Радиология. Ответы на экзаменационные вопросы, 2007 год.
1. Строение атома. Планетарная модель атома. Изотопы.
Атом состоит из положительно заряженного ядра и окружающего его облака
отрицательно заряженных электронов. В состав ядра входят протоны, -
положительно заряженные частицы, и нейтроны - частицы не имеющие заряда.
Общее их название - нуклоны. В любом атоме число протонов в ядре равно
числу орбитальных электронов, и атом в целом электронейтрален.
Взаиморасположение ядра и электронов, соотношение их масс и размеров
удобно рассматривать исходя из предложенной Э. Резерфордом и Н. Бором
«планетарной модели атома», основанной на некоторой аналогии в строении
Солнечной системы и атома, т. е. микро- и макромира. Уточнение Н. Бора
касается того, что электроны могут находиться в атоме только на
определенных стационарных орбитах, а переход электрона с одной орбиты на
другую сопровождается испусканием энергии (в строго определенных
пропорциях - квантах).
Разновидности атомов одного химического элемента, имеющие одинаковое число
протонов, но разное число нейтронов, называют изотопами. Другими словами,
изотопы - это атомы, имеющие одинаковый атомный номер (и, следовательно,
заряд ядра), но разное массовое число. Число известных атомов у каждого
элемента сильно варьируется. Оно меняется от трех у водорода до 27 - у
полония. Химические свойства всех изотопов одного элемента практически
одинаковы.
Изотопы принято обозначать в виде: ^M[z]X, где Х - символ химического
элемента, М - массовое число, а Z - атомный номер элемента или заряд ядра.
Поскольку кажды химический элемент имеет свой постоянный атомный номер, то
его обычно опускают и ограничиваются написанием только массового числа,
например, ^3Н, ^14С, ^137Сs и т. д.
Изотопы бывают стабильными, если их ядра устойчивы и не распадаются, и
радиоактивными, если их ядра неустойчивы и подвергаются изменениям,
приводящим в конечном итоге к увеличению стабильности ядра.
Неустойчивые атомные ядра, способные самопроизвольно распадаться,
называются радионуклидами.
В результате радиоактивного распада может образоваться как стабильный, так
и радиоактивный изотоп, в свою очередь самопроизвольно распадающийся.
Такие цепочки радиоактивных элементов, связанные серией ядерных
превращений, называются радиоактивными семействами.
По происхождению радионуклиды разделяют на естественные и искусственные
(или техногенные), появившиеся на Земле в результате деятельности
человека.
2. Строение атомного ядра. Зарядовое и массовое числа.
Атом состоит из положительно заряженного ядра и окружающего его облака
отрицательно заряженных электронов. В состав ядра входят протоны, -
положительно заряженные частицы, и нейтроны - частицы не имеющие заряда.
Общее их название - нуклоны. Сумма числа протонов и нейтронов в ядре
составляет массовое число (М).
Число протонов в ядре равно атомному номеру элемента (Z) и определяет
заряд ядра и положение элемента в Периодической системе Д. И. Менделеева.
В любом атоме число протонов в ядре равно числу орбитальных электронов, и
атом в целом электронейтрален.
6. Понятие периода полураспада. Кривая распада.
Период полураспада - время, в течении которого распадается половина
исходного количества радиоактивных атомов (Т[1/2]). Так как эта величина
константа, в следующий интервал времени, равный тому же значению Т[1/2],
распадается половина от оставшейся половины атомов, в итоге остается 1/4
часть, затем 1/8, 1/16 и т.д. - соответственно для отрезков времени,
кратных 3, 4, 5 и т.д. значениям Т[1/2]. Нетрудно убедиться, что
1000-кратное ослабление излучения произойдет по истечении времени, равного
10 периодам полураспада. В общей форме записать, что по прошествии n
периодов полураспада кратность ослабления составит 2^n.
Интегральная форма закона радиоактивного распада имеет вид:
N[t] = N[0]·e^-lt + N[0]·e^-0,693t/Т1/2.
Такая зависимость называется экспоненциальной, график ее изображен ниже
(кривая распада).
3. Сравнительная характеристика a-, b-, g-излучений.
Потоки частиц, испускаемые атомом в результате внутриядерных превращений,
называют радиоактивными излучениями, или радиацией.
a - излучение - это поток a-частиц,обладающих массой 4 а. е. и зарядом +2
и представляющих собой ядра атомов гелия (два протона +два нейтрона).
Возникает в результате a-распада, который характер для радиоактивных
изотопов с большими атомными номерами. Схема:
^M[z]X0x01 graphic
0x01 graphic
.
b - излучение - представляет собой поток электронов или позитронов.
Возникает в результате b-распада ядра атома. Если в ядре есть избыток
нейтронов, то один из них распадается с образованием протона, который
остается в ядре, электрона, который испускается в виде b-излучения, и
антинейтрино, не имеющего массы покоя и заряда, но уносящего из ядра часть
энергии. Антинейтрино очень трудно обнаружить, так как оно практически не
взаимодействует с веществом.
