کاربرد ایزوتوپ ها در پزشکی در علم شروع کنید

اسلاید 4

جدول 1. ویژگی های اصلی رادیونوکلئیدها - تابنده های γ برای استفاده برای اهداف تشخیصی

اسلاید 5

اسلاید 6

Co60 برای درمان تومورهای بدخیم واقع در سطح بدن و داخل بدن استفاده می شود. برای درمان تومورهایی که به صورت سطحی قرار دارند (مثلاً سرطان پوست)، از کبالت به شکل لوله هایی که روی تومور اعمال می شود یا به شکل سوزن هایی که به داخل آن تزریق می شود، استفاده می شود. لوله ها و سوزن های حاوی رادیوکبالت تا زمانی که تومور از بین برود در این موقعیت نگه داشته می شوند. در این حالت، بافت سالم اطراف تومور نباید آسیب زیادی ببیند. اگر تومور در عمق بدن قرار داشته باشد (سرطان معده یا ریه)، از دستگاه های γ مخصوص حاوی کبالت رادیواکتیو استفاده می شود. این نصب یک پرتو باریک و بسیار قدرتمند از اشعه γ ایجاد می کند که به سمت محل قرارگیری تومور هدایت می شود. تابش هیچ دردی ایجاد نمی کند، بیماران آن را احساس نمی کنند.

اسلاید 7

دوربین دیجیتال رادیوگرافی برای دستگاه های فلوروگرافی KRTs 01-"PONI"

اسلاید 8

ماموگرافی یک سیستم ماموگرافی مدرن با دوز تابش کم و وضوح بالا است که تصاویری با کیفیت بالا از پستان که برای تشخیص دقیق لازم است ارائه می کند.

اسلاید 9

دستگاه فلوروگرافی دیجیتال FC-01 "Electron" برای انجام معاینات پرتو ایکس پیشگیرانه جمعی به منظور تشخیص به موقع سل، سرطان و سایر بیماری های ریوی با قرار گرفتن در معرض اشعه کم در نظر گرفته شده است.

اسلاید 10

توموگرافی کامپیوتری توموگرافی کامپیوتری روشی برای بررسی لایه به لایه اشعه ایکس اندام ها و بافت ها است. این بر اساس پردازش کامپیوتری چندین عکس اشعه ایکس از لایه عرضی گرفته شده در زوایای مختلف است.

اسلاید 11

براکی تراپی یک عمل رادیکال نیست، بلکه یک عمل تقریباً سرپایی است که طی آن دانه های تیتانیوم حاوی ایزوتوپ را به اندام آسیب دیده تزریق می کنیم. این هسته رادیواکتیو تومور را تا حد مرگ از بین می برد. در روسیه، تاکنون تنها چهار کلینیک چنین عملی را انجام می دهند که دو مورد از آنها در مسکو، اوبنینسک و یکاترینبورگ هستند، اگرچه این کشور به 300-400 مرکز برای استفاده از براکی تراپی نیاز دارد.

اسلاید 12

ایزوتوپ ها در صنعت

اسلاید 13

کنترل سایش رینگ های پیستون در موتورهای احتراق داخلی با تابش نوترون به حلقه پیستون واکنش های هسته ای در آن ایجاد می کنند و آن را رادیواکتیو می کنند. هنگامی که موتور کار می کند، ذرات مواد حلقه وارد روغن روان کننده می شود. با بررسی سطح رادیواکتیویته در روغن پس از مدت زمان مشخصی از کارکرد موتور، سایش رینگ مشخص می شود.

اسلاید 14

پرتو y قدرتمند داروها برای مطالعه ساختار داخلی قطعات ریخته گری فلزی به منظور تشخیص عیوب در آنها استفاده می شود.

اسلاید 15

مواد رادیواکتیو قضاوت در مورد انتشار مواد، فرآیندهای کوره بلند و غیره را ممکن می‌سازد.

اسلاید 16

ایزوتوپ ها در کشاورزی

اسلاید 17

تابش بذرهای گیاهی (پنبه، کلم، تربچه و غیره) با دوزهای کمی از اشعه y از داروهای رادیواکتیو منجر به افزایش قابل توجه عملکرد می شود.

اسلاید 18

دوزهای زیاد تشعشع باعث ایجاد جهش در گیاهان و میکروارگانیسم ها می شود که در برخی موارد منجر به پیدایش جهش یافته هایی با خواص ارزشمند جدید (رادیو انتخاب) می شود. این گونه بود که انواع با ارزش گندم، لوبیا و سایر محصولات تولید شد. بدین گونه بود که انواع با ارزش گندم، لوبیا و سایر محصولات تولید شد و میکروارگانیسم های بسیار پربازده مورد استفاده در تولید آنتی بیوتیک ها به دست آمد.

اسلاید 19

تشعشعات گامای ایزوتوپ های رادیواکتیو نیز برای کنترل حشرات مضر و برای نگهداری مواد غذایی استفاده می شود.

اسلاید 20

ایزوتوپ ها در باستان شناسی

اسلاید 21

روش کربن رادیواکتیو کاربرد جالبی برای تعیین سن اشیاء باستانی با منشا آلی (چوب، زغال چوب، پارچه و غیره) دریافت کرده است. گیاهان همیشه حاوی ایزوتوپ کربن رادیواکتیو B 166C با نیمه عمر T=5700 سال هستند. در جو زمین در مقادیر کم از نیتروژن تحت تأثیر نوترون ها تشکیل می شود. دومی به دلیل واکنش های هسته ای ناشی از ذرات سریعی است که از فضا وارد جو می شوند (پرتوهای کیهانی). این کربن با ترکیب شدن با اکسیژن، دی اکسید کربن را تشکیل می دهد که توسط گیاهان و از طریق آنها توسط حیوانات جذب می شود. یک گرم کربن از نمونه های جنگلی جوان حدود پانزده ذره B در هر ثانیه ساطع می کند.

اسلاید 22

پس از مرگ ارگانیسم، دوباره پر کردن آن با کربن رادیواکتیو متوقف می شود. مقدار موجود این ایزوتوپ به دلیل رادیواکتیویته کاهش می یابد. با تعیین درصد کربن رادیواکتیو در بقایای آلی، می توان سن آنها را در محدوده 1000 تا 50000 و حتی تا 100000 سال تعیین کرد. به این ترتیب قدمت مومیایی های مصری، بقایای آتش سوزی های ماقبل تاریخ و ... مشخص می شود.

مشاهده همه اسلایدها

کار دوره

با موضوع: "رادیواکتیویته.

کاربرد ایزوتوپ های رادیواکتیو در فناوری

معرفی

1. انواع تشعشعات رادیواکتیو

2. انواع دیگر رادیواکتیویته

3. فروپاشی آلفا

4. پوسیدگی بتا

5. واپاشی گاما

6. قانون واپاشی رادیواکتیو

7. سری رادیواکتیو

8. اثر تشعشعات رادیواکتیو بر انسان

9. استفاده از ایزوتوپ های رادیواکتیو

فهرست ادبیات استفاده شده

معرفی

رادیواکتیویته- تبدیل هسته های اتم به هسته های دیگر، همراه با انتشار ذرات مختلف و تشعشعات الکترومغناطیسی. از این رو نام این پدیده: در رادیو لاتین - تشعشع، فعال - موثر است. این کلمه توسط ماری کوری ابداع شد. هنگامی که یک هسته ناپایدار - یک رادیونوکلئید - تجزیه می شود، یک یا چند ذره پرانرژی با سرعت زیاد از آن خارج می شوند. جریان این ذرات را تشعشعات رادیواکتیو یا به سادگی تشعشع می نامند.

