ГБОУ ВПО Тверская ГМА Минздрава России

Кафедра физики, математики и медицинской информатики

ИЗУЧЕНИЕ РАДИОАКТИВНОСТИ

Методические указания для лабораторной работы №6

Тверь 2014

Лабораторная работа

ИЗУЧЕНИЕ РАДИОАКТИВНОСТИ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

1. Изучить явление радиоактивного распада.

2. Изучить взаимодействие ионизирующего излучения с веществом.

3. Определить характеристики радиоактивного распада.

4. Приобрести практические навыки работы с радиометром.

5. Ознакомиться с применением радиоактивных изотопов в медицине.

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ: учебная установка для измерений, набор пластин-поглотителей из различных материалов, штангенциркуль, секундомер.

ПЛАН ЗАНЯТИЯ

1. Вводное слово преподавателя.

2. Собеседование по контрольным вопросам к лабораторной работе.

3. Выполнение лабораторной работы.

4. Оформление отчета по лабораторной работе.

5. Решение задач по теме лабораторной работы.

ИНФОРМАЦИОННЫЙ БЛОК

Радиоактивный распад - это свойство неустойчивых ядер ряда элементов спонтанно (т.е. самопроизвольно, без внешних воздействий) распадаться, превращаясь в ядра других элементов с одновременным испусканием особого рода излучения, называемого радиоактивным излучением.

Понятие радиоактивного излучения объединяет в себе различные виды излучения, имеющие разную природу.

Альфа-излучение - это поток ядер гелия с высокой кинетической энергией, состоящих из двух протонов и двух нейтронов.

Бета-излучение - это поток электронов или позитронов с высокой кинетической энергией.

Гамма-излучение, имея электромагнитную природу, представляет собой поток фотонов высокой частоты.

Радиоактивный распад является статистическим процессом, подчиняющимся законам вероятности. Невозможно указать заранее момент распада ядра каждого атома, но есть возможность установить величину вероятности распада одного из ядер в течение некоторого промежутка времени. Характеристикой этой вероятности является коэффициент , названный постоянной распада и зависящий только от природы элемента.

Закон радиоактивного распада: скорость распада пропорциональна числу нераспавшихся ядер в данный момент времени:

Решение этого уравнения дает зависимость числа нераскрывшихся ядер от времени:

Здесь N₀ - число нераспавшихся ядер при t =0, т.е. в момент начала наблюдения.

Зависимость числа ядер от времени имеет характер экспоненциальной зависимости (Рис. 1).

N

T

2T

t

N₀

Рис. 1. Зависимость числа нераспавшихся ядер от времени, N₀ - начальное (исходное) число ядер при t =0.

Важной характеристикой радионуклидов является период полураспада Т. Это время, в течение которого распадается половина исходного числа радиоактивных ядер. Период полураспада связан с постоянной распада следующим соотношением:

Важнейшей характеристикой практически используемых радиоактивных препаратов является общее число распадов в единицу времени. Эта величина называется активностью А данного источника:

Таким образом, активность радиоактивного препарата пропорциональна числу ядер (массе изотопа) и обратно пропорциональна периоду полураспада. В системе СИ активность измеряется в беккерелях (Бк),

Со временем активность данного препарата уменьшается в соответствии с основным уравнением радиоактивного распада:

где А₀ - начальная активность в момент времени t = 0

Обладающие высокой кинетической анергией , ,  - частицы, проникая в вещество, ионизируют атомы. Вместе с ионизацией происходит и возбуждение атомов с последующим излучением фотона в видимом диапазоне, а также активация молекул, приводящая к фотохимическим реакциям. По мере проникновения частиц радиоактивного излучения вглубь вещества в результате их взаимодействия с атомами и молекулами энергия частиц постоянно уменьшается, и при достижении значений энергий теплового движения ионизирующее действие частиц прекращается. Альфа-частица присоединяет два электрона и превращается в атом гелия. Отрицательная бета-частица остаётся в свободном состоянии (свободный электрон), положительная бета-частица взаимодействует со свободным электроном и превращается в два гамма-фотона (аннигиляция).

Максимальная глубина проникновения частиц в вещество называется проникающей способностью или пробегом. Проникающая способность различных частиц характеризуется пробегом в воздухе.

Биологический эффект радиоактивного излучения во многом зависит от его ионизирующей способности.

Ионизирующая способность частиц радиоактивного излучения зависит от их кинетической энергии и второй степени заряда. Она оценивается средним числом пар ионов, образуемых частицами на протяжении 1 см пути пробега в воздухе, и называется удельной ионизацией. Оценка величин проникающих и ионизирующих способностей радиоактивных излучений приведена в таблице 1.

Таблица 1.

Вид излучения	Проникающая способность в воздухе	Проникающая способность в организме.	Удельная ионизация
	2- 8,5 см	0,1 мм	Несколько десятков тысяч пар ионов на 1 см пробега в воздухе.
	От десятков см до десятков м	До нескольких см	От десятков до сотен пар ионов на 1 см пробега в воздухе.
	До сотен метров	Насквозь	Несколько пар ионов на 1 см пробега в воздухе.

Поглощение излучения веществом описывается законом Бугера:

,

из которого видно, что величина интенсивности I_d излучения, прошедшего через слой вещества толщиной d, и начальная интенсивность I₀ излучения (падающего на тело), связаны экспоненциальным законом.

Здесь  - линейный коэффициент ослабления, зависящий от свойств вещества и излучения.

Интенсивностью излучения называется величина, показывающая, какое количество энергии переносится излучением в единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную к направлению распространения излучения.

Из закона Бугера следует:

Если при проведении измерений имеет место радиоактивный фон, объясняемый космическим излучением, естественной радиоактивностью воздуха и другими посторонними источниками, то

,

где N₀ - падающее на тело число -фотонов,

N_d - число фотонов, прошедших через вещество,

N_ф - число фотонов радиоактивного фона. Учитывая это, получаем:

Для характеристики поглощающих свойств вещества удобна величина, называемая слой половинного ослабления.

Слой половинного ослабления d_1/2 представляет собой слой вещества, ослабляющий интенсивность проходящего через него излучения в два раза. Он связан с величиной  соотношением:

Для наблюдения регистрации радиоактивного излучения используются различные эффекты действия излучения на вещество: ионизация, люменисценция, действие на фотоэмульсию. К основным методам наблюдения относятся такие, как камера Вильсона, пузырьковая камера, метод сцинтилляций, метод толстослойной эмульсии ; в биологии и медицине - метод авторадиографии и гистоавторадиографии.

Приборы, служащие для регистрации и подсчета частиц излучения называются радиометрами.