12.17M

Category:

physics

Фізичні основи радіоактивності

1.

Дубчак Сергій Валерійович
ФІЗИЧНІ ОСНОВИ
РАДІОАКТИВНОСТІ

2.

Масса атома – 99% в ядре
d (ядра) 10-13см, d (атома) 10-8 см.
Электрон (е-)- элементарная частица с массой покоя
9,1 10-31 кг (или 0,511 МэВ) и зарядом -1,6 10-19 Кл.

Протон - ядро атома водорода
(стабильная частица)
d протона 10-13 см
Заряд протона: + 1,6 10-19 Кл
Заряд ядра определяется количеством
протонов в ядре
Масса протона:
mp = 1,673 10-27 кг = 1,00728 а.е.м.
1 а.е.м. = 1/12 массы атома 12С.
1 а.е.м. = 1,661 10-27 кг.

4.

Нейтрон - среднее время жизни за пределами
ядра 17 мин (распад в протон, электрон и
антинейтрино).
Маса нейтрона mn = 1,00866 а.е.м.
= 1,675 10-27 кг.
Массовое число:
A = Nпр + Nн = Z + N
Атомный номер Z равен числу протонов в
атомном ядре.
В электронной оболочке электронейтрального
атома содержится Z электронов.
Z – определяет заряд ядра:
A
90 Sr
X
->
Z
N
38
52

5.

A
Изотопы – ядра с одинаковым к-вом протонов и
разным к-вом нейтронов: 13755Cs82 13455Cs79 //
40 K
39 K
19 21
19 20
Z
XN
Изобары –атомы с одинаковым A, но разными Z:
40 K
40 Сa
19 21
20
20
Изотоны –атомы с одинаковым N, но разными A:
228 Ra
230 Th
88
140
90
140
Нуклоны – протоны и нейтроны
Радиус ядра увеличивается с увеличением А:
r r0 A ,
3
13
r0 1,35 10 см

6.

Нуклоны (протоны и нейтроны) в ядре постоянно
движутся с разными скоростями и энергиями.
Ядро может иметь только определенные значения
энергии (энергетические состояния).
Е нуклонов – определяет Е ядра.
Состояние ядра с минимальной энергией – основное.
Остальные состояния ядра – возбужденные, с
определенной энергией возбуждения.

7.

Евозбудж., кэВ
2085 кэВ
4+
2000
E 1=1238 кэВ
1000
847 кэВ
2+
E 2=847 кэВ
0+
56
26Fe30
1 эВ = 1,6 10-19 Дж, 1 кэВ = 103 еВ, 1 МеВ = 106 эВ.
Один электронвольт - равен энергии, необходимой для переноса
элементарного заряда (е-) в электростатическом поле между точками с
разницей потенциалов в 1 Вольт.
Способность одних ядер (или их возбужденных
состояний) самопроизвольно превращаться в другие или
те же самые с меньшей энергией, при этом излучая
частицы, называется радиоактивным распадом

8.

Энергия связи ядра
Для разделения ядра на отдельные нуклоны
необходимо затратить определенную энергию.
Условие стабильности ядра:
Еядра < Eнейтронов и протонов
Принцип эквивалентности: E = mc2
Мядра (А =n+p, Z=p) < Mнуклонов (Z, (A-Z))
Дефект масс:
ΔM = (Z·Mпротона + (A-Z)·Мнейтрона ) – Мядра (A,Z)

9.

Энергия связи ядра
W Zmp A Z mn M A, Z c
2
Удельная
энергия связи:
W
A
Енергія зв’язку
на нуклон, В/А
Устойчивость
ядер:
Масове число, А
(A-Z)/Z = n/p

10.

Виды радиоактивного излучения
1.Гамма-излучение – поток электромагнитных волн
Переход ядра из одного возбужденного состояния в другое, с
меньшей энергией.
Тип электромагнитного излучения с длиной волны — менее
2·10−10 м (энергия от нескольких кэВ – до МэВ)
Энергия гамма-кванта:
0
7/2+
E Eп Eк
137 Cs
55 82
T1/2 = 30,17 лет
Е, (кэВ)
І, %
1
1176
5,6
2
514
94,4
661,6
85,5
2
1
661,6
11/2-
0
3/2-
137 Ba
56
81
γ

11.

Гамма-излучение открыто Полем Вилларом в
1900 году при исследовании излучения радия
Гамма-кванты не имеют заряда и поэтому не
отклоняются электрическими и магнитными полями и
характеризуются большей проникающей способностью в
веществе, чем альфа- и бета-частицы при равных
энергиях.

12.

