radioaktivnost naziva se svojstvom spontanog zračenja bilo koje tvari, u odsustvu vanjskih utjecaja.

Radioaktivna svojstva je prvi put otkrio francuski fizičar Henri Becquerel u uranijumu 1896. godine (eksperiment sa solima uranijuma)

Nakon toga je otkriveno da su svi hemijski elementi sa atomskim brojem većim od 83 radioaktivni.

Svojstva radioaktivnog zračenja

1. Uzrokovati jonizaciju gasova

2. Imaju hemijski efekat

3. Radioaktivnost nije molekularni fenomen, već unutrašnje svojstvo atoma radioaktivnog elementa

4. Radioaktivnost lijeka s bilo kojim hemijski sastav jednaka radioaktivnosti čistih radioaktivnih elemenata, uzetih u količini u kojoj su sadržani u ovom preparatu

5. Radioaktivno zračenje ne zavisi od spoljašnjih uticaja (grejanje, porast pritiska), hemijske reakcije, u koje ulaze radioaktivne supstance, ne utiču na intenzitet zračenja.

6. Kao rezultat radioaktivnog zračenja nastaje potpuno nova vrsta tvari, potpuno drugačija po svom fizičkom i hemijska svojstva od originala. Lanac radioaktivnih transformacija završava se formiranjem neradioaktivnog (stabilnog) izotopa.

7. Za svaku radioaktivnu supstancu postoji određeni vremenski interval tokom kojeg se aktivnost smanjuje za 2 puta. Ovaj interval se naziva poluživot.

Poluživot T- ovo je vrijeme tokom kojeg se raspada polovina raspoloživog broja radioaktivnih atoma.

– zakon radioaktivnog raspada

N 0 - broj radioaktivnih atoma u početnom trenutku vremena

N- broj radioaktivnih atoma na kraju vremena

t- vrijeme

T- poluživot

8. Razlikovati prirodnu radioaktivnost (radioaktivnost prirodnih elemenata) i umjetnu radioaktivnost (radioaktivnost elemenata dobivenih u nuklearnim reakcijama).

Da bi se otkrio složeni sastav radioaktivnog zračenja, izveden je sljedeći eksperiment: radioaktivni preparat je stavljen na dno uskog kanala u komadu olova. Uz kanal je postavljena fotografska ploča. Na izlazu iz kanala na zračenje je djelovalo jako magnetsko polje čije su linije indukcije okomite na snop. Cijela postavka je stavljena u vakuum.

U nedostatku magnetnog polja, jedna tamna mrlja je pronađena na fotografskoj ploči nakon razvoja, tačno nasuprot kanala.

U magnetnom polju, snop se podelio na tri snopa.

alfa zračenje

Ovo je tok pozitivno nabijenih čestica - jezgara atoma helija. Brzine alfa čestica su mnogo manje od brzine beta čestica i leže u rasponu od 10.000-20.000 km/s. Kinetička energija alfa čestica je visoka: 4-10 MeV.

Alfa zračenje ima najmanju prodornu moć. Sloj papira debljine oko 0,1 mm ih potpuno odlaže.

Beta zračenje

Ovo je tok brzih elektrona koji izlaze iz atoma radioaktivne tvari. Brzine beta čestica su ogromne i iznose 0,99 brzine svjetlosti. Energija beta čestica dostiže nekoliko megaelektronvolti.

Beta zračenje je prosječno po svojoj prodornoj moći. Drže ih aluminijska ploča debljine nekoliko milimetara.

Gama zračenje

Ovo je tok elektromagnetnih talasa vrlo male dužine (10 -8 - 10 -11 cm). Brzina širenja gama zraka u vakuumu je ista kao i kod drugih elektromagnetnih talasa, 300.000 km/s.

Gama zračenje ima najveću prodornu moć. Sloj olova debljine 1 cm smanjuje intenzitet gama zračenja za pola.

Gama zračenje i rendgenski zraci jednake dužine talasi se, osim po načinu dobijanja, ne razlikuju jedni od drugih.

4.3.1. Opće informacije
o atomskim jezgrima. izotopi

Postoje dvije vrste atomskih jezgara elementarne čestice- protone i neutrone. Proton ima pozitivan naboj, u veličini jednak naboju elektrona i mase mirovanja m p = 1,6726 10 -27 kg. Neutron nema naboj, njegova masa je nešto veća od mase protona: m n = 1,6749 10 -27 kg. Uobičajeni naziv za ove čestice je nukleoni.

Naboj atomskog jezgra hemijski element izraženo u elementarnih naboja, jednak je atomskom broju Z ovog elementa u Periodnom sistemu D. Mendeljejeva. Naboj jezgra se sastoji od naboja protona, stoga je broj protona u atomskom jezgru jednak atomskom broju elementa.

Gotovo sva masa atoma koncentrisana je u njegovom jezgru. Dakle, zbir broja protona i neutrona mora biti jednak masenom broju atoma:

Broj neutrona u jezgru jednak je razlici između masenog broja i atomskog broja elementa.

