Атомне ядро
Відомо, що атомне ядро є невеликим утворенням, яке складається з нуклонів, до яких належать два типи елементарних частинок: протони й нейтрони. Протон має позитивний електричний заряд, рівний за величиною заряду електрона. Маса протона в 1840 раз перевищує масу електрона. Нейтрон майже на 0,1% більший, ніж протон, і не має електричного заряду.
Кожне ядро характеризується атомним числом (номером заряду) Z і масовим номером A. Z дорівнює кількості протонів і загальному числу нуклонів в атомному ядрі. Ядра, які мають одне й те саме атомне число, але різні масові числа, називаються ізотопами. Ізотопи елемента є майже ідентичними в хімічному відношенні.
В атомному ядрі діють три види сил:
(1) Сильні ядерні сили притягання, що діють на близькій відстані, неелектричні за своєю природою. Вони діють між нуклонами, утримуючи їх разом.
(2) Електричні сили, які менші за величиною, є силами відштовхування між зближеними протонами, але відіграють важливу роль.
(3) Слабкі взаємодії, які значно слабші, ніж ядерні та електромагнітні сили. Вони відповідальні за бета-розпад.
У природі існує понад 100 ізотопів природного походження й близько 300 штучно створених радіоактивних елементів. Але є найбільш нестійкі нукліди, які мають тенденцію до спонтанного руйнування.
Кожне ядро характеризується атомним числом (номером заряду) Z і масовим номером A. Z дорівнює кількості протонів і загальному числу нуклонів в атомному ядрі. Ядра, які мають одне й те саме атомне число, але різні масові числа, називаються ізотопами. Ізотопи елемента є майже ідентичними в хімічному відношенні.
В атомному ядрі діють три види сил:
(1) Сильні ядерні сили притягання, що діють на близькій відстані, неелектричні за своєю природою. Вони діють між нуклонами, утримуючи їх разом.
(2) Електричні сили, які менші за величиною, є силами відштовхування між зближеними протонами, але відіграють важливу роль.
(3) Слабкі взаємодії, які значно слабші, ніж ядерні та електромагнітні сили. Вони відповідальні за бета-розпад.
У природі існує понад 100 ізотопів природного походження й близько 300 штучно створених радіоактивних елементів. Але є найбільш нестійкі нукліди, які мають тенденцію до спонтанного руйнування.
Радіоактивність
Радіоактивність - спонтанний розпад (дезінтеграція) атомного ядра з випромінюванням субатомних частинок і електромагнітних променів. Це явище було виявлене в 1896 р. французьким фізиком Беккерелем. Він виявив, що уран випускає невидимі промені, які могли проходити крізь непрозорий контейнер і діяти на фотографічну пластинку. Невдовзі П'єр і Марія Кюрі виявили інші радіоактивні елементи: полоній і радій. Радіоактивність незабаром було визнано найбільш концентрованим джерелом енергії з тих, які були вже відомі.
Невдовзі було виявлено, що уранове випромінювання утворене трьома компонентами: α-, β- і γ-променями. Резерфорд і Содді показали, що радіоактивність є результатом розпаду атомного ядра. У процесі розпаду ядро одного хімічного елемента перетворюється на ядро іншого елемента. Існують два основні види спонтанного розпаду ядер.
α-розпад. Цей тип розпаду зазвичай спостерігається в важких нестійких ядрах. При цьому руйнується атомне ядро X ("материнське ядро"), утворюється α-частинка і нове ядро Y ("дочірнє ядро"). α-частинка є ядром гелію, що має два протони і два нейтрони:
ZXA → Z-2YA-4 + 2α4 ; 2α4 = 2He4
Таким чином, атомний номер дочірнього ядра зменшений на два, а масовий номер на чотири відносно материнського ядра. Кінетична енергія α-частинки дуже велика, і вона залишає материнське ядро з великою швидкістю.