اشعه ایکس.کشف رادیواکتیویته ارتباط مستقیمی با کشف رونتگن داشت. علاوه بر این، مدتی فکر می کردند که اینها همان نوع تشعشعات هستند. اواخر قرن 19 به طور کلی، او در کشف انواع مختلفی از "تابش های" ناشناخته قبلی غنی بود. در دهه 1880، فیزیکدان انگلیسی جوزف جان تامسون در سال 1891 شروع به مطالعه حامل های بار منفی اولیه کرد. سرانجام در ماه دسامبر ویلهلم کنراد رونتگن کشف نوع جدیدی از اشعه را اعلام کرد که آن را اشعه ایکس نامید. تاکنون در اکثر کشورها به این شکل نامیده می‌شود، اما در آلمان و روسیه پیشنهاد زیست‌شناس آلمانی رودولف آلبرت فون کولیکر (1817–1905) مبنی بر نامیدن پرتوهای اشعه ایکس پذیرفته شده است. این پرتوها زمانی ایجاد می شوند که الکترون هایی که به سرعت در خلاء پرواز می کنند (پرتوهای کاتدی) با یک مانع برخورد می کنند. مشخص بود که وقتی پرتوهای کاتدی به شیشه برخورد می کنند، نور مرئی ساطع می کند - لومینسانس سبز. اشعه ایکس کشف کرد که در همان زمان برخی پرتوهای نامرئی دیگر از نقطه سبز روی شیشه ساطع می شوند. این اتفاق به طور تصادفی رخ داد: در یک اتاق تاریک، یک صفحه نمایش در نزدیکی پوشیده شده با باریم تتراسیانوپلاتینات Ba (که قبلاً سولفید پلاتین باریم نامیده می شد) می درخشید. این ماده تحت تأثیر پرتوهای فرابنفش و کاتدی، درخشندگی زرد مایل به سبز روشن ایجاد می کند. اما پرتوهای کاتدی به صفحه نمایش برخورد نکردند و علاوه بر این، هنگامی که دستگاه با کاغذ سیاه پوشانده شد، صفحه نمایش همچنان به درخشش ادامه می داد. رونتگن به زودی متوجه شد که تشعشع از بسیاری از مواد مات عبور می کند و باعث سیاه شدن صفحه عکاسی می شود که در کاغذ سیاه پیچیده شده یا حتی در یک جعبه فلزی قرار داده شده است. پرتوها از یک کتاب بسیار ضخیم، از یک تخته صنوبر به ضخامت 3 سانتی متر، از یک صفحه آلومینیومی به ضخامت 1.5 سانتی متر عبور کردند... رونتگن به احتمالات کشف خود پی برد: "اگر دست خود را بین لوله تخلیه و صفحه نگه دارید." او نوشت: "شما می توانید استخوان های سایه های تیره را در پس زمینه خطوط روشن تر دست ببینید." این اولین معاینه فلوروسکوپی در تاریخ بود.

کشف رونتگن فوراً در سراسر جهان گسترش یافت و نه تنها متخصصان را شگفت زده کرد. در آستانه سال 1896، عکسی از یک دست در یک کتابفروشی در یکی از شهرهای آلمان به نمایش گذاشته شد. استخوان های یک انسان زنده روی آن نمایان بود و روی یکی از انگشتان آن حلقه ازدواج بود. این یک عکس اشعه ایکس از دست همسر رونتگن بود. اولین پیام رونتگن درباره نوع جدیدی از پرتوها"در 28 دسامبر در «گزارش‌های انجمن فیزیکی و پزشکی وورزبورگ» منتشر شد، بلافاصله ترجمه و در کشورهای مختلف منتشر شد، معروف‌ترین مجله علمی «نیچر» منتشر شده در لندن مقاله رونتگن را در 23 ژانویه 1896 منتشر کرد.

پرتوهای جدید در سراسر جهان تنها در یک سال شروع به کاوش کردند، بیش از هزار مقاله در مورد این موضوع منتشر شد. دستگاه های اشعه ایکس با طراحی ساده نیز در بیمارستان ها ظاهر شدند: استفاده پزشکی از پرتوهای جدید آشکار بود.

در حال حاضر اشعه ایکس به طور گسترده (و نه تنها برای اهداف پزشکی) در سراسر جهان استفاده می شود.

پرتوهای بکرل.کشف رونتگن به زودی به کشفی به همان اندازه قابل توجه منجر شد. در سال 1896 توسط فیزیکدان فرانسوی آنتوان هانری بکرل ساخته شد. در 20 ژانویه 1896، او در جلسه آکادمی شرکت کرد که در آن فیزیکدان و فیلسوف هنری پوانکاره در مورد کشف رونتگن صحبت کرد و عکس های اشعه ایکس از دست انسان را که در فرانسه گرفته شده بود را به نمایش گذاشت. پوانکاره خود را به صحبت در مورد پرتوهای جدید محدود نکرد. او پیشنهاد کرد که این پرتوها با لومینسانس مرتبط هستند و شاید همیشه با این نوع درخشش به طور همزمان ظاهر شوند، به طوری که احتمالاً بدون پرتوهای کاتدی امکان پذیر است. درخشندگی مواد تحت تأثیر تابش فرابنفش - فلورسانس یا فسفرسانس (در قرن نوزدهم تمایز دقیقی بین این مفاهیم وجود نداشت) برای بکرل آشنا بود: هم پدرش الکساندر ادموند بکرل (1820-1891) و هم پدربزرگش آنتوان سزار بکرل. (1788-1878) هر دو فیزیکدان درگیر آن بودند. پسر آنتوان هانری بکرل، ژاک، نیز فیزیکدان شد که کرسی فیزیک را در موزه تاریخ طبیعی پاریس به ارث برد.

بکرل تصمیم گرفت آزمایش کند که آیا اشعه ایکس با فلورسانس مرتبط است یا خیر. برخی از نمک های اورانیوم، به عنوان مثال، نیترات اورانیل UO 2 (NO 3) 2، فلورسانس زرد-سبز روشن را نشان می دهند. چنین موادی در آزمایشگاه بکرل، جایی که او کار می کرد، وجود داشت. پدرش همچنین با آماده سازی اورانیوم کار می کرد که نشان داد پس از قطع نور خورشید، درخشش آنها خیلی سریع - در کمتر از یک صدم ثانیه - از بین می رود. با این حال، هیچ کس بررسی نکرده است که آیا این درخشش با انتشار برخی پرتوهای دیگر که می توانند از مواد مات عبور کنند، همراه است یا خیر، همانطور که در مورد رونتگن بود. این دقیقاً همان چیزی است که بکرل پس از گزارش پوانکاره تصمیم گرفت بررسی کند. در 24 فوریه 1896، در جلسه هفتگی آکادمی، او گفت که یک صفحه عکاسی که در دو لایه کاغذ سیاه ضخیم پیچیده شده بود، گرفت و کریستال هایی از سولفات پتاسیم-اورانیل دوتایی K 2 UO 2 (SO 4) 2 2H2O را روی آن قرار داد. آن را به مدت چندین ساعت در معرض نور خورشید قرار دهید، سپس پس از توسعه صفحه عکاسی می توانید طرح کلی کریستال ها را تا حدودی تار روی آن ببینید. اگر یک سکه یا یک شکل بریده شده از قلع بین صفحه و کریستال ها قرار گیرد، پس از توسعه تصویر واضحی از این اشیاء روی صفحه ظاهر می شود.

همه اینها می تواند نشان دهنده ارتباط بین فلورسانس و تابش اشعه ایکس باشد. اشعه ایکس اخیراً کشف شده را می توان بسیار ساده تر به دست آورد - بدون پرتوهای کاتدی و لوله خلاء و ولتاژ بالا که برای این کار لازم است، اما لازم بود بررسی شود که آیا معلوم می شود نمک اورانیوم، هنگامی که در خورشید گرم می شود، مقداری آزاد می کند. نوعی گاز که در زیر کاغذ سیاه نفوذ می کند و روی امولسیون عکاسی عمل می کند، برای حذف این احتمال، بکرل یک ورقه شیشه ای را بین نمک اورانیوم و صفحه عکاسی قرار داد - هنوز هم روشن است. بکرل پیام کوتاه خود را به پایان رساند: «از اینجا می‌توان نتیجه گرفت که نمک درخشان پرتوهایی از خود ساطع می‌کند که از کاغذ سیاه نفوذ می‌کند، در مقابل نور مات است و نمک‌های نقره موجود در صفحه عکاسی را بازیابی می‌کند.» انگار حق با پوانکاره بود و اشعه ایکس از اشعه ایکس را می توان به روشی کاملاً متفاوت به دست آورد.

بکرل شروع به انجام آزمایش های زیادی برای درک بهتر شرایط ظاهر شدن پرتوهایی که صفحه عکاسی را روشن می کند و بررسی خواص این پرتوها کرد. او مواد مختلفی را بین کریستال ها و صفحه عکاسی قرار داد - صفحات کاغذ، شیشه، آلومینیوم، مس و سربی با ضخامت های مختلف. نتایج مشابه نتایج به دست آمده توسط رونتگن بود که می تواند به عنوان استدلالی برای شباهت هر دو تشعشع عمل کند. بکرل علاوه بر نور مستقیم خورشید، نمک اورانیوم را با نور منعکس شده از آینه یا شکسته شدن توسط یک منشور روشن کرد. او دریافت که نتایج تمام آزمایشات قبلی به هیچ وجه با خورشید مرتبط نیست. تنها چیزی که اهمیت داشت این بود که نمک اورانیوم چقدر نزدیک صفحه عکاسی بود. روز بعد، بکرل در این مورد در جلسه آکادمی گزارش داد، اما، همانطور که بعدا معلوم شد، او نتیجه اشتباه گرفت: او تصمیم گرفت که نمک اورانیوم، حداقل یک بار در نور "شارژ" شود، سپس قادر به انتشار است. پرتوهای نافذ نامرئی برای مدت طولانی.