Atomi čija jezgra imaju isti broj protona, ali različit broj neutrona nazivaju se izotopi. Svi izotopi jednog hemijskog elementa imaju istu strukturu elektronske ljuske i, prema tome, ista hemijska svojstva.

Stabilnost atomskih jezgara većine elemenata sugerira to nuklearne snage su izuzetno velike: moraju premašiti značajne Kulonove sile elektrostatičkog odbijanja koje postoje između protona u jezgru. Nuklearne sile se manifestiraju samo na vrlo malim udaljenostima od 10 -13 cm.S određenim povećanjem udaljenosti između nukleona, nuklearne sile se smanjuju na nulu, a Kulonove sile uništavaju jezgro.

Nuklearne sile su sile posebne vrste, po prirodi različite od električnih i gravitacionih.

Najstabilnije jezgre lakih elemenata, koje se sastoje od približno istog broja neutrona i protona. Za najteže elemente (koji se nalaze iza bizmuta u periodnom sistemu), čija se jezgra sastoje od veliki broj nukleonima u kojima dominiraju neutroni, nuklearne sile više ne osiguravaju stabilnost jezgra. Takva jezgra se spontano raspadaju, pretvarajući se u jezgra lakših elemenata. Ova pojava se naziva prirodna radioaktivnost.

4.3.2. prirodna radioaktivnost.
Alfa, beta, gama zračenje.

Prirodnu radioaktivnost otkrio je Henri Becquerel 1896. godine u solima urana. Utvrđeno je da nevidljive zrake izazivaju luminescenciju, joniziraju plinove i prodiru kroz neprozirne barijere, osvjetljavajući fotografske ploče. Prirodna radioaktivnost je karakteristična ne samo za uranijum, već i za mnoge druge teške elemente - aktinijum, polonijum, radijum, torijum, itd. Takvi elementi su nazivani radioaktivnim.

Sastav radioaktivnog zračenja uključuje tri različite vrste: alfa, beta, gama zračenje.

alfa zraci električno se odbijaju i magnetna polja(slika 4.3.1) i predstavljaju tok atomskih jezgara helijuma (alfa čestice).

Rice. 4.3.1. Utjecaj magnetnog polja (usmjerenog okomito na
ravan crteža do posmatrača) na radioaktivno zračenje

Svaka alfa čestica ima naelektrisanje od +2e i maseni broj 4. Alfa čestice izlete iz jezgara radioaktivnih elemenata brzinom od 14.000 do 20.000 km/s, što odgovara energijama od 4 do 9 MeV.

Leteći kroz materiju, alfa čestica ionizira svoje atome, djelujući na njih svojim električno polje, tj. izbacuje elektrone iz atoma materije. Potrošivši energiju na ionizaciju, alfa čestica usporava i hvata dva elektrona između slobodnih u tvari, pretvarajući se u atom plina helija. Put koji prođe alfa čestica u materiji (prije zaustavljanja) naziva se njezin domet ili moć prodiranja, a broj parova jona stvorenih tokom puta naziva se njenom jonizujućem moći. Što je veći ionizirajući kapacitet, kraći je raspon čestice u tvari.

Hod alfa čestica u vazduhu u normalnim uslovima je 3-9 cm, a njihov jonizujući kapacitet je 100.000-250.000 pari jona (prosečno 30.000 pari jona po 1 cm trčanja). Alfa čestice su visoko jonizujuće i imaju nisku prodornu moć.

Alfa zrake u potpunosti apsorbuje sloj aluminijuma debljine 0,06 cm ili sloj biološkog tkiva debljine 0,12 cm.

beta zraka odbijaju električna i magnetska polja; su tok brzih elektrona i nazivaju se β-čestice. Njihova masa je 7360 puta manja od mase α-čestice. prosječna brzina Brzina β čestica je oko 160.000 km/s. Iz toga slijedi da se β-čestice odbijaju magnetskim poljem u smjeru suprotnom od otklona α-čestica, što se objašnjava suprotnim nabojem.

Za razliku od alfa zraka, β-zračenje sadrži čestice sa svim mogućim vrijednostima energije (sve moguće vrijednosti brzine). Jezgra istog radioaktivnog elementa emituju β-čestice i brzinom bliskom nuli i brzinom bliskom brzini svjetlosti. Energija β-čestica kreće se od stotinke do nekoliko MeV.

Budući da β-čestica ima vrlo malu masu, veliku brzinu, a njen naboj je dva puta manji od naboja α-čestice, njena jonizujuća sposobnost je oko 100 puta manja, a domet je isto puta veći od naboja α-čestice. α-čestica. Raspon visokoenergetske β-čestice dostiže 40 cm u vazduhu, 2 cm u aluminijumu i 6 cm u biološkom tkivu.

gama zraci su tok fotona vrlo visoke frekvencije, reda 1020 Hz, što odgovara talasnoj dužini reda od 10 -12 m. Energija γ-kvanta ima vrijednost od oko 1 MeV.

