Естественная радиоактивность. Закон радиоактивного распада

Явление самопроизвольного превращения атомных ядер неустойчивых изотопов в устойчивые, сопровождающиеся испусканием элементарных частиц или ядер и излучением энергии называется радиоактивностью. Радиоактивность, наблюдающаяся у изотопов, существующих в природных условиях называется естественной.

Основными видами естественной радиоактивности являются: α –излучение — это испускание α-частиц – ядер гелия с Z = 2 и А = 4; β-излучение – это испускание электронов и позитронов; γ-излучение – это испускание квантов электромагнитного излучения чрезвычайно малых длин волн.

Радиоактивность представляет собой внутриядерный процесс, на него не воздействуют процессы, которые могут изменить состояние электронной оболочки (химический состав, агрегатное состояние, давление, температура и т.п.).

Распад ядра является случайным событием, поэтому изменение радиоактивности со временем подчиняется статистической закономерности. Можно считать, что число ядер dN, распавшихся в среднем за промежуток времени dt, пропорционально промежутку времени dt и числу N не распавшихся ядер к моменту времени t.

dN = — λNdt,

где λ – постоянная радиоактивного распада,

знак “-“ указывает, что общее число радиоактивных ядер в процессе распада уменьшается. Разделив переменные и интегрируя, получим выражение закона радиоактивного распада

N = N₀,

где N₀ — первоначальное число не распавшихся ядер при t = 0,

N — число ядер, не претерпевших распада к моменту времени t,

(N₀ – N) — число ядер, распавшихся за время t,

λ — постоянная распада, характеризующая вероятность распада ядер данного элемента за 1 с.

Время Т, по истечении которого число распавшихся частиц уменьшается вдвое называют периодом полураспада.

Если t =T, то ; откуда λТ =ln2, и Т = .

Число ядер, распавшихся за время t, определяется выражением

ΔN = N₀ – N = N₀ (1-).

Активностью радиоактивного вещества называется число ядер, распавшихся в единицу времени:

.

Единицей активности является кюри, т.е. активность, соответствующая 3,7 10¹⁰ распадов в секунду. Величина называется средней продолжительностью жизни радиоактивного изотопа.

Закономерности радиоактивного распада

α – распад – представляет собой превращение атомных ядер с испусканием α-частицы (ядра гелия) и протекает по следующей схеме

→+

— материнское ядро;

— дочернее ядро,— ядро гелия.

α – распад свойствен тяжелым ядрам с А > 200 и Z > 82. Внутри таких ядер происходит образование обособленных α-частиц (чему способствует насыщение ядерных сил), которые подвержены действию кулоновских сил больше, чем отдельные протоны.

В ядре урана α-частицы покидают его с максимальной энергией 4,2 МэВ, тогда как высота потенциального барьера равна 28,1 МэВ. В результате туннельного эффекта α-частица может покинуть пределы ядра (что обусловлено волновой природой α-частиц). У одного и того же α-радиоактивного элемента имеется несколько групп α-частиц, обладающих различными энергиями порядка нескольких МэВ и соответственно различными длинами пробегов. Это свидетельствует о дискретности энергетических уровней ядер.

Протекая через вещество,

-частица расходует свою энергию на ионизацию атомов и молекул вещества.

На пути пробега порядка нескольких сантиметров в воздухе α-частица образует порядка 10⁵ пар ионов; на один акт ионизации расходуется около 35 эВ энергии. Примером — распада может служить распад ядра изотопа урана, который происходит по схеме с образованием тория

→+

.

Если дочернее ядро окажется возбужденным, то оно испускает γ – квант излучения. Образовавшееся дочерние ядро тория имеет зарядовое число на Z единицы. А массовое число на 4 единицы меньше, чем у материнского ядра урана.

Бетта-распад. Ядерное превращение, сопровождаемое испусканием электрона, позитрона или захватом электрона (к-захват) называется бетта-распадом. Беттас-распад происходит по схеме

В результате распада испускается электрон и антинейтрино , а дочернее ядро увеличивает свой заряд на единицу. Примером-распада является превращение тория

протактиний

Бета-плюс распад происходит по схеме

В результате -распада испускается позитрон и антинейтрино, а дочернее ядро уменьшает свой заряд на единицу. В качестве примера можно привести превращение азотав углерод.

Третий вид -распада (к-захват) заключается в том, что ядро поглощает один из К-электронов своего атома, в результате чего один из протонов превращается в нейтрон, испуская при этом нейтрино. К-захват происходит по схеме

Примером к-захвата может служить превращение калия в аргон

.

Если дочернее ядро в результате β-распада оказывается в возбужденном состоянии, то при переходе в состояние с меньшей энергией ядро высвечивает γ -квант,

— антинейтрино или ν — нейтрино.

Гамма-радиоактивность – это испускание электромагнитных волн в виде γ –квантов с малой длиной волны (большими частотами) очень высоких энергий. Оно не является самостоятельным видом радиоактивности, а только сопровождает α– и β- распады, а также возникает при ядерных реакциях, при торможении заряженных частиц, их распаде и т.д. гамма-спектр является линейчатым. Дискретность γ-спектра свидетельствует о дискретности энергетических состояний атомных ядер.

Гамма-излучение испускается не материнским, а дочерним ядром. Гамма-кванты, проходя через вещество, могут взаимодействовать с электронами атомов, а также с их ядрами. Ослабление γ-излучения в веществе происходит в основном в результате трех процессов: фотоэффекта, комптоновского рассеяния и эффекта образования пар.

Фотоэффект – это процесс, при котором атом поглощает γ-квант и испускает электрон. Если электрон выбивается из одной из внутренних оболочек, то фотоэффект сопровождается характеристическим рентгеновским излучением. Фотоэффект происходит на связанных электронах при малых энергиях (≤ 100 кэВ) γ-фотонов.

Комптоновское рассеяние является преимущественным механизмом взаимодействия γ-квантов с веществом при их энергии 0,5 МэВ.

При энергиях > 1,02 МэВ = 2m₀c² возможен процесс образования электронно-позитронных пар.

Ослабление интенсивности γ-излучения в веществе описывается экспоненциальным законом Бугера-Ламберта

I = I₀

I₀ и I — интенсивности излучения на входе и выходе из слоя поглощающего вещества толщиной х, μ – линейный коэффициент поглощения.

«Естественная и искусственная радиоактивность» (стр. 5 из 9)

Сопровождающее распад радиоактивных ядер, гамма-излучение, испускается при переходах ядра из более возбужденного энергетического состояния в менее возбужденное или в основное.

В межзвёздном пространстве гамма-излучение возникает в результате соударений квантов более мягкого длинноволнового электромагнитного излучения, например света, с электронами, ускоренными магнитными полями космических объектов. При этом быстрый электрон передает свою энергию электромагнитному излучению и видимый свет превращается в более жесткое гамма-излучение.

Подобное явление встречается и на Земле при столкновении электронов большой энергии, получаемых на ускорителях, с фотонами видимого света в интенсивных пучках света, создаваемых лазерами. Электрон передает энергию световому фотону, который превращается в γ-квант. Можно на практике превращать отдельные фотоны света в кванты гамма-излучения высокой энергии.

Гамма-излучение не отклоняется электрическим и магнитным полями, обладает относительно слабой ионизирующей способностью и очень большой проникающей способностью (например, проходит через слой свинца толщиной 5 см). Основные процессы, происходящие при взаимодействии гамма-излучения с веществом, – фотоэлектрическое поглощение (фотоэффект*) и образование пар электрон-позитрон.

Примеры распадов: 1) α-распад ²³⁵ ₉₂ U- ²³¹₉₀ Th + ⁴₂He

2) β-распад ¹⁴ ₆ С — ¹⁴ ₇ N + ⁰_-1e

3) γ-распад ¹ ₀ n + ²³⁸ ₉₂ U — ²³⁹ ₉₂ U + γ

*Внутренний фотоэффект – это процесс, при котором атом поглощает гамма-квант и испускает электрон. Так как электрон выбивается из одной из внутренних оболочек атома, то освобождающееся место заполняется электронами из вышележащих оболочек. И фотоэффект сопровождается характеристическим рентгеновским излучением.

