Белгіленген» атомдар әдісі. Стабильді изотоптар және радиоактивті индикаторлар
Кіріспе
«Белгіленген» атомдар әдісі. Стабильді изотоптар және радиоактивті индикаторлар.
І тарау. Радиоактивтілік
1.1. «Белгіленген» атомдар әдісі дамуының тарихи бөлімдері
1.2. Ядролардың құрылысы мен беріктілігі
1.3. Радиоактивті ыдырау заңдары
ІІ тарау. Сәулеленуді тіркеу
2.1. Радиоактивті сәулеленуді тіркеудің иондық әдістері
2.3. Гейгер.Мюллер есептегішінің есептік сипаттамасы
2.4. Радиоактивті сәулеленуді тіркеудің сцинтилляциялық әдістері
2.5. Сцинтилляциялық есептегіштер
2.6. Cцинтилляциялық есептегішпен ядролық сәулеленуді тіркеу механизмі
2.7. Сцинтилляциялық есептегіштің есептік сипаттамасы
ІІІ тарау. Радиоактивті изотоптарды идентификациялаудың физикалық әдістері
3.1. Радиоактивті изотоптардың жартылай ыдырау периодын және ыдырау тұрақтысын анықтау
3.2. Радиоактивті изотоптардың сәулелену энергиясын анықтау
.бөлшектің максимал энергиясын анықтау
3.3. Алюминийде жұтылу бойынша β.бөлшектердің максимал энергиясын анықтау
IV тарау. Дозиметрия
4.1. Дозиметрияның негізгі түсініктері
4.2. және . сәулелену көзімен құрылатын мөлшерлер есебі
4.3. Сәулеленуден қорғану
4.4. Дозиметрлік бақылау құрылғылары
V тарау. Радиоактивті индикаторлар әдісі және оның қолданылуы.
5.1. Белгіленген атомдар әдісінің артықшылықтары
5.2. Белгіленген атомдар әдісінің шектелулері
Әдебиеттер:
«Белгіленген» атомдар әдісі. Стабильді изотоптар және радиоактивті индикаторлар.
І тарау. Радиоактивтілік
1.1. «Белгіленген» атомдар әдісі дамуының тарихи бөлімдері
1.2. Ядролардың құрылысы мен беріктілігі
1.3. Радиоактивті ыдырау заңдары
ІІ тарау. Сәулеленуді тіркеу
2.1. Радиоактивті сәулеленуді тіркеудің иондық әдістері
2.3. Гейгер.Мюллер есептегішінің есептік сипаттамасы
2.4. Радиоактивті сәулеленуді тіркеудің сцинтилляциялық әдістері
2.5. Сцинтилляциялық есептегіштер
2.6. Cцинтилляциялық есептегішпен ядролық сәулеленуді тіркеу механизмі
2.7. Сцинтилляциялық есептегіштің есептік сипаттамасы
ІІІ тарау. Радиоактивті изотоптарды идентификациялаудың физикалық әдістері
3.1. Радиоактивті изотоптардың жартылай ыдырау периодын және ыдырау тұрақтысын анықтау
3.2. Радиоактивті изотоптардың сәулелену энергиясын анықтау
.бөлшектің максимал энергиясын анықтау
3.3. Алюминийде жұтылу бойынша β.бөлшектердің максимал энергиясын анықтау
IV тарау. Дозиметрия
4.1. Дозиметрияның негізгі түсініктері
4.2. және . сәулелену көзімен құрылатын мөлшерлер есебі
4.3. Сәулеленуден қорғану
4.4. Дозиметрлік бақылау құрылғылары
V тарау. Радиоактивті индикаторлар әдісі және оның қолданылуы.
5.1. Белгіленген атомдар әдісінің артықшылықтары
5.2. Белгіленген атомдар әдісінің шектелулері
Әдебиеттер:
«Белгіленген» атомдар жиынтығы деп химиялық қосылысқа кіретін атомдардан өзгеше атомдарды айтады. Осы белгіленген атомдарды қолданып, әр түрлі процестерді зерттеуге болады. Белгіленген атомдар химияда, физикада және биологияда қолданылады. Сонымен қатар техникада және технологияларда, ауыл шаруашылығында және медицинада қолданылады. Белгіленген атомдарды енгізудің негізгі себебі – ол изотоптар болады.
Изотоптар дегеніміз - зарядтары бірдей химиялық элементтер. Ядроны мынадай символмен белгілейді:
мұндағы, Х – химиялық элементтердің символы,
А – ядроның массалық саны
Z – ядроның заряды.
Бір элементтің изотоптары ядро құрамымен ерекшеленеді және олардың электрондық қабаттары бірдей болады. Оларды бір-бірінен айыру үшін белгіленген атомдар әдісімен айқындайды.
Изотоптарды стабильді және стабильді емес деп екіге бөледі. Радиоактивтілік дегеніміз атомдық ядролардың өздігінен түрленуін айтады. Ол түрлену кезінде атомның физикалық және химиялық қасиеттері өзгереді. Изотоп стабильді немесе орнықты болады, егер белгілі әдістер арқылы оның радиоактивтілігі байқалмайтын болса.
Табиғаттағы көптеген элементтер изотоптардың қоспасынан тұрады. Олардың бір-бірінен айырмашылығы өте аз. Химиялық жолмен ол изотоптарды жеке бөліп алу мүмкін. Стабильді изотоптар ретінде жеңіл элементтердің изотоптары қолданылады. Мысалы, дейтерий ( ), көміртегі – 13, азот – 15, оттегі – 18 және т.б.
, ,
-сутегі
-дейтерий атомының ядросы
-тритий атомының ядросы
Изотоп құрамын сандық анықтау масс-спектрометр арқылы жүзеге асырылады. Сонымен қатар изотоптық құрамды атомдардың тығыздығы, жылу өткізгіштігі, сыну көрсеткіштігі арқылы да анықтайды; соңғы кезде инфрақызыл және жоғары жиілікті спектр арқылы және сонымен қатар ядролық магниттік резонанс арқылы қолданады.
Стабильді изотоптардың көмегімен белгіленген атомдардың әдісі стабильді изотоптар әдісі деп аталады. Стабильді изотоптардың ерекшелігі олардың орнықтылығында және оларда ядролық сәулеленулер жоқ болады. Бірақ ондай стабильді изотоптары бар элементтер өте аз. Осы әдіспен істелінетін өте күрделі техника және олардың өте төмен сезімділігі осы әдістің кемшілігі болып табылады.
Радиоактивті изотоптарды қолданатын белгіленген атомдар әдісі радиоактивті индикаторлар әдісі деп аталады.
Радиоактивті изотоптарды периодтық жүйедегі барлық элементтерден алуға болады. Радиоактивті изотоптар әдісінің артықшылығы жоғары сезімділігі, ерекшелігі, өте үлкен дәлдікпен анықталуы, сонымен қатар қарапайымдылығы және өлшеуіш аппаратурасының орындалуы. Сондықтан радиоактивті индикаторлар әдісі кеңінен таралады.
Изотоптар дегеніміз - зарядтары бірдей химиялық элементтер. Ядроны мынадай символмен белгілейді:
мұндағы, Х – химиялық элементтердің символы,
А – ядроның массалық саны
Z – ядроның заряды.
Бір элементтің изотоптары ядро құрамымен ерекшеленеді және олардың электрондық қабаттары бірдей болады. Оларды бір-бірінен айыру үшін белгіленген атомдар әдісімен айқындайды.
Изотоптарды стабильді және стабильді емес деп екіге бөледі. Радиоактивтілік дегеніміз атомдық ядролардың өздігінен түрленуін айтады. Ол түрлену кезінде атомның физикалық және химиялық қасиеттері өзгереді. Изотоп стабильді немесе орнықты болады, егер белгілі әдістер арқылы оның радиоактивтілігі байқалмайтын болса.
Табиғаттағы көптеген элементтер изотоптардың қоспасынан тұрады. Олардың бір-бірінен айырмашылығы өте аз. Химиялық жолмен ол изотоптарды жеке бөліп алу мүмкін. Стабильді изотоптар ретінде жеңіл элементтердің изотоптары қолданылады. Мысалы, дейтерий ( ), көміртегі – 13, азот – 15, оттегі – 18 және т.б.
, ,
-сутегі
-дейтерий атомының ядросы
-тритий атомының ядросы
Изотоп құрамын сандық анықтау масс-спектрометр арқылы жүзеге асырылады. Сонымен қатар изотоптық құрамды атомдардың тығыздығы, жылу өткізгіштігі, сыну көрсеткіштігі арқылы да анықтайды; соңғы кезде инфрақызыл және жоғары жиілікті спектр арқылы және сонымен қатар ядролық магниттік резонанс арқылы қолданады.
Стабильді изотоптардың көмегімен белгіленген атомдардың әдісі стабильді изотоптар әдісі деп аталады. Стабильді изотоптардың ерекшелігі олардың орнықтылығында және оларда ядролық сәулеленулер жоқ болады. Бірақ ондай стабильді изотоптары бар элементтер өте аз. Осы әдіспен істелінетін өте күрделі техника және олардың өте төмен сезімділігі осы әдістің кемшілігі болып табылады.
Радиоактивті изотоптарды қолданатын белгіленген атомдар әдісі радиоактивті индикаторлар әдісі деп аталады.
Радиоактивті изотоптарды периодтық жүйедегі барлық элементтерден алуға болады. Радиоактивті изотоптар әдісінің артықшылығы жоғары сезімділігі, ерекшелігі, өте үлкен дәлдікпен анықталуы, сонымен қатар қарапайымдылығы және өлшеуіш аппаратурасының орындалуы. Сондықтан радиоактивті индикаторлар әдісі кеңінен таралады.
1. Лэпп Р.Е., Эндрюс Г.Л. Физика ядерного излучения. Воениздат, 1956
2. Мурин А.Н. Введение в радиоактивность. Издательство ЯГУ, 1955
3. Заборенко К.Б., Иофа Б.З., Лукьянов В.Б., Богатырев И.О. Метод радиоактивных индикаторов в химии. «Высшая школа», М.: 1964
2. Мурин А.Н. Введение в радиоактивность. Издательство ЯГУ, 1955
3. Заборенко К.Б., Иофа Б.З., Лукьянов В.Б., Богатырев И.О. Метод радиоактивных индикаторов в химии. «Высшая школа», М.: 1964
Кіріспе
Белгіленген атомдар әдісі. Стабильді изотоптар және радиоактивті
индикаторлар.
Белгіленген атомдар жиынтығы деп химиялық қосылысқа кіретін
атомдардан өзгеше атомдарды айтады. Осы белгіленген атомдарды қолданып, әр
түрлі процестерді зерттеуге болады. Белгіленген атомдар химияда, физикада
және биологияда қолданылады. Сонымен қатар техникада және технологияларда,
ауыл шаруашылығында және медицинада қолданылады. Белгіленген атомдарды
енгізудің негізгі себебі – ол изотоптар болады.
Изотоптар дегеніміз - зарядтары бірдей химиялық элементтер. Ядроны
мынадай символмен белгілейді:
мұндағы, Х – химиялық элементтердің символы,
А – ядроның массалық саны
Z – ядроның заряды.
Бір элементтің изотоптары ядро құрамымен ерекшеленеді және олардың
электрондық қабаттары бірдей болады. Оларды бір-бірінен айыру үшін
белгіленген атомдар әдісімен айқындайды.
Изотоптарды стабильді және стабильді емес деп екіге бөледі.
Радиоактивтілік дегеніміз атомдық ядролардың өздігінен түрленуін айтады. Ол
түрлену кезінде атомның физикалық және химиялық қасиеттері өзгереді. Изотоп
стабильді немесе орнықты болады, егер белгілі әдістер арқылы оның
радиоактивтілігі байқалмайтын болса.
Табиғаттағы көптеген элементтер изотоптардың қоспасынан тұрады. Олардың
бір-бірінен айырмашылығы өте аз. Химиялық жолмен ол изотоптарды жеке бөліп
алу мүмкін. Стабильді изотоптар ретінде жеңіл элементтердің изотоптары
қолданылады. Мысалы, дейтерий (), көміртегі – 13, азот – 15, оттегі –
18 және т.б.
, ,
-сутегі
-дейтерий атомының ядросы
-тритий атомының ядросы
Изотоп құрамын сандық анықтау масс-спектрометр арқылы жүзеге асырылады.
Сонымен қатар изотоптық құрамды атомдардың тығыздығы, жылу өткізгіштігі,
сыну көрсеткіштігі арқылы да анықтайды; соңғы кезде инфрақызыл және жоғары
жиілікті спектр арқылы және сонымен қатар ядролық магниттік резонанс арқылы
қолданады.
Стабильді изотоптардың көмегімен белгіленген атомдардың әдісі стабильді
изотоптар әдісі деп аталады. Стабильді изотоптардың ерекшелігі олардың
орнықтылығында және оларда ядролық сәулеленулер жоқ болады. Бірақ ондай
стабильді изотоптары бар элементтер өте аз. Осы әдіспен істелінетін өте
күрделі техника және олардың өте төмен сезімділігі осы әдістің кемшілігі
болып табылады.
Радиоактивті изотоптарды қолданатын белгіленген атомдар әдісі
радиоактивті индикаторлар әдісі деп аталады.
Радиоактивті изотоптарды периодтық жүйедегі барлық элементтерден алуға
болады. Радиоактивті изотоптар әдісінің артықшылығы жоғары сезімділігі,
ерекшелігі, өте үлкен дәлдікпен анықталуы, сонымен қатар қарапайымдылығы
және өлшеуіш аппаратурасының орындалуы. Сондықтан радиоактивті индикаторлар
әдісі кеңінен таралады.
Қазіргі уақытта 250 стабильді және 1100 аса радиоактивті изотоптар
саналды. Барлық химиялық элементтердің радиоактивті изотоптары белгілі,
соның ішіндегі көптеген элементтер үшін алынған изотоптары радиоактивті
индикаторлар ретінде қолданылады. Изотоптары радиоактивті химиялық
элементтерді радиоактивті элементтер деп атайды. Ондай элемент ретінде
Менделеевтің периодты жүйесіндегі полонийдан (Z=84) бастап элементтер
кіреді. Бірақ, практикада таза радиоактивті элементтермен немесе
изотоптармен жұмыс істеу өте сирек кездеседі. Белгіленген атомдар әдісінде
радиоактивті заттар қолданылады, ол заттардың құрамында радиоактивті
атомдар бар. Радиоактивті заттар ұғымына радиоактивті элементтер немесе
радиоактивті изотоптардың еркін күйлері немесе қосылыстары кіреді.
Радиоактивті индикаторлар әдісінің өте жоғары сезімталдығы басқа
тәсілдерге қарағанда үлкен дәлдікпен тәжірибелер жасайды. Мысалы, өлшенетін
радиоактивті изотоптардың мөлшері 10-10-10-15г болады, бірақ кейбір
жағдайда жеке радиоактивті атомдар да абйқалуы мүмкін.
Белгіленген атомдар әдісінің 3 негізгі бағыттары бар.
