Основы ядерной физики. Понятия ядерной медицины.

1. Общие сведения об атомных ядрах. Изотопы.

2. Искусственная радиоактивность

3. Природа радиоактивного излучения. Альфа-, бета- и гамм-лучи.

4. Законы радиоактивного распада.

5. Биологическое действие радиационного излучения на организм.

6. Радиоизотопная диагностика.

1. Все атомные ядра состоят из двух видов частиц: протонов и нейтронов. Протон имеет положительный заряд, равный заряду электрона ( Кл) и массу покоя m_p=1.673 кг. Нейтрон не имеет заряда, его масса несколько больше массы протона: кг.Массу ядер и элементарных частиц обычно выражают в атомных единицах массы (а.е.м.).За атомную единицу массы принята 1/12 массы изотопа углерода С¹², 1 а.е.м.=1, 66 кг

Заряд атомного ядра любого химического элемента, выраженный в элементарных зарядах, равен атомному номеру Z этого элемента, следовательно, число протонов N_p=Z.

Практически вся масса атома сосредоточена в ядре. Сумма масс протонов и нейтронов равна массовому числу атома в а.е.м.

N_p+N_n=A или Z+ N_n=A

Тогда число нейтронов в атомном ядре равно

N_n= A- Z

Атомные ядра химических элементов обозначаются символом , где Х-символ элемента, А-массовое число, Z-атомный номер.

Атомы, ядра которых состоят из одинакового числа протонов, но из различного числа нейтронов, называются изотопами. Все изотопы одного химического элемента имеют одинаковое строение электронных оболочек. Поэтому у изотопов данного элемента одинаковы, как химические свойства, так и те физические свойства, которые обусловлены главным образом структурой электронной оболочки. Физические свойства, обусловленные структурой ядра, заметно различаются.

Устойчивость атомных ядер обеспечивается краткодействующими ядерными силами притяжения. Ядерные силы исключительно велики: они значительно превышают кулоновские силы отталкивания, действующие между протонами, расположенными близко друг от друга. Ядерные силы проявляются на очень малых расстояниях ~10^-13см. При незначительном увеличении расстояния между нуклонами ядерные силы уменьшаются до нуля и кулоновские силы разъединяют протоны (разрушают ядро).

Самыми устойчивыми являются ядра легких элементов, состоящие из приблизительно одинакового числа протонов и нейтронов. У тяжелых элементов, ядра которых состоят из большого числа нуклонов, ядерные силы уже не обеспечивают устойчивости ядра. Такие ядра могут самопроизвольно распадаться, превращаясь в ядра легких элементов. Это явление носит название естественной радиоактивности.

2. Изучение естественной радиоактивности показало, что превращение одного химического элемента в другой обусловлено внутриядерными процессами, т.е. изменениями, происходящими внутри атомных ядер. В связи с этим были предприняты попытки искусственного превращения одних химических элементов в другие путем воздействия на атомные ядра. Первая ядерная реакция была осуществлена Э.Резерфордом в 1919г. Облучая - частицами азот, он получил изотоп кислорода и протон:

В 1932 г. Дж.Чедвик в одной из ядерных реакций открыл нейтрон:

Открытие нейтрона сыграло роль в атомной физике. Имея ту же массу, что и протон, но, не обладая электрическим зарядом, нейтрон легко проникал в атомном ядре, вызывая реакции.

3. По своему составу радиоактивное излучение является сложным: в него входят три различных вида излучения, получивших название -лучей, -лучей и -лучей.

-лучи представляют собой поток атомных ядер , называемых -частицами. Они отклоняются электрическим и магнитным полями. Они вылетают из ядер радиоактивных элементов со скоростями от 14000 до 20000км/с.

Путь, проходимый -частицей в веществе (до остановки), называется ее пробегом, или проникающей способностью, а число пар ионов, создаваемых -частицей на пробеге, называется ее ионизирующей способностью. Пробег -частицы в воздухе составляет 3-9см. -частицы полностью поглощаются, например, слоем алюминия толщиной 0, 06мм или слоем биологической ткани толщиной 0, 12мм.

-лучи отклоняются электрическим и магнитным полями; они представляют собой поток быстрых электронов, называемых -частицами. Масса их в 7350 раз меньше массы -частицы. Средняя скорость -частиц составляет около 160000км/с. Ионизирующая способность -частиц значительно меньше, а пробег во много раз больше, чем у -частиц. Пробег -частицы достигает в воздухе 40м, в алюминии-2см, в биологической ткани-6см.

-лучи представляют собой поток фотонов высокой частоты. По своим свойствам -лучи во многом подобны характеристическим рентгеновским лучам. Они не отклоняются электрическими и магнитными полями, распространяются со скоростью света. Но в отличие от рентгеновских лучей -лучи испускаются атомным ядром. Ионизирующая способность -лучей невелика. -лучи являются одним из самых проникающих излучений. Наиболее жесткие -лучи проходят через слой свинца толщиной 5см или через слой воздуха толщиной несколько сотен метров, тело человека они пронизывают насквозь.

4. Радиоактивное излучение ведет к превращению элементов. При испускании -частицы заряд ядра уменьшается на единицу, а масса практически не изменяется. При этом радиоактивный элемент превращается в другой элемент с атомным номером, на единицу большим и с тем же массовым числом. Иначе говоря, при -распаде элемент смещается в периодической таблице на один номер вправо без изменения массового числа. Символически это смещение записывается так:

При испускании -частицы заряд ядра уменьшается на 2 единицы, а массовое число на 4:

В соответствии с законом радиоактивного распада

,

Где N₀ –число атомов элемента в начальный момент времени, N-число атомов того же элемента, оставшихся по истечении времени t, - постоянная распада данного элемента.

Для характеристики быстроты распада радиоактивного элемента вводится понятие периода полураспада. Периодом полураспада Т называется время, в течение которого количество атомов исходного элемента уменьшается вдвое.

Величина , обратно пропорциональная постоянной распада, представляет собой среднее время жизни радиоактивного атома:

Число атомных распадов, совершающихся в радиоактивном элементе за 1 с, называется активностью этого элемента:

Энергия связи - это энергия, необходимая для полного расщепления ядра на отдельные нуклоны без сообщения им кинетической энергии.

Масса ядра М_я всегда меньше суммы масс составляющих его нуклонов, взятых в свободном состоянии (состояние покоя) на величину, называемую дефектом массы :

В соответствии с теорией относительности ,

Где с –скорость света, -энергия связи.

Для установления интенсивности радиоактивного образца и количества излучения, поглощенного объектом, используют две единицы: кюри(Ки) и Рад. 1 Ки радиоактивности соответствует 3, 7 распадов в секунду.

Коэффициент k, показывающий во сколько раз эффективность биологического действия данного вида излучения больше, чем рентгеновского или гамма-излучения, при одинаковой дозе излучения в тканях, является коэффициентом качества. Он устанавливается опытным путем.

Эквивалентной дозой излучения, характеризующей биологическое действие ионизирующего излучения, называют произведение H=Dk. Она измеряется в Бэрах.