§ 24. Активність радіоактивної речовини. Застосування радіоактивних ізотопів

Чи можна дізнатися, яке саме ядро в певній радіоактивній речовині розпадеться першим? Яке буде наступним? Яке розпадеться останнім? Фізики стверджують, що дізнатися про це неможливо: розпад того чи іншого ядра радіонукліда — подія випадкова. Разом із тим поведінка радіоактивної речовини в цілому підлягає чітко визначеним закономірностям.

1. Дізнаємося про період піврозпаду

Якщо взяти закриту скляну колбу, що містить певну кількість Радону-220, то виявиться, що приблизно через 56 с кількість радону в колбі зменшиться вдвічі. Ще через 56 с із решти атомів знову залишиться половина і т. д. Отже, зрозуміло, чому інтервал часу 56 с був названий періодом піврозпаду Радону-220.

Період піврозпаду Т_1/2 — це фізична величина, що характеризує радіонуклід і дорівнює часу, протягом якого розпадається половина наявної кількості ядер даного радіонукліда.

Одиниця періоду піврозпаду в СІ — секунда:

У кожного радіонукліда — свій період піврозпаду (див. таблицю).

Радіонуклід

Період піврозпаду Т_1/2

• Зразок містить 6,4 • 10 20 атомів Йоду-131. Скільки атомів Йоду-131 буде в зразку через 32 доби?

2. Даємо означення активності радіоактивного джерела

• І Уран-238, і Радій-226 є α-радіоактивними (їхні ядра можуть спонтанно розпадатися на α-частинку і відповідне дочірне ядро). Якщо кількість атомів Урану-238 і Радію-226 є однаковою, з якого зразка за 1 с вилетить більше α-частинок?

Період піврозпаду деяких радіонуклідів

Сподіваємося, що ви правильно відповіли на подане запитання й, урахувавши, що періоди піврозпаду даних радіонуклідів відрізняються майже у 3 млн разів, визначили, що за той самий час у зразку радію відбудеться набагато більше α-розпадів, ніж у зразку урану.

Фізичну величину, яка чисельно дорівнює кількості розпадів, що відбуваються в певному радіоактивному джерелі за одиницю часу, називають активністю радіоактивного джерела.

Активність радіоактивного джерела позначають символом А. Одиниця активності в СІ — бекерель.

1 Бк — це активність такого радіоактивного джерела, в якому за 1 с відбувається 1 акт розпаду.

1 Бк — це дуже мала активність, тому використовують позасистемну одиницю активності — кюрі (Кі):

• На честь яких науковців названо зазначені одиниці? Які відкриття вони зробили?

Якщо зразок містить атоми лише одного радіонукліда, то активність цього зразка можна визначити за формулою:

Оскільки з плином часу в радіоактивному зразку кількість ядер радіонуклідів, що не розпалися, зменшується, то зменшується й активність зразка (рис. 24.1).

Рис. 24.1. Графік залежності активності Радію-226 від часу. Період піврозпаду Радію-226 — 1600 років

Історія відкриття штучних радіоактивних ізотопів

Перший штучний радіоактивний ізотоп ( 30 ₁₅Ρ) був отриманий на початку 1934 р. подружжям Фредеріком і Ірен Жоліо-Кюрі. Опромінюючи α-частинками алюміній, вони спостерігали випромінювання нейтронів, тобто відбувалася така ядерна реакція:

Італійський фізик Енріко Фермі уславив своє ім’я кількома видатними досягненнями. Однак свою найвищу нагороду — Нобелівську премію — учений одержав за відкриття штучної радіоактивності, спричиненої опромінюванням речовини повільними нейтронами. Зараз метод опромінювання нейтронами широко застосовують у промисловості для отримання радіоактивних ізотопів.

