Единица измерения количества радиоактивного вещества

Единица измерения количества радиоактивного вещества

Количество атомов, распадающихся за одну се­кунду, называется активностью радиоактивного веще­ства. Чем больше имеется атомов радиоактивного веще­ства и чем меньше их период полураспада, тем больше активность вещества. Если период полураспада Т выра­зить в секундах, а через N обозначить число радиоактивных атомов, то активность вещества Q равна

0 = 0,693 • —.Т

О количестве радиоактивного вещества судят не по его весу, а по его активности. Это объясняется тем, что опе­рация взвешивания радиоактивного вещества даже в ла­бораторных условиях чрезвычайно затруднена, так как его масса обычно ничтожно мала, и, кроме того, радиоак­тивный изотоп, как правило, находится в смеси с другими веществами, в том числе и нерадиоактивными.

За единицу активности и, следовательно, количества радиоактивного вещества принята единица, получившая название кюри.

Кюри — это такое количество радиоактивного веще­ства, в котором происходит 37 миллиардов распадов ато­мов за 1 секунду (3,7- 1010 расп/сек).

Чем больше период полураспада и массовое число ра­диоактивного изотопа, тем большее весовое количество радиоактивного вещества соответствует одному кюри. Ве­совое количество радиоактивных атомов, имеющих актив­ность 1 кюри, можно определить по формуле

Л/= 0,89 • 1(Г13- А • Т,

где А — массовое число;

Т — период полураспада в секундах.

Найдем по этой формуле весовое количество радия, соответствующее активности 1 кюри. Напомним, что изо­топ Ra226 имеет Т ^ 1600 лет и А = 226. Выразив период полураспада радия в секундах, получим

Т — 1600 • 365 • 24 • 3600 = 5,1 • 1010 сек,

тогда

А/ = 0,89 • 10-13 • 226 • 5,1 • 1010^ 1 а.

Таким образом 1 г радия обладает активностью в 1 кюри, иначе говоря, в 1 г этого изотопа ежесекундно происходит 3,7 • 1010 распадов атомов. Это обстоятельство как раз и послужило основанием для выбора в качестве единицы активности — кюри. Так как единица кюри большая, то часто используют более мелкие единицы: милликюри (10_3кюри) и микрокюри (1(Г[1] кюри).

1 кюри урана 235 имеет вес около 570 кг, такое коли­чество урана занимает объем куба с длиной ребра, рав­ного 31 см. 1 кюри плутония 239 имеет вес около 16 г и занимает кубик объемом в 1 см[2]. 1 кюри кобальта 60, имеющего период полураспада 5 лет, представляет собой крупинку металла весом около одной тысячной доли грамма.

Особенно малое весовое количество соответствует од­ному кюри радиоактивных веществ, период полураспада которых исчисляется часами или минутами. Один кюри натрия 24 имеет вес около одной десятимиллионной доли грамма.

Практически радиоактивное вещество всегда нахо­дится в смеси с нерадиоактивными веществами; весовое количество такой смеси, соответствующее активности в 1 кюри, может быть значительно больше, чем вычислен­ное по выше приведенной формуле. Например, 1 кюри ко­бальта 60, находящегося в смеси с нерадиоактивным ко­бальтом 59, может весить более 1 г.

Каждый распад атома альфа- и бета-активных веществ сопровождается испусканием соответственно альфа- или бета-частицы, поэтому активность в 1 кюри соответствует испусканию радиоактивным веществом в течение одной секунды 37 миллиардов альфа- или бета-частиц. Таким образом, если активность источника известна, то испус­каемый им секундный поток а- или (3-частиц можно опре­делить по формуле

Ф = 3,7 • 1010 • Q частиц/сек,

где Ф — секундный поток частиц;

Q — активность источника в кюри.

Число гамма-квантов, приходящихся на один распад атома, может быть различным в зависимости от вида изо­топа. Поэтому для определения потока гамма-квантов, испускаемых гамма-активным веществом, кроме вели­чины активности, выраженной в кюри, необходимо знать число гамма-квантов, приходящихся на один распад атома. Величину секундного потока гамма-квантов для источника активностью 1 кюри можно определить по формуле

Ф = 3,7 ♦ 10[3] • Q • п{ квант/сек,

где щ — среднее число ^-квантов, приходящихся на один распад атома.

В табл. 1 приведено среднее число гамма-квантов, приходящихся на один распад атома, для некоторых ра­диоактивных изотопов. Необходимо заметить, что суще­ствует ряд гамма-активных изотопов, у которых не все распавшиеся ядра атомов, а только- определенная часть из них испускают гамма-кванты. Для таких радиоактив­ных изотопов среднее число гамма-квантов, приходящихся на один распад, может оказаться дробным.

Таблица 1

Среднее число гамма-квантов пт , приходящихся на один распад атомного ядра

Изотоп

Натрий

24

Марганец

54

Железо

59

Кобальт

60

Цезий

137

Церий

141

Вид рас­пада Число

ni

3-распад

2

К-захват

1

3-распад

1

3-распад

2

3-распад

0,92

3-распад

0,54

 

чие состоит в том, что в первом случае действуют силы электрического притяжения электрона к ядру, а во вто­ром случае — сила тяжести, и, кроме того, энергия элек­трона меняется не постепенно, а скачком.

