 |
Единицы физических величин и их размерность
|
|
|
|
Единицы физических величин и их размерность
Наименование Обозначения: Размерность:
измеряемых величин: " СГС" " СИ"
путь (расстояние) l сантиметр (см) метр (м)
масса М грамм (г) килограмм (кг)
скорость V см \ мин м \ с
ускорение W см \ мин2 м \ с2
сила f г × см \ мин2 кг × м \ с2
Дина (дин) Ньютон (н)
энергия Е г × см2 \ мин2 кг × м2 \ с2
Эрг Джоуль (Дж)
С понятием сила (f) связано и такое понятие, как электрический заряд (количество электричества) - заряд, который с равным ему в пустоте на расстоянии в 1 см взаимодействует силой в одну Дину (4, 8 × 10-10 эл. ст. ед. или 1, 6 × 10-19 Кл).
электрический J электро статические Кулон (Кл)
заряд единицы (эл. ст. ед)
1, 0 = 3, 33562× 10-10 Кл
В ядерной физике наряду с обычными единицами измерения энергии (эрг, Джоуль) применяется и особая единица, которой условились измерять энергию ядерных частиц - электрон-вольт (эВ). Если электрон пробегает разницу потенциалов в один вольт, не претерпевая на пути никаких потерь энергии, то он приобретает кинетическую энергию равную 1, 6× 10-12 Эрг или 1, 6× 10-19 Дж.
|
|
|
Таким образом, один электрон-вольт равен кинетической энергии, приобретаемой частицей с зарядом в 1 элементарную электрическую единицу (4, 8 × 10-10 эл. ст. ед. ) под действием, ускоряющего ее движение электрического поля, с разностью потенциалов в один вольт. Соотношения этой и других единиц измерения энергии будут следующими:
1 эВ = 1, 6× 10-12 Эрг. = 1, 6× 10-19 Дж. = 3, 83× 10-20 калории.
В электрон-вольтах оценивают энергию не только заряженных, но и нейтральных частиц и, в частности, фотонов рентгеновского и гамма-излучений. Так энергия фотонов света имеет величину порядка 1 эВ, энергия квантов рентгеновского излучения в 1 000 - 1 000 000 раз больше.
При описании ядерных явлений используют кратные значения единицы: кило электрон-вольт (кэВ), мега электрон-вольт (МэВ). Энергия большинства квантов и заряженных частиц, испускаемых в ходе радиоактивных превращениях составляет от 10 кэВ до 1, 5 МэВ.
" Коль что-то учишь - вникни в суть, коль делаешь - окончи дело,
Ведь полузрелое ничуть того не лучше, что незрело... "
РАДИОАКТИВНОСТЬ. Разновидность внутриядерных процессов, возникающих под влиянием избыточных энергий в ядрах, находящихся в возбужденном состоянии. При этом носителем избыточной энергии может быть любой нуклон. Процесс, представляющий собой переход ядер атомов из возбужденного состояния в основное, длящийся по времени - больше времени существования компаунд-ядер (более 10-12 секунды).
Ядра, находящиеся в возбужденном состоянии дольше чем 10-12 секунды), условно называются - радиоактивными ядрами, а сам процесс их освобождения от избыточных энергий - процессом радиоактивного распада. В отличие от ядерных реакций - процессов освобождения от избыточных энергий, так называемых, « временно возбужденных ядер » (компаунд-ядер).
|
|
|
Необходимость выделения ядерных реакций в особую группу превращений обусловлена следующими факторами:
- очень велик и многообразен набор вариантов превращений испытываемых компаунд-ядрами (особенно для больших энергий возбуждения), что существенно затрудняет их применение в практической деятельности;
- теряет всякий смысл классификация радиоактивных превращений по виду испускаемых излучений;
- очень короткий период их жизни.
РАДИОАКТИВНОЕ ВЕЩЕСТВО. Вещество, имеющее в своем составе природные или искусственные радиоактивные ядра атомов (радионуклиды), называют - радиоактивным.
ОСНОВНОЙ ЗАКОН РАДИОАКТИВНОГО РАСПАДА. По прошествии времени, количество активных атомов в радиоактивном веществе постепенно снижается (как следствие происходящих в нем радиоактивных превращений). Изменение численности активных атомов во времени - общее свойство для всех разновидностей внутриядерных превращений, подчиняющееся закону, получившему название - основной закон радиоактивного распада.
Радиоактивные превращения возникают не сразу во всех ядрах, несущих избыточную энергию, а постепенно, с характерной для каждого радионуклида скоростью. Каждую секунду из общего числа радиоактивных атомов превращения испытывает только их определенная часть. Но каждый радиоактивный атом рано или поздно претерпевает превращение. Закон, по которому уменьшается количество радиоактивных атомов, прост: половина любого количества атомов данного радиоактивного вещества распадается через одинаковое время. Отсюда для характеристики любого радиоактивного элемента принято пользоваться величиной, называемой периодом его полураспада.
