Radioattività. Attività

Variazione del numero di nuclei radioattivi nel tempo. Rutherford e Soddy nel 1911, riassumendo i risultati sperimentali, mostrarono che gli atomi di alcuni elementi subiscono trasformazioni successive, formando famiglie radioattive, dove ciascun membro deriva dal precedente e, a sua volta, forma il successivo.

Ciò può essere convenientemente illustrato dalla formazione di radon dal radio. Se lo metti in un'ampolla sigillata, l'analisi del gas dopo alcuni giorni mostrerà che al suo interno sono presenti elio e radon. L'elio è stabile e quindi si accumula, mentre il radon decade da solo. Curva 1 in Fig. 29 caratterizza la legge del decadimento del radon in assenza di radio. In questo caso l'asse delle ordinate mostra il rapporto tra il numero dei nuclei di radon non decaduti e il loro numero iniziale, si vede che il contenuto diminuisce secondo una legge esponenziale. La curva 2 mostra come cambia il numero di nuclei di radon radioattivi in ​​presenza di radio.

Esperimenti condotti con sostanze radioattive hanno dimostrato che nessuna condizione esterna (riscaldamento ad alte temperature,

campi magnetici ed elettrici, alte pressioni) non possono influenzare la natura e la velocità di decadimento.

La radioattività è una proprietà del nucleo atomico e per un dato tipo di nuclei in un certo stato energetico, la probabilità di decadimento radioattivo per unità di tempo è costante.

Riso. 29. Dipendenza dal tempo del numero di nuclei di radon attivi

Poiché il processo di decadimento è spontaneo (spontaneo), la variazione del numero di nuclei dovuta al decadimento in un periodo di tempo è determinata solo dal numero di nuclei radioattivi al momento e in proporzione al periodo di tempo

dove è una costante che caratterizza la velocità di decadimento. Integrando la (37) e assumendo che otteniamo

cioè, il numero di core diminuisce in modo esponenziale.

Questa legge si riferisce a valori medi statistici ed è valida solo per un numero sufficientemente elevato di particelle. Il valore X è chiamato costante di decadimento radioattivo, ha una dimensione e caratterizza la probabilità del decadimento di un atomo in un secondo.

Per caratterizzare gli elementi radioattivi viene introdotto anche il concetto di tempo di dimezzamento, inteso come il tempo durante il quale decade la metà del numero di atomi disponibili. Sostituendo la condizione nell'equazione (38), otteniamo

da dove, prendendo i logaritmi, troviamo che

e emivita

Secondo la legge esponenziale del decadimento radioattivo, in qualsiasi momento esiste una probabilità diversa da zero di trovare nuclei che non sono ancora decaduti. La durata di questi nuclei supera

Al contrario, altri nuclei che erano decaduti in questo periodo vissero per tempi diversi, più brevi. La vita media per un dato isotopo radioattivo è determinata come

Avendo indicato otteniamo

Di conseguenza, la durata media di un nucleo radioattivo è uguale all'inverso della costante di decadimento R. Nel tempo, il numero iniziale di nuclei diminuisce di un fattore.

Per elaborare i risultati sperimentali è conveniente presentare l’equazione (38) in un’altra forma:

La quantità è chiamata attività di un dato farmaco radioattivo e determina il numero di decadimenti al secondo. L'attività è una caratteristica dell'intera sostanza in decomposizione e non di un singolo nucleo. L'unità pratica di attività è la curie. 1 curie è pari al numero di nuclei decaduti contenuti nel radio in 1 secondo di decadimenti/sec). Vengono utilizzate anche unità più piccole: millicurie e microcurie. Nella pratica degli esperimenti fisici, a volte viene utilizzata un'altra unità di attività: i decadimenti di Rutherford/sec.

Natura statistica del decadimento radioattivo. Il decadimento radioattivo è un fenomeno fondamentalmente statistico. Non possiamo dire esattamente quando un dato nucleo decade, ma possiamo solo indicare con quale probabilità decade in un dato periodo di tempo.

I nuclei radioattivi non “invecchiano” durante la loro esistenza. Per loro il concetto di età non si applica affatto, ma si può parlare solo del tempo medio della loro vita.

Dalla natura statistica della legge del decadimento radioattivo ne consegue che è rigorosamente osservata quando è grande, e quando è piccola si devono osservare fluttuazioni. Il numero di nuclei in decadimento per unità di tempo dovrebbe fluttuare attorno al valore medio, caratterizzato dalla legge di cui sopra. Ciò è confermato dalle misurazioni sperimentali del numero di particelle emesse da una sostanza radioattiva nell'unità di tempo.

Riso. 30. Dipendenza del logaritmo dell'attività dal tempo

Le fluttuazioni obbediscono alla legge di Poisson. Quando si effettuano misurazioni con farmaci radioattivi, è necessario tenerne sempre conto e determinare l'accuratezza statistica dei risultati sperimentali.

Determinazione della costante di decadimento X. Quando si determina la costante di decadimento X di un elemento radioattivo, l'esperimento si riduce alla registrazione del numero di particelle emesse dal preparato per unità di tempo, cioè viene determinata la sua attività, quindi viene tracciato un grafico dei cambiamenti di attività nel tempo, solitamente su scala semilogaritmica. Il tipo di dipendenze che si ottengono studiando un isotopo puro, una miscela di isotopi o una famiglia radioattiva risulta essere diverso.

Consideriamo alcuni casi come esempi.

