Получение радиоактивных изотопов и их применение

Подробности

Просмотров: 646

«Физика – 11 класс»

Излучения радиоактивных веществ оказывают очень сильное воздействие на все живые организмы.
Даже сравнительно слабое излучение, которое при полном поглощении повышает температуру тела лишь на 0,001 °С, нарушает жизнедеятельность клеток.

Живая клетка — это сложный механизм, не способный продолжать нормальную деятельность даже при малых повреждениях отдельных его участков.
Между тем и слабые излучения способны нанести клеткам существенные повреждения и вызвать опасные заболевания (лучевая болезнь).

При большой интенсивности излучения живые организмы погибают.
Опасность излучений усугубляется тем, что они не вызывают никаких болевых ощущений даже при смертельных дозах.

Механизм биологического действия излучения, поражающего объекты, еще недостаточно изучен.
Но ясно, что оно сводится к ионизации атомов и молекул и это приводит к изменению их химической активности.
Наиболее чувствительны к излучениям ядра клеток, особенно клеток, которые быстро делятся.
Поэтому в первую очередь излучения поражают костный мозг, из-за чего нарушается процесс образования крови.
Далее наступает поражение клеток пищеварительного тракта и других органов.

Сильное влияние оказывает облучение на наследственность, поражая гены в хромосомах.
В большинстве случаев это влияние является неблагоприятным.

Облучение живых организмов может оказывать и определенную пользу.
Быстроразмножающиеся клетки в злокачественных (раковых) опухолях более чувствительны к облучению, чем нормальные.
На этом основано подавление раковой опухоли γ-лучами радиоактивных препаратов, которые для этой цели более эффективны, чем рентгеновские лучи.

Доза излучения

Воздействие излучений на живые организмы характеризуется дозой излучения.
Поглощенной дозой излучения называется отношение поглощенной энергии Е ионизирующего излучения к массе m облучаемого вещества:

В СИ поглощенную дозу излучения выражают в граях (сокращенно: Гр).

1 Гр равен поглощенной дозе излучения, при которой облученному веществу массой 1 кг передается энергия ионизирующего излучения 1 Дж:

Естественный фон радиации (космические лучи, радиоактивность окружающей среды и человеческого тела) составляет за год дозу излучения около 2 • 10^-3 Гр на человека.
Международная комиссия по радиационной защите установила для лиц, работающих с излучением, предельно допустимую за год дозу 0,05 Гр.
Доза излучения 3—10 Гр, полученная за короткое время, смертельна.

Рентген

На практике широко используется внесистемная единица экспозиционной дозы излучения — рентген (сокращенно: Р).
Эта единица является мерой ионизирующей способности рентгеновского и гамма-излучений.
Доза излучения равна одному рентгену (1 Р), если в 1 см³ сухого воздуха при температуре 0 °С и давлении 760 мм рт. ст. образуется столько ионов, что их суммарный заряд каждого знака в отдельности равен 3 • 10^-10 Кл.
При этом получается примерно 2 • 10⁹ пар ионов.
Число образующихся ионов связано с поглощаемой веществом энергией.
В практической дозиметрии можно считать 1 Р примерно эквивалентным поглощенной дозе излучения 0,01 Гр.

Характер воздействия излучения зависит не только от дозы поглощенного излучения, но и от его вида.
Различие биологического воздействия видов излучения характеризуется коэффициентом качества k.
За единицу принимается коэффициент качества рентгеновского и гамма-излучения.

Самое большое значение коэффициента качества у α-частиц (k = 20), α-лучи являются самыми опасными, так как вызывают самые большие разрушения живых клеток.

Для оценки действия излучения на живые организмы вводится специальная величина — эквивалентная доза поглощенного излучения.
Это произведение дозы поглощенного излучения на коэффициент качества:

Н = D • k.

Единица эквивалентной дозы –зиверт (Зв).

1 Зв — эквивалентная доза, при которой доза поглощенного гамма-излучения равна 1 Гр.

Максимальное значение эквивалентной дозы, после которого происходит поражение организма, выражающееся в нарушении деления клетки или образовании новых клеток, 0,5 Зв.