Электронная оболочка атома представляет собой ус­тойчивую систему. Это выражается в том, что никогда не наблюдается самопроизвольный перескок электрона с ме­нее высокого энергетического уровня на более высокий энергетический уровень или отрыв электрона от атома.

Такой переход электронов может осуществиться лишь при поглощении атомом энергии извне. Наиболее прочно с ядром связаны электроны, находящиеся в /(-слое, кото­рому соответствует минимальный энергетический уровень электронов в атоме. Отсюда следует, что чем меньше энергия электронов в атоме, тем более прочно они свя­заны с ядром. Атом находится в устойчивом состоянии, когда электроны последовательно заполняют энергетиче­ские уровни /С, L, М, N… слоев, ибо в этом случае элект­роны наиболее прочно связаны с ядром, а сам атом обла­дает минимально возможным уровнем энергии. Энергия, которую необходимо затратить для перевода электрона в более удаленный слой, равна разности величин соответ­ствующих энергетических уровней.

Процесс перехода электронов на более высокий энер­гетический уровень называется возбуждением атома. Этот процесс состоит в том, что один или несколько элек­тронов в электронной оболочке атома перебрасываются со своих нормальных орбит на более удаленные от ядра орбиты.

Атом не может находиться длительное время в воз­бужденном состоянии, электрон в среднем через 10“8 сек. опускается на прежний более низкий энергетический уро­вень, при этом избыточная энергия излучается атомом в виде энергии кванта светового или рентгеновского излу­чения.

Энергия, необходимая для полного удаления электрона из атома без сообщения ему кинетической энергии, назы­вается энергией связи электрона в атоме. Наибольшей энергией связи обладают электроны, находящиеся в слое К. Электроны более удаленных слоев имеют мень­шую энергию связи, так как, во-первых, на них действуют меньшие силы электрического притяжения к ядру; во- пторых, эти силы уменьшаются силами отталкивания электронов внутренних слоев. Известно, что для отрыва электрона от невозбужденного атома водорода необхо­димо затратить не менее 13,5 эв. В атоме с атомным но­мером Z энергия связи электрона слоя К приблизительно в Z2 раз больше энергии связи электрона в атоме водо­рода. Например, для атома вольфрама (Z = 74) эта энергия равна примерно 70 000 эв, для свинца (Z = 82) — 88 ООО эв.

Энергию связи внешних (валентных) электронов при­нято называть «ионизационным потенциалом».

Ионизацией вещества называется превращение его нейтральных атомов (молекул) в заряженные частицы. Атом может быть ионизирован в результате отрыва от него одного или нескольких электронов (в последнем случае ионизация называется многократной). Атом, поте­рявший электроны, называется положительным ионом. Положительный заряд такого иона равен по величине за­ряду потерянных электронов. Атом, присоединивший к себе один или несколько электронов, превращается в от­рицательный ион. Процессы ионизации атомов могут про­исходить в результате поглощения атомами энергии гамма-, рентгеновских, ультрафиолетовых, видимых лу­чей, энергии быстродвижущихся альфа-частиц, протонов, электронов и других заряженных частиц, энергия кото­рых превышает ионизационный потенциал данных атомов. Ионизация атомов среды возможна также при нагреве ее до высоких температур (термическая ионизация). Для радиоактивных излучений процесс ионизации является наиболее характерным результатом их взаимодействия с атомами среды.

Величина ионизационного потенциала периодически зависит от атомного номера, причем наибольшее значение он принимает у инертных газов (Не, Аг и т. д.), а мини­мально е — у щелочных металлов (Li, Na, К и др.). Вели­чина ионизационного потенциала в зависимости от сорта атома лежит в пределах от 4 до 25 эв.

В процессе ионизации атому может сообщаться энер­гия большая, чем энергия связи выбитого электрона. В этом случае электрон и образующийся положительный ион за счет избытка энергии получат кинетическую энергию. Если их кинетическая энергия достаточно велика, они мо­гут в свою очередь производить ионизацию атомов среды. Для гамма-излучения ионизация, вызванная вторичными, третичными и т. д. электронами, является основным про­цессом ионизации вещества.

Образовавшиеся в результате процесса ионизации сво­бодные электроны могут в течение некоторого времени двигаться в междуатомном пространстве.

В газах свободные электроны в конце концов захваты­ваются либо положительными ионами, либо «прилипают» к нейтральным атомам. В первом случае положительный ион, захвативший электрон, превращается в нейтральный атом. Этот процесс восстановления атомов называется рекомбинацией. Во втором случае нейтральный атом или молекула, к которым «прилип» электрон, превращается в отрицательный ион, который в свою очередь может ре­комбинировать с положительным ионом. Если процесс ионизации сопровождается поглощением энергии, то про­цесс рекомбинации — освобождением энергии. Освободив­шуюся в результате рекомбинации энергию атом испу­скает в виде квантов рентгеновского, ультрафиолетового или видимого излучения.