Використання досягнень сучасної ядерної фізики

Міністерство освіти і науки України

Реферат на тему:

Використання досягнень сучасної ядерної фізики

Херсон 2009

План

1. Ядерна фізика в хімії

2. Ядерна фізика в археології

3. Ядерна фізика в медицині

4. Ядерна фізика в геології

1. Ядерна фізика в хімії

Ядерна фізика -- порівняно молода наука, але темпи її розвитку настільки високі, що вже сьогодні досягнення фізиків-ядерників вражають своєю масштабністю.

Завдяки ядерній фізиці промисловість озброїлася атомними електростанціями і реакторами для опріснення води й отримання трансуранових елементів. Крім того, були винайдені джерела у-випромінювання для дефектоскопії, активаційний аналіз для експрес-визначення домішок у сплавах, вугіллі тощо. Величезне значення мають ізотопні джерела струму і тепла. їх застосовують для енергопостачання важкодоступних районів і автоматичних станцій (наприклад, метеорологічних або супутників Землі). Джерела у-випромінювання застосовуються для автоматизації різних операцій (наприклад, вимірювання щільності середовища, товщини вугільного шару і т. ін.).

У сільському господарстві знайшли застосування установки для опромінення овочів і фруктів з метою вберегти їх від гниття й цвілі. Крім того, розроблені способи виведення нових сортів рослин шляхом генетичних трансмутацій.

Неоціненною є допомога ядерної фізики в геології, медицині, біології і багатьох інших областях знань завдяки тому, що за її допомогою можна одержувати неймовірно точні й швидкі результати.

Однак чорнобильська катастрофа поставила під сумнів ідею використання ядерної енергії як оптимальної альтернативи природним джерелам енергії Крім того, з кожним роком чимраз гострішою стає проблема поховання ядерних відходів, а ядерна зброя дотепер залишається одним із найнебезпечніших видів озброєння. Техногенні катастрофи, які останнім часом почастішали, висунули перед ученими нове завдання -- навчитися використовувати ядерну фізику, максимально убезпечивши навколишнє середовище й людину від можливих негативних наслідків.

Основне застосування радіонуклідів і радіоактивного випромінювання в хімії -- область аналізу якісного й кількісного складу речовини. Ця галузь хімічного знання одержала назву радіоаналітичної хімії.

До відкриття штучної радіоактивності кількість радіонуклідів, які були б придатні для застосування в аналізі, була дуже обмеженою. Однак згодом були розроблені радїоаналітичні методи, що базуються на вимірюванні радіоактивності, причому природні радіоактивні елементи використовувалися як реагенти, що взаємодіють з іншими, речовинами. Набагато ширше радіонукліди почали застосовуватися в аналізі тільки після налагодження виробництва необхідних штучних радіонуклідів у ядерних реакціях. Це й дало поштовх до розвитку радіо-аналітичної хімії.

Радіоаналітична хімія, що виникла на стику аналітичної хімії і прикладної радіохімії, використовує при якісному і кількісному аналізі речовин ядерні характеристики відповідних нуклідів.

Методи радіоаналітичної хімії дозволяють визначити речовини, виявляючи й вимірюючи ядерне або характеристичне рентгенівське випромінювання. Причому це випромінювання може випускати як сама досліджувана речовина, так і її радіоактивний ізотоп. Ізотопи можуть бути присутніми у речовині, додаватися до неї або виникати в результаті активації. Крім того, можливою є ситуація, коли випромінювання виникає в результаті різних процесів, що відбуваються з речовиною (відбивання, поглинання, розсіювання і т. ін.).

Доведено, що інтенсивність випромінювання прямо пропорційна концентрації досліджуваної речовини. Тому найбільше застосування радїоаналітичні методи мають насамперед у кількісному аналізі. Набагато рідше використовуються методи радіохімічного якісного аналізу, що дозволяють визначити невідоме джерело випромінювання за періодом піврозпаду, типом та енергією випромінювання.

