النشاط الإشعاعي. القانون الأساسي للتسوس المشع. النشاط. القانون الأساسي للتحلل الإشعاعي للنويدات المشعة

قوانين الاضمحلال الإشعاعي للأنوية

وتسمى قدرة النواة على التحلل التلقائي ، التي تنبعث منها الجسيمات ، النشاط الإشعاعي. الاضمحلال الإشعاعي هو عملية إحصائية. يمكن أن تتحلل كل نواة مشعة في أي لحظة ويلاحظ النمط فقط في المتوسط \u200b\u200b، في حالة تسوس عدد كبير للغاية من النوى.
تسوس مستمر  λ هو احتمال الاضمحلال النووي لكل وحدة زمنية.
  إذا كانت هناك نوى مشعة في العينة في الوقت t ، فإن عدد النوى dN المتحللة خلال الوقت dt يتناسب مع N.

dN \u003d -Ndt. (13.1)

دمج (1) نحصل على قانون الاضمحلال المشع

N (t) \u003d N 0 e-λt. (13.2)

N 0 هو عدد النوى المشعة في الوقت t \u003d 0.
متوسط \u200b\u200bالحياة τ –

. (13.3)

نصف الحياة  T 1/2 - الوقت الذي سيتم فيه تخفيض العدد الأولي للنواة المشعة بمقدار النصف

T 1/2 \u003d ln2 / λ \u003d 0.693 / λ \u003d τln2. (13.4)

نشاط  أ - متوسط \u200b\u200bعدد النوى المتحللة لكل وحدة زمنية

A (t) \u003d λN (t). (13.5)

يقاس النشاط بالكاري (كي) والبيكريل (بكريل)

1 Ki \u003d 3.7 * 10 10 الانحلال / ثانية ، 1 بيكريل \u003d 1 الانحلال / ثانية.

يوصف انحطاط النواة الأصلية 1 في النواة 2 ، متبوعًا بتحللها إلى النواة 3 ، بواسطة نظام المعادلات التفاضلية

(13.6)

حيث N 1 (t) و N 2 (t) هما عدد النوى ، و λ 1 و λ 2 هما ثوابت الانحلال في النواة 1 و 2 ، على التوالي. عن طريق حل النظام (6) بالشروط الأولية N 1 (0) \u003d N 10 ؛ N 2 (0) \u003d 0 سيكون

, (13.7a)

. (13.7b)

الشكل 13. 1

  عدد النوى 2 يصل إلى الحد الأقصى لقيمة   في.

إذا λ 2< λ 1 (), суммарная активностьN 1 (t)λ 1 + N 2 (t)λ 2 будет монотонно уменьшаться.
  إذا كانت λ 2\u003e λ 1 ()) ، فإن النشاط الكلي يزيد مبدئيًا بسبب تراكم النوى 2.
  إذا كانت λ 2 \u003e\u003e λ 1 ، في الأوقات الكبيرة بما فيه الكفاية ، تصبح مساهمة الأس الثاني (7b) ضئيلة ، مقارنة بمساهمات الأول ونشاط الثاني A 2 \u003d λ 2 N 2 والنظائر الأولى A 1 \u003d λ 1 N 1 متساوون عمليًا . في المستقبل ، سوف تتغير أنشطة كل من النظائر الأولى والثانية بمرور الوقت.

A 1 (t) \u003d N 10 λ 1 \u003d N 1 (t) λ 1 \u003d A 2 (t) \u003d N 2 (t) λ 2.(13.8)

وهذا هو ، ما يسمى التوازن العلمانيحيث يرتبط عدد نوى النظائر في سلسلة الانحلال بثوابت التحلل (عمر النصف) من خلال علاقة بسيطة.

. (13.9)

لذلك ، في الحالة الطبيعية ، عادة ما توجد جميع النظائر المرتبطة جينيا في السلسلة المشعة بنسب كمية معينة ، اعتمادا على عمر النصف.
  في الحالة العامة ، عندما تكون هناك سلسلة من الانحلال 1 → 2 → ... n ، يتم وصف العملية بواسطة نظام المعادلات التفاضلية

dN i / dt \u003d -λ i N i + λ i-1 N i-1.(13.10)

عن طريق حل نظام (10) للأنشطة ذات الشروط الأولية N 1 (0) \u003d N 10 ؛ N i (0) \u003d 0 سيكون

(13.12)

تشير الشرطة إلى أنه في المنتج ، الموجود في المقام ، يتم حذف العامل ذي i \u003d m.

نظائر

نظائرأصناف من نفس العنصر الكيميائي ، مماثلة في خواصها الفيزيائية والكيميائية ، ولكن لها كتل ذرية مختلفة. تم اقتراح اسم "النظائر" في عام 1912 من قبل عالم الأشعة الإنجليزي فريدريك سودي ، الذي قام بتكوينه من كلمتين يونانيتين: إيزوس - نفس المكان وتوبوس. تحتل النظائر نفس المكان في خلية النظام الدوري لعناصر منديليف.

تتكون ذرة أي عنصر كيميائي من نواة موجبة الشحنة وسحابة من الإلكترونات سالبة الشحنة المحيطة بها ( شاهد.أيضاATOM Kernel). يتم تحديد موضع العنصر الكيميائي في الجدول الدوري (رقمه التسلسلي) من خلال شحنة نواة ذراته. لذلك ، فإن الأنواع من نفس العنصر الكيميائي ، والذرات التي لها نفس الشحنة النووية (وبالتالي ، تقريبا نفس قذائف الإلكترون) ، ولكنها تختلف في كتلة النواة ، تسمى الإيزوبوتامينات. في التعبير المجازي لـ F. Soddy ، فإن ذرات النظائر هي نفس "الخارج" ، ولكنها مختلفة "من الداخل".