При α - розпаді дочірнє ядро може переходити у збуджений стан. Електрони займають вищі енергетичні рівні, які нестійкі. Тому протягом короткого часу вони переміщуються на нижчий енергетичний рівень, і надлишок енергії випускається у формі γ-променів, які являють собою електромагнітні хвилі, або фотони. Вони повністю еквівалентні світловим хвилям і рентгенівським променям, що випускаються збудженими атомами, але мають більшу енергію. Довжина хвилі γ-променів коротша, ніж довжина хвилі рентгенівських променів:
ZXA → Z-2YA-4 + 2α4 +γ
β-розпад спостерігається в нестійких ізотопах легших ядер (гідроген, натрій, азот тощо). β -частинка випускається материнським ядром, і утворюється дочірнє ядро. Є три типи β-розпаду: електронний β- розпад, позитронний β- розпад і електронне захоплення.
a) електронний β-розпад: з материнського ядра утворюється електрон (-1β0-частинка). Атомний номер дочірнього ядра підвищується на одиницю порівняно з материнським ядром. Також утворюється антинейтрино – незаряджена частинка, що практично не має маси - v–:
ZXA → Z+1YA + -1β0 +v–
b) позитронний β- розпад: з материнського ядра випускаються позитрон (+1β-частинка) і нейтрино (v). Атомний номер дочірнього ядра зменшується на одиницю порівняно з материнським:
ZXA → Z-1YA + +1β0 +v
Позитрони - позитивно заряджені частинки з такою самою масою, як електрон. Вони є античастинками електронів.
Вважають, що всі елементарні частинки мають античастинки (антипротони, антинейтрони тощо). Згадане вище антинейтрино є античастинкою нейтрино. Коли якась частинка взаємодіє зі своєю античастинкою, вони взаємознищуються з утворенням γ-променів.
c) електронне захоплення. Один з атомних електронів взаємодіє з ядром (найчастіше з K-рівня, але може й з L-, M- рівнів) і захоплюється ним. У результаті протон ядра перетворюється на нейтрон:
ZXA + -1e0 = Z-1YA + v
Оскільки при цьому звільняються місця на внутрішніх оболонках і на них переходять електрони з вищих оболонок, то при цьому випромінюється характеристичне рентгенівське випромінювання.
В основі всіх типів розпадів лежать перетворення протона на нейтрон і нейтрона на протон. γ - промені випускаються в дочірніх ядрах при переході електронів з вищих енергетичних рівнів на нижчі.
Невдовзі було виявлено, що уранове випромінювання утворене трьома компонентами: α-, β- і γ-променями. Резерфорд і Содді показали, що радіоактивність є результатом розпаду атомного ядра. У процесі розпаду ядро одного хімічного елемента перетворюється на ядро іншого елемента. Існують два основні види спонтанного розпаду ядер.
α-розпад. Цей тип розпаду зазвичай спостерігається в важких нестійких ядрах. При цьому руйнується атомне ядро X ("материнське ядро"), утворюється α-частинка і нове ядро Y ("дочірнє ядро"). α-частинка є ядром гелію, що має два протони і два нейтрони:
ZXA → Z-2YA-4 + 2α4 ; 2α4 = 2He4
Таким чином, атомний номер дочірнього ядра зменшений на два, а масовий номер на чотири відносно материнського ядра. Кінетична енергія α-частинки дуже велика, і вона залишає материнське ядро з великою швидкістю.
При α - розпаді дочірнє ядро може переходити у збуджений стан. Електрони займають вищі енергетичні рівні, які нестійкі. Тому протягом короткого часу вони переміщуються на нижчий енергетичний рівень, і надлишок енергії випускається у формі γ-променів, які являють собою електромагнітні хвилі, або фотони. Вони повністю еквівалентні світловим хвилям і рентгенівським променям, що випускаються збудженими атомами, але мають більшу енергію. Довжина хвилі γ-променів коротша, ніж довжина хвилі рентгенівських променів:
ZXA → Z-2YA-4 + 2α4 +γ
β-розпад спостерігається в нестійких ізотопах легших ядер (гідроген, натрій, азот тощо). β -частинка випускається материнським ядром, і утворюється дочірнє ядро. Є три типи β-розпаду: електронний β- розпад, позитронний β- розпад і електронне захоплення.
a) електронний β-розпад: з материнського ядра утворюється електрон (-1β0-частинка). Атомний номер дочірнього ядра підвищується на одиницю порівняно з материнським ядром. Також утворюється антинейтрино – незаряджена частинка, що практично не має маси - v–:
ZXA → Z+1YA + -1β0 +v–
b) позитронний β- розпад: з материнського ядра випускаються позитрон (+1β-частинка) і нейтрино (v). Атомний номер дочірнього ядра зменшується на одиницю порівняно з материнським:
ZXA → Z-1YA + +1β0 +v
Позитрони - позитивно заряджені частинки з такою самою масою, як електрон. Вони є античастинками електронів.