Среднее значение эквивалентной дозы поглощенного излучения за счет естественного радиационного фона (космические лучи, радиоактивные изотопы земной коры и т. д.) составляет 2 мЗв в год.

Защита организмов от излучения

При работе с любым источником радиации (радиоактивные изотопы, реакторы и др.) необходимо принимать меры по радиационной защите всех людей, могущих попасть в зону действия излучения.

Самый простой метод защиты — это удаление персонала от источника излучения на достаточно большое расстояние.
Даже без учета поглощения в воздухе интенсивность радиации убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от источника.
Поэтому ампулы с радиоактивными препаратами не следует брать руками.
Надо пользоваться специальными щипцами с длинной ручкой.

В тех случаях, когда удаление от источника излучения на достаточно большое расстояние невозможно, для защиты от излучения используют преграды из поглощающих материалов.

Наиболее сложна защита от γ-лучей и нейтронов из-за их большой проникающей способности.
Лучшим поглотителем γ-лучей является свинец.
Медленные нейтроны хорошо поглощаются бором и кадмием.
Быстрые нейтроны предварительно замедляются с помощью графита.

После аварии на Чернобыльской АЭС Международным агентством по атомной энергии (МАГАТЭ) по предложению нашей страны приняты рекомендации по дополнительным мерам безопасности энергетических реакторов.
Установлены более строгие регламенты работ персонала АЭС.

Авария на Чернобыльской АЭС показала огромную опасность радиоактивных излучений.
Все люди должны иметь представление об этой опасности и мерах защиты от нее.

Источник: «Физика – 11 класс», учебник Мякишев, Буховцев, Чаругин

Физика атомного ядра. Физика, учебник для 11 класса – Класс!ная физика

Методы наблюдения и регистрации элементарных частиц —
Открытие радиоактивности. Альфа-, бета- и гамма-излучения —
Радиоактивные превращения —
Закон радиоактивного распада. Период полураспада —
Открытие нейтрона —
Строение атомного ядра. Ядерные силы. Изотопы —
Энергия связи атомных ядер —
Ядерные реакции —
Деление ядер урана —
Цепные ядерные реакции —
Ядерный реактор —
Термоядерные реакции. Применение ядерной энергии —
Получение радиоактивных изотопов и их применение —
Биологическое действие радиоактивных излучений —
Краткие итоги главы —
Три этапа в развитии физики элементарных частиц —
Открытие позитрона. Античастицы

Подробности

Просмотров: 453

«Физика – 11 класс»

Здесь речь пойдет о частицах, которые нельзя разделить и из которых построена вся материя.
Что же такое элементарная частица?

Этап первый. От электрона до позитрона: 1897—1932 гг.

Когда греческий физик Демокрит назвал простейшие нерасчленимые далее частицы атомами (слово атом, напомним, означает «неделимый»), то ему, вероятно, все представлялось в принципе не очень сложным.
Различные предметы, растения, животные состоят из неделимых, неизменных частиц.
Превращения, наблюдаемые в мире, — это простая перестановка атомов.
Все в мире течет, все изменяется, кроме самих атомов, которые остаются неизменными.

Но в конце XIX в. было открыто сложное строение атомов и был выделен электрон как составная часть атома.
Затем, уже в XX в., были открыты протон и нейтрон — частицы, входящие в состав атомного ядра.
Поначалу на все эти частицы смотрели точно так, как Демокрит смотрел на атомы: их считали неделимыми и неизменными первоначальными сущностями, основными кирпичиками мироздания.

Этап второй. От позитрона до кварков: 1932—1964 гг.

Все элементарные частицы превращаются друг в друга.
Ситуация привлекательной ясности длилась недолго.
Все оказалось намного сложнее: как выяснилось, неизменных частиц нет совсем.
В самом слове элементарная заключается двоякий смысл.
С одной стороны, элементарный — это само собой разумеющийся, простейший.
С другой стороны, под элементарным понимается нечто фундаментальное, лежащее в основе вещей.
Именно в этом смысле сейчас и называют субатомные частицы элементарными).