اكتشف النيوترون في عام 1932 – الجسيمات دون تهمة ، مع كتلة قريبة من كتلة نواة ذرة الهيدروجين - بروتون , تم إنشاء نموذج بروتوني-نيوتروني للنواة ، تم وضع التعريف الحديث النهائي لمفهوم النظائر في العلوم: النظائر عبارة عن مواد تتكون نواتها الذرية من نفس عدد البروتونات ولا تختلف إلا في عدد النيوترونات الموجودة في النواة. .   عادة ما يُشار إلى كل نظير بمجموعة من الرموز ، حيث X هي رمز العنصر الكيميائي ، Z هي شحنة النواة الذرية (عدد البروتونات) ، A هو رقم كتلة النظير (العدد الإجمالي للنكليونات - البروتونات والنيوترونات في النواة ، A \u003d Z + N). نظرًا لأن شحنة النواة ترتبط ارتباطًا فريدًا برمز العنصر الكيميائي ، غالبًا ما يتم استخدام الاختصار A X ببساطة للتقليل

من بين جميع النظائر المعروفة لنا ، فقط نظائر الهيدروجين لها أسماءها الخاصة. لذلك ، يطلق على نظيري 2 H و 3 H اسم الديوتيريوم والتريتيوم ويعينان D و T ، على التوالي (يسمى نظير 1 H \u200b\u200bفي بعض الأحيان باسم protium).

وجدت في الطبيعة كنظائر مستقرة ,   وغير مستقر - إشعاعي ، النواة الذرية التي تخضع للتحول التلقائي إلى نوى أخرى مع انبعاث جزيئات مختلفة (أو عمليات ما يسمى التحلل الإشعاعي). الآن أصبح هناك حوالي 270 نظيرًا مستقرًا ، ولا توجد نظائر مستقرة إلا في العناصر ذات العدد الذري Z Ј 83. ويزيد عدد النظائر غير المستقرة عن 2000 ، ويتم الحصول على الغالبية العظمى منها بشكل مصطنع نتيجة لتفاعلات نووية مختلفة. عدد النظائر المشعة في العديد من العناصر كبير جدًا ويمكن أن يتجاوز عشرين. عدد النظائر المستقرة أصغر بكثير ، بعض العناصر الكيميائية تتكون من نظير واحد مستقر (البريليوم ، الفلور ، الصوديوم ، الألومنيوم ، الفسفور ، المنجنيز ، الذهب وعدد من العناصر الأخرى). تم العثور على أكبر عدد من النظائر المستقرة - 10 في القصدير ، في الحديد ، على سبيل المثال ، كان هناك 4 ، والزئبق - 7.

اكتشاف النظائر ، الخلفية التاريخية.في عام 1808 ، قدم عالم الطبيعة الإنجليزي جون دالتون لأول مرة تعريف العنصر الكيميائي باعتباره مادة تتكون من ذرات من نوع واحد. في عام 1869 ، الكيميائي دي. آي. اكتشف منديليف القانون الدوري للعناصر الكيميائية. إحدى الصعوبات في إثبات مفهوم عنصر ما كمحتل يحتل مكانًا معينًا في خلية نظام دوري هي عدم تكامل الأوزان الذرية للعناصر. في عام 1866 ، افترض الفيزيائي والكيميائي الإنجليزي ، السير ويليام كروكس ، أن كل عنصر كيميائي طبيعي عبارة عن مزيج من المواد المتشابهة في الخواص ، ولكن له كتل ذرية مختلفة ، ولكن في هذا الوقت لم يكن لهذا الافتراض تأكيد تجريبي ، وبالتالي كان هناك القليل لاحظت.

كانت خطوة مهمة نحو اكتشاف النظائر اكتشاف ظاهرة النشاط الإشعاعي وفرضية الانحلال الإشعاعي التي صاغها إرنست رذرفورد وفريدريك سودي: النشاط الإشعاعي ليس سوى تحلل ذرة إلى جسيم مشحونة وذرة لعنصر آخر يختلف في الخواص الكيميائية عن العنصر الأصلي. ونتيجة لذلك ، نشأ مفهوم السلسلة المشعة أو العائلات المشعة. , في البداية ، يوجد أول عنصر أمومي ، وهو مادة مشعة ، وفي النهاية - العنصر الثابت الأخير. أظهر تحليل لسلاسل التحول أنه في مسارها ، يمكن أن تظهر العناصر المشعة التي تختلف فقط في الكتل الذرية في خلية واحدة من النظام الدوري. في الواقع ، كان هذا يعني إدخال مفهوم النظائر.

بعد ذلك تم الحصول على تأكيد مستقل لوجود نظائر مستقرة للعناصر الكيميائية في تجارب J.J. Thomson و Aston في 1912-1920 مع أشعة من جسيمات موجبة الشحنة (أو ما يسمى أشعة القناة ) الناشئة من أنبوب التفريغ.

في عام 1919 ، صمم أستون جهازًا يسمى مطياف الكتلة (أو مطياف الكتلة) . كما كان من قبل ، كان أنبوب التفريغ لا يزال يستخدم كمصدر للأيونات ، لكن أستون وجد طريقة أدى فيها الانحراف المتتالي لشعاع الجسيمات في الحقول الكهربائية والمغناطيسية إلى تركيز الجسيمات التي لها نفس نسبة الشحن إلى الكتلة (بغض النظر عن سرعتها) في نفس النقطة على الشاشة. جنبا إلى جنب مع أستون ، تم إنشاء مطياف الكتلة لتصميم مختلف قليلا في نفس السنوات من قبل Dempster الأمريكية. نتيجة للاستخدام اللاحق للطيف الكتلي وتحسينه بجهود العديد من الباحثين ، بحلول عام 1935 تم تجميع جدول كامل تقريبًا للتركيبات النظرية لجميع العناصر الكيميائية المعروفة في ذلك الوقت.