Усі методи радіоаналітичної хімії можна поділити на дві групи:

-- радіохімічний аналіз;

-- радіоаналітичні методи.

Радіохімічний аналіз використовується для вивчення систем природних і штучних радіонуклідів.

До групи радіоаналітичних методів належать головним чином індикаторні методи. Вони ґрунтуються на тому, що в аналізований матеріал вводиться радіоактивний ізотоп визначуваного елемента (або його сполука) у відомій кількості й з відомою активністю. До індикаторних методів належать:

-- метод ізотопного розведення;

-- радіоімунологічний аналіз;

-- методи радіоактивних реагентів.

До радіоаналітичних методів належить також активаційний аналіз. Він базується на вивченні радіонукліда, що виник в аналізованому зразку безпосередньо в результаті ядерної реакції. З погляду практичного проведення експерименту цей метод значно складніший, ніж індикаторний.

Існують також неактиваційні методи аналізу. У їхній основі лежать явища поглинання й розсіювання різних видів випромінювання (б-, в-, г-, нейтронного та ін.) при їхньому проходженні крізь аналізовану речовину. Іншими словами, неактиваційні методи використовують процеси взаємодії випромінювання з речовиною.

2. Ядерна фізика в археології

На перший погляд, ядерна фізика не може мати нічого спільного з археологією -- наукою, що вивчає історію людства, спираючись на знайдені матеріальні цінності (знаряддя праці, предмети мистецтва). Однак перед археологами постійно стоїть проблема -- як визначити точний вік знахідки? Відповісти на це питання можна, по-перше, спираючись на письмові джерела, а по-друге, за допомогою радіокарбонового методу хронологічного маркування викопних знахідок органічного походження. Винахідник цього методу Ліббі був удостоєний Нобелівської премії з фізики.

Сутність методу полягає у вимірюванні залишкової радіоактивності А знайденого предмета і порівняння її з певним стандартним значенням А_а. Існує сувора залежність між віком предмета й величиною залишкової радіоактивності, що дозволяє точно встановити вік знахідки, тобто чим сильніше відрізняється А від А_а, тим старішим є предмет.

Наведемо теоретичне обґрунтування цього методу. Як відомо, у процесі життєдіяльності рослини засвоюють із повітря СО₂ . Основна частина Карбону, що входить до складу вуглекислоти -- це ізотопи ¹²С (99 %) і ¹³С (? 1 %), однак крім них до складу СО₂ входить дуже мала (приблизно 10^-10%) домішка радіоактивного Карбону ^І4С, що виникає в результаті ядерної реакції в атмосферному азоті:

Вміст ¹⁴С в атмосфері з часом практично не змінюється, тому процентний вміст ¹⁴С у живій рослині незмінний.

Період піврозпаду для ¹⁴С:

(^І4С) ? 5000 років

Таким чином, вимірявши радіоактивність предмета і порівнявши її зі стандартною величиною, можна визначити час виготовлення предмета.

Аналогічно визначається і дата смерті живої істоти Вимірювання радіоактивності останків базується на тому, що протягом життя тварина має постійне число ядер ^І4С на 1 г Карбону; травоїдні тварини одержують ^І4С із рослин, а м'ясоїдні -- поїдаючи травоїдних.

Незважаючи на простоту і відносну універсальність, цей метод має ряд недоліків, які призводять до того, що аналіз стає дуже трудомістким. Так, існує небезпека забруднення зразка більш молодим Карбоном. Враховуючи мікро-кількості ¹⁴С, можна припустити, що навіть незначні кількості молодого Карбону можуть призвести до величезних похибок (наприклад, 0,1 % молодого Карбону збільшує радіоактивність зразка вдвічі, тоді обчислений вік зразка виявиться меншим від істинного на період піврозпаду ^І4С, тобто на 5 000 років). Для того щоб уникнути цієї проблеми, розроблені спеціальні способи очищення зразків від забруднення молодим Карбоном. Адже саме ступінь очищення, а точніше -- залишкове забруднення молодим Карбоном визначає верхню межу застосування радіокарбонового методу.

