до десятків МеВ. Пояснення b –-розпаду зустрілось з труднощами: 1. незрозумілим було походження електрона (електронів у ядрах немає); 2. незрозумілим був неперервний характер b –-спектрів ядер (мал.8.6); 3. було незрозуміло, чому при b-розпаді не змінюється спін ядра. Ці труднощі усунули В. Паулі та Е. Фермі (1930–1934 рр.). Вони висунули гіпотезу, що електрон при b –-розпаді виникає в ядрі разом з антинейтрино за рахунок процесу перетворення нейтрона в протон: . (8.23) Антинейтрино, практично, не має маси і електричного заряду, його спін . Процес (8.23) можливий енергетично, бо ; він пояснює походження електрона при b –-розпаді, а також – незмінність масового числа і зростання зарядового числа дочірнього ядра на одиницю (протон залишається в ядрі). Виліт з ядра двох партнерів (електрона і антинейтрино), спіни яких компенсуються, усуває трудність зі спіном при b-розпаді, а також пояснює неперервний характер b –-спектру, бо максимальна енергія b –-розпаду Emax розподіляється між двома партнерами випадково. Походження g-променів, що супроводжують b –-розпад – таке ж, як і при a-розпаді: дочірнє ядро може виникати у збуджених станах, випромінюючи g-кванти при переходах у більш низькі стани. b +-розпад відбувається за схемою , (8.24) наприклад, . Він супроводжується випромінюванням позитрона і нейтрино , які є античастинками, відповідно, для електрона і антинейтрино . Цей вид b-розпаду має місце для штучно-радіоактивних ядер, які мають надлишок протонів над нейтронами. Його можна пояснити за рахунок процесу перетворення протона в нейтрон: . (8.25) Для вільного протона цей процес неможливий, бо ; в ядрі ж протон може запозичити потрібну енергію від інших нуклонів ядра. Реакція електронного захоплення має вигляд , (8.26) що можна пояснити перетворенням протона в нейтрон: . (8.27) Захоплення електрона ядром супроводжується характеристичним рентгенівським випромінюванням, яке зумовлене перебудовою електронної оболонки атома внаслідок виникнення електронної вакансії у ній. По цьому випромінюванню Л. Альверс і відкрив К-захоплення, у 1937 р. Прикладом цього процесу може бути перетворення калію в аргон: Суттєва для пояснення b-розпаду гіпотеза нейтрино Паулі-Фермі стала початком вивчення так званої слабкої взаємодії, відповідальної за ряд перетворень елементарних часток. Ця гіпотеза була підтверджена експериментально у 1956 році Ф. Райнісом і К. Коуеном. При роботі на реакторі, що давав потужний потік нейтронів (і антинейтрино), їм вдалося підтвердити реакцію , (8.28) яка, фактично, є оберненням реакції (8.23). У цьому ж році Р. Девіс підтвердив також існування електронного нейтрино . Пізніше було виявлено й інші типи нейтрино і антинейтрино: м’юонне () і таонне (); вони з’являються в процесах взаємодії з м’юонами і – лептонами. Доведено, що – різні частинки, як і їх античастинки . 8.3.4. Важливим для практичних застосувань радіоактивності є поняття активності. Під активністю радіоактивного зразка розуміють число розпадів, які відбуваються в ньому за одиницю часу, . (8.29) З (8.13) випливає, що , (8.30) тобто активність змінюється з часом за законом , (8.31) де – активність при . Одиницею активності в СІ є 1 бекерель [Бк], що відповідає одному розпадові за секунду. Позасистемними одиницями активності є 1 кюрі [Кі] та 1 резерфорд [Рд]; 1 Кі = 3,7×1010 Бк, 1 Рд = 106 Бк. За відомою активністю може бути розрахована експозиційна, поглинута та еквівалентна доза радіації і потужність дози (доза, віднесена до часу опромінення). Експозиційна доза Дексп є мірою іонізації повітря рентгенівським або g-випромінюванням. Вона чисельно рівна відношенню сумарного заряду всіх іонів одного знаку DQ, створених в елементарному об’ємі повітря вторинними частинками при їх повному гальмуванні, до маси Dm повітря в цьому об’ємі . Одиницею експозиційної дози є , позасистемною одиницею – рентген [Р]; . 1 Р відповідає утворенню 2,08×109 пар іонів в 1 см-3 повітря при нормальних умовах, на це потрібно затратити енергію . Поглинута доза Дпогл визначається відношенням енергії DE, переданої іонізуючим випромінюванням речовині в елементарному об’ємі, до маси речовини в цьому об’ємі . Одиницею поглинутої дози є грей [Гр]; . Позасистемною одиницею поглинутої дози є рад; . Біологічна дія радіації суттєво залежить від природи проникаючого випромінювання. Для характеристики цього вводиться коефіцієнт якості випромінювання k . Таблиця 1.
Еквівалентна доза Декв визначається як добуток поглинутої дози Дпогл на коефіцієнт якості випромінювання k, тобто Декв = k×Дпогл. Одиницею еквівалентної дози є зіверт [Зв], що відповідає поглинутій дозі в 1 Гр при k = 1. Позасистемною одиницею є бер, що відповідає поглинутій дозі в 1 рад при k = 1; . Для вимірювання доз радіації в дозиметрії використовуються прилади різних типів – дозиметри. Природні джерела радіації створюють на території України потужність еквівалентної дози ~ 40 – 200 мБер/рік. Еквівалентна доза в 4 – 5 Зв, отримана людиною за короткий проміжок часу, може призвести до смерті. Така ж доза, отримана протягом усього життя людини, не викликає помітних змін.
Читайте також:
|
||||||||||||||||||
|