"Физика (базовый уровень)", Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Чаругин В.М. / Под ред. Парфентьевой Н.А.
Радиоактивные изотопы можно не только находить в природе, но и получать искусственно: устойчивые ядра облучают частицами и превращают ядерной реакцией в нестабильные. Такие изотопы испускают излучение, поэтому помогают обнаруживать и прослеживать малые количества вещества, исследовать процессы в организме и контролировать материалы. Чтобы выбрать подходящий изотоп и предсказать результат реакции, учитывают сохранение массового числа и заряда, характер излучения и период полураспада.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Искусственная радиоактивность — превращение устойчивых ядер в радиоактивные при облучении частицами. Ирен и Фредерик Жолио-Кюри обнаружили, что некоторые облучённые вещества продолжают испускать излучение и после удаления источника частиц. Значит, радиоактивность возникла не из-за самого облучения, а потому, что в результате ядерных превращений появились новые радиоактивные ядра.
Радиоактивный изотоп — разновидность атомов одного химического элемента, ядра которых радиоактивны. У изотопов одного элемента одинаковое число протонов, но различается число нейтронов; поэтому один изотоп может быть нестабильным, а другой — стабильным. Это различие позволяет получать радиоактивные атомы нужного элемента, не меняя сам химический элемент.
Ядерная реакция — превращение атомного ядра при взаимодействии с частицей или другим ядром. В записи указывают исходное ядро, частицу-снаряд и продукты реакции, используя символы изотопов. Такая запись нужна, чтобы проследить превращение и проверить, сохраняются ли массовое число и электрический заряд.
Радиоактивный индикатор — радиоактивное вещество, по излучению которого обнаруживают и прослеживают перемещение вещества в системе. Сам индикатор не показывает движение напрямую: прибор регистрирует излучение и определяет, где находится вещество с радиоактивными атомами. Так можно исследовать процессы, не наблюдаемые обычным способом.
Чтобы получить радиоактивный изотоп, устойчивое ядро облучают частицами: например, протонами, нейтронами или альфа-частицами. При столкновении частица может изменить состав ядра, и возникает ядро с другим числом протонов или нейтронов. Если это ядро нестабильно, оно становится радиоактивным и затем распадается. Поэтому исходное вещество не обязано быть радиоактивным: нужное ядро создают в самой ядерной реакции.
Запись реакции помогает определить, какие именно ядра образовались, потому что в ней должны выполняться два баланса. Сумма массовых чисел A, то есть числа протонов и нейтронов, до реакции равна сумме после неё. Так же сохраняется сумма зарядовых чисел Z — чисел протонов; именно Z определяет химический элемент. Если один из балансов не сходится, в уравнении пропущена частица или допущена ошибка в обозначении продукта.
Для получения изотопов применяют ускорители заряженных частиц и ядерные реакторы. В ускорителе электрические поля разгоняют заряженные частицы, а затем направляют их на мишень; так можно организовать реакции с выбранными частицами-снарядами. В реакторе ядра взаимодействуют с потоком нейтронов, поэтому этим способом получают изотопы, для образования которых подходит захват нейтрона. Выбор установки зависит от того, какие частицы и исходные ядра нужны для реакции.
После получения радиоактивное ядро испускает излучение и со временем превращается в другое ядро. Скорость этого изменения описывает период полураспада — время, за которое распадается половина первоначального количества ядер. Для индикатора обычно нужен срок, достаточный для проведения измерений, а для медицинского применения важно, чтобы активность не сохранялась дольше необходимого. Поэтому учитывают и период полураспада, и вид излучения.
Излучение можно зарегистрировать прибором, поэтому даже небольшое количество радиоактивного вещества служит меткой. Если индикатор включён в вещество или движется вместе с ним, сигнал показывает его местоположение и перемещение внутри системы. Ионизирующее излучение используют также в диагностике и для обработки материалов: оно взаимодействует с веществом и может дать информацию о его состоянии или вызвать нужное изменение. Способ применения выбирают с учётом поглощения излучения и мер безопасности.
| Способ или область | Что происходит | Пример применения | Что важно учитывать |
|---|---|---|---|
| Облучение частицами в ускорителе | Разогнанные частицы сталкиваются с ядрами мишени и запускают ядерные реакции. | Получение выбранных радиоактивных изотопов для исследований и медицины. | Нужны подходящие частицы, мишень и энергия; реакцию проверяют по сохранению A и Z. |
| Облучение в ядерном реакторе | Ядра мишени взаимодействуют преимущественно с нейтронами. | Получение изотопов при захвате нейтронов и последующих превращениях ядра. | Учитывают состав мишени, поток нейтронов и период полураспада продукта. |
| Медицина: диагностика и лечение | Излучение регистрируют или используют для воздействия на ткани. | Диагностические исследования и лучевая терапия. | Подбирают вид излучения и период полураспада, соблюдают дозовые ограничения. |
| Научные исследования и радиоактивные индикаторы | По излучению находят и прослеживают меченое вещество. | Изучение перемещения и распределения вещества в системе. | Сигнал должен быть различимым, а индикатор — подходить к длительности опыта. |
| Промышленность и контроль материалов | Излучение проходит через материал или взаимодействует с ним. | Контроль качества и выявление неоднородностей изделий. | Результат зависит от поглощения излучения и толщины материала. |
Сначала найдите в таблице нужную область и выясните, за счёт чего там используется изотоп: как источник сигнала или как средство воздействия. Затем сопоставьте пример применения с условиями в последнем столбце. Они показывают, почему нельзя выбирать изотоп, не учитывая его излучение и время распада.
При облучении ядра азота-14 альфа-частицей образуются ядро кислорода-17 и протон. Нужно записать реакцию и проверить сохранение массового числа и заряда. Для этого обозначим ядро как ᴬ_ZX: верхний индекс A — массовое число, нижний Z — число протонов. У альфа-частицы A = 4 и Z = 2, у протона A = 1 и Z = 1.
Оба баланса совпали, значит, запись согласуется с законами сохранения. Кислород имеет Z = 8, а число нуклонов в его ядре равно 17. Ответ: ¹⁴₇N + ⁴₂He → ¹⁷₈O + ¹₁p; массовое число и заряд сохраняются.
Ядро алюминия-27 взаимодействует с альфа-частицей, при этом испускается нейтрон. Требуется найти неизвестное ядро, поэтому сначала определяем его массовое число, а затем заряд. Обозначим продукт как ᴬ_ZX; у алюминия Z = 13, у альфа-частицы A = 4 и Z = 2, а у нейтрона A = 1 и Z = 0.
Проверка даёт 31 нуклон и заряд 15 по обе стороны реакции. Ответ: образуется ядро фосфора-30, ³⁰₁₅P; его массовое число равно 30, зарядовое число — 15.
Период полураспада индикатора равен 6 часам. Нужно узнать, какая доля исходного количества ядер останется через 18 часов, и объяснить, почему срок применения имеет значение. Сравним время наблюдения с периодом полураспада: 18 : 6 = 3, то есть пройдут три периода.
Ответ: через 18 часов останется ⅛ исходного количества, или 12,5%. По мере распада сигнал индикатора ослабевает, поэтому период должен позволять закончить измерения, пока излучение ещё можно уверенно зарегистрировать.
Ошибка 1. Считать, что радиоактивные изотопы можно получить только из уже радиоактивных веществ. Так думают, потому что связывают радиоактивность исключительно с природными источниками, но облучение способно изменить устойчивое ядро. Проверка: проследите реакцию от исходного устойчивого ядра к продукту и выясните, стал ли продукт нестабильным.
Ошибка 2. Записывать продукты реакции без проверки балансов. Названия ядер могут выглядеть правдоподобно, поэтому легко не заметить лишнюю или пропущенную частицу. Проверьте отдельно суммы A и Z слева и справа: обе пары должны совпадать.
Ошибка 3. Путать массовое число и заряд ядра. Массовое число включает протоны и нейтроны, а зарядовое число равно числу протонов и определяет элемент. Чтобы проверить себя, спросите: «Что задаёт элемент?» — это Z; «Сколько всего нуклонов?» — это A.
Ошибка 4. Считать, что индикатор сам показывает путь вещества. В действительности его находят по регистрируемому излучению, а без прибора положение метки не видно. Проверьте объяснение: в нём должны быть названы и перемещающееся вещество, и способ обнаружения сигнала.
Для изучения темы нужны знания о составе ядра, обозначениях изотопов и зарядах протона и нейтрона. При записи реакций применяются законы сохранения массового числа и электрического заряда, а при оценке срока применения — понятие радиоактивности и период полураспада. Эти знания пригодятся при изучении ядерных реакций и деления ядер, а также ядерной энергетики. Применение изотопов связывает физику с медициной и техникой.
Чем искусственный радиоактивный изотоп отличается от природного?
Их ядра радиоактивны одинаково по сути, но происхождение различается. Искусственный изотоп получают в ядерной реакции, например облучая устойчивое ядро; природный образуется без такого вмешательства человека.
Как узнать, какое ядро образовалось в ядерной реакции?
Сначала по сохранению массового числа находят число нуклонов в неизвестном ядре, а по сохранению заряда — его число протонов. Число протонов определяет химический элемент, поэтому вместе с массовым числом оно задаёт изотоп.
Почему при записи реакции нужно сохранять массовое число и заряд?
В ядерной реакции сохраняются суммарное число нуклонов и суммарный электрический заряд. Если равенство нарушено, значит, в записи пропущена или неверно обозначена частица либо ядро.
Зачем радиоактивные изотопы используют как индикаторы?
Их излучение можно зарегистрировать, даже если вещества очень мало. По месту, где обнаружен сигнал, определяют, куда переместилось вещество или где оно накопилось.
Почему период полураспада важен при выборе изотопа для медицины?
Он показывает, за какое время число радиоактивных ядер уменьшается вдвое, а значит, помогает оценить, как долго изотоп будет давать сигнал или лечебное излучение. Слишком короткий период затруднит применение, а слишком долгий может увеличить время, в течение которого организм подвергается облучению.
§ 112. Получение радиоактивных изотопов и их применение