Ще однією проблемою в застосуванні цього методу є те, що вміст радіоактивного і нерадіоактивного Карбону в атмосфері коливається в межах декількох відсотків у залежності від місця й часу вимірювання. Наприклад, після вибуху Водневої бомби виникає надлишок радіоактивного Карбону, а при спалюванні великих кількостей палива (кам'яне вугілля, нафта) у промислових районах спостерігається різке збільшення вмісту нерадіоактивного Карбону. Стандартним показником радіоактивності в цьому випадку виступають річні кільця багаторічних дерев. Справа в тому, що радіоактивність річного кільця відбиває радіоактивність навколишнього середовища в тому році, коли це кільце утворилося Таким чином, з огляду на розпад "Є у часі, можна з високою точністю встановити вік археологічної знахідки.

3. Ядерна фізика в медицині

Здатність атомних ядер випускати у-кванти дало можливість використовувати їх у різних галузях медицини, і насамперед -- у діагностиці, лікуванні й дослідженні функцій різних органів. Малі розміри ядер дозволяють їм безперешкодно проникати в будь-які куточки організму, а безперервне випускання випромінювання дозволяє точно визначити їхнє місце розташування Розглянемо ряд методів, що дозволяють проводити діагностику органів людини У більшості випадків вони грунтуються на здатності організму накопичувати в тканинах певні хімічні елементи. Так, наприклад, кісткова тканина виділяє з організму і накопичує Фосфор, Кальцій і Стронцій, щитовидна залоза -- Іод, печінка -- барвники і т. ін. При цьому хворий і здоровий органи характеризуються різною швидкістю накопичення речовин. Особливо широке застосування знайшов у-радіоактивний ізотоп Іоду. Його використовують при діагностиці відхилень щитовидної залози. Здорова щитовидна залоза накопичує до 10 % введеного Іоду протягом двох годин. Якщо ж активність залози підвищена (тобто за той самий час вона накопичує набагато більше Іоду) або знижена, то наявним є порушення нормального режиму її функціонування, тобто хвороба

Кількість накопиченого залозою Іоду визначається у-лічильниками, які вловлюють у-випромінювання радіоактивного ізотопу. Для здорового органа існує оптимальна інтенсивність випромінювання через певний час. Порівнюючи це значення з отриманим експериментально, можна зробити висновок про стан органа.

Дослідження роботи печінки також можна проводити за допомогою ізотопу ¹⁵¹І, якщо позначити ним спеціальний органічний барвник бенгалроз. Цей метод базується на тому, що введена в організм (точніше, у кров) фарба виводиться тільки через печінку. Швидкість переходу фарби з крові в печінку, час затримки в печінці й швидкість виведення з печінки в зовнішнє середовище визначаються станом печінки. Якщо швидкості переходу й виведення зменшуються, а час затримки збільшується, це сигналізує про захворювання печінки. Зміну концентрації барвника в печінці встановлюють, реєструючи у-лічильником інтенсивність випромінювання ізотопу ^ШІ. Цей метод можна застосовувати і для діагностики захворювань нирок, але використовуючи інший препарат.

Радіонукліди використовуються для виявлення злоякісних утворень у різних органах. Діагностика онкологічних захворювань ґрунтується на тому, що клітини пухлини накопичують радіоактивний препарат інакше, ніж здорові тканини. Деякі ізотопи (наприклад ³²Р) накопичуються в пухлинних клітинах набагато активніше, ніж у здорових. Причина полягає в тому, що сполуки Фосфору є багатим джерелом енергії, яка необхідна для росту злоякісних тканин.