2. Бета-распад
n p e ~
а) --распад
M A, Z c M A, Z 1 c me c
2
2
Temax Eп Eк
0+
90 Sr –> 90 Y –> 90 Zr
38
39
40
0
1
90
38Sr
T1/2 = 28,8 лет
3290
Е, (кэВ) І, %
1
2
546
2288
100
100
2
0
2
39Y
T1/2 = 64 часа
0+
90
40Zr
Спектр е- при Бета-распаде –
непрерывный( е- - разные значения энергии)

13.

б)
+-распад
M A, Z c M A, Z 1 c me c
2
2
2
p n e v
в) Процесс электронного захвата
p e n
22Na + e- -> 22Ne + ν
Энергия бета-распада распределяется
антинейтрино (либо позитроном и нейтрино)
между
электроном
и
Нейтрино - длина свободного пробега порядка 1018 м (около 100 св. лет). Каждую
секунду через на Земле через площадь в 1 см² проходит около 6×1010 нейтрино.
НОБЕЛЕВСКАЯ ПРЕМИЯ 2015 г - за открытие нейтринных осцилляций

14.

Энергии бета-частиц распределены непрерывно от нуля
до некоторой максимальной энергии.
Максимальная энергия лежит в диапазоне от 2,5 кэВ (для
рения-187) до десятков МэВ (для короткоживущих ядер).
Слой любого вещества с поверхностной плотностью
порядка 1 г/см2 (например, несколько миллиметров
алюминия или несколько метров воздуха) практически
полностью поглощает бета-частицы с энергией около
1 МэВ.

15.

3) Альфа-распад
M A, Z c M A 4, Z 2 c M He c
2
2
0+
0
3
238 Pu
94
T1/2 = 87,74 лет
Е, (кэВ) І, %
1
5499,21 71,5
2
5456,5
28,4
3
5358,3
0,115
1
43,49
3,8 10-2
2
99,86
0,8 10-2
3
152,72
1,1 10-3
2
296,06
1
143,3
4
43,49 2
6+
3
1
234 U
92
4+
2+
0+
4
2
2

16.

Альфа-частицы, образованные при распаде ядра, имеют
начальную энергию в диапазоне 1,8—15 МэВ
Пробеги альфа-частиц в некоторых средах
Энергия αчастиц,
МэВ
4
6
8
10
Воздух, см
2,5
4,6
7,4
10,6
Биологичес
кая ткань,
мкм
31
56
96
130
Алюминий,
мкм
16
30
48
69

17.

Классификация некоторых радионуклидов
по степени радиационной опасности
Группа
Степень
радиотоксичности
МЗА, мкКи
Радионуклиды
210Po,
А
Б
В
Г
Очень высокая
Высокая
Средняя
Малая
0,1
1
226Ra,
232U,
238Pu, 239Pu, 210Pb
90Sr, 131I, 224Ra, 235U
32P, 35Ca, 89Sr, 137Cs,
10
100
24Na, 42K, 60Co
3H, 14C, 55Fe, 69Zn,
131-136Cs

18.

Закон радиоактивного распада.
Период полураспада.
dN t N t dt
N t N0 exp t t0
λ – постоянная распада (определяет вероятность распада)
1
T1 2
t t0 T1 2
N0 N0 e
2
Период полураспада- интервал времени, на протяжении
которого к-во радиоактивных ядер уменшается в 2 раза
1
exp T1 2
2
ln 2 0,69
T1 2
ln2 T1 2
ln 2
T1 2

19.

Закон радиоактивного распада
N N0 e
ln2
t
T1 /2
Активность радионуклида – это количество радиоактивных
распадов за 1 сек.(1 Бк = 1 расп/с)
dN t 0,69
A t
N t
dt
T1 2
Радионуклид
238U
234U
210Bi
210Tl
Период
полураспада
4,5·109 лет
2,48·105 лет
4,97 дня
1,32 минуты
4,84·10−18с−1
8,17·10−14с−1
1,61·10−6с−1
8,75·10−3с−1
T1/2
Постоянная
распада λ

20.

Если: радионуклид имеет N1 ядер с λ1 , а
дочерний продукт - N2 ядер с λ2
при (T1/2)1 >> (T1/2)2
1N1 2 N 2 - секулярное уравнение

21.

Единицы измерения радиоактивности.
Активность: 1 Беккерель: (Бк) – 1 распад за сек.
1 Кюри (Ки) = 3,7 х 1010 Бк (внесистемная),
1Бк = 2,7 х 10-11 Ки (системная),
Плотность поверхностного загрязнения:
Бк/м2, Ки/км2
1 Ки/км2 = 37 000 Бк/м2 (внесистемная),
1 Бк/м2 = 2,7 х 10-5 Ки/км2 (системная)
Концентрации активности: Бк/м2, Бк/м3, Бк/л, Бк/кг

22.