Вважають, що всі елементарні частинки мають античастинки (антипротони, антинейтрони тощо). Згадане вище антинейтрино є античастинкою нейтрино. Коли якась частинка взаємодіє зі своєю античастинкою, вони взаємознищуються з утворенням γ-променів.
c) електронне захоплення. Один з атомних електронів взаємодіє з ядром (найчастіше з K-рівня, але може й з L-, M- рівнів) і захоплюється ним. У результаті протон ядра перетворюється на нейтрон:
ZXA + -1e0 = Z-1YA + v
Оскільки при цьому звільняються місця на внутрішніх оболонках і на них переходять електрони з вищих оболонок, то при цьому випромінюється характеристичне рентгенівське випромінювання.
В основі всіх типів розпадів лежать перетворення протона на нейтрон і нейтрона на протон. γ - промені випускаються в дочірніх ядрах при переході електронів з вищих енергетичних рівнів на нижчі.
Активність. Закон радіоактивного розпаду
Існують два види радіоактивності: природна і штучна. Природна радіоактивність відбувається спонтанно без будь-якого зовнішнього впливу. Вона є результатом нестабільності деяких ядер. Нестійкі ізотопи перетворюються на ізотопи інших хімічних елементів. Штучна радіоактивність є розпадом штучно одержаних ізотопів у результаті ядерних реакцій.
Активність - показник дезінтеграції радіоактивних елементів, або показник зменшення кількості радіоактивних ядер у процесі їх розпаду. Одиницею вимірювання є бекерель (Бк). Один 1Бк дорівнює одному розпаду за секунду. Іноді застосовують іншу одиницю вимірювання - кюрі (Кі). 1Кюрі становить 3,7*1010 розпадів за секунду. Наприклад, активність 1г радію становить 3,7*1010 Бк, або 1Кі.
Ядерний розпад є ймовірнісним процесом. Неможливо точно передбачити, коли зруйнується дане ядро. Але кількість ядер постійно зменшується. Зміна dN числа ядер від початкового числа N0, що відбувається протягом короткого часу dt, пропорційна N0 і λ:
dN/dt = -λ·N0 (1)
Знак мінус вказує на те, що N0 зменшується, і dN від'ємне. Стала λ залежить від типу ядер і називається сталою радіоактивного розпаду. Розв'язком рівняння (1) є функція
N = N0·e -λt
Ця функція означає, що якщо в момент часу t = 0 є N0 ядер, то через час t число ядер, що залишилися, буде N. Ця функція називається експоненціальною формулою розпаду.
Зручно характеризувати ядерний розпад періодом напіврозпаду. Період напіврозпаду – це час, необхідний для розпаду половини початкових ядер. Різні радіоактивні ядра мають період напіврозпаду в широкому діапазоні (наприклад, від 4,5 мільярда років для урану до 10-4 с для одного з ізотопів радію).
Активність - показник дезінтеграції радіоактивних елементів, або показник зменшення кількості радіоактивних ядер у процесі їх розпаду. Одиницею вимірювання є бекерель (Бк). Один 1Бк дорівнює одному розпаду за секунду. Іноді застосовують іншу одиницю вимірювання - кюрі (Кі). 1Кюрі становить 3,7*1010 розпадів за секунду. Наприклад, активність 1г радію становить 3,7*1010 Бк, або 1Кі.
Ядерний розпад є ймовірнісним процесом. Неможливо точно передбачити, коли зруйнується дане ядро. Але кількість ядер постійно зменшується. Зміна dN числа ядер від початкового числа N0, що відбувається протягом короткого часу dt, пропорційна N0 і λ:
dN/dt = -λ·N0 (1)
Знак мінус вказує на те, що N0 зменшується, і dN від'ємне. Стала λ залежить від типу ядер і називається сталою радіоактивного розпаду. Розв'язком рівняння (1) є функція
N = N0·e -λt
Ця функція означає, що якщо в момент часу t = 0 є N0 ядер, то через час t число ядер, що залишилися, буде N. Ця функція називається експоненціальною формулою розпаду.