1. Viene studiato un elemento radioattivo, il cui decadimento produce nuclei stabili. Prendendo il logaritmo dell'espressione (41), otteniamo

Pertanto, in questo caso il logaritmo dell'attività è una funzione lineare del tempo. Il grafico di questa dipendenza sembra una linea retta, la cui pendenza (Fig. 30)

2. Viene studiata una famiglia radioattiva in cui si verifica un'intera catena di trasformazioni radioattive. I nuclei risultanti dal decadimento, a loro volta, risultano essere radioattivi:

Un esempio di tale catena è il decadimento:

Troviamo la legge che descrive in questo caso la variazione del numero di atomi radioattivi nel tempo. Per semplicità individueremo solo due elementi: considerando A come quello iniziale e B come quello intermedio.

Quindi la variazione del numero di nuclei A e nuclei B sarà determinata dal sistema di equazioni

Il numero dei nuclei A diminuisce a causa del loro decadimento, il numero dei nuclei B diminuisce a causa del decadimento dei nuclei B e aumenta a causa del decadimento dei nuclei A.

Se ci sono nuclei A, ma non ci sono nuclei B, le condizioni iniziali verranno scritte nella forma

La soluzione delle equazioni (43) ha la forma

e l'attività totale della sorgente costituita dai nuclei A e B:

Consideriamo ora la dipendenza del logaritmo della radioattività dal tempo per diversi rapporti tra e

1. Il primo elemento è di breve durata, il secondo è di lunga durata, cioè . In questo caso, la curva che mostra la variazione dell’attività totale della sorgente ha la forma mostrata in Fig. 31, a. All'inizio l'andamento della curva è determinato principalmente da una rapida diminuzione del numero di nuclei attivi.Anche i nuclei B decadono, ma lentamente, e quindi il loro decadimento non influisce molto sulla pendenza della curva nella sezione. Successivamente, nella miscela di isotopi rimangono pochi nuclei di tipo A e la pendenza della curva è determinata dalla costante di decadimento. Se è necessario trovare e, viene trovata la pendenza della curva per un valore temporale elevato (nell'espressione (45), il primo termine esponenziale in questo caso può essere scartato). Per determinare il valore è necessario tenere conto anche dell'effetto del decadimento di un elemento longevo sulla pendenza della prima parte della curva. Per fare ciò, estrapolare la retta alla regione dei tempi piccoli e sottrarre in più punti l'attività determinata dall'elemento B dall'attività totale secondo i valori ottenuti

costruisci una retta per l'elemento A e trovala utilizzando l'angolo (in questo caso devi passare dai logaritmi agli antilogaritmi e viceversa).

Riso. 31. Dipendenza dal tempo del logaritmo dell'attività di una miscela di due sostanze radioattive: a - a a

2. Il primo elemento è di lunga durata, il secondo di breve durata: la dipendenza in questo caso ha la forma mostrata in Fig. 31, b. Inizialmente, l'attività del farmaco aumenta a causa dell'accumulo di nuclei B. Successivamente si verifica un equilibrio radioattivo, in cui il rapporto tra il numero di nuclei A e il numero di nuclei B diventa costante. Questo tipo di equilibrio è detto transitorio. Dopo qualche tempo, entrambe le sostanze iniziano a diminuire alla velocità di decadimento dell'elemento genitore.

3. Il tempo di dimezzamento del primo isotopo è molto più lungo del secondo (va notato che il tempo di dimezzamento di alcuni isotopi è misurato in milioni di anni). In questo caso, nel tempo, si stabilisce il cosiddetto equilibrio secolare, in cui il numero di nuclei di ciascun isotopo è proporzionale al tempo di dimezzamento di questo isotopo. Rapporto

Fu formulato dopo che Becquerel scoprì il fenomeno della radioattività nel 1896. Consiste nella transizione imprevedibile di un tipo di nuclei a un altro, mentre rilasciano diverse particelle di elementi. Il processo può essere naturale, quando si manifesta in isotopi esistenti in natura, e artificiale, nei casi in cui si ottengono nel nucleo che decade, è considerato la madre, e quello risultante è considerato la figlia. In altre parole, la legge fondamentale del decadimento radioattivo implica il processo naturale e casuale con cui un nucleo si trasforma in un altro.

La ricerca di Becquerel mostrò la presenza di radiazioni precedentemente sconosciute nei sali di uranio, che colpivano la lastra fotografica, riempivano l'aria di ioni e tendevano a passare attraverso sottili lastre metalliche. Gli esperimenti di M. e P. Curie con il radio e il polonio confermarono la conclusione sopra descritta e nella scienza apparve un nuovo concetto, chiamato dottrina

Questa teoria, che riflette la legge del decadimento radioattivo, si basa sul presupposto di un processo spontaneo che obbedisce alla statistica. Poiché i singoli nuclei decadono indipendentemente l'uno dall'altro, si ritiene che, in media, il numero di nuclei decaduti in un certo periodo di tempo sia proporzionale a quelli che non sono decaduti al termine del processo. Se segui la legge esponenziale, il numero di quest'ultimo diminuisce in modo significativo.

L'intensità del fenomeno è caratterizzata da due proprietà principali della radiazione: il cosiddetto tempo di dimezzamento e la durata media calcolata del nucleo radioattivo. Il primo oscilla tra milionesimi di secondo e miliardi di anni. Gli scienziati ritengono che tali nuclei non invecchiano e per loro non esiste il concetto di età.