تا پایان سال، بکرل 9 مقاله در این زمینه منتشر کرد که در یکی از آنها نوشت: «نمک های مختلف اورانیوم در یک جعبه سربی با دیواره ضخیم قرار داده شده بودند... این مواد در برابر تأثیر هر گونه تشعشع شناخته شده محافظت می شوند. پرتوهایی را که از شیشه و کاغذ سیاه می گذرد، در هشت ماه منتشر می کند.»

این پرتوها از هر ترکیب اورانیوم، حتی آنهایی که در خورشید نمی درخشند، می آیند. تابش اورانیوم فلزی حتی قوی تر بود (حدود 3.5 برابر). آشکار شد که این تشعشع، اگرچه در برخی مظاهر شبیه به اشعه ایکس است، اما قدرت نفوذ بیشتری دارد و به نوعی با اورانیوم مرتبط است، بنابراین بکرل شروع به نامیدن آن را "اشعه اورانیوم" کرد.

بکرل همچنین کشف کرد که "پرتوهای اورانیوم" هوا را یونیزه می کند و آن را رسانای الکتریسیته می کند. تقریباً به طور همزمان، در نوامبر 1896، فیزیکدانان انگلیسی J. J. Thomson و Ernest Rutherford (یونیزاسیون هوا را تحت تأثیر اشعه ایکس کشف کردند. برای اندازه گیری شدت تابش، بکرل از الکتروسکوپی استفاده کرد که در آن سبک ترین برگ های طلا در انتهای آنها معلق بود. و به صورت الکترواستاتیک شارژ می شوند، دفع می شوند و انتهای آزاد آنها واگرا می شوند، اگر هوا جریان را هدایت کند، بار از برگ ها تخلیه می شود و آنها می افتند - هر چه سریعتر هدایت الکتریکی هوا بیشتر شود و در نتیجه شدت تابش بیشتر می شود.

این سوال باقی مانده است که چگونه یک ماده تشعشعات مداومی را منتشر می کند که بدون تامین انرژی از یک منبع خارجی، در طول چندین ماه ضعیف نمی شود. فرضیه های مختلفی در مورد این موضوع مطرح شده است که گاهی اوقات بسیار خارق العاده است. به عنوان مثال، شیمیدان و فیزیکدان انگلیسی ویلیام رمزی نوشت: «...فیزیکدانان متحیر بودند که منبع پایان ناپذیر انرژی در نمک های اورانیوم از کجا می آید. لرد کلوین تمایل داشت که فرض کند اورانیوم به عنوان نوعی تله عمل می کند، که انرژی تابشی غیرقابل تشخیصی را که از طریق فضا به ما می رسد، می گیرد و آن را به شکلی تبدیل می کند که قادر به تولید اثرات شیمیایی باشد.

بکرل نه می‌توانست این فرضیه را بپذیرد، نه چیزی قابل قبول‌تر ارائه دهد و نه اصل بقای انرژی را کنار بگذارد. این کار با او به پایان رسید که او برای مدتی کار با اورانیوم را به کلی کنار گذاشت و به شکافتن خطوط طیفی در یک میدان مغناطیسی پرداخت. این اثر تقریباً همزمان با کشف بکرل توسط فیزیکدان جوان هلندی پیتر زیمن کشف شد و توسط هلندی دیگری به نام هندریک آنتون لورنتس توضیح داده شد.

این مرحله اول تحقیقات رادیواکتیویته را تکمیل کرد. آلبرت انیشتین کشف رادیواکتیویته را با کشف آتش مقایسه کرد، زیرا معتقد بود که آتش و رادیواکتیویته هر دو نقطه عطف مهمی در تاریخ تمدن هستند.

1. انواع تشعشعات رادیواکتیو

هنگامی که منابع قدرتمند تشعشع در دستان محققان ظاهر شد، میلیون ها بار قوی تر از اورانیوم (اینها آماده سازی های رادیوم، پولونیوم، اکتینیم بودند)، می توان با خواص تشعشعات رادیواکتیو بیشتر آشنا شد. ارنست رادرفورد، همسران ماریا و پیر کوری، A. Becquerel و بسیاری دیگر در اولین مطالعات در مورد این موضوع مشارکت فعال داشتند. ابتدا توانایی نفوذ پرتوها و همچنین تأثیر بر تابش میدان مغناطیسی مورد مطالعه قرار گرفت. معلوم شد که تابش یکنواخت نیست، بلکه مخلوطی از "اشعه" است. پیر کوری کشف کرد که وقتی میدان مغناطیسی بر تابش رادیوم اثر می گذارد، برخی از پرتوها منحرف می شوند در حالی که برخی دیگر منحرف نمی شوند. مشخص بود که میدان مغناطیسی فقط ذرات باردار پرنده مثبت و منفی را در جهات مختلف منحرف می کند. بر اساس جهت انحراف، ما متقاعد شدیم که پرتوهای β منحرف شده دارای بار منفی هستند. آزمایش‌های بیشتر نشان داد که هیچ تفاوت اساسی بین کاتد و پرتوهای β وجود ندارد، به این معنی که آنها جریانی از الکترون‌ها را نشان می‌دهند.

پرتوهای منحرف شده توانایی قوی تری برای نفوذ به مواد مختلف داشتند، در حالی که پرتوهای بدون انحراف به راحتی حتی توسط ورق آلومینیومی نازک جذب می شدند - برای مثال، تابش عنصر جدید پولونیوم اینگونه رفتار می کرد - تابش آن حتی از طریق مقوا نفوذ نمی کرد. دیواره های جعبه ای که دارو در آن نگهداری می شد.

هنگام استفاده از آهنرباهای قوی تر، مشخص شد که پرتوهای α نیز منحرف می شوند، فقط بسیار ضعیف تر از پرتوهای β، و در جهت دیگر. از این پس آنها بار مثبت داشتند و جرم قابل توجهی بیشتری داشتند (همانطور که بعداً مشخص شد، جرم ذرات α 7740 برابر بیشتر از جرم الکترون است). این پدیده اولین بار در سال 1899 توسط A. Becquerel و F. Giesel کشف شد. بعدها مشخص شد که ذرات α هسته های اتم های هلیوم (نوکلید 4 He) با بار 2+ و جرم 4 واحد هستند. انحراف پرتوهای α و β، او در تابش رادیوم نوع سومی از پرتوها را کشف کرد که در قوی ترین میدان های مغناطیسی منحرف نمی شوند، این کشف به زودی توسط بکرل تأیید شد. این نوع تابش، بر حسب قیاس با پرتوهای آلفا و بتا، پرتوهای گاما نامیده شد. معلوم شد که پرتوهای گاما شبیه اشعه ایکس هستند، یعنی. آنها تابش الکترومغناطیسی هستند، اما با طول موج کوتاهتر و در نتیجه انرژی بیشتر. همه این انواع تشعشعات توسط ام. کوری در مونوگراف "رادیوم و رادیواکتیویته" توصیف شده است. به جای میدان مغناطیسی، می توان از یک میدان الکتریکی برای "شکاف" تابش استفاده کرد، فقط ذرات باردار موجود در آن عمود بر خطوط نیرو منحرف نمی شوند، بلکه در امتداد آنها - به سمت صفحات انحراف.

برای مدت طولانی مشخص نبود که این همه پرتوها از کجا می آیند. در طی چندین دهه، با کار بسیاری از فیزیکدانان، ماهیت تشعشعات رادیواکتیو و خواص آن روشن شد و انواع جدیدی از رادیواکتیو کشف شد.γ.