Для виявлення пухлин також використовуються радіоактивний Іод ¹³¹І і колоїдне золото ¹⁹Аu. Фосфор ³²Р в основному використовують для діагностики пухлин, що виникають біля поверхні тіла або в легкодоступних місцях (шкіра, м'які тканини кінцівок, гортань, стравохід і т. ін.). Це продиктовано тим, що пробіг в-частинки, яка випромінюється Фосфором, не перевищує 8 мм. На відміну від Фосфору, радіоактивні Іод і Аурум випускають у-випромінювання, здатне легко пронизувати тканини тіла людини, тому вони використовуються в діагностиці пухлин внутрішніх органів. Радіоактивний ізотоп можна вводити в організм шляхом ін'єкцій з фізіологічним розчином (¹⁹Аи) або в складі речовин, що добре поглинаються діагностованим органом ('"І уводять разом з бенгалроз для оцінки стану печінки, разом із диіодофлуоресцеїном або альбуміном -- для мозку і т. ін.).

Крім того, за допомогою радіонуклідів вивчають шляхи і способи виведення з організму отруйних речовин, засвоєння й виведення лікарських препаратів, поведінку мікроорганізмів (мічені мікроби в епідеміології) і т. ін. Широко відомий метод променевої терапії, що базується на впливі випромінювання або на нервову систему, або безпосередню на хворий орган. Застосування цього методу є можливим завдяки тому, що клітини злоякісного утворення більш чутливі до опромінення, ніж звичайні клітини.

Єдиним нездоланним недоліком впливу радіонуклідів на організм є те, що радіоактивне випромінювання викликає іонізацію атомів і молекул усіх речовин, що утворюють організм. Отримані іони реагують із молекулами всіх тканин, у тому числі й здорових, що призводить до порушень в обміні речовин і припиняє розмноження клітин (у тому числі й здорових). Тому у випадках використання променевої терапії особлива увага приділяється тому, щоб максимально захистити здорові тканини від впливу опромінення.

4. Ядерна фізика в геології

Неважко припустити, що поклади мінералів, які мають природну радіоактивність, знайти нескладно. Методи їхнього виявлення зводяться до реєстрації їхніх випромінювань, причому для попередньої розвідки достатньо аналізу, проведеного з літака. Однак ядерна фізика допомагає вирішувати і складніші завдання, а саме -- виявляти родовища мінералів, що не мають природної радіоактивності. У цьому випадку розвідка копалин проводиться нейтронами і у-квантами, а іноді й електронами.

Якщо породу опромінювати у-квантами, то відбуватиметься розсіювання й поглинання випромінювання породою. Поглинання у-квантів призводить до утворення нейтронів, реєструючи інтенсивність яких, можна зробити висновки про характер породи. Важливу інформацію несуть також інтенсивність розсіяних у-квантів і ступінь їхнього поглинання. Наприклад, за розсіюванням і поглинанням у-випромінювання судять про вологість і густину породи, за числом нейтронів, що утворюються -- про вміст у породі Берилію, а у воді -- дейтерію.

Що стосується опромінення нейтронами, то тут обсяг інформації, яку можна одержати, набагато більший, ніж у попередньому методі У породі нейтрони можуть зазнавати послідовних пружних і непружних зіткнень з атомними ядрами. Процеси, які відбуваються при цьому, істотно розрізняються, що дозволяє розробити методи розпізнавання великої кількості атомних ядер, а отже, точно визначати властивості копалин.

Розглянемо детальніше, які процеси відбуваються при взаємодії нейтронів із ядрами атомів.

У результаті непружних взаємодій ідуть реакції поглинання нейтрона з випромінюванням протона, б-частинки або антинейтрона. Це призводить до виникнення нових -- радіоактивних -- ядер і частинок. Нейтрон при цьому може або перейти до складу утвореного ядра, або позбавитися частини своєї енергії.

Пружне розсіювання призводить до уповільнення нейтрона (тобто він втрачає свою енергію поступово) у процесі переміщення в породі. У результаті нейтрон або перетворюється на тепловий нейтрон, або поглинається ядром атома Параметрами, що характеризують середовище у цьому випадку, виступають інтенсивність розсіяних нейтронів, час уповільнення швидкого нейтрона і відстань, яку він подолає за цей час.