La legge del decadimento radioattivo si basa sulle cosiddette regole di spostamento e queste, a loro volta, sono una conseguenza della teoria della conservazione e del numero di massa. È stato stabilito sperimentalmente che l'azione di un campo magnetico agisce in diversi modi: a) la deflessione dei raggi avviene come particelle cariche positivamente; b) come negativo; c) non mostrare alcuna reazione. Da ciò ne consegue che esistono tre tipi di radiazioni.

Esistono altrettante varietà del processo di decadimento stesso: con il rilascio di un elettrone; positrone; assorbimento di un elettrone da parte del nucleo. È stato dimostrato che i nuclei la cui struttura corrisponde al piombo subiscono un decadimento con l'emissione. La teoria venne chiamata decadimento alfa e fu formulata da G. nel 1928. La seconda tipologia fu formulata nel 1931 da E. Fermi. La sua ricerca ha dimostrato che invece degli elettroni, alcuni tipi di nuclei emettono particelle opposte: i positroni, e questo è sempre accompagnato dall'emissione di una particella con carica elettrica nulla e massa a riposo, un neurino. L'esempio più semplice di decadimento beta è la transizione di un neurone in un protone in un periodo di 12 minuti.

Queste teorie, che considerano le leggi del decadimento radioattivo, furono le principali fino al 1940 del XIX secolo, finché i fisici sovietici G.N. Flerov e K.A. Petrzhak ne scoprirono un altro tipo, durante il quale i nuclei di uranio si scindono spontaneamente in due particelle uguali. Nel 1960 fu prevista la radioattività di due protoni e due neutroni. Ma fino ad oggi questo tipo di decadimento non ha ricevuto conferma sperimentale e non è stato rilevato. È stata scoperta solo la radiazione protonica, in cui un protone viene espulso dal nucleo.

È abbastanza difficile affrontare tutti questi problemi, sebbene la stessa legge del decadimento radioattivo sia semplice. Non è facile comprenderne il significato fisico e, naturalmente, la presentazione di questa teoria va ben oltre i confini del curriculum di fisica come materia scolastica.

LAVORO DI LABORATORIO N. 19

STUDIARE LA LEGGE DEL DECADIMENTO RADIOATTIVO

E METODI DI PROTEZIONE CONTRO LE RADIAZIONI RADIOATTIVE

Obiettivo del lavoro : 1) studio della legge del decadimento radioattivo; 2) studio della legge di assorbimento dei raggi g e b da parte della materia.

Obiettivi di lavoro : 1) determinazione dei coefficienti di assorbimento lineare della radiazione radioattiva di vari materiali; 2) determinazione dello spessore dello strato di semiattenuazione di questi materiali; 3) determinazione del tempo di dimezzamento e della costante di decadimento di un elemento chimico.

Mezzi di sostegno : computer Windows.

PARTE TEORICA

introduzione

Composizione del nucleo atomico

Il nucleo di qualsiasi atomo è costituito da due tipi di particelle: protoni e neutroni. Un protone è il nucleo dell'atomo più semplice: l'idrogeno. Ha una carica positiva, pari in grandezza alla carica di un elettrone, e una massa di 1,67 × 10-27 kg. Il neutrone, la cui esistenza fu stabilita solo nel 1932 dall'inglese James Chadwick, è elettricamente neutro, e la sua massa è quasi uguale a quella del protone. Neutroni e protoni, che sono due elementi costitutivi del nucleo atomico, sono chiamati collettivamente nucleoni. Il numero di protoni in un nucleo (o nuclide) è chiamato numero atomico ed è indicato con la lettera Z. Il numero totale di nucleoni, cioè neutroni e protoni, indicati con la lettera A e chiamati numero di massa. Gli elementi chimici sono solitamente indicati con il simbolo o, dove X è il simbolo dell'elemento chimico.

Radioattività

Il fenomeno della radioattività consiste nella trasformazione spontanea (spontanea) dei nuclei di alcuni elementi chimici nei nuclei di altri elementi con emissione di radiazioni radioattive.

I nuclei che subiscono tale decadimento sono detti radioattivi. I nuclei che non subiscono decadimento radioattivo sono detti stabili. Durante il processo di decadimento possono cambiare sia il numero atomico Z che il numero di massa A del nucleo.

Le trasformazioni radioattive avvengono spontaneamente. La velocità del loro flusso non è influenzata dalle variazioni di temperatura e pressione, dalla presenza di campi elettrici e magnetici, dal tipo di composto chimico di un dato elemento radioattivo e dal suo stato di aggregazione.

Il decadimento radioattivo è caratterizzato dal momento in cui avviene, dal tipo e dall'energia delle particelle emesse, e quando più particelle fuoriescono dal nucleo, anche dagli angoli relativi tra le direzioni di emissione delle particelle. Storicamente la radioattività è il primo processo nucleare scoperto dall'uomo (A. Becquerel, 1896).

Viene fatta una distinzione tra radioattività naturale e artificiale.

La radioattività naturale si verifica in nuclei instabili che esistono in condizioni naturali. Artificiale è la radioattività dei nuclei formati a seguito di varie reazioni nucleari. Non esiste alcuna differenza fondamentale tra la radioattività artificiale e quella naturale. Hanno modelli comuni.

Quattro tipi principali di radioattività sono possibili e effettivamente osservati nei nuclei atomici: decadimento a, decadimento b, decadimento g e fissione spontanea.

