Главная » Страхование » Ядерный полураспад. Как рассчитать период полураспада

Ядерный полураспад. Как рассчитать период полураспада

Диапазон значений периода полураспада радиоактивных веществ чрезвычайно широк, он простирается от миллиардов лет до малых долей секунды. Поэтому методы измерений величины T 1/2 должны сильно отличаться друг от друга. Рассмотрим некоторые из них.

1) Пусть, например, требуется определить период полураспада долгоживущего вещества. В этом случае, получив химическим путем радиоактивный изотоп, свободный от посторонних примесей или с известным количеством примесей, можно взвесить образец и, используя число Авогадро, определить число атомов радиоактивного вещества, которые в нём находятся. Поместив образец перед детектором радиоактивных излучений и вычислив телесный угол , под которым виден детектор из образца, определим долю излучения, регистрируемого детектором. При измерениях интенсивности излучения следует учитывать возможное поглощение его на пути между образцом и детектором, а также поглощение его в образце и эффективность регистрации. Таким образом, в эксперименте определяется число ядер n , распадающихся в единицу времени:

где N - число радиоактивных ядер, находящихся в радиоактивном образце. Тогда и .

2) Если определяется величина Т 1/2 для веществ, распадающихся с периодом полураспада в несколько минут, часов или дней, то удобно использовать метод наблюдения изменения интенсивности ядерного излучения со временем. В данном случае регистрация излучения производится либо с помощью газонаполненного счетчика, либо сцинтилляционного детектора. Радиоактивный источник помещается вблизи счетчика так, чтобы их взаимное расположение в течение всего эксперимента не изменялось. Кроме того, необходимо создать такие условия, при которых исключались бы возможные просчеты как самого счетчика, так и регистрирующей системы. Измерения производятся следующим образом. Отсчитывается число импульсов N 0 за некоторый промежуток времени t (например, за одну минуту). Через промежуток времени t 1 производится снова отсчет импульсов N 1 .Через промежуток времени t 2 получается новое число N 2 и т. д.

Фактически в этом эксперименте производятся относительные измерения активности изотопа в различные моменты времени. В результате получается набор чисел , , ..., , который и используется для определения периода полураспада Т 1/2 .

Полученные экспериментальные значения после вычета фона наносятся на график (рис. 3.3), где по оси абсцисс откладывается время, прошедшее от начала измерений, а по оси ординат логарифм числа . По нанесенным экспериментальным точкам с помощью метода наименьших квадратов проводится линия. Если в измеряемом препарате присутствует только один радиоактивный изотоп, то линия будет прямой. Если же в нем имеется два или несколько радиоактивных изотопов, распадающихся с различными периодами полураспада, то линия будет кривой.

С помощью одиночного счетчика (или камеры) трудно производить измерения сравнительно больших периодов полураспада (несколько месяцев или несколько лет). Действительно, пусть в начале измерений скорость счета составляла N 1 , а в конце - N 2 . Тогда ошибка будет обратно пропорциональна величине ln(N 1 /N 2 ). Значит, если за время измерений активность источника изменится незначительно, то N 1 и N 2 будут близки друг к другу и ln(N 1 /N 2 ) будет много меньше единицы и погрешность в определении Т 1/2 будет велика.

Таким образом, ясно, что измерения периода полураспада с помощью одиночного счетчика необходимо производить в такое время, чтобы ln(N 1 /N 2) был больше единицы. Практически, наблюдения необходимо производить в течение не более 5Т 1/2.

3) Измерения Т 1/2 в несколько месяцев или лет удобно производить с помощью дифференциальной ионизационной камеры. Она представляет собой две ионизационные камеры, включенные так, чтобы токи в них шли в противоположном направлении и компенсировали друг друга (рис. 3.4).

Процесс измерения периода полураспада производится следующим образом. В одну из камер (например, К 1 )помещается радиоактивный изотоп с заведомо большим T 1/2 , (например, 226 Ra, у которого Т 1/2 =1600 лет); за относительно короткое время измерений (несколько часов или дней) величина ионизационного тока в этой камере практически не изменится. В другую камеру (К 2 ) помещается изучаемый радиоактивный нуклид. С помощью приблизительного подбора величин активностей обоих препаратов, а также подходящего размещения их в камерах можно добиться того, что в начальный момент времени ионизационные токи в камерах будут одинаковы: I 1 =I 2 =I 0 , т. е. разностный ток =0. Если измеряемый период полураспада относительно невелик и равен, например, нескольким месяцам или годам, то через несколько часов ток в камере К 2 уменьшится, появится разностный ток: . Изменение ионизационных токов будет происходить в соответствии с периодами полураспада:

Следовательно,

Для измеряемых периодов полураспада величина и после разложения в ряд получим

В эксперименте измеряются , I 0 и t. По ним уже определяется и

Измеряемые величины могут быть определены с удовлетворительной точностью, а следовательно, с достаточной точностью может быть вычислено и значение Т 1/2.

4) При измерениях малых периодов полураспада (доли секунды) обычно используется метод задержанных совпадений. Сущность его можно показать на примере определения времени жизни возбужденного состояния ядра.

Пусть ядро А в результате -распада превращается в ядро Б, которое находится в возбужденном состоянии и свою энергию возбуждения испускает в виде двух -квантов, идущих последовательно друг за другом. Сначала испускается квант затем квант (см. рис. 3.5).