Biti tvrd elektromagnetno zračenje, γ-zraci su po svojim svojstvima slični karakterističnom rendgenskom zračenju. Ne odbijaju ih električna i magnetska polja, šire se brzinom svjetlosti i doživljavaju difrakciju kada prolaze kroz kristale. Za razliku od X-zraka, γ-zraci se emituju iz atomskog jezgra.

Jonizujuća sposobnost je niska; u vazduhu ima oko 100 pari jona (u proseku 1-2 para jona na 1 cm vožnje). γ zraci su jedno od najprodornijih zračenja. Najtvrđe γ-zrake prolaze kroz sloj olova od 5 cm ili kroz sloj vazduha debljine nekoliko stotina metara; prodiru kroz ljudsko tijelo.

4.3.3. Zakoni alfa i beta raspada

Radioaktivno zračenje nastaje raspadom radioaktivnih elemenata. Očigledno je da se atomi elementa koji zrače moraju pretvoriti u atome drugog hemijskog elementa.

Kada se emituje β-čestica, naelektrisanje jezgra se povećava za jedan, a masa ostaje praktično nepromenjena. Stoga, kako β-raspad napreduje, radioaktivni element se pretvara u drugi element s atomskim brojem za jedan većim i istim masenim brojem.

Tokom β-raspada, element se u periodičnom sistemu pomera za jedan broj udesno bez promene maseni broj.

Šema β-raspada:

Na primjer,

Kada se emituje α-čestica, nuklearni naboj se smanjuje za dvije jedinice, a maseni broj - za 4 jedinice. shodno tome,

Tokom α-raspada, element se pomera u periodičnom sistemu za dva broja ulevo sa smanjenjem masenog broja za četiri jedinice:

Na primjer,

Pravila (4.3.2) i (4.3.4) se pozivaju zakoni o pomjeranju.

Radioaktivni raspad dovodi do postepenog smanjenja broja atoma radioaktivnog elementa. Slučajno je u smislu da je nemoguće predvidjeti koji će se atom i kada raspasti. Možemo govoriti samo o vjerovatnoći takvog propadanja.

Pokazalo se da je broj atoma koji se raspadaju u nekom vremenu proporcionalan ukupan broj atomi i vrijeme:

gdje je λ koeficijent proporcionalnosti, koji se naziva konstanta raspada datog elementa. Znak minus označava smanjenje atoma radioaktivnog elementa tokom vremena.

Integracijom (4.3.6) dobijamo:

gdje je N 0 broj atoma elementa u početnom trenutku vremena.

Odnos (4.3.7) se naziva zakon radioaktivnog raspada (slika 4.3.2).

Rice. 4.3.2. Krivulja radioaktivnog raspada

Da bi se okarakterisala brzina raspada, uvodi se koncept poluraspada T:

poluživot naziva se vrijeme tokom kojeg se broj atoma originalnog elementa prepolovi.

Iz (4.3.7) slijedi da ako je e -λT = ½, onda:

Recipročna vrijednost konstante raspada naziva se prosječnim životnim vijekom radioaktivnog atoma:

Dakle, T = τln2, odakle je τ = T/ ln2 = 1,44T, tj. prosječni vijek trajanja je oko jedan i po puta veći od poluživota.

Vrijeme poluraspada uranijuma je 4,5 10 9 godina, polonijuma je 1,5 10 -4 s.

Broj atomskih raspada koji se dešavaju u radioaktivnom elementu u 1 s naziva se aktivnost ovog elementa:

Može se pokazati šta se radi:

Dakle, aktivnost elementa je proporcionalna njegovoj količini i obrnuto proporcionalna njegovom poluživotu. Kao jedinica aktivnosti uzeta je aktivnost 1 g radijuma (1 Curie):

1 Ku \u003d 3,7 10 10 širenje / s.

Proizvod radioaktivnog raspada može sam po sebi biti radioaktivan. Stoga proces radioaktivnog raspada prolazi kroz niz međufaza, formirajući lanac radioaktivnih elemenata, koji završava stabilnim elementom. Takav lanac elemenata naziva se radioaktivna porodica.

Jedinica aktivnosti je becquerel(Bq) ovo;

Najčešće korištena jedinica aktivnosti je Curie (Ci)

Ili mCi - milicurie 10 -3 Ci, mCi - microcurie 10 -6 Ci. Postoji i vansistemska jedinica aktivnosti Rutherford (Pd) 1Rd = 10 6 Bq = 10 6 s -1 . Da bi se okarakterisala aktivnost jedinice mase radioaktivnog izvora, uvodi se veličina koja se zove specifične masovne aktivnosti i jednak je omjeru aktivnosti izotopa i njegove mase. Specifična aktivnost mase izražava se u bekerelima po kilogramu (Bq/kg) ili Ci/kg, Ci/g ili Ci/l.

