Фізика. 9 клас. Бар’яхтар

§ 24. Активність радіоактивної речовини. Застосування радіоактивних ізотопів

Чи можна дізнатися, яке саме ядро в певній радіоактивній речовині розпадеться першим? Яке буде наступним? Яке розпадеться останнім? Фізики стверджують, що дізнатися про це неможливо: розпад того чи іншого ядра радіонукліда — подія випадкова. Разом із тим поведінка радіоактивної речовини в цілому підлягає чітко визначеним закономірностям.

1. Дізнаємося про період піврозпаду

Якщо взяти закриту скляну колбу, що містить певну кількість Радону-220, то виявиться, що приблизно через 56 с кількість радону в колбі зменшиться вдвічі. Ще через 56 с із решти атомів знову залишиться половина і т. д. Отже, зрозуміло, чому інтервал часу 56 с був названий періодом піврозпаду Радону-220.

Період піврозпаду Т1/2 — це фізична величина, що характеризує радіонуклід і дорівнює часу, протягом якого розпадається половина наявної кількості ядер даного радіонукліда.

Одиниця періоду піврозпаду в СІсекунда:

[T1/2] = 1 с.

У кожного радіонукліда — свій період піврозпаду (див. таблицю).

Радіонуклід

Період піврозпаду Т1/2

Йод-131

8 діб

Карбон-14

5700 років

Кобальт-60

5,3 року

Плутоній-239

24 тис. років

Радій-226

1600 років

Радон-220

56 с

Радон-222

3,8 доби

Уран-235

0,7 млрд років

Уран-238

4,5 млрд років

Цезій-137

30 років

Зразок містить 6,4 • 1020 атомів Йоду-131. Скільки атомів Йоду-131 буде в зразку через 32 доби?

2. Даємо означення активності радіоактивного джерела

І Уран-238, і Радій-226 є α-радіоактивними (їхні ядра можуть спонтанно розпадатися на α-частинку і відповідне дочірне ядро). Якщо кількість атомів Урану-238 і Радію-226 є однаковою, з якого зразка за 1 с вилетить більше α-частинок?

Період піврозпаду деяких радіонуклідів

Сподіваємося, що ви правильно відповіли на подане запитання й, урахувавши, що періоди піврозпаду даних радіонуклідів відрізняються майже у 3 млн разів, визначили, що за той самий час у зразку радію відбудеться набагато більше α-розпадів, ніж у зразку урану.

Фізичну величину, яка чисельно дорівнює кількості розпадів, що відбуваються в певному радіоактивному джерелі за одиницю часу, називають активністю радіоактивного джерела.

Активність радіоактивного джерела позначають символом А. Одиниця активності в СІ — бекерель.

1 Бк — це активність такого радіоактивного джерела, в якому за 1 с відбувається 1 акт розпаду.

1 Бк — це дуже мала активність, тому використовують позасистемну одиницю активності — кюрі (Кі):

1 Кі = 3,7 • 1010 Бк.

На честь яких науковців названо зазначені одиниці? Які відкриття вони зробили?

Якщо зразок містить атоми лише одного радіонукліда, то активність цього зразка можна визначити за формулою:

Α = λN,

Оскільки з плином часу в радіоактивному зразку кількість ядер радіонуклідів, що не розпалися, зменшується, то зменшується й активність зразка (рис. 24.1).

Рис. 24.1. Графік залежності активності Радію-226 від часу. Період піврозпаду Радію-226 — 1600 років

Історія відкриття штучних радіоактивних ізотопів

Перший штучний радіоактивний ізотоп (3015Ρ) був отриманий на початку 1934 р. подружжям Фредеріком і Ірен Жоліо-Кюрі. Опромінюючи α-частинками алюміній, вони спостерігали випромінювання нейтронів, тобто відбувалася така ядерна реакція:

2713Аl + 42Не → 3015Р + 10n.

Італійський фізик Енріко Фермі уславив своє ім’я кількома видатними досягненнями. Однак свою найвищу нагороду — Нобелівську премію — учений одержав за відкриття штучної радіоактивності, спричиненої опромінюванням речовини повільними нейтронами. Зараз метод опромінювання нейтронами широко застосовують у промисловості для отримання радіоактивних ізотопів.

3. Дізнаємося про застосування радіоактивних ізотопів

Наявність у певному об’єкті радіонуклідів можна виявити за випромінюванням. Ви вже з’ясували, що активність випромінювання залежить від виду радіонукліда та його кількості, яка з часом зменшується. Все це покладено в основу використання радіоактивних ізотопів, які фізики навчилися отримувати штучно. Зараз для кожного хімічного елемента, що зустрічається в природі, отримано штучні радіоактивні ізотопи.

Можна визначити два напрями використання радіоактивних ізотопів.