Тепловий нейтрон (тобто нейтрон, кінетична енергія якого в результаті зіткнень зрівнялася з енергією теплового руху атомів) переміщатиметься у породі доти, поки не поглинеться атомним ядром. При цьому властивості середовища визначають інтенсивність теплових нейтронів, час життя й шлях, пройдений ними до поглинання. Часто ці дані використовуються для визначення вмісту в середовищі Гідрогену (вода, нафта) і солей.

У результаті поглинання повільних і теплових нейтронів відбувається випромінювання г-кванта й утворення штучно-радіоактивних ядер. Параметрами, що залежать від властивостей середовища, є характер радіоактивності ядер (в, г), період піврозпаду, інтенсивність випромінюваних частинок і їхня енергія

У силу того, що відстань, яку частинка проходить у породі, досить мала, необхідно, щоб джерело випромінювання, детектор і досліджуване середовище знаходилися на відстані не більше декількох десятків сантиметрів Тому основною областю застосування цієї методики є дослідження нафтових, газових, вугільних, рудних та ін. свердловин. Цей метод дослідження називається радіоактивним каротажем свердловин. Для його проведення в свердловину опускають глибинний прилад, що складається з джерела й детектора випромінювання, розділених екраном. Комбінуючи джерела (г або n) і детектори (г або n), можна моделювати і вивчати кожен з процесів взаємодії г-випромінювання і нейтронів із ядрами. На основі цього виділяють n-n-каротаж, г-г-каротаж, г-n-каротаж і т. ін. Існує також у-каротаж, за допомогою якого можна визначати фонову радіоактивність у-радіоактивних порід.

Як джерела г-квантів використовують штучно-радіоактивні ізотопи Кобальту, Цезію та ін . як джерела нейтронів -- Ро-Ве- або Pu-Be-джерела та імпульсні нейтронні генератори.

Використання каротажу дозволяє точно визначити вид копалини. Наприклад, у-у-каротаж виділяє вугільні шари, п-п- і n-г-каротаж дають можливість виділяти гідрогенвмісні шари (тобто породи насичені водою або нафтою) і породи, що здатні посилено поглинати нейтрони (бор, хлор і ін ) Якщо ж два останні методи застосовувати разом, то можна розрізняти воду й нафту, тому що підземна вода звичайно сильно засолена (містить NaCl та інші солі)

Слід зазначити, що на корисні копалини багате дно морів і океанів. Розвідка них покладів стала набагато простішою та ефективнішою завдяки методам, що ґрунтуються на ядерних реакціях

Опромінення поверхні дна океану нейтронами надає ядрам атомів, що входять до складу ґрунту, наведеної радіоактивності. Виявляється вона за допомогою у-детектора. Ядерний склад породи при цьому визначається завдяки тому, що енергія у-квантів, які випромінюються різними ядрами, і період піврозпаду - індивідуальні характеристики атома певного виду Технічно це здійснюється за допомогою спеціального ядерного зонда, що являє собою запаяну вакуумну прискорювальну трубку, у якій здійснюється ядерна реакція генерування нейтронів

Пучки нейтронів, отримані цим методом, можуть мати енергію до 14 МеВ.

Список літератури

Кучерук І.М., Горбачук І.Т., Луцик П.П. Загальний курс фізики. Т.1. Механіка. Молекулярна фізика і термодинаміка. -К, 1999.-532с.

Матвеєв О.М. Механіка і теорія відносності. -К., 1993.-288с.

Сивухин Д.В. Общий курс физики: В 6 т. Т.1.Механика.-М., 1989.-520с.

Іванків Л.І., Палюх Б.М. Механіка.- К., 1995.- 227с.

Хайкін С.Е. Фізичні основи механіки.- К., 1966.- 743с.

Кушнір Р. Курс фізики. Ч.1: Механіка. -Львів, 2000.- 196с.

Савельев И.В. Курс общей физики: В 3 т. Т.1. Механика. Молекулярная физика.- М., 1987.- 416с.

Иродов Н.Е. Основные законы механики.- М., 1985.- 248с.