Основы радиохимии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Учреждение образования

«БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Контрольная работа по дисциплине «Радиохимия»

Учащейся 3 курса группы ФХМП:

Лицкевич Е.В.

Проверил преподаватель:

Дубоделова Е.В.

Минск 2016

Задание 1

Длина пробега б-частицы в воде составила 0,1, 1,0 и 1,5 см. Определить энергию частицы.

Для веществ, отличающихся от воздуха, пробег альфа-частицы оценивается выражением:

,

где - атомная масса вещества, а.е.м;

- энергия альфа-частиц, МэВ;

- плотность вещества, г/см³.

1. Определим энергию б-частицы с длинной пробега в воде 0,1 см.

2. Определим энергию б-частицы с длинной пробега в воде 1,0 см.

3. Определим энергию б-частицы с длинной пробега в воде 1,5 см.

Ответ: 1.

2.

3.

Задание 2

Основные закономерности б-распада. Для каких ядер наиболее характерен б-распад?

Схема альфа-распада выглядит следующим образом

(Размещено на http://www.allbest.ru/

1)

Ядро Х называют при этом материнским, а ядро Y - дочерним.

В настоящее время известно более 200 альфа-активных изотопов, большинство из которых принадлежит к тяжелым элементам с Z>92. Однако и среди редкоземельных элементов с А в диапазоне от 140 до 160 единиц также встречаются альфа-активные ядра.

Пример альфа-распада сверхтяжелого ядра сиборгия показан на рис.

Альфа-распад ядра ²⁶³Sg

Энергии альфа-частиц, образующихся при распаде тяжелых ядер, лежат в диапазоне от 4 до 9 МэВ. Для редкоземельных элементов этот диапазон находится между 2,0 и 4,5 МэВ. Поскольку при альфа-распаде дочернее ядро образуется, как правило, в возбужденном состоянии, акт распада сопровождается испусканием гамма-кванта или нескольких квантов, уносящих энергию возбуждения и переводящих ядро в основное состояние с минимумом потенциальной энергии. Поэтому в выражении для ядерной реакции над стрелкой или в конце, что правильнее, указывается значок гамма и, если необходимо, его энергия.

Теория альфа-распада впервые была предложена в 30-х гг. ХХ в. Георгием Гамовым и Эдвардом Теллером. В соответствии с современными воззрениями, основанными на кластерной модели ядра, альфа-частицы в радиоактивных ядрах существуют достаточно длительное время вблизи поверхности, где ядерное взаимодействие нуклонов минимально. При этом частицы располагаются в потенциальной яме, т. е. в области пространства, окруженной энергетическим потенциальным барьером (рис.).

Потенциальная яма для альфа-частиц в ядре: U - потенциальная энергия, U₀ - основной уровень, Н - высота барьера, r - расстояние от центра ядра, Е - начальная энергия альфа-частицы, R - радиус ядра, r₁ - расстояние отрыва частицы от ядра

Альфа-распад является свойством тяжелых ядер с массовыми числами A>200 и зарядовыми числами Z>82. Внутри таких ядер происходит образование обособленных б-частиц, состоящих каждая из двух протонов и двух нейтронов. Образовавшаяся б-частица подвержена большему действию кулоновских сил отталкивания от протонов ядра, чем изолированные протоны. Одновременно б-частица испытывает меньшее ядерное притяжение к нуклонам в ядре, чем отдельные нуклоны.

Скорости, с которыми б-частицы вылетают из распавшегося ядра, очень велики (~10⁷ м/с, кинетическая энергия порядка нескольких МэВ). Кинетическая энергия б-частиц возникает за счет избытка энергии покоя материнского ядра над суммарной энергией покоя дочернего ядра и б-частицы. В соответствии с законом сохранения импульса скорости б-частицы и дочернего ядра обратно пропорциональны их массам:

. (2)

Вычислим отношение кинетических энергий б-частицы и дочернего ядра, используя выражение (2):

(3)

Энергии (скорости) б-частиц, испускаемых радиоактивным веществом, как показывает опыт, являются строго определенными. В большинстве случаев радиоактивное вещество испускает несколько групп б-частиц близкой, но различной энергии. Это обусловлено тем, что дочернее ядро может возникать не только в основном, но и в возбужденных состояниях. На рис. приведена схема, поясняющая возникновение различных групп б-частиц, испускаемых при распаде ядра ₈₃Bi²¹².