1. Використання радіоактивних ізотопів як індикаторів. Радіоактивність є своєрідною міткою, за допомогою якої можна виявити наявність елемента, простежити за поведінкою елемента під час фізичних і біологічних процесів тощо (див., наприклад, рис. 24.2).

Рис. 24.2. Щоб з'ясувати, як рослини засвоюють фосфорні добрива, до цих добрив додають радіоактивний ізотоп Фосфору, а потім досліджують рослини на радіоактивність і виявляють кількість засвоєного фосфору

2. Використання радіоактивних ізотопів як джерел γ-випромінювання (див., наприклад, рис. 24.3).

Рис. 24.3. Використання γ-випромінювання для лікування онкозахворювань. Щоб γ-промені не знищували здорові клітини, використовують декілька слабких пучків γ-променів, які фокусуються на пухлині

Розглянемо кілька прикладів.

4. Застосовуємо радіоактивні ізотопи для діагностики захворювань

Організм людини має властивість накопичувати у своїх тканинах певні хімічні речовини. Відомо, наприклад, що щитоподібна залоза накопичує йод, кісткова тканина — фосфор, кальцій і стронцій, печінка — деякі барвники тощо. Швидкість накопичування речовин залежить від стану здоров’я органа. Наприклад, відомо, що активність щитоподібної залози різко зростає у випадку базедової хвороби.

За кількістю йоду в щитоподібній залозі зручно стежити за допомогою його γ-радіоактивного ізотопу. Хімічні властивості радіоактивного і стабільного йоду не відрізняються, тому радіоактивний Йод-131 буде накопичуватися так само, як і його стабільний ізотоп.

Якщо щитоподібна залоза в нормі, то через певний час після введення в організм Йоду-131 γ-випромінювання від нього матиме певну оптимальну інтенсивність. А от якщо щитоподібна залоза функціонує з відхиленням від норми, то інтенсивність γ-випромінювання буде аномально високою або, навпаки, низькою.

Аналогічний метод застосовують для досліджування обміну речовин в організмі, виявлення пухлин та ін.

Зрозуміло, що, використовуючи зазначені методи діагностики, необхідно ретельно дозувати кількість радіоактивного препарату, щоб внутрішнє опромінювання спричинило мінімальний негативний вплив на організм людини.

5. Визначаємо вік стародавніх предметів

В атмосфері Землі завжди є певна кількість β-радіоактивного Карбону 146С, який утворюється з Нітрогену внаслідок ядерної реакції з нейтронами. Цей ізотоп у складі вуглекислого газу (СО2) поглинається рослинами, а через них — тваринами. Поки тварина або рослина живі, вміст радіоактивного Карбону в них залишається незмінним. Після припинення життєдіяльності організму кількість радіоактивного Карбону починає зменшуватися, зменшується й активність β-випромінювання. Знаючи, що період піврозпаду Карбону 146С становить 5700 років, можна визначити вік археологічних знахідок (рис. 24.4).

Рис. 24.4. Отриманий з молодого дерева 1 г вуглецю має активність 14-15 Бк (випромінює 14-15 β-частинок за секунду). Через 5700 років після загибелі дерева кількість β-розпадів за секунду зменшується удвічі

6. Застосовуємо γ-випромінювання в техніці

Особливе значення в техніці мають гамма-дефектоскопи, за допомогою яких перевіряють, наприклад, якість зварених з’єднань. Якщо майстер, приварюючи петлі до воріт, припустився браку, через деякий час петлі відваляться. Це, звісно, неприємно, але ситуацію можна виправити. А от якщо брак стався у зварюванні елементів конструкції моста або ядерного реактора, трагедія неминуча. Завдяки тому що γ-промені по-різному поглинаються масивною сталлю і сталлю з порожнинами, гамма-дефектоскоп «бачить» тріщини всередині металу, а отже, виявляє брак ще на стадії виготовлення конструкції.

7. Знищуємо мікробів за допомогою радіації

Відомо, що певна доза опромінення вбиває організми. Але ж не всі вони корисні для людини. Так, медики невпинно працюють над тим, щоб позбутися хвороботворних мікробів. Згадайте: в лікарнях миють підлогу спеціальними розчинами, опромінюють приміщення ультрафіолетом, обробляють медичний інструмент і т. д. Такі процедури називають дезінфекцією та стерилізацією.

Поставити процес стерилізації на промислову основу дозволили особливості γ-випромінювання (рис. 24.5). Така стерилізація здійснюється у спеціально створених установках із надійним захистом від проникаючої радіації. Як джерело γ-променів використовують штучно створені ізотопи Кобальту (6027Со) і Цезію (13755Cs).

Рис. 24.5. Найбільш поширену медичну продукцію: шприци, системи переливання крові тощо — перед відправленням споживачеві ретельно стерилізують із використанням γ-випромінювання

8. Учимося розв'язувати задачі

Задача. Визначте масу Радію-226, якщо його активність становить 5 Кі. Стала радіоактивного розпаду Радію-226 дорівнює 1,37 • 10-11 с-1.