Il fenomeno del decadimento a è che i nuclei pesanti emettono spontaneamente particelle a (nuclei di elio 2 H 4). In questo caso, il numero di massa del nucleo diminuisce di quattro unità e il numero atomico di due:

Z X A ® Z -2 Y A-4 + 2 H 4 .

La particella a è composta da quattro nucleoni: due neutroni e due protoni.

Durante il processo di decadimento radioattivo, un nucleo può emettere non solo le particelle che ne fanno parte, ma anche nuove particelle che nascono durante il processo di decadimento. Processi di questo tipo sono decadimenti b e g.

Il concetto di decadimento b combina tre tipi di trasformazioni nucleari: decadimento dell'elettrone (b -), decadimento del positrone (b +) e cattura degli elettroni.

Il fenomeno del decadimento b è che un nucleo emette spontaneamente un elettrone e - e la particella elettricamente neutra più leggera, antineutrino, passando in un nucleo con lo stesso numero di massa A, ma con numero atomico Z, ma maggiore di uno:

Z X A ® Z +1 Y A + e - + .

Va sottolineato che l'elettrone emesso durante il decadimento b non è correlato agli elettroni orbitali. Nasce all'interno del nucleo stesso: uno dei neutroni si trasforma in un protone e contemporaneamente emette un elettrone.

Un altro tipo di decadimento b è un processo in cui un nucleo emette un positrone e+ e un'altra particella elettricamente neutra più leggera, un neutrino n. In questo caso, uno dei protoni si trasforma in un neutrone:

Z X A ® Z -1 Y A + e + +n.

Questo decadimento è chiamato decadimento del positrone o b+.

La gamma dei fenomeni di decadimento b comprende anche la cattura elettronica (spesso chiamata anche cattura K), in cui il nucleo assorbe uno degli elettroni del guscio atomico (solitamente dal guscio K), emettendo un neutrino. In questo caso, come nel decadimento del positrone, uno dei protoni si trasforma in un neutrone:

e - + Z X A ® Z -1 Y A +n.

La radiazione G comprende onde elettromagnetiche, la cui lunghezza è significativamente inferiore alle distanze interatomiche:

dove d - è dell'ordine di 10 -8 cm Nell'immagine corpuscolare questa radiazione è un flusso di particelle chiamate g-quanti. Limite inferiore dell'energia g-quanta

E= 2ps/l

è dell'ordine delle decine di keV. Non esiste un limite superiore naturale. I moderni acceleratori producono quanti con energie fino a 20 GeV.

Il decadimento di un nucleo con l'emissione di radiazione g ricorda per molti versi l'emissione di fotoni da parte di atomi eccitati. Come un atomo, il nucleo può trovarsi in uno stato eccitato. Durante la transizione ad uno stato energetico inferiore, o stato fondamentale, il nucleo emette un fotone. Poiché la radiazione g non trasporta carica, durante il decadimento g non avviene alcuna trasformazione di un elemento chimico in un altro.

Legge fondamentale del decadimento radioattivo

Decadimento radioattivoè un fenomeno statistico: è impossibile prevedere quando un dato nucleo instabile decade, su questo evento si possono formulare solo alcuni giudizi probabilistici. Per un'ampia raccolta di nuclei radioattivi è possibile ottenere una legge statistica che esprime la dipendenza dal tempo dei nuclei non decaduti.

Lasciare che i nuclei decadano entro un intervallo di tempo sufficientemente breve. Questo numero è proporzionale all'intervallo di tempo, nonché al numero totale di nuclei radioattivi:

, (1)

dove è la costante di decadimento, proporzionale alla probabilità di decadimento del nucleo radioattivo e diversa per le diverse sostanze radioattive. Il segno "-" è posizionato per questo motivo< 0, так как число не распавшихся радиоактивных ядер убывает со временем.

Separiamo le variabili e integriamo (1) tenendo conto che i limiti inferiori di integrazione corrispondono alle condizioni iniziali (a , dove è il numero iniziale di nuclei radioattivi), e i limiti superiori corrispondono ai valori attuali e :

(2)

Potenziando l'espressione (3), abbiamo

Questo è quello che è legge fondamentale del decadimento radioattivo: il numero di nuclei radioattivi non decaduti diminuisce con il tempo secondo una legge esponenziale.

La Figura 1 mostra le curve di decadimento 1 e 2, corrispondenti a sostanze con diverse costanti di decadimento (λ 1 > λ 2), ma con lo stesso numero iniziale di nuclei radioattivi. La riga 1 corrisponde ad un elemento più attivo.

In pratica, al posto della costante di decadimento, viene spesso utilizzata un'altra caratteristica di un isotopo radioattivo: metà vita . Questo è il tempo durante il quale la metà dei nuclei radioattivi decade. Naturalmente questa definizione è valida per un numero sufficientemente elevato di nuclei. La Figura 1 mostra come utilizzando le curve 1 e 2 è possibile trovare i tempi di dimezzamento dei nuclei: tracciare una linea retta parallela all'asse delle ascisse attraverso il punto delle ordinate finché non si interseca con le curve. Le ascisse dei punti di intersezione della retta e delle linee 1 e 2 danno i tempi di dimezzamento T 1 e T 2.

Concetto di radioattività

Legge del decadimento radioattivo

Quantificazione della radioattività e sue unità

Radiazioni ionizzanti, loro caratteristiche.

Fonti dell'intelligenza artificiale

1. Concetto di radioattività

La radioattività è il processo spontaneo di trasformazione (decadimento) dei nuclei atomici, accompagnato dall'emissione di un tipo speciale di radiazione, detta radioattiva.