طرق فصل النظائر.لدراسة خصائص النظائر وخاصة لتطبيقها في الأغراض العلمية والتطبيقية ، يلزم إنتاجها بكميات ملحوظة إلى حد ما. في مطياف الكتلة التقليدية ، يتحقق الفصل النظري الكامل تقريبًا ، لكن عددهم لا يكاد يذكر. لذلك ، كانت جهود العلماء والمهندسين تهدف إلى البحث عن طرق أخرى ممكنة لفصل النظير. بادئ ذي بدء ، تم إتقان طرق الفصل الفيزيائية والكيميائية ، بناءً على الاختلافات في خواص نظائر نفس العنصر مثل معدلات التبخر وثوابت التوازن ومعدلات التفاعلات الكيميائية ، إلخ. الأكثر فعالية من بينها طرق التصحيح وتبادل النظائر ، والتي تستخدم على نطاق واسع في الإنتاج الصناعي لنظائر العناصر الخفيفة: الهيدروجين ، الليثيوم ، البورون ، الكربون ، الأكسجين والنيتروجين.

يتم تشكيل مجموعة أخرى من الطرق من خلال ما يسمى بالطرق الحركية الجزيئية: انتشار الغاز ، الانتشار الحراري ، نشر الكتلة (الانتشار في تيار بخار) ، الطرد المركزي. استخدمت أساليب انتشار الغاز التي تعتمد على معدلات انتشار مختلفة من مكونات النظائر في وسائل مسامية شديدة التشتت خلال الحرب العالمية الثانية لتنظيم الإنتاج الصناعي لفصل نظير اليورانيوم في الولايات المتحدة كجزء من مشروع القنبلة الذرية في مانهاتن. للحصول على الكميات اللازمة من اليورانيوم المخصب بنسبة تصل إلى 90 ٪ مع النظير الخفيف 235 U - المكون الرئيسي "القابل للاشتعال" في القنبلة الذرية ، تم بناء مصانع احتلت مساحة تبلغ حوالي أربعة آلاف هكتار. تم تخصيص أكثر من ملياري دولار لإنشاء مركز ذري بمصانع اليورانيوم المخصب ، وبعد الحرب في الاتحاد السوفياتي ، تم تطوير وبناء مصانع لإنتاج اليورانيوم المخصب للأغراض العسكرية ، بناءً على طريقة فصل الانتشار. في السنوات الأخيرة ، أعطت هذه الطريقة طريقة للطرد المركزي أكثر كفاءة وأقل تكلفة. في هذه الطريقة ، يتم تحقيق تأثير الفصل بين خليط النظائر بسبب اختلاف قوى الطرد المركزي على مكونات خليط النظائر الذي يملأ دوار الطرد المركزي ، وهو عبارة عن جدار رقيق ومحاط بأعلى وأسفل الأسطوانة ، يدور بسرعة عالية للغاية في غرفة مفرغة. يتم استخدام مئات الآلاف من أجهزة الطرد المركزي المتصلة في الشلالات ، والتي يدور كل منها أكثر من ألف دورة في الثانية ، في مصانع الفصل الحديثة في كل من روسيا والبلدان المتقدمة الأخرى في العالم. تستخدم أجهزة الطرد المركزي ليس فقط للحصول على اليورانيوم المخصب ، وهو أمر ضروري لتشغيل المفاعلات النووية في محطات الطاقة النووية ، ولكن أيضًا لإنتاج نظائر من حوالي ثلاثين عنصرًا كيميائيًا في منتصف النظام الدوري. لفصل النظائر المختلفة ، يتم أيضًا استخدام أجهزة الفصل الكهرومغناطيسي ذات المصادر الأيونية القوية ؛ وفي السنوات الأخيرة ، أصبحت طرق الفصل بالليزر منتشرة أيضًا.

استخدام النظائر.تستخدم النظائر المختلفة للعناصر الكيميائية على نطاق واسع في البحث العلمي ، وفي مختلف مجالات الصناعة والزراعة ، في الطاقة النووية ، والبيولوجيا الحديثة والطب ، في الدراسات البيئية وغيرها من المجالات. في البحث العلمي (على سبيل المثال ، في التحليل الكيميائي) ، كقاعدة عامة ، هناك حاجة إلى كميات صغيرة من النظائر النادرة للعناصر المختلفة ، المحسوبة بالجرام وحتى ملليغرام في السنة. في الوقت نفسه ، بالنسبة لعدد من النظائر المستخدمة على نطاق واسع في الطاقة النووية ، والأدوية ، وغيرها من الصناعات ، يمكن أن تكون الحاجة لإنتاجها عدة كيلوغرامات أو حتى أطنان. وبالتالي ، فيما يتعلق باستخدام الماء الثقيل D 2 O في المفاعلات النووية ، بلغ إنتاجه العالمي بحلول بداية التسعينات حوالي 5000 طن سنويًا. يعتبر نظير الهيدروجين الديوتيريوم ، وهو جزء من الماء الثقيل ، وتركيزه في المزيج الطبيعي من الهيدروجين 0.015٪ فقط ، إلى جانب التريتيوم ، سيصبح في المستقبل ، وفقًا للعلماء ، مكون الوقود الرئيسي لمفاعلات الطاقة النووية الحرارية التي تعمل على أساس تفاعلات الاندماج النووي. في هذه الحالة ، ستكون الحاجة لإنتاج نظائر الهيدروجين هائلة.

في البحث العلمي ، تستخدم النظائر المستقرة والإشعاعية على نطاق واسع كمؤشرات نظيرية (ملصقات) في دراسة العمليات المختلفة التي تحدث في الطبيعة.

في الزراعة ، تستخدم النظائر (ذرات "المسمى") ، على سبيل المثال ، لدراسة عمليات التمثيل الضوئي ، وهضم الأسمدة ولتحديد فعالية النباتات التي تستخدم النيتروجين والفوسفور والبوتاسيوم والعناصر النزرة وغيرها من المواد.