Аналіз фізичної проблеми, пошук математичної моделі

Для розв’язання задачі скористаємося формулою для визначення активності: Α = λΝ. Знаючи активність, визначимо кількість N атомів Радію. Масу речовини можна визначити, якщо кількість атомів помножити на масу одного атома: m = N • m0.

Підбиваємо підсумки

Час, протягом якого розпадається половина наявної кількості ядер даного радіонукліда, називають періодом піврозпаду Т1/2. Період піврозпаду є характеристикою радіонукліда.

Фізичну величину, яка чисельно дорівнює кількості розпадів, що відбуваються в певному радіоактивному джерелі за одиницю часу, називають активністю радіоактивного джерела. Якщо джерело містить атоми тільки одного радіонукліда, активність А джерела можна визначити за формулою: Α = λΝ, де N — кількість атомів радіонукліда в зразку; λ — стала радіоактивного розпаду радіонукліда. Одиниця активності в СІ — бекерель (Бк).

Із часом активність радіонуклідів зменшується, і цю властивість застосовують для визначення віку археологічних знахідок. Штучно створені ізотопи використовують для стерилізації одноразових медичних виробів, діагностики та лікування захворювань, виявлення дефектів у металах та ін.

Контрольні запитання

Дайте означення періоду піврозпаду. Що характеризує ця фізична величина? 2. Що таке активність радіоактивного джерела? 3. Яка одиниця активності в СІ? 4. Як активність радіонукліда пов’язана зі сталою його розпаду? 5. Чи змінюється з часом активність радіонукліда? Якщо змінюється, то чому і як? 6. Наведіть приклади використання радіоактивних ізотопів.

Вправа № 24

1. Є однакова кількість ядер Йоду-131, Радону-220 і Урану-235. Який радіонуклід має найбільший період піврозпаду? Активність якого радіонукліда на даний момент часу є найбільшою? Обґрунтуйте свою відповідь.

2. У зразку міститься 2 • 1020 атомів Йоду-131. Визначте, скільки ядер Йоду розпадеться в зразку протягом години. Активність Йоду-31 протягом цього часу вважайте незмінною. Стала радіоактивного розпаду Йоду-131 дорівнює 9,98 • 10-7 с-1.

3. Період піврозпаду радіоактивного Карбону-14 становіть 5700 років. У скільки разів зменшилася кількість атомів Карбону-14 у сосні, яку зрубали 17 100 років тому?

4. Визначте період піврозпаду радіонукліда, якщо за інтервал часу 1,2 с кількість ядер, що розпалися, складає 75 % їхньої початкової кількості.

5. На даний момент часу в радіоактивному зразку міститься 0,05 моль Радону-220. Визначте активність Радону-220 у цьому зразку.

6. На сьогодні одними з найбільш значущих є дослідження обміну речовин в організмі людини за допомогою радіоактивних ізотопів. Зокрема, виявлено, що за порівняно невеликий час організм майже повністю відновлюється. Скористайтеся додатковими джерелами інформації та дізнайтеся про ці дослідження більше.

Фізика і техніка в Україні

Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» (ННЦ ХФТІ) — всесвітньо відомий науковий центр у галузі фізичних наук. Установу створено в 1928 р. за ініціативою академіка А. Ф. Йоффе як Український фізико-технічний інститут із метою досліджень у галузі ядерної фізики та фізики твердого тіла.

Уже в 1932 р. в інституті було отримано видатний результат — здійснено розщеплення ядра атома Літію. Пізніше в лабораторних умовах отримано рідкі водень і гелій, збудовано перший трикоординатний радіолокатор, проведено перші дослідження високовакуумної техніки, що дало поштовх розвиткові нового фізико-технологічного напряму — вакуумної металургії. У повоєнні часи вчені інституту відігравали вагому роль у вирішенні проблем використання атомної енергії.

У різні роки в ННЦ ХФТІ працювали видатні фізики: І. В. Обреімов, Л. Д. Ландау, І. В. Курчатов, К. Д. Синельников, Л. В. Шубников, О. І. Лейпунський, Є. М. Ліфшиць, I. M. Ліфшиць, А. К. Вальтер, Б. Г. Лазарєв, Д. Д. Іваненко, А. І. Ахієзер, В. Є. Іванов, Я. Б. Файнберг, Д. В. Волков та ін. Наукові школи, створені в інституті, відомі в усьому світі.

У ННЦ ХФТІ розташований найпотужніший у СНД лінійний прискорювач електронів, а також сукупність термоядерних комплексів «Ураган».

Генеральний директор центру — відомий український фізик, академік НАНУ Микола Федорович Шульга.

ГДЗ до підручника можна знайти тут.