Фізика. Рівень стандарту. 11 клас. Бар’яхтар

§ 41. Отримання та застосування радіонуклідів. Методи реєстрації йонізуючого випромінювання

Вивчаючи § 40, ви з'ясували, що ядра деяких хімічних елементів можуть самовільно перетворюватися на інші ядра і що на швидкість цього перетворення не впливають ані тиск, ані температура, ані найпотужніші електромагнітні поля. Дізнаємось, як змусити ядро перетворитися на інше ядро, які ядра при цьому можна отримати, як їх ідентифікувати і де застосувати.

1. Декілька фактів про ядерні реакції

Перетворення атомних ядер під час їх взаємодії з елементарними частинками або іншими ядрами називають ядерною реакцією.

Першу ядерну реакцію здійснив Ернест Резерфорд у 1919 р. Це була реакція взаємодії α-частинки (ядро атому Гелію) з ядром атома Нітрогену, внаслідок якої утворилися ядро атома Оксигену і протон:

147N + 42Не → 178О + 11р.

Чому саме α-частинка? Річ у тім, що α-частинки мають величезну швидкість і можуть наблизитися до ядра настільки, що почнуть діяти ядерні сили.

Зверніть увагу!

Під час будь-яких ядерних реакцій виконуються закони збереження:

  • закон збереження електричного заряду;
  • закон збереження енергії-маси;
  • закон збереження імпульсу;
  • закон збереження масового числа.

• Переконайтесь, що в ядерних реакціях, поданих у § 41, і сума зарядових чисел, і сума масових чисел у лівій і правій частинах кожного рівняння є однаковими.

Продовжуючи досліди, вчені з’ясували, що енергії α-частинок не вистачає, щоб достатньо наблизитися до ядер, які мають порядковий номер більший за 19, адже зі збільшенням заряду ядра збільшується й сила кулонівського відштовхування. Щоб дослідити такі ядра, можна було б використати протони (їхній заряд удвічі менший), але швидких протонів у природі не існує. Саме тоді виникла ідея створення прискорювачів заряджених частинок. Перша ядерна реакція на швидких протонах була здійснена в лабораторії Е. Резерфорда в 1932 р.: унаслідок опромінення літію швидкими протонами вдалося розщепити ядро атома Літію на дві α-частинки:

73Li + 11p → 42He + 42He.

Сучасні прискорювачі забезпечують можливість штучного перетворення або руйнування будь-якого атомного ядра.

Ще більше можливостей для дослідження ядерних реакцій учені отримали у зв’язку з відкриттям нейтрона (1932 р.): нейтрон не має заряду, тому не відштовхується ядром, отже, його не потрібно прискорювати. У ході дослідження реакцій на нейтронах було виявлено, що повільний нейтрон захоплюється ядром краще, ніж швидкий нейтрон. Цей факт був установлений експериментально групою молодих італійських учених під керівництвом Енріко Фермі (1901-1954) у 1934 р. Саме використання повільних нейтронів дозволило з часом створити ядерний реактор (див. § 42).

Здійснення першої ядерної реакції

У 1919 р. Е. Резерфорд виявив, що під час проходження α-частинок крізь повітря виникають протони. Учений висунув два припущення:

1) α-частинка як швидкий «снаряд» вибиває протон із ядра атома Нітрогену (із азоту на 80 % складається повітря), і це ядро перетворюється на ядро атома Карбону:

147Ν + 42Ηе → 42He + 136C + 11p;

2) α-частинка захоплюється ядром атома Нітрогену, нове ядро випромінює протон і перетворюється на ядро Оксигену:

147N + 42He → 178O + 11p.

Слушним виявилося друге припущення — відповідну реакцію 6 років потому спостерігали в камері Вільсона.

Треки ядер у камері Вільсона. Характерна «вилка» показує, що в момент зіткнення утворюються дві частинки

2. Одержання та використання радіоактивних ізотопів

Згадаємо: ізотопи — це різновиди атомів того самого хімічного елемента, ядра яких містять ту саму кількість протонів, але різну кількість нейтронів. Відповідно радіоактивні ізотопи — це різновиди атомів того самого хімічного елемента, ядра яких можуть довільно перетворюватися на ядра інших елементів із випромінюванням мікрочастинок і γ-променів.