تستخدم تقنيات النظائر على نطاق واسع في الطب. لذلك في الولايات المتحدة ، وفقًا للإحصاءات ، يتم إجراء أكثر من 36 ألف إجراء طبي يوميًا ونحو 100 مليون اختبار معملي باستخدام النظائر. الإجراءات الأكثر شيوعا المرتبطة التصوير المقطعي. يستخدم نظير الكربون C 13 ، المخصب حتى 99 ٪ (المحتوى الطبيعي لحوالي 1 ٪) ، بنشاط في ما يسمى ب "السيطرة على التنفس التشخيصي". جوهر الاختبار بسيط جدا. يتم إدخال النظير المخصب في طعام المريض ، وبعد المشاركة في عملية التمثيل الغذائي في مختلف أعضاء الجسم ، يتم إطلاقه في شكل ثاني أكسيد الكربون ثاني أكسيد الكربون الذي يتم زفيره بواسطة المريض ، والذي يتم جمعه وتحليله باستخدام مقياس الطيف. إن الاختلاف في سرعات العمليات المرتبطة بإطلاق كميات مختلفة من ثاني أكسيد الكربون ، المسمى بنظير C 13 ، يسمح لنا بالحكم على حالة مختلف أعضاء المريض. في الولايات المتحدة ، يقدر عدد المرضى الذين سيخضعون لهذا الاختبار بحوالي 5 ملايين شخص سنويًا. في أيامنا هذه ، يتم استخدام طرق فصل الليزر لإنتاج نظير C 13 عالي التخصيب على نطاق صناعي.

معلومات مماثلة.

التغير في عدد النواة المشعة بمرور الوقت.  أوضح رذرفورد وسودي في عام 1911 ، مع تلخيص النتائج التجريبية ، أن ذرات بعض العناصر تمر بتحولات متتالية ، وتشكل عائلات مشعة ، حيث ينشأ كل عضو من العضو السابق ، ويشكل بدوره التالي.

ويتضح ذلك بسهولة من خلال مثال تكوين الرادون من الراديوم. إذا وضعت في أمبولة مختومة ، فإن تحليل الغاز في غضون أيام قليلة سيظهر أن الهيليوم والرادون يظهران فيه. الهيليوم مستقر ، وبالتالي يتراكم ، بينما يتحلل الرادون نفسه. المنحنى 1 في الشكل. 29 يميز قانون تسوس الرادون في غياب الراديوم. علاوة على ذلك ، يمثل محور الإحداثيات نسبة عدد نوى الرادون غير المتحللة إلى عددها الأولي ، ويمكن ملاحظة أن المحتوى يتناقص وفقًا لقانون الأس. يوضح المنحنى 2 كيف يتغير عدد نوى الرادون في وجود الراديوم.

أظهرت التجارب على المواد المشعة أنه لا توجد ظروف خارجية (التدفئة إلى درجات الحرارة العالية ،

لا يمكن أن تؤثر المجالات المغناطيسية والكهربائية ، والضغوط العالية) على طبيعة ومعدل الانحلال.

النشاط الإشعاعي هو خاصية لنواة ذرية ، وبالنسبة لنوع معين من النوى في حالة طاقة محددة ، يكون احتمال التآكل الإشعاعي لكل وحدة زمنية ثابتًا.

التين. 29. الاعتماد على الوقت لعدد نوى الرادون النشط

نظرًا لأن عملية الاضمحلال تكون عفوية (تلقائية) ، فإن التغير في عدد النوى الناتجة عن التحلل خلال فترة زمنية يتم تحديده فقط بعدد النوى المشعة في وقت ما ويتناسب مع فترة الوقت

أين هو الثابت الذي يميز معدل الانحلال. دمج (37) وافتراض أننا نحصل عليها

أي أن عدد النوى يتناقص بشكل كبير.

ينطبق هذا القانون على المعدلات الإحصائية ولا يسري إلا على عدد كبير من الجزيئات. تسمى قيمة X ثابت الانحلال الإشعاعي ، ولها بعد وتميز احتمالية تحلل ذرة واحدة في ثانية واحدة.

ولتوصيف العناصر المشعة ، يتم تقديم مفهوم عمر النصف أيضًا ، ويُفهم أنه الوقت الذي يتحلل فيه نصف العدد المتاح من الذرات. استبدال الشرط في المعادلة (38) ، نحصل عليها

حيث ، لوغاريتمي ، نجد ذلك

ونصف الحياة

مع القانون الأسي للتحلل الإشعاعي في أي وقت ، هناك احتمال غير صفري لإيجاد نوى لم تتحلل بعد. عمر هذه النوى يتجاوز

على العكس من ذلك ، فإن النوى الأخرى التي تراجعت بحلول هذا الوقت تعيش في وقت مختلف ، أقصر من متوسط \u200b\u200bالعمر لنظير مشع معين يتم تعريفه على أنه

تدل ، نحصل عليه

وبالتالي ، فإن متوسط \u200b\u200bعمر النواة المشعة يساوي معادلة ثابت الانحلال الذاتي ، بمرور الوقت ، يتناقص العدد الأولي للنواة بعامل واحد.

لمعالجة النتائج التجريبية ، من المناسب تقديم المعادلة (38) في شكل آخر:

تسمى القيمة نشاط هذا الدواء المشع ، فهو يحدد عدد الانحطاط في الثانية. النشاط هو سمة من سمات المواد المتحللة بأكملها ، وليس جوهر واحد. الوحدة العملية للنشاط هي كوري. 1 كوري يساوي عدد النوى المتحللة الموجودة في الراديوم لمدة 1 ثانية من التحلل / ثانية). وتستخدم وحدات أصغر أيضا - millikuri و microcurie. في ممارسة التجربة البدنية ، يتم أحيانًا استخدام وحدة نشاط أخرى - تدهور راذرفورد / ثانية.

الطبيعة الإحصائية للتسوس الإشعاعي.  الانحلال الإشعاعي ظاهرة إحصائية أساسية. لا يمكننا أن نقول بالضبط متى سوف تتحلل نواة معينة ، لكن لا يمكننا الإشارة إلا إلى أي احتمال تتحلل في فترة زمنية معينة.

النواة المشعة لا "تتقدم" في عملية وجودها. لا ينطبق مفهوم العمر بشكل عام عليهم ، ولكن لا يمكننا التحدث إلا عن متوسط \u200b\u200bوقت حياتهم.