В левой колонке показана схема энергетических уровней дочернего ядра ₈₁Bi²⁰⁸. Энергия основного состояния принята за нуль. Избыток энергии покоя материнского ядра над энергией покоя б-частицы и дочернего ядра в основном состоянии составляет 6,203 МэВ и равен сумме кинетических энергий б-частицы и дочернего ядра, если оно возникает в основном состоянии:

(4)

Совместное решение уравнений (3) и (4) позволяет вычислить кинетическую энергию б-частицы в этом случае:

. (5)

Группа б-частиц с кинетической энергией 6,086 МэВ обозначена на схеме через б ₀.

Если же дочернее ядро возникает в пятом возбужденном состоянии, энергия которого на 0,617 МэВ превышает энергию нормального состояния, то выделившаяся кинетическая энергия составит 6,203-0,617=5,586 МэВ и на долю б-частицы достанется 5,481 МэВ (группа частиц б ₅). Относительное количество частиц в группе б₀ составляет ?27%, в группе б₁ - ? 70%, в группе б₅ - всего лишь ? 0,01%. Относительные количества частиц в группах б₂, б₃, б₄ также очень малы (0,1 - 1 %).

Время жизни ф возбужденных состояний для большинства ядер лежит в пределах от 10^-8 до 10^-15 с. За время, равное в среднем ф, дочернее ядро переходит в нормальное или более низкое возбужденное состояние, испуская г-фотон. На рис. показано возникновение г -фотонов шести различных энергий.

Энергия возбуждения дочернего ядра может быть выделена и другими способами. Возбужденное ядро может испустить какую-либо частицу: протон, нейтрон, электрон или б-частицу. Наконец, образовавшееся в результате б-распада возбужденное ядро может отдать избыток энергии одному из окружающих ядро электронов внутреннего слоя. Самый близкий к ядру слой электронов в атоме принято называть К-слоем, над К-слоем расположен L-слой, затем следуют M, N-слои и т. д. Передача энергии от ядра электрону K-слоя происходит непосредственно, т. е. без предварительного испускания г-кванта.

Электрон, получивший энергию от ядра, вылетает из атома. Этот процесс называется внутренней конверсией. Образовавшееся в результате вылета электрона вакантное место заполняется электронами с вышележащих энергетических уровней. Электронные переходы во внутренних слоях атома приводят к испусканию рентгеновских лучей, имеющих дискретный энергетический спектр (характеристических рентгеновских лучей).

Установленные опытным путем потенциальная энергия б-частицы на различных расстояниях от центра ядра U(r) и полная энергия вылетающей из ядра б-частицы Е_б представлены на рис. На больших расстояниях от ядра на б-частицу действует только кулоновская сила отталкивания (потенциальная энергия ее положительная), а на малых расстояниях преобладает действие ядерной силы притяжения (потенциальная энергия - отрицательная). Из рис. 2 видно, что U_max>Е_б. На пример, б-частица, вылетающая из ядра ₉₂U²³⁸, имеет энергию 4,2 МэВ, а U_max = 28,1 МэВ.

Если потенциальная энергия частицы изменяется таким образом, как показано на рис., то принято говорить что частица движется в поле сил, которое можно представить в виде потенциального барьера. По законам классической механики полная энергия частицы не может быть меньше потенциальной энергии, поэтому в области r₁<r<r₂ б-частица находиться не может. Это означает что вылет б-частицы из ядра без сообщения ей дополнительной энергии, равной (U_max - Е_б), невозможен.