پرتوهای آلفا عمدتاً توسط هسته سنگین‌ترین و در نتیجه کم‌ثبات‌ترین اتم‌ها ساطع می‌شوند (آنها بعد از سرب در جدول تناوبی قرار دارند). این ذرات با انرژی بالا هستند. معمولاً چندین گروه از ذرات α مشاهده می شوند که هر کدام دارای انرژی کاملاً مشخصی هستند. بنابراین، تقریباً تمام ذرات α ساطع شده از هسته 226 Ra دارای انرژی 4.78 MeV (مگالکترون ولت) و بخش کوچکی از ذرات α دارای انرژی 4.60 MeV هستند. ایزوتوپ رادیوم دیگر، 221 Ra، چهار گروه از ذرات α با انرژی های 6.76، 6.67، 6.61 و 6.59 مگا ولت ساطع می کند. این نشان دهنده وجود چندین سطح انرژی در هسته است. ساطع کننده های آلفای "خالص" نیز شناخته شده اند (به عنوان مثال، 222 Rn).

طبق فرمول E = مو 2 /2 محاسبه سرعت ذرات α با انرژی معین امکان پذیر است. به عنوان مثال، ذرات α 1 مول با E= 4.78 مگا ولت انرژی دارد (بر حسب واحد SI) E= 4.78 10 6 eV  96500 J/(eV mol) = 4.61 10 11 J/mol و جرم متر= 0.004 کیلوگرم بر مول، از آنجا توα 15200 کیلومتر بر ثانیه، که ده ها هزار بار سریعتر از سرعت یک گلوله تپانچه است. ذرات آلفا قوی‌ترین اثر یونیزه‌کننده را دارند: وقتی با هر اتم دیگری در گاز، مایع یا جامد برخورد می‌کنند، الکترون‌ها را از آنها جدا می‌کنند و ذرات باردار ایجاد می‌کنند. در این مورد، ذرات α خیلی سریع انرژی خود را از دست می دهند: آنها حتی توسط یک ورق کاغذ حفظ می شوند. در هوا، تابش α از رادیوم تنها 3.3 سانتی متر، تابش α از توریم - 2.6 سانتی متر و غیره حرکت می کند. در نهایت، ذره α که انرژی جنبشی خود را از دست داده است، دو الکترون را می گیرد و به اتم هلیوم تبدیل می شود. اولین پتانسیل یونیزاسیون اتم هلیوم (He – e → He +) 24.6 eV است، دومی (He + – e → He +2) 54.4 eV است که بسیار بیشتر از هر اتم دیگری است. هنگامی که الکترون‌ها توسط ذرات α گرفته می‌شوند، انرژی بسیار زیادی آزاد می‌شود (بیش از ۷۶۰۰ کیلوژول بر مول)، بنابراین اگر یک ذره α در نزدیکی باشد، هیچ اتمی به جز خود هلیوم نمی‌تواند الکترون‌های خود را حفظ کند. .

انرژی جنبشی بسیار بالای ذرات α امکان "دیدن" آنها را با چشم غیرمسلح (یا با کمک یک ذره بین معمولی) ممکن می کند، این اولین بار در سال 1903 توسط فیزیکدان و شیمیدان انگلیسی ویلیام کروکس (1832 - 1832) نشان داده شد. 1919. او یک دانه نمک رادیوم را به نوک سوزن چسباند، که به سختی با چشم قابل مشاهده بود، و سوزن را در یک لوله شیشه ای عریض ثابت کرد، نه چندان دور از نوک سوزن یک صفحه با لایه ای از فسفر (سولفید روی بود) و در انتهای دیگر یک ذره بین وجود داشت، اگر فسفر را در تاریکی بررسی کنید، می توانید تمام میدان را با جرقه هایی که چشمک می زنند، ببینید فوراً خاموش شود، هر جرقه حاصل برخورد یک ذره آلفا است که این دستگاه را اسپینتاریسکوپ می نامند. برای مثال، با استفاده از این روش می‌توان ثابت آووگادرو را کاملاً دقیق تعیین کرد.

در هسته، پروتون ها و نوترون ها توسط نیروهای هسته ای کنار هم نگه داشته می شوند، بنابراین، مشخص نیست که چگونه یک ذره آلفا، متشکل از دو پروتون و دو نوترون، می تواند هسته را ترک کند. پاسخ در سال 1928 توسط فیزیکدان آمریکایی (که در سال 1933 از اتحاد جماهیر شوروی مهاجرت کرد) جورج (جورجی آنتونوویچ) گامو داده شد. طبق قوانین مکانیک کوانتومی، ذرات α، مانند هر ذره ای با جرم کم، ماهیت موجی دارند و بنابراین احتمال کمی دارند که در خارج از هسته، روی یک کوچک (حدود 6) قرار گیرند. · 10-12 سانتی متر) از آن فاصله دارد. به محض این که این اتفاق می افتد، ذره شروع به تجربه دافعه کولن از یک هسته با بار مثبت بسیار نزدیک می کند.

عمدتاً هسته های سنگین هستند که در معرض فروپاشی آلفا هستند - بیش از 200 ذره آلفا توسط اکثر ایزوتوپ های عناصر به دنبال بیسموت منتشر می شود. ساطع کننده های آلفای سبک تر، عمدتاً اتم های عناصر خاکی کمیاب شناخته شده اند. اما چرا ذرات آلفا از هسته به بیرون پرواز می کنند، نه پروتون های منفرد؟ از نظر کیفی، این با افزایش انرژی در طی واپاشی α توضیح داده می شود (ذرات α - هسته های هلیوم پایدار هستند). تئوری کمی واپاشی α تنها در دهه 1980 ایجاد شد، فیزیکدانان داخلی نیز در توسعه آن شرکت کردند، از جمله لو داویدویچ لاندو، آرکادی بینوسوویچ میگدال (1911-1991)، رئیس بخش فیزیک هسته ای در دانشگاه ورونژ استانیسلاو جورجیویچ کادمن. و همکاران .

خروج یک ذره آلفا از هسته منجر به هسته یک عنصر شیمیایی دیگر می شود که در جدول تناوبی دو سلول به سمت چپ منتقل می شود. به عنوان مثال، تبدیل هفت ایزوتوپ پولونیوم (بار هسته ای 84) به ایزوتوپ های مختلف سرب (بار هسته ای 82) است: 218 Po → 214 Pb، 214 Po → 210 Pb، 210 Po → 206 Pb، 211 Po → 207 Pb. 215 Po → 211 Pb، 212 Po → 208 Pb، 216 Po → 212 Pb. ایزوتوپ های سرب 206 Pb، 207 Pb و 208 Pb پایدار هستند، بقیه رادیواکتیو هستند.

واپاشی بتا در هسته های سنگین و سبک مانند تریتیوم رخ می دهد. این ذرات نور (الکترون های سریع) قدرت نفوذ بالاتری دارند. بنابراین، در هوا، ذرات β می توانند چندین ده سانتی متر پرواز کنند، در مواد مایع و جامد - از کسری از یک میلی متر تا حدود 1 سانتی متر، طیف انرژی پرتوهای β گسسته نیست. انرژی الکترون هایی که از هسته فرار می کنند می تواند تقریباً از صفر تا حداکثر مقدار مشخص مشخصه یک رادیونوکلئید معین متفاوت باشد. به طور معمول، میانگین انرژی ذرات β بسیار کمتر از انرژی ذرات α است. به عنوان مثال، انرژی تابش β از 228 Ra برابر 0.04 مگا الکترون ولت است. اما استثنائاتی وجود دارد. بنابراین تابش β نوکلید با عمر کوتاه 11 Be حامل انرژی 11.5 مگا ولت است. برای مدت طولانی مشخص نبود که چگونه ذرات از اتم های یکسان یک عنصر با سرعت های مختلف به بیرون پرواز می کنند. هنگامی که ساختار اتم و هسته اتم مشخص شد، راز جدیدی مطرح شد: ذرات β که از هسته فرار می کنند از کجا می آیند - به هر حال، هیچ الکترونی در هسته وجود ندارد. پس از کشف نوترون توسط فیزیکدان انگلیسی جیمز چادویک در سال 1932، فیزیکدانان روسی دیمیتری دیمیتریویچ ایواننکو (1904-1994) و ایگور اوگنیویچ تام و به طور مستقل فیزیکدان آلمانی ورنر هایزنبرگ پیشنهاد کردند که هسته اتم از پروتون و نوترون تشکیل شده است. در این حالت، ذرات β باید در نتیجه فرآیند درون هسته ای تبدیل یک نوترون به پروتون و یک الکترون تشکیل شوند: n → p + e. طبق فرمول انیشتین، جرم یک نوترون کمی بیشتر از جرم ترکیبی یک پروتون و یک الکترون است. E = mc 2، انرژی جنبشی الکترونی را می دهد که از هسته فرار می کند، بنابراین واپاشی β عمدتاً در هسته هایی با تعداد اضافی نوترون مشاهده می شود. به عنوان مثال، نوکلید 226 Ra یک گسیل‌دهنده α است و تمام ایزوتوپ‌های سنگین‌تر رادیوم (227 Ra، 228 Ra، 229 Ra و 230 Ra) گسیل‌دهنده β هستند.

