Атом. Излучение. Теория

1. АТОМ ИЗЛУЧЕНИЕ теория

2. Атом

1903 г. Дж. Томсон
1911 г. Резерфорд
1932 г. Д.Д. Иваненко, В. Гейзенберг
Атом состоит из:
Положительно заряженных
(+) протонов,
Незаряженных нейтронов и
Отрицательно заряженных
(-) электронов

3. Ядро

Протоны и нейтроны
образуют ядро атома.
Ядро определяет название
элемента и его атомную
массу.
Протоны и нейтроны имеют почти
одинаковую массу, причем протон имеет
электрический заряд. Нейтрон не имеет
заряда.

4. Электроны

Электроны – отрицательно
заряженные частицы,
которые окружают ядро,
находясь на своих орбитах.
Взаимодействие и обмен электронами
между атомами образует химические связи,
формируя химические соединения и
молекулы.

5. Энергия связи электронов

Электроны существуют в виде дискретных
«оболочек» вокруг ядра (как планеты вокруг
звезды)
Каждая оболочка имеет свою энергию связи
с ядром, удерживающую электрон вокруг
атома
Оболочки обозначаются буквами (K, L, M, N
…) где K – ближайшая к ядру оболочка,
имеющая максимальную энергию связи.
Максимальное количество электронов на
каждой оболочке: 2 на K оболочке, 8 на L
оболочке и т.д. …

6.

Атомная единица массы
Где 1 amu
приблизительно
равна
1.6605 x 10-24 грамма

7.

Атомная единица массы
Атомные массы протона и нейтрона
приблизительно равны:
Протон = 1.6726 x 10-24 г = 1.0073 аем
Нейтрон = 1.6749 x 10-24 г = 1.0087 аем
Таким образом, нейтрон немного тяжелее
протона.

8.

Атомная единица массы
Атомная масса электрона:
Электрон = 9.1094 x 10-28 г = 0.00055 аем
Таким образом, электрон имеет намного
меньшую массу, чем протон и нейтрон (в
1837 раз).

9. Стабильные нуклиды

Дальнодействующие
электростатические силы
p
p
n
Короткодействующие
Сильные взаимодействия
Line of stability
Too many
neutrons
for stability
Too many
protons
for stability

10. Энергия связи ядер

Энергию связи любого ядра
можно определить с помощью
точного измерения его массы.
Масса любого ядра Mя всегда
меньше суммы масс входящих
в его состав протонов и
нейтронов:
Mя < Zmp + Nmn
ΔM = Zmp + Nmn – Mя
Eсв = ΔMc2 = (Zmp + Nmn – Mя)c2
•деление тяжелых ядер на более легкие;
•слияние легких ядер в более тяжелые.

11. Изотопы

Атомы элемента,
которые имеют
различное число
нейтронов в
ядре,
называются
изотопами этого
элемента.
Обозначение
изотопа:
A
Xy
Z
Xy = обозначение элемента
A = атомная масса (нейтроны + протоны)
Z = атомное число (заряд) (протоны)

12. Изотопы

Равное число протонов и нейтронов

13. Радиоактивность

Радиоактив
ность

14. Радиоактивность атомных ядер : история, результаты…

1895 г. В.К. Рентген – открытие Х-лучей.
1896 г. Анри Беккерель – обнаружил, что ураново-калиевая соль
самопроизвольно, спонтанно, без внешних воздействий испускает
жесткое излучение. Назвал это явление радиоактивностью.
Мария и Пьер Кюри – обнаружили радиоактивность у тория, затем у
полония и радия.
1898 г. Э. Резерфорд обнаружил две составляющие излучения урана:
менее проникающую, названую – излучением, и более проникающую,
– излучением.
1900 г. Поль Виллард обнаружил третью составляющую излучения
урана: названую – излучением.
1931 г. Чедвик. Открытие нейтрона.
1940 г. Г.Н. Флеров и К.А. Петржак открыто спонтанное деление ядер
235U.
1982 г. Э. Хофман открыл протонный распад.
1984 г. Х. Роуз … и Д.В. Александров открыли кластерный распад
н.в.: поиски нейтронной радиоактивности и двухпротонной
радиоактивности …..