Единицы измерения в дозиметрии
Экспозиционная доза (Dэксп), Кл/кг (Рентген)
1 Кл/кг = 3880 Р;
1 Р = 2,58 х 10-4 Кл/кг
(системная)
(внесистемная)
При дозе1 Р – в 1 см3 сухого воздуха образуются 2,08 млрд пар ионов
Дозы облучения
Поглощенная доза (Dпогл): Грей (Гр)
D = E/m
||| 1 Гр = 1 Дж/кг
1 Гр = 100 рад,
1 рад = 0,01 Гр
(системная)
(внесистемная)
для билогической ткани
1 Р ≈ 1 рад (Dэксп = 0,93 Dпогл )

23.

Эквивалентная доза:
Относительная биолог. эффективность облучения – сравнение
различных видов ИИ за их биолог. действием.
Dэкв = Dпогл x WR, Зиверт (Зв)
1 Зв = 100 бэр,
1 бэр = 0,01 Зв
(системная)
(внесистемная)
WR – радиационный взвешивающий фактор
Вид излучения и диапазон энергии
Фотоны (гамма), все энергии
Протоны з энергией > 2 МэВ
Низкоэнергетические нейтроны
Альфа-частицы
Dэкв = D1 x WR1 + D2 x WR2
WR
1
5
10
20

24.

Эффективная эквивалентная доза:
Дозы облучения различных органов или участков тела не одинаковы.
Dеф.экв = Dэкв x WТ = Dпогл x WR x WТ , Зв
WТ – тканевой взвешивающий фактор
Ткань или орган
WT
Гонады (половые органы)
0.20
Красный костный мозг (ККМ)
0.12
Печень
0,05
Щитовидная железа
0,05
Кожа
0.01
Dэф.экв = Dэкв1 x WТ1 + Dэкв2 x WТ2

25.

Каждый
житель
Украины
ежегодно
получает
эффективную эквивалентную дозу в среднем
4,75 мЗв:
- космическое излучение - 0,5 мЗв,
-природные натуральные источники - 2,25 мЗв,
-искусственные источники - 0,2 мЗв,
-медицинские источники - 1,8 мЗв.
При рентгенографии пальцев человек
получает местное разовое облучение 0,6 мЗв;
черепа - 8-60 мЗв;
зубов - 30-50 мЗв;
позвоночника - 16-147 мЗв; при
рентгеноскопии грудной клетки - 47-195 мЗв;
при рентгеноскопии желудка - до 300 мЗв;
при флюорографии легких - 2-5 мЗв.

26.

Дози, при яких 50% опромінених гине впродовж 30 діб
Біологічний об’єкт
Рослини
Найпростіші
Молюски
Змії
Комахи
Риби, птахи
Миші
Пацюки
Мавпи
Людина
Морські свинки
Собаки
Кози
Віслюки
Вівці
Доза опромінення, Зв
10-1500
1000
200
80-200
10-100
8-20
6-15
7-9
2,5-6
4
4
2,4-4
3,5
3
2

27.

28.

Величина
СИ
Внесист.
Соотношение
Активность
Беккерель
(Бк, Bq)
Кюри (Ки, Кі, 1Бк = 1расп/с
Сі)
1 Бк = 2,703 х 10-11 Ки
1 Ки = 3,7 х 1010 Бк (расп/с)
Экспозиционная
доза
Кулон / кг
(Кл / кг)
Рентген (Р)
1 Кл / кг = 3880 Р
1 Р = 2,58 х 10-4 Кл/кг
Мощность
экспозиционной
дозы
Кулон / кг в
секунду
(Кл / кг·с)
Рентген в
секунду
(Р / с)
1 Кл / кг·с = 3880 Р/с
1 Р/с = 2,58 х 10-4 Кл/кг·с
Поглощенная
доза
Грей
(Гр)
Рад
(рад)
1 Гр = 1 Дж/кг = 100 рад
1 рад = 0,01 Гр
Мощность
поглощенной
дозы
Грей в
секунду
Гр / с
Рад в
секунду
Рад / с
1 Гр/с = 100 рад/с
1 рад/с = 0,01 Гр/с
Эквивалентная
доза
Зиверт
Зв
Бэр
Мощность
эквивалентной
дозы
Зиверт в
секунду
Зв / с
Бэр в
секунду
Бэр / с
1 Зв = 100 бэр
1 бэр = 0,01 Зв
1 Зв/с = 100 бэр/с
1 бэр / с = 0,01 Зв/с

29.