Явление б-распада объясняется квантовомеханической теорией, которая трактует б -распад как «просачивание» б-частицы через потенциальный барьер ядра. Прохождение частиц через потенциальный барьер называется туннельным эффектом. В квантовой механике не возникает парадокса в том случае, когда б-частица находится в области r₁<r<r₂, если ширина потенциального барьера (r₁-r₂) мала. Туннельный эффект играет заметную роль только при малой ширине потенциального барьера, соизмеримой с размерами атомов. Поясним причину отсутствия парадокса, используя соотношение неопределенностей Гейзенберга; этим соотношением исключается возможность приписать частице с любой степенью точности значения координаты x и импульса p. Следовательно, в квантовой механике исключается возможность представить полную энергию в виде суммы точно определенных частей - кинетической и потенциальной U(х) энергий. В таком случае фиксирование ширины потенциального барьера, требуемое для задания потенциальной энергии б-частицы, приводит к изменению ее кинетической энергии ДE_к. В случае малой ширины барьера возможно выполнение неравенства

(6)

Неравенство (6) показывает, что превышает ту энергию, которой недостает частице, находящейся внутри потенциальной ямы, для того, чтобы она могла «классическим способом» (т. е. над барьером) выйти из потенциальной ямы.

Согласно строгой квантовомеханической теории туннельного эффекта вероятность «просачивания» б-частицы через потенциальный барьер, создаваемый ядром, обычно мала. Так, например, лишь одна из 10³⁶ попыток б-частицы вырваться из ядра атома U²³⁸ может быть удачной, а все другие попытки приводят к отражению б-частицы от потенциального барьера[1].

Задание 3

Классификация нейтронов по энергиям. Упругое рассеивание нейтронов. Свободные нейтроны появляются в результате ядерной реакции, при этом их энергия достаточно велика, около 10МэВ (т.к. их Е_св=78МэВ). Однако, взаимодействуя с ядрами среды их энергия изменяется и может приобрести различные значения.

В этой связи реакторные нейтроны по энергии принято делить на три основные группы:

- тепловые (Е_n=10^-30.625 эВ)

- промежуточные или резонансные (E_n=0.62510³ эВ)

- быстрые (Е_n10³ эВ)

Но это формальные признаки, по физической сути быстрые нейтроны -это нейтроны, образованные при делении с Е10³ эВ. Кроме того, практически все ядра характеризуются резонансной структурой взаимодействия с нейтроном, которая расположена в общем случае по всему энергетическому спектру. Однако на физику ЯР основное влияние оказывает резонансная структура тяжелых ядер, которая сосредоточена как раз в области энергий нейтронов 110³ эВ (нижняя граница 0,625 эВ взята для Сd, который поглощает тепловые нейтроны). Тепловые нейтроны - это нейтроны, которые в результате своего движения в среде приобрели энергию теплового движения ее атомов и молекул.

Кроме того, необходимо отметить, что и атомные ядра также принято разбивать на 3 группы:

- легкие с А 40;

- средние 40;

- тяжелые А100[2].

Проходя через вещество, нейтроны практически не взаимодействуют с электронными оболочками атомов и молекул, так как нейтроны не имеют электрического заряда. Несмотря на то, что нейтрон обладает магнитным моментом, энергия взаимодействия его с магнитным моментом электрона весьма мала и не может достичь потенциала ионизации атома (порядка 10 эВ). Только в случае, когда магнитные моменты всех электронов атома ориентированы одинаково - в ферромагнетиках - это взаимодействие становится заметным, и по величине его определяют магнитный момент нейтрона.

В общем же случае основным видом взаимодействия нейтронов с веществом является их взаимодействие с атомными ядрами. И так как ядра занимают ничтожно малую часть объема атома, то проникающая способность нейтронов намного больше, чем заряженных частиц. В зависимости от того, попадает нейтрон в ядро или нет, его взаимодействие с ядром можно разделить на два класса:

1) упругое рассеяние под действием ядерных сил без попадания в ядро (упругое столкновение);

2) различные ядерные реакции, вызванные попаданием нейтрона в ядро.

