Основы ядерной физики. Понятия ядерной медицины.
1. Общие сведения об атомных ядрах. Изотопы.
2. Искусственная радиоактивность
3. Природа радиоактивного излучения. Альфа-, бета- и гамм-лучи.
4. Законы радиоактивного распада.
5. Биологическое действие радиационного излучения на организм.
6. Радиоизотопная диагностика.
1.Все атомные ядра состоят из двух видов частиц: протонов и нейтронов. Протон имеет положительный заряд, равный заряду электрона ( Кл) и массу покоя mp=1.673 кг. Нейтрон не имеет заряда, его масса несколько больше массы протона: кг.Массу ядер и элементарных частиц обычно выражают в атомных единицах массы (а.е.м.).За атомную единицу массы принята 1/12 массы изотопа углерода С12, 1 а.е.м.=1,66 кг
Заряд атомного ядра любого химического элемента, выраженный в элементарных зарядах, равен атомному номеру Z этого элемента, следовательно, число протонов Np=Z.
Практически вся масса атома сосредоточена в ядре. Сумма масс протонов и нейтронов равна массовому числу атома в а.е.м.
Np+Nn=A или Z+ Nn=A
Тогда число нейтронов в атомном ядре равно
Nn= A- Z
Атомные ядра химических элементов обозначаются символом , где Х-символ элемента, А-массовое число , Z-атомный номер.
Атомы, ядра которых состоят из одинакового числа протонов, но из различного числа нейтронов, называются изотопами. Все изотопы одного химического элемента имеют одинаковое строение электронных оболочек. Поэтому у изотопов данного элемента одинаковы, как химические свойства, так и те физические свойства, которые обусловлены главным образом структурой электронной оболочки. Физические свойства, обусловленные структурой ядра, заметно различаются.
Устойчивость атомных ядер обеспечивается краткодействующими ядерными силами притяжения. Ядерные силы исключительно велики: они значительно превышают кулоновские силы отталкивания, действующие между протонами, расположенными близко друг от друга. Ядерные силы проявляются на очень малых расстояниях ~10-13см. При незначительном увеличении расстояния между нуклонами ядерные силы уменьшаются до нуля и кулоновские силы разъединяют протоны (разрушают ядро).
Самыми устойчивыми являются ядра легких элементов, состоящие из приблизительно одинакового числа протонов и нейтронов. У тяжелых элементов, ядра которых состоят из большого числа нуклонов, ядерные силы уже не обеспечивают устойчивости ядра. Такие ядра могут самопроизвольно распадаться, превращаясь в ядра легких элементов. Это явление носит название естественной радиоактивности.
2.Изучение естественной радиоактивности показало, что превращение одного химического элемента в другой обусловлено внутриядерными процессами, т.е. изменениями, происходящими внутри атомных ядер. В связи с этим были предприняты попытки искусственного превращения одних химических элементов в другие путем воздействия на атомные ядра. Первая ядерная реакция была осуществлена Э.Резерфордом в 1919г. Облучая - частицами азот, он получил изотоп кислорода и протон:
В 1932 г. Дж.Чедвик в одной из ядерных реакций открыл нейтрон:
Открытие нейтрона сыграло роль в атомной физике. Имея ту же массу, что и протон, но, не обладая электрическим зарядом, нейтрон легко проникал в атомном ядре, вызывая реакции.
3.По своему составу радиоактивное излучение является сложным: в него входят три различных вида излучения, получивших название -лучей, -лучей и -лучей.
-лучи представляют собой поток атомных ядер , называемых -частицами. Они отклоняются электрическим и магнитным полями. Они вылетают из ядер радиоактивных элементов со скоростями от 14000 до 20000км/с.
Путь, проходимый -частицей в веществе (до остановки),называется ее пробегом, или проникающей способностью, а число пар ионов, создаваемых -частицей на пробеге, называется ее ионизирующей способностью. Пробег -частицы в воздухе составляет 3-9см. -частицы полностью поглощаются, например, слоем алюминия толщиной 0,06мм или слоем биологической ткани толщиной 0,12мм.
-лучи отклоняются электрическим и магнитным полями; они представляют собой поток быстрых электронов, называемых -частицами. Масса их в 7350 раз меньше массы -частицы. Средняя скорость -частиц составляет около 160000км/с. Ионизирующая способность -частиц значительно меньше, а пробег во много раз больше, чем у -частиц. Пробег -частицы достигает в воздухе 40м, в алюминии-2см, в биологической ткани-6см.
-лучи представляют собой поток фотонов высокой частоты. По своим свойствам -лучи во многом подобны характеристическим рентгеновским лучам. Они не отклоняются электрическими и магнитными полями, распространяются со скоростью света. Но в отличие от рентгеновских лучей -лучи испускаются атомным ядром. Ионизирующая способность -лучей невелика. -лучи являются одним из самых проникающих излучений. Наиболее жесткие -лучи проходят через слой свинца толщиной 5см или через слой воздуха толщиной несколько сотен метров, тело человека они пронизывают насквозь.
4.Радиоактивное излучение ведет к превращению элементов. При испускании -частицы заряд ядра уменьшается на единицу, а масса практически не изменяется. При этом радиоактивный элемент превращается в другой элемент с атомным номером, на единицу большим и с тем же массовым числом. Иначе говоря, при -распаде элемент смещается в периодической таблице на один номер вправо без изменения массового числа. Символически это смещение записывается так:
При испускании -частицы заряд ядра уменьшается на 2 единицы, а массовое число на 4:
В соответствии с законом радиоактивного распада
,
Где N0 –число атомов элемента в начальный момент времени, N-число атомов того же элемента, оставшихся по истечении времени t, - постоянная распада данного элемента.
Для характеристики быстроты распада радиоактивного элемента вводится понятие периода полураспада. Периодом полураспада Т называется время, в течение которого количество атомов исходного элемента уменьшается вдвое.
Величина , обратно пропорциональная постоянной распада, представляет собой среднее время жизни радиоактивного атома:
Число атомных распадов, совершающихся в радиоактивном элементе за 1 с, называется активностью этого элемента:
Энергия связи - это энергия, необходимая для полного расщепления ядра на отдельные нуклоны без сообщения им кинетической энергии.
Масса ядра Мя всегда меньше суммы масс составляющих его нуклонов, взятых в свободном состоянии (состояние покоя) на величину, называемую дефектом массы :
В соответствии с теорией относительности ,
Где с –скорость света, -энергия связи.
Для установления интенсивности радиоактивного образца и количества излучения, поглощенного объектом, используют две единицы: кюри(Ки) и Рад. 1 Ки радиоактивности соответствует 3,7 распадов в секунду.
Коэффициент k, показывающий во сколько раз эффективность биологического действия данного вида излучения больше, чем рентгеновского или гамма-излучения, при одинаковой дозе излучения в тканях, является коэффициентом качества. Он устанавливается опытным путем.
Эквивалентной дозой излучения, характеризующей биологическое действие ионизирующего излучения, называют произведение H=Dk. Она измеряется в Бэрах.
Дата добавления: 2015-01-13; просмотров: 880;