Как правило, возбужденное ядро испускает избыточную энергию не мгновенно, а через некоторое (пусть даже и очень малое) время, т. е. возбужденные состояния ядра имеют некоторое конечное время жизни . В данном случае можно определить время жизни первого возбужденного состояния ядра. Для этого препарат, содержащий радиоактивные ядра А , помещается между двумя счетчиками (лучше для этого использовать сцинтилляционные счетчики) (рис. 3.6). Можно создать такие условия, что левый канал схемы будет регистрировать только кванты , а правый . Квант всегда испускается раньше, чем квант . Время испускания второго кванта относительно первого не будет всегда одним и тем же для различных ядер Б . Разрядка возбужденных состояний ядер носит статистический характер и подчиняется закону радиоактивного распада.

Таким образом, для определения времени жизни уровня , надо проследить за его разрядкой во времени. Для этого в левый канал схемы совпадений 1включим переменную линию задержки 2, которая будет в каждом конкретном случае задерживать импульс, возникающий в левом детекторе от кванта на некоторое время t 3 . Импульс, возникающий в правом детекторе от кванта , непосредственно поступает в блок совпадений. Число совпадающих импульсов регистрируется счетной схемой 3. Измеряя число совпадений в зависимости от времени задержки, мы получим кривую разрядки уровня I, аналогичную кривой на рис. 3.3. Из нее и определяется время жизни уровня I. Методом задержанных совпадений можно определить время жизни в диапазоне 10 -11 -10 -6 с.

В таблице Менделеева более 100 химических элементов. Почти каждый из них представлен смесью стабильных и радиоактивных атомов, которые называют изотопами данного элемента. Известно около 2000 изотопов, из которых около 300 - стабильные.

Например, у первого элемента таблицы Менделеева - водорода - существуют следующие изотопы:

Водород Н-1 (стабильный), - дейтерий Н-2 (стабильный), - тритий Н-3 (радиоактивный, период полураспада 12 лет).

Радиоактивные изотопы обычно называют радионуклидами

Что такое период полураспада

Число радиоактивных ядер одного типа постоянно уменьшается во времени благодаря их распаду.

Скорость распада принято характеризовать периодом полураспада: это время, за которое число радиоактивных ядер определенного типа уменьшится в 2 раза.

Абсолютно ошибочной является следующая трактовка понятия "период полураспада": "если радиоактивное вещество имеет период полураспада 1 час, это значит, что через 1 час распадется его первая половина, а еще через 1 час - вторая половина, и это вещество полностью исчезнет (распадется)".

Для радионуклида с периодом полураспада 1 час это означает, что через 1 час его количество 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. В такой же пропорции будет уменьшается и радиация, излучаемая этим веществом. Поэтому можно прогнозировать радиационную обстановку на будущее, если знать, какие и в каком количестве радиоактивные вещества создают радиацию в данном месте в данный момент времени.

У каждого радионуклида - свой период полураспада, он может составлять как доли секунды, так и миллиарды лет. Важно, что период полураспада данного радионуклида постоянен, и изменить его невозможно.

Образующиеся при радиоактивном распаде ядра, в свою очередь, также могут быть радиоактивными. Так, например, радиоактивный радон-222 обязан своим происхождением радиоактивному урану-238.

Иногда встречаются утверждения, что радиоактивные отходы в хранилищах полностью распадутся за 300 лет. Это не так. Просто это время составит примерно 10 периодов полураспада цезия-137, одного из самых распространенных техногенных радионуклидов, и за 300 лет его радиоактивность в отходах снизится почти в 1000 раз, но, к сожалению, не исчезнет.

Естественная радиоактивность

Естественная радиоактивность существует миллиарды лет, она присутствует буквально повсюду. Ионизирующие излучения существовали на Земле задолго до зарождения на ней жизни и присутствовали в космосе до возникновения самой Земли. Радиоактивные материалы вошли в состав Земли с самого ее рождения. Любой человек слегка радиоактивен: в тканях человеческого тела одним из главных источников природной радиации являются калий-40 и рубидий-87, причем не существует способа от них избавиться.

Учтем, что современный человек до 80% времени проводит в помещениях - дома или на работе, где и получает основную дозу радиации: хотя здания защищают от излучений извне, в стройматериалах, из которых они построены, содержится природная радиоактивность. Существенный вклад в облучение человека вносит радон и продукты его распада.

Радон

Основным источником этого радиоактивного инертного газа является земная кора. Проникая через трещины и щели в фундаменте, полу и стенах, радон задерживается в помещениях. Другой источник радонав помещении - это сами строительные материалы (бетон, кирпич и т.д.), содержащие естественные радионуклиды, которые являются 7 источником радона. Радон может поступать в дома также с водой (особенно если она подается из артезианских скважин), при сжигании природного газа и т.д.

Радон в 7,5 раз тяжелее воздуха. Как следствие, концентрация радона в верхних этажах многоэтажных домов обычно ниже, чем на первом этаже.

Основную часть дозы облучения от радона человек получает, находясь в закрытом, непроветриваемом помещении; регулярное проветривание может снизить концентрацию радона в несколько раз.

При длительном поступлении радона и его продуктов в организм человека многократно возрастает риск возникновения рака легких.

