Ядерные реакции. Методы получения радионуклидов

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЯДЕР АТОМОВ.

1. Электрический заряд ядра. Ядра всех атомов заряжены положительно. Их заряд определяется числом протонов Z, входящих в состав ядра, и может быть найден по порядковому номеру соответствующего элемента в таблице Менделеева:

q_я = Ze,

где q_я – заряд ядра, е – положительный заряд, численно равный заряду электрона.

2. Масса ядра. Она не на много отличается от массы атома. Массу ядра выражают в атомных единицах массы (а.е.м.). За 1 а.е.м. принята 1/12 массы изотопа углерода с массовым числом 12.

1 а.е.м. = (1,66043 ± 0,00031)´ 10^-27 кг.

Например: т_р = 1,00728 а.е.м.,

т_п = 1,00867 а.е.м.,

т_a = 4,00152 а.е.м.

3. Массовое число. Это целое число (А), ближайшее к атомной массе атома, выраженной в а.е.м. Массовое число равно числу нуклонов в ядре.

А = Z + N,

где N – число нейтронов в ядре.

Символическая запись ядра: .

Нижний индекс у элемента означает порядковый номер Z, верхний – массовое число А.

4. Радиус ядра. Радиусы всех ядер могут быть вычислены по приближенной формуле

(1)

В ядерной физике длину выражают в фемтометрах (1 фм = 10^-15м).

В этих единицах вместо (1) имеем

.

5. Спин ядра. Ядро характеризуют спином, который равен сумме спинов нуклонов. Спины протона и нейтрона одинаковы:

.

Спин ядра, состоящего из четного числа нуклонов равен целому числу , а ядра гелия - нулю.

Ядро, состоящее из нечетного числа нуклонов, имеет спин, равный нечетному числу . Например, спин ядра трития равен , а ядра лидия .

6. Магнитный момент ядра. Со спином ядра связан магнитный момент р_тя. Его выражают в ядерных магнетонах Бора m_я.

Магнитный момент протона ~ , нейтрона Знак «-» означает, что магнитный момент нейтрона или ядра ориентирован противоположно спину.

Радиоактивность.

Основной закон радиоактивного распада.

Активность.

Радиоактивностью называется самопроизвольный распад неустойчивых ядер с испусканием других ядер или элементарных частиц.

Естественная радиоактивность – встречается у неустойчивых ядер, существующих в природе.

Искусственной радиоактивностью называется распад ядер, образованных в результате различных ядерных реакций.

Имеется три вида радиоактивного излучения: a, b, g.

Альфа-излучение – поток частиц с высокой энергией, которую представляют ядра гелия. a-частица состоит из двух протонов и двух нейтронов и обозначается

Бета-излучение – поток частиц с высокой кинетической энергией, которую представляют либо электроны, либо позитроны. b-частица обозначается или или (позитрон).

Гамма-излучение – имеет электромагнитную природу и представляет фотонов с высокой энергией ~ от 1 до 2-3 МэВ и малой длиной волны от 0,1 нм и меньше. Обозначается - g c индексом, указывающим энергию фотонов, например, g_0,5 или g_2,0.

Радиоактивный распад есть явление статистическое.

Пусть за малый интервал времени dt распадается dN ядер.

dN = -lN dt,

где l - постоянная распада.

Эта величина пропорциональна вероятности распада и различается для разных радиоактивных веществ. Знак «-» поставлен в связи с тем, что dN< 0, так как число не распавшихся радиоактивных ядер убывает со временем.

(N₀ – начальное число радиоактивных ядер)

, потенцируя

(1) .

Это и есть основной закон радиоактивного распада.

На практике вместо постоянной распада чаще используют другую характеристику радиоактивного изотопа – период полураспада Т. Это время, в течение которого распадается половина радиоактивных ядер. Чтобы установить связь между Т и l, подставим в (1) и t = T

логарифмируя

Работая с радиоактивными источниками, важно знать число частиц или g-фотонов, вылетающих из препарата а единицу времени. Это число пропорционально скорости распада, поэтому скорость распада называется активностью, является существенной характеристикой радиоактивного препарата:

Таким образом, активность препарата будет тем больше, чем больше радиоактивность ядер и чем меньше их период полураспада.

Активность препарата со временем убывает по экспоненциальному закону.

Единица измерения активности в СИ – распад в секунду. Наиболее употребительной единицей активностью является Кюри (Ки).

1 Ки = 3,7 × 10¹⁰ расп./с

1 Беккерель (Бк) – соответствует активности нуклида в радиоактивном источнике, в котором за 1 с происходит один акт распада

1 Рд = 10⁶ Бк = 10⁶ с^-1.

Для характеристики активности единицы массы радиоактивного источника вводят величину, называемую удельной массовой активностью и равную отношению активности изотопа к его массе. Удельная массовая активность выражается в беккерелях на килограмм (Бк/кг).

Существует еще одна внесистемная единица измерения активности – резерфорд (Рд), равная 10⁶ расп/с.

Ядерные реакции. Методы получения радионуклидов.

Искусственно-радиоактивные изотопы получают в результате ядерных реакций – взаимодействия нуклидов друг с другом и с ядерными частицами или фотонами, в результате которых происходит образование других нуклидов и частиц. Ядерная реакция условно обозначается следующим образом: вначале указывается символ исходного элемента (изотопа), а затем – образующегося в результате длиной ядерной реакции. В скобках между ними первой указывается воздействующая, а за нею – вылетающая частица или квант излучения.

Например, ¹⁶О(t, n) ¹⁸F (t –тритон).

Вероятность осуществления ядерных реакций количественно характеризуется эффективным поперечным сечением реакции (s) и выражаемым в барнах (10^-24 см²). Для получения искусственно-радиоактивных нуклидов используют ядерные реакторы и ускорители заряженных частиц.

1) Многие радионуклиды, применяемые в биологии и медицине, получают в ядерном реакторе по ядерным реакциям радиационного захвата, то есть захвата ядром нейтрона с испусканием g-кванта.