Перший штучний радіоактивний ізотоп — ізотоп Фосфору (3015Ρ) — одержало подружжя Ірен і Фредерік Жоліо-Кюрі в 1934 р. Опромінюючи алюміній α-частинками, вони спостерігали випромінювання нейтронів:

2713Аl + 42Не → 3015Ρ + 10n.

Цікавим було те, що одночасно з випромінюванням нейтронів випромінювались і позитрони.

Наявність позитронів означала, що отримане ядро Фосфору-30 було β+-радіоактивним:

3015P → 3014Si + 0+1e + v.

Зараз для кожного хімічного елемента за допомогою ядерних реакцій одержані штучні радіоактивні ізотопи, і зазвичай вони є β+-радіоактивними. У промислових масштабах ізотопи одержують в ядерних реакторах, використовуючи як продукти поділу, так і нейтрони, якими опромінюють речовини.

Штучні та природні радіоактивні ізотопи широко використовують у медицині, сільському господарстві, промисловості, енергетиці тощо. Можна визначити три напрями використання радіоактивних ізотопів.

1. Використання радіоактивних ізотопів як індикаторів. Радіоактивність є своєрідною міткою, за допомогою якої можна виявити наявність елемента, простежити за його «поведінкою» під час фізичних і біологічних процесів тощо (див., наприклад, рис. 41.1, 41.2). Саме за допомогою таких індикаторів було доведено, що організм людини майже повністю оновлюється протягом двох років.

Рис. 41.1. Для покращення якості добрива з'ясовують, як його засвоюють рослини. Для цього до добрива додають радіоактивний ізотоп, а потім досліджують рослини на радіоактивність

Рис. 41.2. За вмістом β--радіоактивного Карбону 146С, період піврозпаду якого 5700 років, можна визначити вік археологічних знахідок: після загибелі дерева, тварини тощо кількість β-розпадів зменшується вдвічі кожні 5700 років

2. Використання радіоактивних ізотопів як джерел γ-випромінювання. За допомогою γ-випромінювання знищують мікроби (γ-стерилізація), виявляють дефекти всередині металів (γ-дефектоскопія), лікують онкологічні захворювання (рис. 41.3). Опромінення насіння невеликими дозами γ-випромінювання сприяє значному підвищенню врожайності, а опромінення великими дозами може привести до мутацій і отримання рослин із поліпшеними властивостями (радіоселекція).

Рис. 41.3. Для лікування деяких видів пухлин використовують радіоактивні «аплікатори», які наносять на поверхню пухлини (брахітерапія)

3. Використання радіоактивних ізотопів як джерел ядерної енергії. Наприклад, як паливо для ядерних реакторів широко використовують Плутоній — трансурановий елемент, атоми якого утворюються внаслідок захоплення нейтрону ядром Урану-238:

23892U + 10n → 23992U → 23993Np + 0-1e;

23993Np → 23994Pu + 0-1e.

3. Пристрої для реєстрації йонізуючого випромінювання

Загальний принцип реєстрації йонізуючого випромінювання полягає в реєстрації дії, яку чинить це випромінювання.

Шар фотоемульсії. Швидка заряджена частинка, рухаючись у шарі фотоемульсії, що містить кристали AgBr, на своєму шляху вириває електрони з деяких йонів Брому. Під час проявлення в змінених кристалах утворюються «зерна» металевого срібла — в шарі фотоемульсії проступають сліди (треки) первинної частинки та всіх заряджених частинок, що виникли внаслідок ядерних взаємодій. За товщиною і довжиною треків можна визначити заряди частинок та їхню енергію.

Сцинтиляційний лічильник — детектор сцинтиляцій — світлових спалахів, які відбуваються в певних речовинах унаслідок ударів заряджених частинок. Саме такі лічильники використовував Е. Резерфорд у своєму досліді з визначення будови атомів (див. § 36).

Камера Вільсона (рис. 41.4) — це трековий детектор. Вона являє собою ємність, заповнену парою спирту або ефіру. Коли поршень різко опускають, то внаслідок адіабатного розширення пара охолоджується і стає перенасиченою. Коли в перенасичену пару потрапляє заряджена частинка, на своєму шляху вона йонізує молекули пари — отримані йони стають центрами конденсації. Ланцюжок крапель сконденсованої пари, який утворюється вздовж траєкторії руху частинки (трек частинки), знімають на камеру або фотографують (рис. 41.5).