1. Белгіленген атомдарды әр түрлі объектілерде заттардың орын
ауыстыруын зерттеу болып табылады. Белгіленген заттарды берілген жүйеге
немесе организмге енгізеді және белгілі бір уақыт аралығында жүйенің
белгілі бір нүктелеріндегі белгіленген қосылыстарды табу болып табылады.
Мысалы, металдарда белгіленген атомдардың орын ауыстыруы арқылы диффузияның
немесе өздік диффузияның коэффициенттерін анықтауға болады.
2. Белгіленген атомдар әдісін әр түрлі процестермен түрленулердің
механизмін анықтауға қолданылады, заттардың химиялық құрылысын зерттеу,
атомдардың және топтардың қозғалғыштығын анықтауға болады. Мысалы
белгіленген атомдар арқылы фотосинтез процессінің негізгі проблемалары
шешілді.
3. Белгіленген атомдар әдісі заттың мөлшерін анықтауда қолданылады.
Радиоактивті индикаторлар қолдану арқылы заттың сандық мөлшерін анықтауда
басқа жаңа әдістер ашылды. Оларға мыналар жатады: изотоптық аралыстыру
әдісі активациялық анализ, радиометриялық титрометрия және т.б. Осы
әдістердің жоғары сезімталдығы мен дәлдігі өте тез және дәл автоматикалық
регистрациялар жатады, олар көпшілік анализдерде өте маңызды.
Радиоактивті индикаторлар әдісін қолданған кезде зерттеушінің алдынан
көптеген проблемалар шығады. Біріншіден, радиоактивті изотопты таңдап алу,
оның ядролық сипаттамаларын анықтау, яғни ол радиоактивті изотоптық ыдырау
схемасын анықтау одан шығатын сәулеленудің энергиясын анықтау және
радиоактивті изотоптық жартылай ыдырау периодын анықтау.
Өлшеуіш аппаратурасын рационал қозғалу үшін ионизациялық сәулелердің
өлшенетін принциптерімен танысу қажет. Сонымен қатар радиоактивті заттың
мөлшері өте аз болғандықтан және олардың сұйықтарда өте аз мөлшерде
ерігендіктен, олардың ерекшеліктерін білу қажет.
Радиоактивті сәулелердің организмге әсері болғандықтан, сәулелерді
заттармен әсерлесу процестерін білу қажет.
Сондықтан менің дипломдық жұмысымда қысқаша түрде радиоактивтіліктің
теориялық мәліметтері келтірілген және сонымен қатар атомдық ядролардың
құрылысы, радиоактивті сәулелердің өлшеу әдістері және дозометрия орын
алады.
І тарау. Радиоактивтілік
1.1. Белгіленген атомдар әдісі дамуының тарихи бөлімдері
1896 жылы Беккерельдің урандық сәулеленуді ашуы қазіргі таңдағы атомдық
энергия мен радиоактивтілікті изотоптарды іс жүзінде қолданумен аяқталған
ғылым дамуының жаңа бөліміне қызмет етті.
М.Кюри уранның және басқа элементтердің сәулеленуі атомдардың
айналуымен байланысты екенін бірінші болып көрсетті және бұл құбылысты
радиоактивтілік деп атады. Табиғи элементтердің радиоактивтілігі мен
олардың бірігуін үйрену нәтижесінде Болтвуд уранның препаратынан химиялық
қасиеті бойынша торийге ұқсас қатты радиоактивті ионийді белгілеп алды.
Соддидің ұсынысы бойынша, бірдей химиялық, бірақ әр түрлі радиоактивті
қасиетке ие бір химиялық элемент атомының әр түрлі болуын изотоптар деп
атады. Изотоптардың болу себебін түсіндіру тек атомдардың құрылысын
анықтағаннан кейін ғана мүмкін болды.
1913 жылы Хевеши Резерфордтың ұсынысы бойынша, D-радий деп аталатын
радиоактивті изотопты кәдімгі қорғасыннан ажыратуға әрекет етуге қамданды.
Екі жыл жұмыс жасап, Хевеши іс жүзінде изотоптарды бөлудің мүмкін
еместігіне көз жеткізді. Алайда, онда орнықты изотоптар қасиетінен
анықтауға мүмкіндік беретін индикаторлар ретінде радиоактивті изотоптарды
қолдану идеясы туды. Мұны Хевеши келесі түрде талқылады: ерітінді 1 грамм
қорғасыннан тұратындай етіп, қорғасын нитраты мөлшерін ерітейік. Мұнда
активтілік миллион бірлікке (электроскоппен өлшенетін) тең болатындай етіп,
өте аз мөлшерде D-радий қосамыз және бұл белгіленген қорғасынмен өте қиын
операцияны орындаймыз. Егер біз бұл операциялардың нәтижесінде алынған
фракциядан бірдей радиоактивтіліктің болуын байқасақ, онда фракцияда
бастапқы қорғасынның бір мың миллиграммы қатысты деген қорытынды жасауымыз
керек. Біраз уақыттан кейін бұл әдісті Вл.И.Саицын қиын ерітілетін торий
және белгіленген торий изотоптарының 234 (уран – Х1) және 228
(радиоторий) массаларымен ерітіндісін анықтау үшін қамданды.
Торийдің меншікті ( радиоактивтілігі болмашы ғана, сондықтан анықтау
сезімталдығы өте төмен. Радиоактивтілік бойынша торийдің қиын ерітілетін аз
мөлшерін анықтау үшін, қатты радиоактивті торий изотопын жеткілікті түрде
ұзақ сақталған уранның немесе торийдің табиғи бірігуінен алдын-ала бөліп
алуға болады. 1г уранмен тепе-теңдікте 234 массалы 1,4·10-
11г торий изотопы болып табылады. Іс жүзіндегі мұндай салмақсыз мөлшерді
радиоактивтілік бойынша кәдімгі торийдің салмақты мөлшерімен араластырған
жағдайда да оңай анықтауға болады.
Торий оксалатының ерітіндісі 0,5·10-5мольл-ге тең екендігі
анықталды. Дәл сол уақыттағы торийдің біріккен ерітіндісін анықтаудың
танымал тәсілдерінің ешқайсысын радиоактивті изотоптарды қолданумен алынған
дәлдіктей етіп жасау мүмкін болмады.
1921 жылы Кеңес Одағында В.Г.Хлопиннің үздіксіз қатысуымен және
басқаруымен радиоактивтілік бойынша табиғи радиоактивті изотоптарды қолдану
арқылы жұмыстың дамуын қамтамасыз ететін алғашқы радий препараты
дайындалды.
И.Е.Старик қорғасын изотопын радиоактивті индикаторлар ретінде, тау
жыныстарындағы олардың жасын орнату арқылы қорғасынның аз мөлшерін
радиометрлік анықтау үшін қолданды.
Алайда радиоактивті индикаторлар әдісі изотоптарды таңдау мүмкіндігінің
шектелуінен және сәйкес табиғи радиоактивті изотоптардың көзінің болмауынан
кең таралуға ие болмады. Бұл кедергі ерлі-зайыпты И. және Ф.
Жолио-Кюридің жасанды радиоактивтілікті ашуының, циклотронда ядролық
реакция бойынша көптеген радиоактивті изотоптарды алуды жүзеге асырудың
және ауыр ядролардың бөлінуін ашудың арқасында жойылды.
Кеңес Одағында радиоактивті изотоптарды қолдану мен алу бойынша
жұмыстар дамыды және оны академик И.В.Курчатов мүмкін болғанша қолдады.
Радиоактивті изотоптарды белгіленген атомдар ретінде бірінші болып
А.Е.Полесицкий, А.А.Гринберг, С.З.Рогинский және т.б. қолдана бастады.
Ядролық энергетиканың ерекше прогрессі нәтижесінде периодтық жүйедегі
барлық элементтер үшін радиоактивті изотоптарды іс жүзінде алу мүмкіндігі
пайда болды.Бұл белгіленген атомдардың әмбебап әдісін қамтамасыз етті.
Радиоактивті изотоптар мен сәулеленуді кең қолданатын білімнің жаңа
бұтақтары пайда болды. Оларға радиохимия, радиобиология, радиогеология,
радиациялық химия және т.б. жатады. Қазіргі уақытта радиоактивті
индикаторлар әдісін іс жүзінде қолданбайтын облыстарды есептеу қиын, ол
тіпті металлургия мен машина құрастыруда, агрономия мен зоотехникада, балық
шаруашылығы мен тоқыма өнеркәсібінде да қолданылады.
Белгіленген атомдар әдісімен орындалған зерттеулер жыл сайын халық
шаруашылығыда үлкен экономикалық пайда әкеледі. Шын мәнісінде,
белгіленген атомдардың роліне білімнің кез-келген бөліміндегі ғылыми
зерттеулерде баға жетпейді. Әсіресе химияның барлық облыстарында
белгіленген атомдар әдісі кең қолданысқа ие.
1.2. Ядролардың құрылысы мен беріктілігі
Химиялық элементтердің ядролары протондар мен нейтрондардан тұрады.
Ядролық бөлшектер – протон және нейтрон – жалпы терминмен жиі айтылады:
нуклондар. Протон оң зарядқа ие, сан мәні жағынан электрон зарядына 1,6·10-
19к (4,8·10-10 CGSE) тең, нейтрон электрлі бейтарап. Ядродағы протондар
саны периодтық жүйедегі элементтің жағдайын анықтайтын атом номеріне (Z)
тең. Қазіргі уақытта элементтердің белгілі атомдық номерлері 1-ден
(сутегі) 103-ке (лоуренсий) дейінгі аралықта жатады. Ядродағы нуклондардың
толық саны массалық сан А деп аталады. Ядродағы нейтрондар саны А- Z
айырмасына тең.
Ядродағы протондар мен нейтрондарды ұстап тұратын табиғи күш нақты
анықталмаған. Нейтрон зарядқа ие болмағандықтан, бұл күштер қарапайым
электростатикалық (кулондық) тартылыс күші бола алмайтыны белгілі. Сонымен
қатар, ядролық бөлшектердің байланысын түсіндіру үшін талап етілетін күштен
бірнеше реттілікке әлсіз гравитациялық күштер де шығарылып тасталады.
Ядролық күштер өте аз әсер ету радиусына ие – ядроның өлшеміне қарағанда
бірнеше есе аз (~10-13 см). Нуклондар арасындағы әсер ететін күштер
ауыспалы күш деп аталатын санға апарып береді. Ядрода нуклондар мезон деп
аталатын ерекше бөлшектердің ауысуы үздіксіз өтетіндіктен байланысады деп
есептейді; мезондардың массалары электрон мен протон массаларының
арасындағы аралық орынды иеленеді.
Ядролық физикада масса бірлігіне 112 массалы 12С көміртегі изотопы
қабылданған; бұл шама атомдық бірлік масса (а.б.м.) деп аталады
1 а.б.м.=1,66·10-24г. Массалық сандар берілген изотоп массасының М
дәл мәніне анағұрлым жақын толық санды ұсынады. Протон массасы
1,00760а.б.м., нейтрон массасы – 1,00899а.б.м., электрон массасы –
0,00055а.б.м. құрайды.
Ядролық физикадағы энергияның шамасы әдетте электрон-вольтпен (эв)
беріледі, 1эв 1в-қа тең тұрақты электр өрісіндегі потенциалдар айырмасынан
өтіп, электронды иемденеді, бұл жерден 1эв=4,8·10-10·1300=1,6·10-12эрг.
Әдетте анағұрлым ірі бірліктер қолданылады: 103эв-қа тең килоэлектрон-
вольт (кэв), 106эв-қа тең мегаэлектрон-вольт (Мэв).
Радиоактивті айналу процессінде ядроның потенциалдық энергиясы азаяды.
Е кинетикалық энергиямен бөлшектерді шығару Эйнштейн теңдеуіне сәйкес
жүйенің тыныштық массасының ∆m шамасына өзгеруімен сипатталады:
E= ∆mc2 (1.1)
Өз кезегінде, ұшып шыққан бөлшектердің релятивистік массасы ∆m-ге
ұлғаяды, сондықтан жүйенің толық массасы сақталады. Химиядағыдай,
реакцияның экзотермиялығы пайда болған өнімдердің тұрақтылығын көрсетеді,
ядролық айналу кезіндегі тұрақты ядролар тыныштық массасының азаюына
негізделген. Егер (1.1) Эйнштейн теңдеуінің көмегімен анықталған бұл екі
жүйенің энергия айырмасы оң шамаға ие болса, ядролық жүйе басқа ядролық
жүйелермен салыстырғанда тұрақты болады. Ядролардың тұрақтылығын байланыс
энергиясының шамасымен сипаттауға болады:
Ебай=[Zmp+(A-Z)mn-M]·931Мэв (1.2)
Мұндағы mp, mn және М – протонның, нейтронның және а.б.м.-мен белгіленген
қарастырылып отырған ядроның массалары, ал 931Мэв – бір атомдық бірлік
массаға эквивалентті энергия. Бір нуклон үшін орташа байланыс энергиясы
тең:
(=(( Zmp+(A-Z)mn-M)A) ·931Мэв (1.3)
Жинақталған протондар мен нейтрондардың тұрақтылығын иеленбейтін
ядролар, сонымен қатар периодтық жүйенің соңындағы ауыр ядролар
радиоактивті ыдырап, ең соңында орнықты ядроларға айналады.
1.3. Радиоактивті ыдырау заңдары
Радиоактивті ядролардың өздігінен айналуы шығыс радиоактивті изотоп
атомының (ядросының) санының үздіксіз азаюына және туынды өнімдердің пайда
болуына әкеледі. Радиоактивті ыдырау ықтималдық процесстер қатарына
қатысты, және оған статикалық талдау әдісі қолданылады.
Кейбір кездейсоқ оқиғалардың пайда болу ықтималдылығы деп жағымды
оқиғалар санының оқиғалардың жалпы санына қатынасын атайды. М арқылы t
уақыт ішінде ыдыраған атомдар санын белгілейміз, ал N0 арқылы–шыққан
атомдар санын белгілейміз. Онда таңдалған уақыт өтуі аралығындағы жеке
атомдардың ыдырау ықтималдылығы (р) тең:
pt=MN0
(1.4)
t уақыт ішінде ыдырамаған атомдардың ықтималдылығы (q)тең:
qt=1-pt=(N0 -M) N0=NtN0 (1.5)
мұндағы Nt=N0-M – t уақыт ішінде ыдырауға ұшырамаған атомдардың орташа
саны.
∆t уақыт ішіндегі жеке атомның ыдырау ықтималдылығы р∆t берілген
уақытта немесе одан ертеректеу уақытта атомның болу шартынан тәуелді емес.
Бұл ықтималдылық тек ∆t аралық шамасынан ғана тәуелді және өте аз уақыт
аралығына ∆ t пропорционал, осылайша
р∆t= (·∆t,
мұндағы ( пропорционалдық коэффициенті берілген радиоактивті изотоп
үшін сипатталатын тұрақты болып табылады.
Жеткілікті аз уақыт аралығында ∆t ыдырамайтын атом ықтималдылығы
мынаған тең:
q∆t= 1-(·∆t.