15. Радиоактивность – определение и основные характеристики

Радиоактивность - это самопроизвольное изменение свойств
ядер со временем. Ядра, испытывающие изменение такого рода,
называются радиоактивными или нестабильными ядрами.
Радиоактивные ядра являются неустойчивыми нуклонными
системами и, как принято говорить, испытывают
радиоактивный распад. Каждое ядро характеризуется
определенным нуклонным составом (А,Z) и определенной
энергией Е. Если спонтанно изменяется хотя бы одна из этих
характеристик, то такое изменение является радиоактивным
распадом. Ядро, испытывающие радиоактивный распад, будем
называть материнским, а ядро –продукт – дочерним.
Радиоактивный распад характеризуется временем протекания,
видом и энергией испускаемых частиц, называемых
излучением.

16. Радиоактивность ядер, существующих в природных условиях, называют естественной. Радиоактивные ядра, синтезированные в

Радиоактивность – определение и
основные характеристики
Радиоактивность ядер, существующих в природных
условиях, называют естественной. Радиоактивные ядра,
синтезированные в лабораторных условиях искусственными
способами посредством ядерных реакций, называются
искусственными (техногенными).

17. Виды радиоактивного распада

Радиоактивные элементы испускают
альфа-частицы, бета-частицы и гаммакванты. При этом говорят о двух базовых
типах радиоактивного распада: альфараспаде и бета-распаде. Гамма-кванты
образуются как сопутствующее этим
видам распада излучение.

18. Ядерные реакции альфа-распад

19. Ядерные реакции альфа-распад

226Ra
222Rn + 4He

20. Ядерные реакции бета-распад

21. Ядерные реакции бета-распад

22. Спектр бета-частиц

Eср. = 1/3 Emax

23. Ядерные реакции Позитронный распад

24. Ядерные реакции Позитронный распад

25. Аннигиляция

26. Пример использования позитронного распада (18F)‏

Пример использования
позитронного распада (18F)
Позитронно-эмиссионная томография (PET).
Используется для изучения
физиологических и биохимических
процессов в теле.
Изучению подлежат кислород и глюкоза в
крови, метаболизм жирных кислот,
транспорт аминокислот, pH и плотности
нейрорецепторов
Для производства радиофармпрепаратов с
очень коротким периодом полураспада
требуется циклотрон непосредственно в
отделении.
Такое сканирование имеет ограниченное
применение из-за высокой стоимости
оборудования.

27. Пример использования позитронного распада (18F)‏

Пример использования
позитронного распада (18F)
remove Compton-scattered
with good energy resolution
remove combinatorial bg by ToF meas.
t = 500 ps

28. Пример использования позитронного распада (18F)‏

Пример использования
позитронного распада (18F)

29. Ядерные реакции электронный захват

Результат: Характеристическое рентгеновское излучение

30. Ядерные реакции электронный захват

e-1 + p+1 n

31. Ядерные реакции: позитронный распад и электронный захват

позитронный распад
электронный захват

32. Основные механизмы распада

33. Ионизация

Ионизированный
атом
электрон
+1
-1
излучение

34. Рентгеновское излучение

электрон заполняет
вакансию
характеристическое
рент. излучение
испущенный
электрон

35. Гамма-излучение

Моноэнергетическое гамма-излучение
испускается ядрами возбужденных атомов
при радиоактивном распаде
Освобождает ядра от избыточной энергии
Имеет характерные энергии которые могут
быть использованы для идентификации
радионуклидов

36. Гамма-излучение

37. Фотонное излучение

Различие
между гамма и
рентгеновским
излучением

38. Внутренняя конверсия

Процесс при котором возбужденные ядра
высвобождают энергию возбуждения
Ядро передает энергию возбуждения
непосредственно орбитальным
электронам, выбрасывая электрон из
атома
При заполнении вакансий электронами
внешних орбит испускается
характеристическое рентгеновское
излучение