In questo caso avviene la trasformazione degli atomi di alcuni elementi in atomi di altri.

Le trasformazioni radioattive sono caratteristiche solo delle singole sostanze.

Una sostanza è considerata radioattiva se contiene radionuclidi e subisce un decadimento radioattivo.

Radionuclidi (isotopi) - i nuclei degli atomi capaci di decadimento spontaneo sono chiamati radionuclidi.

Per caratterizzare un nuclide, utilizzare il simbolo di un elemento chimico, indicare il numero atomico (numero di protoni) e il numero di massa del nucleo (numero di nucleoni, cioè il numero totale di protoni e neutroni).

Ad esempio, 239 94 Pu significa che il nucleo di un atomo di plutonio contiene 94 protoni e 145 neutroni, per un totale di 239 nucleoni.

Esistono i seguenti tipi di decadimento radioattivo:

Decadimento beta;

Decadimento alfa;

Fissione spontanea dei nuclei atomici (decadimento dei neutroni);

Radioattività dei protoni (fusione dei protoni);

Radioattività a due protoni e a grappolo.

Decadimento beta è il processo di trasformazione di un protone in neutrone o di un neutrone in protone nel nucleo di un atomo con il rilascio di una particella beta (positrone o elettrone)

Decadimento alfa – caratteristica degli elementi pesanti, i cui nuclei, a partire dal numero 82 della tabella di D.I. Mendeleev, sono instabili, nonostante l’eccesso di neutroni e decadono spontaneamente. I nuclei di questi elementi emettono prevalentemente nuclei di atomi di elio.

Fissione spontanea dei nuclei atomici (decadimento dei neutroni) - si tratta della fissione spontanea di alcuni nuclei di elementi pesanti (uranio-238, californio 240,248, 249, 250, curio 244, 248, ecc.). La probabilità di fissione nucleare spontanea è insignificante rispetto al decadimento alfa. In questo caso il nucleo si divide in due frammenti (nuclei) di massa simile.

1. Legge del decadimento radioattivo

La stabilità dei nuclei diminuisce all'aumentare del numero totale di nucleoni. Dipende anche dal rapporto tra il numero di neutroni e protoni.

Il processo di successive trasformazioni nucleari, di regola, termina con la formazione di nuclei stabili.

Le trasformazioni radioattive obbediscono alla legge del decadimento radioattivo:

N = N 0 e λ t ,

dove N, N 0 è il numero di atomi che non sono decaduti agli istanti t e t 0 ;

λ è la costante di decadimento radioattivo.

Il valore λ ha il proprio valore individuale per ciascun tipo di radionuclide. Caratterizza il tasso di decadimento, ad es. mostra quanti nuclei decadono nell'unità di tempo.

Secondo l'equazione della legge del decadimento radioattivo, la sua curva è esponenziale.

1. Quantificazione della radioattività e sue unità

Viene chiamato il tempo durante il quale metà dei nuclei decade a causa di trasformazioni nucleari spontanee metà vita T 1/2 . Il tempo di dimezzamento T 1/2 è correlato alla costante di decadimento λ dalla dipendenza:

T1/2 = ln2/λ = 0,693/λ.

L'emivita T 1/2 di diversi radionuclidi è diversa e varia ampiamente, da frazioni di secondo a centinaia e persino migliaia di anni.

Emivite di alcuni radionuclidi:

Iodio-131 - 8,04 giorni

Cesio-134 - 2,06 anni

Stronzio-90 - 29,12 anni

Cesio-137 - 30 anni

Plutonio-239 - 24065 anni

Uranio-235 - 7.038. 10 8 anni

Potassio-40 - 1,4 10 9 anni.

Il reciproco della costante di decadimento è chiamatovita media di un atomo radioattivo T :

La velocità di decadimento è determinata dall'attività della sostanza A:

A = dN/dt = A 0 e λ t = λ N,

dove A e A 0 sono le attività della sostanza ai tempi t e t 0 .

Attività– una misura della radioattività. È caratterizzato dal numero di decadimenti dei nuclei radioattivi nell'unità di tempo.

L'attività di un radionuclide è direttamente proporzionale al numero totale di nuclei atomici radioattivi al tempo t e inversamente proporzionale al tempo di dimezzamento:

A = 0,693 N/T 1/2.

L'unità di attività del SI è il becquerel (Bq). Un becquerel equivale a un decadimento al secondo. L'unità di attività extrasistemica è la curie (Ku).

1 Ku = 3,7 10 10 Bq

1Bq = 2,7 10 -11 Ku.

L'unità di attività curie corrisponde all'attività di 1 g di radio. Nella pratica delle misurazioni, i concetti di volumetrico A v (Bq/m 3, Ku/m 3), superficie A s (Bq/m 2, Ku/m 2) e specifico A m (Bq/m, Ku/m) vengono utilizzate anche le attività.

Modelli di kernel.

Nella teoria nucleare viene utilizzato un approccio modello, basato sull'analogia delle proprietà dei nuclei atomici con le proprietà, ad esempio, di una goccia liquida, del guscio elettronico di un atomo, ecc.: di conseguenza, i modelli dei nuclei sono chiamati gocciolina, conchiglia, ecc. Ciascuno dei modelli descrive solo un certo insieme di proprietà del nucleo e non può fornirne una descrizione completa.