Бірақ егер атом ∆t уақыт ішінде ыдырамаса, онда ол екінші дәл сондай
уақыт аралығында да ыдырамайды, тағы да (1-(·∆t)-ға тең. Атомның бірінші
де, екінші де уақыт аралығында ыдырамайтын ықтималдылығы бұл
ықтималдықтарды жасауға тең болады; ары қарай да осы сипатқа ұқсас талқылай
отырып, мынаны аламыз:
q2∆t= (1-(·∆t)2
q3∆t= (1-(·∆t)3
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
qn∆t = (1-(·∆t)n
Қарастырылып оытрған ∆t уақыт аралығы аз болған сайын соңғы теңдеу
соғұрлым нақтырақ болады. ∆t=tn екенін ескере отырып және n(( шегіне өте
отырып, мынаны аламыз:
1-cурет. Радиоактивті ыдыраудың типтік қисығы
1-суреттегі қисықпен уақыт бойынша радиоактивті изотоптардың атом
сандарының өзгерісі көрсетілген.
(1.5)-ден алынған qt-ның мәнін қойсақ, мынаны аламыз:
Nt=N0e-(t (1.6)
(1.5) және (1.6) теңдеулерін біріктіре отырып, уақыт бойынша ыдыраған
атомдар санының өзгеруі үшін тәуелділікті табуға болады.
M=N0(1-e-(t) (1.7)
(t-ның аз мәні үшін e-(t=1-(t теңдігі дәл орындалады, онда:
М=N0(t, немесе Mt=(N0.
Mt қатынасы –dNdt арқылы сипаттауға болатын ыдыраудың орташа
жылдамдығын көрсетеді (- таңбасы радиоактивті изотоптардың уақыт бойынша
атом санының N азаятынын көрсетеді) және осылайша
–dNdt=(N (1.8)
(1.8) теңдеуі дифференциалды формада радиоактивті ыдыраудың негізгі
заңын сипаттайды. Оны N(0)=N0 және N(t)=Nt шартында интегралдау негізгі
ыдырау заңының интегралды түрін сипаттайтын (1.6) теңдеуге әкеледі.
(1.8) негізгі ыдырау заңына сәйкес шексіз аз уақыт аралығында dt
ыдырайтын ядролар саны dN, берілген уақыт мезетін иеленген ядролар санына N
пропорционал. ( тұрақтысы радиоактивті изотоптар ядросының тұрақсыздығын
сипаттайды және тұрақты ыдырау немесе радиоактивті тұрақты деп аталады.
(1.8)-ден байқағанымыздай,
(=(- dNN) dt (1.9)
Бұл жерден ( ыдырау тұрақтысы жартылай ыдырау периодымен салыстырғанда
уақыт бірлігі өте аз шарт бойынша бірлік уақыт ішінде ыдырайтын dNN
атомның бір бөлігіне тең екендігі көрініп тұр. ( қайтымды уақыт өлшемін
иеленеді және бәрінен бұрын сек-1-мен белгіленеді. Радиоактивті ыдыраудың
негізгі заңының мәні мынада, бірдей уақыт аралығындағы тұрақты бөліктің
радиоактивті изотоп атомдарының берілген уақытты иеленген жалпы мөлшерінен
ыдырауында.
Радиоактивті зат атомдарының ыдырау жылдамдығын -dNdt а препараттың
абсолютті радиоактивтілігі (немесе абсолютті активтілік) деп аталады. (1.8)
негізінде
а=(N (1.10)
Абсолютті активтілік бірлігіне 1 кюри қабылданған. Кюри –
3,7000·1010ыдыраусек өтетін радиоактивті көздің активтілігі. Абсолютті
активтілікті сипаттау үшін сонымен қатар кюридің мың бөлігін (милликюри,
мкюри) және кюридің миллион бөлігін (микрокюри, мккюри) қолданылады.
Осылайша,
1 кюри 3,7·1010ыдыраусек=2,22·1012ыдырау мин;
1 мкюри 3,7·107ыдыраусек=2,22·109ыдырауми н;
1мккюри 3,7·104ыдыраусек=2,22·106ыдырауми н;
(1.11)
Белгіленген атомдар әдісінде қолданылатын үлгілердің активтілігі
әдетте микромилликюри диапазонында жатады.
Абсолютті активтілік бірлігі ретінде сонымен қатар резерфорд (Р) 1Р деп
аталатын шама да ұсынылған. 106ыдыраусек өтетін радиоактивті препараттың
активтілігі бар. Микрорезерфорд 1ыдыраусек активтілікке сәйкес келеді. Бұл
бірлік кюриге қарағанда анағұрлым ыңғайлы, кең таралымға ие болмаған.
Сонымен қатар, уақыт бойынша абсолютті активтіліктің азаюы негізгі
ыдырау заңына бағынады. (1.6) теңдеуінің 2 жағын да (-ға көбейтіп, (1.8)-
ді назарға ала отырып, мынаны аламыз:
at =a0e-(t (1.12)
мұндағы a0 – бастапқы уақыт мезетіндегі абсолютті активтілік, at – t
уақыт мезетіндегі абсолютті активтілік.
Практикалық жұмыста радиоактивті заттармен препараттардың абсолютті
активтілігі ережедегідей үздіксіз анықталмайды. Сәулеленудің әр түрлі
қасиеттерін қолданатын өлшеу құрылғылары әдетте а-ға пропорционал шаманы
береді; бұл шаманы тіркей активтілігі І деп атайды. Тіркеу активтілігінің
ядролық бөлшектер есептегішімен жұмыс кезінде импульсте минутқа
сипатталатын есептің жылдамдығы болып табылады (импмин), ал абсолюттік
және тіркеу активтілігінің шамасын байланыстыратын пропорционалдық
коэффициенті есеп коэффициенті (() деп аталады:
I=(a (1.13)
(1.8) және (1.9) теңдеуінің негізінде уақыт бойынша тіркеу
активтілігінің өзгерісін өлшеудің ұқсас шарттарын сонымен қатар негізгі
ыдырау заңы ретінде көрсетуге болады:
It=I0e-(t (1.14)
Мұндағы It және I0 – t уақыт мезетіне сәйкес тіркеу активтілігінің
мәні.
Радиоактивті иотоптардың орнықтылығын жартылай ыдырау периоды шамасымен
жиі сипаттайды. Берілген изотоптағы атомдар мөлшерінің жартысының ыдырауы
кезіндегі жартылай ыдырау периодын Т уақыт аралығы деп аталады. Жартылай
ыдырау периодына тең уақыттағы радиоактивті изотоптан тұратын препараттың
абсолютті активтілігі а және тіркеу активтілігі І (мысалы, есеп жылдамдығы)
екі есе азаяды:
NtN0=ata0=ItI0=12=e-(t (1.15)
Бұл жерден шығатыны:
(T=ln2=0,693 (1.16)
Соңғы қатынастың негізінде жартылай ыдырау уақытына еселі; әрі уақыт
ішінде радиоактивті изотоптың ыдырау дәрежесін тез есептеуге мүмкіндік
беретін формуланы алуға болады. t=mT болсын, онда:
amTa0=1em(T=1emln2.
е негізі бойынша соңғы теңдеуді логарифмдеп және потенциалдап, мына
теңдеуге келеміз:
amTa0=12m, (1.17)
мұндағы m=tT.
ІІ тарау. Сәулеленуді тіркеу
Радиоактивті сәулеленуді тіркеу әдістерін сәулеленудің затпен өзара
әсерлесу эффектінен тәуелділігі арқылы бірнеше түрлерге бөлуге болады: а)
иондық әдістер сәулеленудің иондалған әсеріне негізделген; б)
сцинтилляциялық – сәулелену әсерінен бірнеше заттарды люминесценциялау; в)
радиографикалық – фотоэмульсияда радиоактивті сәулеленудің химиялық әсері
және т.б.
Сәулеленуді тіркеумен ядролық сәулеленудің сапалы болып табылуы және
берілген радиоактивті препараттың активтілігінің сапалы болуын анықтау
түсіндіріледі. Тіркеудің иондық және сцинтилляциялық әдістері жағдайында
препараттың активтілігі есеп жылдамдығы бірлігімен сипатталады (импмин,
импсек). Сәулеленуді тіркеу сәйкес сәулелену детекторлары көмегімен іске
асырылады.
1. Радиоактивті сәулеленуді тіркеудің иондық әдістері
Иондық детекторлардың арасынан иондық камера, пропорционалды есептегіш
және Гейгер-Мюллер есептегіші анағұрлым кең таралуды иеленді. Бұл барлық
сәулелену детекторлары әдетте сәйкес газдық қоспа толтырылған тұйық ыдыста
болады, ішінде металдық серіппе немесе ине орналасады. Ыдыстың денесі мен
инесі электрод болып табылады және жақсы изолятормен бөлінген. Электродта
белгілі бір кернеу қолданылады. 35-суретте сәулеленудің
иондалған детекторларын қосудың принципті схемасы бейнеленген. Жүктің
кедергісіне R эффективті көлемді С енгізу уақыт өлшемін (сек) иеленеді.
Детекторда туындау (RC) мен кернеу ядролық сәулеленуді тіркеу механизмін
анықтайды. Детектордың ішіне ядролық бөлшектердің түсуінен газдың иондалуы
өтеді. Газды иондау механизмі сәулеленудің түрімен және оның энергиясымен
анықталады. Газда иондардың бір жұбының пайда болуына ядролық бөлшекпен
немесе (-квантпен жұмсалған энергиясы іс жүзінде сәулелену түрі мен оның
энергиясынан, детектордағы кернеуден тәуелді емес және газ детекторын
толтыратын табиғаттан аздап тәуелді.
2- сурет. Иондалған сәулелену детекторларын қосу схемасы
1- сәулеленудің иондық детекторы; 2- жоғары кернеу көзі; 3- эффективті
көлем С; 4-кедергі R.
Сәйкесінше, алғашқы иондану сәулелену детекторында ядролық бөлшекті
жоғалтқан энергияның бөлігімен анықталады және детекторға берілген
кернеуден тәуелді.
2.2. Гейгер – Мюллер есептегіштері
Гейгер-Мюллер есептегішін қосу блок-схемасы 3-суретте бейнеленген.
Есептегіш жоғары омдық кедергі арқылы жоғары вольттық түзеткішпен
байланысқан. Есептегішке берілетін кернеу жоғары вольттық түзеткіш блогының
киловольтметрімен өлшенеді. Есептегішпен бір бөлшекті тіркеу кезінде
кернеудің импульсі (электрлік импульс) күшейткішке (3) түседі, ал содан
кейін қайта есептеу құрылғысы (4) арқылы – электромеханикалық есептегішке
(5) түседі.
3-cурет. Гейгер-Мюллер есептегішін қосудың блок-схемасы
1- Гейгер-Мюллер есептегіші; 2 – жоғары кернеу көзі; 3 – импульстерді
күшейткіш; 4 – қайта есептеу құрылғысы; 5 – электромеханикалық есептегіш.
Қайта есептеу құрылғысы (4) импульстердің бөлінуін іске асырады, яғни
электромеханикалық есептегішке әрбір импульсті емес, тек қана қайта
есептеуге еселі берілген импульсті өткізеді. Егер қайта есептеу схемасы 64
есе қайта есептеуге ие болса, онда тек қана әрбір 64-ші импульс
электромеханикалық есептегішке тіркелетін болады.
Есептегіштер белгілі бір газдық қоспамен толтырылады. Дене қандай да
бір металл қабатпен, мысалы мыспен қапталған алюминийден, тот баспайтын
болаттан немесе әйнектен жасалады. Ортасына химиялық берік материалдан,
мысалы, вольфрамнан ине тартылып қойылады. Ине мен дене арасына қажетті
потенциалдар айырмасы Va беріледі. Әдетте ине анод, ал дене катод болып
табылады. Электр өрісінің кернеулігі әсіресе иненің айналасында жоғары
болады. Есептегіштің ішіне бөлшектің ((- немесе (-) түсуі кезінде газдың
иондалуы жүреді. (-квант жағдайында есептегіштің ішіндегі газдың иондалуы
негізінен, сәулеленудің есептегіш қабырғаларымен әсерлесуі кезінде пайда
болатын, фото- және комптондық электронмен жүзеге асырылады. Газдың
иондалуы нәтижесінде электрондар мен оң иондар пайда болады. Кейбір
жағдайларда, электрондар теріс иондарды бере отырып, бейтарап молекулаларға
жабыса алады.
Бір ядролық бөлшектің тіркеу ұзақтығынан тәуелділігі, өздігінен
сөнбейтін немесе жай және өздігінен сөнетін немесе тез Гейгер-Мюллер
есептегішіне бөлінеді.
2.3. Гейгер-Мюллер есептегішінің есептік сипаттамасы
Ядролық сәулеленуді тіркеу үшін есептегіште оптималды кернеуді – жұмыс
кернеуін табу керек. Ол үшін Гейгер-Мюллер есептегішінің жұмыс сипаттамасын
анықтау жүргізіледі. Есептегіштің жұмыс сипаттамасы Гейгер облысында
жатады. Бұл облыста есептегіштің ішіне түскен әрбір бөлшек, онда өкіметтік
дәрежені шақырады және тіркеледі. Сәйкесінше, Гейгер облысында тіркелген,
есептегішпен берілген радиоактивті препараттың есеп жылдамдығы кернеуден
тәуелді емес. 39 суретте Гейгер-Мюллер есептегішінің есептік сипаттамасы
бейнеленген. А нүктесінде ядролық сәулеленуді тіркеу басталады. АБ
кесіндісі тәжірибеде ала алмайтындай өте аз болуы мүмкін. БВ кесіндісіне
жауап беретін облыс есептік сипаттама үстірті деп аталады. Бұл кернеу
облысында Р жұмыс нүктесі таңдалады.
Есептік сипаттама үстірті облысында азғантай иілу болады, яғни есептің
тіркелу жылдамдығы есептегіш кернеуінің өсуімен бірнеше рет ұлғаяды. Бұл
құбылыс жалған облыстардың пайда болуынан болған. Есептік сипаттама
үстіртінің иілуі мына формула бойынша анықталады:
Δl(=(ΔІимпминΔVв(Іримпмин)(100( (2.1)
4-сурет. Гейгер-Мюллер есептегішінің есептік сипаттамасы
А-есептеудің басы; Б-үстірттің басы; В-үстірттің соңы; Р-жұмыс кернеуі.
мұндағы, ΔІ импмин – ΔV в есептегішіндегі кернеудің өзгеруі кезінде
есеп жылдамдығының ұлғаюы (4-сурет). Егер үстірттің иілуі 1в-та шамамен
0,15( құрайтын болса, есептік сипаттама қанағаттанарлық болып есептеледі.
Р жұмыс кернеуін Б үстірттің басталуына жақындау үстірт облысында таңдайды.
2.4. Радиоактивті сәулеленуді тіркеудің сцинтилляциялық әдістері
Қазіргі уақытта лабораториялық практикада ядролық сәулеленуді тіркеудің
сцинтилляциялық әдістері үлкен қолданыс тапты. Сцинтилляциялық есептегіштер
(-, (- және (-сәулеленуді, сонымен қатар нейтрондарды тіркеуге қабілетті.