39. Внутренняя конверсия

40. Механизмы радиоактивного распада

Модель
распада
Характеристика
материнского
радионуклида
Изменение
атомного числа
(Z)
Изменение
массы
атома
Альфа
Мало нейтронов
-2
-4
Моноэнергетическое
альфа
Бета
Много
нейтронов
+1
0
Спектр бета
Позитрон
Мало нейтронов
-1
0
Спектр позитронов
Примечание
Электронный
захват
Мало нейтронов
-1
0
K-захват; испускается
характеристическое
рент.излучение
Гамма
Возбужденное
состояние
Нет
Нет
Моноэнергетическое
Нет
Выбрасывается
орбитальный электрон;
Испускаются характ-е
рент.излучение
Внутренняя
конверсия
Возбужденное
состояние
Нет

41. Радиоактивный распад

dN
N
dt
- t
N(t) = N 0 e
T1 / 2
ln 2

42. Дочки-матери

A
λ1
B
λ2
C
-
1
t
A(t)
=
A
0 e
A
t
t
0
2
1
2
B(t)
(
e
e )
2
1

43. Дочки-матери

Вековое равновесие
TB<<TA ≈ ∞
Временное
равновесие
TA ≈ 10 TB
Нет равновесия
TA ≈ 1/10 TB

44. Дочки-матери Вековое равновесие

226Ra
222Rn
226Ra –Т1/2 = 1600 лет
222Rn – Т1/2 = 3,8 дня
или
90Sr 90Y 90Zr
90Sr - Т1/2 = 28 лет
90Y - Т1/2 = 64 часа
ARn (t) = AoRa(1 - e- Rn t )

45. Дочки-матери Временное равновесие

132Te
132I

46. Нет равновесия TA < TB

Нет равновесия
TA < TB

47. Ядерные реакции при бомбардировке ядер

(n, зар.ч-ца)
(n, гамма)
(n, деление)
1
0
n+105 B 37Li+24 He + Q
n+59 Co 60Co γ + γ
1
0
236
95
139
n+235
U
U
Mo+
La
92
92
1
0

48. Ядерные реакции деление тяжелых ядер

49. Ядерные реакции синтез

50. Ядерные реакции синтез

51. Радионуклиды

Радионуклиды – это радиоактивные
изотопы элементов. Например, U-238,
U-234, U-235, U-232 и др.
Происхождение радионуклидов:
Радионуклиды делятся на
естественные, т.е. образующиеся в
природе без участия человека, и
техногенные, появившиеся в
результате деятельности человека.

52. Естественные радионуклиды

Естественные радионуклиды делятся на :
«примордиальные», т.е. долгоживущие
радионуклиды, образовавшиеся в недрах
Земли несколько миллиардов лет назад,
космогенные, образующиеся в верхних
слоях атмосферы под действием
космического излучения.

53. Космогенные радионуклиды

Первичное космическое излучение
Частицы с очень высокими энергиями (более 1010 эВ)
В основном состоит из протонов и, частично, из более
тяжелых частиц
В основном идет извне солнечной системы и, частично,
из солнца в форме солнечных вспышек
Вторичное космическое излучение
Происходит в результате взаимодействия первичного
космического излучения с атмосферой
Состоит из низкоэнергетических фотонов, электронов,
нейтронов и мюонов

54. Наиболее значимые космогенные радионуклиды: H-3 (тритий) T1/2 = 12,28 г, C-14 T1/2 = 5,73*103 лет, Be-7 T1/2 = 53,44 дня, Na-22

Космогенные радионуклиды
Наиболее значимые космогенные
радионуклиды:
H-3 (тритий) T1/2 = 12,28 г,
C-14
T1/2 = 5,73*103 лет,
Be-7
Na-22
T1/2 = 53,44 дня,
T1/2 = 2,6 года.

55. Мощности дозы от космического излучения

4 x 10-8 Зв/ч на уровне моря
2 x 10-7 Зв/ч на высоте 4.6 км
3 x 10-6 Зв/ч на высоте 16.8 км

56. U-238 T1/2 = 4,47*109 лет, U-235 T1/2 = 7,00*108 лет, Th-232 T1/2 = 1,41*1010 лет, K-40 T1/2 = 1,28*109 лет, Rb-87 T1/2 =

Примордиальные радионуклиды
U-238 T1/2 = 4,47*109 лет,
U-235 T1/2 = 7,00*108 лет,
Th-232 T1/2 = 1,41*1010 лет,
K-40 T1/2 = 1,28*109 лет,
Rb-87 T1/2 = 4,7*1010 лет.