Modello a goccia(N. Bor, Ya. I. Frenkel, 1936) si basa sull'analogia nel comportamento dei nucleoni nel nucleo e delle molecole in una goccia di liquido. In entrambi i casi le forze sono a corto raggio e sono caratterizzate da saturazione. Il modello a goccia spiegava il meccanismo delle reazioni nucleari e in particolare delle reazioni di fissione nucleare, ma non riusciva a spiegare l'aumentata stabilità di alcuni nuclei.

Secondo modello a conchiglia , i nucleoni nel nucleo sono distribuiti su livelli energetici discreti (gusci) riempiti da nucleoni secondo il principio di Pauli, e la stabilità dei nuclei è associata al riempimento di questi livelli. Si crede che i chicchi con il guscio completamente pieno sono i più stabili, sono chiamati magico - questi sono kernel contenenti 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 protoni o neutroni. Ci sono anche due volte nuclei magici , in cui sia il numero di protoni che il numero di neutroni sono magici - questo è, e sono particolarmente stabili. Il modello a guscio del nucleo ha permesso di spiegare gli spin e i momenti magnetici dei nuclei, la diversa stabilità dei nuclei atomici e la periodicità delle loro proprietà.

Man mano che i dati sperimentali si accumulavano, emergeva quanto segue: modello del kernel generalizzato (sintesi dei modelli droplet e shell), modello ottico del nucleo (spiega l'interazione dei nuclei con le particelle incidenti), ecc.

z:\Programmi\Physicon\Open Physics 2.5 parte 2\design\images\Fwd_h.gifz:\Programmi\Physicon\Open Physics 2.5 parte 2\design\images\Bwd_h.gifRadioattività

Quasi il 90% dei 2500 nuclei atomici conosciuti sono instabili. Un nucleo instabile si trasforma spontaneamente in altri nuclei, emettendo particelle. Questa proprietà dei nuclei si chiama radioattività . Così, la radioattività è la capacità di alcuni nuclei atomici di trasformarsi spontaneamente in altri nuclei con emissione di vari tipi di radiazioni radioattive e particelle elementari . Il fenomeno della radioattività fu scoperto nel 1896 dal fisico francese Henri Becquerel, il quale scoprì che i sali di uranio emettono radiazioni sconosciute che possono penetrare le barriere opache alla luce e provocare l'annerimento dell'emulsione fotografica. Due anni dopo, i fisici francesi Marie e Pierre Curie scoprirono la radioattività del torio e scoprirono due nuovi elementi radioattivi: il polonio e il radio.

Distinguere radioattività naturale(osservato negli isotopi instabili esistenti in natura) e artificiale(osservato negli isotopi sintetizzati attraverso reazioni nucleari in condizioni di laboratorio). Non c'è alcuna differenza fondamentale tra loro.

Esistono tre tipi di radiazioni radioattive: α -, β - E γ - radiazioni. α - E β -i raggi in un campo magnetico subiscono deflessioni in direzioni opposte, e β -i raggi vengono deviati molto di più. γ -i raggi in un campo magnetico non vengono affatto deviati (Fig. 1).

Immagine 1.

Schema dell'esperimento per rilevare le radiazioni α, β e γ. K – contenitore di piombo, P – farmaco radioattivo, F – lastra fotografica, IN- un campo magnetico.

α -radiazione– questo è un flusso di particelle α – nuclei di elio, che hanno la capacità di penetrazione più bassa (0,05 mm) e un’elevata capacità ionizzante;

raggi β– si tratta di un flusso di elettroni, hanno minore capacità ionizzante, ma maggiore capacità penetrante (≈ 2 mm);

raggi γ sono radiazioni elettromagnetiche a onde corte con una lunghezza d'onda estremamente corta λ< 10 –10 м является потоком частиц – γ-квантов. Обладают наибольшей проникающей способностью. Они способны проходить через слой свинца толщиной 5–10 см.

Legge del decadimento radioattivo

La teoria del decadimento radioattivo si basa sul presupposto che decadimento radioattivo è un processo spontaneo che obbedisce alle leggi della statistica. La probabilità che un nucleo decade nell'unità di tempo, pari alla frazione di nuclei che decade in 1 s, è detta costante di decadimento radioattivo λ. Numero di core dN disintegrato in un periodo di tempo molto breve dt proporzionale al numero totale di nuclei radioattivi N(nuclei non decomposti) e periodo di tempo dt:

Il valore λN è chiamato attività (tasso di decadimento): A = λN = . L'unità di attività del SI è il becquerel (Bq). Finora la fisica nucleare utilizza anche un'unità di attività extrasistemica, la curie (Ci): 1Ci = 3,7 10 10 Bq.

Il segno “–” indica che il numero totale di nuclei radioattivi diminuisce durante il processo di decadimento. Separando le variabili e integrando,

Dove N 0 – numero di partenza nuclei non decomposti (al momento T= 0); N – numero nuclei non decomposti in un determinato momento T. Si può vedere che il numero di nuclei non decomposti diminuisce esponenzialmente con il tempo. Durante il tempo τ = 1/λ il numero di nuclei non decomposti diminuirà di e≈ 2,7 volte. Si chiama la quantità τ tempo di vita medio nucleo radioattivo.

Un'altra quantità che caratterizza l'intensità del decadimento radioattivo è Emivita T - questo è il periodo di tempo durante il quale, in media, il numero di nuclei non decaduti diminuisce della metà.

L'emivita è la quantità principale che caratterizza la velocità di decadimento radioattivo. Più breve è l'emivita, più intenso è il decadimento.