Таблица1. Параметры излучений

*Ионизация – процесс образования отрицательных и положительных ионов и свободных электронов из электрически нейтральных атомов и молекул.

Глава 3.

Естественная радиоактивность.

Естественная радиоактивность (или фоновое излучение) — следствие спонтанного распада естественных радиоизотопов, имеющихся в скальных породах и живой материи. Она растет с глубиной из-за окружающих скальных пород и с высотой под воздействием космических лучей. Некоторые области могут иметь высокую природную радиоактивность из-за скальных пород (например, изверженных скальных пород, таких как гранит), испускающих газ радон.

Природные радионуклиды можно разделить на две большие группы — первичные, т. е. те, которые образовались одновременно со стабильным веществом Земли, и космогенные, которые образуются постоянно в результате ядерных реакций под действием космического излучения или поступают с внеземным веществом. Очевидно, к настоящему моменту в окружающей среде присутствуют только те первичные радионуклиды, период полураспада которых соизмерим с возрастом Земли.

Таблица2. Основные первичные радионуклиды

Три первичных радионуклида — ²³⁸U, ²³⁵U и ²³²Th — являются родоначальниками естественных радиоактивных рядов*. С течением времени в естественных радиоактивных рядах установилось вековое равновесие — состояние, в

Рис.4 Пример образования естественных радиоактивных рядов. Котором радиоактивности (!но не количества ядер!) всех членов ряда равны между собой.

Вековое равновесие между радионуклидами устанавливается в том случае, если период полураспада материнского радионуклида велик по сравнению с периодом полураспада дочернего.

Накопление дочернего радионуклида подчиняется закону

А=А₀(1-е^-λt) ⁽¹⁴⁾

где А — активность дочернего радионуклида, А₀ — активность материн­ского радионуклида, λ — постоянная радиоактивного распада дочернего радионуклида, t — время, прошедшее с начала накопления дочернего радионуклида (предполагается, что в начальный момент присутствует толь­ко материнский нуклид).

Искусственная радиоактивность.

В природе не встречаются изотопы, распадающиеся с испусканием позитрона. Такие

*Радиоактивные ряды (радиоактивные семейства) — ряды генетически связанных радиоактивных нуклидов, в которых каждый последующий возникает в результате α- или β- распадов предыдущего.

изотопы впервые получили искусственно в 1934 г. Ф. и И. Жолио-Кюри. Они обнаружили, что при облучении потоком альфа-частиц ядра изотопа алюминия ²⁷₁₃ Al превращаются в ядра изотопа фосфора ³⁰₁₅P, при этом испускаются свободные нейтроны:

²⁷₁₃ Al + ⁴₂He = ³⁰₁₅P + ¹₀n ⁽¹⁵⁾

Искусственно полученный изотоп фосфора ³⁰₁₅P оказался радиоактивным; его ядро распадается с испусканием позитрона:

³⁰₁₅P = ³⁰₁₄Si + ⁰₁e +⁰₀ν_e ⁽¹⁶⁾

Последующие опыты по бомбардировке атомных ядер стабильных изотопов альфа-частицами, протонами, нейтронами и другими частицами показали, что искусственные радиоактивные изотопы могут быть получены практически у всех элементов.

Среди изотопов легких элементов (до кальция) стабильными являются те, в которых содержание протонов и нейтронов примерно одинаково. Нестабильными по отношению к электронному бета-распаду оказываются ядра, в которых число нейтронов заметно больше числа протонов. Изотопы с избытком протонов над числом нейтронов в ядре испытывают позитронный бета-распад.

Искусственные радионуклиды поступают в окружающую среду в результате испытаний ядерного оружия, ядерных взрывов, проводившихся в мирных целях, а также деятельности предприятий ЯТЦ. Локальными источниками служат аварии самолетов с ядерным оружием на борту, гибель подводных лодок, оснащенных атомными силовыми установками и ядерным оружием. В течение ряда лет многие страны, в том числе и СССР, сбрасывали в моря и реки жидкие радиоактивные отходы и затапливали отработавшие ядерные установки. Вклад в техногенную радиоактивность окружающей среды вносят и аварии искусственных спутников Земли с ядерными источниками энергии. Развитие атомной энергетики также привело к тому, что радионуклиды поступали и продолжают поступать в окружающую среду, как при штатной работе АЭС, так и в результате аварийных ситуаций, из которых наиболее серьезные последствия имела авария на Чернобыльской АЭС 26 апреля 1986 г.

Ядерное оружие.

Любой из нейтронов, вылетающих из ядра в процессе деления, может в свою очередь вызвать деление соседнего ядра, которое также испускает нейтроны, способные вызвать дальнейшее деление. В результате число делящихся ядер очень быстро увеличивается. Возникает цепная реакция. Ядерной цепной реакцией называется реакция, в которой частицы, вызывающие ее (нейтроны), образуются как продукты этой реакции.

Рис.5 Цепная ядерная реакция. Цепная реакция сопровождается выделением огромной энергии. При делении каждого ядра выделяется около 200 МэВ. При полном же делении всех ядер, имеющихся в 1 г урана, выделяется энергия 2,3 • 10⁴ кВт•ч. Это эквивалентно энергии, получаемой при сгорании 3 т угля или 2,5 т нефти.

Что такое радиоактивность (естественная и искусственная)? Как использование явлений радиоактивности позволило осуществить мечту алхимиков?

Содержание

Вопрос 1

Вопрос

Вопрос 3

Вопрос 4

Вопрос 5

Вопрос 6

Вопрос 7

Вопрос

Вопрос 9

Вопрос 10

Список литературы

Что такое астероиды, где они расположены, каковы их орбиты и размеры? Назовите наиболее крупные из них. Период обращения Плутона равен 250 земных лет, так каково его расстояние от Солнца и какую часть своего «года» он прошел после того, как его открыли?

Астероид — небольшое планетоподобное тело Солнечной системы, движущееся по орбите вокруг Солнца. Астероиды, известные также как малые планеты, значительно уступают по размерам планетам.

Термин астероид (от др.-греч. ἀστεροειδής — «подобный звезде», из ἀστήρ — «звезда» и εῖ̓δος — «вид, наружность, качество») был введён Уильямом Гершелем на основании того, что эти объекты при наблюдении в телескоп выглядели как точки звёзд — в отличие от планет, которые при наблюдении в телескоп выглядят дисками. Точное определение термина «астероид» до сих пор не является установившимся. Термин «малая планета» (или «планетоид») не подходит для определения астероидов, так как указывает и на расположение объекта в Солнечной системе. Однако не все астероиды являются малыми планетами.

Одним из способов классификации астероидов является определение размера. Действующая классификация определяет астероиды, как объекты с диаметром более 50 м, отделяя их от метеоритных тел, которые выглядят как крупные камни, или могут быть ещё меньше. Классификация опирается на утверждение, что астероиды могут уцелеть при входе в атмосферу Земли и достигнуть её поверхности, в то время, как метеоры, как правило, полностью сгорают в атмосфере.

В результате «астероид» можно определить как объект Солнечной системы, состоящий из твёрдых материалов, который по размерам больше метеора.

На настоящий момент в Солнечной системе обнаружены десятки тысяч астероидов. По состоянию на 26 сентября 2006 в базах данных насчитывалось 385083 объекта, у 164612 точно определены орбиты и им присвоен официальный номер. 14077 из них на этот момент имели официально утверждённые наименования. Предполагается, что в Солнечной системе может находиться от 1.1 до 1.9 миллиона объектов, имеющих размеры более 1 км. Большинство известных на данный момент астероидов сосредоточено в пределах пояса астероидов, расположенного между орбитами Марса и Юпитера.

Самым крупным астероидом в Солнечной системе считалась Церера, имеющая размеры приблизительно 975×909 км, однако с 24 августа 2006 года она получила статус карликовой планеты. Два других крупнейших астероида 2 Паллада и 4 Веста имеют диаметр ~500 км 4 Веста является единственным объектом пояса астероидов, который можно наблюдать невооружённым глазом. Астероиды, движущиеся по другим орбитам, также могут быть наблюдаемы в период прохождения вблизи Земли (см. например 99942 Апофис).

