Международный государственный экологический институт им.А.Д.Сахарова БГУ

05 Медицинская физика

Тема 2. Радиоактивность. Ядерные реакции
2020 – 2021 учебный

год

сосредоточена основная его масса (более 99,9 %).

относят атом.
Размеры ядер различных атомов составляют несколько фемтометров (1

фм = 10-15 м), что в более чем в 10 тысяч раз меньше размеров самого атома.

нейтральных нейтронов, которые связаны между собой при помощи сильных взаимодействий

(ядерных сил).

1836 раз превышает массу электрона.

2) Заряд: +1,6.10-19 Кл.
Нейтрон:
Масса

нейтрона чуть больше, чем масса протона, и примерно в 1839 раз превышает массу электрона.
Заряд равен 0.

протонов в ядре (зарядовым числом).
Ядро с данным числом протонов Z

может иметь разное число нейтронов N.
Конкретное ядро с данными Z, N называется нуклидом.
Массовым числом называется полное число нуклонов в ядре: A = Z + N.
Так как массы протонов и нейтронов очень близки (mn/mp = 1,0014), то масса ядра с большой точностью пропорциональна А.
Принятое обозначение для ядра химического элемента X:

одинаковыми А.
Изотоны - нуклиды с одинаковыми N.

внутри которого упакованы A нуклонов, то ясно, что объем такого

шарика растет пропорционально А.

R = R0A1/3, где R0 = 1,23·10-15 м

между нуклонами действуют силы особой природы, противодействующие электростатическому отталкиванию протонов

и сжимающие все нуклоны в малой области пространства.
Такие силы не могут иметь ни электростатическую природу (наоборот, эти силы должны сильно притягивать протоны), ни гравитационную природу (численно сила гравитационного притяжения слишком мала, чтобы воспрепятствовать значительному электростатическому отталкиванию).
Эти силы получили название ядерных сил, а порождающее эти силы взаимодействие называется сильным.

величине, независимо от того, действуют ли они между двумя протонами,

протоном и нейтроном или двумя нейтронами (зарядовая независимость ядерных сил).
2) Эти силы являются короткодействующими, т.е. обращаются в нуль, если расстояние между нуклонами превышает размер ядра.
3) Ядерные силы обладают свойством насыщения (т.е. каждый нуклон взаимодействует только с ближайшими соседними нуклонами).
4) Эти силы носят обменный характер, т.е. возникают в результате непрерывного обмена частицами, называемыми пи-мезонами, между нуклонами в ядре.
(«Мезос» (греч.) – «промежуточный»:
масса π-мезона больше массы электрона и меньше массы протона).

массы несколько отличаются, но все они примерно в 300 раз

больше массы электрона.

ядер является атомная единица массы (а.е.м.), определяемая как 1/12 массы

атома углерода 12С .
Измерения дают:
1 а.е.м. = 1,6605402·10-27 кг.

Дефект массы – разность между суммой масс покоя всех нуклонов

в свободном состоянии и массой ядра.

затратить для расщепления ядра на отдельные нуклоны, или энергии, выделяющейся

при синтезе ядер из нуклонов.
Мерой энергии связи ядра является дефект массы

нуклон.


Удельная энергия связи – мера устойчивости ядер.

среднем в пределах от 1 МэВ у лёгких ядер (дейтерий)

до 8,6 МэВ у ядер средней массы (с массовым числом А ≈ 100).
У тяжёлых ядер (А ≈ 200) удельная энергия связи нуклона меньше, чем у ядер средней массы, приблизительно на 1 МэВ, так что их превращение в ядра среднего веса (деление на 2 части) сопровождается выделением энергии в количестве около 1 МэВ на нуклон, или около 200 МэВ на ядро.

ядер (термоядерный синтез).

распад неустойчивых ядер с испусканием других ядер и элементарных частиц.
Характерным

признаком, отличающим ее от других видов ядерных превращений, является самопроизвольность (спонтанность) этого процесса.

другое ядро с испусканием альфа-частицы (ядра атома гелия).

таблицы Менделеева (то есть зарядовое число ядра Z уменьшается на

2, массовое число дочернего ядра А уменьшается на 4.

очень короткой длиной волны (менее 10-10 м).
Его источником являются

дочерние ядра, если они образуются не в основном, а в возбужденном состоянии.

электронный захват (e-захват).

радиоактивного изотопа от времени.
а) Дифференциальная форма:
-dN = λ N dt
Число

ядер, распавшихся за малый интервал времени, прямо пропорционально величине этого интервала dt и общему числу N радиоактивных ядер.

ядра в единицу времени и различная для разных радиоактивных изотопов.
Численно

равна относительной убыли числа радиоактивных ядер в единицу времени.

которая характеризует скорость распада:

A= -dN/dt
Она измеряется в беккерелях (1Бк = 1распад/с).
Внесистемной единицей измерения активности является кюри (1Ки = 3,7.1010 Бк).

с течением времени по экспоненциальному закону.

ровно половина радиоактивных атомов (N(T)=N0/2).
Постоянная распада и период полураспада связаны

между собой:

A0e-t
или через удельную активность:
at = a0e-t

случае сухого вещества) или единицы объема (в случае жидкости).

или

– это процесс взаимодействия атомного ядра с другим ядром или

элементарной частицей, сопровождающийся изменением состава и структуры ядра и выделением вторичных частиц или γ-квантов.
Ядерные реакции – несамопроизвольные процессы!

атомы азота α-частицами.
При соударении частиц происходила ядерная реакция, протекавшая

по следующей схеме:

аналогичен обычным хим. уравнениям, например:

Q (в МэВ).
Положительное значение Q соответствует выделению, а отрицательное

- поглощению энергии в ядерной реакции.

продукты реакции), а бомбардирующая и выбрасываемая (или выбрасываемые) более легкие

частицы пишут в скобках и разделяют запятой.
Указанная выше реакция записывается при этом как 13C( α, n)16O, а все реакции такого типа называют реакциями (α,n)-типа.

частицами количество произошедших ядерных реакций рассчитывается по формуле:

числу облучаемых ядер ( ) и

времени t.
Коэффициентом пропорциональности здесь является эффективное сечение ядерной реакции (σ).

сопоставимо с площадью поперечного сечения атомных ядер (ок. 10-28 м2).

Ранее использовалась внесистемная единица эффективного сечения - барн (1 барн = 10-28 м2).

пределах (от 10-49 до 10-22 м2).
Значение σ зависит от

природы бомбардирующей частицы, ее энергии, и, в особенно большой степени, от свойств облучаемого ядра.

результате их облучения элементарными частицами.