Период полураспада (Тфиз), как основная физическая характеристика радионуклида - это промежуток времени, в течение которого распадается половина начального количества атомов. Значения периодов полураспада колеблются в самых широких пределах от ничтожных долей секунд до многих миллиардов лет. Для каждого радионуклида период его полураспада величина постоянная и не может быть изменена никакими воздействиями из вне.
|
|
|
Таким образом, основной закон радиоактивного распада может быть озвучен следующим образом: " в каждую единицу времени у каждого отдельного радионуклида испытывают радиоактивные превращения лишь определенная доля (часть) общего количества возбужденных ядер, своя для каждого радионуклида, не изменяющаяся во времени ".
Эта доля (часть) ядер, распадающихся за каждую единицу времени и, не зависящая от численности возбужденных ядер и прошедшего времени, отражающая скорость уменьшения количества возбужденных ядер данного радионуклида и получила название его « постоянной распада ».
Радиоактивное превращение отдельного атома событие случайностное, поскольку заранее невозможно точно предсказать в какой момент времени оно произойдет. Однако можно указать среднюю вероятность радиоактивного превращения его отдельного атома за единицу времени (λ ). Ее значение не будет зависеть ни от времени существования ядра в возбужденном состоянии, ни от числа радиоактивных ядер в препарате, ни от условий, в которых находится препарат. Она будет зависеть исключительно от свойств самого ядра атома. Чем большая доля (часть) ядер испытывают превращение за единицу времени, тем большая вероятность превращения для каждого отдельного ядра данного радионуклида.
Таким образом, вероятность превращения каждого отдельного ядра конкретного радионуклида также будет отражать его постоянную радиоактивного распада, оцениваясь уже в обратных единицах времени (с-1, мин-1, час-1 и т. д. ).
Чаще всего именно в ней (в вероятности радиоактивного превращения отдельного атома конкретного радионуклида за единицу времени) и характеризуют постоянную его распада (так, для радия-226 постоянная распада составляет 1, 372 × 10-11 с-1, а для натрия-24 - 1, 292 × 10-5 с-1).
В свою очередь, в ероятность распада отдельного ядра атома определяет его основную физическую характеристику – период полураспада. Чем больше величина периода полураспада радионуклида, тем меньшая будет вероятность распада для каждого его отдельного ядра: λ (с-1) = 0, 693 × Tфиз (в секундах).
|
|
|
Общее количество радиоактивных атомов в препаратах и образцах, с которыми обычно имеют дело в ядерно-медицинских исследованиях очень велико, однако, если это число рассчитать, то исходя из полученного значения и постоянной радиоактивного распада можно оценить активность данного препарата, т. е. количество распадающихся в нем ядер за каждую единицу времени:
A (Бк) = N ат × λ (с-1); где:
A - активность используемого вещества (соединения);
Nат - количество атомов данного вещества в навеске;
λ (с-1) - постоянная радиоактивного распада.
АКТИВНОСТЬ НУКЛИДА (A) - мера количества радиоактивного вещества, характеризующаяся числом радиоактивных превращений за единицу времени, т. е. скоростью радиоактивных превращений. В качестве системной или « основной » единицей активности (СИ) принято одно ядерное превращение за секунду. Единица получила свое название в честь первооткрывателя явления радиоактивности Анри Беккереля – « Беккерель» (Бк).
Специальными (внесистемными) единицами активности являются – « Резерфорд » (1Rd) - 1 000 000 распадов за секунду и « Кюри » (Кu) - 3, 7× 1010 распадов в секунду или 2, 22× 1012 распадов в минуту.
У каждого радионуклида (с течением времени) количество возбужденных (активных) ядер непрерывно уменьшается вследствие непрерывно происходящих процессов физического распада, однако, доля (часть) их, испытывающих превращения за каждую единицу времени (от оставшейся общей численности), остается неизменной, т. е. вероятность распада для каждого ядра конкретного изотопа не изменяется. Все это и приводит к постепенному замедлению (по мере уменьшения количества радиоактивных атомов) процессов радиоактивных превращений. Убывание общего количества радиоактивных атомов будет все менее и менее интенсивным.
Отсюда - скорость радиоактивных превращений может служить косвенной характеристикой содержания оставшихся в возбужденном состоянии ядер, т. е. меры содержания (количества) радиоактивного вещества.