La legge del decadimento radioattivo può essere scritta in un'altra forma, utilizzando il numero 2 come base, anziché e:

Riso. 2 illustra la legge del decadimento radioattivo.

Figura 2. Legge del decadimento radioattivo.

La radioattività viene utilizzata per datare reperti archeologici e geologici mediante la concentrazione di isotopi radioattivi (metodo del radiocarbonio, che è il seguente: un isotopo instabile del carbonio si forma nell'atmosfera a causa delle reazioni nucleari causate dai raggi cosmici. Una piccola percentuale di questo isotopo si trova nell'aria insieme al solito isotopo stabile. Le piante e altri organismi consumano carbonio dall'aria, ed entrambi gli isotopi si accumulano in essi nella stessa proporzione che nell'aria. Dopo che le piante muoiono, smettono di consumare carbonio e l'isotopo instabile, come a seguito del decadimento β, si trasforma gradualmente in azoto con un tempo di dimezzamento di 5730 anni (misurando con precisione la concentrazione relativa di carbonio radioattivo nei resti di organismi antichi è possibile determinare il momento della loro morte).

I processi radioattivi includono: 1) -decadimento; 2) decadimento β (inclusa la cattura degli elettroni); 3) decadimento γ; 4) fissione spontanea di nuclei pesanti; 5) radioattività dei protoni: il nucleo emette uno o due protoni (Flerov, URSS, 1963).

Il decadimento radioattivo avviene secondo le regole dello spostamento:

Decadimento alfa. Il decadimento alfa è la trasformazione spontanea di un nucleo atomico, chiamato nucleo madre, in un altro nucleo (figlio), mentre emette α -particella – il nucleo di un atomo di elio.

Un esempio di tale processo sarebbe α -decadimento del radio:

α -Il decadimento nucleare è in molti casi accompagnato da γ - radiazioni.

Decadimento beta. Se il decadimento α è caratteristico dei nuclei pesanti, il decadimento β è caratteristico di quasi tutti. A β -numero di carica di decadimento Z aumenta di uno e il numero di massa UN Rimane invariato.

Sono noti tre tipi di decadimento β: 1) e elettronico

+

Dove - l'antineutrino è un'antiparticella rispetto ai neutrini.

- neutrino elettronico (piccolo neutrone) – una particella con massa e carica pari a zero. A causa della mancanza di carica e massa del neutrino, questa particella interagisce molto debolmente con gli atomi della materia, quindi è estremamente difficile da rilevare negli esperimenti. Questa particella fu scoperta solo nel 1953. Oggi è noto che esistono diversi tipi di neutrini. Partecipa (ad eccezione di quella gravitazionale) solo all'interazione debole.

2) β+ positronico-decadimento in cui fuoriescono dal nucleo positrone e neutrini.

+

Positroneè una particella gemella di un elettrone, differisce da esso solo per il segno della sua carica. (L'esistenza del positrone fu prevista dall'eccezionale fisico P. Dirac nel 1928. Alcuni anni dopo, il positrone fu scoperto come parte dei raggi cosmici).

3)Cattura di elettroni (K – cattura) – il nucleo cattura un elettrone orbitale K – guscio .

+

Decadimento gamma. Il processo è intranucleare e l'emissione avviene non dal nucleo madre, ma dal nucleo figlia. A differenza di α - E β -decadimenti γ -il decadimento non è associato ad un cambiamento nella struttura interna del nucleo e non è accompagnato da un cambiamento nella carica o nel numero di massa.

(Le radiazioni radioattive di tutti i tipi hanno un effetto biologico molto forte sugli organismi viventi, che consiste nei processi di eccitazione e ionizzazione di atomi e molecole che compongono le cellule viventi. Sotto l'influenza delle radiazioni ionizzanti, molecole complesse e strutture cellulari vengono distrutte, che conduce a danni da radiazioni al corpo) .

(Il radon, gas inerte, incolore e radioattivo, può rappresentare un grave pericolo per la salute umana. Il radon è un prodotto α -decadimento del radio e ha un tempo di dimezzamento T= 3,82 giorni. Può accumularsi in spazi chiusi. Una volta nei polmoni, viene emesso radon α -particelle e si trasforma in polonio, che non è una sostanza chimicamente inerte. Quella che segue è una catena di trasformazioni radioattive della serie dell'uranio. La persona media riceve il 55% delle radiazioni ionizzanti dal radon e solo l’11% dalle cure mediche. Il contributo dei raggi cosmici è di circa l'8%).

Reazioni nucleari

Una reazione nucleare è il processo di interazione di un nucleo atomico con un altro nucleo o particella elementare, accompagnato da un cambiamento nella composizione e nella struttura del nucleo e dal rilascio di particelle secondarie o γ-quanti.

Simbolicamente possiamo scrivere : X + a → Y + b O X(a,b)Y, Dove X, Y– noccioli iniziali e finali; UN E B– particelle bombardanti ed emesse.

Durante le reazioni nucleari diversi leggi di conservazione: quantità di moto, energia, momento angolare, carica, rotazione. Oltre a queste classiche leggi di conservazione nelle reazioni nucleari, la legge di conservazione del cosiddetto carica barionica (cioè il numero di nucleoni - protoni e neutroni). Valgono anche una serie di altre leggi di conservazione specifiche della fisica nucleare e delle particelle.