Рис. 41.4. Будова камери Вільсона

Рис. 41.5. Фотографія треків заряджених частинок у камері Вільсона

Бульбашкова камера є теж трековим детектором. Принцип її роботи подібний до камери Вільсона, а відмінність полягає в тому, що робочим тілом у бульбашковій камері є перегріта рідина: йони, які виникають уздовж траєкторії руху частинки, стають центрами кипіння — утворюється ланцюжок бульбашок.

Газорозрядний лічильник (рис. 41.6) і йонізаційна камера (рис. 41.7) працюють за одним принципом: робоче тіло — газ — розміщено в електричному полі з високою напругою; заряджена частинка, що пролітає крізь газ, йонізує його, і в пристрої виникає газовий розряд. У деяких йонізаційних камерах уздовж траєкторії руху частинки спостерігається виникнення стримерів — «згустків» газового розряду, тому такі камери є трековими детекторами. В інших видах йонізаційних камер і в газорозрядних лічильниках фіксується імпульс струму — це імпульсні детектори. Саме імпульсними є детектори дозиметрів — приладів для вимірювання дози йонізуючого випромінювання, отриманого приладом за деякий інтервал часу.

Рис. 41.6. Будова газорозрядного лічильника (лічильника Ґейґера — Мюллера)

Рис. 41.7. Йонізаційна камера

Представники яких професій мають обов’язково користуватися дозиметрами?

4. Учимося розв'язувати задачі

Задача. У результаті поглинення ядром Нітрогену 147Ν α-частинки з’являються невідомий елемент і протон. Запишіть ядерну реакцію, визначте невідомий елемент.

Аналіз фізичної проблеми. Для розв’язання задачі запишемо ядерну реакцію. У лівій і правій частинах формули реакції суми зарядів, як і суми мас, мають збігатися. Із відповідних рівнянь одержимо зарядове та масове числа невідомого елемента.

Підбиваємо підсумки

• Ядерною реакцією називають взаємодію ядер або елементарних частинок із ядром, яка відбувається з утворенням частинок, відмінних від вихідних. Під час ядерних реакцій, як і під час будь-яких явищ, що відбуваються у Всесвіті, справджуються закони збереження: закон збереження електричного заряду, закон збереження імпульсу, закон збереження енергії-маси.

• Завдяки ядерним реакціям отримано штучні радіоактивні ізотопи, які використовують у медицині, сільському господарстві, енергетиці тощо.

• Для реєстрації та визначення потужності йонізуючого випромінювання використовують шари фотоемульсій, сцинтиляційні лічильники, бульбашкові камери, камери Вільсона, йонізаційні камери.

• Для вимірювання дози йонізуючого випромінювання використовують дозиметри.

Контрольні запитання

1. Що називають ядерною реакцією? 2. Хто і коли здійснив першу ядерну реакцію? 3. Які відомі вам закони збереження справджуються під час ядерних реакцій? 4. Хто першим отримав штучний радіоактивний ізотоп? 5. Наведіть приклади використання природних і штучних радіоактивних ізотопів. 6. Які прилади для вимірювання та реєстрації радіаційного випромінювання ви знаєте? Який принцип покладено в основу роботи цих приладів?

Вправа № 41

1. Яким детектором — сцинтиляційним, трековим чи імпульсним — є шар фотоемульсії?

2. Унаслідок опромінювання радіонукліда 19880Hg нейтронами утворюються ядра 19879Аu. Запишіть рівняння ядерної реакції.

3. Відновіть рівняння ядерних реакцій.

  • 1) 199F + 11p → 168О + ?;
  • 2) 2713Аl + α → 11p + ?;
  • 3) 5525Мn + ? → 5526Fe + 10n.

4. Унаслідок бомбардування ізотопу Нітрогену 147N нейтронами отримано β--радіоактивний ізотоп Карбону 146C. Запишіть рівняння обох реакцій.

5. Визначте вік залишків стародавнього поселення (у тис. років), якщо в деревині, знайденій на місці розкопок, радіоактивного Карбону 146 залишилося 12,5 % від його початкової кількості.

6. Вважають, що із всієї атомної індустрії головна користь для людства полягає саме у використанні радіоактивних ізотопів. Об’єднайтеся в команди, оберіть для кожної команди галузь застосування радіоізотопів (медицина, наука, біологія тощо) і проведіть диспут на тему «Саме в нашій галузі не обійтися без радіоактивних ізотопів».

7. Назвіть причини, через які ви завжди і незалежно від того, де мешкаєте, зазнаєте впливу радіації.