Общая масса всех астероидов главного пояса оценивается в 3.0-3.6×10²¹ кг, что составляет всего около 4 % от массы Луны. Масса Цереры — 0.95×10²¹ кг, то есть около 32 % от общей, а вместе с тремя крупнейшими астероидами 4 Веста (9 %), 2 Паллада (7 %), 10 Гигея (3 %) — 51 %, то есть абсолютное большинство астероидов имеют ничтожную массу.

Среднее расстояние от Плутона до Солнца составляет 39,52 а. е. Плутон очень медленно, за 247,7 года, совершает оборот по орбите, которая имеет необычно большой наклон (17°) к плоскости эклиптики, и вытянута настолько, что в перигелии Плутон подходит к Солнцу на более короткое расстояние, чем Нептун.

Поясните понятия «момент силы» и «момент импульса». В каких системах сохраняется момент импульса, почему этот закон тоже относят к разряду «великих законов сохранения»? Дайте примеры его использования

Момент силы (синонимы: крутящий момент; вращательный момент; вращающий момент) — физическая величина, характеризующая вращательное действие силы на твёрдое тело.

В физике момент силы можно понимать как «вращающая сила». В системе СИ единицами измерения для момента силы является ньютон-метр, хотя сантиньютон-метр (cN•m), футо-фунт (ft•lbf), дюйм-фунт (lbf•in) и дюйм-унция (ozf•in) также часто используются для выражения момента силы. Символ момента силы τ (тау). Момент силы иногда называют моментом пары сил, это понятие возникло в трудах Архимеда над рычагами. Вращающиеся аналоги силы, массы и ускорения есть момент силы, момент инерции и угловое ускорение соответственно. Сила, приложенная к рычагу, умноженная на расстояние до оси рычага, есть момент силы. Например, сила в 3 ньютона, приложенная к рычагу, расстояние до оси которого 2 метра, это то же самое, что 1 ньютон, приложенный к рычагу, расстояние до оси которого 6 метров. Более точно, момент силы частицы определяется как векторное произведение:

где — сила, действующая на частицу, и r — радиус-вектор частицы.

Момент импульса (кинетический момент, угловой момент, орбитальный момент, момент количества движения) характеризует количество вращательного движения. Величина, зависящая от того, сколько массы вращается, как она распределена относительно оси вращения и с какой скоростью происходит вращение.

Следует учесть, что вращение здесь понимается в широком смысле, не только как регулярное вращение вокруг оси. Например, даже при прямолинейном движении тела мимо произвольной воображаемой точки, оно также обладает моментом импульса. Наибольшую роль момент импульса играет при описании собственно вращательного движения.

Момент импульса замкнутой системы сохраняется.

Момент импульса частицы относительно некоторого начала отсчета определяется векторным произведением ее радиус-вектора и импульса:

 

 

где — радиус-вектор частицы относительно выбранного начала отсчета, — импульс частицы.

В системе СИ момент импульса измеряется в единицах джоуль-секунда; Дж·с.

Из определения момента импульса следует его аддитивность. Так, для системы частиц выполняется выражение:

 

.

 

В рамках закона сохранения момента импульса консервативной величиной является угловой момент вращения массы — он не изменяется в отсутствие приложенного момента силы или крутящего момента — проекции вектора силы на плоскость вращения, перпендикулярно радиусу вращения, помноженной на рычаг (расстояние до оси вращения). Самый расхожий пример закона сохранения момента импульса — фигуристка, выполняющая фигуру вращения с ускорением. Спортсменка входит во вращение достаточно медленно, широко раскинув руки и ноги, а затем, по мере того, как она собирает массу своего тела всё ближе к оси вращения, прижимая конечности всё ближе к туловищу, скорость вращения многократно возрастает вследствие уменьшения момента инерции при сохранении момента вращения. Тут мы и убеждаемся наглядно, что чем меньше момент инерции, тем выше угловая скорость и, как следствие, короче период вращения, обратно пропорциональный ей.

 

Что такое радиоактивность (естественная и искусственная)? Как использование явлений радиоактивности позволило осуществить мечту алхимиков?

Радиоактивность (от лат. radio — «излучаю», radius — «луч» и activus — «действенный»), радиоактивный распад — явление спонтанного превращения атомного ядра в другое ядро или ядра. Радиоактивный распад сопровождается испусканием одной или нескольких частиц (например, электронов, нейтрино, альфа-частиц, фотонов). Радиоактивностью называют также свойство вещества, содержащего радиоактивные ядра.

Радиоактивность открыта в 1896 г. А. Беккерелем, который обнаружил проникающее излучение солей урана, действующее на фотоэмульсию. Беккерель установил, что интенсивность излучения определяется только количеством урана в препарате и совершенно не зависит от того, в какие соединения он входит. То есть это свойство присуще не соединениям, а химическому элементу — урану.

В 1898 г. Мария Кюри и Пьер Кюри обнаружили радиоактивность тория, позднее ими были открыты радиоактивные элементы полоний и радий.

Установлено, что радиоактивны все химические элементы с порядковым номером, большим 82 (то есть начиная с висмута), и многие более лёгкие элементы (прометий и технеций не имеют стабильных изотопов, а у некоторых элементов, таких как индий, калий или кальций, часть природных изотопов стабильны, другие же радиоактивны).

Естественная радиоактивность — самопроизвольный распад ядер элементов, встречающихся в природе.

Искусственная радиоактивность — самопроизвольный распад ядер элементов, полученных искусственным путем через соответствующие ядерные реакции. Э. Резерфорд экспериментально установил (1899), что соли урана испускают лучи трёх типов, которые по-разному отклоняются в магнитном поле:

· лучи первого типа отклоняются так же, как поток положительно заряженных частиц; их назвали α-лучами;

· лучи второго типа отклоняются в магнитном поле так же, как поток отрицательно заряженных частиц (в противоположную сторону), их назвали β-лучами;

· лучи третьего типа, которые не отклоняются магнитным полем, назвали γ-излучением.

Энергетические спектры α-частиц и γ-квантов, излучаемых радиоактивными ядрами, прерывистые («дискретные»), а спектр β-частиц — непрерывный.

Распад, сопровождающийся испусканием альфа-частиц, назвали альфа-распадом; распад, сопровождающийся испусканием бета-частиц, был назван бета-распадом (в настоящее время известно, что существуют типы бета-распада без испускания бета-частиц, однако бета-распад всегда сопровождается испусканием нейтрино или антинейтрино). Термин «гамма-распад» применяется редко; испускание ядром гамма-квантов называют обычно изомерным переходом. Гамма-излучение часто сопровождает другие типы распада.

В настоящее время, кроме альфа-, бета- и гамма-распадов, обнаружены распады с эмиссией нейтрона, протона (а также двух протонов), кластерная радиоактивность, спонтанное деление. Электронный захват, позитронный распад (или β⁺-распад), а также двойной бета-распад (и его виды) обычно считаются различными типами бета-распада.

Некоторые изотопы могут испытывать одновременно два или более видов распада. Например, висмут-212 распадается с вероятностью 64 % в таллий-208 (посредством альфа-распада) и с вероятностью 36 % в полоний-212 (посредством бета-распада). Образовавшееся в результате радиоактивного распада дочернее ядро иногда оказывается также радиоактивным и через некоторое время тоже распадается. Процесс радиоактивного распада будет происходить до тех пор, пока не появится стабильное, то есть нерадиоактивное ядро, а последовательность возникающих при этом нуклидов называется радиоактивным рядом. В частности, для радиоактивных рядов, начинающихся с урана-238, урана-235 и тория-232, конечными (стабильными) нуклидами являются соответственно свинец-206, свинец-207 и свинец-208.