انطلاقًا من الطبيعة الإحصائية لقانون الانحلال الإشعاعي ، فإنه يتم تنفيذه بدقة عندما يكون حجمه كبيرًا ، ويجب مراعاة التقلبات الصغيرة. يجب أن يتقلب عدد نوى الانحلال لكل وحدة زمنية حول متوسط \u200b\u200bالقيمة التي يتميز بها القانون أعلاه. وهذا ما تؤكده القياسات التجريبية لعدد الجسيمات المنبعثة من مادة مشعة لكل وحدة زمنية.

التين. 30. اعتماد لوغاريتم النشاط في الوقت المحدد

التقلبات تطيع قانون بواسون. عند إجراء قياسات بالأدوية المشعة ، يجب على المرء دائمًا مراعاة ذلك وتحديد الدقة الإحصائية للنتائج التجريبية.

تحديد تسوس ثابت X.  عند تحديد ثابت الانحلال X لعنصر مشع ، تقلل التجربة من تسجيل عدد الجسيمات المنبعثة من التحضير لكل وحدة زمنية ، أي يتم تحديد نشاطها ، ثم يتم بناء رسم بياني للتغيرات في النشاط بمرور الوقت ، وعادةً على مقياس شبه لوغاريتمي. شكل الإعتمادات التي تم الحصول عليها في دراسات النظير النقي ، أو مزيج من النظائر ، أو عائلة مشعة مختلفة.

النظر في العديد من الحالات كمثال.

1. تتم دراسة أحد العناصر المشعة ، خلال التحلل الذي تتشكل فيه نوى مستقرة. لوغاريتم التعبير (41) ، نحصل عليه

لذلك ، في هذه الحالة ، تكون لوغاريتم النشاط دالة خطية للوقت. يحتوي الرسم البياني لهذا الاعتماد على شكل خط مستقيم ، يكون ميله (الشكل 30)

2. يتم دراسة عائلة مشعة تحدث فيها سلسلة كاملة من التحولات المشعة. تتحول النوى التي يتم الحصول عليها بعد التحلل ، بدورها ، إلى مادة مشعة:

مثال على مثل هذه السلسلة هو الاضمحلال:

نجد قانونًا يصف في هذه الحالة التغير في عدد الذرات المشعة بمرور الوقت. للبساطة ، نختار عنصرين فقط: افتراض A هو المصدر ، و B متوسط.

ثم يتم تحديد التغير في عدد النوى أ والنواة ب من نظام المعادلات

يتناقص عدد النوى A بسبب تسوسها ، وينخفض \u200b\u200bعدد النوى B بسبب تحلل النوى B ويزداد بسبب انحلال النوى A.

إذا كانت هناك حبات A ، ولكن لا توجد حبات B ، فيتم كتابة الشروط الأولية في النموذج

حل المعادلات (43) لديه الشكل

والنشاط الكلي للمصدر ، الذي يتكون من نوى A و B:

نحن الآن نعتبر اعتماد لوغاريتم النشاط الإشعاعي في الوقت المحدد لنسب مختلفة بين و

1. العنصر الأول قصير العمر ، الثاني طويل الأجل ، هذا هو. في هذه الحالة ، يكون للمنحنى الذي يظهر التغيير في النشاط الكلي للمصدر النموذج الموضح في الشكل. 31 ، أ. في البداية ، يتم تحديد مسار المنحنى بشكل رئيسي من خلال الانخفاض السريع في عدد النوى النشطة في النواة B تتحلل أيضًا ، ولكن ببطء ، وبالتالي فإن تسوسها لا يؤثر بشكل كبير على ميل المنحنى في المنطقة. في المستقبل ، يوجد عدد قليل من نوى النوع A في خليط النظائر ، ويتم تحديد ميل المنحنى بواسطة ثابت الانحلال. لتحديد الحجم ، يجب على المرء أيضًا مراعاة تأثير انحطاط عنصر طويل العمر على منحدر الجزء الأول من المنحنى. لهذا ، يتم استقراء الخط المستقيم إلى منطقة أوقات صغيرة ، يتم طرح النشاط المحدد بواسطة العنصر B من النشاط الكلي في عدة نقاط من القيم التي تم الحصول عليها

يبنون خطًا مستقيمًا للعنصر A ويجدونه بالزاوية (في هذه الحالة ، نحتاج إلى التبديل من اللوغاريتمات إلى antilogarithms والعكس بالعكس).

التين. 31. اعتماد لوغاريتم نشاط مزيج من مادتين مشعتين في الوقت المحدد: أ - متى

2. العنصر الأول طويل العمر ، والثاني قصير الأجل: الاعتماد في هذه الحالة له الشكل الموضح في الشكل. 31 ، ب. في البداية ، يزداد نشاط الدواء بسبب تراكم النوى B. ثم يأتي توازن مشع ، حيث تصبح نسبة عدد النوى A إلى عدد النوى B ثابتة. هذا النوع من التوازن يسمى الانتقالية. بعد مرور بعض الوقت ، تبدأ كلتا المادتين في الانخفاض مع معدل تسوس العنصر الأم.

3- يكون نصف عمر النظير الأول أكبر بكثير من النصف الثاني (تجدر الإشارة إلى أن نصف عمر بعض النظائر يقاس بملايين السنين). في هذه الحالة ، بمرور الوقت ، يتم إنشاء ما يسمى بالتوازن العلماني ، حيث يتناسب عدد نوى كل نظير مع نصف عمر هذا النظير. نسبة

نتيجة لجميع أنواع التحولات المشعة ، يتناقص تدريجيا عدد نوى النظير المعطى. يحدث الانخفاض في عدد نوى الانحلال بشكل كبير ويتم كتابته على النحو التالي:

ن \u003d ن 0 البريد –  تي , (10)

حيث N 0   هو عدد نوى النويدات المشعة في ذلك الوقت );  - ثابت التحلل ، والذي يختلف بالنسبة للنويدات المشعة المختلفة ؛ N- عدد نوى النويدات المشعة بعد الوقت تي. البريد- قاعدة اللوغاريتم الطبيعي (هـ \u003d 2713 ....). هذا هو القانون الأساسي للتسوس المشع.