Позитрон - античастица электрона - образуется при распаде ядра с избытком
протонов. Такой тип b ^+-распада встречается гораздо реже, чем b^--распад
b^-: е^- ^M[z]X0x01 graphic
. Масса покоя 0,00055 а. е. м. Заряд -1.
b ^+: е^+ ^M[z]X0x01 graphic
. Масса покоя 0,00055 а. е. м. Заряд +1.
g-излучение - представляет собой поток фотонов или квантов
электромагнитного излучения. Фотоны могут существовать только в движении.
Их масса покоя равна нулю, но это не значит, что они вообще не имеют
массы. Массу движущего фотона можно рассчитать исходя из его кинетической
энергии Е=mc^2. Так при энергии излучения в 1 МэВ масса фотона составляет
0,001 а. е. м. Фотон носитель электромагнитного излучения - является в
одинаковой мере и квантом энергии, проявляющим волновые свойства, и
частицей.
При наличии в ядре избытка энергии, например, после a- или b-распада,
переход ядра из возбужденного состояния в стабильное может происходить
путем гамма-изомерного перехода, т. е. с испусканием гамма-квантов. При
этом атомный номер элемента и массовое число изотопа остаются прежними,
меняется только энергетическое состояние ядра.
a-, b-, g-излучения, имеющие разную природу, имеют разную проникающую
способность. Чем выше удельная ионизация, тем быстрее частица теряет свою
энергию, тем меньше ее проникающая способность и максимальный пробег.
Проникающая способность излучений изменяется в ряду a< b< способность зависит также от энергии излучения: она тем больше, чем больше энергия излучения. Степень воздействия излучения на биологические объекты зависти не только от вида и энергии излучения. Большое значение имеет также то, где по отношению к облучаемому объекту находится радионуклид. Различают внешнее облучение, если источник излучения находится вне облучаемого объекта, и внутреннее облучение, если источник находится внутри облучаемого объекта. Сравнительная степень опасности излучений различных видов при внешнем и внутреннем облучении a< b< 4. Сравнительная оценка опасности излучений разных видов при внутреннем и внешнем облучении. a-, b-, g-излучения, имеющие разную природу, имеют разную проникающую способность. Чем выше удельная ионизация, тем быстрее частица теряет свою энергию, тем меньше ее проникающая способность и максимальный пробег. Проникающая способность излучений изменяется в ряду a< b< способность зависит также от энергии излучения: она тем больше, чем больше энергия излучения. Степень воздействия излучения на биологические объекты зависти не только от вида и энергии излучения. Большое значение имеет также то, где по отношению к облучаемому объету находится радионуклид. Различают внешнее облучение, если источник излучения находится вне облучаемого объекта, и внутреннее облучение, если источник находится внутри облучаемого объекта. Сравнительная степень опасности излучений различных видов при внешнем и внутреннем облучении a< b< Для защиты от бета-излучения оргстекло и свинец. 5. Радиоактивность, радиоактивный распад. Единицы измерения активности. Радиоактивностью называют явление самопроизвольного превращения ядра атома, сопровождающееся испусканием частиц и (или) электромагнитного излучения. Это изменение происходит внутри атомного ядра. Радиоактивный распад - самопроизвольное превращение атомного ядра, приводящее к испусканию субатомных частиц (элементарных частиц или фрагментов исходного ядра). В результате радиоактивного распада может образоваться как стабильный, так и радиоактивный изотоп, в свою очередь самопроизвольно распадающийся. Такие цепочки радиоактивных элементов, связанные серией ядерных превращений, называются радиоактивными семействами. Активность (А) - это усредненное число распадов в единицу времени. Единицы измерения активности: 1 Бк(Беккерель)= 1 распал/с; 1 Ки(Кюри)= 3,7*10^10 распад/с 7. Типы радиоактивного распада. a-распада, который характер для радиоактивных изотопов с большими атомными номерами (U, Th, Ra, Rn). Схема: ^M[z]X0x01 graphic 0x01 graphic . Испускание a-частицы приводит к образованию нового химического элемента у которого заряд ядра меньше на 2 единицы и массовое число меньше на 4 единицы, чем у исходного элемента. b-распада ядра атома. Бывает у легких и тяжелых элементов. Известен в трех видах - b^-, b ^+ и электронный захват. Если в ядре есть избыток нейтронов, то один из них распадается с образованием протона, который остается в ядре, электрона, который испускается в виде b-излучения, и антинейтрино, не имеющего массы покоя и заряда, но уносящего из ядра часть энергии. Антинейтрино очень трудно обнаружить, так как оно практически не взаимодействует с веществом. Позитрон - античастица электрона - образуется при распаде ядра с избытком протонов. Такой тип b ^+-распада встречается гораздо реже, чем b^--распад b^-: е^- ^M[z]X0x01 graphic . Масса покоя 0,00055 а. е. м. Заряд -1. b ^+: е^+ ^M[z]X0x01 graphic . Масса покоя 0,00055 а. е. м. Заряд +1. Электронный захват (ЭЗ) - внутриядерное превращение начинается с захвата ядром одного из орбитальных электронов - из ближайшей к ядру К-оболочки. Электрон «проваливается» в ядро, и один из протонов преобразуется в нейтрон с одновременным испусканием нейтрино. Образовавшаяся вакансия в К-оболочке сразу же заполняется электроном с L-оболочки, что сопровождается характеристическим рентгеновским излучением.