Опубликование теории радиоактивного распада было сенсацией. При толковании радиоактивности необходимо было привыкнуть к совершенно новым величинам. Было обнаружено, что в 1 г урана в секунду радиоактивно распадаются 10 000 атомов, а в 1 г радия — свыше 30 миллиардов атомов. Однако эти значения невелики по сравнению с общим числом имеющихся атомов. 1 г радия содержит несколько тысяч триллионов, точнее 2,66 * 1021 атомов. Таким образом, доля атомов, распадающихся в секунду, очень мала, так что потребовалось бы много тысячелетий, чтобы радий полностью распался. Вскоре многих исследователей атома, прежде всего Резерфорда и Содди, стала одолевать мысль, нельзя ли как-нибудь использовать фантастическую энергию радия. В 1904 году Содди в книге «Радиоактивность» указал, какой «путь» должен привести к использованию этого вечно неиссякаемого источника энергии: известно, что радиоактивные элементы, такие, как радий и уран, по прошествии тысяч, даже миллионов, лет распадаются с выделением энергии своего излучения; отсюда Содди делает проницательный вывод: эта энергия смогла бы в будущем служить людям, если ускорить время превращения элементов: тогда эти огромные количества энергии, сейчас выделяющиеся за тысячелетия, можно было бы использовать сразу, непосредственно.

Определите радиус Луны, если известно, что видимый угловой диаметр Луны 30 угловых минут, расстояние до Луны 384 тыс. км. Как определяют расстояние до звезд? Что такое «параллакс» и «звездная величина»? как оценили размер Галактики, Вселенной?

R=D*sin p,

Где D – расстояние до Луны,

p – угловой радиус.

R = 384000 * sin 15¢ = 384000 * 0,004 = 1536 км

Параллакс (греч. παραλλάξ, от παραλλαγή, «смена, чередование») — изменение видимого положения объекта относительно удалённого фона в зависимости от положения наблюдателя.

Зная расстояние между точками наблюдения (база) и угол смещения, можно определить расстояние до объекта: ; для малых углов , где угол α выражен в радианах.

Параллакс используется в геодезии и астрономии для измерения расстояния до удалённых объектов. На явлении параллакса основано бинокулярное зрение.

Видимая звёздная величина (иногда — просто «звёздная величина») — безразмерная числовая характеристика объекта на небе, чаще всего звезды, говорящая о том, сколько света приходит от него в точку, где находится наблюдатель. Видимая звёздная величина зависит не только от того, сколько света излучает объект, но и от того, на каком расстоянии от наблюдателя он находится. Видимая звёздная величина считается единицей измерения блеска звезды, причём, чем блеск больше, тем величина меньше, и наоборот.

Современное понятие видимой звёздной величины сделано таким, чтобы оно соответствовало величинам, приписанным звёздам древнегреческим астрономом Гиппархом во II веке до н. э. Гиппарх разделил все звёзды на шесть величин. Самые яркие он назвал звёздами первой величины, самые тусклые — звёздами шестой величины. Промежуточные величины он распределил равномерно между оставшимися звёздами.

В 1856 году Н. Погсон предложил формализацию шкалы звёздных величин. Видимая звёздная величина определяется по формуле:

 

 

где I — световой поток от объекта, C — постоянная.

Поскольку данная шкала относительная, то её нуль-пункт (0^m) определяют как яркость такой звезды, у которой световой поток равен 10³ квантов /(см²·с·Å) в зелёном свете (шкала UBV) или 10⁶ квантов /(см²·с·Å) во всём видимом диапазоне света. Звезда 0^m за пределами земной атмосферы создаёт освещённость в 2,54·10⁻⁶ люкс.

Шкала звёздных величин является логарифмической, поскольку изменение яркости в одинаковое число раз воспринимается как одинаковое (закон Вебера — Фехнера). Кроме того, поскольку Гиппарх решил, что величина тем меньше, чем звезда ярче, то в формуле присутствует знак минус.

Следующие два свойства помогают пользоваться видимыми звёздными величинами на практике:

1. Увеличению светового потока в 100 раз соответствует уменьшение видимой звёздной величины ровно на 5 единиц.

2. Уменьшение звёздной величины на одну единицу означает увеличение светового потока в 10^1/2,5=2,512 раза.

В наши дни видимая звёдная величина используется не только для звёзд, но и для других объектов, например, для Луны и Солнца и планет. Поскольку они могут быть ярче самой яркой звезды, то у них может быть отрицательная видимая звёздная величина.

Астрономические наблюдения Вселенной позволили с относительной точностью установить «возраст» Вселенной, который по последним данным составляет 13,73 ± 0,12 миллиардов лет. Однако, среди некоторых учёных существует точка зрения, что Вселенная никогда не возникала, а существовала вечно и будет существовать вечно, изменяясь лишь в своих формах и проявлениях. Представления о форме и размерах Вселенной в современной науке также являются остродискуссионными, предположительно протяжённость Вселенной составляет не менее 93 миллиардов световых лет, при наблюдаемой части всего в 13,3 млрд. св.л.

Галактики содержат от 10 миллионов (10⁷) до нескольких триллионов (10¹²) звёзд, вращающихся вокруг общего центра тяжести. Кроме отдельных звёзд и разрежённой межзвёздной среды, большая часть галактик содержит множество кратных звёздных систем, звёздных скоплений и различных туманностей. Как правило, диаметр галактик составляет от нескольких тысяч до нескольких сотен тысяч световых лет, а расстояния между ними исчисляются миллионами световых лет.

Хотя около 90 % массы галактик приходится на долю тёмной материи, природа этого невидимого компонента пока не изучена. Существуют свидетельства того, что в центре многих (если не всех) галактик находятся сверхмассивные чёрные дыры.

Межгалактическое пространство является практически чистым вакуумом со средней плотностью меньше одного атома вещества на кубический метр. Возможно, что в наблюдаемой части Вселенной находится около 10¹¹ галактик.

Поясните принцип неопределенности, понятия детерминизма и индетерминизма. Как изменились представления о случайном и закономерном? Поясните роль измерения и прибора в квантовой механике

Принцип неопределённости Гейзенберга (или Гайзенберга) — в квантовой механике так называют принцип, дающий нижний (ненулевой) предел для произведения дисперсий величин, характеризующих состояние системы.

Обычно принцип неопределённости иллюстрируется следующим образом. Рассмотрим ансамбль невзаимодействующих эквивалентных частиц, приготовленных в определённом состоянии, с каждой из которых производятся два последовательных измерения. Первое определяет импульс частицы, а второе, сразу после этого, её координату. Измерение импульса даст некоторое распределение с характерной дисперсией. Второе же измерение даст распределение значений, дисперсия которого будет связана с дисперсией импульса так, что .

В общем смысле, соотношение неопределённости возникает между любыми переменными состояния, определяемыми некоммутирующими операторами. Это — один из краеугольных камней квантовой механики, который был открыт Вернером Гейзенбергом в 1927 г.

Детермини́зм (от лат. determine — определяю) — учение о первоначальной определяемости всех происходящих в мире процессов, включая все процессы человеческой жизни, со стороны Бога (теологический детерминизм, или учение о предопределении), или только явлений природы (космологический детерминизм), или специально человеческой воли (антропологическо-этический детерминизм), для свободы которой, как и для ответственности, не оставалось бы тогда места. Под определяемостью, здесь подразумевается философское утверждение, что каждое произошедшее событие, включая, и человеческие поступки и поведение однозначно определяется множеством причин, непосредственно предшествующих данному событию. В таком свете детерминизм может быть также определен как тезис, утверждающий, что имеется только одно, точно заданное, возможное будущее.

Индетерминизм (от лат. in — не и лат. determinare — определять) — учение о том, что имеются состояния и события, для которых причина не существует или не может быть указана. Противоположен детерминизму.

Вопрос о соотношении случайности и закономерности в эволюции рассматривался многими биологами и философами. Вопрос имеет множество аспектов, в том числе и самый общий – мировоззренческий.

Суть дилеммы, если говорить упрощенно, состоит в том, что эволюция в целом производит впечатление весьма закономерного процесса, однако, согласно господствующим представлениям («синтетической теории эволюции») в основе его лежат случайные факторы (прежде всего — случайные мутации). Как же из набора случайностей рождается нечто закономерное? Это противоречие особенно подробно рассматривается в работах Л.С.Берга, А.А.Любищева и С.В.Мейена. Л.С.Берг противопоставлял «эволюции на основе случайностей» — тихогенезу — «эволюцию на основе закономерностей» — номогенез. С.В.Мейен мечтал о создании «номотетической» теории эволюции в противовес «синтетической». Эти идеи продолжают развиваться российскими палеонтологами.