2.5. Сцинтилляциялық есептегіштер
Сцинтилляциялық есептегіштердің негізгі бөлігі сцинтиллятор немесе
фосфор (люминофор) және фотоэлектронды көбейткіштер (ФЭК) болып табылады
(5, 6 суреттер).
5-сурет. Сцинтилляторлық есептегіштің блок схемасы
1- сцинтиллятор; 2-ФЭК; 3-жоғары вольттық түзеткіш; 4-үдеткіш; 5-
дискриминатор; 6-қайта есептегіш құрылғы; 7-электромеханикалық есептегіш.
Сцинтилляторлар ретінде сәйкес қосындылармен (NaI(Tl), LiI(Sn),
ZnS(Ag), CaWO4) активтендірілген бейорганикалық кристаллдар, органикалық
кристаллдар (антрацен, нафталин, стильбен), пластмассалар (мысалы,
полистиролдағы терфенил) және сәйкес еріткіштердегі органикалық заттардың
ерітінділері қолданылады. 1 кестеде сәйкес сипаттамаларымен анағұрлым кең
таралған сцинтилляторлар келтірілген.
6-сурет. Фотоэлектронды көбейткішті фосфор.
1-қаптамадағы фосфор; 2-жартылай мөлдір фотокатод; 3-динодтар; 4-анод;
5-жоғары кернеу көзі; R-кернеу бөлгіштік кедергісі; RА-анодтық жүк
Сцинтилляторға (1) ядролық бөлшектің түсуі кезінде онда жарықтың
тұтануы (электромагниттік сәулелену) өтеді. Фотоэлектронды көбейткіш (2)
бұл жарықтың тұтануын сызықтық күшейткішпен (4) күшейетін электрлік
импульске қайта құрады және дискриминаторға (5) түседі (42 сурет).
Дискриминатор өзінен электрлік импульстерді, дискриминация табалдырығынан
көп, яғни бұл құрылғыда орнатылған белгілі бір кернеуден көп амплитуданы
шығарады. Дискриминация табалдырығын сәйкес ауыстырып қосқыш көмегімен
өзгертуге болады. Дискриминатор арқылы өтетін импульстер қайта есептеу
құрылғысына (6) және ары қарай электромеханикалық есептегішке (7) түседі
Қайта есептеу құрылғысы импульстерді бөледі. Мысалы, қайта есептеуді
еселеу кезінде х10 тек қана әрбір оныншы импульс электромеханикалық
есептегішке түседі.
2.6. Cцинтилляциялық есептегішпен ядролық сәулеленуді тіркеу механизмі
Сцинтилляциялық есептегіштің негізгі бөлігі сцинтиллятор (фосфор,
люминофор) және фотоэлектрлік көбейткіш (ФЭК) болып табылады. Қатты
сцинтилляторлар, әсіресе бейорганикалық және органикалық кристалдар,
сәйкесінше бір бетінде терезесі бар жіңішке алюминий қаптамаға орналасады.
Бұл терезе арқылы фосфор ФЭК-пен оптикалық байланыста болады. Кристалға
ядролық бөлшек түскенде фосфор материалын иондау жүреді. Иондау энергиясы
біртіндеп жылу энергиясына айналады, және біртіндеп көрінетін түрде немесе
ультракүлгін жарық – сцинтилляцияда жарқырайды. Энергияның
сцинтиллятормен жұтылған бөлігінің жарқырау процессі люминесценция және
фосфоресценция деп аталады. Сондықтан сцинтилляторларды жиі люминофор
немесе фосфор деп атайды. Жарқырау уақыты 10-8сек құрайды (1 кесте).
Сцинтилляторлар иондау энергиясының люминесценция жарығы энергиясына
айналуының жеткілікті үлкен эффективтілігіне ие.
1 кесте
Кейбір сцинтилляторлардың қасиеттері
Сцинтилляторлар Люминес-ценц(-бөлшектердің Сцинтиллятор
ияның толқынәсерінен дың жарқырау
ұзындығы А0 салыстырмалы уақыты, сек
жарықтың шығуы
БейоргаNaI(Tl) 4100 210 2,7(10-7
никалықZnS(Ag) 4500 200 2(10-5
кристалLiI(SN) 5300 12 -
дар CaWO4 5200 100 6(10-6
ОрганикНафталин 3450 25 6(10-8
алық Антрацен 4440 100 3,2(10-8
кристалСтильбен 4100 60 5,4(10-9
дар
Пластма100г 3800 48 -
ссалық поливинилтолуол+
сцинтил+4г терфенил+
ляторла+0,1г
р дифенилстильбен
Сұйық 5гл n-толуолдағы 3400 48 (3(10-9
сцинтилтерфенил
ляторла1гл n-толуолдағы 3875 16 -
р нафтиламин
Оның үстіне, егер бұл бөлшектер толығымен фосфор материалында жұтылатын
болса, люминесценция жарық квантының саны (сцинтилляцияның жарқ ету
интенсивтілігі) (- немесе (-бөлшектердің энергиясына пропорционал болады, (-
сәулелену жағдайында ядролық сәулеленудің жұтылуы кезінде пайда болған
люминесценция жарық квантының саны фото- және комптондық электрондарға
пропорционал. Екінші жағынан, фото- және комптондық электрондардың максимал
энергиясы энергияға (ядролық (-сәулелену) пропорционал. Сәйкесінше,
люминесценцияның жарқ ету амплитудасы (кванттар саны) ядролық сәулеленудің
кванттық энергиясына пропорционал. (-кванттың немесе ядролық бөлшектің
кейбір фосфорлық энергияларының люминесценцияның жарқ ету интенсивтілігіне
қатты пропорционалдығы (-, (- және (- спектрометрлерді, яғни бұл
бөлшектердің энергиясын анықтауға мүмкіндік беретін приборларды құру үшін
қолданылады.
Сцинтилляторлар люминесценцияның меншікті жарығы үшін мөлдір болуы
тиіс. Басқа сөзбен айтқанда, фосфорлардың максимум жұтылуы люминесценцияның
меншікті энергиясына қарағанда, үлкен энергиялар облысында жатады. 1-
кестеде кейбір кең қолданылатын сцинтилляторлардың люминесценцияның
жарықтық толқын ұзындығы келтірілген. Сцинтиллятордың люминесценция жарығы
барлық бағытқа таралады және оның бір бөлігі ғана фотоэлектронды
көбейткіштің жартылай мөлдір фотокатодына терезе арқылы түседі.
Фотоэлектронды көбейткіш шыны баллонды жоғары вакуумға дейін сорып
алады, оның ішкі бетінен торсыққа электрондардың мөлдір эмиттер қабаты
орнатылған. Өз кезегінде, бұл қабат ФЭК катоды болып табылады. Қазіргі
заманғы ФЭК фотокатодтары көбінесе сурьмалық цезийден (Cs3Sb) дайындалады.
Фотокатод пен анод арасында динодтар (3) орналасады (43 сурет). Динодтарға
сурьмалық цезий қабаты немесе басқа сәйкес зат қабаты қапталады. ФЭК
фотокатоды әдетте жердің потенциалын иеленеді. Динодтар және анод сәйкес
катодтың оң потенциалын иеленеді, оның үстіне әрбір сәйкес динодтың
потенциалы алдыңғы потенциалға қарағанда, анағұрлым оң болады.
Люминесценция жарығының жарқ етуі (сцинтилляция) фотоэлектронның
фотокатодынан алынады. Сурьмалық цезий қабаты электрондардың шығысының өте
аз жұмысын иеленеді және сондықтан ФЭК фотокатодына люминесценцияның
жарығының түсуі кезінде электрондардың біршама мөлшері алынады. Бұл
электрондар электрондық өріс әсерінен үдетіледі және бірінші динодқа
түседі. Динодтардың бетіне де электрондардың шығысының өте аз жұмысын
иеленетін зат қойылған. Сондықтан бірінші динодтан екінші ретті электрондар
алынады. Бұл процесс екінші ретті электрондық эмиссия деп аталады.
Сәйкесінше, бірінші динодтан фотокатодтан ұшқан электрондарға қарағанда,
көбірек электрондар ұшып шығады. Бұл электрондар да электр өрісімен
үдетіледі және тағы қосымша электрондар алынатын екінші динодқа түседі және
т.б. Бұл процесс нәтижесінде динодтан динодқа электрондардың көбеюі жүреді
және анод электрондардыңүлкен мөлшеріне жетеді. Осылайша, фотокатодтан
люминесценцияның жарқ етуі бойынша алынған электрондардың аздаған мөлшері
динодтық жүйемен бірден ұлғаяды және ФЭК анодтық жүгінде кернеудің біршама
импульсі пайда болады. Бұл электрондық импульс сызықтық күшейткішпен бірден
күшейеді. Сәйкесінше, ФЭК катоды өте аз электронды импульсте
люминесценцияның жарқ етуін іске асыратын фотоэлемент болып табылады; ФЭК
динодтық жүйесі бұл электронды импульсті күшейту үшін қызмет етеді.
Көбінесе ФЭК-тің электрондық күшеюі 106 тең.
Сонымен қатар, пайдалы дыбыс арқылы динодтық жүйе жылулық шу бере
отырып, зиянкес (паразитті) дыбыстарды күшейтеді. Сурьмалық цезийден
жылулық электрондар бөлініп шығады, яғни динод материалынан электрондардың
шығу жұмысы көп болатын кинетикалық энергия электрондары. Оның үстіне,
үдетілген электрондар ФЭК-тегі қалған газдарды иондайды. Пайда болған оң
иондар электрондық токқа қарама-қарсы қозғала отырып, динодтарға түседі
және динодтық жүйемен күшейетін қосымша электрондарды шығарады. Осы екі
процесстің есебінен ФЭК-тің шығысында зиянкес (паразитті) импульстер пайда
болады. Бұл зиянкес (паразитті) дыбыстардың амплитудасы ядролық бөлшектен
шыққан импульстердің амплитудасынан аз болады. Дискриминацияның сәйкес
ақауын қолдана отырып, шудың Бұл зиянкес (паразитті) импульстерін толығымен
кесіп тастауға және қайта есептеу схемасына тек пайдалы импульстерді
ұсынуға болады.
2.7. Сцинтилляциялық есептегіштің есептік сипаттамасы
Сцинтилляциялық есептегішпен тіркелген радиоактивті препарат пен фонның
есептеу жылдамдығы үш параметрден тәуелді: а) ФЭК-ке кернеу; б) сызықтық
күшейткішті күшейту; в) дискриминация ақауы. Ескерте кету қажет, ФЭК-те
кернеуді ұлғайту, күшейткіштің күшеюін ұлғайту тәрізді іс жүзінде ядролық
сәулеленуді тіркеуде бірдей эффект береді. Сондықтан ФЭК-те сәйкес
кернеумен күшейткіштің оптималды мәнін компенсациялаудың керегі жоқ және
керісінше. Керісінше дискриминация ақауының шамасы есептеу жылдамдығы мен
фонның мәндеріне әсер етеді.
7-суретте есептегіш препараттың тіркелген жылдамдығының фоннан, фон мен
жылулық шудың ФЭК-тегі кернеуінен тәуелділіктері көрсетілген. 7-суреттен
көріп тұрғанымыздай, ФЭК-тегі белгілі бір кернеуден бастап, жылулық шудың
шамасы бірден ұлғаяды және есептегіштің тіркелген жылдамдығынан көп болады.
Сәйкесінше, ФЭК-тегі кернеу жылулық шу (дискриминация деңгейі нөлге тең)
білінетін кернеуден көп болмауы тиіс. Әдетте күшейткіштің мәнін (шамамен
100) азғантай немесе орташа етіп таңдайды. Есептік сипаттаманы эксперимент
жүзінде өте жиі анықтау және оны график түрінде бейнелеу жеткілікті (7-
сурет).
7-сурет. ФЭК-тегі (сцинтилляциялық есептегіштің есептік сипаттамасы)
кернеуден есептегіш жылдамдықтың (1), фон шамасының (2) және жылулық шу
мәнінің (3) тәуелділігі
График бойынша жұмыс кернеуі анықталады. Ары қарай функциясының
максимал мәнін анықтаумен байланысты дискриминация ақауының оптималды мәнін
іздеу қарастырылады. Ол үшін Іпр фонсыз радиоактивті препараттың есептеу
жылдамдығының және дискриминация ақауының VD әр түрлі мәндерінде Іф фонның
мәндерін өлшеу жүргізіледі. Бұл өлшеулерде таңдалған күшейткіш пен ФЭК-
тегі жұмыс кернеуі орнатылады.
ІІІ тарау. Радиоактивті изотоптарды идентификациялаудың физикалық әдістері
Радиоактивті индикаторлар ретінде радиоактивті изотоптарды қолдануда
оларды идентификациялауды жүргізу және радиохимиялық жиілігін тексеру
қажет.
Радиоактивті айналудың типі, ядролық бөлшектердің ыдырауы нәтижесінде
пайда болған энергия және жартылай ыдырау периоды толығымен берілген
радиоактивті изотопты сипаттайды. Тәжірибе жүзінде алынған берілгендердің
әдебиеттерде берілген шамалармен сәйкес келуі, сонымен қатар химиялық
идентификация қолданылатын изотоптың радиохимиялық жиілігіне кепілдік
береді. Изотоптың барлық физикалық қасиеттерін анықтаудың мүмкін еместігі
жиі кездеседі, олай болса жартылай ыдырау периодын немесе ядролық бөлшектер
энергиясын өлшеумен ғана шектеледі. Изотоптардың сәйкес кестелерінен Т12
сенімді мәнін және ядролық сәулеленудің қасиетін табуға болады.
3.1. Радиоактивті изотоптардың жартылай ыдырау периодын және ыдырау
тұрақтысын анықтау
Есептегішпен тіркелген есептеу жылдамдығы уақыт бойынша өзгереді
(3.1)
мұндағы, І0 – бастапқы уақыттағы есептеу жылдамдығы және Іt – t уақыт
ішіндегі есептеу жылдамдығы, ( - радиоактивті ыдырау тұрақтысы.
Бұл теңдеуді логарифмдесек, мынаны аламыз:
Есептеу жылдамдығының логарифмі уақыт бойынша сызықты өзгереді. Бұл
түзудің бұрыштық коэффициенті натурал логарифм негізінде радиоактивті
ыдыраудың тұрақтысына ондық логарифмді жүргізуге тең.
Сәйкесінше, жартылай ыдырау периодын немесе радиоактивті ыдырау
тұрақтысын анықтау үшін жартылай ыдыраудың 2 – 5 периодына тең уақыт
аралығында (мүмкіндігінше, өлшеу уақыты ішінде есептеу жылдамдығы ең
болмаса бес рет азаюы керек) берілген радиоактивті заттың есептік
жылдамдығына өлшеу жүргізу қажет. Алынған тәжірибелік мәндерді график
түрінде жартылай логарифмдік масштабта lgI=f(t) бейнелейді (8-сурет).
