Радиоактивность и виды радиоактивных превращений
 Скачать 43.13 Kb.
|
|
Практическая работа 1. Тема: «Радиоактивность и виды радиоактивных превращений» Цель занятия: изучить основные виды радиоактивных превращений. Метод: практическое занятие. Вид контроля: - устный опрос по контрольным вопросам; - контроль качества выполненных заданий. Время: 90 минут. 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ. Радиоэкология – это область экологии, изучающая закономерности распределения в окружающей среде естественных и искусственных радионуклидов, миграции их между компонентами экосистем, накоплению и распределению в живых организмах. Важнейшая составляющая современной радиоэкологии – определение уровней поступления радионуклидов в организм человека с оценкой риска последствий радиационного воздействия на здоровье. Радиоэкология сформировалась на основе достижений современной биологии, ядерной физики, экологии, геохимии, метеорологии. На современном этапе развития радиоэкологии главными задачами являются изучение источников и путей распространения радиоактивных изотопов в природной среде, процессов миграции в биогеоценозах и выяснения роли живых существ различных таксонометрических групп в круговороте радионуклидов, моделирование и прогнозирование распределения радиоактивных изотопов между компонентами экосистем, изучения вида и характера сочетаний ионизирующих факторов среды, влияющих на жизненные процессы биоты, обоснование и установление допустимых уровней радиоактивного загрязнения продукции биогеоценозов для ис-пользования человеком. Радиоактивность - способность ядер атомов одних элементов самопроизвольно превращаться в ядра других элементов, сопровождающаяся испусканием частиц или γ-квантов. Радиоактивным распадом называется процесс спонтанного превраще-ния атомных ядер в ядра других химических элементов с выделением энергии в виде излучения Радионуклид –изотоп химического элемента,характеризующий определенным массовым числом и зарядом, и обладающий свойством радиоактивности. Мы можем говорить также о радиоактивном изотопе. Радиоактивный элемент –химический элемент,все изотопы которого являются радиоактивными. Радиоактивные изотопы –совокупность радиоактивных изотоповхимического элемента. Активность -это количество ядерных превращений в единицу времени. Единица измерения – беккерель (Бк); 1 Бк = 1 распад в секунду. Внесистемная единица - кюри (Ки). 1 Ки = 3.7∙1010 Бк, 1 Бк = 2,7∙10-11 Ки. Значение активности прямо пропорционально количеству атомов N радиоактивного вещества:  (1)где λ – постоянная радиоактивного распада, сек-1. Снижение концентрации радионуклида во времени в результате распада подчиняется экспоненциальной зависимости:  (2)где Nt – количество атомов радиоактивного элемента оставшихся через время t после начала наблюдения; N0 – количество атомов в начальный момент времени (t=0); λ – постоянная радиоактивного распада. На рис. 1 представлена кривая радиоактивного распада. Описанные зависимости называются основным законом радиоактивного распада.  Рис. 1 - Кривая радиоактивного распада Время, за которое распадается половина от общего количества радионуклидов, называется периодом полураспада, Т½.Через один период полураспада из100атомов радионуклида остаются только 50 (рис. 1). За следующий такой же период из этих 50 атомов остаются лишь 25 и т.д. Если принять, что постоянная распада связана с периодом полураспада формулой:  (3)Тогда основной закон радиоактивного распада можно записать следующим образом:  (4)Исходя из этого соотношения активность Аt любого радиоактивного препарата по истечении времени t, где - Аt – активность препарата через время t; - A0 – активность препарата в начальный момент наблюдения; - Т1/2 – период полураспада. При этом, период полураспада (Т1/2) – это время, в течение которого самопроизвольно распадается половина радиоактивного вещества, независимо от его количества, при этом через время t оно убывает в 2 раза. Период полураспада измеряется в секундах, минутах, часах, сутках, годах. У каждого радиоактивного изотопа свой строго определенный и постоянный период полураспада, он может быть от тысячных долей секунды до миллиона лет, напр. Т1/2 235U =7,1·108 лет; 226Ra – 1620 лет; 131J– 8,1 дня; 24Na - 15 часов (Приложение 2). У одного и того же элемента могут быть изотопы с различными периодами полураспада (132J – 55 час; 125J - 60 дн.; 131J – 8,04 дн.). В зависимости от этого показателя все изотопы подразделяются на короткоживущие (Т1/2 от секунд до дней), долгоживущие (Т1/2 годы и тысячелетия). Скорость распада не зависит от места нахождения РВ, ее невозможно изменить никакими факторами. Чем короче период полураспада изотопа, тем выше его радиоактивность и наоборот. Например: Т1/2 235U = 7,1·108 лет, 1 г = 0,3 мкКи, 1 т = 1 Ки; Т1/2 226Rа = 1620 лет, 1 г = 1 Ки; Т1/2 131J = 8,1 дней, 1 г =103 Ки, 1 мкг = 1 Ки. С радиоактивностью связано понятие радиотоксичности, под которой понимается способность инкорпорированных (внедренных) в организм биологических объектов радиоактивных веществ вызывать тот или иной повреждающий биологический эффект. Самую высокую радиотоксичность при попадании внутрь организма будут иметь радиоизотопы с малым периодом полураспада. Высокой радиотоксичностью для животных и человека обладают 131J; 137Cs; 90Sr. Часто необходимо определить активность заданного количества любого радиоактивного вещества. Вспомним, что единица количества вещества – моль. Моль – это количество вещества, содержащее столько же атомов, сколько их содержится в 0,012 кг =12 г изотопа углерода 12С. В одном моле любого вещества содержится число Авогадро (NA) атомов: NA=6,02·1023атомов Для простых веществ (элементов) масса одного моля численно соответствует атомной массе А элемента. Например, для магния: 1 моль 24Mg = 24 г; для 226Ra: моль 226Ra = 226 г и т.