3. Дізнаємося про застосування радіоактивних ізотопів

Наявність у певному об’єкті радіонуклідів можна виявити за випромінюванням. Ви вже з’ясували, що активність випромінювання залежить від виду радіонукліда та його кількості, яка з часом зменшується. Все це покладено в основу використання радіоактивних ізотопів, які фізики навчилися отримувати штучно. Зараз для кожного хімічного елемента, що зустрічається в природі, отримано штучні радіоактивні ізотопи.

Можна визначити два напрями використання радіоактивних ізотопів.

1. Використання радіоактивних ізотопів як індикаторів. Радіоактивність є своєрідною міткою, за допомогою якої можна виявити наявність елемента, простежити за поведінкою елемента під час фізичних і біологічних процесів тощо (див., наприклад, рис. 24.2).

Рис. 24.2. Щоб з’ясувати, як рослини засвоюють фосфорні добрива, до цих добрив додають радіоактивний ізотоп Фосфору, а потім досліджують рослини на радіоактивність і виявляють кількість засвоєного фосфору

2. Використання радіоактивних ізотопів як джерел γ-випромінювання (див., наприклад, рис. 24.3).

Рис. 24.3. Використання γ-випромінювання для лікування онкозахворювань. Щоб γ-промені не знищували здорові клітини, використовують декілька слабких пучків γ-променів, які фокусуються на пухлині

Розглянемо кілька прикладів.

4. Застосовуємо радіоактивні ізотопи для діагностики захворювань

Організм людини має властивість накопичувати у своїх тканинах певні хімічні речовини. Відомо, наприклад, що щитоподібна залоза накопичує йод, кісткова тканина — фосфор, кальцій і стронцій, печінка — деякі барвники тощо. Швидкість накопичування речовин залежить від стану здоров’я органа. Наприклад, відомо, що активність щитоподібної залози різко зростає у випадку базедової хвороби.

За кількістю йоду в щитоподібній залозі зручно стежити за допомогою його γ-радіоактивного ізотопу. Хімічні властивості радіоактивного і стабільного йоду не відрізняються, тому радіоактивний Йод-131 буде накопичуватися так само, як і його стабільний ізотоп.

Якщо щитоподібна залоза в нормі, то через певний час після введення в організм Йоду-131 γ-випромінювання від нього матиме певну оптимальну інтенсивність. А от якщо щитоподібна залоза функціонує з відхиленням від норми, то інтенсивність γ-випромінювання буде аномально високою або, навпаки, низькою.

Аналогічний метод застосовують для досліджування обміну речовин в організмі, виявлення пухлин та ін.

Зрозуміло, що, використовуючи зазначені методи діагностики, необхідно ретельно дозувати кількість радіоактивного препарату, щоб внутрішнє опромінювання спричинило мінімальний негативний вплив на організм людини.

5. Визначаємо вік стародавніх предметів

В атмосфері Землі завжди є певна кількість β-радіоактивного Карбону 14 ₆С, який утворюється з Нітрогену внаслідок ядерної реакції з нейтронами. Цей ізотоп у складі вуглекислого газу (СО₂) поглинається рослинами, а через них — тваринами. Поки тварина або рослина живі, вміст радіоактивного Карбону в них залишається незмінним. Після припинення життєдіяльності організму кількість радіоактивного Карбону починає зменшуватися, зменшується й активність β-випромінювання. Знаючи, що період піврозпаду Карбону 14 ₆С становить 5700 років, можна визначити вік археологічних знахідок (рис. 24.4).

Рис. 24.4. Отриманий з молодого дерева 1 г вуглецю має активність 14-15 Бк (випромінює 14-15 β-частинок за секунду). Через 5700 років після загибелі дерева кількість β-розпадів за секунду зменшується удвічі

6. Застосовуємо γ-випромінювання в техніці

Особливе значення в техніці мають гамма-дефектоскопи, за допомогою яких перевіряють, наприклад, якість зварених з’єднань. Якщо майстер, приварюючи петлі до воріт, припустився браку, через деякий час петлі відваляться. Це, звісно, неприємно, але ситуацію можна виправити. А от якщо брак стався у зварюванні елементів конструкції моста або ядерного реактора, трагедія неминуча. Завдяки тому що γ-промені по-різному поглинаються масивною сталлю і сталлю з порожнинами, гамма-дефектоскоп «бачить» тріщини всередині металу, а отже, виявляє брак ще на стадії виготовлення конструкції.