А
L
А В
T12 100 200 300 400 t(сағ)
8-cурет. Радиоактивті изотоптың жартылай ыдырау периодын және ыдырау
тұрақтысын анықтау
Графикте жартылай ыдырау периодын қандай бейнеде анықтау жүргізілетіні
көрініп тұр. Тәжірибелік нүктелер арқылы түзу сызық жүргізіледі (есептеу
жылдамдығының уақытпен аналитикалық тәуелділігін табу үшін ең аз квадраттау
әдісін қолдануға болады), осы түзуден қалаған А нүктесі алынады және одан
уақыт осіне перпендикуляр түсіріледі. Бұл перпендикулярда А нүктесінен
lg2=0,3010 ұзындықпен қима алынып, алады. Бұл А нүктесінен В нүктесінде
қиылысқанға дейін уақыт осіне параллель тік сызық жүргізіледі. В нүктесінен
уақыт осіне перпендикляр түсіріп В нүктесі алынады. А нүктесіндегі есептеу
жылдамдығы В нүктесіндегі есептеу жылдамдығынан 2 есе көп болғандықтан,
таңдалған масштабтағы АВ қимасы берілген радиоактивті изотоптың жартылай
ыдырау периодына Т тең. Графикті қолданып, берілген масштабта tg(-ны табуға
болады және алынған нәтижені lgе=0,4343 шамасына бөліп, радиоактивті ыдырау
тұрақтысының ( мәнін аламыз.Тәжірибелік мәндердің көп мөлшері болмаған
жағдайда, 31-І формуланы қолданып, уақыттың екі мәнінде есептеу
жылдамдығының екі нәтижесі бойынша Т және ( мәндерін анықтауға болады.
Жартылай ыдырау периоды мен радиоактивті ыдырау тұрақтысы бір-бірімен өзара
байланысты.
Екі немесе одан да көп радиоактивті изотоптар жағдайында, тәжірибелік
қисықтарды сәйкесінше әрбір радиоактивті изотоптық аумақтарға бөледі және
әрбір изотоп үшін сәйкес жартылай ыдырау периодын анықтайды. Осылайша, екі
бір-біріне тәуелсіз ыдыраған, өмір сүру уақыты әр түрлі изотоптар үшін
уақыттан тәуелді препарат активтілігін өзгерту мына теңдеуге бағынады:
(3.2)
9-сурет. Екі радиоактивті изотоптың жартылай ыдырау периодын анықтау
t –ның жеткілікті үлкен мәндерінде ұсынылғандардың бірі іс жүзінде
нөлге тең болады. Бұл жағдайда жартылай логарифмдік қисық түзуге өтеді,
үлкен өмір сүру уақытынаие компоненттер радиоактивті тұрақтыға сәйкес
келетін иілу (9-сурет). t=0 – ге сызықты аймақты экстраполирлеу арқылы,
бірнеше уақыт мезеті t үшін ұзақ өмір сүретін радиоактивті изотоптың
графиктегі мәнін табамыз.
,
айырмасы қысқа өмір сүретін компоненттердің изоляцияланған
активтілігінің сәйкесінше азаюы тағы да жартылай логарифмдік графикке алып
келеді және түзуді алады, иілу бұрышының тангенсі (1 мәніне сәйкес келеді.
Егер радиоактивті изотоптардың саны үштен көп болса, онда тәжірибелік
мәліметтердің қателігінен ыдырау қисығын ұқсас өңдеу қиын болып табылады.
Егер жеке изотоптардың жартылай ыдырау периоды екеуден ажырайтын болса,
онда тіпті екі компонентті жүйелер сенімді бөлінуге берілмейді.
3.2. Радиоактивті изотоптардың сәулелену энергиясын анықтау
(-бөлшектің максимал энергиясын анықтау
Кез-келген изотоптың (-бөлшектері әр түрлі энергиямен ядродан ұшып
шығады; (-бөлшектер энергияның үздіксіз спектріне ие. (-бөлшектері
спектрінің тек қана максимал энергиясы берілген радиоактивті изотопты
сипаттайды. Максимал энергияның мәні изотоптар кестесінде көрсетіледі.
(- сәулеленудің максимал энергиясы магнитті және сцинтилляциялы
спектрометрлердің көмегімен анықтала алады, сонымен қатар алюминийде
сәулеленудің жұтылу әдісімен анықтала алады. Бұл әдіс анағұрлым қарапайым
және кез-келген зертханада жүзеге асыруға болады.
3.3. Алюминийде жұтылу бойынша β-бөлшектердің максимал энергиясын анықтау
Кез-келген материалда β-бөлшектердің максимал өту шамасы белгілі-бір
бейнеде энергиядан тәуелді. Әдебиеттерде β-бөлшектердің максимал өтуін
олардың максимал энергиясымен байланыстыратын бірнеше эмпирикалық
формулалар бар (3.3 және 3.4).
(3.3)
(3.4)
Сондықтан β-спектрдің максимал энергиясын анықтау максимал энергияның
өзгеруіне әкеледі, ал энергия эмпирикалық формулалар бойынша есептеледі. β-
бөлшектердің максимал өтуін анықтау үшін, радиоактивті изотоп мүмкіндігі
бойынша анағұрлым жоғары бұрыштық активтіліктен жіңішке органикалық
қабықшаға алып келеді. Өте дәл емес өлшеулерде негіз ретінде алюминийді
немесе пластмассаны қолданады, мысалы плексиглас. β-сәулеленудің детекторы
ретінде Гейгер-Мюллер денелік есептегішін немесе β-сцинтилляциялық
есептегішті ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Белгіленген атомдар әдісі. Стабильді изотоптар және радиоактивті
индикаторлар.
Белгіленген атомдар жиынтығы деп химиялық қосылысқа кіретін
атомдардан өзгеше атомдарды айтады. Осы белгіленген атомдарды қолданып, әр
түрлі процестерді зерттеуге болады. Белгіленген атомдар химияда, физикада
және биологияда қолданылады. Сонымен қатар техникада және технологияларда,
ауыл шаруашылығында және медицинада қолданылады. Белгіленген атомдарды
енгізудің негізгі себебі – ол изотоптар болады.
Изотоптар дегеніміз - зарядтары бірдей химиялық элементтер. Ядроны
мынадай символмен белгілейді:
мұндағы, Х – химиялық элементтердің символы,
А – ядроның массалық саны
Z – ядроның заряды.
Бір элементтің изотоптары ядро құрамымен ерекшеленеді және олардың
электрондық қабаттары бірдей болады. Оларды бір-бірінен айыру үшін
белгіленген атомдар әдісімен айқындайды.
Изотоптарды стабильді және стабильді емес деп екіге бөледі.
Радиоактивтілік дегеніміз атомдық ядролардың өздігінен түрленуін айтады. Ол
түрлену кезінде атомның физикалық және химиялық қасиеттері өзгереді. Изотоп
стабильді немесе орнықты болады, егер белгілі әдістер арқылы оның
радиоактивтілігі байқалмайтын болса.
Табиғаттағы көптеген элементтер изотоптардың қоспасынан тұрады. Олардың
бір-бірінен айырмашылығы өте аз. Химиялық жолмен ол изотоптарды жеке бөліп
алу мүмкін. Стабильді изотоптар ретінде жеңіл элементтердің изотоптары
қолданылады. Мысалы, дейтерий (), көміртегі – 13, азот – 15, оттегі –
18 және т.б.
, ,
-сутегі
-дейтерий атомының ядросы
-тритий атомының ядросы
Изотоп құрамын сандық анықтау масс-спектрометр арқылы жүзеге асырылады.
Сонымен қатар изотоптық құрамды атомдардың тығыздығы, жылу өткізгіштігі,
сыну көрсеткіштігі арқылы да анықтайды; соңғы кезде инфрақызыл және жоғары
жиілікті спектр арқылы және сонымен қатар ядролық магниттік резонанс арқылы
қолданады.
Стабильді изотоптардың көмегімен белгіленген атомдардың әдісі стабильді
изотоптар әдісі деп аталады. Стабильді изотоптардың ерекшелігі олардың
орнықтылығында және оларда ядролық сәулеленулер жоқ болады. Бірақ ондай
стабильді изотоптары бар элементтер өте аз. Осы әдіспен істелінетін өте
күрделі техника және олардың өте төмен сезімділігі осы әдістің кемшілігі
болып табылады.
Радиоактивті изотоптарды қолданатын белгіленген атомдар әдісі
радиоактивті индикаторлар әдісі деп аталады.
Радиоактивті изотоптарды периодтық жүйедегі барлық элементтерден алуға
болады. Радиоактивті изотоптар әдісінің артықшылығы жоғары сезімділігі,
ерекшелігі, өте үлкен дәлдікпен анықталуы, сонымен қатар қарапайымдылығы
және өлшеуіш аппаратурасының орындалуы. Сондықтан радиоактивті индикаторлар
әдісі кеңінен таралады.
Қазіргі уақытта 250 стабильді және 1100 аса радиоактивті изотоптар
саналды. Барлық химиялық элементтердің радиоактивті изотоптары белгілі,
соның ішіндегі көптеген элементтер үшін алынған изотоптары радиоактивті
индикаторлар ретінде қолданылады. Изотоптары радиоактивті химиялық
элементтерді радиоактивті элементтер деп атайды. Ондай элемент ретінде
Менделеевтің периодты жүйесіндегі полонийдан (Z=84) бастап элементтер
кіреді. Бірақ, практикада таза радиоактивті элементтермен немесе
изотоптармен жұмыс істеу өте сирек кездеседі. Белгіленген атомдар әдісінде
радиоактивті заттар қолданылады, ол заттардың құрамында радиоактивті
атомдар бар. Радиоактивті заттар ұғымына радиоактивті элементтер немесе
радиоактивті изотоптардың еркін күйлері немесе қосылыстары кіреді.
Радиоактивті индикаторлар әдісінің өте жоғары сезімталдығы басқа
тәсілдерге қарағанда үлкен дәлдікпен тәжірибелер жасайды. Мысалы, өлшенетін
радиоактивті изотоптардың мөлшері 10-10-10-15г болады, бірақ кейбір
жағдайда жеке радиоактивті атомдар да абйқалуы мүмкін.
Белгіленген атомдар әдісінің 3 негізгі бағыттары бар.
1. Белгіленген атомдарды әр түрлі объектілерде заттардың орын
ауыстыруын зерттеу болып табылады. Белгіленген заттарды берілген жүйеге
немесе организмге енгізеді және белгілі бір уақыт аралығында жүйенің
белгілі бір нүктелеріндегі белгіленген қосылыстарды табу болып табылады.
Мысалы, металдарда белгіленген атомдардың орын ауыстыруы арқылы диффузияның
немесе өздік диффузияның коэффициенттерін анықтауға болады.
2. Белгіленген атомдар әдісін әр түрлі процестермен түрленулердің
механизмін анықтауға қолданылады, заттардың химиялық құрылысын зерттеу,
атомдардың және топтардың қозғалғыштығын анықтауға болады. Мысалы
белгіленген атомдар арқылы фотосинтез процессінің негізгі проблемалары
шешілді.
3. Белгіленген атомдар әдісі заттың мөлшерін анықтауда қолданылады.
Радиоактивті индикаторлар қолдану арқылы заттың сандық мөлшерін анықтауда
басқа жаңа әдістер ашылды. Оларға мыналар жатады: изотоптық аралыстыру
әдісі активациялық анализ, радиометриялық титрометрия және т.б. Осы
әдістердің жоғары сезімталдығы мен дәлдігі өте тез және дәл автоматикалық
регистрациялар жатады, олар көпшілік анализдерде өте маңызды.
Радиоактивті индикаторлар әдісін қолданған кезде зерттеушінің алдынан
көптеген проблемалар шығады. Біріншіден, радиоактивті изотопты таңдап алу,
оның ядролық сипаттамаларын анықтау, яғни ол радиоактивті изотоптық ыдырау
схемасын анықтау одан шығатын сәулеленудің энергиясын анықтау және
радиоактивті изотоптық жартылай ыдырау периодын анықтау.
Өлшеуіш аппаратурасын рационал қозғалу үшін ионизациялық сәулелердің
өлшенетін принциптерімен танысу қажет. Сонымен қатар радиоактивті заттың
мөлшері өте аз болғандықтан және олардың сұйықтарда өте аз мөлшерде
ерігендіктен, олардың ерекшеліктерін білу қажет.
Радиоактивті сәулелердің организмге әсері болғандықтан, сәулелерді
заттармен әсерлесу процестерін білу қажет.
Сондықтан менің дипломдық жұмысымда қысқаша түрде радиоактивтіліктің
теориялық мәліметтері келтірілген және сонымен қатар атомдық ядролардың
құрылысы, радиоактивті сәулелердің өлшеу әдістері және дозометрия орын
алады.
І тарау. Радиоактивтілік
1.1. Белгіленген атомдар әдісі дамуының тарихи бөлімдері
1896 жылы Беккерельдің урандық сәулеленуді ашуы қазіргі таңдағы атомдық
энергия мен радиоактивтілікті изотоптарды іс жүзінде қолданумен аяқталған
ғылым дамуының жаңа бөліміне қызмет етті.
М.Кюри уранның және басқа элементтердің сәулеленуі атомдардың
айналуымен байланысты екенін бірінші болып көрсетті және бұл құбылысты
радиоактивтілік деп атады. Табиғи элементтердің радиоактивтілігі мен
олардың бірігуін үйрену нәтижесінде Болтвуд уранның препаратынан химиялық
қасиеті бойынша торийге ұқсас қатты радиоактивті ионийді белгілеп алды.
Соддидің ұсынысы бойынша, бірдей химиялық, бірақ әр түрлі радиоактивті
қасиетке ие бір химиялық элемент атомының әр түрлі болуын изотоптар деп
атады. Изотоптардың болу себебін түсіндіру тек атомдардың құрылысын
анықтағаннан кейін ғана мүмкін болды.
1913 жылы Хевеши Резерфордтың ұсынысы бойынша, D-радий деп аталатын
радиоактивті изотопты кәдімгі қорғасыннан ажыратуға әрекет етуге қамданды.
Екі жыл жұмыс жасап, Хевеши іс жүзінде изотоптарды бөлудің мүмкін
еместігіне көз жеткізді. Алайда, онда орнықты изотоптар қасиетінен
анықтауға мүмкіндік беретін индикаторлар ретінде радиоактивті изотоптарды
қолдану идеясы туды. Мұны Хевеши келесі түрде талқылады: ерітінді 1 грамм
қорғасыннан тұратындай етіп, қорғасын нитраты мөлшерін ерітейік. Мұнда
активтілік миллион бірлікке (электроскоппен өлшенетін) тең болатындай етіп,
өте аз мөлшерде D-радий қосамыз және бұл белгіленген қорғасынмен өте қиын
операцияны орындаймыз. Егер біз бұл операциялардың нәтижесінде алынған
фракциядан бірдей радиоактивтіліктің болуын байқасақ, онда фракцияда
бастапқы қорғасынның бір мың миллиграммы қатысты деген қорытынды жасауымыз
керек. Біраз уақыттан кейін бұл әдісті Вл.И.Саицын қиын ерітілетін торий
және белгіленген торий изотоптарының 234 (уран – Х1) және 228
(радиоторий) массаларымен ерітіндісін анықтау үшін қамданды.