Вид взаимодействия (и реакции) существенно зависит от энергии налетающего нейтрона. По величине энергии нейтроны делятся на быстрые и медленные. Нейтроны называются быстрыми, если их скорость так велика, что соответствующая ей длина волны де-Бройля намного меньше, чем радиус ядра, т. е. . Энергии быстрых нейтронов заключены в пределах от 0,1 МэВ и выше. Если , т. е. , то нейтроны называются медленными. Их энергия не превышает 0,1 МэВ.

Рассмотрим различные виды взаимодействия нейтронов с ядром.

Для элементов с малым атомным номером первый возбужденный уровень ядра обычно на 1 МэВ выше основного состояния ядра. Поэтому в случае легких элементов упругое рассеяние нейтронов с энергией 1 МэВ более вероятно, чем неупругое рассеяние.

Упругое рассеяние - это простейший тип взаимодействия нейтрона с ядром. Его можно рассматривать как упругое столкновение двух шаров: нейтрона и ядра. В этом случае выполняются законы сохранения кинетической энергии и импульса:

Ядро до столкновения покоится.

Рассмотрев абсолютно упругий центральный удар, можно найти, что доля кинетической энергии нейтрона, переданной ядру, равна

уменьшается с увеличением массы ядра , и при замедления нейтронов не будет вообще. Из написанной формулы следует, что имеет максимум при , т. е. максимальная доля энергии нейтрона теряется при рассеянии на ядре примерно равной массы, т. е. на протоне. Поэтому в качестве замедлителей нейтронов используются водородсодержащие вещества (H₂O,D₂O и др.). Расчеты показывают, что средняя энергия нейтронов после одного столкновения с протоном уменьшается вдвое (удар не является абсолютно упругим):

,

после соударений энергия нейтрона

.

Замедление нейтронов продолжается до тех пор, пока их энергия не станет равной энергии теплового движения атомов вещества - замедлителя, т. е. пока не станет ~ (- постоянная Больцмана, Т - абсолютная; температура). При комнатной температуре ~ энергия теплового движения равна 0,025 эВ. Нейтроны с такими энергиями относятся к тепловым (они находятся в тепловом равновесии с атомами среды)[1].

Задание 4

Полупроводниковые детекторы. Принцип действия. Особенности использования. Полупроводниковые детекторы. Потенциал ионизации воздуха (газа) составляет 30-34 эВ, а кремния - 3,6 эВ. Поэтому частицы с одинаковой энергией, попав в газ и в кремний, в кремнии образуют приблизительно в 8 раз больше электронно-дырочных пар, чем электронно-ионных пар в газе. В связи с этим в некоторых случаях лучше использовать в качестве рабочего вещества не газ, а полупроводник, особенно для измерений малоинтенсивных излучений.

Рассмотрим принцип работы p-n-перехода. Он представляет собой контакт полупроводников p- и n- типа, где n-тип - это донорный полупроводник, в котором основными носителями заряда являются свободные электроны, p -тип - акцепторный полупроводник, в котором основными носителями заряда являются дырки (но каждый из них электронейтрален).

Если полупроводники p- и n-типа привести в контакт без подключения внешнего напряжения, то вследствие теплового движения электроны из n-области будут переходить в p-область и там рекомбинировать с дырками, а дырки из p-области - в n-область и рекомбинировать с электронами. Поэтому в n-области, вблизи границы раздела (на расстоянии, на котором большая часть дырок еще не успела рекомбинировать), появится положительный объемный заряд, а в p-области - отрицательный объемный заряд, т. е. образуется тонкий слой избыточных неосновных носителей заряда, приводящих к возникновению внутреннего электрического поля Е. Это поле препятствует дальнейшему переходу носителей заряда из обрасти, где они были основными носителями, в область, в которой они являются неосновными носителями заряда. Поэтому через некоторое время установится состояние динамического равновесия с определенным значением напряженности внутреннего электрического поля Е₀ в тонком приграничном слое шириной d₀ и ток через p-n-переход будет равен нулю.