Техногенная радиоактивность

Техногенная радиоактивность возникает вследствие человеческой деятельности.

Осознанная хозяйственная деятельность, в процессе которой происходит перераспределение и концентрирование естественных радионуклидов, приводит к заметным изменениям естественного радиационного фона. Сюда относится добыча и сжигание каменного угля, нефти, газа, других горючих ископаемых, использование фосфатных удобрений, добыча и переработка руд.

Такой вид транспорта, как гражданская авиация, подвергает своих пассажиров повышенному воздействию космического излучения.

И, конечно, свой вклад дают испытания ядерного оружия, предприятия атомной энергетики и промышленности.

Безусловно, возможно и случайное (неконтролируемое) распространение радиоактивных источников: аварии, потери, хищения, распыление и т.п. Таки ситуации, к счастью, ОЧЕНЬ РЕДКИ. Кроме того, их опасность не следует преувеличивать.

Как защититься от радиации

От источника радиации защищаются временем, расстоянием и веществом.

Временем - вследствие того, что чем меньше время пребывания вблизи источника радиации, тем меньше полученная от него доза облучения.

Расстоянием - благодаря тому, что излучение уменьшается с удалением от компактного источника (пропорционально квадрату расстояния). Если на расстоянии 1 метр от источника радиации дозиметр фиксирует 1000 мкР/час, то уже на расстоянии 5 метров показания снизятся приблизительно до 40 мкР/час.

Веществом - необходимо стремиться, чтобы между Вами и источником радиации оказалось как можно больше вещества: чем его больше и чем оно плотнее, тем большую часть радиации оно поглотит.

Что касается главного источника облучения в помещениях - радона и продуктов его распада, то регулярное проветривание позволяет значительно уменьшить их вклад в дозовую нагрузку.

Кроме того, если речь идет о строительстве или отделке собственного жилья, которое, вероятно, прослужит не одному поколению, следует постараться купить радиационно безопасные стройматериалы - благо их ассортимент ныне чрезвычайно богат.

Заключение .

Делая этот реферат, я открыл для себя много нового. Я выбирал нужную информацию из многих источников. В ходе отбора информации я находил много интересного. Эта работа обьединяет в себе труды многих людей. В ней коротко изложен почти весь материал о главных аспектах радиоктивности, начиная от того, что такое радиоктивность и заканчивая методами защиты от неё.

Период полураспада

Пери́од полураспа́да квантовомеханической системы (частицы, ядра, атома, энергетического уровня и т. д.) - время T ½ , в течение которого система распадается с вероятностью 1/2. Если рассматривается ансамбль независимых частиц, то в течение одного периода полураспада количество выживших частиц уменьшится в среднем в 2 раза. Термин применим только к экспоненциально распадающимся системам.

Не следует считать, что за два периода полураспада распадутся все частицы, взятые в начальный момент. Поскольку каждый период полураспада уменьшает число выживших частиц вдвое, за время 2T ½ останется четверть от начального числа частиц, за 3T ½ - одна восьмая и т. д. Вообще, доля выживших частиц (или, точнее, вероятность выживания p для данной частицы) зависит от времени t следующим образом:

Период полураспада, среднее время жизни и константа распада связаны следующими соотношениями, полученными из закона радиоактивного распада :

Поскольку , период полураспада примерно на 30,7 % короче, чем среднее время жизни.

На практике период полураспада определяют, измеряя активность исследуемого препарата через определенные промежутки времени. Учитывая, что активность препарата пропорциональна количеству атомов распадающегося вещества, и воспользовавшись законом радиоактивного распада , можно вычислить период полураспада данного вещества .

Пример

Если обозначить для данного момента времени число ядер способных к радиоактивному превращению через N , а промежуток времени через t 2 - t 1 , где t 1 и t 2 - достаточно близкие моменты времени (t 1 < t 2), и число разлагающихся атомных ядер в этот отрезок времени через n , то n = KN (t 2 - t 1). Где коэффициент пропорциональности K = 0,693/T ½ носит название константы распада. Если принять разность (t 2 - t 1) равной единице, то есть интервал времени наблюдения равным единице, то K = n /N и, следовательно, константа распада показывает долю от наличного числа атомных ядер, испытывающих распад в единицу времени. Следовательно, распад совершается так, что в единицу времени распадается одна и та же доля от наличного числа атомных ядер, что определяет закон экспоненциального распада.

Величины периодов полураспада для различных изотопов различны; для некоторых, особенно быстро распадающихся, период полураспада может быть равным миллионным долям секунды, а для некоторых изотопов, как уран-238 и торий-232 , он соответственно равен 4,498·10 9 и 1,389·10 10 лет. Легко подсчитать число атомов урана-238, испытывающих превращение в данном количестве урана, например, в одном килограмме в течение одной секунды. Количество любого элемента в граммах, численно равное атомному весу, содержит, как известно, 6,02·10 23 атомов. Поэтому согласно приведённой выше формуле n = KN (t 2 - t 1) найдём число атомов урана, распадающихся в одном килограмме в одну секунду, имея ввиду, что в году 365*24*60*60 секунд,

Вычисления приводят к тому, что в одном килограмме урана в течение одной секунды распадается двенадцать миллионов атомов. Несмотря на такое огромное число, всё же скорость превращения ничтожно мала. Действительно, в секунду распадается следующая часть урана:

Таким образом, из наличного количества урана в одну секунду распадается его доля, равная

Обращаясь опять к основному закону радиоактивного распада KN (t 2 - t 1), то есть к тому факту, что из наличного числа атомных ядер в единицу времени распадается всего одна и та же их доля и, имея к тому же ввиду полную независимость атомных ядер в каком-либо веществе друг от друга, можно сказать, что этот закон является статистическим в том смысле, что он не указывает какие именно атомные ядра подвергнутся распаду в данный отрезок времени, а лишь говорит об их числе. Несомненно, этот закон сохраняет силу лишь для того случая, когда наличное число ядер очень велико. Некоторые из атомных ядер распадутся в ближайший момент, в то время как другие ядра будут претерпевать превращения значительно позднее, поэтому когда наличное число радиоактивных атомных ядер сравнительно невелико, закон радиоактивного распада может и не выполняться во всей строгости.

Пример 2

Образец содержит 10 г изотопа плутония Pu-239 с периодом полураспада 24 400 лет. Сколько атомов плутония распадается ежесекундно?

Мы вычислили мгновенную скорость распада. Количество распавшихся атомов вычислим по формуле

Последняя формула действительна только тогда, когда рассматриваемый период времени (в данном случае - 1 секунда) значительно меньше, чем период полураспада. Когда рассматриваемый период времени сравним с периодом полураспада, следует пользоваться формулой

Эта формула пригодна в любом случае, однако для малых периодов времени требует вычислений с очень большой точностью. Для данной задачи:

Парциальный период полураспада

Если система с периодом полураспада T 1/2 может распадаться по нескольким каналам, для каждого из них можно определить парциальный период полураспада . Пусть вероятность распада по i -му каналу (коэффициент ветвления) равна p i . Тогда парциальный период полураспада по i -му каналу равен

Парциальный имеет смысл периода полураспада, который был бы у данной системы, если «выключить» все каналы распада, кроме i -го. Так как по определению , то для любого канала распада.

Стабильность периода полураспада

Во всех наблюдавшихся случаях (кроме некоторых изотопов, распадающихся путём электронного захвата) период полураспада был постоянным (отдельные сообщения об изменении периода были вызваны недостаточной точностью эксперимента, в частности, неполной очисткой от высокоактивных изотопов). В связи с этим период полураспада считается неизменным. На этом основании строится определение абсолютного геологического возраста горных пород, а также радиоуглеродный метод определения возраста биологических останков.

Предположение об изменяемости периода полураспада используется креационистами , а также представителями т. н. «альтернативной науки » для опровержения научной датировки горных пород, остатков живых существ и исторических находок, с целью дальнейшего опровержения научных теорий, построенных с использованием такой датировки. (См., например, статьи Креационизм , Научный креационизм , Критика эволюционизма , Туринская плащаница).

Вариабельность постоянной распада для электронного захвата наблюдалась в эксперименте, но она лежит в пределах процента во всём доступном в лаборатории диапазоне давлений и температур. Период полураспада в этом случае изменяется в связи с некоторой (довольно слабой) зависимостью плотности волновой функции орбитальных электронов в окрестности ядра от давления и температуры. Существенные изменения постоянной распада наблюдались также для сильно ионизованных атомов (так, в предельном случае полностью ионизованного ядра электронный захват может происходить только при взаимодействии ядра со свободными электронами плазмы; кроме того, распад, разрешённый для нейтральных атомов, в некоторых случаях для сильно ионизованных атомов может быть запрещён кинематически). Все эти варианты изменения постоянных распада, очевидно, не могут быть привлечены для «опровержения» радиохронологических датировок, поскольку погрешность самого радиохронометрического метода для большинства изотопов-хронометров составляет более процента, а высокоионизованные атомы в природных объектах на Земле не могут существовать сколько-нибудь длительное время.

Поиск возможных вариаций периодов полураспада радиоактивных изотопов, как в настоящее время, так и в течение миллиардов лет, интересен в связи с гипотезой о вариациях значений фундаментальных констант в физике (постоянной тонкой структуры , константы Ферми и т. д.). Однако тщательные измерения пока не принесли результата - в пределах погрешности эксперимента изменения периодов полураспада не были найдены. Так, было показано, что за 4,6 млрд лет константа α-распада самария-147 изменилась не более чем на 0,75 %, а для β-распада рения-187 изменение за это же время не превышает 0,5 % ; в обоих случаях результаты совместимы с отсутствием таких изменений вообще.

См. также

Примечания

Wikimedia Foundation . 2010 .