Торийдің меншікті ( радиоактивтілігі болмашы ғана, сондықтан анықтау
сезімталдығы өте төмен. Радиоактивтілік бойынша торийдің қиын ерітілетін аз
мөлшерін анықтау үшін, қатты радиоактивті торий изотопын жеткілікті түрде
ұзақ сақталған уранның немесе торийдің табиғи бірігуінен алдын-ала бөліп
алуға болады. 1г уранмен тепе-теңдікте 234 массалы 1,4·10-
11г торий изотопы болып табылады. Іс жүзіндегі мұндай салмақсыз мөлшерді
радиоактивтілік бойынша кәдімгі торийдің салмақты мөлшерімен араластырған
жағдайда да оңай анықтауға болады.
Торий оксалатының ерітіндісі 0,5·10-5мольл-ге тең екендігі
анықталды. Дәл сол уақыттағы торийдің біріккен ерітіндісін анықтаудың
танымал тәсілдерінің ешқайсысын радиоактивті изотоптарды қолданумен алынған
дәлдіктей етіп жасау мүмкін болмады.
1921 жылы Кеңес Одағында В.Г.Хлопиннің үздіксіз қатысуымен және
басқаруымен радиоактивтілік бойынша табиғи радиоактивті изотоптарды қолдану
арқылы жұмыстың дамуын қамтамасыз ететін алғашқы радий препараты
дайындалды.
И.Е.Старик қорғасын изотопын радиоактивті индикаторлар ретінде, тау
жыныстарындағы олардың жасын орнату арқылы қорғасынның аз мөлшерін
радиометрлік анықтау үшін қолданды.
Алайда радиоактивті индикаторлар әдісі изотоптарды таңдау мүмкіндігінің
шектелуінен және сәйкес табиғи радиоактивті изотоптардың көзінің болмауынан
кең таралуға ие болмады. Бұл кедергі ерлі-зайыпты И. және Ф.
Жолио-Кюридің жасанды радиоактивтілікті ашуының, циклотронда ядролық
реакция бойынша көптеген радиоактивті изотоптарды алуды жүзеге асырудың
және ауыр ядролардың бөлінуін ашудың арқасында жойылды.
Кеңес Одағында радиоактивті изотоптарды қолдану мен алу бойынша
жұмыстар дамыды және оны академик И.В.Курчатов мүмкін болғанша қолдады.
Радиоактивті изотоптарды белгіленген атомдар ретінде бірінші болып
А.Е.Полесицкий, А.А.Гринберг, С.З.Рогинский және т.б. қолдана бастады.
Ядролық энергетиканың ерекше прогрессі нәтижесінде периодтық жүйедегі
барлық элементтер үшін радиоактивті изотоптарды іс жүзінде алу мүмкіндігі
пайда болды.Бұл белгіленген атомдардың әмбебап әдісін қамтамасыз етті.
Радиоактивті изотоптар мен сәулеленуді кең қолданатын білімнің жаңа
бұтақтары пайда болды. Оларға радиохимия, радиобиология, радиогеология,
радиациялық химия және т.б. жатады. Қазіргі уақытта радиоактивті
индикаторлар әдісін іс жүзінде қолданбайтын облыстарды есептеу қиын, ол
тіпті металлургия мен машина құрастыруда, агрономия мен зоотехникада, балық
шаруашылығы мен тоқыма өнеркәсібінде да қолданылады.
Белгіленген атомдар әдісімен орындалған зерттеулер жыл сайын халық
шаруашылығыда үлкен экономикалық пайда әкеледі. Шын мәнісінде,
белгіленген атомдардың роліне білімнің кез-келген бөліміндегі ғылыми
зерттеулерде баға жетпейді. Әсіресе химияның барлық облыстарында
белгіленген атомдар әдісі кең қолданысқа ие.
1.2. Ядролардың құрылысы мен беріктілігі
Химиялық элементтердің ядролары протондар мен нейтрондардан тұрады.
Ядролық бөлшектер – протон және нейтрон – жалпы терминмен жиі айтылады:
нуклондар. Протон оң зарядқа ие, сан мәні жағынан электрон зарядына 1,6·10-
19к (4,8·10-10 CGSE) тең, нейтрон электрлі бейтарап. Ядродағы протондар
саны периодтық жүйедегі элементтің жағдайын анықтайтын атом номеріне (Z)
тең. Қазіргі уақытта элементтердің белгілі атомдық номерлері 1-ден
(сутегі) 103-ке (лоуренсий) дейінгі аралықта жатады. Ядродағы нуклондардың
толық саны массалық сан А деп аталады. Ядродағы нейтрондар саны А- Z
айырмасына тең.
Ядродағы протондар мен нейтрондарды ұстап тұратын табиғи күш нақты
анықталмаған. Нейтрон зарядқа ие болмағандықтан, бұл күштер қарапайым
электростатикалық (кулондық) тартылыс күші бола алмайтыны белгілі. Сонымен
қатар, ядролық бөлшектердің байланысын түсіндіру үшін талап етілетін күштен
бірнеше реттілікке әлсіз гравитациялық күштер де шығарылып тасталады.
Ядролық күштер өте аз әсер ету радиусына ие – ядроның өлшеміне қарағанда
бірнеше есе аз (~10-13 см). Нуклондар арасындағы әсер ететін күштер
ауыспалы күш деп аталатын санға апарып береді. Ядрода нуклондар мезон деп
аталатын ерекше бөлшектердің ауысуы үздіксіз өтетіндіктен байланысады деп
есептейді; мезондардың массалары электрон мен протон массаларының
арасындағы аралық орынды иеленеді.
Ядролық физикада масса бірлігіне 112 массалы 12С көміртегі изотопы
қабылданған; бұл шама атомдық бірлік масса (а.б.м.) деп аталады
1 а.б.м.=1,66·10-24г. Массалық сандар берілген изотоп массасының М
дәл мәніне анағұрлым жақын толық санды ұсынады. Протон массасы
1,00760а.б.м., нейтрон массасы – 1,00899а.б.м., электрон массасы –
0,00055а.б.м. құрайды.
Ядролық физикадағы энергияның шамасы әдетте электрон-вольтпен (эв)
беріледі, 1эв 1в-қа тең тұрақты электр өрісіндегі потенциалдар айырмасынан
өтіп, электронды иемденеді, бұл жерден 1эв=4,8·10-10·1300=1,6·10-12эрг.
Әдетте анағұрлым ірі бірліктер қолданылады: 103эв-қа тең килоэлектрон-
вольт (кэв), 106эв-қа тең мегаэлектрон-вольт (Мэв).
Радиоактивті айналу процессінде ядроның потенциалдық энергиясы азаяды.
Е кинетикалық энергиямен бөлшектерді шығару Эйнштейн теңдеуіне сәйкес
жүйенің тыныштық массасының ∆m шамасына өзгеруімен сипатталады:
E= ∆mc2 (1.1)
Өз кезегінде, ұшып шыққан бөлшектердің релятивистік массасы ∆m-ге
ұлғаяды, сондықтан жүйенің толық массасы сақталады. Химиядағыдай,
реакцияның экзотермиялығы пайда болған өнімдердің тұрақтылығын көрсетеді,
ядролық айналу кезіндегі тұрақты ядролар тыныштық массасының азаюына
негізделген. Егер (1.1) Эйнштейн теңдеуінің көмегімен анықталған бұл екі
жүйенің энергия айырмасы оң шамаға ие болса, ядролық жүйе басқа ядролық
жүйелермен салыстырғанда тұрақты болады. Ядролардың тұрақтылығын байланыс
энергиясының шамасымен сипаттауға болады:
Ебай=[Zmp+(A-Z)mn-M]·931Мэв (1.2)
Мұндағы mp, mn және М – протонның, нейтронның және а.б.м.-мен белгіленген
қарастырылып отырған ядроның массалары, ал 931Мэв – бір атомдық бірлік
массаға эквивалентті энергия. Бір нуклон үшін орташа байланыс энергиясы
тең:
(=(( Zmp+(A-Z)mn-M)A) ·931Мэв (1.3)
Жинақталған протондар мен нейтрондардың тұрақтылығын иеленбейтін
ядролар, сонымен қатар периодтық жүйенің соңындағы ауыр ядролар
радиоактивті ыдырап, ең соңында орнықты ядроларға айналады.
1.3. Радиоактивті ыдырау заңдары
Радиоактивті ядролардың өздігінен айналуы шығыс радиоактивті изотоп
атомының (ядросының) санының үздіксіз азаюына және туынды өнімдердің пайда
болуына әкеледі. Радиоактивті ыдырау ықтималдық процесстер қатарына
қатысты, және оған статикалық талдау әдісі қолданылады.
Кейбір кездейсоқ оқиғалардың пайда болу ықтималдылығы деп жағымды
оқиғалар санының оқиғалардың жалпы санына қатынасын атайды. М арқылы t
уақыт ішінде ыдыраған атомдар санын белгілейміз, ал N0 арқылы–шыққан
атомдар санын белгілейміз. Онда таңдалған уақыт өтуі аралығындағы жеке
атомдардың ыдырау ықтималдылығы (р) тең:
pt=MN0
(1.4)
t уақыт ішінде ыдырамаған атомдардың ықтималдылығы (q)тең:
qt=1-pt=(N0 -M) N0=NtN0 (1.5)
мұндағы Nt=N0-M – t уақыт ішінде ыдырауға ұшырамаған атомдардың орташа
саны.
∆t уақыт ішіндегі жеке атомның ыдырау ықтималдылығы р∆t берілген
уақытта немесе одан ертеректеу уақытта атомның болу шартынан тәуелді емес.
Бұл ықтималдылық тек ∆t аралық шамасынан ғана тәуелді және өте аз уақыт
аралығына ∆ t пропорционал, осылайша
р∆t= (·∆t,
мұндағы ( пропорционалдық коэффициенті берілген радиоактивті изотоп
үшін сипатталатын тұрақты болып табылады.
Жеткілікті аз уақыт аралығында ∆t ыдырамайтын атом ықтималдылығы
мынаған тең:
q∆t= 1-(·∆t.
Бірақ егер атом ∆t уақыт ішінде ыдырамаса, онда ол екінші дәл сондай
уақыт аралығында да ыдырамайды, тағы да (1-(·∆t)-ға тең. Атомның бірінші
де, екінші де уақыт аралығында ыдырамайтын ықтималдылығы бұл
ықтималдықтарды жасауға тең болады; ары қарай да осы сипатқа ұқсас талқылай
отырып, мынаны аламыз:
q2∆t= (1-(·∆t)2
q3∆t= (1-(·∆t)3
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
qn∆t = (1-(·∆t)n
Қарастырылып оытрған ∆t уақыт аралығы аз болған сайын соңғы теңдеу
соғұрлым нақтырақ болады. ∆t=tn екенін ескере отырып және n(( шегіне өте
отырып, мынаны аламыз:
1-cурет. Радиоактивті ыдыраудың типтік қисығы
1-суреттегі қисықпен уақыт бойынша радиоактивті изотоптардың атом
сандарының өзгерісі көрсетілген.
(1.5)-ден алынған qt-ның мәнін қойсақ, мынаны аламыз:
Nt=N0e-(t (1.6)
(1.5) және (1.6) теңдеулерін біріктіре отырып, уақыт бойынша ыдыраған
атомдар санының өзгеруі үшін тәуелділікті табуға болады.
M=N0(1-e-(t) (1.7)
(t-ның аз мәні үшін e-(t=1-(t теңдігі дәл орындалады, онда:
М=N0(t, немесе Mt=(N0.
Mt қатынасы –dNdt арқылы сипаттауға болатын ыдыраудың орташа
жылдамдығын көрсетеді (- таңбасы радиоактивті изотоптардың уақыт бойынша
атом санының N азаятынын көрсетеді) және осылайша
–dNdt=(N (1.8)
(1.8) теңдеуі дифференциалды формада радиоактивті ыдыраудың негізгі
заңын сипаттайды. Оны N(0)=N0 және N(t)=Nt шартында интегралдау негізгі
ыдырау заңының интегралды түрін сипаттайтын (1.6) теңдеуге әкеледі.
(1.8) негізгі ыдырау заңына сәйкес шексіз аз уақыт аралығында dt
ыдырайтын ядролар саны dN, берілген уақыт мезетін иеленген ядролар санына N
пропорционал. ( тұрақтысы радиоактивті изотоптар ядросының тұрақсыздығын
сипаттайды және тұрақты ыдырау немесе радиоактивті тұрақты деп аталады.
(1.8)-ден байқағанымыздай,
(=(- dNN) dt (1.9)
Бұл жерден ( ыдырау тұрақтысы жартылай ыдырау периодымен салыстырғанда
уақыт бірлігі өте аз шарт бойынша бірлік уақыт ішінде ыдырайтын dNN
атомның бір бөлігіне тең екендігі көрініп тұр. ( қайтымды уақыт өлшемін
иеленеді және бәрінен бұрын сек-1-мен белгіленеді. Радиоактивті ыдыраудың
негізгі заңының мәні мынада, бірдей уақыт аралығындағы тұрақты бөліктің
радиоактивті изотоп атомдарының берілген уақытты иеленген жалпы мөлшерінен
ыдырауында.
Радиоактивті зат атомдарының ыдырау жылдамдығын -dNdt а препараттың
абсолютті радиоактивтілігі (немесе абсолютті активтілік) деп аталады. (1.8)
негізінде
а=(N (1.10)
Абсолютті активтілік бірлігіне 1 кюри қабылданған. Кюри –
3,7000·1010ыдыраусек өтетін радиоактивті көздің активтілігі. Абсолютті
активтілікті сипаттау үшін сонымен қатар кюридің мың бөлігін (милликюри,
мкюри) және кюридің миллион бөлігін (микрокюри, мккюри) қолданылады.
Осылайша,
1 кюри 3,7·1010ыдыраусек=2,22·1012ыдырау мин;
1 мкюри 3,7·107ыдыраусек=2,22·109ыдырауми н;
1мккюри 3,7·104ыдыраусек=2,22·106ыдырауми н;
(1.11)
Белгіленген атомдар әдісінде қолданылатын үлгілердің активтілігі
әдетте микромилликюри диапазонында жатады.
Абсолютті активтілік бірлігі ретінде сонымен қатар резерфорд (Р) 1Р деп
аталатын шама да ұсынылған. 106ыдыраусек өтетін радиоактивті препараттың
активтілігі бар. Микрорезерфорд 1ыдыраусек активтілікке сәйкес келеді. Бұл
бірлік кюриге қарағанда анағұрлым ыңғайлы, кең таралымға ие болмаған.
Сонымен қатар, уақыт бойынша абсолютті активтіліктің азаюы негізгі
ыдырау заңына бағынады. (1.6) теңдеуінің 2 жағын да (-ға көбейтіп, (1.8)-
ді назарға ала отырып, мынаны аламыз:
at =a0e-(t (1.12)
мұндағы a0 – бастапқы уақыт мезетіндегі абсолютті активтілік, at – t
уақыт мезетіндегі абсолютті активтілік.
