ПӘндердің ОҚУ-Әдістемелік кешені
Радиоактивті түрленудің заңдары. Сәулеленудің затпен әрекеттесуі
жүктеу/скачать 1,11 Mb.
|
| Радиоактивті түрленудің заңдары. Сәулеленудің затпен әрекеттесуі
Дәріс сабақтың мазмұны: Радиоактивті ыдыраудың негізгі заңы. Радиоактивті ыдырау түрақтылығы және жартылай ыдырау периоды. Нейтрондардың затпен әрекеттесуі. Гамма-сәулелердің затпен әрекеттесуі. Радиоактивті ыдырау (ядролық айналымдар) әсерінен уақыт өткен сайын кез-келген радиоактивті изотоп мөлшері азаяды. Жай заттың айналуының негізгі заңы, уақыт бірлігінде айналған зат мөлшері, оның барлық мөлшеріне пропорциональды екенін көрсетеді. Ыдырау жылдамдығы ядроның құрылысымен анықталады. Сондықтан Бұл процесске атом ядросының күйін өзгертпей, ешқандай физикалық немесе химиялық әдістермен әсер етуге болмайды. Әрбір радиоактивті изотоп үшін, оның атомдарының орташа ыдырау жылдамдығы тұрақты, өзгермейді және тек қана берілген изотопқа ғана тән болады. Радиоактивті ыдырау процессі кезінде әрбір тұрақсыз ядро белгілі бір жылдамдықпен ыдырайды:  (1)
Мұндағы, At – радиоактивті ыдырау активтілігі деп аталады. Бұл жылдамдық берілген уақыттағы (t) ыдыраған ядролар санына (N) пропорционалды болады:  (2)
- уақыт бірлігіндегі ядроның ыдырау мүмкіндігін сипаттайтынМұндағы, радиоактивтілік ыдырау тұрақтысы. « - » таңбасы N< 0; t >, бір уақыт ішінде ядроның қанша үлесі ыдырайтындығын көрсетеді. Радиоактивтілік ыдырау тұрақтысы уақыттың кері бірлігімен өрнектеледі: с0 болғандықтан қойылады. Белгілі бір изотоп үшін, радиоактивтілік ыдырау тұрақтысы -1; мин-1 және т.б. Бұл радиоактивті ядролар мөлшерінің жоғарыламай, кемитіндігін көрсетеді. Ыдырау тұрақтысына кері шама, ядроның орташа өмір сүру уақыты деп аталады:  .
Радиоактивті ыдыраудың негізгі заңы, уақыт бірлігінде ядроның белгілі бір үлесі ғана ыдырайтындығын көрсетеді:  (3)
Бұл теңдеуді интегралдау арқылы келесі қатынас алынады:  (4)
Мұндағы, Nt - өткен уақыт (t) бойынша қалған радиоактивті атомдар саны; N0 – бастапқы уақыттағы t = 0 радиоактивті элементтер атомының саны; e = 2,718 натуралды логарифм негізі; - радиоактивті ыдырау тұрақтысы; t – уақыт. Бұл 4-ші қатынас радиоактивті ыдырау заңы деп аталады. Бұл формула бойынша берілген уақыт мезгіліндегі ыдырамаған радиоактивті атомдар санын есептеуге болады. Практикада элементтердің радиоактивті ыдырау жылдамдығын сипаттау үшін, ыдырау тұрақтысының орынына жартылай ыдырау периоды қолданылады. Алынған радиоактивті заттың жартысы ыдырауға кететін уақыттың мөлшерін жартылай ыдырау периоды деп атайды (Т1/2). Жартылай ыдыраудың бірінші периодында ядро изотопының бастапқы санының N0 ½ бөлігі ыдырайды да ½ N0 = 2-1 N0 ядролары қалады. Екінші периодында 2-1 N0 ядроларының тағы да жартысы ыдырап, ½ 2-1 N0 = 2-2 N0 ядролары қалады т.с.с. Осылай жартылай ыдыраудың n периоды өткеннен кейін, алғашқы изотоптан 2-n N0 ядролар қалады. Изотоптың ыдырамай қалған массасын (m) төмендегі формула арқылы өрнектеуге болады: 
мұндағы, m0 – алынған изотоптың бастапқы массасы. Мысалы. Қандайда бір радиоактивті изотоптың жартылай ыдырау периоды 3 сағ. тең. Егер изотоптың бастапқы массасы 200 г болса, 18 сағат өткеннен кейін, оның қанша массасы ыдырамай қалады ?. Шешуі. Радиоактивті изотопты сақтау уақыты кезінде қанша жартылай ыдырау периоды өтетінін анықтаймыз: 18 : 3 = 6 жартылай ыдырау периоды өтті. Сонда 18 сағат өткеннен кейін ыдырамай қалған изотоптың массасы мынаған тең: 
Жартылай ыдырау периоды мен ыдырау тұрақтысы арасындағы байланыс радиоактивті ыдырау заңы теңдеуінен қорытып шығарылады. Егер осы өрнектегі t = T0,5 және Nt = N0/2 қойсақ, онда жартылай ыдырау периоды (Т0,5) келесі өрнекпен анықталады:  (5)
бұл теңдікті N0-ге қысқартып және натурал логарифм табатын болсақ, келесі түрге көшеді:  (6)
Т = 0,693яғни, Бұдан  және  (7)
