Применение радиоактивных изотопов

Радиационная терапия. Ионизирующее излучение способно разрушать живые ткани. Ткани злокачественных опухолей более чувствительны к облучению, чем здоровые ткани. Это позволяет лечить раковые заболевания при помощи γ-лучей, испускаемых из источника, в качестве которого используется, например, радиоактивный изотоп кобальт-60. Излучение направляют на пораженный опухолью участок тела больного.

 

Определение возраста образцов при помощи радиоуглерода. Небольшая часть диоксида углерода, который находится в атмосфере, содержит радиоактивный изотоп ¹⁴₆С. Растения поглощают диоксид углерода в процессе фотосинтеза. Поэтому ткани всех растений и животных также содержат этот изотоп. Живые ткани обладают постоянным уровнем радиоактивности, потому что его убывание из-за радиоактивного распада компенсируется постоянным поступлением радиоуглерода из атмосферы. Однако, как только наступает смерть растения или животного, поступление радиоуглерода в ткани прекращается. Это приводит к постепенному снижению уровня радиоактивности мертвых тканей.

Радиоактивность изотопа ¹⁴₆С обусловлена β-распадом: ¹⁴₆С → ¹⁴₇N + ⁰_-1β.

     Радиоуглеродный метод геохронологии разработал в 1946 г. У.Ф. Либби, получивший за него Нобелевскую премию по химии в 1960 г. Для определения возраста образца измеряют активность β-излучения (число распадов в минуту) в расчете на 1 г содержащегося в нем углерода. Это позволяет определить возраст образца при помощи кривой радиоактивного распада. Точность этого метода – приблизительно 300 лет.

В таблице 1 указаны другие примеры использования радиоизотопов.

 

Таблица 1     Некоторые применения радиоизотопов

 

Отрасли хозяйства	Методики, приборы или технология	Примеры применения
Авиастроение	Испытания износостойкости	Испытания износостойкости двигателей
Газовая промышленность	Течеискатели	Обнаружение течей в газопроводах
Градостроительство	Плотномеры	Измерение плотности почвы
Коммунальное хозяйство	Стерилизаторы	Стерилизация больничного белья
Машиностроение	Толщиномеры	Измерение толщины листов, труб и стержней
Сельское хозяйство	Меченые атомы	Изучение роста и функционирования корневых систем
Текстильная промышленность	Удаление электростатических зарядов	Антистатическая обработка пряжи из хлопка и синтетического волокна
Химия полимеров	Полимеризация	Инициирование полимеризации с помощью γ-излучения
Черная металлургия	Уровнемеры	Измерение уровня расплавленного металла в печи

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

3.1 Примеры решения типовых задач

Пример

Построим кривую распада изотопа фосфор-32, обладающего периодом полураспада   14,3 сут.

Решение

Можно выбрать произвольное значение исходной массы или исходной активности образца. Возьмем исходную массу образца 100 г, а исходную активность 200 распадов в минуту. Пользуясь этими значениями и периодом полураспада изотопа, получаем данные и заносим их в таблицу 1.

Таблица 1 Данные для построения кривой радиоактивного распада

 

Время, сут	Масса, г	Активность, расп./мин
0 14,3 28,6 42,9 57,2	100 50 25 12,5 6,25	200 100 50 25 12,5

Кривая распада изотопа показывает, как происходит уменьшение его массы или активности с течением времени (изображена на рисунке).

3.2 Расчетные задачи

 

3.2.1 Допишите уравнения следующих ядерных реакций:

    а) ¹²₆С + ¹₀n = ⁹₄Ве + …            б) ²³⁹₉₂U = ²³⁹₉₃Np + …

 

3.2.2 Составить таблицу о типах ионизирующего излучения:

Тип распада	Свойства испускаемых частиц		Изменения радиоактивного ядра		Проникающая способность и ионизирующая способность
	Заряд	Масса	Атомный номер	Массовое число
α
β
β+
γ			прежний	прежнее

 

3.2.3 В какое ядро превратится ядро плутония ²³⁹ Pu, испустив α –частицу? Запишите уравнение ядерной реакции.

3.2.4 В ряду радиоактивного превращения урана имеются следующие стадии: ²³⁸₉₂U → ²³⁴₉₀ Th → ²³⁴₉₁Pa → X.

а) Какие частицы испускаются на первых двух стадиях?

б) Какой изотоп Х образуется на третьей стадии, если она сопровождается испусканием β-частицы?

в) Какой период полураспада имеет ²³⁴₉₀ Th, если его активность по истечении 48 дней уменьшается на 25%?

г) Постройте кривую распада ²³⁴₉₁Pa → X, пользуясь миллиметровой бумагой; период полураспада ²³⁴₉₁Pa составляет 1 минуту.

3.2.5   За какое время от начального количества останется 10 % ядер ¹³⁷ Cs?

3.2.6  Определить число атомов, распадающихся в радионуклиде за время 10 секунд, если его активность равна 0,1 МБк. Считать активность постоянной в течение указанного времени.

3.2.7  Период полураспада радионуклида равен 1 час. Определить среднюю продолжительность жизни этого нуклида.

3.2.8 Определить массу изотопа иод-131, имеющего активность 37кБк.

3.2.9 Имеется 4 г радиоактивного кобальта. Сколько г Со распадется за 216 суток, если период полураспада 72 сут?

3.2.10 Масса радиоактивного серебра уменьшилась в 8 раз за 810 суток. Определить период полураспада радионуклида.

3.2.11  При распаде радиоактивного полония ²¹⁰ Ро массой 40 г в течение 10 ч образовался гелий, который при нормальных условиях занял объем 8,8 см³. Определить период полураспада полония.

3.2.12  Постоянная распада рубидия  ⁸⁹ Rb равна 0,00077 c^-1. Определить период полураспада.

3.2.13  Определить постоянные распада изотопов радия ²²⁴₈₈ Ra и ²²⁶₈₈ Ra.

3.2.14  Активность препарата уменьшилась в k = 250 раз. Скольким периодам полураспада равен прошедший промежуток времени?

3.2.15  За 1 сутки активность изотопа уменьшилась от  А₁ = 118 ГБк  до А₂ = 7,4 ГБк. Определить период полураспада этого нуклида.

3.2.16  Период полураспада для ¹⁴₆С равен 5700 лет. Живая ткань, находящаяся в активном контакте с атмосферой, имеет активность 15,3 расп./мин в расчете на 1 г углерода. По этим данным:   а) определить постоянную распада радионуклида;  б) построить кривую распада;  в) вычислить возраст оз. Кратер Лейк (США), имеющего вулканическое происхождение, если дерево, перевернутое во время извержения, в результате которого появилось озеро, имеет β –активность 6,5 расп./мин в расчете на 1 г углерода.

 

     4 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

4.1  На какие два вида классифицируют ионизирующее излучение? Почему излучение названо ионизирующим?

4.2 Почему фотонное излучение называют косвенно ионизирующим?

4.3 Что такое радиоактивность и радиоактивный распад?

4.4 Поясните смысл следующих терминов: атомный номер, массовое число, изотопы, радионуклиды.  Как обозначают изотопы?

4.5 Перечислите типы радиоактивного распада.

4.6 Чем отличаются ядерные реакции от химических реакций и физических процессов?

4.7 Сформулируйте закон радиоактивного распада. Перечислите характеристики радионуклидов.

4.8 Что называется радиоактивным семейством? Приведите примеры.

4.9 Перечислите примеры использования радионуклидов.