Вопрос №60 (радиоактивность).

Радиоактивность-самопроизвольный распад неустойчивых ядер с испусканием других ядер или элементарных частиц . Характерным признаком , отличающим её от других видов ядерных превращений, является самопроизвольность (спонтанность ) этого процесса. Различают естественную и искусственную радиоактивность.

1. Естественная-у неустойчивых ядер, существующих в природных условиях.

2. Искусственная- радиоактивность ядер , образованных в результате различных ядерных реакций.

· Радиоактивный распад-спонтанное изменение состава нестабильных атомных ядер (заряда Z, массового числа A) путём испускания элементарных частиц или ядерных фрагментов^[1].

· Закон радиоактивного распада — закон, открытый Фредериком Содди и Эрнестом Резерфордом экспериментальным путём и сформулированный в 1903 году. Современная формулировка закона:

,

что означает, что число распадов за интервал времени в произвольном веществе пропорционально числу имеющихся в образце атомов .

Где: — постоянная распада, которая характеризует вероятность радиоактивного распада за единицу времени и имеющая размерность с⁻¹. Знак минус указывает на убыль числа радиоактивных ядер со временем.

Этот закон считается основным законом радиоактивности, из него было извлечено несколько важных следствий, среди которых формулировки характеристик распада — среднее время жизни атома и период полураспада.

· Период полураспада квантовомеханической системы (частицы, ядра, атома, энергетического уровня и т. д.) — время, в течение которого распадается половина всех атомов. Радиоактивный распад не может быть остановлен или ускорен каким-либо способом.

Поскольку каждый период полураспада уменьшает число выживших частиц вдвое, за время 2T_½ останется четверть от начального числа частиц .

. Для разных изотопов период полураспада колеблется в широких пределах. Так, например, период полураспада йода-131 составляет 8,04 суток; стронция-90 — 29,12 года; плутония-239 — 24 065 лет; урана-235 — 703,8 млн лет, а тория-232 — более 14 млрд лет. Последние три входили в состав ядерного топлива IV блока Чернобыльской атомной электростанции (ЧАЭС). Период полураспада характеризует скорость распада радиоактивного вещества, но не определяет его количества: активности.

· Количество радиоактивного вещества принято оценивать его активностью- количество радиоактивных распадов ядер атомов за единицу времени (распад в секунду).

. В системе СИ приняты две единицы активности:

а) Беккерель – 1 Бк = 1 = 1 1/c

б) Кюри – 1 Ки = 3,710¹⁰ Бк = 3,710¹⁰ 1/c

1Ки – очень большая величина. В медицинской практике используют препараты с активностью в милли- и микрокюри: 1 мКи = 10^-3 Ки; 1 мкКи = 10^-6 Ки.

Вопрос №61(Виды радиоактивного распада…)

основные виды радиоактивного распада:

1. Распад, сопровождающийся испусканием альфа-частиц- альфа-распад;

2. распад, сопровождающийся испусканием бета-частиц -бета-распад

3. «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).

1. α-распад- самопроизвольный распад атомного ядра на дочернее ядро и α-частицу (ядро атома ⁴He).

Правило смещения Содди для α-распада:

.

Пример:

· α-распад, как правило, происходит в тяжёлых ядрах с массовым числом А≥140 . Внутри тяжёлых ядер за счёт свойства насыщения ядерных сил образуются обособленные α-частицы, состоящие из двух протонов и двух нейтронов. Энергетический спектр α-частиц- линейчатый. Энергия практически является постоянной величиной.

Длина свободного пробега α-частиц в воздухе составляет несколько сантиметров, а в мышечной ткани 10в степени -3.Это определяет относительно малую радиационную опасность при наружном облучении.

· Альфа-излучение (альфа-лучи) — один из видов ионизирующих излучений; представляет собой поток быстро движущихся, обладающих значительной энергией, положительно заряженных частиц (альфа-частиц). распад»,

2. β-распадвстречается в двух вариантах:

· β ^- – распад.Один из нейтронов неустойчивого атомного ядра превращается в протон, а точнее в пару частиц «протон- электрон», с суммарным электрическим зарядом +1-1=0. Новый протон остается в атомном ядре, увеличив его атомный номер и изменив положение в таблице Д.И. Менделеева..

β ^- – излучение – это поток только что образовавшихся электронов высокой энергии.