Аи
Меренра I

Смотреть что такое "Период полураспада" в других словарях:

ПЕРИОД ПОЛУРАСПАДА - ПЕРИОД ПОЛУРАСПАДА, промежуток времени, в течение которого распадается половина данного количества ядер радиоактивного изотопа (которые превращаются в другой элемент или изотоп). Измеряется только период полураспада, так как полного распада не… … Научно-технический энциклопедический словарь

ПЕРИОД ПОЛУРАСПАДА - промежуток времени, в течение к рого исходное число радиоактивных ядер в среднем уменьшается вдвое. При наличии N0 радиоактивных ядер в момент времени t=0 их число N убывает во времени по закону: N=N0e lt, где l постоянная радиоактивного распада … Физическая энциклопедия

ПЕРИОД ПОЛУРАСПАДА - время, за которое разлагается половина исходного радиоактивного материала или пестицида. Экологический энциклопедический словарь. Кишинев: Главная редакция Молдавской советской энциклопедии. И.И. Дедю. 1989 … Экологический словарь

ПЕРИОД ПОЛУРАСПАДА - промежуток времени T1/2, в течение которого количество нестабильных ядер уменьшается вдвое. T1/2 = 0,693/λ = 0,693·τ, где λ постоянная радиоактивного распада; τ среднее время жизни радиоактивного ядра. См. также Радиоактивность … Российская энциклопедия по охране труда

период полураспада - Время, в течение которого активность радиоактивного источника спадает до половинного значения. [Система неразрушающего контроля. Виды (методы) и технология неразрушающего контроля. Термины и определения (справочное пособие). Москва 2003 г.]… … Справочник технического переводчика

ПЕРИОД ПОЛУРАСПАДА

ПЕРИОД ПОЛУРАСПАДА , промежуток времени, в течение которого распадается половина данного количества ядер радиоактивного изотопа (которые превращаются в другой элемент или изотоп). Измеряется только период полураспада, так как полного распада не происходит. Период полураспада остается постоянным при любой температуре и давлении, но сильно отличается у разных изотопов. Кислород-20 имеет период полураспада 14 секунд, а уран-234 - около 250 000 лет. Распад радиоактивного изотопа сопровождается испусканием альфа- и бета-частиц. Измеряя интенсивность их выброса, можно исследовать распад. Термин «период полураспада» также относится и к частицам, произвольно распадающимся на новые частицы. Так свободный нейтрон распадается на протон и электрон. См также РАДИОУГЛЕРОДНОЕ ДАТИРОВАНИЕ, РАДИОАКТИВНЫЙ РАСПАД.

Научно-технический энциклопедический словарь .

Смотреть что такое "ПЕРИОД ПОЛУРАСПАДА" в других словарях:

Промежуток времени, в течение к рого исходное число радиоактивных ядер в среднем уменьшается вдвое. При наличии N0 радиоактивных ядер в момент времени t=0 их число N убывает во времени по закону: N=N0e lt, где l постоянная радиоактивного распада … Физическая энциклопедия

Время, за которое разлагается половина исходного радиоактивного материала или пестицида. Экологический энциклопедический словарь. Кишинев: Главная редакция Молдавской советской энциклопедии. И.И. Дедю. 1989 … Экологический словарь

Квантовомеханической системы (частицы, ядра, атома, энергетического уровня и т. д.) время T½, в течение которого система распадается с вероятностью 1/2. Если рассматривается ансамбль независимых частиц, то в течение одного периода … Википедия

Радионуклида (Т1/2), промежуток времени, за который число радиоактивных ядер в среднем уменьшается вдвое. * * * ПЕРИОД ПОЛУРАСПАДА ПЕРИОД ПОЛУРАСПАДА радионуклида (T1/2), промежуток времени, за который первоначальное число радиоактивных атомов… … Энциклопедический словарь

период полураспада - pusėjimo trukmė statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. half life; half life period; half value time vok. Halbwertszeit, f; Rückenhalbwertsdauer, f; Rückenhalbwertzeit, f rus. время полураспада, n; время полуспада, n; период полураспада, m… … Fizikos terminų žodynas

период полураспада - skilimo pusėjimo trukmė statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. decay half time; decay period vok. Halbwertszeit des radioaktiven Zerfalls, f rus. время полураспада, m; период полураспада, m pranc. période de demi vie, f; période de… … Fizikos terminų žodynas

ПЕРИОД ПОЛУРАСПАДА - (Т0,5) период распада в почве и др. средах. Чаще всего данное значение характеризует потерю веществом пестицидных свойств на 50% … Пестициды и регуляторы роста растений

период полураспада - pusėjimo trukmė statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Vidutinis laiko tarpas, per kurį skyla pusė visų radioaktyviojo nuklido bandinio atomų. atitikmenys: angl. half life; half life period; half value time vok. Halbperiode,… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

Книги

Период Полураспада , Котова Е.. Роман-провокация предлагает заглянуть в замочную скважину. А там разворачивается подлинная история русской семьи длиной в сто лет, которая начинается в первый день XX века в идиллическом уюте…

Определение периода полураспада радиоактивного долгоживущего изотопа калия

Цель работы: Изучение явления радиоактивности. Определение периода полураспада Т 1/2 ядер радиоактивного изотопа К-40 (калий-40).

Оборудование:

Измерительная установка;

Мерный образец, содержащий известную массу хлористого калия (KCl);

Эталонный препарат (мера активности) с известной активностью К-40.

Теоретическая часть

В настоящее время известно большое количество изотопов всех химических элементов, ядра которых могут самопроизвольно превращаться друг в друга. В процессе превращений ядро испускает один или несколько видов так называемых ионизирующих частиц - альфа-(α), бета-(β) и других, а также гамма-квантов (γ). Такое явление называется радиоактивным распадом ядра.