4.3.4. Raspad pozitrona β+, hvatanje elektrona i unutrašnja konverzija

, gdje je ν neutrina čestica, Q je količina topline. Sa ovim raspadom, podređeni element se pomiče ulijevo za jednu ćeliju u periodnom sistemu.

Pozitron je čestica koja ima isti naboj kao elektron, ali pozitivna.

.

Na primjer, raspad izotopa fosfora:

U hvatanju elektrona, jezgro hvata jedan od elektrona iz unutrašnje ljuske atoma. Kao rezultat toga, proton atoma se pretvara u neutron.

Podređeni element je pomjeren ulijevo u periodnom sistemu

Hvatanje elektrona pretvara proton u neutron.

.

Na primjer:

Tokom raspada mogu se pojaviti i α i β raspadi

Postoje slučajevi kada jezgro atoma, u pobuđenom stanju, prenosi dio svoje energije na elektrone na unutrašnjim slojevima(K, L, M). Kao rezultat, elektron izlazi iz atoma. Takvi elektroni se nazivaju elektrona unutrašnje konverzije. Dakle, emisija elektrona konverzije nastaje zbog direktne elektromagnetna interakcija jezgro sa elektronima ljuske. Elektroni konverzije imaju linijski spektar energije za razliku od beta raspada elektrona, dajući kontinuirani spektar. Nakon izvršene interne konverzije, elektronska školjka atoma, pojavljuje se "prazno" mjesto izbačenog konverzionog elektrona. Jedan od elektrona iz udaljenijih slojeva (iz viših nivoi energije) vrši kvantni prijelaz na "prazno" mjesto uz emisiju karakterističnog rendgenskog zračenja.

4.3.5. Interakcija jonizujućeg zračenja sa materijom.

Nabijene čestice i γ - fotoni, šireći se u materiji, stupaju u interakciju s elektronima i jezgrama, kao rezultat toga, stanje materije i čestica se mijenja.

Glavni mehanizam gubitka energije nabijenih čestica (α i β) pri prolasku kroz materiju je usporavanje jonizacije. Kinetička energija čestica troši se na pobuđivanje i ionizaciju atoma medija. Ovo se kvantifikuje sledećim parametrima: linearna gustina jonizacije i, linearna zaustavna moć supstance S, prosečna linearna putanja.

Ispod linearna gustina ionizacija Pod pojmom podrazumijevam omjer broja dn jona istog predznaka, formiranih od nabijene jonizujuće čestice na elementarnoj putanji dl: . Linearna zaustavna snaga supstanca S je odnos energije dE koju izgubi naelektrisana jonizujuća čestica tokom prolaska elementarne putanje dl u supstanci i dužine ovog puta: . Prosječna linearna kilometraža nabijena jonizujuća čestica R je prosječna vrijednost udaljenosti između početka i kraja trčanja nabijene čestice u datoj tvari.

Za α čestice, linearna gustina jonizacije u vazduhu je , linearna zaustavna moć α čestica u zraku . Prosječni linearni raspon za α čestice u zraku je nekoliko cm, a u živom organizmu (10-100 mikrona) njegova putanja je pravolinijska i mijenja smjer kretanja samo kada se sudari sa jezgrama nadolazećih atoma.

Za β čestice u vazduhu, i linearnu zaustavnu moć β čestica u vazduhu . Za β čestice R prosječni linearni raspon u zraku je 25 metara, au živom organizmu do 1 cm.

Osim ionizacije i ekscitacije, β čestice izazivaju i druge procese:

1. U interakciji s električnim poljem jezgra, nabijena čestica usporava i emituje kočno rendgenske zrake, čiji je spektar prikazan na slici 4.3.3.

2. Ako se elektron kreće u mediju brzinom većom od brzine svjetlosti u tom mediju, tada nastaje karakteristično Čerenkovljevo zračenje (zračenje Čerenkova-Vavilova).

3. Kada β + čestica uđe u supstancu, vjerovatnije je da ona stupi u interakciju s elektronima, uslijed čega se umjesto para elektron-pozitron formiraju dva gama fotona. Ovaj proces, čija je šema prikazana na slici 4.3.4, naziva se anihilacija. Energija svakog γ - fotona, koja nastaje tokom anihilacije, ne smije biti manja od energije mirovanja elektrona ili pozitrona, tj. ne manje od 0,51 MeV.

4.3.6. Interakcija gama zračenja sa materijom.

Tokom radioaktivnog raspada, jezgra emituju gama zrake sa energijama u rasponu od nekoliko keV do nekoliko MeV. Gama - kvanti, prolazeći kroz supstancu, gube energiju praktično zbog tri efekta: fotoelektrične apsorpcije (fotoelektrični efekat), Comptonovog raspršenja ( compton efekt), formiranje parova elektron-pozitron (formiranje para). Veličina svakog efekta zavisi od atomskog broja materijala koji apsorbuje i energije fotona.