Считать известные сейчас элементарные частицы подобными неизменным атомам Демокрита мешает следующий простой факт.
Ни одна из частиц не бессмертна.
Большинство частиц, называемых сейчас элементарными, не может прожить более двух миллионных долей секунды, даже в отсутствие какого-либо воздействия извне.
Свободный нейтрон (нейтрон, находящийся вне атомного ядра) живет в среднем 15 мин.

Лишь частицы фотон, электрон, протон и нейтрино сохраняли бы свою неизменность, если бы каждая из них была одна в целом мире (нейтрино лишено электрического заряда, и его масса покоя, по-видимому, равна нулю).

Но у электронов и протонов имеются опаснейшие собратья — позитроны и антипротоны, при столкновении с которыми происходит взаимное уничтожение этих частиц и образование новых.

Фотон, испущенный настольной лампой, живет не более 10^-8 с.
Это то время, которое ему нужно, чтобы достичь страницы книги и поглотиться бумагой.

Лишь нейтрино почти бессмертны, так как они чрезвычайно слабо взаимодействуют с другими частицами.
Однако и нейтрино гибнут при столкновении с другими частицами, хотя такие столкновения случаются крайне редко.

Итак, в вечном стремлении к отысканию неизменного в нашем изменчивом мире ученые оказались не на «гранитном основании», а на «зыбком песке».

Все элементарные частицы превращаются друг в друга, и эти взаимные превращения — главный факт их существования.

Превращения элементарных частиц ученые наблюдали при столкновениях частиц высоких энергий.
Представления о неизменности элементарных частиц оказались несостоятельными.
Но идея об их неразложимости сохранилась.
Элементарные частицы уже далее неделимы, но они неисчерпаемы по своим свойствам.
Вот что заставляет так думать.

Пусть у нас возникло естественное желание исследовать, состоит ли, например, электрон из каких-либо других субэлементарных частиц.
Что нужно сделать для того, чтобы попытаться расчленить электрон?
Можно придумать только один способ.
Это тот же способ, к которому прибегает ребенок, если он хочет узнать, что находится внутри пластмассовой игрушки, — сильный удар.

Разумеется, по электрону нельзя ударить молотком.
Для этого можно воспользоваться другим электроном, летящим с огромной скоростью, или какой-либо иной движущейся с большой скоростью элементарной частицей.
Современные ускорители сообщают заряженным частицам скорости, очень близкие к скорости света.

Что же происходит при столкновении частиц сверхвысокой энергии?
Они отнюдь не дробятся на нечто такое, что можно было бы назвать их составными частями.
Нет, они рождают новые частицы из числа тех, которые уже фигурируют в списке элементарных частиц.
Чем больше энергия сталкивающихся частиц, тем большее количество частиц рождается.
При этом возможно появление частиц с большей массой, чем сталкивающиеся частицы.
Главное, что надо отметить, – это то, что всегда выполняется закон сохранения энергии.

На рисунке виден результат столкновения ядра углерода, имевшего энергию 60 млрд эВ (жирная верхняя линия), с ядром серебра фотоэмульсии.
Ядро раскалывается на осколки, разлетающиеся в разные стороны.
Одновременно рождается много новых элементарных частиц — пионов.
Подобные реакции при столкновениях релятивистских ядер, полученных в ускорителе, впервые в мире осуществлены в лаборатории высоких энергий Объединенного института ядерных исследований в г. Дубне под руководством академика А. М. Балдина.
Лишенные электронной оболочки ядра были получены путем ионизации атомов углерода лазерным лучом.

Возможно, конечно, что при столкновениях частиц с недоступной пока нам энергией будут рождаться и какие-то новые, еще неизвестные частицы.
Но сути дела это не изменит.
Рождаемые при столкновениях новые частицы никак нельзя рассматривать как составные части частиц-«родителей».
Ведь «дочерние» частицы, если их ускорить, могут, не изменив своей природы, породить, в свою очередь, при столкновениях сразу несколько таких же в точности частиц, какими были их «родители», да еще и множество других частиц.