Для системы из одних только квантовых объектов вообще нельзя было бы построить никакой логически замкнутой механики. Возможность количественного описания движения электрона требует наличия также и физических объектов, которые с достаточной точностью подчиняются классической механике. Если электрон приходит во взаимодействие с «классическим объектом», то состояние последнего, вообще говоря, меняется. Характер и величина этого изменения зависят от состояния электрона и поэтому могут служить его количественной характеристикой.

В этой связи «классический объект» обычно называют «прибором», а о его процессе взаимодействия с электроном говорят, как об «измерении». Необходимо, однако, подчеркнуть, что при этом отнюдь не имеется в виду процесс «измерения», в котором участвует физик-наблюдатель. Под измерением в квантовой механике подразумевается всякий процесс взаимодействия между классическим и квантовым объектами, происходящий помимо и независимо от какого-либо наблюдателя. Выяснение глубокой роли понятия измерения в квантовой механике принадлежит Бору.

Мы определили прибор как физический объект, с достаточной точностью подчиняющийся классической механике. Таковым является, например, тело достаточно большой массы. Однако не следует думать, что макроскопичность является обязательным свойством прибора. В известных условиях роль прибора может играть также и заведомо микроскопический объект, поскольку речь идет о величинах, характеризующих движение электрона, а не о величинах, характеризующих электрон как частицу (заряд, масса) и являющихся параметрами.

Что такое «начала термодинамики», идеальный и реальный цикл, коэффициент полезного действия тепловых машин? В чем состоит суть начал термодинамики и спора о «тепловой смерти Вселенной»?

Начала термодинамики — совокупность постулатов, лежащих в основе термодинамики. Эти положения были установлены в результате научных исследований и были доказаны экспериментально. В качестве постулатов они принимаются для того, чтобы термодинамику можно было построить аксиоматически.

Необходимость начал термодинамики связана с тем, что термодинамика описывает макроскопические параметры систем без конкретных предположений относительно их микроскопического устройства. Вопросами внутреннего устройства занимается статистическая физика.

Начала термодинамики независимы, то есть ни одно из них не может быть выведено из других начал.

Цикл Брайтона, это термодинамический цикл, состоящий из следующих процессов:

«Идеальный» цикл Брайтона:

1. Изоэнтропическое сжатие. (Процес 1-2 на диаграмах).

2. Изобарический подвод теплоты. (Процесс 2-3 на диаграмах).

3. Изоэнтропическое расширение. (Процесс 3-4 на диаграмах).

4. Изобарический отвод теплоты. (Процесс 4-1 на диаграммах)

«Реальный» цикл Брайтона:

1. Адиабатическое сжатие. (Процес 1-2 на P-V диаграме и 1-2р на I-S (T-S) диаграмме).

2. Изобарический подвод теплоты. (Процесс 2-3 на P-V диаграме и 2р-3 на I-S (T-S) диаграмме).

3. Адиабатическое расширение. (Процесс 3-4 на P-V диаграме и 3-4р на I-S (T-S) диаграмме).

4. Изобарический отвод теплоты. (Процесс 4-1 на P-V диаграме и 4р-1 на I-S (T-S) диаграмме).

Цикл Брайтона, положен в основу создания воздушно-реактивных двигателей (ВРД) и газотурбинных двигателей (ГТД). Данные двигатели хоть и менее приёмистые и экономные по сравнению с двигателями внутреннего сгорания, работающими на циклах Отто или Дизеля, но их главным преимуществом является отношение мощности или реактивной тяги двигателя к его массе и габаритам. То есть тяговооруженность двигателя.

 

P — V диаграмма цикла Брайтона

I — S (T — S) диаграмма цикла Брайтона

 

Коэффициент полезного действия (КПД) — характеристика эффективности системы (устройства, машины) в отношении преобразования или передачи энергии; определяется отношением полезно использованной энергии к суммарному количеству энергии, полученному системой; обозначается обычно h = W_пол/W_cyм.

В электрических двигателях КПД — отношение совершаемой (полезной) механической работы к электрической энергии, получаемой от источника.

В тепловых двигателях — отношение полезной механической работы к затрачиваемому количеству теплоты.

В электрических трансформаторах — отношение электромагнитной энергии, получаемой во вторичной обмотке, к энергии, потребляемой первичной обмоткой.

Для вычисления КПД разные виды энергии и механическая работа выражаются в одинаковых единицах на основе механического эквивалента теплоты и других аналогичных соотношений. В силу своей общности понятие КПД позволяет сравнивать и оценивать с единой точки зрения такие различные системы, как атомные реакторы, электрические генераторы и двигатели, теплоэнергетические установки, полупроводниковые приборы, биологические объекты и т. д.

Из-за неизбежных потерь энергии на трение, на нагревание окружающих тел и т. п. КПД всегда меньше единицы. Соответственно этому КПД выражается в долях затрачиваемой энергии, то есть в виде правильной дроби или в процентах, и является безразмерной величиной. КПД тепловых электростанций достигает 35-40%, с утилизацией тепла — 60-70%, двигателей внутреннего сгорания с наддувом и предварительным охлаждением — 40-50%, динамомашин и генераторов большой мощности — 95%, трансформаторов — 98%. КПД процесса фотосинтеза составляет обычно 6-8%, у хлореллы он достигает 20-25%. У тепловых двигателей в силу второго начала термодинамики КПД имеется верхний предел, определяемый особенностями термодинамического цикла (кругового процесса), который совершает рабочее вещество. Наибольшим КПД обладает цикл Карно.

Различают КПД отдельного элемента (ступени) машины или устройства и КПД, характеризующий всю цепь преобразований энергии в системе. КПД первого типа в соответствии с характером преобразования энергии может быть механическим, термическим и т. д. Ко второму типу относятся общий, экономический, технический и другие виды КПД. Общий КПД системы равен произведению частных КПД, или КПД ступеней.

В технической литературе КПД иногда определяют таким образом, что он может оказаться больше единицы. Подобная ситуация возникает, если определять КПД отношением W_пол/W_затр, где W_пол — используемая энергия, получаемая на «выходе» системы, Wзатр — не вся энергия, поступающая в систему, а лишь та её часть, для получения которой производятся реальные затраты. Например, при работе полупроводниковых термоэлектрических обогревателей (тепловых насосов) затрата электроэнергии меньше количества теплоты, выделяемой термоэлементом. Избыток энергии черпается из окружающей среды. При этом, хотя истинный КПД установки всегда меньше единицы, рассмотренный КПД h=W_пол/W_затр может оказаться больше единицы. Например, тепловой КПД кондиционеров в среднем равен 300%.

«Тепловая смерть Вселенной» – гипотетическое состояние мира, к которому якобы должно привести его развитие в результате превращения всех видов энергии в тепловую и равномерного распределения последней в пространстве; в таком случае Вселенная должна прийти в состояние однородного изотермического равновесия, характеризуемого максимальной энтропией. Допущение тепловой смерти Вселенной формулируется на основе абсолютизации второго начала термодинамики, согласно которому энтропия замкнутой системы может только возрастать.

 

1.2. Естественная и искусственная радиоактивность.

ВОРОНЕЖСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ ИМ. НН. БУРДЕНКО

КАФЕДРА ОНКОЛОГИИ (: КУР( ‘ОМ ЛУЧЕВ( )Й ДИА1 МОСТИКИ И ЛУЧЕВОЙ ТЕРАПИИ

()гнерубов 11. А., Шатов А. В., Ковтун Н. Н.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕДИЦИНСКОЙ РАДИОЛОГИЕЙ ПРИНЦИПЫ ПРОТИВОЛУЧЕВОЙ

ЗАЩИТЫ

МвТО (Ические рекомендации

11оронеж 1001

УДК 615.849-084

Огмерубов II. А_ч Шитов Л, В._у Ковтун Н. Н.