Зручно характеризувати ядерний розпад періодом напіврозпаду. Період напіврозпаду – це час, необхідний для розпаду половини початкових ядер. Різні радіоактивні ядра мають період напіврозпаду в широкому діапазоні (наприклад, від 4,5 мільярда років для урану до 10-4 с для одного з ізотопів радію).
Іонізуючі випромінювання
Радіоактивний розпад ядер призводить до утворення кількох типів іонізуючих випромінювань. Таке випромінювання, проходячи крізь речовини, іонізує їхні атоми та молекули, тобто перетворює їх на електрично заряджені частинки - іони. Термін "іонізуючі випромінювання" включає не лише радіоактивні випромінювання, а й рентгенівські промені.
Усі види іонізуючих випромінювань можна поділити на два типи: (1) атомне випромінювання:α -частинки, β-частинки (електрони й позитрони), протони, нейтрони тощо; і (2) хвильове випромінювання - γ-промені та рентгенівські промені.
Взаємодія іонізуючих випромінювань з речовиною
α - частинки залишають материнські ядра з великою швидкістю. При проходженні крізь речовину їхній рух сповільнюється і припиняється через взаємодію з електронами атомів речовини.β - частинки і протони зазнають також частих зіткнень з атомними електронами. Вони передають електронам певну енергію, а також діють на електрони електричним полем. У результаті радіоактивні частинки збуджують та іонізують атоми речовини. При одиничному зіткненні α-частинка передає лише невелику частину своєї енергії. Поки частинка зупиниться, відбувається багато зіткнень. У результаті в речовині залишається слід, який складається з кількох десятків тисяч іонів. При зменшенні кінетичної енергії радіоактивної частинки вона набуває двох електронів і стає нейтральним атомом гелію.
Оскільки α-частинка набагато більша, ніж електрон, вона практично не відхиляється при зіткненнях, і її шлях являє собою майже пряму лінію. Цей шлях α-частинок і протонів у речовині дуже короткий. Середній діапазон пройденої до зупинки відстані змінюється обернено пропорційно густині середовища. Проникна здатність α-частинок невелика. Вони проходять лише близько 4см у повітрі й не проникають крізь аркуш паперу та верхні шари клітин шкіри людини.
β-частинки. Електрони й позитрони вилітають з материнських ядер зі значно більшими швидкостями, ніж α- частинки. Однак, на відміну від α-частинок, швидкості α-частинок значно різняться. α-частинки проникають набагато глибше в речовину. Вони також вступають у конкуренцію з електронами атомів середовища і втрачають енергію, головним чином, збуджуючи та іонізуючи атоми. Кінетична енергія електрона значно менша, ніж у α-частинки. Її величини достатньо, щоб іонізувати лише кілька десятків атомів. Через невелику масу, β-частинки сильно відхиляються при кожному зіткненні з електронами атомів речовини. Отже, електрони поширюються в речовині не по прямій лінії, а довільно. Діапазон пробігу електронів у повітрі становить кілька десятків сантиметрів. Їх можуть зупинити кілька сантиметрів дерева.
Діапазон пробігу позитронів є приблизно таким самим, як і в електронів. Зрештою позитрон сповільнюється і, взаємодіючи з електроном, знищується з випусканням γ-променів.
γ- промені іонізують речовину, втрачаючи енергію, передаючи її електронам атомів речовини. Вони мають широкий діапазон довжин пробігу в речовині і можуть пройти навіть крізь тіло людини. Для захисту від γ-променів, залежно від їхньої енергії, потрібен товстий екран, зроблений з важкої речовини, наприклад, зі свинцю. γ-промені передають енергію електронам у ході трьох процесів:
a). Фотоелектричний ефект проявляється, якщо γ-промені мають порівняно невелику енергію, а також при взаємодії з речовиною рентгенівських променів. Фотон γ-променя поглинається атомом, у результаті чого звільняється електрон. Цей процес найімовірніший для атомів з великими зарядовими числами.