· β ⁺ – распад. Один из протонов неустойчивого атомного ядра превращается в нейтрон, а точнее – в пару частиц «нейтрон- позитрон», с суммарным электрическим зарядом 0+1 = +1. Позитрон – элементарная частица, являющаяся античастицей по отношению к электрону: позитрон можно назвать «электроном с положительным зарядом». Атомный номер ядра стал на единицу меньше, чем был, и его место в таблице Д.И. Менделеева – на одну клеточку левее того места, которое занимало первоначальное ядро.

⁺ – излучение-это поток позитронов высокой энергии.

1. Радиоактивное превращение висмута в полоний; ^- – распад:

;здесь - электрон.

2. Превращение радиоактивного изотопа натрия в неон; ⁺ – распад:

;

здесь - позитрон

· Бета – излучение – это поток быстрых частиц, оказывающих на вещество ионизирующее действие. Поскольку бета – частицы - это заряженные частицы, вероятность их взаимодействия с электронами, входящими в состав вещества, достаточно велика и чем больше плотность вещества, тем эта вероятность больше.

Средняя длина пробега Бета – электрона сильно зависит от плотности вещества: в воздушной среде она велика; в живых тканях она гораздо меньше, чем в воздухе, но значительно больше, чем в металлах.

Законом ослабления Бета – излучения в веществе принято называть утверждение, записанное в виде следующей математической формулы:

I = I₀e^-x (1)

здесь х – толщина преграды на пути тока бета – излучения; I- интенсивность потока Бета – излучения после того, как излучение прошло в преграде путь х.

3. Фотонное излучение. Фотонное излучение (оно же гамма оно же рентгеновское оно же тормозное оно же характеристическое).

· Рентгеновское излучение возникает в результате торможения электронов, испускаемых катодами и ускоряемых электрическим полем, на аноде рентгеновской трубки. При этом возникают тормозное и характеристическое излучения, имеющие соответственно непрерывный и линейчатый спектры.

· Гамма излучение имеет внутриядерное происхождение. Оно возникает при переходе ядра из возбужденного состояния в основное или в состояние с меньшей энергией. Гамма-излучение как правило сопровождает -распад и -распад, и соответствует тому факту, что некие излишки энергии распадающееся ядро «выбрасывает» в виде -кванта. Но исключения, когда основной распад обходится без -излучения, все же встречаются. Пример тому – -распад стронция-90.

· Тормозное излучение возникает при взаимодействии электронов с электрическим полем атомных электронов. Это излучение имеет непрерывный спектр от нуля до максимальной энергии бомбардирующих электронов, когда вся энергия тормозящегося электрона преобразуется в энергию одного фотона.

· Характеристическое излучение. Переход электрона с внешней оболочки У на свободное место на внутренней оболочке Х сопровождается испусканием характеристического излучения. Энергия излучаемого фотона равна разности между энергиями связи электрона на оболочках Х и У.

Вопрос №71(электроника..)

Электроника - область науки и техники, в которой рассматривается работа и применение электровакуумных, ионных и полупроводниковых устройств.

Выделяют следующие виды электроники:

1. Вакуумная электроника, основана на применении электровакуумных приборов (рентгеновские трубки, электронные лампы, газоразрядные приборы и т. д.).

Исторически, внимание исследователей на начальном этапе развития электроники было обращено на процессы переноса электронов в вакууме и в газах. На основе этих исследований были созданы электровакуумные приборы - электронные лампы, которые могли решать задачи усиления и генерирования электрических сигналов. Простейшая электронная лампа состоит из стеклянного корпуса (баллона), в котором в вакууме расположены катод, сетка и анод. Электроны эмитируются катодом и под действием электрического поля, приложенного между анодом и катодом (+ к аноду), движутся через сетку к аноду. Величиной тока анода можно было управлять, изменяя потенциал сетки. На этом эффекте и строятся различные электронные устройства. На основе электронных ламп создавались практически все электронные устройства до 50-х годов прошлого века: приемники и передатчики радиосигналов, усилители, магнитофоны, локационные станции и другие устройства. Первые телевизоры и вычислительные машины также создавались на основе электронных ламп.

2. Твердотельная электроника, изучающая полупроводниковые приборы, интегральные схемы.