Итак, по современным представлениям, элементарные частицы — это первичные, неразложимые далее частицы, из которых построена вся материя.
Однако неделимость элементарных частиц не означает, что у них отсутствует внутренняя структура.

Этап третий. От гипотезы о кварках (1964 г.) до наших дней.

Большинство элементарных частиц имеет сложную структуру.
В 60-е гг. возникли сомнения в том, что все частицы, называемые сейчас элементарными, полностью оправдывают это название.
Основание для сомнений простое: этих частиц очень много.

Открытие новой элементарной частицы всегда составляло и сейчас составляет выдающийся триумф науки.
Но уже довольно давно к каждому очередному триумфу начала примешиваться доля беспокойства.
Триумфы стали следовать буквально друг за другом.

Была открыта группа так называемых странных частиц: K-мезонов и гиперонов с массами, превышающими массу нуклонов.
В 70-е гг. к ним прибавилась большая группа частиц с еще большими массами, названных очарованными.

Кроме того, были открыты короткоживущие частицы с временем жизни порядка 10-22—10-23 с.
Эти частицы были названы резонансами, и их число перевалило за двести.

Вот тогда-то (в 1964 г.) М. Гелл-Манном и Дж. Цвейгом была предложена модель, согласно которой все частицы, участвующие в сильных (ядерных) взаимодействиях, — адроны — построены из более фундаментальных (или первичных) частиц — кварков.

Кварки имеют дробный электрический заряд и
Протоны и нейтроны состоят из трех кварков.

В настоящее время в реальности кварков никто не сомневается, хотя в свободном состоянии они не обнаружены и, вероятно, не будут обнаружены никогда.
Существование кварков доказывают опыты по рассеянию электронов очень высокой энергии на протонах и нейтронах.
Число различных кварков равно шести.
Кварки, насколько сейчас известно, лишены внутренней структуры и в этом смысле могут считаться истинно элементарными.

Легкие частицы, не участвующие в сильных взаимодействиях, называются лептонами.
Их тоже шесть, как и кварков (электрон, три вида нейтрино и еще две частицы — мюон и тау-лептон с массами, значительно большими массы электрона).

Кварки и лептоны — истинно элементарные частицы.

Источник: «Физика – 11 класс», учебник Мякишев, Буховцев, Чаругин

Физика атомного ядра. Физика, учебник для 11 класса – Класс!ная физика

Методы наблюдения и регистрации элементарных частиц —
Открытие радиоактивности. Альфа-, бета- и гамма-излучения —
Радиоактивные превращения —
Закон радиоактивного распада. Период полураспада —
Открытие нейтрона —
Строение атомного ядра. Ядерные силы. Изотопы —
Энергия связи атомных ядер —
Ядерные реакции —
Деление ядер урана —
Цепные ядерные реакции —
Ядерный реактор —
Термоядерные реакции. Применение ядерной энергии —
Получение радиоактивных изотопов и их применение —
Биологическое действие радиоактивных излучений —
Краткие итоги главы —
Три этапа в развитии физики элементарных частиц —
Открытие позитрона. Античастицы

Подробности

Просмотров: 424

«Физика – 11 класс»

Существование двойника электрона — позитрона — было предсказано теоретически английским физиком П. Дираком в 1931 г.

Одновременно он предсказал, что при встрече позитрона с электроном обе частицы должны исчезнуть, породив фотоны большой энергии.
Может протекать и обратный процесс — рождение электронно-позитронной пары, например при столкновении фотона достаточно большой энергии (масса фотона должна быть больше суммы масс покоя рождающихся частиц) с ядром.

Спустя два года позитрон был обнаружен с помощью камеры Вильсона, помещенной в магнитное поле.
Направление искривления трека частицы указывало знак ее заряда.
По радиусу кривизны и энергии частицы было определено отношение ее заряда к массе.
Оно оказалось по модулю таким же, как и у электрона.

На рисунке – первая фотография, доказавшая существование позитрона.
Частица двигалась снизу вверх и, пройдя свинцовую пластинку, потеряла часть своей энергии.
Из-за этого кривизна траектории увеличилась.