Fotoelektrična apsorpcija.

Izvodi se pod uslovom: hν³ A i, gde je A i rad ionizacije atoma (šema fotoelektričnog efekta je prikazana na slici 4.3.5). Energija gama kvanta izračunava se po formuli i ne prelazi 50 keV. kinetička energija, jednaka energiji gama kvant minus energija vezivanja elektrona u atomu. Elektron skače na oslobođeno mjesto iz l - sloja u k - sloj, elektron m - sloja u l sloj, itd. Tokom prijelaza, emituju se kvanti svjetlosti hν, proizvodeći karakteristično rendgensko zračenje. Karakteristični rendgenski spektar prikazan je na sl. 4.3.6.

U vazduhu iu biološkim tkivima, fotoelektrični efekat je 50% ako je energija γ - kvanta reda veličine 60 KeV. Pri Eγ=120 keV iznosi 10%, a počevši od 200 keV ovaj proces se više ne opaža. U ovom slučaju, gama zračenje je oslabljeno zbog Comptonovog raspršenja.

Comptonov efekat.

Izvodi se pod uslovom hν>>A i.

γ - kvanti koji se sudaraju sa spoljašnjim valentnih elektrona prenosi samo dio energije. Nakon sudara s njima, γ - kvanti mijenjaju smjer kretanja i raspršuju se. Elektroni, odvajajući se od jezgra, dobijaju značajnu kinetičku energiju i proizvode ionizaciju materije (sekundarna jonizacija). Šema Comptonovog efekta prikazana je na slici 4.3.7.

Zbog Comptonovog efekta, γ-zračenje je oslabljeno. Ovaj efekat je značajan u vazduhu i biološkoj materiji na 200 keV.

Energetski balans za Compton efekat , gdje

Kinetička energija elektrona, hν’ je rezultujući novi rasejani γ-gama svetlosni kvant. Dakle, kao rezultat Comptonovog efekta, intenzitet gama zračenja je oslabljen zbog činjenice da se gama kvanti, u interakciji s elektronima medija, raspršuju u različitim smjerovima i nadilaze primarni snop, kao i zbog prijenos dijela njihove energije na elektrone.

Formiranje para.

Gama - kvanti sa energijom E³ 1,02 MeV, prolazeći kroz supstancu, transformišu se pod uticajem jakog električnog polja u blizini jezgra atoma u par "elektron-pozitron". U ovom slučaju, jedan oblik materije - gama zračenje - pretvara se u drugi - u čestice materije. Formiranje takvog para čestica moguće je samo pri energijama γ-kvanta ne manjim od energije ekvivalentne masi obje čestice - elektrona i pozitrona. Pošto su mase elektrona i pozitrona iste, onda da bi ih formirali bez davanja dodatne kinetičke energije, energija γ-kvanta mora zadovoljiti odnos između mase i energije:

Ako je energija γ-kvanta veća od 1,022 MeV, tada se njen višak prenosi na čestice. Tada je kinetička energija formiranih čestica E k jednaka razlici između energije fotona Eγ i udvostručene energije mirovanja elektrona:

Rezultirajući par elektron-pozitron naknadno nestaje (anihilira), pretvarajući se u dva sekundarna γ-kvanta sa energijom koja je jednaka energetskom ekvivalentu mase mirovanja čestice - 0,511 MeV. Sekundarni γ-kvant može izazvati samo Comptonov efekat i, na kraju, fotoelektrični efekat, tj. gubi energiju samo pri sudaru sa elektronima. Verovatnoća formiranja parova raste sa povećanjem energije γ-kvanta i gustine apsorbera. Šema formiranja para prikazana je na slici 4.3.8. Visokoenergetski gama zraci (više od 8 MeV) mogu stupiti u interakciju s atomskim jezgrima (nuklearni efekat). Vjerojatnost takvog efekta je vrlo mala, a ova vrsta interakcije praktički ne slabi zračenje u tvari.

4.3.7. Zakon slabljenja gama zračenja materijom

Snop gama zraka se apsorbuje kontinuirano sa povećanjem debljine apsorbera; njegov intenzitet ne nestaje ni za jednu debljinu apsorbera. To znači da bez obzira koliko je debeo sloj supstance, nemoguće je u potpunosti apsorbirati tok gama zraka, već samo oslabiti njegov intenzitet za bilo koji broj puta.

Na sl. 4.3.9 prikazuje zavisnost slabljenja gama zračenja od debljine apsorbera. Mehanizam slabljenja gama zračenja prikazan je na slici 10. Tri vrste gama-kvantnog rasejanja atoma materije prolaze sukcesivno. Prvo, postoji proces formiranja para, zatim Comptonovo raspršenje i fotoelektrična apsorpcija. Tokom posljednje interakcije s materijom, energija gama kvanta postaje manja od rada ionizacije atoma, a slab gama kvant, susrevši se s atomom tvari, jednostavno se raspršuje. Potonji proces se naziva koherentno rasipanje.