اشتقاق الصيغة (10).يحدث التحلل الإشعاعي الطبيعي للنواة تلقائيًا دون أي تأثير خارجي. هذه العملية إحصائية ، وللبند الواحد ، يمكنك فقط الإشارة إلى احتمال التآكل في وقت معين. لذلك ، يمكن أن يتميز معدل الاضمحلال الوقت ر. فليكن هناك رقم Nذرات النويدات المشعة. ثم ، عدد الذرات المتحللة dNفي الوقت المناسب دينارابما يتناسب مع عدد الذرات Nوالوقت الفاصل دينارا:

تشير علامة الطرح إلى أن الرقم Nذرات المصدر تنخفض في الوقت المناسب. لقد ثبت تجريبياً أن خصائص النوى لا تتغير مع مرور الوقت. ويترتب على ذلك وجود قيمة ثابتة ويسمى ثابت الانحلال. يتبع من (11) أن l \u003d –dN / N \u003d const ، بالنسبة إلى dt \u003d 1 ، أي ثابت l يساوي احتمال انحلال النويدات المشعة الواحدة لكل وحدة زمنية.

في المعادلة (11) ، نقسم الجانبين الأيمن والأيسر على Nودمج:

dN / N \u003d -لدينارا(12)

(13)

ln N / N 0 \u003d - λt و N \u003d N 0 e - ،t ، (14)

حيث N 0   هو العدد الأولي لذرات الانحلال (N 0 عند t \u003d 0).

الصيغة (14) لها عيبان. لتحديد عدد نوى الانحلال ، من الضروري معرفة N 0. جهاز لتحديده غير موجود. العيب الثاني - على الرغم من تسوس مستمر λ متوفر في الجداول ، لكنه لا يحمل معلومات مباشرة عن معدل الاضمحلال.

للتخلص من الحجم λ يتم تقديم المفهوم نصف عمر T(يشار إليها أحيانًا في الأدب باسم T 1/2). عمر النصف هو الفترة الزمنية التي يتم خلالها تخفيض العدد الأولي للنوى المشعة بمقدار النصف ، وعدد نوى الانحلال في الوقت المناسب تيلا يزال ثابتا (const \u003d const).

في المعادلة (10) ، نقسم الجانبين الأيمن والأيسر على N, وتذكرنا:

N 0 / N \u003dالبريد  تي (15)

على افتراض ذلك N 0 / N = 2, في تي = تي, حصلنا قانون الجنسية2 =  تيمن اين:

قانون الجنسية2 = 0,693  = 0,693/ تي(16)

استبدال التعبير (16) في (10) نحصل عليه:

ن \u003d ن 0 البريد –0.693 طن / طن (17)

يوضح الرسم البياني (الشكل 2.) اعتماد عدد ذرات الانحلال على وقت الاضمحلال. من الناحية النظرية ، لا يمكن أبدًا دمج منحنى الأس مع محور الإحداثي ، لكن من الناحية العملية ، يمكن اعتبار أنه بعد حوالي نصف عمر يتراوح ما بين 10 إلى 20 عامًا ، تتحلل المادة المشعة تمامًا.

للتخلص من قيم NiN 0 ، استخدم الخاصية التالية لظاهرة النشاط الإشعاعي. هناك أجهزة تسجل كل تسوس. من الواضح ، أنه من الممكن تحديد عدد الانحطاط خلال فترة زمنية معينة. هذا ليس سوى معدل اضمحلال النويدات المشعة ، والذي يمكن تسميته بالنشاط: كلما زاد تحلل النوى في نفس الوقت ، زاد النشاط.

وهكذا، نشاطهي كمية مادية تميز عدد الانحطاط الإشعاعي لكل وحدة زمنية:

أ \u003ddN/ دينارا(18)

بناءً على تعريف النشاط ، يترتب على ذلك تحديد معدل التحولات النووية لكل وحدة زمنية. من ناحية أخرى ، يعتمد عدد التحولات النووية على ثابت التحلل ل. يمكن أن يظهر أن:

أ \u003d أ 0 البريد –0.693 طن / طن (19)

اشتقاق الصيغة (19).يميز نشاط النويدات المشعة عدد الانحطاط لكل وحدة زمنية (في الثانية) ويساوي الوقت المشتق من المعادلة (14):

A = د N /دينارا = لN 0 البريد –-  تي = لN (20)

وفقا لذلك ، فإن النشاط الأولي في الوقت المناسب ر \u003d 0يساوي:

A س = لN س (21)

استنادًا إلى المعادلة (20) ومع مراعاة (21) ، نحصل على:

أ \u003d أ س البريد –  تي  أو أ \u003d أ 0 البريد – 0,693 تي / تي (22)

يتم قبول وحدة النشاط في نظام SI 1 الاضمحلال / ثانية \u003d 1 بكريل(سميت باسم Becquerel تكريما للعالم الفرنسي (1852-1908 جم) ، الذي اكتشف في عام 1896 النشاط الإشعاعي الطبيعي لأملاح اليورانيوم). تُستخدم وحدات متعددة أيضًا: 1 \u200b\u200bGBq \u003d 10 9 Bq - gigabecquerel ، 1 MBq \u003d 10 6 Bq - megabecquerel ، 1 kBq \u003d 10 3 Bq - kilobecquerel

هناك وحدة خارج النظام كوري،الذي تم سحبه من الاستخدام وفقًا لـ GOST 8.417-81 و RD 50-454-84. ومع ذلك ، في الممارسة وفي الأدب يتم استخدامه. إلى 1Kuنشاط مقبول من 1 غرام من الراديوم.

1Ku \u003d 3.7 10 10   بيكريل. 1Bq \u003d 2.7 10 –11 كي(23)

كما أنها تستخدم وحدة متعددة من megakure 1Mki \u003d 110 6 Ci والكسور - millicure ، 1mCi \u003d 10–3 Ci؛ microcurie ، 1 μCi \u003d 10 –6 Ki.