Лекція 2
ВЗАЄМОДІЯ ІОНІЗУЮЧОГО
ВИПРОМІНЮВАННЯ З РЕЧОВИНОЮ

30.

Ионизирующее
излучение
(ИИ)
потоки
электромагнитных волн или частиц вещества, которые
способны
при
взаимодействии
с
веществом
образовывать в нем положительные и отрицательные
ионы.
Взаимодействие ИИ в веществом сопровождается
возбуждением и/или инонизацией атомов и молекул, их
смещением, образованием дефектов в структуре
вещества,
расщеплением
молекул
на
атомы,
преобразованием нуклонов.
Прямое ИИ – потоки заряженных частиц (электроны,
позитроны, альфа-частицы, протоны).
Непрямое (косвенное) ИИ – гамма-кванты, нейтроны,
нейтральные мезоны.

31.

Взаимодействие ИИ с веществом возможно, когда
между ними существуют силы, которые определяют
характер взаимодействия:
Силы
Носители силы
Ядерные (близкодействие)
Протоны, нейтроны,
мезоны, нуклиды
Электромагнитные
(дальнодействие)
Электроны, позитроны,
гамма-кванты, заряженные
мезоны, нуклиды
Слабые
Бета-распад, нейтрино
Гравитационные
(дальнодействие)
объекты различных масс

32.

Частица
Заряд
в ед.
Масса
покоя
T
+е
од. mec2
с
Античастица
гамма-квант
0
0
-
-
Нейтрино
0
0
Антинейтрино
Электрон*
e-
-1
1
Позитрон
e+
--мезон
-
-1
207
10-6
+-мезон
+
Протон
p
+1
1836
Антипротон
Нейтрон
n
0
1839
103
Антинейтрон
p
n

33.

Электроны - элементарные частицы с массой
покоя 9,1 10-28 г. (или 0,511 МеВ) и зарядом
-1,6 10-19 Кл.
Гамма-кванты
–
высокочастотное
электромагнитное излучение (десятки кэВ – МэВ)
Рентгеновское излучение – гамма-кванты с
энергией от 1 кэВ до десятков кэВ
Тормозное излучение – электромагнитное
излучение, что образуется при торможении
заряженных частиц в электрическом поле ядер
2
(ускорители электронов):
2
I~z a

34.

Взаимодействие легких заряженных частиц
(электроны, позитроны) с веществом.
Удельные ионизационные потери энергии:
nd E= NZ
dx -~концентрация
z n v
z - заряд частицы,
электронов в веществе, v - скорость частицы.
2
2
Удельные радиационные потери энергии (кэВ/мкм):
d E dx ~ 4 n Z r0 ln 183 Z
2
dE dx rad ZE
,
dE dx ion 800
1 3
E E t
E МеВ .
0

35.

Взаимодействие тяжелых заряженных
частиц с веществом
(протоны, дейтроны, альфа-частицы, тяж. ионы)
Удельные ионизационные
излучения (кэВ/мкм):
потери
энергии
d E dx ~ z n m 2E
2
mp (или mn ) / mе = 1836 ->
ионизационные и радиационные потери энергии
намного выше, чем в легких заряженных частиц

36.

Взаимодействие гамма-излучения с веществом
dN = µ·N0·dx
µ = – (dN/dx )/ N0
µ - полный линейный
коеэффициент ослабления,
µ = µ (ρ, Z, Eγ) , 1/см
N(x) = No ·exp(– µx)

37.

Основные механизмы взаимодействия с веществом:
1) Фотоэффект
1 ~ Z 5 E 7 5
2) Некогерентное или комптоновское рассеивание
2 ~ Z E
3) Рождение электрон-позитронной пары (е-, е+ )
Eγ > 2mec2 + Eя
(
МэВ )
2 me c 1,022
2
з ~ Z 2 ln h m c 2
1 2 з

38.

39.

Взаимодействие нейтронов с веществом
(ядерные взаимодействия)
1) Радиационый захват (Еn < 500 кэВ):
2) Образование протонов (Еn = 500 кэВ - 10 МэВ):
(A,Z) + n = (A,Z-1) + p
3) Образование α-частиц (Еn =500 кэВ -10 МэВ):
(A,Z) + n = (A-3,Z-2) + α
4) Реакции деления (Еn 0,005-0,5 эВ, тепловые n):
(A,Z) + n = (A1,Z1) + (A2,Z2)