На фотографии внизу показан процесс рождения пары электрон — позитрон γ-квантом в свинцовой пластинке.
В камере Вильсона, находящейся в магнитном поле, пара оставляет характерный след в виде двурогой вилки.

Исчезновение (аннигиляция) одних частиц и появление других при реакциях между элементарными частицами является именно превращением, а не просто возникновением новой комбинации составных частей старых частиц.
Особенно наглядно обнаруживается это при аннигиляции пары электрон — позитрон.
Обе частицы обладают определенной массой в состоянии покоя и электрическими зарядами.
Фотоны же, которые при этом рождаются, не имеют зарядов и не обладают массой покоя, так как не могут существовать в состоянии покоя.

В свое время открытие рождения и аннигиляции электронно-позитронных пар вызвало настоящую сенсацию в науке.
До того никто не предполагал, что электрон, старейшая из частиц, важнейший строительный материал атомов, может оказаться не вечным.
Впоследствии двойники — античастицы — были найдены у всех частиц.
Античастицы противопоставляются частицам именно потому, что при встрече любой частицы с соответствующей античастицей происходит их аннигиляция.
Обе частицы исчезают, превращаясь в кванты излучения или другие частицы.

Сравнительно недавно обнаружены антипротон и антинейтрон.
Электрический заряд антипротона отрицателен.

Сейчас хорошо известно, что рождение пары частица— античастица и их аннигиляция не составляют монополии электронов и позитронов.

Атомы, ядра которых состоят из антинуклонов, а оболочка — из позитронов, образуют антивещество.
В 1969 г. в нашей стране был впервые получен антигелий.

При аннигиляции антивещества с веществом энергия покоя превращается в кинетическую энергию образующихся γ-квантов.

Энергия покоя — самый грандиозный и концентрированный резервуар энергии во Вселенной.
И только при аннигиляции она полностью высвобождается, превращаясь в другие виды энергии.
Поэтому антивещество — самый совершенный источник энергии, самое калорийное «горючее».
В состоянии ли будет человечество когда-либо это «горючее» использовать, сейчас сказать трудно.

Можно надеяться, что недалеко то время, когда будет решена основная задача физики элементарных частиц и всей физики вообще.
Будет получен спектр масс элементарных частиц и будет выяснено, чем определяются значения электрического заряда и других констант взаимодействия.

Источник: «Физика – 11 класс», учебник Мякишев, Буховцев, Чаругин

Физика атомного ядра. Физика, учебник для 11 класса – Класс!ная физика

Методы наблюдения и регистрации элементарных частиц —
Открытие радиоактивности. Альфа-, бета- и гамма-излучения —
Радиоактивные превращения —
Закон радиоактивного распада. Период полураспада —
Открытие нейтрона —
Строение атомного ядра. Ядерные силы. Изотопы —
Энергия связи атомных ядер —
Ядерные реакции —
Деление ядер урана —
Цепные ядерные реакции —
Ядерный реактор —
Термоядерные реакции. Применение ядерной энергии —
Получение радиоактивных изотопов и их применение —
Биологическое действие радиоактивных излучений —
Краткие итоги главы —
Три этапа в развитии физики элементарных частиц —
Открытие позитрона. Античастицы

Подробности

Просмотров: 516

«Физика – 11 класс»

1.
В ядерной физике изучаются структура и превращения ядер.
Для регистрации и изучения столкновений и взаимных превращений атомных ядер и элементарных частиц используют специальные устройства.
К их числу относятся счетчик Гейгера, камера Вильсона, пузырьковая камера, фотоэмульсии.

2.
В конце XIX в. А. Беккерель открыл явление радиоактивности.
Радиоактивность — явление самопроизвольного превращения одних ядер в другие, сопровождающееся испусканием различных частиц.
Такие химические элементы, как уран, торий и др., самопроизвольно (без внешних воздействий) излучают α-, β- и γ-лучи.
Природа этих лучей различна: у-лучи — это электромагнитные волны малой длины волны (10^-10—10^-13 м), β-лучи — это поток электронов, а α-лучи представляют собой поток ядер атомов гелия.