يمكن أن تكون المواد المشعة في حالة مختلفة من التجميع ، بما في ذلك الهباء الجوي ، وعلقت في السائل أو في الهواء. لذلك ، في ممارسة قياس الجرعات ، غالبًا ما يتم استخدام قيمة النشاط الإشعاعي أو السطحي أو الحجمي أو تركيز المواد المشعة في الهواء والسائل والتربة.

يمكن كتابة النشاط النوعي والحجمي والسطحي ، على التوالي ، في الشكل:

A م   \u003d أ / م ؛ A الخامس   \u003d أ / ت ؛ A الصورة   \u003d أ / ث(24)

حيث: م- كتلة المادة ؛ الخامس- حجم المادة ؛ الصورة- مساحة السطح للمادة.

ومن الواضح أن:

A م = A/ م = A/ الصورةصح  \u003d أ الصورة / صح = A الخامس / ص(25)

حيث: ص- كثافة التربة ، المأخوذة في جمهورية بيلاروسيا تساوي 1000 كجم / م 3 ؛ ح- طبقة جذر التربة ، تؤخذ على قدم المساواة إلى 0.2 متر ؛ الصورة- منطقة العدوى المشعة ، م 2. ثم:

A م = 5  10 –3   A الصورة . A م = 10 –3 A الخامس (26)

A م  يمكن التعبير عنها بـ Bq / kg أو Ku / kg ؛ A الصورة  يمكن التعبير عنها بـ Bq / m 2 ، Ku / m 2 ، Ku / km 2 ؛ A الخامس  يمكن التعبير عنها بـ Bq / m 3 أو Ku / m 3.

في الممارسة العملية ، يمكن استخدام كل من وحدات القياس الموسع والكسور. على سبيل المثال: Ku / km 2 ، Bq / cm 2 ، Bq / g ، إلخ.

قدمت معايير السلامة من الإشعاع NRB-2000 بالإضافة إلى ذلك العديد من وحدات النشاط التي هي مريحة للاستخدام عند حل مشاكل السلامة من الإشعاع.

الحد الأدنى من النشاط المهم (MZA) - نشاط مصدر مفتوح للإشعاع المؤين في غرفة أو في مكان العمل ، وهو ما يتطلب الحصول على إذن من خدمة الصحة الوبائية التابعة لوزارة الصحة لاستخدام هذه المصادر ، إذا تم تجاوز قيمة الحد الأدنى المحدد من النشاط المعين.

نشاط الحد الأدنى محددة (MLAA) - النشاط المحدد لمصدر مفتوح للإشعاع المؤين في غرفة أو في مكان العمل ، وهو ما يتطلب الحصول على إذن من الخدمة الصحية الوبائية التابعة لوزارة الصحة لاستخدام هذا المصدر ، إذا تم تجاوز قيمة الحد الأدنى من النشاط الهام أيضًا.

نشاط التوازن المكافئ (EROA) منتجات ابنة من نظائر الرادون 222 آكانيوزو 220 آكانيوز- المبلغ المرجح للأنشطة الحجم لمنتجات ابنة قصيرة الأجل من نظائر الرادون - 218 بو (رع); 214 برميل (RAB); 212 برميل (THB); 212 الأنا (THC) على التوالي:

(إيفا) آكانيوز \u003d 0.10 أ رع + 0.52 أ RAB   + 0.38 أ RAC ;

(إيفا) ث = 0,91 A THB + 0.09 أ THC ,

حيث A  - النشاط الحجمي لمنتجات ابنة من نظائر الرادون والثوريوم.

النشاط الإشعاعي

الإشعاعات المؤينة

التعرض للإشعاع

الأرض تحت تأثير مستمر من تيار من الجسيمات السريعة والكمية من الإشعاع الكهرومغناطيسي الصلب قادمة من الفضاء. يسمى هذا الدفق بالأشعة الكونية. الأشعة الكونية تأتي من أعماق الكون ومن الشمس. يصل جزء من تدفق الأشعة الكونية إلى سطح الأرض ، ويتم امتصاص جزء منها عن طريق الغلاف الجوي ، مما يولد إشعاعات ثانوية ويؤدي إلى تكوين النويدات المشعة المختلفة. تفاعل الأشعة الكونية مع المادة يؤدي إلى تأينها.

يسمى تدفق الجسيمات أو كوانتا الكهرومغناطيسية ، والتي التفاعل مع الوسط يؤدي إلى تأين ذراته ، الإشعاعات المؤينة.

يمكن أن يكون للإشعاع المؤين أيضًا أصل دنيوي. على سبيل المثال ، تحدث أثناء التحلل الإشعاعي.

تم اكتشاف ظاهرة النشاط الإشعاعي عام 1896 على يد أ. بيكريل.

النشاط الإشعاعي - تتحول قدرة بعض النوى الذرية تلقائيًا (تلقائيًا) إلى نوى أخرى مع انبعاث جزيئات.

هناك نوعان من النشاط الإشعاعي:

طبيعي ، والذي يحدث في نوى طبيعية غير مستقرة ؛

اصطناعي ، والذي يوجد في نوى مشعة تتشكل نتيجة تفاعلات نووية مختلفة.

كلا النوعين من النشاط الإشعاعي لهما أنماط شائعة.

الاضمحلال الإشعاعي ظاهرة إحصائية. يمكن تثبيت احتمالاضمحلال نواة واحدة في فترة زمنية معينة. لفترات زمنية متساوية ، أجزاء متساوية من النقد (على سبيل المثال ، لم تتحلل بعد بداية هذه الفترة الزمنية) نواة لعنصر العناصر المشعة.

دع في وقت قصير ديناراينهار dNنوى. هذا الرقم يتناسب مع الفاصل الزمني. ديناراوالعدد الكلي للنواة المشعة N:

أين λ تسوس ثابتبما يتناسب مع احتمال تسوس النواة المشعة واعتمادًا على طبيعة العنصر ؛ تشير علامة "-" نقصانعدد النوى المشعة.

حل المعادلة التفاضلية (12.23) هو دالة أسية:

حيث N 0- عدد النوى المشعة في ذلك الوقت ر \u003d0 أ   N- عدد النوى غير المتحللة في الوقت الحالي ر.