б). Якщо енергія фотонів γ-променів більша, ніж енергія іонізації атомів речовини, то домінує ефект Комптона. Фотон передає певну (але не всю) енергію електрону атома і може іонізувати ще деяке число атомів.
c). Утворення пари електрон-позитрон. Якщо енергія γ-фотона більша, ніж у вищевказаних процесах, вона поглинається атомним ядром, і утворюється пара частинок (електрон і позитрон).
Імовірність поглинання γ-променів зменшується при зростанні їхньої енергії, оскільки при збільшенні енергії γ-променів вони стають більш проникними.
Усі види іонізуючих випромінювань можна поділити на два типи: (1) атомне випромінювання:α -частинки, β-частинки (електрони й позитрони), протони, нейтрони тощо; і (2) хвильове випромінювання - γ-промені та рентгенівські промені.
Взаємодія іонізуючих випромінювань з речовиною
α - частинки залишають материнські ядра з великою швидкістю. При проходженні крізь речовину їхній рух сповільнюється і припиняється через взаємодію з електронами атомів речовини.β - частинки і протони зазнають також частих зіткнень з атомними електронами. Вони передають електронам певну енергію, а також діють на електрони електричним полем. У результаті радіоактивні частинки збуджують та іонізують атоми речовини. При одиничному зіткненні α-частинка передає лише невелику частину своєї енергії. Поки частинка зупиниться, відбувається багато зіткнень. У результаті в речовині залишається слід, який складається з кількох десятків тисяч іонів. При зменшенні кінетичної енергії радіоактивної частинки вона набуває двох електронів і стає нейтральним атомом гелію.
Оскільки α-частинка набагато більша, ніж електрон, вона практично не відхиляється при зіткненнях, і її шлях являє собою майже пряму лінію. Цей шлях α-частинок і протонів у речовині дуже короткий. Середній діапазон пройденої до зупинки відстані змінюється обернено пропорційно густині середовища. Проникна здатність α-частинок невелика. Вони проходять лише близько 4см у повітрі й не проникають крізь аркуш паперу та верхні шари клітин шкіри людини.
β-частинки. Електрони й позитрони вилітають з материнських ядер зі значно більшими швидкостями, ніж α- частинки. Однак, на відміну від α-частинок, швидкості α-частинок значно різняться. α-частинки проникають набагато глибше в речовину. Вони також вступають у конкуренцію з електронами атомів середовища і втрачають енергію, головним чином, збуджуючи та іонізуючи атоми. Кінетична енергія електрона значно менша, ніж у α-частинки. Її величини достатньо, щоб іонізувати лише кілька десятків атомів. Через невелику масу, β-частинки сильно відхиляються при кожному зіткненні з електронами атомів речовини. Отже, електрони поширюються в речовині не по прямій лінії, а довільно. Діапазон пробігу електронів у повітрі становить кілька десятків сантиметрів. Їх можуть зупинити кілька сантиметрів дерева.
Діапазон пробігу позитронів є приблизно таким самим, як і в електронів. Зрештою позитрон сповільнюється і, взаємодіючи з електроном, знищується з випусканням γ-променів.
γ- промені іонізують речовину, втрачаючи енергію, передаючи її електронам атомів речовини. Вони мають широкий діапазон довжин пробігу в речовині і можуть пройти навіть крізь тіло людини. Для захисту від γ-променів, залежно від їхньої енергії, потрібен товстий екран, зроблений з важкої речовини, наприклад, зі свинцю. γ-промені передають енергію електронам у ході трьох процесів:
a). Фотоелектричний ефект проявляється, якщо γ-промені мають порівняно невелику енергію, а також при взаємодії з речовиною рентгенівських променів. Фотон γ-променя поглинається атомом, у результаті чого звільняється електрон. Цей процес найімовірніший для атомів з великими зарядовими числами.
б). Якщо енергія фотонів γ-променів більша, ніж енергія іонізації атомів речовини, то домінує ефект Комптона. Фотон передає певну (але не всю) енергію електрону атома і може іонізувати ще деяке число атомів.
c). Утворення пари електрон-позитрон. Якщо енергія γ-фотона більша, ніж у вищевказаних процесах, вона поглинається атомним ядром, і утворюється пара частинок (електрон і позитрон).