57. Радиоактивные ряды

РАДИОАКТИВНЫЕ РЯДЫ (радиоактивные семейства)
ряды радионуклидов, в которых каждый
последующий образуется в результате
радиоактивного распада предыдущего. Каждый из
радиоактивных рядов начинается радионуклидом с
большим периодом полураспада и заканчивается
стабильным нуклидом.
Известны 3 естественных радиоактивных ряда:
U-238, Th-232, U-235

58. Ряд урана-238

U-238
Th-230
Th-234
Ra-226
Pb-214
Pa-234
Rn-222
Bi-214
Bi-210
Po-214
Po-210
Pb-206
U-234
Po-218
Pb-210

59.

60. Техногенные радионуклиды

Всего известно несколько тысяч техногенных
радионуклидов.
Наиболее значимые:
Pu-239
T1/2 = 2,4*104 лет,
Cs-137
T1/2 = 31,7 года,
Sr-90
T1/2 = 28,6 года,
Co-60
T1/2 = 5,27 года,

61. Взаимодействие ИИ с веществом

Итогом ядерных превращениях является
ионизирующее излучение.
ИИ не воспринимаются органами чувств
человека: мы его не видим, не слышим и
не чувствуем воздействия на наше тело.
ИИ называются ионизирующими, т.к. в
процессе взаимодействия с веществом
производят: ионизацию (отрыв электрона
от атома) и возбуждение (перевод
электрона на другую оболочку).

62.

Взаимодействие ИИ с веществом
Для ионизации необходимо передать атому
энергию превышающую силы
электростатического притяжения электрона к
ядру (от 4-х до 25 эВ для разных элементов).
Неионизирующие излучения (видимый свет, УФ,
радиоволны) имеют энергию < 2,0 – 3 эВ.
ИИ разделяются на: непосредственно
ионизирующее и косвенно ионизирующее
излучение.

63. Взаимодействие ИИ с веществом

Непосредственно ионизирующее излучение заряженные частицы (альфа-, бета-,
протоны, ионы атомов).
Заряженные частицы взаимодействуя с электронами, производят
ионизацию и возбуждение атомов.
Косвенно ионизирующее излучение –
фотонное (рентгеновское и гаммаизлучение), нейтроны.
Фотон также передают электрону часть или всю энергию, а
освобожденный электрон производит ионизацию.
Нейтроны взаимодействуют с ядрами атомов, а ядра отдачи производит
ионизацию. Кроме этого при взаимодействии нейтронов с веществом
возможны ядерные реакции и деление ядра.

64.

Взаимодействие альфа-излучения с
веществом
Альфа-излучение – это
поток тяжелых
положительно
заряженных частиц.
А=4
Z=2
Закон Гейгера и Неттола:
lg = A lgR + B
Альфа-частицы - ядра
атома гелия и состоят
из двух протонов и
двух нейтронов.

65.

Взаимодействие альфа-излучения с
веществом
R [см] = 0.31 T 3/2 [МэВ]

66. Бета-частицы – это электроны, образующиеся при бета-распаде. Как правило, они имеют большие энергии и способны также вызывать

Взаимодействие бета – частиц
с веществом
Бета-частицы – это электроны,
образующиеся при бета-распаде.
Как правило, они имеют большие
энергии и способны также
вызывать ионизацию вещества,
но локально, в местах
взаимодействия.

67.

Взаимодействие бета – частиц
с веществом

68.

Взаимодействие бета – частиц
с веществом
Пробег бета-частиц
в воде 5-8 мм,
в воздухе до ~ метров.
Для защиты от бетаизлучения, достаточно
листа алюминия
толщиной несколько
миллиметров.

69.

Взаимодействие альфа и бета
излучения с веществом

70.

Взаимодействие гамма — излучения с
веществом
Рентгеновское и гамма-излучения - электромагнитные
излучения как радиоволны, видимый свет, УФ лучи.
Рентгеновское и гамма-излучения обладают одной
природой, отличаются условиями образования и
энергией, их можно рассматривать как поток частиц –
фотонов.
Гамма-излучение возникает при ядерных реакциях и
распаде радиоактивных веществ.
Рентгеновское излучение возникает при торможении
электронов (тормозное), при переходах атомов из одного
в другое состояние (характеристическое).
В качестве защиты от фотонного излучения эффективны
материалы с высоким удельным весом.

