Една тема от Pomagalo [Архив]

detelina101

05-31-2009, 09:30

Радиоактивност. Радиоактивни лъчи и тяхното приложение

Явлението "радиоактивност" се изучава по целия свят: Пиер и Мария Кюри във Франция, Ръдърфорд в Канада, Соди, Крукс, Рамзи в Англия, Фаянс, Хан и Майтнер в Германия, Болтууд в Америка, Антонов и Петров в Русия...и т.н Но като баща на това откритие се смята Анри Бекерел, който през 1896 г. решава да направи следният експеримент: Да се вземе фотоплака, да се завие с черна хартия, да се постави върху нея минералът -кристали на уранова сол, всичко да се изнесе на слънчева светлина и след известно време да се прояви фотоплаката. Ако X-лъчите наистина възникват в процеса флуоресценция на минерала, те ще осветят фотоплаката, тъй като черната хартия не е преграда за тях. Но времето се разваля и цяла седмица е облачно. Той няма какво да прави с подготвените за опита фотоплаки и лежащите върху тях кристали уранова сол и за три дни ги оставя на тъмно в бюрото. По някаква причина решава да прояви тези фотоплаки . На тях вижда ясни отпечатъци от кристалите на урановата сол. На 23 ноември 1896г. Бекерел докладва за резултатите от своите изследвания във Френската академия на науките. Така е открито забележителното природно явление - естествена радиоактивност , което по-късно Мария Сколодовска-Кюри и нейният съпруг Пиер Кюри ще нарекат радиоактивност. През 1898 г. те откриват, че уранът, след като излъчва енергия, се превръща в други елементи, един от които наричат полоний в чест на родината на Мария, а друг - радий (лъчист). Мария Кюри започва изследването на способността на “урановите лъчи” да йонизират въздуха. За целта тя използва чувствителен електрометър който и дава възможност на само да констатира присъствието на лъчението, но и да измерва неговата интензивност. През 1900г. Ръдърфорд и Соди достигат до извода, че радиоактивността не е нищо друго, освен разпадане на атома до заредена частица (радиоактивно излъчване) и атом на друг елемент, който по химични свойства се различава от изходния. Или ако трябва да се даде определение на явлението радиоактивност, то би звучало така: Спонтанното разпадане на нестабилни атомни ядра, което се съпровожда от изпускане на елементарни частици или атомни ядра се нарича радиоактивност. Отново Ръдърфорд установява , че разпадането на радиоактивните елементи става с определена скорост. По негово предложение е прието тази скорост да се характеризира с период на полуразпад, т.е времето, за което се разпада половината от изходното количество атоми на радиоактивния елемент.
Радиоактивните вещества се състоят от голям брой еднакви нестабилни ядра. Разпадането на дадено ядро не зависи от външни признаци и е случаен процес. Опитно е доказано, че всеки радиоактивен елемент има специфичен период на полуразпад, в който се разпадат половината от наличните ядра. Например торий-232 има период на полуразпад от 14 милиона години, а въглерод-14 през 5730 години. Тези свойства се използват за датиране на археологически находки и скални пластове. Зависимоста на броя на неразпадналите се ядра от времето изразява Закона за радиоактивния разпад:

Периодът на полуразпад варира от части от секундата до хиляди и милиони години. Всеки атомен разпад се съпровожда от излъчването на високоенергийни вълни или частици. Това излъчване се нарича йонизираща радиация. Радиоактивността се измерва по броя на разпаданията за една секунда. Единицата за радиоактивност се нарича бекерел (Bq) и отговаря на едно разпадане за секунда. Общоприетият символ за радиоактивност и йонизираща радиация, е оранжевият трилистник.
При радиоактивното разпадане се излъчват три вида лъчи - алфа, бета и гама. Алфа лъчите представляват поток от хелиеви ядра, бета лъчите са снопове електрони, а гама лъчите представляват електромагнитни вълни с голяма честота.

Тези лъчения са невидими за човешкото око, но могат да се разделят и регистрират по определен начин. Например със следващата опитна постановка:

Тук е показано едно радиоактивно вещество, излъчващо и трите вида лъчение (например радий, Ra). То е поставено на дъното на оловен контейнер, поглъщащ радиоактивните лъчи, така че те могат да се разпространяват само в едно направление - към магнита. В магнитното поле снопът се разделя на три части: две от тях се отклоняват в противоположни посоки, а третата не променя посоката си. От тук могат да се направят изводите, че снопът, който не се отклонява е електронеутрален (гама лъчи). Наляво се отклоняват частиците с отрицателен заряд (бета лъчи), а надясно - тези с положителен заряд (алфа частици). Алфа частиците се състоят от два протона и два неутрона - двойно зареден хелиев йон - и могат да се излъчват само то ядрото на атома. В елeктрични и магнитни полета те се отклоняват по слабо поради относително голямата си маса. Техният зарядът (+2е) е причина да йонизират средата, в която се движат. Поради това те бързо губят енергията си, спират , захващат два електрона и се превръщат в хелиеви атоми. Отделянето на алфа частица води до промяна на ядрото и образуването на нов химичен елемент с два неутрона и два протона по-малко. Отделянето на бета частица води до трансформация на неутрон в протон, променяйки заряда и атомното число на елемента. Гама радиацията е без заряд и маса, затова отделянето й води само до загубата на определено количество енергия от ядрото. Отделянето само на гама лъчи се появява, когато изотоп съществува в две различни форми, наречени изомери, които се различават само по своята енергия. Алфа лъчите проникват само няколко хилядни от сантиметъра в алуминиево фолио и трудно проникват през лист хартия. Бета частиците са около сто пъти по-проникващи. Те могат да изминат до няколко милиметра в алуминий , а във въздух до 1m, а за защита от гама лъчите, които са подобни на рентгеновите лъчи, е необходима оловна преграда с дебелина няколко сантиметра. Всички частици се отделят с определена скорост. Повечето алфа частици се отделят с еднаква скорост и постепенно спират при преминаването си през материята. Бета частиците се отделят с по-голяма скорост, която е близка до скоростта на светлината и поради това имат по-голяма проникваща способност. Те обаче имат различни начални скорости и хим. елементи могат да се характеризират по максималната и средната им скорост. Гама лъчите се получават при и разпад ,защото новополучените ядра са във възбудено састояние и преминават в основно състояние чрез излъчване на електромагнитни вълни - гама - кванти. Тяхната дължина на вълна е от 10-10m до 10-13m. Поради голямата енергия на гама -квантите нараства тяхната проникваща способност - олово с дебелина 1,6 cm или въздушен слой с дебелина 100 до 300 m намаляват интензитета им само два пъти. В табл. 1 са показани основните характеристики на отделните видове радиоактивни лъчи:
Табл.1
ВИД НА ЛЪЧИТЕ ЗАРЯД ЙОНИЗИРАЩО
ДЕЙСТВИЕ ПРОНИКВАЩА
СПОСОБНОСТ СКОРОСТ

+ 2 q СИЛНО МАЛКА 20 000 m/s

- 1 q ПО - СЛАБО ПО - ГОЛЯМА 3.108 m/s

0 СЛАБО ГОЛЯМА 3.108 m/s

Приложението на радиоактивните лъчи може да се разгледат в две направления: приложение на действието на радиоактивните лъчи върху обекти и приложения, при които се получават ценни сведения от веществата, които ги излъчват. Радиоактивните лъчения оказват разнообразни въздействия на обектите, върху които попадат. Например при облъчване с гама-лъчи се променят някои физични свойства на металите и това се използва за повишаване твърдостта на металорежещите инструменти. Много по-силно е въздействието на радиоактивните лъчи върху биологични обекти. В редица случаи то изменя генната структура на клетките. Така се получават различни сортове пшеница, фасул, царевица и други култури и нови породи домашни животни. Факт е също, че интензивните лъчения умъртвяват клетките на живите организми и това се прилга за стерилизиране на хранителни, фармацевтични и др. продукти.

Радиоактивните лъчения носят ценна информация преди всичко за веществата, които ги излъчват. На следващата фигура е показано как тази информация може да се използва в минно-геоложките проучвания за намиране на полезни изкопаеми. За целта в сондата се спускат радиоактивен източник на бързи неутрони. Попадайки в ядрата на атомите, които изграждат околните скали, тези неутрони предизвикват изкуствено радиоактивно разпадане, което се регистрира. По вида на лъченията може да се получат качествени и количествени сведения за съдържанието на различните елементи в пробите от сондажът на земните недра.

Друго интересно приложение е за определяне на възрастта на древни археологични находки от биологичен произход. Методът на радиоактивния въглерод, при който се използва факта, че в атмосферата на Земята под влияние на космичните лъчи се образува радиоактивния изотоп на въглерода 146C . За него е характерен период на полуразпадане 5700 г. При обмяната на веществата той попада в растенията, а чрез тях и в животните. По този начин във всеки жив организъм има радиоактивни въглеродни атоми. След смъртта на организма повече не попадат радиоактивни атоми, а наличните постепенно се разпадат, поради което намалява интензитетът на гама-лъченията. Като се определи интензитета и се приложи законът за радиоактивното разпадане, се намира възрастта на древни мумии, тъкани, останки от дървета и др.