الصيغة (12.24) تعبر عن قانون الاضمحلال الإشعاعي.

عدد النوى المشعةيقلل أضعافا مضاعفة مع مرور الوقت.

في الممارسة العملية ، بدلاً من الانحلال الثابت لـ A ، يستخدمون غالبًا كمية مختلفة تسمى نصف الحياة.

عمر النصف (T)هو الوقت الذي تنفجر فيه نصفنوى مشعة.

يمكن أن يكون عمر النصف كبيرًا جدًا أو قصيرًا جدًا. على سبيل المثال ، بالنسبة لليورانيوم تي \u003d4،5 · 10 9 سنوات ، والليثيوم تي لي \u003d0.89 ثانية

خصائص الاضمحلال تي  و λ مرتبطان بالعلاقة:

تتم كتابة قانون الاضمحلال الإشعاعي باستخدام عمر النصف على النحو التالي:

في التين. 12.7 يصور عمليات التحلل الإشعاعي لمادتين لهما عمر افتراضي مختلف.

التين. 12.7.انخفاض في عدد نواة المواد الأولية أثناء التحلل الإشعاعي

  § 15 جم. قانون الاضمحلال المشع

أدى ظهور عدادات التلألؤ "اليدوية" ، وخاصة عدادات جيجر - مولر ، والتي ساعدت على أتمتة عملية حساب الجسيمات (انظر الفقرة 15) ، إلى وصول علماء الفيزياء إلى استنتاج مهم.   يتميز أي نظير مشع بالتوهين التلقائي للنشاط الإشعاعي ، معبراً عنه بانخفاض عدد نوى الانحلال لكل وحدة زمنية.

أدى الرسم البياني لنشاط النظائر المشعة المختلفة العلماء إلى الاعتماد نفسه ، وأعرب وظيفة الأسية  (انظر الرسم البياني). يوضح المحور الأفقي وقت المراقبة ، ويبين المحور الرأسي عدد النوى غير المتحللة. يمكن أن يكون انحناء الخطوط مختلفًا ، لكن الوظيفة نفسها ، التي تعبر عن التبعيات الموضحة في الرسوم البيانية ، ظلت كما هي:

هذه الصيغة تعبر عن قانون الاضمحلال: يُعرَّف عدد النوى التي لا تتحلل بمرور الوقت على أنه ناتج الرقم الأولي للنوى بمقدار 2 إلى درجة مساوية لنسبة وقت المراقبة إلى فترة نصف العمر المأخوذة بعلامة سالبة.

كما اتضح خلال التجارب ، يمكن تمييز العديد من المواد المشعة بمختلف نصف الحياة  - الوقت الذي ينخفض \u200b\u200bفيه عدد النوى التي لا تزال غير متحللة إلى النصف  (انظر الجدول).

عمر النصف لبعض نظائر بعض العناصر الكيميائية. يتم إعطاء القيم لكل من النظائر الطبيعية والاصطناعية.

اليود 129	15 مليون سنة		الكربون 14	5.7 الف سنة
اليود 131	8 ايام		اليورانيوم 235	0.7 مليار سنة
اليود 135	7 ساعات		238	4.5 مليار سنة

عمر النصف هو كمية مادية مقبولة بشكل عام تميز معدل الانحلال الإشعاعي. العديد من التجارب تبين ذلك   حتى مع وجود ملاحظة طويلة جدًا لمادة مشعة ، يكون عمر النصف ثابتًا ، أي أنه لا يعتمد على عدد الذرات المتحللة بالفعل.  لذلك ، وجد قانون الانحلال الإشعاعي تطبيقًا في طريقة تحديد عمر الاكتشافات الأثرية والجيولوجية.

  طريقة تحليل الكربون المشع.  يعتبر الكربون عنصرًا كيميائيًا شائعًا جدًا على الأرض ، ويشمل نظائر الكربون 12 المستقرة والكربون 13 والنظير المشع بالكربون 14 ، الذي يبلغ عمر النصف له 5.7 ألف عام (انظر الجدول). الكائنات الحية ، المستهلكة للطعام ، تتراكم جميع النظائر الثلاثة في أنسجتها. بعد توقف حياة الكائن الحي ، يتوقف استهلاك الكربون ، ومع مرور الوقت يتناقص محتواه بشكل طبيعي بسبب التحلل الإشعاعي. نظرًا لتحلل الكربون 14 فقط ، على مدار قرون وآلاف السنين ، تتغير نسبة نظائر الكربون في بقايا الحفريات للكائنات الحية. بقياس هذه "النسبة الكربونية" ، يمكن للمرء الحكم على عمر الاكتشافات الأثرية.

تنطبق طريقة تحليل الكربون المشع على الصخور الجيولوجية ، وكذلك على الأدوات المنزلية الأحفورية ، ولكن بشرط ألا تنتهك نسبة النظائر في العينة أثناء وجودها ، على سبيل المثال ، عن طريق الحريق أو عن طريق مصدر إشعاع قوي. أدى عدم مراعاة هذه الأسباب فور اكتشاف هذه الطريقة إلى حدوث أخطاء لعدة قرون وآلاف السنين. اليوم ، تُستخدم "مقاييس المعايرة القديمة" لنظير الكربون 14 ، استنادًا إلى توزيعه في الأشجار طويلة العمر (على سبيل المثال ، في sequoia الألفية الأمريكية). يمكن حساب عمرهم بدقة شديدة - على حلقات الخشب السنوية.

كان الحد الأقصى لتطبيق طريقة تحليل الكربون المشع في بداية القرن الحادي والعشرين هو 60000 عام. يتم استخدام طريقة مماثلة لقياس عمر العينات الأقدم ، مثل الصخور أو النيازك ، ولكن بدلاً من الكربون ، يتم ملاحظة نظائر اليورانيوم أو العناصر الأخرى اعتمادًا على منشأ العينة قيد الدراسة.

تم تعطيل Javascript في متصفحك.
لإجراء العمليات الحسابية ، يجب عليك تمكين عناصر تحكم ActiveX!