7. Знищуємо мікробів за допомогою радіації

Відомо, що певна доза опромінення вбиває організми. Але ж не всі вони корисні для людини. Так, медики невпинно працюють над тим, щоб позбутися хвороботворних мікробів. Згадайте: в лікарнях миють підлогу спеціальними розчинами, опромінюють приміщення ультрафіолетом, обробляють медичний інструмент і т. д. Такі процедури називають дезінфекцією та стерилізацією.

Поставити процес стерилізації на промислову основу дозволили особливості γ-випромінювання (рис. 24.5). Така стерилізація здійснюється у спеціально створених установках із надійним захистом від проникаючої радіації. Як джерело γ-променів використовують штучно створені ізотопи Кобальту ( 60 ₂₇Со) і Цезію ( 137 ₅₅Cs).

Рис. 24.5. Найбільш поширену медичну продукцію: шприци, системи переливання крові тощо — перед відправленням споживачеві ретельно стерилізують із використанням γ-випромінювання

8. Учимося розв’язувати задачі

Задача. Визначте масу Радію-226, якщо його активність становить 5 Кі. Стала радіоактивного розпаду Радію-226 дорівнює 1,37 • 10 -11 с -1 .

Аналіз фізичної проблеми, пошук математичної моделі

Для розв’язання задачі скористаємося формулою для визначення активності: Α = λΝ. Знаючи активність, визначимо кількість N атомів Радію. Масу речовини можна визначити, якщо кількість атомів помножити на масу одного атома: m = N • m₀.

Підбиваємо підсумки

Час, протягом якого розпадається половина наявної кількості ядер даного радіонукліда, називають періодом піврозпаду Т_1/2. Період піврозпаду є характеристикою радіонукліда.

Фізичну величину, яка чисельно дорівнює кількості розпадів, що відбуваються в певному радіоактивному джерелі за одиницю часу, називають активністю радіоактивного джерела. Якщо джерело містить атоми тільки одного радіонукліда, активність А джерела можна визначити за формулою: Α = λΝ, де N — кількість атомів радіонукліда в зразку; λ — стала радіоактивного розпаду радіонукліда. Одиниця активності в СІ — бекерель (Бк).

Із часом активність радіонуклідів зменшується, і цю властивість застосовують для визначення віку археологічних знахідок. Штучно створені ізотопи використовують для стерилізації одноразових медичних виробів, діагностики та лікування захворювань, виявлення дефектів у металах та ін.

Контрольні запитання

Дайте означення періоду піврозпаду. Що характеризує ця фізична величина? 2. Що таке активність радіоактивного джерела? 3. Яка одиниця активності в СІ? 4. Як активність радіонукліда пов’язана зі сталою його розпаду? 5. Чи змінюється з часом активність радіонукліда? Якщо змінюється, то чому і як? 6. Наведіть приклади використання радіоактивних ізотопів.

1. Є однакова кількість ядер Йоду-131, Радону-220 і Урану-235. Який радіонуклід має найбільший період піврозпаду? Активність якого радіонукліда на даний момент часу є найбільшою? Обґрунтуйте свою відповідь.

2. У зразку міститься 2 • 10 20 атомів Йоду-131. Визначте, скільки ядер Йоду розпадеться в зразку протягом години. Активність Йоду-31 протягом цього часу вважайте незмінною. Стала радіоактивного розпаду Йоду-131 дорівнює 9,98 • 10 – 7 с -1 .

3. Період піврозпаду радіоактивного Карбону-14 становіть 5700 років. У скільки разів зменшилася кількість атомів Карбону-14 у сосні, яку зрубали 17 100 років тому?