باقی مانده است که بدانیم چرا ذرات β، بر خلاف ذرات α، دارای طیف انرژی پیوسته هستند، به این معنی که برخی از آنها انرژی بسیار پایینی دارند، در حالی که برخی دیگر انرژی بسیار بالایی دارند (و در عین حال با سرعتی نزدیک به سرعت نور). علاوه بر این، انرژی کل همه این الکترون‌ها (با استفاده از کالری‌سنج اندازه‌گیری شد) کمتر از تفاوت انرژی هسته اصلی و حاصلضرب فروپاشی آن بود. یک بار دیگر، فیزیکدانان با "نقض" قانون بقای انرژی مواجه شدند: بخشی از انرژی هسته اصلی در مکانی ناشناخته ناپدید شد. قانون فیزیکی تزلزل ناپذیر در سال 1931 توسط فیزیکدان سوئیسی ولفگانگ پائولی "نجات داده شد"، او پیشنهاد کرد که در خلال واپاشی β دو ذره از هسته پرواز می کنند: یک الکترون و یک ذره خنثی فرضی - یک نوترینو با جرم تقریباً صفر، که از هسته خارج می شود. انرژی اضافی طیف پیوسته تابش β با توزیع انرژی بین الکترون ها و این ذره توضیح داده می شود. نوترینوها (همانطور که بعداً مشخص شد، به اصطلاح پادنوترینوی الکترونی در طی واپاشی بتا تشکیل می‌شود) بسیار ضعیف با ماده برهمکنش می‌کنند (به عنوان مثال، آنها به راحتی قطر کره زمین و حتی یک ستاره بزرگ را سوراخ می‌کنند) و بنابراین برای مدت زمان طولانی شناسایی نشدند. مدت طولانی - نوترینوهای آزاد تجربی تنها در سال 1956 ثبت شدند بنابراین، طرح تجزیه بتا تصفیه شده عبارت است از: n → p +. نظریه کمی واپاشی β، بر اساس ایده های پائولی در مورد نوترینوها، در سال 1933 توسط فیزیکدان ایتالیایی انریکو فرمی، که نام نوترینو (در ایتالیایی "نوترون") را نیز پیشنهاد کرد، ایجاد شد.

تبدیل یک نوترون به پروتون در حین واپاشی بتا عملاً جرم هسته را تغییر نمی دهد، اما بار هسته را یک بار افزایش می دهد. در نتیجه، یک عنصر جدید تشکیل می شود، یک سلول به سمت راست در جدول تناوبی منتقل می شود، به عنوان مثال: →، →، →، و غیره. (یک الکترون و یک پادنوترینو همزمان از هسته خارج می شوند).

2. انواع دیگر رادیواکتیویته

علاوه بر واپاشی آلفا و بتا، انواع دیگری از تبدیلات رادیواکتیو خود به خودی نیز شناخته شده است. در سال 1938، لوئیس والتر آلوارز، فیزیکدان آمریکایی، نوع سوم تبدیل رادیواکتیو را کشف کرد - جذب الکترون (E-capture). در این حالت، هسته یک الکترون را از لایه انرژی نزدیک به خود (K-Shell) می گیرد. هنگامی که یک الکترون با یک پروتون برهمکنش می کند، یک نوترون تشکیل می شود و یک نوترینو از هسته خارج می شود و انرژی اضافی را می برد. تبدیل یک پروتون به نوترون جرم هسته را تغییر نمی دهد، اما بار هسته را یک بار کاهش می دهد. در نتیجه، عنصر جدیدی تشکیل می شود که در یک سلول به سمت چپ جدول تناوبی قرار دارد، به عنوان مثال، یک هسته پایدار به دست می آید (در این مثال بود که آلوارز این نوع رادیواکتیویته را کشف کرد).

در طول جذب K در لایه الکترونی یک اتم، یک الکترون از سطح انرژی بالاتر به محل الکترون ناپدید شده "نزول" می کند، انرژی اضافی یا به شکل اشعه ایکس آزاد می شود یا برای خروج از آن صرف می شود. اتم یک یا چند الکترون با پیوند ضعیف تر - به اصطلاح الکترون های اوگر، که به افتخار فیزیکدان فرانسوی پیر اوژه (1899-1993) نامگذاری شده است، که این اثر را در سال 1923 کشف کرد (او از تابش یونیزان برای از بین بردن الکترون های داخلی استفاده کرد).

در سال 1940، گئورگی نیکولاویچ فلروف (1913-1990) و کنستانتین آنتونوویچ پترژاک (1907-1998) با استفاده از مثال اورانیوم، شکافت خود به خودی را کشف کردند که در آن یک هسته ناپایدار به دو هسته سبک تر تجزیه می شود، که جرم آنها بسیار متفاوت است. خیلی، برای مثال: → + + 2n. این نوع فروپاشی فقط در اورانیوم و عناصر سنگین‌تر - در مجموع بیش از 50 نوکلید - مشاهده می‌شود. در مورد اورانیوم، شکافت خود به خودی بسیار آهسته اتفاق می افتد: میانگین عمر یک اتم 238 U 6.5 میلیارد سال است. در سال 1938، فیزیکدان و شیمیدان آلمانی، اتو هان، رادیوشیمیدان و فیزیکدان اتریشی لیز مایتنر (عنصر Mt - meitnerium به نام او نامگذاری شده است) و شیمیدان فیزیک آلمانی Fritz Strassmann (1902-1980) کشف کردند که وقتی توسط نوترون های نوترون بمباران می شود، u. به قطعات تقسیم می شوند و آنهایی که از نوترون ها ساطع می شوند می توانند باعث شکافت هسته های اورانیوم همسایه شوند که منجر به واکنش زنجیره ای می شود. این فرآیند با انتشار انرژی عظیم (در مقایسه با واکنش های شیمیایی) همراه است که منجر به ایجاد سلاح های هسته ای و ساخت نیروگاه های هسته ای شد.

در سال 1934، دختر ماری کوری، ایرن ژولیوت کوری و همسرش فردریک ژولیوت کوری، واپاشی پوزیترون را کشف کردند. در این فرآیند، یکی از پروتون های هسته به یک نوترون و یک پادالکترون (پوزیترون) تبدیل می شود - ذره ای با همان جرم، اما بار مثبت. به طور همزمان، یک نوترینو از هسته خارج می شود: p → n + e + + 238. جرم هسته تغییر نمی کند، اما یک جابجایی رخ می دهد، بر خلاف واپاشی β، به سمت چپ، فروپاشی β+ مشخصه هسته هایی با بیش از حد پروتون (به اصطلاح هسته های کمبود نوترون). بنابراین، ایزوتوپ های سنگین اکسیژن 19 O، 20 O و 21 O β - فعال هستند و ایزوتوپ های سبک آن 14 O و 15 O β + فعال هستند، به عنوان مثال: 14 O → 14 N + e + + 238. مانند پادذرات. ، پوزیترون ها بلافاصله پس از برخورد با الکترون ها با تشکیل دو کوانتا γ نابود می شوند (نابود می شوند). واپاشی پوزیترون اغلب با K-capture رقابت می کند.

در سال 1982، رادیواکتیویته پروتون کشف شد: انتشار یک پروتون توسط یک هسته (این فقط برای برخی از هسته های مصنوعی تولید شده با انرژی اضافی امکان پذیر است). در سال 1960، شیمیدان فیزیک ویتالی یوسفوویچ گلدانسکی (1923-2001) به طور نظری رادیواکتیویته دو پروتون را پیش بینی کرد: بیرون راندن دو پروتون با اسپین های جفت شده از یک هسته. اولین بار در سال 1970 مشاهده شد. رادیواکتیویته دو نوترونی نیز به ندرت مشاهده می شود (کشف در سال 1979).

در سال 1984، رادیواکتیویته خوشه ای کشف شد (از خوشه انگلیسی - دسته، ازدحام). در این حالت، بر خلاف شکافت خود به خود، هسته به قطعاتی با جرم های بسیار متفاوت تجزیه می شود، به عنوان مثال، هسته هایی با جرم 14 تا 34 از یک هسته سنگین به بیرون پرواز می کنند و این امر باعث شده است تشخیص برای مدت طولانی دشوار است.