71.

Взаимодействие гамма — излучения с
веществом

72.

Взаимодействие гамма —
излучения с веществом
Фотоэффект
Ephotoelectron = Eincident photon – Ebinding
energy
Example:
Eincident photon = 80 keV
– E
= 20 keV
binding energy
---------------------------Ephotoelectron
= 60 keV
При низких энергиях (~ 100 кэВ)
доминирует фотоэффект:
+ атом атом+ + епри <<1 фэ~Z5/ 7/2
при >>1 фэ~Z5/

73.

Взаимодействие гамма — излучения с веществом.
Комптон эффект
При средних энергиях (E ~ 1 MэВ)
доминирует эффект Комптона:
+ е- + е-
К~Z/

74.

Взаимодействие гамма — излучения с веществом.
Комптон эффект

75.

Взаимодействие гамма — излучения с веществом.
Рождение пар
При высоких энергиях (E >> 1
MэВ) доминирует рождение пар:
+ ядро ядро + е- + е+
Для создания двух частиц требуется
минимальная энергия
2 x 0.511 MeV = 1.02 MeV
пар~Z2ln2

76.

Взаимодействие гамма — излучения с
веществом.
Вода
Суммарное
Фотоэффект
Комптоновское
рассеяние
Образование
пар
Энергия фотонов (МэВ)

77.

Взаимодействие гамма — излучения с веществом.
Ослабление.
d
N N
0 e
d: толщина материала
μ: коэффициент ослабления
СПО (HVL) : слой половинного ослабления
СДО (TVL) : слой 10-кратного ослабления

78.

Взаимодействие гамма — излучения с
веществом. Ослабление.
При фильтрации растет
эффективная энергия
излучения
P1
P2
P3
E1
E2
P4
E3
Energy
E4
Emax

79.

Взаимодействие гамма — излучения с
веществом. Ослабление.
моноэнерг.
СПО
СПО
СПО
СПО
1000
500
250
125
62
E1
E1
E1
E1
E1
немоноэнерг. *
СПО
СПО
СПО
СПО
1000
500
300
200
155
E1
E2
E3
E4
E5
* СПО для энергии E1
В качестве защиты от фотонного излучения эффективны материалы с
высоким удельным весом.

80.

Взаимодействие нейтронов с веществом.
Нейтроны – нейтральные, незаряженные частицы.
Нейтроны вылетают из ядер атомов при некоторых ядерных
реакциях, в частности, при реакциях деления ядер урана или
плутония.
Нейтроны нейтральны и поэтому обладают высокой проникающей
способностью. Ионизация среды в поле нейтронного излучения
осуществляется заряженными частицами, возникающими при
взаимодействии нейтронов с веществом.
Нейтроны способны превращать атомы стабильных элементов в их
радиоактивные изотопы.
От нейтронного излучения хорошо защищают водородсодержащие
материалы (парафин, полиэтилен).

81.

Взаимодействие нейтронов с веществом.

82.

Взаимодействие нейтронов с веществом.
Медленные нейтроны.
Захват: 1H (n, ) 2H
n + 1H 2H +
Захват 113Cd(n 114Cd
1n + 113Cd 114Cd +
Эмиссия - частицы
1n
+ 10B 7Li + 4He
10B(n, ) 7Li

83.

Взаимодействие нейтронов с веществом.
Медленные нейтроны.
Эмиссия протона:
1n
+14N 14C + p
14N(n, p)14C
Деление:
1n
+ 235U продукты деления

84.

Взаимодействие нейтронов с веществом.
Быстрые нейтроны.
Неупругое рассеяние: взаимодействие с частицей
значительно большей массы
После взаимодействия избыток энергии высвобождается испусканием электромагнитного излучения

85.

Взаимодействие нейтронов с веществом.
Быстрые нейтроны.
Упругое рассеяние – взаимодействие с частицей
приблизительно равной массы, например протон (как
бильярдные шары)
Для веществ с большим содержанием водорода: вода,
бетон, полиэтилен