4. Визначте період піврозпаду радіонукліда, якщо за інтервал часу 1,2 с кількість ядер, що розпалися, складає 75 % їхньої початкової кількості.

5. На даний момент часу в радіоактивному зразку міститься 0,05 моль Радону-220. Визначте активність Радону-220 у цьому зразку.

6. На сьогодні одними з найбільш значущих є дослідження обміну речовин в організмі людини за допомогою радіоактивних ізотопів. Зокрема, виявлено, що за порівняно невеликий час організм майже повністю відновлюється. Скористайтеся додатковими джерелами інформації та дізнайтеся про ці дослідження більше.

Фізика і техніка в Україні

Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» (ННЦ ХФТІ) — всесвітньо відомий науковий центр у галузі фізичних наук. Установу створено в 1928 р. за ініціативою академіка А. Ф. Йоффе як Український фізико-технічний інститут із метою досліджень у галузі ядерної фізики та фізики твердого тіла.

Уже в 1932 р. в інституті було отримано видатний результат — здійснено розщеплення ядра атома Літію. Пізніше в лабораторних умовах отримано рідкі водень і гелій, збудовано перший трикоординатний радіолокатор, проведено перші дослідження високовакуумної техніки, що дало поштовх розвиткові нового фізико-технологічного напряму — вакуумної металургії. У повоєнні часи вчені інституту відігравали вагому роль у вирішенні проблем використання атомної енергії.

У різні роки в ННЦ ХФТІ працювали видатні фізики: І. В. Обреімов, Л. Д. Ландау, І. В. Курчатов, К. Д. Синельников, Л. В. Шубников, О. І. Лейпунський, Є. М. Ліфшиць, I. M. Ліфшиць, А. К. Вальтер, Б. Г. Лазарєв, Д. Д. Іваненко, А. І. Ахієзер, В. Є. Іванов, Я. Б. Файнберг, Д. В. Волков та ін. Наукові школи, створені в інституті, відомі в усьому світі.

У ННЦ ХФТІ розташований найпотужніший у СНД лінійний прискорювач електронів, а також сукупність термоядерних комплексів «Ураган».

Генеральний директор центру — відомий український фізик, академік НАНУ Микола Федорович Шульга.

§ 25. Ізотопи. Використання ізотопів

Ізотопи. Таку назву вчені присвоїли атомам, що займають у таблиці Менделєєва одне й те саме місце, але відрізняються між собою атомною масою. Адже в перекладі з грецької isos означає «однаковий», a topos – «місце».

Ізотопи — це різновиди атомів хімічних елементів, ядра яких містять однакову кількість протонів і неоднакове число нейтронів.

Наприклад, елемент Гідроген має три ізотопи: Протій – 1 ₁Н, Дейтерій – 2 ₁Н і Тритій – 3 ₁Н (мал. 247, а).

Ядро Протію складається з єдиного протона, Дейтерій має два протони, а Тритій – два нейтрони. Природний елемент Оксиген має три ізотопи: 16 ₈О, 17 ₈О, 18 ₈О (мал. 247, б). Найпоширенішим у природі є ізотоп кисню 16 ₈О, частка якого становить 99,759 %.

Фізико-хімічні властивості ізотопів майже тотожні, тому що вони визначаються будовою електронної оболонки атомів, а в атомах ізотопів електронна оболонка однакова. Проте, використовуючи деякі відмінності у властивостях ізотопів, учені навчилися відокремлювати один ізотоп від іншого, збагачувати хімічний елемент тим або іншим ізотопом. Усі елементи періодичної системи елементів мають ізотопи – стабільні чи радіоактивні, природні чи одержані штучно. Ученим відомий ізотопний склад усіх природних елементів.