Zakon slabljenja snopa γ-zraka ima sljedeći oblik I=I oko e -μd , gdje je I intenzitet γ-zraka koji prolaze kroz supstancu, debljine d; I o - intenzitet upadnog snopa gama zraka; μ- linearni faktor slabljenja.

Linearni faktor slabljenja je ukupni faktor koji uzima u obzir slabljenje gama zraka uslijed prva tri procesa. Dakle, μ= μ f + μ k + μ p. Pošto vrijednost μ zavisi od energije dolaznih gama zraka i od materijala apsorbera, može se izraziti kroz omjer μ/ρ, gdje je ρ gustina supstance. U ovom slučaju, koeficijent μ će se zvati koeficijent prigušenja mase i više neće ovisiti o gustoći materijala.

Zakon slabljenja može se izraziti u terminima polovina slabljenja sloja(Δ1/2). Debljina apsorbera, nakon prolaska kroz koju se intenzitet zračenja slabi za polovicu, naziva se slojem poluslabljenja Δ1/2, mjereno u jedinicama površinske gustoće (mg/cm 2) i ovisi o energiji zračenja i gustoći apsorber. Odnos između linearnog faktora slabljenja i polusloja slabljenja je sljedeći: .

Poznavajući polovični prigušni sloj, prilično je lako odrediti koji apsorber treba uzeti da bi se zračenje smanjilo za određeni broj puta.

Na primjer, jedan sloj Δ1/2 smanjuje intenzitet zračenja za 2 puta, dva sloja - za 4 puta, tri sloja - za 8 puta, itd., n slojeva - za 2 n puta. Dakle, da bi se zračenje, na primjer, ublažilo za 512 puta, potrebno je uzeti što više slojeva

Δ1/2n tako da je 2 n =512. U našem slučaju, n=9, tj. 9 slojeva poluslabljenja smanjuju intenzitet zračenja za 512 puta.

4.3.8. Metode detekcije i registracije jonizujućeg zračenja.

Radioaktivno zračenje se ne percipira čulima. Ova zračenja se mogu detektovati pomoću posebnih instrumenata. U praksi se najčešće susreću detektori jonizacionog zračenja koji mere direktne efekte interakcije zračenja sa materijom - jonizaciju gasovitog medija (jonizacione komore, proporcionalni brojači i Geiger-Muller brojači, kao i brojači korone i iskri). . Ostale metode uključuju mjerenje sekundarnih efekata zbog jonizacije - fotografske, luminiscentne, hemijske, kalorimetrijske, itd.

1. Detektori jonizacionog zračenja

Detektori jonizacionog zračenja - komora ispunjena vazduhom ili gasom sa elektrodama za stvaranje električnog polja (slika 4.3.10). U nedostatku U, nema napona između elektroda u strujnom kolu, jer je plin dobar izolator. Kada nabijene (α, β) čestice uđu u gas, formiraju se parovi jona i gas postaje provodnik električnog polja. Na početku, kada je U=0 na elektrodama, svi ioni nastali početnom jonizacijom se potpuno rekombinuju u neutralne molekule. Kako napon raste, ioni poprimaju usmjereni efekat: pozitivni se skupljaju na katodi, a negativni na anodi. U krugu nastaje jonizacijska struja, koju uređaj može registrirati.

Veličina jonizacijske struje služi kao mjera za količinu zračenja. Slika 4.3.11 prikazuje zavisnost jonizacijske struje od napona primijenjenog na elektrode detektora. Ova zavisnost se naziva strujno-naponska karakteristika jonizacionog detektora. U odjeljku 1 postoje dva procesa: formiranje nabijenih čestica-jona i rekombinacija jona. Sa povećanjem napona, proces rekombinacije se smanjuje, a svi formirani ioni stižu do elektroda - 2. sekcije.

Veličina struje u sekciji 2 zavisi samo od jonizacionog kapaciteta dolaznih naelektrisanih čestica. Dakle, α je čestica nastala velikim ionizirajućim djelovanjem, odgovara gornjoj krivulji. Region 2 se naziva region jonizacione komore.

U 3. sekciji, jačina jonizacione struje ponovo počinje da raste, jer. pozitivni ioni, a posebno negativni ioni, dobijaju značajno ubrzanje i, posljedično, energiju da bi sami proizveli ionizaciju uslijed sudara s atomima ili molekulama plina. Ovaj proces se naziva sekundarna jonizacija. U odeljku 3, postoji stroga proporcionalnost između broja prvobitno formiranih jona i ukupne količine jona uključenih u stvaranje jonizujuće struje. Ovo područje se naziva područje proporcionalnosti. Proporcionalni brojači rade u ovom režimu. Da bi se to postiglo, u područje se uvodi koeficijent pojačanja plina Kg - odnos ukupne količine jona n uključenih u stvaranje jonizacijske struje prema broju primarno formiranih jona n 0 . Kgu=n/ n 0. Za sekciju 3 Kgu dostiže 10 3 - 10 4 .