Імовірність поглинання γ-променів зменшується при зростанні їхньої енергії, оскільки при збільшенні енергії γ-променів вони стають більш проникними.
Нейтрони
Нейтрони є незарядженими частинками і спричиняють іонізацію опосередковано, взаємодіючи спочатку з атомними ядрами, а не з електронами. Вони мають широкий діапазон довжини пробігу в речовині. Нейтрони містяться в ядрах усіх атомів, крім водню. Вільні нейтрони одержують у ядерних реакціях. Вони вилітають з атомного ядра з різними швидкостями та енергією. Нейтрони сповільнюються при зіткненнях з ядрами атомів речовини, при цьому відбувається передача енергії. Збуджене ядро речовини випускає протон і γ-промені. Коли енергія нейтрона зменшується, він захоплюється атомним ядром.
Виявлення та вимірювання випромінювань
Існує багато типів приладів, які використовуються для виявлення іонізуючих випромінювань. Найчастіше застосовують лічильники, які є дуже чутливими детекторами α-частинок, але менше - для γ -променів. Типовий лічильник являє собою циліндр з металу, стінки якого використовуються як анод. Тонкий дріт уздовж осі циліндра править за катод. Циліндр заповнений інертним газом аргоном.
Якщо аргон перебуває в молекулярному стані, між анодом і катодом електричний струм не проходить. Під дією випромінювань відбувається іонізація атомів аргону і проходить короткочасний електричний струм. Якщо напруга між анодом і катодом достатньо велика, кожен електрон, утворений дією на газ випромінювання, виробляє кілька другорядних електронів, які, у свою чергу, виробляють інші. У результаті електричні імпульси підсилюються і можуть бути візуалізовані або записані. Такий детектор називається лічильником Гайгера-Мюллера. Він компактний і зручний у використанні.
Є також інші типи лічильників випромінювання, наприклад - сцинтиляційний лічильник. Такі лічильники мають порівняно високу ефективність виявлення випромінювання. Вони найширше використовуються у розв'язанні біомедичних задач. Сцинтиляційний лічильник складається з кристала, який іскриться, тобто видає спалахи видимого світла, коли на його атоми потрапляє іонізуюче випромінювання.
Спалахи світла рахують за допомогою фотоелектричного помножувача чутливого пристрою. Фотони видимого світла, входячи в цей пристрій, викликають у ньому генерування електричних імпульсів, які піддаються дуже сильному підсиленню. Загальне число імпульсів пропорційне сумарному випромінюванню. Сцинтиляційні лічильники не тільки вимірюють інтенсивність випромінювання, а й допомагають також ідентифікувати його природу.
Якщо аргон перебуває в молекулярному стані, між анодом і катодом електричний струм не проходить. Під дією випромінювань відбувається іонізація атомів аргону і проходить короткочасний електричний струм. Якщо напруга між анодом і катодом достатньо велика, кожен електрон, утворений дією на газ випромінювання, виробляє кілька другорядних електронів, які, у свою чергу, виробляють інші. У результаті електричні імпульси підсилюються і можуть бути візуалізовані або записані. Такий детектор називається лічильником Гайгера-Мюллера. Він компактний і зручний у використанні.
Є також інші типи лічильників випромінювання, наприклад - сцинтиляційний лічильник. Такі лічильники мають порівняно високу ефективність виявлення випромінювання. Вони найширше використовуються у розв'язанні біомедичних задач. Сцинтиляційний лічильник складається з кристала, який іскриться, тобто видає спалахи видимого світла, коли на його атоми потрапляє іонізуюче випромінювання.
Спалахи світла рахують за допомогою фотоелектричного помножувача чутливого пристрою. Фотони видимого світла, входячи в цей пристрій, викликають у ньому генерування електричних імпульсів, які піддаються дуже сильному підсиленню. Загальне число імпульсів пропорційне сумарному випромінюванню. Сцинтиляційні лічильники не тільки вимірюють інтенсивність випромінювання, а й допомагають також ідентифікувати його природу.