Фи мческие основы медицинской радиологии и принципы противолучевой защиты: Метод, рекомендации.-Вороне» Ю01 J8(

Печатаются по рпипшю центрального координационно-методического совета Воронежской государственной медицинской академии им. н.н. Б) р юнко «i i 5 06.20011.

Реиензент:

доктор медицинских наук, профессор,

!аведующий кафедрой акушерства и гинекологии ВГМА им. Н. Н. Бурденко

В. И. Бычков

© Воронежская государственная меди ци н екая акаде м и я и м. Н.Н. Бурденко, 2001

1. Физические основы медицинской радиологии. Характеристика ио­низирующих изучений.

/. /. Строение атома.

Атом — наименьшая часть химического элемента, являющаяся носи­телем его свойств и состоит из определенного числа трех видов элемен­тарных (составных) частиц: протонов (р), нейтронов (>?) и электронов (в). Протоны и нейтроны, масса каждого из которых примерно в 1800 раз больше массы электрона, образуют тяжелое положительно заряженное ядро очень малых (10~¹³ — КГ¹-см) размеров. Заряд ядра обусловлен про­тонами, имеющими положительный электрический заряд, тогда как ней­троны не имеют электрического заряда. Протоны и нейтроны (которые вместе называют нуклонами и обозначают /V) удерживаются внутри атом­ного ядра ядерными силами притяжения. Ядерные силы — самые интен­сивные силы природы и в пределах атомного ядра они действуют гораздо (раз в 100) сильнее электромагнитных сил и поэтому удерживают внутри ядра одноименно заряженные протоны. Атомные ядра различных элемен­тов отличаются друг от друга числом содержащихся в них протонов и нейтронов. В ядрах легких элементов число протонов примерно равно числу нейтронов, в тяжелых — протонов примерно 40%, а нейтронов -60%. Вокруг атомного ядра на очень больших расстояниях, по сравнению с размерами ядра, находятся отрицательно заряженные электроны, кото­рые удерживаются в области атома электромагнитными силами притяже­ния, действующими со стороны положительно заряженного ядра. Число электронов, образующих электронные оболочки в атоме, равно числу про­тонов в ядре. Переносчиками (квантами) электромагнитного взаимодейст­вия являются фотоны. Фотоны не входят в состав атома, а образуются в момент их испускания. Количество электронных оболочек у атомов неко­торых элементов может достигать семи и они обозначаются латинскими

■

буквами в следующей последовательности: ближайшая к ядру — К, и далее — L M N, О, Р, Q.

Основной характеристикой атома является заряд яОра, величина ко-roporq определяется суммой зарядов входящих в состав ядра протонов. Заряд ядра определяет порядковый, или атомный номер элемента в пе­риодической системе элементов Д.И. Менделеева. В обычных условиях атом в целом электрически нейтрален, поскольку положительный заряд ядра равен суммарному отрицательному заряду окружающих его электро­нов. Другой характеристикой атома является массовое число, которое представляет собой сумму масс содержащихся в ядре протонов и нейтро­нов. Разновидности одного химического элемента, имеющие один и тот же порядковый номер в таблице Д.И. К4енделеева, но разные массовые числа (т.е., ядра с одинаковым числом протонов, но разным числом ней­тронов) называются изотопами или нуклидами,. От соотношения числа протонов и нейтронов, входящих в состав ядра, зависит стабильность по­следнего и ряд других его свойств. Чем значительнее количество нейтро­нов в ядре превышает количество протонов, тем меньше силы внутри­ядерного сцепления способны обеспечить его устойчивость. В процессе преобразования атомных ядер из них испускаются электроны и антиней­трино (|3 -распад), позитроны и нейтрино (ff-распад), фотоны большой энергии — у-кванты (у-излучение). Перечисленные частицы не входят в со­став ядра, так как они образуются непосредственно в момент испускания. Тем не менее, эти частицы также называют элементарными, потому что ни одну из них нельзя «составить» из других (тогда как атомное ядро можно составить из протонов и нейтронов, а атом — из протонов, нейтро­нов и электронов). У каждой элементарной частицы существует античас­тица. Частица и античастица имеют тождественные массу, спин (собст­венный момент количества движения), время жизни и противоположные заряды. Античастица электрона — позитрон, протона и нейтрона — анти-

протон и антинейтрон. В связи с тем, что у античастиц заряды противопо­ложны зарядам соответствующих частиц, встреча частицы со своей анти­частицей приводит к специфическому ядерному процессу — аннигиляции. В процессе аннигиляции частица и античастица превращаются в другие частицы с меньшей массой (но зато с большой кинетической энергией) или электромагнитное излучение (у-кванты). В процессе аннигиляции ос­вобождается значительная энергия.

Хорошо известно, что ряд атомных ядер из числа встречающихся в природе, например ядра радия, урана, тория и др., обладают способностью самопроизвольно испускать а-частицы, электроны и у-кванты. Такие ядра (и элементы) называют радиоактивными. Про них говорят, что они обла­дают естественной радиоактивностью. Процесс самопроизвольной пере­стройки или распада неустойчивых ядер атомов называется радиоактив­ностью. Естественная радиоактивиость способность к самопроиз­вольному распаду ядер атомов тех элементов, которые находятся в есте­ственных условиях в окружающей среде. При радиоактивном превраще­нии (распаде) чаще образуется цепочка элементов, связанных серией ядерных превращений, которая называется радиоактивным семейством. Известны радиоактивные семейства урана, радия тория и актиния.

Искусственная радиоактивность — способность к распаду ядер ато­мов химических элементов полученных искусственным путем из стабиль­ных элементов. Искусственные радиоактивные изотопы или радионукли­ды получают путем бомбардировки ядер различными частицами — прото­нами, нейтронами и др. Для получения радионуклидов широко использу­ются ядерные реакторы, в которых исходные стабильные элементы облу­чаются медленными нейтронами.

4

Радиоактивный распад естественных и искусственных радионукли­дов характеризуется определенной вероятностью распада некоторого чис­ла ядер в единицу времени — постоянной распада (XV На практике обычно для характеристики этого процесса используется другая величина — пери­од полураспада (Т’а) — время в течение которого распадается половина общего количества ядер атомов данного радионуклида.

1.3. Виды радиоактивного распада.

Процесс радиоактивного распада сопровождается сложным по соста­ву и неоднородным излучением, физическую природу которого впервые определил Э. Резерфорд. При а-распаде из радиоактивного ядра испуска­ется а-частица, т.е. ядро гелия (Не), состоящее из двух протонов и двух нейтронов. Таким образом, дочернее ядро имеет на два протона и два ней­трона меньше, чем исходное. В процессе {3-распада из радиоактивного яд­ра самопроизвольно испускается электрон (электронный р-распаб) или позитрон (позитронный fi-раснад), которые возникают в самый момент fi—распаОа (их нет в ядре). Третьим видом ^-распада является захват ядром электрона из электронной оболочки своего атома (е-захвагп). Во всех трех случаях //-распад сопровождается испусканием нейтрино (или антиней­трино). В результате электронного /?~ распада заряд ядра повышается, а при позитронном //-распаде и е-захвате он понижается на единицу. Мас­совое число ядра, т.е. общее число протонов и нейтронов, остается неиз­менным: ядро превращается в изобар (один нейтрон превращается в про­тон или наоборот). Как и в случае а-распада, возможность //-распада оп­ределяется тем. что исходное радиоактивное ядро имеет большую массу (и энергию покоя), чем продукты /У-распада. Избыток энергии покоя осво­бождается в форме кинетической энергии электрона (позитрона), энергии антинейтрино (нейтрино) и дочернего ядра. Например, нейтрон тяжелее

протона и электрона, вместе взятых, поэтому энергетически возможен и действительно наблюдается //-распад нейтрона:

п—>р +■ е + ve.

Это простейший вид //-распада. Он происходит с периодом полурас­пада ТУг-10,5 мин.

В процессе у-излучения ядро самопроизвольно переходит из возбуж­денного состояния в менее возбужденное. При этом избыток энергии ядра освобождается в виде кванта (порции энергии) коротковолнового элек­тромагнитного излучения -у-кванта.