برخی از هسته ها قادر به تجزیه در جهات مختلف هستند. به عنوان مثال، 221 Rn 80٪ با انتشار ذرات α و 20٪ با ذرات β تجزیه می شود (137 Pr، 141 Nd، 141 Pm، 142 Sm، و غیره) یا با جذب الکترون. یا با گسیل پوزیترون. انواع مختلفی از تشعشعات رادیواکتیو اغلب (اما نه همیشه) با تابش γ همراه هستند. این به این دلیل اتفاق می‌افتد که هسته حاصل ممکن است انرژی اضافی داشته باشد، که با انتشار پرتوهای گاما از آن آزاد می‌شود. انرژی تابش γ در محدوده وسیعی قرار دارد، به عنوان مثال، در هنگام واپاشی 226 Ra برابر با 0.186 MeV است و در هنگام واپاشی 11 Be به 8 MeV می رسد.

تقریباً 90 درصد از 2500 هسته اتمی شناخته شده ناپایدار هستند. یک هسته ناپایدار به طور خود به خود به هسته های دیگر تبدیل می شود و ذرات ساطع می کند. این خاصیت هسته ها رادیواکتیویته نامیده می شود. در هسته های بزرگ، ناپایداری به دلیل رقابت بین جذب نوکلئون ها توسط نیروهای هسته ای و دفع کولن پروتون ها به وجود می آید. هیچ هسته پایداری با عدد بار Z> 83 و عدد جرمی A> 209 وجود ندارد. سپس ناپایداری ناشی از بیش از حد انرژی برهمکنش کولن است. هسته‌هایی که حاوی مقدار زیادی نوترون بیش از تعداد پروتون‌ها هستند، به دلیل اینکه جرم نوترون از جرم پروتون بیشتر است، ناپایدار هستند. افزایش جرم هسته منجر به افزایش انرژی آن می شود.

پدیده رادیواکتیویته در سال 1896 توسط فیزیکدان فرانسوی A. Becquerel کشف شد که کشف کرد نمک های اورانیوم تشعشعات ناشناخته ای از خود ساطع می کنند که می تواند از موانع مات در برابر نور نفوذ کند و باعث سیاه شدن امولسیون عکاسی شود. دو سال بعد، فیزیکدانان فرانسوی M. و P. Curie رادیواکتیویته توریم را کشف کردند و دو عنصر رادیواکتیو جدید - پولونیوم و رادیوم را کشف کردند.

در سال های بعد، بسیاری از فیزیکدانان، از جمله ای. رادرفورد و شاگردانش، ماهیت تشعشعات رادیواکتیو را مطالعه کردند. مشخص شد که هسته های رادیواکتیو می توانند ذرات سه نوع را منتشر کنند: بار مثبت و منفی و خنثی. این سه نوع تابش را تابش α-، β- و γ نامیدند. این سه نوع تشعشعات رادیواکتیو از نظر توانایی یونیزه کردن اتم‌های ماده و بنابراین در توانایی نفوذشان تفاوت زیادی با یکدیگر دارند. تابش α کمترین قابلیت نفوذ را دارد. در هوا در شرایط عادی، پرتوهای α مسافت چند سانتی متری را طی می کنند. پرتوهای β بسیار کمتر توسط ماده جذب می شوند. آنها قادر به عبور از لایه ای از آلومینیوم به ضخامت چند میلی متر هستند. پرتوهای γ بیشترین توانایی نفوذ را دارند و می توانند از لایه ای از سرب به ضخامت 5 تا 10 سانتی متر عبور کنند.

در دهه دوم قرن بیستم، پس از کشف ساختار هسته‌ای اتم‌ها توسط ای. رادرفورد، کاملاً ثابت شد که رادیواکتیویته یکی از ویژگی‌های هسته اتم است. تحقیقات نشان داده است که پرتوهای α نشان دهنده جریانی از ذرات α هستند - هسته هلیوم، پرتوهای β جریانی از الکترون ها هستند، پرتوهای γ یک تابش الکترومغناطیسی موج کوتاه با طول موج بسیار کوتاه λ هستند.< 10 –10 м и вследствие этого – ярко выраженными корпускулярными свойствами, т.е. является потоком частиц – γ-квантов.

3. فروپاشی آلفا

واپاشی آلفا تبدیل خود به خود یک هسته اتمی با تعداد پروتون های Z و نوترون های N به هسته دیگر (دختری) حاوی تعداد پروتون های Z-2 و نوترون های N-2 است. در این حالت، یک ذره α گسیل می شود - هسته اتم هلیوم نمونه ای از چنین فرآیندی، واپاشی α رادیوم است: ذرات آلفای ساطع شده از هسته اتم های رادیوم توسط رادرفورد در آزمایشات مربوط به پراکندگی توسط هسته عناصر سنگین استفاده شد. سرعت ذرات α ساطع شده در طی واپاشی α هسته‌های رادیوم، که از انحنای مسیر در میدان مغناطیسی اندازه‌گیری می‌شود، تقریباً 1.5 10 7 m/s است و انرژی جنبشی مربوطه حدود 7.5 10-13 ژول است. تقریباً 4. 8 مگا ولت). این مقدار را می توان به راحتی از مقادیر شناخته شده جرم هسته های مادر و دختر و هسته هلیوم تعیین کرد. اگرچه سرعت ذره α در حال فرار بسیار زیاد است، اما هنوز فقط 5٪ سرعت نور است، بنابراین هنگام محاسبه، می توانید از یک عبارت غیر نسبیتی برای انرژی جنبشی استفاده کنید. تحقیقات نشان داده است که یک ماده رادیواکتیو می تواند ذرات آلفا را با چندین انرژی گسسته منتشر کند. این با این واقعیت توضیح داده می شود که هسته ها می توانند مانند اتم ها در حالت های مختلف برانگیخته باشند. هسته دختر ممکن است در طی واپاشی α به یکی از این حالات برانگیخته ختم شود.

در طی انتقال بعدی این هسته به حالت پایه، یک کوانتوم γ منتشر می شود. نموداری از واپاشی α رادیوم با انتشار ذرات α با دو مقدار انرژی جنبشی در شکل 2 نشان داده شده است. بنابراین، فروپاشی α هسته ها در بسیاری از موارد با تابش γ همراه است.

در تئوری واپاشی α، فرض بر این است که گروه هایی متشکل از دو پروتون و دو نوترون می توانند در داخل هسته ها تشکیل شوند، یعنی. ذره α هسته مادر یک چاه بالقوه برای ذرات α است که توسط یک مانع بالقوه محدود شده است. انرژی ذره α در هسته برای غلبه بر این مانع کافی نیست (شکل 3). فرار یک ذره آلفا از هسته تنها به دلیل یک پدیده مکانیکی کوانتومی به نام اثر تونل امکان پذیر است. بر اساس مکانیک کوانتومی، احتمال عبور ذره از زیر یک سد پتانسیل غیر صفر وجود دارد. پدیده تونل زنی ماهیتی احتمالی دارد.

4. فروپاشی بتا

در طی واپاشی بتا، یک الکترون از هسته خارج می شود. الکترون ها نمی توانند در داخل هسته ها وجود داشته باشند. این فرآیند نه تنها در داخل هسته، بلکه با نوترون های آزاد نیز می تواند رخ دهد. متوسط ​​عمر یک نوترون آزاد حدود 15 دقیقه است. در طول واپاشی، یک نوترون به یک پروتون و یک الکترون تبدیل می شود

اندازه گیری ها نشان داده است که در این فرآیند نقض آشکار قانون بقای انرژی وجود دارد، زیرا انرژی کل پروتون و الکترون حاصل از فروپاشی یک نوترون کمتر از انرژی نوترون است. در سال 1931، دبلیو پاولی پیشنهاد کرد که در حین واپاشی یک نوترون، ذره دیگری با جرم و بار صفر آزاد می شود که بخشی از انرژی را می گیرد. ذره جدید نوترینو (نوترون کوچک) نامیده می شود. به دلیل کمبود بار و جرم یک نوترینو، این ذره با اتم های ماده بسیار ضعیف برهمکنش می کند، بنابراین تشخیص آن در آزمایش بسیار دشوار است. توانایی یونیزاسیون نوترینوها به قدری کم است که یک رویداد یونیزاسیون در هوا تقریباً در 500 کیلومتری راه رخ می دهد. این ذره تنها در سال 1953 کشف شد. اکنون مشخص شده است که چندین نوع نوترینو وجود دارد. در حین واپاشی یک نوترون، ذره ای ایجاد می شود که به آن پادنوترینوی الکترونی می گویند. با نماد نشان داده می شود. بنابراین، واکنش فروپاشی نوترون به شکل نوشته شده است

فرآیند مشابهی در داخل هسته‌ها در طول واپاشی β رخ می‌دهد. الکترونی که در نتیجه فروپاشی یکی از نوترون‌های هسته‌ای شکل می‌گیرد، بلافاصله با سرعت بسیار زیادی از "خانه والدین" (هسته) خارج می‌شود، که می‌تواند تنها کسری از درصد با سرعت نور متفاوت باشد. از آنجایی که توزیع انرژی آزاد شده در طی واپاشی β بین الکترون، نوترینو و هسته دختر تصادفی است، الکترون‌های β می‌توانند سرعت‌های متفاوتی در محدوده وسیعی داشته باشند.