Радиоактивный распад носит вероятностный характер и зависит только от характеристик распадающегося и образующегося ядер. Внешние факторы (нагревание, давление, влажность и др.) на скорость радиоактивного распада воздействия не оказывают. Радиоактивность изотопов практически не зависит также от того, находятся они в чистом виде или входят в состав каких-либо химических соединений. Радиоактивный распад является процессом стохастическим. Каждое ядро распадается независимо от других ядер. Нельзя сказать, когда конкретно распадется данное радиоактивное ядро, но для отдельного ядра можно указать вероятность его распада за определенное время.

Самопроизвольный распад радиоактивных ядер происходит в соответствии с законом кинетики радиоактивного распада, согласно которому число ядер dN(t), распадающихся за бесконечно малый промежуток времени dt , пропорционально числу нестабильных ядер, имеющихся в момент времени t в данном источнике излучения (мерном образце):

В формуле (1) коэффициент пропорциональности λ называется постоянной распада ядра. Ее физический смысл – вероятность распада отдельно взятого нестабильного ядра в единицу времени. Другими словами - для источника излучения, содержащего в рассматриваемый момент большое количество нестабильных ядер N(t) , постоянная распада показывает долю ядер, распадающихся в данном источнике за малый промежуток времени dt . Постоянная распада – размерная величина. Ее размерность в системе СИ – с -1 .

Величина А(t ) в формуле (1) сама по себе имеет важное значение. Она является основной количественной характеристикой данного образца как источника излучения и называется его активностью . Физический смысл активности источника – количество нестабильных ядер, распадающихся в данном источнике излучения в единицу времени. Единица измерения активности в системе СИ – Беккерель(Бк) – соответствует распаду одного ядра в секунду. В специализированной литературе встречается внесистемная единица измерения активности – Кюри (Ки) . 1 Ки ≈ 3.7·10 10 Бк.

Выражение (1) – это запись закона кинетики радиоактивного распада в дифференциальной форме. На практике иногда удобнее применять другой (интегральный) вид закона радиоактивного распада. Решая дифференциальное уравнение (1), получим:

, (2)

где N (0) – количество нестабильных ядер в образце в начальный момент времени (t = 0); N (t ) – среднее количество нестабильных ядер в любой момент времени t >0.

Таким образом, число нестабильных ядер в любом источнике излучения уменьшается со временем, в среднем, по экспоненциальному закону. На рисунке 1 представлена кривая изменения среднего числа ядер во времени, происходящего по закону радиоактивного распада. Этот закон может быть применен только к большому числу радиоактивных ядер. При небольшом числе распадающихся ядер наблюдаются значительные статистические колебания около среднего значения N (t ).

Рисунок 1. – Кривая распада радионуклида.

Умножив обе части (2) на константу λ и учитывая, что N (t )· λ = A (t ), получим закон изменения активности источника излучения с течением времени

. (3)

В качестве интегральной временной характеристики радионуклида часто применяют величину, называемую его периодом полураспада T 1/2 . Период полураспада - это интервал времени, на протяжении которого число ядер данного радионуклида в источнике уменьшается, в среднем, в два раза (см. рисунок 1). Из выражения (2) находим:

откуда получаем соотношение между периодом полураспада радионуклида T 1/2 и его постоянной распада 

Подставив в формулу (4) значение λ , выраженное и формулы (1) получаем выражение, связывающее период полураспада с активностью мерного образца A и количеством нестабильных ядер N К-40 радионуклида
, входящего в состав этого образца

. (5)

Выражение (5) является основной рабочей формулой данного задания. Из нее следует, что, посчитав количество ядер радионуклида
в рабочем мерном образце и определив активность К-40 в образце, можно будет найти период полураспада долгоживущего радионуклида К-40, выполнив тем самым задание лабораторной работы.

Отметим важный момент. Учтем, что по условиям задания заранее известно, что период полураспада T 1/2 радионуклида
намного больше времени наблюденияΔ T за мерным образцом в рамках данной лабораторной работы (Δ T / T 1/2 <<1) . Следовательно, при выполнении данного задания, можно не учитывать изменение активности образца и количества ядер К-40 в образце за счет радиоактивного распада и считать их постоянными величинами:

Определение количества ядер К-40 в мерном образце.

Известно, что природный химический элемент калий состоит из трех изотопов – К-39, К-40 и К-41. Один из этих изотопов, а именно радионуклид
, массовая доля которого в природном калии составляет 0,0119 %(относительная распространенность η =0,000119) , является нестабильным.

Число атомов N К-40 (соответственно, и ядер) радионуклида
в мерной пробе определяется следующим образом.

Полное число N K атомов природного калия в мерной пробе, содержащей m граммов (указывается преподавателем) хлористого калия, находится из соотношения

где М KCl = 74,5 г/моль – молярная масса KCl;

N A = 6,02·10 23 моль -1 - постоянная Авогадро.

Следовательно, с учетом относительной распространенности, число атомов (ядер) радионуклида
в мерной пробе будет определяться соотношением

. (6)

Определение активности радионуклида
в мерном образце.