U odeljku 4, narušena je stroga proporcionalnost između broja prvobitno formiranih jona i jačine jonizacione struje. Stoga se naziva područje ograničene proporcionalnosti.

U sekciji 5, pri još većim naponima, jačina rastuće struje više ne zavisi od broja primarnih jona. Faktor pojačanja plina dostiže 10 8 - 10 10, a kada se u komori detektora pojavi barem jedna nuklearna čestica, dolazi do bljeska samoodrživog plinskog pražnjenja koje prekriva cijelu komoru. Ovo područje se zove Geigerova regija. Brojači koji rade u ovoj oblasti nazivaju se Geiger-Muller brojači.

U području 6, pri visokom naponu u detektoru, uočava se konstantno kontinuirano pražnjenje i detektor pokvari.

2. Proporcionalni brojila

Proporcionalni brojači rade u odeljku 3. Prisustvo proporcionalnosti pojačanja u brojačima omogućava određivanje energije nuklearnih čestica i proučavanje njihove prirode. Obično se pravi proporcionalni brojač u obliku cilindra, duž čije ose se povlači metalni navoj - anoda (slika 4.3.12). Provodljivi premaz na unutrašnjoj površini cilindra služi kao katoda. Kod takvog uređaja cjelokupno električno polje je koncentrisano u blizini navoja i njegova maksimalna vrijednost je veća što je polumjer navoja manji (slika 4.3.13).

Proporcionalni brojači se izrađuju i krajnjeg tipa (slika 4.3.14). Da bi se osiguralo prodiranje u šupljinu brojača alfa čestica, prozor ulaznog liskuna je napravljen vrlo tanak (4-10) µm. Napunite pult mešavinom neona i argona skoro do nivoa atmosferskog pritiska. Postoje otvorena brojila, čija radna šupljina komunicira sa vanjskim zrakom. Ovi mjerači rade na atmosferskom pritisku, omogućavaju kontinuiran protok ili cirkulaciju plina koji ih puni, te se stoga često koriste za bilježenje aktivnosti uzoraka plina.

Geiger-Muller brojači (GM) se strukturno ne razlikuju mnogo od proporcionalnih brojača cilindričnog i krajnjeg tipa. Njegova glavna razlika je u tome što je unutrašnja zapremina brojača (GM) ispunjena inertnim gasom pod sniženim pritiskom, a rad se obavlja u Geigerovom području, tj. u režimu samoodrživog gasnog pražnjenja. Prema principu rada, brojila (GM) se dijele na samogaseće i ne-samogaseće. Kada nuklearna čestica uđe u ne-samogasivi brojač, dolazi do primarne jonizacije plinovitog medija. Pozitivni ioni se kreću prema katodi, a elektroni prema anodi. U tom slučaju, pod djelovanjem visokog napona, elektroni se ubrzavaju velikim ubrzanjem i proizvode sekundarnu ionizaciju. Novonastali ioni takođe dobijaju dovoljno veliku brzinu, proizvode ionizaciju i izbacuju elektrone sa katode. Ovi elektroni dodatno povećavaju efekat lavine. Kao rezultat, cijeli šalter je prekriven pražnjenjem. Kgu može dostići 10 8 - 10 10 .

Ako, tokom brzo rastuće sekundarne ionizacije, sljedeća nuklearna čestica uđe u ne-samogasivi brojač, tada je neće registrirati uređaj za brojanje. Za detekciju druge nuklearne čestice potrebno je "ugasiti" proces ionizacije iz prve, što se može postići ili uključivanjem električnog kola visokog otpora ili uvođenjem organske pare u brojač. Takve opcije se koriste u samogasivim mjeračima. Obično se koriste polihidrične alkoholne pare u omjeru od 90% argona i 10% alkoholne pare. Organski aditiv neutralizira pozitivne ione argona donirajući slabo vezane elektrone. Posljedično, molekuli poliatomskog plina (alkohola) obustavljaju sekundarnu ionizaciju, a brojač postaje spreman za registraciju sljedeće čestice.

3. Karakteristike brojača

mrtvo vreme- ovo je vrijeme tokom kojeg brojač ne može registrirati česticu (kvant) koja je upala u njega. Mrtvo vrijeme samogasivih brojača je 10 -4 s.

Kontra rezolucija je maksimalni broj čestica koje brojač može registrirati u jednoj sekundi i izračunava se kao recipročna vrijednost mrtvog vremena. Što je mrtvo vrijeme manje, to je veća rezolucija brojača. Nesamogasivi brojači mogu zasebno registrovati najviše 10 2 - 10 3 imp/s, samogasivi - do 10 4 imp/s.