در طول واپاشی β، عدد بار Z یک افزایش می یابد، اما عدد جرمی A بدون تغییر باقی می ماند. معلوم می شود که هسته دختر هسته یکی از ایزوتوپ های عنصر است که شماره سریال آن در جدول تناوبی یک بالاتر از شماره سریال هسته اصلی است. یک مثال معمولی از واپاشی β، تبدیل ایزوتون توریم حاصل از تجزیه α اورانیوم به پالادیوم است.

5. واپاشی گاما

بر خلاف پرتوزایی α و β، رادیواکتیویته γ هسته ها با تغییر در ساختار داخلی هسته همراه نیست و با تغییر در تعداد بار یا جرم همراه نیست. هم در خلال واپاشی α- و هم بتا، هسته دختر ممکن است خود را در حالت هیجانی قرار دهد و انرژی اضافی داشته باشد. انتقال یک هسته از حالت برانگیخته به حالت پایه با گسیل یک یا چند کوانتا γ همراه است که انرژی آن می تواند به چندین مگا الکترون ولت برسد.

6. قانون واپاشی رادیواکتیو

هر نمونه از یک ماده رادیواکتیو حاوی تعداد زیادی اتم رادیواکتیو است. از آنجایی که واپاشی رادیواکتیو طبیعتاً تصادفی است و به شرایط خارجی بستگی ندارد، قانون کاهش تعداد N(t) هسته‌هایی که در یک زمان معین t تجزیه نشده‌اند، می‌تواند به عنوان یک مشخصه آماری مهم فرآیند واپاشی رادیواکتیو عمل کند.

اجازه دهید تعداد هسته‌های پوسیده N(t) با ΔN در یک دوره زمانی کوتاه Δt تغییر کند.< 0. Так как вероятность распада каждого ядра неизменна во времени, что число распадов будет пропорционально количеству ядер N(t) и промежутку времени Δt:

ضریب تناسب λ احتمال فروپاشی هسته ای در زمان Δt = 1 ثانیه است. این فرمول به این معنی است که سرعت تغییر تابع N(t) با خود تابع نسبت مستقیم دارد.

که در آن N 0 تعداد اولیه هسته های رادیواکتیو در t = 0 است. در طول زمان τ = 1 / λ، تعداد هسته های تجزیه نشده 2.7 برابر e ≈ کاهش می یابد. مقدار τ میانگین طول عمر یک هسته رادیواکتیو نامیده می شود.

برای استفاده عملی، نوشتن قانون واپاشی رادیواکتیو به شکلی متفاوت و با استفاده از عدد 2 به جای e به عنوان پایه، راحت است:

مقدار T نیمه عمر نامیده می شود. در طول زمان T، نیمی از تعداد اولیه هسته های رادیواکتیو تجزیه می شود. کمیت های T و τ با رابطه مرتبط هستند

نیمه عمر کمیت اصلی تعیین کننده سرعت واپاشی رادیواکتیو است. هر چه نیمه عمر کوتاهتر باشد، پوسیدگی شدیدتر است. بنابراین، برای اورانیوم T ≈ 4.5 میلیارد سال، و برای رادیوم T ≈ 1600 سال است. بنابراین، فعالیت رادیوم بسیار بیشتر از اورانیوم است. عناصر رادیواکتیو با نیمه عمر کسری از ثانیه وجود دارد.

در طول واپاشی رادیواکتیو α و β، هسته دختر نیز ممکن است ناپایدار شود. بنابراین، یک سری واپاشی پی در پی رادیواکتیو امکان پذیر است که به تشکیل هسته های پایدار ختم می شود. چندین سریال از این دست در طبیعت وجود دارد. طولانی ترین آن مجموعه ای متشکل از 14 واپاشی متوالی (8 واپاشی آلفا و 6 واپاشی بتا) است. این سری با ایزوتوپ پایدار سرب به پایان می رسد (شکل 5).

در طبیعت، چندین سری دیگر رادیواکتیو مشابه این سری وجود دارد. همچنین مجموعه ای شناخته شده است که با نپتونیوم شروع می شود، در شرایط طبیعی یافت نمی شود و با بیسموت پایان می یابد. این سری از واپاشی های رادیواکتیو در راکتورهای هسته ای رخ می دهد.

قانون افست. قانون جابجایی دقیقاً مشخص می کند که یک عنصر شیمیایی در هنگام انتشار تشعشعات رادیواکتیو تحت چه تغییراتی قرار می گیرد.

7. سری رادیواکتیو

قانون جابجایی امکان ردیابی دگرگونی عناصر رادیواکتیو طبیعی و ساختن سه درخت خانوادگی از آنها را فراهم می کند که اجداد آنها اورانیوم-238، اورانیوم-235 و توریم-232 هستند. هر خانواده با یک عنصر رادیواکتیو بسیار طولانی شروع می شود. به عنوان مثال، خانواده اورانیوم توسط اورانیوم با عدد جرمی 238 و نیمه عمر 4.5·10 9 سال (در جدول 1، مطابق با نام اصلی، تعیین شده به عنوان اورانیوم I) اداره می شود.

خانواده اورانیوم بیشتر خواص تبدیلات رادیواکتیو که در بالا مورد بحث قرار گرفت را می توان در عناصر خانواده اورانیوم ردیابی کرد. به عنوان مثال، سومین عضو خانواده ایزومریسم هسته ای را نشان می دهد. اورانیوم X 2 با انتشار ذرات بتا به اورانیوم II تبدیل می شود (T = 1.14 دقیقه). این مربوط به فروپاشی بتا حالت برانگیخته پروتاکتینیم-234 است. با این حال، در 0.12٪ موارد، پروتاکتینیم 234 برانگیخته (اورانیوم X 2) یک کوانتوم گاما ساطع می کند و به حالت پایه (اورانیوم Z) می رسد. تجزیه بتا اورانیوم Z که منجر به تشکیل اورانیوم II نیز می شود، در 6.7 ساعت اتفاق می افتد.

رادیوم C جالب است زیرا می تواند به دو صورت تجزیه شود: گسیل یک ذره آلفا یا بتا. این فرآیندها با یکدیگر رقابت می کنند، اما در 99.96 درصد موارد، واپاشی بتا با تشکیل رادیوم C رخ می دهد. در 04/0 درصد موارد رادیوم C یک ذره آلفا ساطع می کند و به رادیوم C (RaC) تبدیل می شود. به نوبه خود، RaC و RaC به ترتیب با انتشار ذرات آلفا و بتا به رادیوم D تبدیل می‌شوند.

ایزوتوپ ها در میان اعضای خانواده اورانیوم، کسانی هستند که اتم های آنها دارای عدد اتمی یکسان (همه هسته ای یکسان) و اعداد جرمی متفاوت هستند. آنها از نظر خواص شیمیایی یکسان هستند، اما در ماهیت رادیواکتیویته متفاوت هستند. به عنوان مثال، رادیوم B، رادیوم D و رادیوم G که دارای عدد اتمی 82 با سرب هستند، از نظر رفتار شیمیایی شبیه به سرب هستند. واضح است که خواص شیمیایی به عدد جرمی بستگی ندارد. آنها توسط ساختار لایه های الکترونی اتم تعیین می شوند (از این رو، ز). از سوی دیگر، عدد جرمی برای پایداری هسته ای خواص رادیواکتیو یک اتم حیاتی است. اتم هایی با عدد اتمی یکسان و اعداد جرمی متفاوت ایزوتوپ نامیده می شوند. ایزوتوپ های عناصر رادیواکتیو توسط F. Soddy در سال 1913 کشف شد، اما به زودی F. Aston با استفاده از طیف سنجی جرمی ثابت کرد که بسیاری از عناصر پایدار نیز ایزوتوپ دارند.