Известно, что ядра радионуклида К-40 могут испытывать два вида ядерных превращений:

С вероятностью ν β = 0,89 ядро К-40 превращается в ядро Ca-40, испуская при этом -частицу и антинейтрино (бета-распад):

С вероятностью ν γ =0,11 ядро захватывает электрон с ближайшей К-оболочки, превращаясь в ядро Ar-40 и испуская при этом нейтрино (электронный захват или К-захват):

Рожденное ядро аргона находится в возбужденном состоянии и практически мгновенно переходит в основное состояние, испуская при этом переходе γ – квант с энергией 1461 кэВ:

Вероятности выхода ν β и ν γ называются относительным выходом β-частиц и γ – квантов на один распад ядра , соответственно. На рисунке 2 приведена схема распада К-40, иллюстрирующая вышеизложенное.

Рисунок 2. – Схема распада радионуклида К-40.

Возникающие при радиоактивном распаде ядер ионизирующие частицы могут быть зарегистрированы специальной аппаратурой. В настоящей работе применяется измерительная установка, регистрирующая β-частицы, сопровождающие распад ядер радионуклида К-40, входящих в состав мерного образца.

Блок-схема измерительной установки приведена на рисунке 3.

Рисунок 3. – Блок-схема измерительной установки.

1 – кювета с мерным образцом KCl ;

2 – счетчик Гейгера-Мюллера;

3 – высоковольтный блок;

4 – формирователь импульсов;

5 – счетчик импульсов;

6 – таймер.

Рассмотрим процесс регистрации бета-частиц, образующихся в мерном образце (источнике излучения), измерительной установкой.

Неизвестную активность радионуклида К-40 в мерном образце обозначим A x . Это означает, что каждую секунду в образце распадается, в среднем, A x ядер радионуклида К-40;

Регистрация излучения проводится в течение некоторого времени работы установки t изм . Очевидно, что за это время в образце распадутся, в среднем, A x ·t изм ядер;

С учетом относительного выхода бета-частиц на один распад ядра, количество бета-частиц, рожденных в образце за время работы установки, будет равно A x ·t изм ·ν β ;

Поскольку источник имеет конечные размеры, часть бета-частиц поглотится материалом самого источника. Вероятность Q поглощения бета-частицы, рожденной в источнике, материалом самого источника называют коэффициентом самопоглощения излучения. Отсюда следует, что из источника за все время измерения во всех направлениях (в телесный угол 4π) вылетит, в среднем, A x ·t изм ·ν β ·(1- Q ) бета-частиц;

Через детектор (счетчик Гейгера – Мюллера) пролетает только малая доля G всех вышедших из источника бета-частиц, зависящая от размеров и взаимного расположения образца и детектора. Остальные частицы пролетят мимо детектора. Поправка G называется геометрическим фактором системы «детектор – образец». Следовательно, полное количество бета-частиц, попавших за время работы установки из образца в рабочий объем детектора будет равно A x ·t изм ·ν β ·(1- Q )· G ;

Вследствие особенности работы детекторов ионизирующего излучения любых типов (в том числе и детекторов Гейгера-Мюллера), лишь некоторая доля ε (называемая эффективностью регистрации детектора) частиц, пролетевших через детектор, инициирует электрический импульс на его выходе. Остальные частицы детектор «не замечает». Данные электрические импульсы обрабатываются электронной схемой измерительной установки и регистрируются ее счетным устройством. Таким образом, за время работы установки счетное устройство зарегистрирует «полезных» событий (импульсов), обусловленных распадом ядер К-40 в мерной пробе;

Одновременно с бета-частицами из мерного образца -
- измерительная установка зарегистрирует и определенное количество -- так называемых фоновых частиц, обусловленных естественной радиоактивностью окружающих строительных конструкций, конструкционных материалов, космического излучения и т.д.

Таким образом, полное количество событий n X , зарегистрированных пересчетным устройством измерительной установки при измерении мерного образца с неизвестной активностью А Х в течение времени t изм , можно представить в виде

Точный учет поправок Q , G и ε , входящих в формулу (7), в общем случае весьма сложен. Поэтому на практике часто пользуются относительным методом измерения активности . Реализация такого метода возможна при наличии эталонного источника радиоактивного излучения (образцовой меры активности) с известной активностью А Э , имеющего такую же форму и размеры, содержащего тот же радионуклид, что и исследуемый образец. В этом случае все поправочные коэффициенты - ν β , Q , G , ε - будут одинаковы для исследуемого и эталонного препаратов.

Для образцовой меры активности можно записать выражение, аналогичное выражению (7) для исследуемого образца

Если выбрать время измерения исследуемого и эталонного образцов одинаковым, то, выразив произведение
из формулы (8) и подставив это выражение в формулу (7), получим выражение для практического определения активности исследуемого образца А Х

, Бк , (9)

где А Э – активность образцовой меры, Бк;

n X – количество событий, зарегистрированных при измерении исследуемого образца;

n Э – количество событий, зарегистрированных при измерении образцовой меры;

n Ф – количество событий, зарегистрированных при измерении фона.

Порядок выполнения лабораторной работы

1. Включите установку, установите время измерения (не менее 3 мин) и дайте ей «прогреться» в течение 15 -20 минут.

2. Проведите измерение фона не менее 5 раз. Результаты каждого (i – го) измерения -

3. Получите у преподавателя мерный образец. Уточните у преподавателя количество хлористого калия в мерном образце. По формуле (6) рассчитайте количество ядер радионуклида К-40 в мерном образце.