Efikasnost kontra je procenat broja impulsa registrovanih od strane brojača prema ukupnom broju čestica (kvanta) koje su pale u radnu zapreminu brojača tokom istog vremenskog perioda. Efikasnost se utvrđuje mjerenjem zračenja radioaktivnih preparata sa poznatom aktivnošću (referenca).

Karakteristika brojanja izražava ovisnost brzine brojanja (broj impulsa/min) od napona primijenjenog na brojač. Područje napona u kojem se uspostavlja konstantna brzina brojanja u jedinici vremena naziva se "kontra plato". Što je veći obim i manji nagib visoravni, to je kontra bolja (sl. 4.3.15).

U samogasivim metrima, dužina platoa je 200-300 V, nagib je 3-5%.

Scintilacioni (luminiscentni) metod registracije zračenja.

Prilikom prijelaza atoma iz pobuđenog ili iz joniziranog u osnovno stanje, energija se emituje u obliku bljeska svjetlosti (scintilacije), što se može detektirati, na primjer, pretvaranjem svjetlosne energije u električni signal. korištenjem fotoelektričnog množitelja (PMT). Šema uređaja scintilacionog brojača prikazana je na slici 4.3.16.

Pod djelovanjem svjetlosnog impulsa generiranog u scintilatoru, elektroni se izbacuju iz fotokatode uslijed fotoelektričnog efekta, koji se sakupljaju električnim poljem i usmjeravaju na prvu dinodu, ubrzavajući do energije dovoljne da izbaci sekundarne elektrone iz sljedeća dinoda, itd. Tako se lavina elektrona povećava od katode do anode; vrlo slabi bljeskovi svjetlosti generirani u scintilatoru se pretvaraju u registrirane električne impulse.

Scintilacioni brojači imaju veću efikasnost brojanja (do 100%) i rezoluciju od 10 -5 pri registraciji alfa čestica i 10 -8 pri registraciji beta čestica u odnosu na brojače gasnih pražnjenja.

Poluprovodnički detektori(PPD) jonizujućeg zračenja je jonizaciona komora u čvrstom stanju u kojoj elektroni i rupe igraju ulogu nosioca električnog naboja. Pod dejstvom jonizujućeg zračenja u PPD se stvara električna struja. Veličina struje određuje količinu jonizujućeg zračenja.

Fotografska metoda zasniva se na određivanju stepena pocrnjenja fotografske emulzije pod dejstvom jonizujućeg zračenja. Stepen zacrnjenja fotoemulzije fotografske ploče proporcionalan je dozi zračenja. Na ovom principu se zasniva dozimetrijska foto kontrola (IPC) za osobe koje rade sa beta i gama zračenjem.

Hemijske metode na osnovu registracije određenih promjena koje nastaju pod uticajem zračenja. Na primjer, promjena boje, ispuštanje plinova, taloženje koloidnih otopina itd. Stepen promjene je proporcionalan apsorbiranoj energiji zračenja. Dozimetri ferosulfata i cerijuma, bazirani na oksidaciji dvovalentnog iona gvožđa u trovalentni pod uticajem zračenja, postali su široko rasprostranjeni. U cerijumskom dozimetru, koncentracija cerija se određuje prije i nakon zračenja.

Kalorimetrijska metoda zasniva se na mjerenju uz pomoć posebnih kalorimetara toplinske energije koja se oslobađa pri apsorpciji energije zračenja u supstanciji.

Uređaji za mjerenje zračenja i njihova namjena.

Instrumenti za mjerenje jonizujućeg zračenja mogu se uslovno podijeliti u tri kategorije: radiometrijski (radiometri), dozimetrijski (dozimetri), blokovi i uređaji elektronske opreme za nuklearno-fizička istraživanja.

radiometri- to su uređaji sa pražnjenjem gasa, scintilacioni brojači i drugi detektori namenjeni za merenje aktivnosti radioaktivnih preparata i izvora zračenja, za određivanje gustine toka ili intenziteta jonizujućih čestica i kvanta, površinske radioaktivnosti objekata, specifične aktivnosti aerosola , gasovi i tečnosti.

Dozimetri (radiometri) - uređaji koji mjere izloženost i apsorbovane doze zračenja ili odgovarajuće brzine doze. Dozimetri se sastoje od tri glavna dijela: detektora, radio kola koje pojačava jonizacionu struju i registrovanog (mjernog) uređaja.

Prema principu rada, dozimetri se mogu podijeliti u dvije grupe. Prvu grupu čine dozimetri koji mjere brzinu doze u rendgenima po jedinici vremena, takozvani mjerači brzine doze. U drugu grupu spadaju integrisani dozimetri koji mjere dozu zračenja u određenom vremenskom periodu. Detektor zračenja u mjeračima doze može biti jonizacijska komora, plinsko pražnjenje ili scintilacijski brojači. Jonizacijske komore se obično koriste kao detektori u integrirajućim uređajima.