д. С учётом сказанного в m граммов вещества будет N атомов:  (5)С учётом уравнений (1) и (5) R-активность (А) простого элемента будет:  (6)Пример: Подсчитаем активность 1 грамма 226Ra, у которого λ = 1,38·10-11 сек-1. A= 1,38 · 10-11·1/226·6,02·1023= 3,66·1010сек.-1 Если радиоактивный элемент входит в состав химического соединения, то при определении активности препарата необходимо учитывать его формулу. С учётом состава вещества определяется массовая доля x радионуклида в веществе, которая определяется соотношением:  (7)где mрн – атомная масса радионуклида в соединении; Aв – атомная масса вещества. На практике массу в граммах при известной активности (например, 1Ки) радионуклида определяют по формуле:  , (8)где m - масса в граммах; Ан - атомная масса радиоактивного вещества; Т1/2 - период полураспада; А - активность в кюри или беккерелях;  - константа, зависящая от единиц, в которых дан период полураспада и активность. Если период полураспада дан в секундах, то при активности в беккерелях константа (к) равна 2,4·10-24, при активности в кюри - 8,86·10-14. При этом необходимо учитывать, что если период полураспада дан в других единицах, то его переводят в секунды. Для примера подсчитаем массу 131J с периодом полураспада 8,05 дней, необходимую для создания активности в 1 кюри: m = 8,86·10-14 · 131 · (8,05 · 24 · 3600) · 1 = 0,000008 г. Для стронция-90 (90Sr) масса равна 0,0073 грамм, плутония-239 (239Pu) - 16,3 грамм, урана-238 (238U) - 3 тонн. Расчет активности в беккерелях или кюри радионуклида, при известной его массе, осуществляют по формуле:  , (9)Так, активность 32,6 г плутония-239 (239Pu) в кюри можно получить из следующего расчета:  Активность такого же количества 239Pu в беккерелях составит:  7,4·1010 Бк.2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ Задание 1. Измерение активности и количества атомов радиоактивных элементов в течение некоторого времени. Пример решения задач Условие: Активность А0 радиоактивного элемента 32Р в день наблюдения составляет 1000 Бк. Определить активность и количество атомов этого элемента через неделю. Период полураспада (Т½) 32Р составляет 14,3 дня. Решение: а) Определяем активность фосфора-32 (32Р) через 7 суток:  = 1000 · 2,72-0,34 = 712 Бкб) Рассчитываем количество атомов в образце:  ; = 
Ответ: Через неделю активность препарата 32Р составит 712 Бк, а число атомов радиоактивного изотопа 32Р будет равно 127,14·106 атомов. С помощью данных, приведенных в табл. 1, решить следующие 5 задач: Задача №1. Первого января 2021 года получен кобальт-60 в количестве 50 мКи. Определить, сколько этого радиоизотопа останется на 1 мая 2021 года, на 1 февраля 2022 года, на 1 января 2023 года. Задача №2. На сегодняшний день активность йода-131 составляет 5 мКи. Определить, сколько этого радиоизотопа останется через 4; 20 и 56 суток, а также, сколько его было 4, 20 и 56 суток тому назад. Задача №3. Имеется радиоизотоп бром-82, его активность 1000 Бк. Рассчитать, какова будет его активность через 90 часов, 6 суток и 12 суток. Задача №4. На 1 января активность йода-125 составляет 25 мКи. Вычислить, сколько этого радиоизотопа будет 1 апреля и 1 ноября данного года, а также сколько его было 6 месяцев и один год тому назад. Задача №5. Для лечения больных поступило радиоактивное золото А-198 в количестве 0,1 мКи. Сколько этого радиоизотопа останется через 26 часов, 4 суток и 8 суток. Таблица 1 - Периоды полураспада радиоизотопов
Задание 2. Расчет изменения активности и массы радионуклидов с разным периодом полураспада (по вариантам). Задача №1. Определить массу радионуклида X с периодом полураспада Т1/2, активностью 10 Ки и 1000 Бк. Таблица 2 – Варианты к задаче №1
Задача №2. Определить активность 1 г и 25 г радионуклида X с периодом полураспада Т1/2 Таблица 3 – Варианты к задаче №2
Задача №3. 1 г 226Ra имеет активность 1 Ки, какая масса радионуклида Х имеет такую же активность? (использовать данные таблицы 2 и 3) Задача №4. Поверхностная активность радионуклида X в почве составляет А Ки/км2. Определить через какое время активность снизиться в k раз. Таблица 4 – Варианты к задаче №4
Задача №5. Поверхностная активность радионуклида 137Cs в почве составляет А. Определить через какое время активность снизиться до 37 кБк/м2, соответствующего незагрязненной территории. Таблица 5 – Варианты к задаче №5
Контрольные вопросы 1. Дайте определение радиоактивности. 2. Что такое радиоактивный распад? 3. В чем разница между радиоактивным элементом, радионуклидом и радиоактивными изотопами? 4. Что такое активность радионуклида? 5. Как выражается закон радиоактивного распада? Что такое постоянная распада и период полураспада? 6. Какие виды радиоактивных превращений Вы знаете? 7. Назовите единицы радиоактивности и соотношение между ними в разных системах (СИ, СГС). 8. Дайте определение основному закону радиоактивного распада. Назовите короткоживущие и долгоживущие радионуклиды? 9. Какая существует связь между активностью и массой радионуклида? Напишите формулу. 10. Опишите и охарактеризуйте λ-распад. 11. Охарактеризуйте β-превращения. 12. Что такое γ-излучение? Охарактеризуйте его. 13. Что такое спонтанное деление тяжелых ядер? 14. Опишите К-захват. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