Активность источника изменяется во времени по показательному экспоненциальному закону (экспонента - кривая, отражающая функциональную зависимость между двумя величинами, уходящая в бесконечность, и, отражаемая уравнением: y = eХ ; где e - постоянное число, примерно равное 2, 718. Знание закона радиоактивного распада позволяет довольно точно рассчитать остаточную активность любого препарата на конкретный отрезок времени: At = A0 × e-λ t ; где At - остаточная активность препарата, A0 - исходная активность препарата, λ - постоянная распада изотопа, t - время от начала распада.
|
|
|
ЕСТЕСТВЕННЫЕ ПРИРОДНЫЕ РАДИОНУКЛИДЫ. Такими принято считать радионуклиды, образовавшиеся и постоянно образующиеся в природе без участия человека. Это, прежде всего, долгоживущие (большой период полураспада) радиоактивные элементы, возникшие одновременно с образованием Земли – « терригенные » радионуклиды (радионуклиды земного происхождения) и « космогенные », радионуклиды постоянно образующиеся в оболочках Земли (преимущественно в атмосфере) под воздействием космической радиации. Природные радионуклиды и продукты их распада, находясь в объектах окружающей среды, являются источником внешнего облучения человека. При попадании внутрь организма (через органы дыхания, желудочно-кишечный тракт) всасываются и, в той или иной мере, задерживаются в органах и тканях, формируя дозовые нагрузки внутреннего облучения.
Плотность полей излучения над поверхностью Земли, создаваемых природными радионуклидами, определяются прежде всего величинами их содержания в грунте, где концентрация их зависит от радиоактивности почвообразующих горных пород, от процессов выщелачивания почв грунтовыми водами, сорбции радионуклидов почвами и осаждения их из почвенных вод. Так, если средний уровень мощности дозы гамма излучения на высоте 90 см над поверхностью известняка составляет примерно 0, 2 мЗв в год, то над гранитной поверхностью - уже 1, 5 мЗв в год.
По обобщенным данным исследований, проводимых в разных странах, годовое значение эффективной эквивалентной дозы (ЭЭД) внешнего облучения, обусловленной всеми природными радионуклидами колеблется от 0, 32 мЗв до 0, 81 мЗв (31, 5 - 81 мБэр\год), в среднем составляя 0, 41 мЗв/год. По существующим оценкам НКДАР ООН, усредненное значение годовой ЭЭД внешнего и внутреннего облучения за счет всех природных радионуклидов, содержащихся в окружающей среде, находится в пределах 1, 68-1, 91 мЗв (168–191 мБэр).
Терригенные радионуклиды представлены двумя основными группами (рядами): радиоактивными семействами и генетически не связанными с ними отдельными радионуклидами. Имея очень большие периоды полураспада, они обусловливают весьма постоянные значения радиационного фона конкретных территорий. Основной вклад в дозовые нагрузки из них вносят радионуклиды калия (К-40) - период полураспада 1, 3 × 109 лет, и радионуклиды семейств урана (U-238) и тория (Th-232) - соответствующие значения периодов полураспада 4, 51 × 109 лет и 1, 41 × 1010 лет.
Радиоактивные семейства представлены тремя химическими элементами, являющимися родоначальниками своеобразных рядов своих дочерних продуктов (более 45 радионуклидов с периодами полураспада от 3 × 10-7с до 2, 5 × 105 лет): ураном (U-238), торием (Th-232) и актинием – изотопом урана (U-235).
Уран и его дочерние продукты. В 1789 году, в год Великой французской революции, немецкий химик и натурфилософ Мартин Генрих Клапорт (1743 -1817) впервые выделяет окись урана (UO2). Но только спустя полстолетия (в 1841 г. ), французскому ученому Эжену Пелиго (1811-1890) удалось выделить уран в чистом виде.
Тяжелый металл, серо-стального цвета, плотность - 19, 04 г/см3, температура плавления 1132 С°. По виду похож на серебро, по тяжести - на платину, по химическим свойствам - на вольфрам.
Природный уран состоит из смеси двух изотопов: уран-238 (99, 28%) и уран-235 (0, 72%). В земле его содержится довольно много, в среднем по 3 г урана в каждой тонне земной породы, т. е. больше, чем свинца, серебра и ртути вместе взятых.
В граните его еще больше - 25 г на каждую тонну. В природе известно более 200 соединений и минералов урана, среди которых, особое место занимает шестифтористый уран (UF6) – бесцветные кристаллы которого при температуре 56, 5 C° превращаются в ядовитый газ. Это единственное известное газообразное соединение урана, и не будь его, разделить изотопы урана было бы намного труднее.
Уран является родоначальником целого ряда дочерних продуктов, образующихся и распадающихся в цепочке радиоактивных превращений до момента образования стабильного свинца (Pb-206). Сейчас мы уже знаем, что все члены радиоактивного семейства урана-238 находятся в состоянии радиоактивного равновесия.
Это означает, что каждую секунду числа образующихся и распадающихся ядер атомов каждого элемента равны между собой, и что в любом минерале урана одновременно присутствуют все его дочерние продукты (17 элементов радиоактивного семейства). Интуитивно ясно, что чем короче период полураспада элемента, тем меньше его атомов находится в смеси. И строгий расчет подтверждает это.
Отношение концентраций любых двух элементов радиоактивного семейства (в их стационарной смеси) равняется отношению их периодов физического полураспада. Пример: рассчитать содержание радия в одной тонне урана, если известно, что период полураспада радия – 1602 года, а урана – 4, 5 × 109 лет.
|
|
|