3.
Э. Резерфорд установил, что радиоактивный распад есть самопроизвольное превращение атомных ядер, сопровождающееся испусканием различных частиц.
Согласно закону радиоактивного распада для каждого радиоактивного вещества существует определенный интервал времени, на протяжении которого его активность убывает в два раза.
Этот интервал времени называют периодом полураспада.
В зависимости от вещества период полураспада меняется в широких пределах: от миллиардов лет до долей секунды.

4.
Резерфорд впервые произвел искусственное превращение атомных ядер, бомбардируя их α-частицами, испускаемыми радиоактивными веществами.
Д. Чедвик с помощью подобных опытов открыл новую элементарную частицу — нейтрон.
Заряд нейтрона равен нулю, а масса примерно равна массе протона (лишь незначительно превышая ее).

5.
В. Гейзенберг и Д. Д. Иваненко предложили протонно-нейтронную модель атомного ядра.
Согласно этой модели ядро состоит из протонов и нейтронов.
Массовое число ядра А равно сумме числа протонов Z и числа нейтронов N:

А = Z N

6.
Ядра с одним и тем же числом протонов Z, но с разным числом нейтронов N называются изотопами.
Их химические свойства тождественны.

7.
Протоны и нейтроны удерживаются внутри ядра мощными короткодействующими силами.
Эти силы называются ядерными.

8.
Важнейшим для всей ядерной физики является понятие энергии связи.
Энергия связи Е_св равна той энергии, которую необходимо затратить, чтобы расщепить ядро на составляющие его нуклоны.
Энергия связи ядер в миллионы раз превышает энергию ионизации атомов.

9.
Изменения ядер при их взаимодействии друг с другом (или с элементарными частицами) называют ядерными реакциями.
При ядерных реакциях происходит выделение или поглощение энергии.

Большинство ядерных реакций наблюдается при столкновении ядер с заряженными элементарными частицами или легкими ядрами большой энергии.
Такую энергию они приобретают в ускорителях элементарных частиц или ионов.
Нейтроны не отталкиваются ядрами и поэтому могут вызывать ядерные реакции при небольших энергиях.

10.
Ядра урана, тория и других тяжелых элементов способны делиться под влиянием нейтронов.
При этом выделяется энергия порядка 200 МэВ.
При делении ядра испускается два-три нейтрона.
Это позволяет осуществить управляемую цепную реакцию в ядерных реакторах.
Неуправляемая реакция деления ядер используется в атомных бомбах.

11.
При столкновениях легкие ядра могут сливаться с выделением энергии.
Такие ядерные реакции могут проходить только при высоких температурах и поэтому называются термоядерными.
За счет термоядерных реакций Солнце и звезды выделяют энергию на протяжении миллиардов лет.
Осуществить управляемую термоядерную реакцию пока не удается.

12.
В нашей стране была построена первая в мире атомная электростанция.
Развивается строительство мощных атомных электростанций.
После аварии на Чернобыльской АЭС приняты дополнительные меры по безопасности атомных реакторов.

13.
Радиоактивные изотопы, получаемые с помощью ядерных реакторов и ускорителей частиц, находят применение в науке, медицине, сельском хозяйстве и промышленности.

14.
Радиоактивные излучения представляют большую опасность для живых организмов.
При работе с ними необходимо прибегать к специальным мерам защиты.

Источник: «Физика – 11 класс», учебник Мякишев, Буховцев, Чаругин

Физика атомного ядра. Физика, учебник для 11 класса – Класс!ная физика

Методы наблюдения и регистрации элементарных частиц —
Открытие радиоактивности. Альфа-, бета- и гамма-излучения —
Радиоактивные превращения —
Закон радиоактивного распада. Период полураспада —
Открытие нейтрона —
Строение атомного ядра. Ядерные силы. Изотопы —
Энергия связи атомных ядер —
Ядерные реакции —
Деление ядер урана —
Цепные ядерные реакции —
Ядерный реактор —
Термоядерные реакции. Применение ядерной энергии —
Получение радиоактивных изотопов и их применение —
Биологическое действие радиоактивных излучений —
Краткие итоги главы —
Три этапа в развитии физики элементарных частиц —
Открытие позитрона. Античастицы