Classificazione delle reazioni nucleari:

1) dal tipo di particelle coinvolte in esse - reazioni sotto l'influenza dei neutroni; particelle cariche; γ – quanti;

2) in base all'energia delle particelle che le provocano - reazioni a bassa, media e alta energia;

3) dal tipo di nuclei coinvolti in essi;

4) dalla natura delle trasformazioni nucleari che si verificano - reazioni con emissione di neutroni; particelle cariche; catturare le reazioni.

Le reazioni nucleari sono accompagnate da trasformazioni energetiche. Produzione di energia la reazione nucleare è detta quantità

Q = ()C 2 = Δ Mc 2 .

dove ∑ M i è la somma delle masse delle particelle entrate in una reazione nucleare;

∑M k è la somma delle masse delle particelle formate. Valore Δ M chiamato difetto di massa. Le reazioni nucleari possono verificarsi con il rilascio di ( Q> 0) - esotermico o con assorbimento di energia ( Q < 0) - эндотермические.

Esistono due modi fondamentalmente diversi per liberare l’energia nucleare.

1. Fissione dei nuclei pesanti . Una reazione di fissione è un processo in cui un nucleo instabile si divide in due grandi frammenti di masse comparabili.

Nel 1939, gli scienziati tedeschi O. Hahn e F. Strassmann scoprirono la fissione dei nuclei di uranio. L'uranio si trova in natura sotto forma di due isotopi: (99,3%) e (0,7%).

L'interesse principale per l'energia nucleare è la reazione di fissione nucleare. Come risultato della fissione nucleare avviata da un neutrone, vengono prodotti nuovi neutroni che possono innescare reazioni di fissione di altri nuclei. Quando un nucleo di uranio subisce una fissione, viene rilasciata energia dell'ordine di 210 MeV per atomo di uranio. La fissione completa di tutti i nuclei contenuti in 1 g di uranio libera la stessa energia della combustione di 3 tonnellate di carbone o 2,5 tonnellate di petrolio.

Quando un nucleo di uranio-235 subisce una fissione, causata da una collisione con un neutrone, vengono rilasciati 2 o 3 neutroni. In condizioni favorevoli, questi neutroni possono colpire altri nuclei di uranio e provocarne la fissione. In questa fase appariranno dai 4 ai 9 neutroni, capaci di provocare nuovi decadimenti dei nuclei di uranio, ecc. Questo processo simile a una valanga si chiama reazione a catena . Un diagramma dello sviluppo di una reazione a catena di fissione dei nuclei di uranio è presentato in Fig. 3.

Figura 2. Diagramma di sviluppo della reazione a catena

Perché avvenga una reazione a catena, è necessario che il cosiddetto fattore di moltiplicazione dei neutroni era maggiore di uno. In altre parole, in ogni generazione successiva dovrebbero esserci più neutroni rispetto a quella precedente. Viene chiamato un dispositivo che supporta una reazione di fissione nucleare controllata nucleare (O atomico ) reattore .

Il primo reattore nucleare fu costruito nel 1942 negli Stati Uniti sotto la guida di E. Fermi. Nel nostro paese, il primo reattore fu costruito nel 1946 sotto la guida di I.V. Kurcatova.

2. Reazioni termonucleari . Il secondo modo per liberare energia nucleare è associato alle reazioni di fusione. Quando i nuclei leggeri si fondono e formano un nuovo nucleo, deve essere rilasciata una grande quantità di energia. Vengono chiamate reazioni di fusione di nuclei leggeri reazioni termonucleari, poiché possono verificarsi solo a temperature molto elevate. Calcolo della temperatura necessaria per questo T porta ad un valore dell'ordine di 10 8 –10 9 K. A questa temperatura la sostanza si trova in uno stato completamente ionizzato, chiamato plasma .

Implementazione Reazioni termonucleari controllate darà all’umanità una nuova fonte di energia rispettosa dell’ambiente e praticamente inesauribile. Tuttavia, ottenere temperature ultra elevate e confinare il plasma riscaldato a un miliardo di gradi rappresenta il compito scientifico e tecnico più difficile nel percorso verso l’implementazione della fusione termonucleare controllata. Uno dei modi per risolvere questo problema è confinare il plasma caldo in un volume limitato mediante forti campi magnetici. Questo metodo è stato proposto dai nostri compatrioti, i fisici teorici A.D. Sakharov (1921-1989), I.E. Tamm (1895-1971), ecc. Per contenere il plasma vengono realizzati reattori termonucleari tecnicamente complessi. Uno di questi è Tokamak-10, creato per la prima volta nel 1975 presso l'omonimo Istituto di energia atomica. IV. Kurcatova. Recentemente sono state costruite nuove modifiche dei reattori termonucleari. La fusione termonucleare controllata è il problema più importante delle moderne scienze naturali, la cui soluzione dovrebbe aprire una nuova promettente strada per lo sviluppo dell'energia.

In questa fase di sviluppo della scienza e della tecnologia, era possibile solo implementarla reazione di fusione incontrollata in una bomba all'idrogeno. L'elevata temperatura necessaria per la fusione nucleare viene raggiunta qui mediante l'esplosione di una bomba convenzionale all'uranio o al plutonio.

Le reazioni termonucleari svolgono un ruolo estremamente importante nell'evoluzione dell'Universo. L'energia della radiazione del Sole e delle stelle è di origine termonucleare.z:\Program Files\Physicon\Open Physics 2.5 part 2\design\images\buttonModel_h.gifz:\Program Files\Physicon\Open Physics 2.5 part 2\design\images \buttonModel_h.gifz :\Programmi\Physicon\Open Physics 2.5 parte 2\design\images\buttonModel_h.gif