у-излучателями являются практически все дочерние ядра — продукты распада а~ к //-радиоактивных ядер, так как они образуются не только в основном (невозбужденном), но и в возбужденном состоянии. Обычно время пребывания ядра в возбужденном состоянии бывает очень неболь­шим, трудноизмеримым (т~10 ¹³ с). Однако в некоторых случаях возбуж­денное состояние ядра может продолжаться очень долго: секунды, мину­ты, часы, годы и даже тысячелетия. Такие состояния называют метаста-бильными. Ядро, имеющее метастабильное состояние (уровень), называ­ется изомером. Ядро-изомер как бы содержит в себе свойства двух ядер. Его параметры (масса, спин, магнитный момент и др.) в основном и мета-стабильном состояниях различны. Это приводит к ряду особенностей в свойствах ядер-изомеров. Например, /^-радиоактивное ядро-изомер может иметь два (или больше) периода полураспада. Эти свойства ядер-изомеров некоторых элементов (Tc-99-m и др.) обусловили их применение в меди­цинской радиологии.

Кроме общеизвестных радиоактивных процессов (а- и //-распады, у-изл учение) известно еще несколько процессов, происходящих по закону радиоактивного распада, — это протонная радиоактивность, спонтанное деление тяжелых (> 90) ядер, испускание запаздывающих нейтронов и др.

3. Открытие радиоактивного излучения. Естественная и искусственная радиоактивность

Идея о сложном строении атомов высказывалась задолго до того, как были получены экспериментальные данные, позволившие создать современную модель атома. Среди учёных, высказывавших эту идею, следует особо отметить русского революционера Н. А. Морозова, который ещё в 80-90-х годах позапрошлого столетия, основываясь на периодическом законе Менделеева, подробно разработал теорию строения атома из электрических зарядов. В 1912 г. удалось получить убедительные доказательства реальности существования атомных ядер. Однако история наших знаний об атомных ядрах начинается с более раннего периода.

Ядерную летопись следует вести с 1896 г. Началось всё с одной научной ошибки, или, чтобы быть более точным, с неправильной научной гипотезы.

Вопрос стоял о природе загадочных тогда «X-лучей», открытых незадолго перед этим (1895 г.) Вильгельмом Рентгеном и называемых ныне рентгеновскими лучами. Учёные всех стран находились тогда под впечатлением этого открытия. Работа Рентгена тщательно изучалась и обсуждалась. Французский учёный Анри Беккерель обратил внимание на указание Рентгена о том, что обнаруженные им невидимые глазом рентгеновские лучи выходят из конца стеклянной трубки, светящейся желтовато-зелёным светом, напоминающим свет флюоресцирующих веществ. И жёлто-зелёное свечение, и рентгеновские лучи выходили из одного и того же места стеклянной трубки. Это не было случайностью. В трубке, с которой производил свои исследования Рентген, возникновение «X-лучей» всегда сопровождалось желтовато-зелёным свечением стекла.

Беккерель долгое время занимался изучением различных флюоресцирующих веществ, которые под влиянием солнечного освещения начинают излучать свой собственный, характерный для них свет.

Мысль, которая послужила толчком к опытам Беккереля, была проста — не является ли флюоресценция причиной рентгеновских лучей? Может быть, рентгеновские лучи существуют всегда, когда есть флюоресценция? Сейчас, в свете наших знаний о строении атома и природе рентгеновских лучей, эта мысль кажется нелепой, но в то время, когда природа этих лучей была неизвестна, это предположение казалось вполне естественным.

Надо сказать, что Беккерелю повезло. По счастливой случайности в качестве флюоресцирующего вещества он взял одну из солей урана — двойную сернокислую соль урана и калия. Это обстоятельство предопределило успех опыта. Сам опыт был крайне прост и состоял в следующем.

Фотографическая пластинка тщательно заворачивалась в чёрную бумагу, не прозрачную для видимых лучей. Поверх бумаги на пластинку помещалась двойная сернокислая соль урана-калия. После этого пластинка выставлялась на яркий солнечный свет. По истечении нескольких часов пластинка проявлялась с соблюдением всех необходимых предосторожностей. При этом на пластинке было обнаружено тёмное пятно, напоминающее по своей форме контуры флюоресцирующего вещества. Серией контрольных опытов Беккерель показал, что это потемнение появилось в результате действия на фотографическую пластинку лучей, исходящих из двойной сернокислой соли урана-калия и проходящих через непроницаемую для солнечного света чёрную бумагу.

Сначала Беккерель не сомневался в том, что это и есть рентгеновские лучи. Однако очень скоро он понял, что ошибся. Случилось однажды так, что день, в который он производил свои опыты, был пасмурным, и соль урана почти не флюоресцировала. Полагая, что опыт будет неудачен, он убрал пластинку вместе с двойной сернокислой солью урана-калия в шкаф, где она и пролежала несколько дней. Перед новым опытом, не будучи уверенным в пригодности этой пластинки, он её проявил. К своему удивлению, он обнаружил на пластинке потемнение, представляющее отпечаток соли, причём интенсивность отпечатка была необыкновенно сильной. Между тем в тёмном шкафу соль не флюоресцировала. Следовательно, дело было вовсе не в флюоресценции: что-то действовало на пластинку и без неё.

Было очевидно, что Беккерель столкнулся с какими-то новыми лучами. Очень скоро удалось установить, что эти лучи обязаны своим возникновением урану. Только те из флюоресцирующих веществ, в состав которых входил уран, действовали на фотографическую пластинку. На фотопластинку действовали любые соли урана. Однако сильнее всего действовал сам уран.

Лучи, открытые Беккерелем, несколько схожи с лучами Рентгена. Они действуют на фотопластинку, проходят через чёрную бумагу и слои металла небольшой толщины. Есть, однако, и большое различие между этими лучами. Рентгеновские лучи возникают при электрическом разряде, происходящем в сильно разрежённом газе. Давление газа должно быть порядка одной миллионной доли атмосферного давления. К электродам, между которыми происходит разряд, необходимо приложить весьма высокое напряжение, — в сотни раз превышающее напряжение в 110 вольт, которым мы пользуемся в обыденной жизни. Рентгеновские лучи возникают при этих условиях независимо от природы газа, наполняющего рентгеновскую трубку, а также независимо от вещества, из которого сделаны электроды.

Лучи Беккереля не требуют никакого электрического напряжения, ни большого, ни малого. Не нужен и разрежённый газ. Рентгеновские лучи возникают только в присутствии электрического разряда; лучи Беккереля излучаются всегда, всё время, непрерывно. Но их излучает только уран. Только ли уран? Этот вопрос и был поставлен Марией Склодовской-Кюри.

Поиски Марии Кюри были длительны и невероятно трудны. Они продолжались около двух лет, в течение которых было исследовано огромное количество различных солей, минералов, рудных пород. Наконец, Кюри добилась удачи. Оказалось, что соли тория также испускают лучи Беккереля. Так же, как и в случае урана, оказалось, что интенсивность беккерелевых лучей тем больше, чем больше тория содержалось в веществе, и что чистый торий по сравнению с его соединениями отличается наибольшей интенсивностью.

В поисках веществ, испускающих беккерелевы лучи, Мария Кюри не пользовалась фотографической пластинкой. Она применяла другое замечательное свойство этих лучей, обнаруженное Беккерелем.

В своих первых опытах он заметил, что под влиянием лучей, испускаемых ураном, воздух становится проводником электричества. Это замечательное свойство беккерелевых лучей сильно упрощает поиски веществ, которые их излучают.

Испытание вещества производится просто. Заряжают электроскоп — прибор, позволяющий измерять электрические заряды. Когда электроскоп заряжают, листочки его, прикреплённые к металлическому стержню, отталкиваются друг от друга и расходятся на некоторый угол, тем больший, чем больший заряд получает электроскоп. В таком положении листочки будут находиться до тех пор, пока на стерженьке электроскопа будет сохраняться заряд. Заряд же будет сохраняться лишь в том случае, если листочки будут хорошо изолированы от корпуса электроскопа. Воздух, как известно, является хорошим изолятором, поэтому обычно листочки, отошедшие друг от друга, довольно долго сохраняют своё положение. Стоит, однако, внести в электроскоп немного урана или его солей, как он быстро разрядится, листочки спадут и соединятся друг с другом. Так, в течение буквально двух-трёх минут можно установить, излучает ли испытуемое вещество лучи Беккереля или нет (следует отметить, что этот простой способ обнаружения веществ, излучающих лучи Беккереля, находит себе применение и поныне).