4. Установите мерный образец под рабочее окно детектора и проведите измерение образца не менее 5 раз. Результаты каждого измерения - -занесите в рабочую таблицу.

5. Получите у преподавателя образцовую меру, уточните значение в ней активности радионуклида К-40.

6. Установите образцовую меру под рабочее окно детектора и проведите ее измерение не менее 5 раз. Результаты каждого измерения -- занесите в рабочую таблицу 1.

7. По формуле (9) для каждой i-й строки рассчитайте величину активности мерной пробы. Результаты расчетов - - занесите в рабочую таблицу 1.

8. По формуле (5) для каждой i-й строки рабочей таблицы рассчитайте значение периода полураспада -
- радионуклида К-40.

9. Определите среднеарифметическое значение периода полураспада

и оценку среднеквадратического отклонения

где L - размер выборки (число измерений, например, L = 5).

Полученное в результате выполнения лабораторной работы значение периода полураспада радионуклида К-40 записать в виде:

, лет,

где t p , L -1 – соответствующий коэффициент Стьюдента (см. таблицу 2), а

- среднеквадратичная погрешность среднеарифметического.

10. Используя полученное значение периода полураспада
оцените значения величин постоянной распадаλ и среднего времени жизни ядра τ = 1/λ радионуклида
.

11. Сравните полученные результаты со справочными значениями.

Таблица 1. Рабочая таблица результатов.

Таблица 2. Значения коэффициента Стьюдента для различной доверительной вероятности p и числа степеней свободы (L -1):

L-1	P
L-1

Контрольные вопросы

1. Что такое изотопы химического элемента?

2. Запишите закон радиоактивного распада в дифференциальной и интегральной формах.

3. Что такое активность радионуклидного источника ионизирующего излучения? Какие имеются единицы измерения активности?

4. По какому закону активность источника изменяется с течением времени?

5. Что такое постоянная распада, период полураспада и среднее время жизни ядра радионуклида? Единицы их измерения. Запишите выражения, связывающие эти величины.

6. Определите периоды полураспада радионуклидов Rn-222 и Ra-226, если их постоянные распада, соответственно, равны 2,110 -6 с -1 и 1,3510 -11 с -1 .

7. При измерении образца, содержащего короткоживущий радионуклид, в течение 1 мин было зарегистрировано 250 импульсов, а спустя 1 час после начала первого измерения 90 импульсов за 1 мин. Определите постоянную распада и период полураспада радионуклида, если фоном измерительной установки можно пренебречь.

8. Объясните схему распада радионуклида К-40. Что такое относительный выход ионизирующих частиц?

9. Объясните физический смысл понятий: эффективность регистрации ядерных частиц детектором; геометрический фактор измерительной установки; коэффициент самопоглощения излучения.

10. Изложите суть относительного метода определения активности источника ионизирующего излучения.

11. Каково значение периода полураспада радионуклида, если за 5 часов активность его препарата уменьшилась в 16 раз?

12. Можно ли определить активность образца, содержащего К-40, измеряя интенсивность только гамма-излучения?

13. Какой вид имеет энергетический спектр β + - излучения и β - - излучения?

14. Можно ли определить активность образца, измеряя интенсивность его нейтринного (антинейтринного) излучения?

15. Какой характер имеет энергетический спектр гамма-излучения К-40?

16. От каких факторов зависит среднеквадратическая погрешность определения периода полураспада К-40 в данной работе?

Пример решения задачи

Условие. Определите значение постоянной радиоактивного распада λ и период полураспада Т 1/2 радионуклида 239 Pu, если в препарате 239 Pu 3 O 8 массой m = 3,16 микрограмма за время t = 100 с происходит Q = 6,78·10 5 распадов ядер.

Решение.

Активность препарата A = Q/t = 6,78·10 5 /100 = 6,78·10 3 , расп/с (Бк).

Масса 239 Pu в препарате

где A моль – соответствующие молярные массы.

Число ядер Pu-239 в препарате

где N A – число Авогадро.

Постоянная распада λ = A / N 239 = 6,78·10 3 /6,75·10 15 = 1,005·10 -12 , с -1 .

Период полураспада

T 1/2 = ln2/λ = 6,91·10 11 c.

Рекомедуемая литература.

1. Абрамов, Александр Иванович. Основы экспериментальных методов ядерной физики: учебное пособие для студ. вузов / А.И. Абрамов, Ю.А, Казанский, Е.С. Матусевич.- 3-е изд., перераб. и доп. - М. : Энергоатомиздат, 1985 .- 487 с.

2. Алиев, Рамиз Автандилович. Радиоактивность: [учебное пособие для студ. вузов, обуч. по направлению ВПО 020100 (магистр химии) и специальности ВПО 020201 - "Фундамент. и приклад. химия"] / Р.А. Алиев, С.Н. Калмыков.- Санкт-Петербург; Москва; Краснодар: Лань, 2013 .- 301 с.

3. Мухин, Константин Никтфорович. Экспериментальная ядерная физика: учебник: [в 3 т.] / К.Н. Мухин.- Санкт-Петербург; Москва; Краснодар: Лань, 2009.

4. Коробков, Виктор Иванович. Методы приготовления препаратов и обработка результатов измерений радиоактивности / В.И. Коробков, В.Б. Лукьянов.- М. : Атомиздат, 1973 .- 216 с.

Просмотров