Если в этот слой попадает ионизирующая частица, Она образует новые электронно-дырочные пары, что приводит к нарушению установившегося равновесия, и образовавшиеся электроны и дырки под действием внутреннего электрического поля устремляются через p-n-переход, т. е. возникает импульс тока. Режим работы полупроводникового детектора ионизирующих излучений без подачи внешнего напряжения называется вентильным режимом. Импульсы тока в этом случае очень слабы, поэтому чаще используют другой режим работы: на диод подают запорное напряжение. Напряженность внешнего электрического поля в этом случае совпадает с напряженностью внутреннего поля. Внешнее электрическое поле способствует переходу через p-n-переход неосновных носителей заряда (электронов из p-области в n-область, а дырок - в обратном направлении), но препятствует переходу основных носителей заряда. Основные носители заряда «оттягиваются» полем от границы между областями, что приводит к расширению запорного слоя и увеличению его сопротивления. Поэтому при подаче запорной напряжения через p-n-переход течет ток, создаваемый только неосновными носителями заряда, и величина очень мала. Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода представлена на рис.

Когда ток направлен от p- к n-области, сила тока велика и быстро увеличивается с ростом напряжения. Следовательно, p-n-переход для этого направления тока имеет малое сопротивление. Если же ток направлен от n- к p-области, сила тока весьма мала (i₃) и почти не зависит от напряжения. Для этого направления тока (запорное направление) p-n-переход имеет большое сопротивление. При попадании ионизирующей частицы в область p-n-перехода в ней образуются дополнительно электронно-дырочные пары, т. е. как основные, так и неосновные носители заряда. Это приводит к уменьшению сопротивления p-n-перехода. Неосновные носители, ускоряемые внешним электрическим полем, устремляются через p-n-переход, т. е. возникает кратковременный ток (импульс тока), по величине значительно превышающий i₃.

Если необходимо определить не только число частиц, но и их пространственное распределение, выполняют на одной подложке множество p-n-переходов в виде полосок. Каждая такая полоска имеет свой канал регистрации. Такие детекторы называются микрополосковыми.

Основные достоинства полупроводниковых счетчиков:

1) мертвое время составляет примерно 10^-9 с; |

2) обладают высокой чувствительностью;

3) могут работать в магнитных полях.

Недостатком является то, что малая толщина рабочей области (порядка сотни микрометров) не позволяет применять их для измерения высокоэнергетических частиц[1].

Задание 5

Основные способы пробоподготовки продукции для определения удельной активности образцов, содержащих Sr90. Стронций, Sr (лат. Strontium) - химический элемент с атомным номером 38, мягкий щелочноземельный металл серебристо-белого цвета. Очень химически активен и на воздухе быстро окисляется. Элемент обнаружили в минерале стронцианите, найденном в 1764 г. в свинцовом руднике близ шотландской деревни Строншиан, откуда и название элемента. Правда, присутствие в этом минерале оксида нового металла было установлено почти через 30 лет Уильямом Крюйкшенком и Адером Кроуфордом.

Содержание стронция в земной коре составляет 0,384%, он входит в состав 40 минералов. Из них наиболее важные - целестин (SrSO₄) и стронцианит (SrCO₃), имеюшие промышленное значение. Стронций также содержится в морской воде (0,1 мг/л) и в почве (0,035%).

В природе стронций встречается в виде смеси 4 стабильных изотопов ⁸⁴Sr (0,56%), ⁸⁶Sr (9,86%), ⁸⁷Sr (7,02%), ⁸⁸Sr (82,56%).

Этот металл белого цвета, не тяжелый (плотность 2,6 г/см³), довольно мягкий, плавящийся при 770°C. По химическим свойствам он типичный представитель семейства щелочноземельных металлов.