Практикалық жұмыста радиоактивті заттармен препараттардың абсолютті
активтілігі ережедегідей үздіксіз анықталмайды. Сәулеленудің әр түрлі
қасиеттерін қолданатын өлшеу құрылғылары әдетте а-ға пропорционал шаманы
береді; бұл шаманы тіркей активтілігі І деп атайды. Тіркеу активтілігінің
ядролық бөлшектер есептегішімен жұмыс кезінде импульсте минутқа
сипатталатын есептің жылдамдығы болып табылады (импмин), ал абсолюттік
және тіркеу активтілігінің шамасын байланыстыратын пропорционалдық
коэффициенті есеп коэффициенті (() деп аталады:
I=(a (1.13)
(1.8) және (1.9) теңдеуінің негізінде уақыт бойынша тіркеу
активтілігінің өзгерісін өлшеудің ұқсас шарттарын сонымен қатар негізгі
ыдырау заңы ретінде көрсетуге болады:
It=I0e-(t (1.14)
Мұндағы It және I0 – t уақыт мезетіне сәйкес тіркеу активтілігінің
мәні.
Радиоактивті иотоптардың орнықтылығын жартылай ыдырау периоды шамасымен
жиі сипаттайды. Берілген изотоптағы атомдар мөлшерінің жартысының ыдырауы
кезіндегі жартылай ыдырау периодын Т уақыт аралығы деп аталады. Жартылай
ыдырау периодына тең уақыттағы радиоактивті изотоптан тұратын препараттың
абсолютті активтілігі а және тіркеу активтілігі І (мысалы, есеп жылдамдығы)
екі есе азаяды:
NtN0=ata0=ItI0=12=e-(t (1.15)
Бұл жерден шығатыны:
(T=ln2=0,693 (1.16)
Соңғы қатынастың негізінде жартылай ыдырау уақытына еселі; әрі уақыт
ішінде радиоактивті изотоптың ыдырау дәрежесін тез есептеуге мүмкіндік
беретін формуланы алуға болады. t=mT болсын, онда:
amTa0=1em(T=1emln2.
е негізі бойынша соңғы теңдеуді логарифмдеп және потенциалдап, мына
теңдеуге келеміз:
amTa0=12m, (1.17)
мұндағы m=tT.
ІІ тарау. Сәулеленуді тіркеу
Радиоактивті сәулеленуді тіркеу әдістерін сәулеленудің затпен өзара
әсерлесу эффектінен тәуелділігі арқылы бірнеше түрлерге бөлуге болады: а)
иондық әдістер сәулеленудің иондалған әсеріне негізделген; б)
сцинтилляциялық – сәулелену әсерінен бірнеше заттарды люминесценциялау; в)
радиографикалық – фотоэмульсияда радиоактивті сәулеленудің химиялық әсері
және т.б.
Сәулеленуді тіркеумен ядролық сәулеленудің сапалы болып табылуы және
берілген радиоактивті препараттың активтілігінің сапалы болуын анықтау
түсіндіріледі. Тіркеудің иондық және сцинтилляциялық әдістері жағдайында
препараттың активтілігі есеп жылдамдығы бірлігімен сипатталады (импмин,
импсек). Сәулеленуді тіркеу сәйкес сәулелену детекторлары көмегімен іске
асырылады.
1. Радиоактивті сәулеленуді тіркеудің иондық әдістері
Иондық детекторлардың арасынан иондық камера, пропорционалды есептегіш
және Гейгер-Мюллер есептегіші анағұрлым кең таралуды иеленді. Бұл барлық
сәулелену детекторлары әдетте сәйкес газдық қоспа толтырылған тұйық ыдыста
болады, ішінде металдық серіппе немесе ине орналасады. Ыдыстың денесі мен
инесі электрод болып табылады және жақсы изолятормен бөлінген. Электродта
белгілі бір кернеу қолданылады. 35-суретте сәулеленудің
иондалған детекторларын қосудың принципті схемасы бейнеленген. Жүктің
кедергісіне R эффективті көлемді С енгізу уақыт өлшемін (сек) иеленеді.
Детекторда туындау (RC) мен кернеу ядролық сәулеленуді тіркеу механизмін
анықтайды. Детектордың ішіне ядролық бөлшектердің түсуінен газдың иондалуы
өтеді. Газды иондау механизмі сәулеленудің түрімен және оның энергиясымен
анықталады. Газда иондардың бір жұбының пайда болуына ядролық бөлшекпен
немесе (-квантпен жұмсалған энергиясы іс жүзінде сәулелену түрі мен оның
энергиясынан, детектордағы кернеуден тәуелді емес және газ детекторын
толтыратын табиғаттан аздап тәуелді.
2- сурет. Иондалған сәулелену детекторларын қосу схемасы
1- сәулеленудің иондық детекторы; 2- жоғары кернеу көзі; 3- эффективті
көлем С; 4-кедергі R.
Сәйкесінше, алғашқы иондану сәулелену детекторында ядролық бөлшекті
жоғалтқан энергияның бөлігімен анықталады және детекторға берілген
кернеуден тәуелді.
2.2. Гейгер – Мюллер есептегіштері
Гейгер-Мюллер есептегішін қосу блок-схемасы 3-суретте бейнеленген.
Есептегіш жоғары омдық кедергі арқылы жоғары вольттық түзеткішпен
байланысқан. Есептегішке берілетін кернеу жоғары вольттық түзеткіш блогының
киловольтметрімен өлшенеді. Есептегішпен бір бөлшекті тіркеу кезінде
кернеудің импульсі (электрлік импульс) күшейткішке (3) түседі, ал содан
кейін қайта есептеу құрылғысы (4) арқылы – электромеханикалық есептегішке
(5) түседі.
3-cурет. Гейгер-Мюллер есептегішін қосудың блок-схемасы
1- Гейгер-Мюллер есептегіші; 2 – жоғары кернеу көзі; 3 – импульстерді
күшейткіш; 4 – қайта есептеу құрылғысы; 5 – электромеханикалық есептегіш.
Қайта есептеу құрылғысы (4) импульстердің бөлінуін іске асырады, яғни
электромеханикалық есептегішке әрбір импульсті емес, тек қана қайта
есептеуге еселі берілген импульсті өткізеді. Егер қайта есептеу схемасы 64
есе қайта есептеуге ие болса, онда тек қана әрбір 64-ші импульс
электромеханикалық есептегішке тіркелетін болады.
Есептегіштер белгілі бір газдық қоспамен толтырылады. Дене қандай да
бір металл қабатпен, мысалы мыспен қапталған алюминийден, тот баспайтын
болаттан немесе әйнектен жасалады. Ортасына химиялық берік материалдан,
мысалы, вольфрамнан ине тартылып қойылады. Ине мен дене арасына қажетті
потенциалдар айырмасы Va беріледі. Әдетте ине анод, ал дене катод болып
табылады. Электр өрісінің кернеулігі әсіресе иненің айналасында жоғары
болады. Есептегіштің ішіне бөлшектің ((- немесе (-) түсуі кезінде газдың
иондалуы жүреді. (-квант жағдайында есептегіштің ішіндегі газдың иондалуы
негізінен, сәулеленудің есептегіш қабырғаларымен әсерлесуі кезінде пайда
болатын, фото- және комптондық электронмен жүзеге асырылады. Газдың
иондалуы нәтижесінде электрондар мен оң иондар пайда болады. Кейбір
жағдайларда, электрондар теріс иондарды бере отырып, бейтарап молекулаларға
жабыса алады.
Бір ядролық бөлшектің тіркеу ұзақтығынан тәуелділігі, өздігінен
сөнбейтін немесе жай және өздігінен сөнетін немесе тез Гейгер-Мюллер
есептегішіне бөлінеді.
2.3. Гейгер-Мюллер есептегішінің есептік сипаттамасы
Ядролық сәулеленуді тіркеу үшін есептегіште оптималды кернеуді – жұмыс
кернеуін табу керек. Ол үшін Гейгер-Мюллер есептегішінің жұмыс сипаттамасын
анықтау жүргізіледі. Есептегіштің жұмыс сипаттамасы Гейгер облысында
жатады. Бұл облыста есептегіштің ішіне түскен әрбір бөлшек, онда өкіметтік
дәрежені шақырады және тіркеледі. Сәйкесінше, Гейгер облысында тіркелген,
есептегішпен берілген радиоактивті препараттың есеп жылдамдығы кернеуден
тәуелді емес. 39 суретте Гейгер-Мюллер есептегішінің есептік сипаттамасы
бейнеленген. А нүктесінде ядролық сәулеленуді тіркеу басталады. АБ
кесіндісі тәжірибеде ала алмайтындай өте аз болуы мүмкін. БВ кесіндісіне
жауап беретін облыс есептік сипаттама үстірті деп аталады. Бұл кернеу
облысында Р жұмыс нүктесі таңдалады.
Есептік сипаттама үстірті облысында азғантай иілу болады, яғни есептің
тіркелу жылдамдығы есептегіш кернеуінің өсуімен бірнеше рет ұлғаяды. Бұл
құбылыс жалған облыстардың пайда болуынан болған. Есептік сипаттама
үстіртінің иілуі мына формула бойынша анықталады:
Δl(=(ΔІимпминΔVв(Іримпмин)(100( (2.1)
4-сурет. Гейгер-Мюллер есептегішінің есептік сипаттамасы
А-есептеудің басы; Б-үстірттің басы; В-үстірттің соңы; Р-жұмыс кернеуі.
мұндағы, ΔІ импмин – ΔV в есептегішіндегі кернеудің өзгеруі кезінде
есеп жылдамдығының ұлғаюы (4-сурет). Егер үстірттің иілуі 1в-та шамамен
0,15( құрайтын болса, есептік сипаттама қанағаттанарлық болып есептеледі.
Р жұмыс кернеуін Б үстірттің басталуына жақындау үстірт облысында таңдайды.
2.4. Радиоактивті сәулеленуді тіркеудің сцинтилляциялық әдістері
Қазіргі уақытта лабораториялық практикада ядролық сәулеленуді тіркеудің
сцинтилляциялық әдістері үлкен қолданыс тапты. Сцинтилляциялық есептегіштер
(-, (- және (-сәулеленуді, сонымен қатар нейтрондарды тіркеуге қабілетті.
2.5. Сцинтилляциялық есептегіштер
Сцинтилляциялық есептегіштердің негізгі бөлігі сцинтиллятор немесе
фосфор (люминофор) және фотоэлектронды көбейткіштер (ФЭК) болып табылады
(5, 6 суреттер).
5-сурет. Сцинтилляторлық есептегіштің блок схемасы
1- сцинтиллятор; 2-ФЭК; 3-жоғары вольттық түзеткіш; 4-үдеткіш; 5-
дискриминатор; 6-қайта есептегіш құрылғы; 7-электромеханикалық есептегіш.
Сцинтилляторлар ретінде сәйкес қосындылармен (NaI(Tl), LiI(Sn),
ZnS(Ag), CaWO4) активтендірілген бейорганикалық кристаллдар, органикалық
кристаллдар (антрацен, нафталин, стильбен), пластмассалар (мысалы,
полистиролдағы терфенил) және сәйкес еріткіштердегі органикалық заттардың
ерітінділері қолданылады. 1 кестеде сәйкес сипаттамаларымен анағұрлым кең
таралған сцинтилляторлар келтірілген.
6-сурет. Фотоэлектронды көбейткішті фосфор.
1-қаптамадағы фосфор; 2-жартылай мөлдір фотокатод; 3-динодтар; 4-анод;
5-жоғары кернеу көзі; R-кернеу бөлгіштік кедергісі; RА-анодтық жүк
Сцинтилляторға (1) ядролық бөлшектің түсуі кезінде онда жарықтың
тұтануы (электромагниттік сәулелену) өтеді. Фотоэлектронды көбейткіш (2)
бұл жарықтың тұтануын сызықтық күшейткішпен (4) күшейетін электрлік
импульске қайта құрады және дискриминаторға (5) түседі (42 сурет).
Дискриминатор өзінен электрлік импульстерді, дискриминация табалдырығынан
көп, яғни бұл құрылғыда орнатылған белгілі бір кернеуден көп амплитуданы
шығарады. Дискриминация табалдырығын сәйкес ауыстырып қосқыш көмегімен
өзгертуге болады. Дискриминатор арқылы өтетін импульстер қайта есептеу
құрылғысына (6) және ары қарай электромеханикалық есептегішке (7) түседі
Қайта есептеу құрылғысы импульстерді бөледі. Мысалы, қайта есептеуді
еселеу кезінде х10 тек қана әрбір оныншы импульс электромеханикалық
есептегішке түседі.
2.6. Cцинтилляциялық есептегішпен ядролық сәулеленуді тіркеу механизмі
Сцинтилляциялық есептегіштің негізгі бөлігі сцинтиллятор (фосфор,
люминофор) және фотоэлектрлік көбейткіш (ФЭК) болып табылады. Қатты
сцинтилляторлар, әсіресе бейорганикалық және органикалық кристалдар,
сәйкесінше бір бетінде терезесі бар жіңішке алюминий қаптамаға орналасады.
Бұл терезе арқылы фосфор ФЭК-пен оптикалық байланыста болады. Кристалға
ядролық бөлшек түскенде фосфор материалын иондау жүреді. Иондау энергиясы
біртіндеп жылу энергиясына айналады, және біртіндеп көрінетін түрде немесе
ультракүлгін жарық – сцинтилляцияда жарқырайды. Энергияның
сцинтиллятормен жұтылған бөлігінің жарқырау процессі люминесценция және
фосфоресценция деп аталады. Сондықтан сцинтилляторларды жиі люминофор
немесе фосфор деп атайды. Жарқырау уақыты 10-8сек құрайды (1 кесте).
Сцинтилляторлар иондау энергиясының люминесценция жарығы энергиясына
айналуының жеткілікті үлкен эффективтілігіне ие.
1 кесте
Кейбір сцинтилляторлардың қасиеттері
Сцинтилляторлар Люминес-ценц(-бөлшектердің Сцинтиллятор
ияның толқынәсерінен дың жарқырау
ұзындығы А0 салыстырмалы уақыты, сек
жарықтың шығуы
БейоргаNaI(Tl) 4100 210 2,7(10-7
никалықZnS(Ag) 4500 200 2(10-5
кристалLiI(SN) 5300 12 -
дар CaWO4 5200 100 6(10-6
ОрганикНафталин 3450 25 6(10-8
алық Антрацен 4440 100 3,2(10-8
кристалСтильбен 4100 60 5,4(10-9
дар
Пластма100г 3800 48 -
ссалық поливинилтолуол+
сцинтил+4г терфенил+
ляторла+0,1г
р дифенилстильбен
Сұйық 5гл n-толуолдағы 3400 48 (3(10-9
сцинтилтерфенил
ляторла1гл n-толуолдағы 3875 16 -
р нафтиламин
Оның үстіне, егер бұл бөлшектер толығымен фосфор материалында жұтылатын
болса, люминесценция жарық квантының саны (сцинтилляцияның жарқ ету
интенсивтілігі) (- немесе (-бөлшектердің энергиясына пропорционал болады, (-
сәулелену жағдайында ядролық сәулеленудің жұтылуы кезінде пайда болған
люминесценция жарық квантының саны фото- және комптондық электрондарға
пропорционал. Екінші жағынан, фото- және комптондық электрондардың максимал
энергиясы энергияға (ядролық (-сәулелену) пропорционал. Сәйкесінше,
люминесценцияның жарқ ету амплитудасы (кванттар саны) ядролық сәулеленудің
кванттық энергиясына пропорционал. (-кванттың немесе ядролық бөлшектің
кейбір фосфорлық энергияларының люминесценцияның жарқ ету интенсивтілігіне
қатты пропорционалдығы (-, (- және (- спектрометрлерді, яғни бұл
бөлшектердің энергиясын анықтауға мүмкіндік беретін приборларды құру үшін
қолданылады.