Радіоактивні ізотопи широко застосовуються в різних галузях науки, техніки і виробництва. За своїми хімічними властивостями радіоактивний ізотоп нічим не відрізняється від основного ізотопа хімічного елемента. Тому, спостерігаючи за рухом ізотопів, можемо точно дослідити, як поводить себе хімічний елемент у різних процесах.

За допомогою ізотопів контролюють металургійні процеси, стежать за станом доменних і мартенівських печей. Так, застосовуючи радіоактивний фосфор, можна швидко дізнатися під час плавлення, чи повністю очистився метал від фосфору – однієї з найшкідливіших домішок. Раніше хімічний аналіз на вміст фосфору тривав близько 30 хв і весь час метал понад норму витримувався в мартенівській печі, знижуючи її продуктивність.

За допомогою ізотопів ступінь очищення металу визначають дуже швидко. Для цього потрібно лише виміряти радіоактивність шлаку, у який перейшов фосфор. Отже, час плавлення значно скорочується. Щоб дізнатися про ступінь зношення домни, у її стінку на певну глибину вміщують невелику кількість радіоактивного ізотопу. Після того як домна почала працювати, проби металу з кожної плавки перевіряють на радіоактивність. Наявність радіоактивних атомів у чавуні є ознакою зношення домни. Отже, не потрібно переривати роботу печі щоб перевірити стан стінок домни, достатньо лабораторного контролю.

Добре відомо, як змінюються властивості заліза залежно від вмісту в ньому вуглецю. Адже залізо, сталь і чавун відрізняються лише вмістом останнього. Хімічний метод визначення процентного вмісту вуглецю в залізі довгий і копіткий. Замість нього пробу заліза опромінюють швидкими протонами. При цьому вуглець перетворюється на радіоактивний азот. За радіоактивністю азоту і визначають уміст вуглецю.

Методом радіоактивних ізотопів досліджують також швидкість зношення підшипників. Мідні деталі підшипника опромінюють нейтронами, при цьому атоми Купруму стають радіоактивними.

Під час роботи підшипника внаслідок зношення вкладки частинки міді, а значить і її радіоактивні атоми, переходять у мастило. Вимірюючи радіоактивність мастила, швидко і точно визначають ступінь зношення підшипника. Радіоізотопи, уведені в хімічні сполуки, є могутнім засобом у руках хіміків для вивчення і вдосконалення технологічних процесів на хімічних заводах, а також для контролю хімічних процесів без зупинки, дистанційно, без втручання в діючий технологічний процес. Такий метод не лише спрощує розв’язання різних технологічних завдань, скорочує потрібний для цього час і кошти. Інколи він є єдиним, за допомогою якого можна встановити оптимальні параметри технологічного процесу, а також розробити досконалу хімічну апаратуру.

Широко застосовують радіоактивні ізотопи та ізомери в сільському господарстві, інших галузях. За допомогою мічених атомів вивчають кругообіг кальцію і фосфору в природі для поліпшення умов використання штучних добрив. Додаючи до пилку рослин радіоактивний фосфор, калійні солі, вивчають процес їхнього опилення. Ізотопи дають змогу простежити міграцію шкідників.

Додаючи до їжі ізотопи, учені встановили, що майже всі речовини, які входять до складу нашого тіла, весь час оновлюються. Найшвидше оновлюються жири. Радіоактивні атоми дали змогу визначити час життя білка в різних тканинах і органах, швидкість кровообігу тощо. Вони дають змогу вивчати процеси, що протікають у головному мозку.

За допомогою радіоактивних препаратів можна діагностувати хвороби. Наприклад, за допомогою радіоактивного йоду досліджують функцію щитовидної залози, за допомогою радіофосфору вивчають процес і місце утворення пухлин у мозку. Хвора людина приймає препарат, який концентрується у клітинах пухлин, а їх легко визначити за допомогою реєструючого пристрою (мал. 248 – γ-опромінення пацієнта з лікувальною метою; джерелом γ-променів є ізотоп 60 ₂₇Со).

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО