§ 38. Радиоактивные изотопы и их использование

Определения и обозначения

Изотоп — разновидность атомов одного химического элемента с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов. Поэтому изотопы обозначают символом одного и того же элемента, но их ядра имеют разные массовые числа. Это понятие нужно, чтобы отличать состав ядра от химических свойств элемента.

Радиоактивный изотоп — изотоп с нестабильным ядром, самопроизвольно превращающимся в другое ядро с испусканием излучения. В результате распада могут возникать α-, β- или γ-лучи. Такое определение помогает понять, почему вещество является источником радиации без внешнего запуска.

Период полураспада — время, за которое распадается половина исходного числа радиоактивных ядер. Его обозначают T или T_1/2. Эта величина характеризует скорость распада: чем меньше период, тем быстрее в среднем уменьшается число нераспавшихся ядер.

Искусственный радиоактивный изотоп — радиоактивный изотоп, полученный человеком в ядерной реакции. Для этого стабильное ядро облучают частицами или нейтронами. Такие изотопы создают с нужным периодом полураспада и используют как удобные источники или метки.

Как это устроено

Химические свойства атома в основном определяются зарядом ядра, то есть числом протонов, и строением электронной оболочки. У изотопов одного элемента число протонов одинаково, поэтому одинаково и число электронов в нейтральном атоме. Число нейтронов влияет главным образом на массу и устойчивость ядра, поэтому химическое поведение изотопов близко, а радиоактивность может сильно различаться.

Радиоактивное распад происходит потому, что некоторые сочетания протонов и нейтронов неустойчивы. Ядро самопроизвольно переходит в более устойчивое состояние, а избыток энергии уносится излучением. При α-распаде вылетает ядро гелия, при β-распаде испускается электрон или позитрон, а γ-излучение представляет собой электромагнитные кванты большой энергии.

Невозможно заранее указать, когда распадётся отдельное ядро: это случайное событие, не зависящее от его «возраста». Однако в большом количестве ядер случайности усредняются, и число распадов подчиняется закономерности. Если за один период осталось N₀/2 ядер, то через n периодов останется N = N₀·(½)ⁿ.

Искусственные изотопы получают, когда стабильные ядра облучают нейтронами, протонами или другими частицами. Такие реакции проводят в ядерных реакторах и ускорителях, где можно подобрать энергию частиц и состав продукта. Полученный изотоп затем отделяют, помещают в источник или включают в состав специального препарата.

Излучение радиоактивных изотопов ионизирует вещества, то есть выбивает электроны из атомов, а часть лучей хорошо проходит через материалы. Поэтому приборы могут регистрировать излучение внутри организма или за стенками детали. Один и тот же эффект даёт пользу только при контролируемой дозе: избыточное облучение повреждает клетки, поэтому учитывают вид излучения, время, расстояние и защиту.

Основные области применения радиоактивных изотопов

В таблице указаны не только области применения, но и причина, по которой выбранный изотоп удобен. Сначала найдите практическую задачу, затем свяжите её с видом излучения, периодом полураспада и возможностью обнаружить источник.

Разбор задач

Задача 1

Период полураспада равен 6 ч. Нужно определить долю исходного количества ядер через 18 ч. Сначала сравним прошедшее время с периодом, а затем применим последовательное уменьшение вдвое.

1. Число периодов: n = 18 ч : 6 ч = 3.
2. После первого периода останется ½, после второго — ¼, после третьего — ⅛ исходного количества.
3. По формуле N/N₀ = (½)³ = ⅛.

Ответ: останется ⅛, или 12,5% исходного количества ядер.

Задача 2

Активность уменьшилась с 80 до 10 МБк, период полураспада равен 8 сут. Активность пропорциональна числу нераспавшихся ядер, поэтому к ней применим тот же закон, что и к количеству вещества.

1. Найдём отношение конечной активности к начальной: 10/80 = ⅛.
2. Доля ⅛ получается после трёх периодов, потому что (½)³ = ⅛.
3. Время равно 3 · 8 сут = 24 сут.

Ответ: прошло 24 суток.

Задача 3

Для поиска скрытой трещины важно, чтобы излучение прошло через металлическую деталь и ослабло в месте дефекта. Поэтому сравниваем не только наличие излучения, но и его проникающую способность.

1. Альфа-частицы быстро поглощаются веществом и для контроля детали не подходят.
2. Гамма-излучение проникает через металл, поэтому выбираем источник γ-излучения.
3. Через два периода полураспада активность станет (½)² = ¼ начальной, а обнаружение трещины будет возможным, но сигнал ослабнет.

Ответ: нужен гамма-источник; после двух периодов его активность составит четверть первоначальной.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Период полураспада принимают за время распада всех ядер. Так происходит из-за бытового смысла слова «половина», но за следующий такой период распадается половина уже оставшихся ядер. Проверка: после двух периодов должно остаться ¼, а не ноль.

Ошибка 2. Изотопы путают с разными химическими элементами. Причина в том, что у них разные массовые числа, хотя число протонов одинаково. Проверка проста: сравните заряд ядра; одинаковое число протонов означает один элемент.

Ошибка 3. Считают, что распад можно заметно ускорить нагреванием, охлаждением или давлением. Такие условия меняют состояние вещества, но почти не влияют на процессы внутри ядра. Проверка: период полураспада считают постоянной характеристикой данного изотопа.

Ошибка 4. Любое применение изотопа считают безопасным. Опасность зависит от вида излучения, дозы, времени воздействия и защиты, поэтому пользу нельзя отделять от правил работы. Проверка: для каждого источника укажите экран, расстояние, допустимое время и дозиметрический контроль.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении атома и ядра, нуклидах, а также об α-, β- и γ-излучении. Без этого трудно объяснить состав изотопов и различия между видами радиации.

Радиоактивность связана с ядерными реакциями, законом радиоактивного распада и радиационной безопасностью. Эти темы показывают, как получают изотопы, рассчитывают их активность и защищаются от облучения.

Практические знания пригодятся при изучении ядерной энергетики, медицинской диагностики и лучевой терапии. В каждом случае нужно учитывать свойства конкретного изотопа и дозу излучения.

Что запомнить

• Изотопы одного элемента имеют одинаковое число протонов и разное число нейтронов.
• Радиоактивные изотопы имеют нестабильные ядра.
• Радиоактивный распад происходит самопроизвольно.
• Период полураспада характеризует скорость распада радиоактивного изотопа.
• Искусственные радиоактивные изотопы получают ядерными реакциями.
• Радиоактивные изотопы используют как источники излучения и как метки.
• Работа с радиоактивными веществами требует соблюдения радиационной безопасности.