Продолжая свои поиски, Кюри натолкнулась на удивительный факт. Оказалось, что урановая смоляная обманка — руда, из которой добывают металлический уран, испускает беккерелевы лучи с гораздо большей интенсивностью, чем чистый уран. Стало ясно, что в смоляной обманке находится в виде примеси какое-то новое вещество, способное испускать лучи Беккереля с очень большой интенсивностью, ибо малая примесь этого вещества, ускользавшая от внимания химиков, излучала сильнее, чем уран, которого в руде было несравнимо больше. Долгим и упорным трудом Марии Кюри, работавшей вместе со своим мужем Пьером Кюри, удалось выделить два новых вещества — носителей беккерелевского излучения. Всем веществам, способным излучать лучи Беккереля, Мария Кюри дала общее название — радиоактивные (что значит способные испускать лучи), а само явление — испускание этих лучей — получило название радиоактивности. В дальнейшем и сами лучи, открытые Беккерелем, стали называть радиоактивными лучами.

Два новых вещества, открытых Кюри, не находились в списке ранее известных элементов (уран и торий были известны задолго до открытия Беккереля). Это были новые элементы. Один из них был назван полонием (в честь Польши — родины Марии Склодовской-Кюри). Другой радиоактивный элемент, сходный по химическим свойствам с барием, назвали радием.

Открытие радия внесло огромный вклад в исследование радиоактивности. По своему значению это открытие можно смело поставить в один ряд с открытием лучей Беккереля или Рентгена. Интенсивность излучения радия оказалась в миллион раз больше интенсивности лучей урана. Это количественное различие привело к громадным последствиям. Благодаря силе радиевого излучения удалось изучить целый ряд новых свойств радиоактивных лучей, а некоторые из них нашли себе вскоре и практическое применение.

Радиоактивность и радиация

Радиоактивностью называется явление самопроизвольного превращения ядер одного химического элемента в ядра другого химического элемента (распад). Эти превращения являются следствием фундаментальных физических взаимодействий: сильного (испускание ядерных частиц: нейронов, протонов, альфа-частиц), слабого (бета-распад), электромагнитного (гамма-излучение).

Открытие в 1896 году Анри Беккерелем явления радиоактивности привело к установлению того факта, что атомы не только обладают сложной внутренней структурой, но и способны к самопроизвольным превращениям. 1 марта 1896 года Анри Беккерель обнаружил, что уран непрерывно испускает проникающее излучение неизвестной природы, которая оказалась совершенно отличной от природы рентгеновских лучей.

Радиоактивные превращения ядер обязательно сопровождаются испусканием радиоактивных излучений, или радиацией.

Радиация, или ионизирующее излучение – это частицы и гамма-кванты, энергия которых достаточно велика, чтобы при воздействии на вещество создавать ионы разных знаков.

Различают несколько видов радиации.

Альфа-излучение – поток двухзарядных ионов  атомов гелия.

Бета-излучение – поток электронов.

Гамма-излучение – электромагнитное излучение с большой проникающей способностью.

Нейтроны – электрически нейтральные частицы, которые возникают непосредственно вблизи работающего атомного реактора.

Рентгеновское излучение подобно гамма-излучению, но имеет меньшую энергию.

Источниками радиации являются  радиоактивные вещества или ядерно-технические установки (реакторы, ускорители, рентгеновское оборудование и т.п.) – могут существовать значительное время, а радиация существует лишь до момента своего поглощения в каком-либо веществе.

Естественной радиоактивностью вещества называется самопроизвольный распад ядер элементов, встречающихся в природе. Если самопроизвольный распад ядер элементов получают искусственным путем через соответствующие ядерные реакции, речь идёт об искусственной радиоактивности вещества.

Процесс радиоактивного распада также называют радиоактивностью.

Радиоактивный распад любого вида происходит по одному закону – закону радиоактивного распада. Этот закон имеет следующее математическое выражение

N = N₀2 – t/T,

где N₀ – число радиоактивных ядер в момент времени t = 0, N – число ядер в момент времени t, T – постоянная для данного изотопа величина, называемая периодом полураспада.

Период полураспада – это промежуток времени Т, в течение которого распадается половина первоначального количества ядер. Каждый радионуклид обладает своим постоянным и неизменным периодом полураспада: от доли секунды до миллиарда лет.

Как следует из данной выше формулы, за время t, равное периоду полураспада, количество радиоактивных ядер в результате распада убывает в два раза. Например, если период полураспада  вещества составляет 1 час, значит,  через 1 час количество радионуклида станет меньше первоначального в 2 раза, через 2 часа – в 4, через 3 часа – в 8 раз и т.д., но полностью не исчезнет никогда. Радиация, излучаемая данным веществом, будет уменьшаться в такой же пропорции.

Формула N = N₀2 – t/T  с высокой точностью описывает процесс распада в том случае, если N₀ достаточно велико (N₀ > 10⁶) и время наблюдения соизмеримо со значением периода полураспада.

Мерой радиоактивности служит активность. В СИ единицей активности является беккерель. 1 Бк – это активность радиоактивного препарата, в котором происходит распад одного ядра за 1 с. Содержание активности в веществе часто оценивают на единицу веса вещества (Бк/кг) или объема (Бк/м³).

Внесистемная единица активности – 1 Кюри (Ки) = 37000000000 Бк = 3,7 · 10¹⁰ Бк. Чем меньше период полураспада Т, тем быстрее происходит распад, тем активнее элемент.

Остались вопросы? Не знаете, что такое радиоактивность?
Чтобы получить помощь репетитора – зарегистрируйтесь.
Первый урок – бесплатно!

Зарегистрироваться

© blog.tutoronline.ru, при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.

Искусственная радиоактивность — Мегаэнциклопедия Кирилла и Мефодия — статья

Иску́сственная радиоакти́вность — самопроизвольный распад нуклидов (ядер элементов), полученных искусственным путем через ядерные реакции. Искусственную радиоактивность открыли супруги Ирен и Фредерик Жолио-Кюри. Сообщение об этом было сделано 15 января 1934 года на заседании Парижской академии наук. Супруги Жолио-Кюри установили, что после бомбардировки альфа-частицами некоторые легкие элементы — магний, бор, алюминий — испускают позитроны. Исследователи попытались установить механизм этого испускания, которое отличалось по своему характеру от всех известных в то время случаев ядерных превращений. Ученые поместили источник альфа-частиц (препарат полония) на расстоянии одного миллиметра от алюминиевой фольги. Затем они подвергали ее облучению в течение примерно десяти минут. Счетчик Гейгера-Мюллера показал, что фольга испускает излучение, интенсивность которого падает во времени по экспоненциальной зависимости с периодом полураспада 3 минуты 15 секунд. В экспериментах с бором и магнием периоды полураспада составили 14 и 2, 5 минут соответственно. Обнаружение искусственной радиоактивности было оценено как одно из крупнейших открытий века. До этого радиоактивность, которая была присуща некоторым элементам, не могла быть ни вызвана, ни уничтожена, ни как-нибудь изменена человеком. Супруги Жолио-Кюри впервые искусственно вызвали радиоактивность, получив новые радиоактивные изотопы. Продолжив эти исследования, итальянский ученый Энрико Ферми показал, что бомбардировка нейтронами вызывает искусственную радиоактивность в тяжелых металлах. Искусственная радиоактивность является распространенным явлением: ученые получили по нескольку искусственно-радиоактивных изотопов для каждого из элементов периодической системы. Общее число известных искусственно-радиоактивных изотопов превышает 1500, тогда как естественно-радиоактивных изотопов существует лишь около 40, а число устойчивых (нерадиоактивных) изотопов равно 260. Все три типа излучений (альфа, бета, гамма), характерные для естественной радиоактивности, — испускаются также и искусственно-радиоактивными веществами.