шамасы артқан сайын, ТБұл қатынастар ыдырау тұрақтысы және жартылай ыдырау периоды арасындағы қарама-қарсы тәуелділікті көрсетеді, яғни 0,5шамасы төмен болады немесе керісінше. -ны, оның шамасымен ауыстырғанда келесі қатынас алынады:Радиоактивті ыдырау заңы теңдеуіндегі  (8)
Осылай, экспоненциальды заң бойынша, радиоактивті изотоптың ядролар саны, уақыт өткен сайын азаяды. Радиоактивті ыдыраудың ерекшелегі, бір элемент ядросының барлығы бірден ыдырамай, әртүрлі уақыт аралықтарында біртіндеп ыдырауында. Әрбір ядроның ыдырау кезеңін алдын-ала болжау мүмкін емес. Сондықтан кез-келген радиоактивті элементтің ыдырауы статистикалық заңдылықтарға бағынады. Басқаша айтқанда ядролардың ыдырауы біркелкі болмайды. Олар біресе көп немесе аз мөлшерлерде ыдырайды. Әрбір радионуклид өзіне тән, 3. 10-7-нен 5. 1015 жыл аралығында болатын жартылай ыдырау периодына ие болады. Бұл болашақта белгілі бір уақытқа дейін өмір сүретін радионуклид активтілігінің шамасын есептеуге және алдын – ала болжауға мүмкіндік береді. Сонымен қатар ыдырайтын молекулалардың үлкен саны үшін, орташа өмір сүру шамасын анықтауға болады. Бұл шама барлық ядролардың өмір сүру қосындысымен анықталады. Осы кезде орташа өмір сүру уақыты мынаған тең болады:  (9)
Ядроның жартылай ыдырау периоды, оның орташа өмір сүру уақытынан ln2 сандық көбейткішпен ерекшеленеді. - және + - ыдырау жолдарымен ыдырайтын радиоизотоптардың басым көпшілігінің жартылай ыдырау периоды 10-нан 100 минутқа дейінгі уақытқа ие болады. - активті изотоптар үшін, 1 – 10 минут аралығында болады.Электронды іліп әкету жолымен ыдырайтын радиоизотоптар үшін жартылай ыдырау периоды 100 минут – 17 сағат аралығында, ал Радиоактивті ыдырауға температура және қысым әсер етеді, бірақ олар радиоактивті ыдырауды бағындыруда әлсіз қару болып табылады. Сонымен қатар радиоактивті ыдырауға күшті магнит және электр өрістерінің әсерін тексерген кезде, олардың ешқандай әсері байқалмайтындығы, яғни радиоактивті айналымдар тұрақты қарқындылықпен өтетіндігі анықталған. Осыдан кейінгі ғалымдардың зерттеу жұмыстарында, радиоактивтілікті 3500 м биіктікте өлшеуде, космос сәулелерін және барлық мүмкін болатын сәулелерді қолданған кезде де, ыдырау жылдамдығында ешқандай өзгерістер байқалмай, тұрақты күйінде қалатыны дәлелденген. Бұдан радиоактивті ыдыраулар қоршаған ортаның кез-келген әсеріне тәуелсіз болады деген қортынды жасауға болады. Басқаша айтқанда радиоактивті ыдырауларды реттеуге болмайды. Ядролық сәулелердің барлық түрлерін (альфа-, бета - бөлшектер, гамма-кванттар, нейтрондар және т.б.) байқау және тіркеу, қорғаныс материалдарын таңдау, сәулеленудің биологиялық әсерін бағалау, сәуленің затпен әрекеттсеуі кезінде туындайтын, әсерлерге негізделген. Бұл құбылыстардың принциптарын түсіну үшін, табиғаты жағынан әртүрлі сәулелердің затпен қалай әрекеттесетінін білу қажет. Зарядталған бөлшектердің затпен әрекеттесуі. Зарядталған бөлшектер затпен екі түрлі әрекеттеседі: бірінші жағдайда әрекеттескенге дейінгі бөлшектердің кинетикалық энергияларының жиынтығы, әрекеттесуден кейінгі бөлшектердің кинетикалық энергияларының жиынтығына тең болады. Бұндай әрекеттесу салдарынан тек бөлшектердің қозғаласының бағыты ғана өзгереді (3-сурет).  , мұндағы  және - әрекеттесуге дейінгі бөлшектердің кинетикалық энергиясы;  және - әрекеттесуден кейінгі бөлшектердің кинетикалық энергиясы.
3 сурет – Зарядталған бөлшектердің затпен әрекеттесу схемасы 1, 2 – зарядталған бөлшектер; А1, А2 – атомдар Екінші жағдайда – бөлшектердің кинетикалық энергияларының бір бөлігі атомдарды қоздыруға және ионизациялауға, ядроларды қоздыруға, ядролардың бөлінуіне немесе сәлелердің тежелуіне жұмсалады. Бұндай әрекеттесу кезінде, әрекеттесуге дейінгі бөлшектердің кинетикалық энергияларының қосындысы, әрекеттесуден кейінгі бөлшектердің кинетикалық энергияларының қосындысына атомдарды қоздыруға және ионизациялауға, ядроларды қоздыруға немесе сәулелрдің тежелуіне жұмсалған энергияны Е қосқанға тең: 
жүктеу/скачать 1,11 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|