8. اثر تشعشعات رادیواکتیو بر انسان

پرتوهای رادیواکتیو از همه نوع (آلفا، بتا، گاما، نوترون)، و همچنین تابش الکترومغناطیسی (اشعه ایکس) تأثیر بیولوژیکی بسیار قوی بر موجودات زنده دارند که شامل فرآیندهای تحریک و یونیزاسیون اتم‌ها و مولکول‌ها می‌شود. تا سلول های زنده تحت تأثیر پرتوهای یونیزان، مولکول های پیچیده و ساختارهای سلولی از بین می روند که منجر به آسیب تشعشع به بدن می شود. بنابراین، هنگام کار با هر منبع تشعشعی، لازم است همه اقدامات برای محافظت از افرادی که ممکن است در معرض تشعشع هستند، انجام شود.

با این حال، فرد می تواند در خانه در معرض تشعشعات یونیزان قرار گیرد. رادون بی‌رنگ، بی‌رنگ و رادیواکتیو می‌تواند خطری جدی برای سلامتی انسان ایجاد کند. روزها. رادیوم به مقدار کم در خاک، سنگ ها و سازه های مختلف ساختمانی یافت می شود. علیرغم طول عمر نسبتا کوتاه، غلظت رادون به دلیل واپاشی جدید هسته های رادیوم به طور مداوم دوباره پر می شود، بنابراین رادون می تواند در فضاهای بسته تجمع یابد. هنگامی که رادون وارد ریه ها می شود، ذرات α ساطع می کند و به پولونیوم تبدیل می شود که از نظر شیمیایی یک ماده بی اثر نیست. آنچه در زیر می آید زنجیره ای از تبدیلات رادیواکتیو سری اورانیوم است (شکل 5). طبق گزارش کمیسیون ایمنی و کنترل پرتوی آمریکا، هر فرد به طور متوسط ​​55 درصد از پرتوهای یونیزان را از رادون و تنها 11 درصد را از مراقبت های پزشکی دریافت می کند. سهم پرتوهای کیهانی تقریباً 8٪ است. مجموع دوز تشعشعی که یک فرد در طول زندگی دریافت می کند چندین برابر کمتر از حداکثر دوز مجاز (MAD) است که برای افرادی در مشاغل خاصی که در معرض قرار گرفتن بیشتر در معرض پرتوهای یونیزان هستند تعیین شده است.

9. کاربرد ایزوتوپ های رادیواکتیو

یکی از برجسته ترین مطالعاتی که با استفاده از "اتم های برچسب گذاری شده" انجام شد، مطالعه متابولیسم در موجودات بود. ثابت شده است که در مدت زمان نسبتاً کوتاهی بدن تقریباً به طور کامل تجدید می شود. اتم های تشکیل دهنده آن با اتم های جدید جایگزین می شوند. تنها آهن، همانطور که آزمایشات بر روی مطالعات ایزوتوپی خون نشان داده است، از این قاعده مستثنی است. آهن بخشی از هموگلوبین گلبول های قرمز است. هنگامی که اتم های آهن رادیواکتیو وارد غذا شدند، مشخص شد که اکسیژن آزاد آزاد شده در طول فتوسنتز در اصل بخشی از آب است، نه دی اکسید کربن. ایزوتوپ های رادیواکتیو در پزشکی هم برای تشخیص و هم برای اهداف درمانی استفاده می شوند. سدیم رادیواکتیو که در مقادیر کم به خون تزریق می شود، برای مطالعه گردش خون استفاده می شود که ید به شدت در غده تیروئید رسوب می کند، به ویژه در بیماری گریوز. با مشاهده رسوب ید رادیواکتیو با استفاده از متر می توان به سرعت تشخیص داد. دوزهای زیاد ید رادیواکتیو باعث تخریب جزئی بافت های در حال رشد غیرعادی می شود و بنابراین از ید رادیواکتیو برای درمان بیماری گریوز استفاده می شود. از تشعشعات گامای کبالت شدید در درمان سرطان (تفنگ کبالت) استفاده می شود.

کاربردهای ایزوتوپ های رادیواکتیو در صنعت کم نیست. یک مثال از این روش روش زیر برای نظارت بر سایش رینگ پیستون در موتورهای احتراق داخلی است. با تابش نوترون به حلقه پیستون واکنش های هسته ای در آن ایجاد می کنند و آن را رادیواکتیو می کنند. هنگامی که موتور کار می کند، ذرات مواد حلقه وارد روغن روان کننده می شود. با بررسی سطح رادیواکتیویته در روغن پس از مدت زمان مشخصی از کارکرد موتور، سایش رینگ مشخص می شود. ایزوتوپ‌های رادیواکتیو قضاوت در مورد انتشار فلزات، فرآیندها در کوره‌های بلند و غیره را ممکن می‌سازند.

تشعشعات گامای قوی از داروهای رادیواکتیو برای بررسی ساختار داخلی قطعات ریخته گری فلزی به منظور تشخیص نقص در آنها استفاده می شود.

ایزوتوپ های رادیواکتیو به طور فزاینده ای در کشاورزی استفاده می شوند. تابش دانه های گیاهی (پنبه، کلم، تربچه و غیره) با دوزهای کمی از اشعه گاما از داروهای رادیواکتیو منجر به افزایش قابل توجه عملکرد می شود. دوزهای زیاد تابش باعث ایجاد جهش در گیاهان و میکروارگانیسم ها می شود که در برخی موارد منجر به ظهور جهش یافته هایی با خواص با ارزش جدید می شود (رادیو انتخاب به این ترتیب گونه های با ارزش گندم، لوبیا و سایر محصولات تولید شد و از میکروارگانیسم های بسیار پربازده استفاده شد). در تولید آنتی بیوتیک ها از تابش گاما از ایزوتوپ های رادیواکتیو نیز برای مبارزه با حشرات مضر استفاده می شود کودهای مختلف با فسفر رادیواکتیو 15 32P نشاندار می شوند سپس گیاهان از نظر رادیواکتیویته آزمایش می شوند و میزان فسفر جذب شده از انواع کود را می توان تعیین کرد.

یکی از کاربردهای جالب رادیواکتیو، روش تعیین قدمت یافته‌های باستان‌شناسی و زمین‌شناسی با غلظت ایزوتوپ‌های رادیواکتیو است. متداول‌ترین روش تاریخ‌یابی، تاریخ‌گذاری رادیوکربن است. به دلیل واکنش های هسته ای ناشی از پرتوهای کیهانی، ایزوتوپ ناپایدار کربن در جو ظاهر می شود. درصد کمی از این ایزوتوپ همراه با ایزوتوپ پایدار معمولی در هوا یافت می شود. پس از مرگ گیاهان، مصرف کربن متوقف می شود و ایزوتوپ ناپایدار به تدریج در نتیجه تجزیه β با نیمه عمر 5730 سال به نیتروژن تبدیل می شود. با اندازه گیری دقیق غلظت نسبی کربن رادیواکتیو در بقایای موجودات باستانی می توان زمان مرگ آنها را تعیین کرد.

فهرست ادبیات استفاده شده

1. دکترین رادیواکتیویته. تاریخ و مدرنیته. M. Nauka، 1973 2. تشعشعات هسته ای در علم و فناوری. M. Nauka، 1984 Furman V.I. 3. واپاشی آلفا و واکنش های هسته ای مرتبط. M. Nauka، 1985

4. کتاب درسی فیزیک ابتدایی لندسبرگ G.S. جلد سوم. – M.: Nauka، 19865. Seleznev Yu. مبانی فیزیک ابتدایی. -M.: Nauka، 1964.6. سی دی رام "دانشنامه بزرگ سیریل و متدیوس"، 1997.

7. کوری ام، رادیواکتیویته، ترجمه. از فرانسوی، ویرایش دوم، M. - L.، 1960

8. Murin A.N.، مقدمه ای بر رادیواکتیویته، لنینگراد، 1955

9. داویدوف A.S.، نظریه هسته اتمی، M.، 1958

10. Gaisinsky M.N.، شیمی هسته ای و کاربردهای آن، ترجمه. از فرانسوی، M.، 1961

11. Experimental Nuclear Physics, ed. E. Segre، ترجمه. از انگلیسی، ج 3، م.، 1961; ابزارهای اینترنتی