Радиоактивный стронций в значительных количествах образуется при ядерных взрывах, а также в ядерных реакторах, где он является одним из наиболее вероятных продуктов деления ядер урана.

СТБ 1059 распространяется на пищевые продукты, питьевую воду, сельскохозяйственное сырье и корма и устанавливает методы подготовки проб для последующего определения содержания стронция-90. Стандарт устанавливает общие требования к методикам радиохимического выделения стронция-90 для дальнейшего определения его активности по дочернему изотопу Y-90.

Утвержден и введен в действие постановлением Госстандарта Республики Беларусь от 5 февраля 1998г. № 3

Государственный орган: государственный комитет по стандартизации Республики Беларусь [3]

Первичная подготовка проб к измерениям включает в себя обычную обработку пищевых продуктов на первом этапе приготовления пищи и измельчение их с целью лучшего усреднения пробы и увеличения массы пробы, которую можно разместить в измерительной кювете:

- клубни, корнеплоды, фрукты, пищевую зелень, мясо, рыбу и т.п. промывают проточной водой, удаляют несъедобные части продуктов, с колбасных изделий, сыра, с кондитерских изделий снимают защитную оболочку, измельчают с помощью ножа, мясорубки и т.п.;

- твердые продукты, крупяные, бобовые, макаронные, хлебобулочные изделия измельчают с помощью ножа, мясорубки, терки, кофемолки;

- вязкие продукты (сгущенное молоко, мед, джемы и т.п.) при необходимости можно разбавлять до нужной консистенции дистиллированной водой, определив и зафиксировав исходную массу продукта и объем приготовленной смеси.

Приготовление счетного образца для измерения цезия-137 и стронция-90 зависит от используемого метода измерения и чувствительности используемой радиометрической установки.

При измерении нативных проб предварительно подготовленная проба размещается в выбранной измерительной кювете.

Выбор измерительных кювет определяется методикой измерения радионуклида, допустимым уровнем активности радионуклидов в пищевых продуктах; характеристики измерительных кювет приведены в инструкциях к используемым радиометрическим установкам.

Для определения массы измеряемого образца кювету взвешивают до и после ее заполнения. сиборгий нейтрон радиохимический

При необходимости увеличения чувствительности применяемых при исследовании методов измерения возможно использование аттестованных и утвержденных в установленном порядке методов термического концентрирования или частичного либо полного радиохимического выделения определяемого радионуклида.

Для измерения активности стронция-90 рекомендуются бета-спектрометры или бета-радиометры, характеризующиеся значением минимальной измеряемой активности 0,1 - 1,0 Бк.

В тех случаях, когда чувствительности бета-спектрометра (радиометра) не хватает для измерения содержания стронция-90 в нативных пробах, производят концентрирование путем термической обработки или при помощи специальных радиохимических методик.

Радиохимические методики концентрирования используются также для продуктов, термическое концентрирование которых затруднительно и трудоемко, например молочные продукты, сгущенное молоко, жиры и т.п. В основу таких методик положены методы химического разложения (денатурирование белка, омыление жиров и т.п.) с последующим соосаждением стронция-90 и иттрия-90 с оксалатами кальция или другими неизотопными носителями. Получаемые осадки служат счетными образцами при бета-спектрометрических измерениях[4].

Литература

1. Ветрова, В.Т. Курс радиационной безопасности /В.Т. Ветрова. - Минск: Ураджай, 1995.

2. Взаимодействие нейтронов с ядрами. - portal.tpu.ru:7777/SHARED/b/BOIKOVI/study/Tab/lect2.doc

3. СТБ 1059-98. - URL: http://tnpa.by/KartochkaDoc.php?UrlRN=19344

4. Приготовление счетных образцов и измерение активности стронция-90 и цезия-137 в пробах пищевых продуктов. - URL: http://www.zakonprost.ru/content/base/part/362344

5. Ветохин, С.С. Пособие для студентов специальности 1-54 01 03 «Физико-химические методы и приборы контроля качества продукции»

Размещено на Allbest.ru