Этот этап развития электроника получила с изобретением транзистора в 50-е годы прошлого века. Транзистор - электронный прибор, в котором используются полупроводниковые материалы как с электронной проводимостью (движение электронов), так и с "дырочной" (перемещение места в кристаллической решетке, где отсутствует электрон). Транзистор имеет соединенные между собой три области, к которым подключаются электроды: эмиттер, база и коллектор. Между эмиттером и базой, а также между базой и коллектором имеются р- n переходы, т.е., если область эмиттера имеет электронную проводимость (n- тип), то область базы имеет дырочную проводимость (р-тип) и область коллектора имеет опять электронную проводимость (n-тип) - это транзистор типа n-р- n. Также используются транзисторы с обратным чередованием областей: р-n-р тип. Напряжение питания подводится к электродам: эмиттер-коллектор. Ток в цепи эмиттер-коллектор определяется разностью потенциалов между эмиттером и коллектором и током базы. Транзистор усиливает ток (базы) в отличие от электронной лампы, которая усиливает напряжение (на управляющей сетке). На основе транзистора были созданы интегральные схемы, включающие по мере их совершенствования все большее количество элементов: транзисторов, диодов, резисторов, конденсаторов и других элементов. Применение интегральных микросхем позволило резко сократить размеры, вес, энергопотребление и стоимость электронной аппаратуры, позволило создать мощные вычислительные машины малых размеров с малым потреблением электроэнергии, в том числе широко используемый в настоящее время класс персональных компьютеров.

3.Квантовая электроника, связана прежде всего с лазерами.

Медицинская электроника - это разделы электроники, в которых рассматриваются устройство и работа соответствующей медицинской аппаратуры

В медицинских электронных приборах неэлектрические характеристики типа температуры, давления, перемещения органов и т. д. преобразуют в электрический сигнал. Это связано с тем, что информацию, представленную электрическим сигналом, удобно регистрировать и передавать на расстояние.

Вопрос №66(способы регистрации…)

Два способа обнаружения и регистрации ионизирующих излучений всех видов нашли применение сразу же при открытии рентгеновского излучения и явления радиоактивности. Это – люминесцентные экраны и фотоматериалы.

1. Прибор для регистрации ионизирующих излучений, изобретенный в начале 20 века и применяемый поныне – счетчик Гейгера. Вот его схема:

Счетчик Гейгера регистрирует поштучно каждую - или -частицу, проникающие в него. Для регистрации -частиц и мягкого -излучения рабочей поверхностью счетчика, обращенной навстречу потоку частиц, делают торец прибора, закрытый тонкой пленкой («воздухоэквивалентной»), и тогда частицы ионизируют газ, заполняющий прибор. Такая конструктивная разновидность прибора называется торцевой счетчик.

Бета-излучение со средней и высокой энергией частиц регистрируется счетчиком, обращенным к потоку излучения боком, т.е. цилиндрической поверхностью. Главную роль при обнаружении -частиц играет при этом материал катода, выполненного в виде металлического напыления на стекло изнутри или в виде цилиндрической трубки из металла.

Особенность счетчика Гейгера состоит в том, что если ионизирующее излучение оставляет в нем хотя бы один вторичный электрон, вызвавшая его появление частица будет зарегистрирована, поскольку в пространстве между катодом и анодом создано сильное электрическое поле (U  1000 В), особо неоднородное вблизи нити анода

Что касается квантов рентгеновского или -излучения, то далеко не каждый из них оставит свой след в таком приборе. Доля квантов, оставивших след в счетчике Гейгера, очень сильно зависит от энергии квантов.

2. Гораздо выше эффективность регистрации электромагнитных ионизирующих излучений в сцинтилляционных датчиках. В них рабочим телом является крупный прозрачный цилиндр, изготовленный из монокристаллов( кристаллы NaI, активированные таллием .

Квант, претерпевая в объеме кристалла многоступенчатое рассеяние, выбивает электроны на всех изломах своей траектории. Выбитые электроны, возбуждают атомы кристалла, и на пути кванта остается цепочка световых вспышек. Примесные атомы таллия делают эти вспышки более яркими.

Цепочка событий, происходящих при регистрации каждого кванта, такова:

1. Чем больше энергия кванта, тем больше суммарная яркость вспышек (сцинтилляций) в объеме кристалла.

2. Чем больше суммарная яркость вспышек, тем больше число фотоэлектронов.

3. Чем больше фотоэлектронов, тем больше амплитуда электрического импульса на выходе ФЭУ.

Таким образом, сцинтилляционный детектор обеспечивает возможность не только фиксировать кванты, но и измерять их энергию. Изучение спектра потока излучения актуально не только для физики, но и для медицины: врач должен знать, какое излучение он будет направлять на пациента.