Сцинтилляторлар люминесценцияның меншікті жарығы үшін мөлдір болуы
тиіс. Басқа сөзбен айтқанда, фосфорлардың максимум жұтылуы люминесценцияның
меншікті энергиясына қарағанда, үлкен энергиялар облысында жатады. 1-
кестеде кейбір кең қолданылатын сцинтилляторлардың люминесценцияның
жарықтық толқын ұзындығы келтірілген. Сцинтиллятордың люминесценция жарығы
барлық бағытқа таралады және оның бір бөлігі ғана фотоэлектронды
көбейткіштің жартылай мөлдір фотокатодына терезе арқылы түседі.
Фотоэлектронды көбейткіш шыны баллонды жоғары вакуумға дейін сорып
алады, оның ішкі бетінен торсыққа электрондардың мөлдір эмиттер қабаты
орнатылған. Өз кезегінде, бұл қабат ФЭК катоды болып табылады. Қазіргі
заманғы ФЭК фотокатодтары көбінесе сурьмалық цезийден (Cs3Sb) дайындалады.
Фотокатод пен анод арасында динодтар (3) орналасады (43 сурет). Динодтарға
сурьмалық цезий қабаты немесе басқа сәйкес зат қабаты қапталады. ФЭК
фотокатоды әдетте жердің потенциалын иеленеді. Динодтар және анод сәйкес
катодтың оң потенциалын иеленеді, оның үстіне әрбір сәйкес динодтың
потенциалы алдыңғы потенциалға қарағанда, анағұрлым оң болады.
Люминесценция жарығының жарқ етуі (сцинтилляция) фотоэлектронның
фотокатодынан алынады. Сурьмалық цезий қабаты электрондардың шығысының өте
аз жұмысын иеленеді және сондықтан ФЭК фотокатодына люминесценцияның
жарығының түсуі кезінде электрондардың біршама мөлшері алынады. Бұл
электрондар электрондық өріс әсерінен үдетіледі және бірінші динодқа
түседі. Динодтардың бетіне де электрондардың шығысының өте аз жұмысын
иеленетін зат қойылған. Сондықтан бірінші динодтан екінші ретті электрондар
алынады. Бұл процесс екінші ретті электрондық эмиссия деп аталады.
Сәйкесінше, бірінші динодтан фотокатодтан ұшқан электрондарға қарағанда,
көбірек электрондар ұшып шығады. Бұл электрондар да электр өрісімен
үдетіледі және тағы қосымша электрондар алынатын екінші динодқа түседі және
т.б. Бұл процесс нәтижесінде динодтан динодқа электрондардың көбеюі жүреді
және анод электрондардыңүлкен мөлшеріне жетеді. Осылайша, фотокатодтан
люминесценцияның жарқ етуі бойынша алынған электрондардың аздаған мөлшері
динодтық жүйемен бірден ұлғаяды және ФЭК анодтық жүгінде кернеудің біршама
импульсі пайда болады. Бұл электрондық импульс сызықтық күшейткішпен бірден
күшейеді. Сәйкесінше, ФЭК катоды өте аз электронды импульсте
люминесценцияның жарқ етуін іске асыратын фотоэлемент болып табылады; ФЭК
динодтық жүйесі бұл электронды импульсті күшейту үшін қызмет етеді.
Көбінесе ФЭК-тің электрондық күшеюі 106 тең.
Сонымен қатар, пайдалы дыбыс арқылы динодтық жүйе жылулық шу бере
отырып, зиянкес (паразитті) дыбыстарды күшейтеді. Сурьмалық цезийден
жылулық электрондар бөлініп шығады, яғни динод материалынан электрондардың
шығу жұмысы көп болатын кинетикалық энергия электрондары. Оның үстіне,
үдетілген электрондар ФЭК-тегі қалған газдарды иондайды. Пайда болған оң
иондар электрондық токқа қарама-қарсы қозғала отырып, динодтарға түседі
және динодтық жүйемен күшейетін қосымша электрондарды шығарады. Осы екі
процесстің есебінен ФЭК-тің шығысында зиянкес (паразитті) импульстер пайда
болады. Бұл зиянкес (паразитті) дыбыстардың амплитудасы ядролық бөлшектен
шыққан импульстердің амплитудасынан аз болады. Дискриминацияның сәйкес
ақауын қолдана отырып, шудың Бұл зиянкес (паразитті) импульстерін толығымен
кесіп тастауға және қайта есептеу схемасына тек пайдалы импульстерді
ұсынуға болады.
2.7. Сцинтилляциялық есептегіштің есептік сипаттамасы
Сцинтилляциялық есептегішпен тіркелген радиоактивті препарат пен фонның
есептеу жылдамдығы үш параметрден тәуелді: а) ФЭК-ке кернеу; б) сызықтық
күшейткішті күшейту; в) дискриминация ақауы. Ескерте кету қажет, ФЭК-те
кернеуді ұлғайту, күшейткіштің күшеюін ұлғайту тәрізді іс жүзінде ядролық
сәулеленуді тіркеуде бірдей эффект береді. Сондықтан ФЭК-те сәйкес
кернеумен күшейткіштің оптималды мәнін компенсациялаудың керегі жоқ және
керісінше. Керісінше дискриминация ақауының шамасы есептеу жылдамдығы мен
фонның мәндеріне әсер етеді.
7-суретте есептегіш препараттың тіркелген жылдамдығының фоннан, фон мен
жылулық шудың ФЭК-тегі кернеуінен тәуелділіктері көрсетілген. 7-суреттен
көріп тұрғанымыздай, ФЭК-тегі белгілі бір кернеуден бастап, жылулық шудың
шамасы бірден ұлғаяды және есептегіштің тіркелген жылдамдығынан көп болады.
Сәйкесінше, ФЭК-тегі кернеу жылулық шу (дискриминация деңгейі нөлге тең)
білінетін кернеуден көп болмауы тиіс. Әдетте күшейткіштің мәнін (шамамен
100) азғантай немесе орташа етіп таңдайды. Есептік сипаттаманы эксперимент
жүзінде өте жиі анықтау және оны график түрінде бейнелеу жеткілікті (7-
сурет).
7-сурет. ФЭК-тегі (сцинтилляциялық есептегіштің есептік сипаттамасы)
кернеуден есептегіш жылдамдықтың (1), фон шамасының (2) және жылулық шу
мәнінің (3) тәуелділігі
График бойынша жұмыс кернеуі анықталады. Ары қарай функциясының
максимал мәнін анықтаумен байланысты дискриминация ақауының оптималды мәнін
іздеу қарастырылады. Ол үшін Іпр фонсыз радиоактивті препараттың есептеу
жылдамдығының және дискриминация ақауының VD әр түрлі мәндерінде Іф фонның
мәндерін өлшеу жүргізіледі. Бұл өлшеулерде таңдалған күшейткіш пен ФЭК-
тегі жұмыс кернеуі орнатылады.
ІІІ тарау. Радиоактивті изотоптарды идентификациялаудың физикалық әдістері
Радиоактивті индикаторлар ретінде радиоактивті изотоптарды қолдануда
оларды идентификациялауды жүргізу және радиохимиялық жиілігін тексеру
қажет.
Радиоактивті айналудың типі, ядролық бөлшектердің ыдырауы нәтижесінде
пайда болған энергия және жартылай ыдырау периоды толығымен берілген
радиоактивті изотопты сипаттайды. Тәжірибе жүзінде алынған берілгендердің
әдебиеттерде берілген шамалармен сәйкес келуі, сонымен қатар химиялық
идентификация қолданылатын изотоптың радиохимиялық жиілігіне кепілдік
береді. Изотоптың барлық физикалық қасиеттерін анықтаудың мүмкін еместігі
жиі кездеседі, олай болса жартылай ыдырау периодын немесе ядролық бөлшектер
энергиясын өлшеумен ғана шектеледі. Изотоптардың сәйкес кестелерінен Т12
сенімді мәнін және ядролық сәулеленудің қасиетін табуға болады.
3.1. Радиоактивті изотоптардың жартылай ыдырау периодын және ыдырау
тұрақтысын анықтау
Есептегішпен тіркелген есептеу жылдамдығы уақыт бойынша өзгереді
(3.1)
мұндағы, І0 – бастапқы уақыттағы есептеу жылдамдығы және Іt – t уақыт
ішіндегі есептеу жылдамдығы, ( - радиоактивті ыдырау тұрақтысы.
Бұл теңдеуді логарифмдесек, мынаны аламыз:
Есептеу жылдамдығының логарифмі уақыт бойынша сызықты өзгереді. Бұл
түзудің бұрыштық коэффициенті натурал логарифм негізінде радиоактивті
ыдыраудың тұрақтысына ондық логарифмді жүргізуге тең.
Сәйкесінше, жартылай ыдырау периодын немесе радиоактивті ыдырау
тұрақтысын анықтау үшін жартылай ыдыраудың 2 – 5 периодына тең уақыт
аралығында (мүмкіндігінше, өлшеу уақыты ішінде есептеу жылдамдығы ең
болмаса бес рет азаюы керек) берілген радиоактивті заттың есептік
жылдамдығына өлшеу жүргізу қажет. Алынған тәжірибелік мәндерді график
түрінде жартылай логарифмдік масштабта lgI=f(t) бейнелейді (8-сурет).
А
L
А В
T12 100 200 300 400 t(сағ)
8-cурет. Радиоактивті изотоптың жартылай ыдырау периодын және ыдырау
тұрақтысын анықтау
Графикте жартылай ыдырау периодын қандай бейнеде анықтау жүргізілетіні
көрініп тұр. Тәжірибелік нүктелер арқылы түзу сызық жүргізіледі (есептеу
жылдамдығының уақытпен аналитикалық тәуелділігін табу үшін ең аз квадраттау
әдісін қолдануға болады), осы түзуден қалаған А нүктесі алынады және одан
уақыт осіне перпендикуляр түсіріледі. Бұл перпендикулярда А нүктесінен
lg2=0,3010 ұзындықпен қима алынып, алады. Бұл А нүктесінен В нүктесінде
қиылысқанға дейін уақыт осіне параллель тік сызық жүргізіледі. В нүктесінен
уақыт осіне перпендикляр түсіріп В нүктесі алынады. А нүктесіндегі есептеу
жылдамдығы В нүктесіндегі есептеу жылдамдығынан 2 есе көп болғандықтан,
таңдалған масштабтағы АВ қимасы берілген радиоактивті изотоптың жартылай
ыдырау периодына Т тең. Графикті қолданып, берілген масштабта tg(-ны табуға
болады және алынған нәтижені lgе=0,4343 шамасына бөліп, радиоактивті ыдырау
тұрақтысының ( мәнін аламыз.Тәжірибелік мәндердің көп мөлшері болмаған
жағдайда, 31-І формуланы қолданып, уақыттың екі мәнінде есептеу
жылдамдығының екі нәтижесі бойынша Т және ( мәндерін анықтауға болады.
Жартылай ыдырау периоды мен радиоактивті ыдырау тұрақтысы бір-бірімен өзара
байланысты.
Екі немесе одан да көп радиоактивті изотоптар жағдайында, тәжірибелік
қисықтарды сәйкесінше әрбір радиоактивті изотоптық аумақтарға бөледі және
әрбір изотоп үшін сәйкес жартылай ыдырау периодын анықтайды. Осылайша, екі
бір-біріне тәуелсіз ыдыраған, өмір сүру уақыты әр түрлі изотоптар үшін
уақыттан тәуелді препарат активтілігін өзгерту мына теңдеуге бағынады:
(3.2)
9-сурет. Екі радиоактивті изотоптың жартылай ыдырау периодын анықтау
t –ның жеткілікті үлкен мәндерінде ұсынылғандардың бірі іс жүзінде
нөлге тең болады. Бұл жағдайда жартылай логарифмдік қисық түзуге өтеді,
үлкен өмір сүру уақытынаие компоненттер радиоактивті тұрақтыға сәйкес
келетін иілу (9-сурет). t=0 – ге сызықты аймақты экстраполирлеу арқылы,
бірнеше уақыт мезеті t үшін ұзақ өмір сүретін радиоактивті изотоптың
графиктегі мәнін табамыз.
,
айырмасы қысқа өмір сүретін компоненттердің изоляцияланған
активтілігінің сәйкесінше азаюы тағы да жартылай логарифмдік графикке алып
келеді және түзуді алады, иілу бұрышының тангенсі (1 мәніне сәйкес келеді.
Егер радиоактивті изотоптардың саны үштен көп болса, онда тәжірибелік
мәліметтердің қателігінен ыдырау қисығын ұқсас өңдеу қиын болып табылады.
Егер жеке изотоптардың жартылай ыдырау периоды екеуден ажырайтын болса,
онда тіпті екі компонентті жүйелер сенімді бөлінуге берілмейді.
3.2. Радиоактивті изотоптардың сәулелену энергиясын анықтау
(-бөлшектің максимал энергиясын анықтау
Кез-келген изотоптың (-бөлшектері әр түрлі энергиямен ядродан ұшып
шығады; (-бөлшектер энергияның үздіксіз спектріне ие. (-бөлшектері
спектрінің тек қана максимал энергиясы берілген радиоактивті изотопты
сипаттайды. Максимал энергияның мәні изотоптар кестесінде көрсетіледі.
(- сәулеленудің максимал энергиясы магнитті және сцинтилляциялы
спектрометрлердің көмегімен анықтала алады, сонымен қатар алюминийде
сәулеленудің жұтылу әдісімен анықтала алады. Бұл әдіс анағұрлым қарапайым
және кез-келген зертханада жүзеге асыруға болады.
3.3. Алюминийде жұтылу бойынша β-бөлшектердің максимал энергиясын анықтау
Кез-келген материалда β-бөлшектердің максимал өту шамасы белгілі-бір
бейнеде энергиядан тәуелді. Әдебиеттерде β-бөлшектердің максимал өтуін
олардың максимал энергиясымен байланыстыратын бірнеше эмпирикалық
формулалар бар (3.3 және 3.4).
(3.3)
(3.4)
Сондықтан β-спектрдің максимал энергиясын анықтау максимал энергияның
өзгеруіне әкеледі, ал энергия эмпирикалық формулалар бойынша есептеледі. β-
бөлшектердің максимал өтуін анықтау үшін, радиоактивті изотоп мүмкіндігі
бойынша анағұрлым жоғары бұрыштық активтіліктен жіңішке органикалық
қабықшаға алып келеді. Өте дәл емес өлшеулерде негіз ретінде алюминийді
немесе пластмассаны қолданады, мысалы плексиглас. β-сәулеленудің детекторы
ретінде Гейгер-Мюллер денелік есептегішін немесе β-сцинтилляциялық
есептегішті ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Ұқсас жұмыстар
Пәндер
- Іс жүргізу
- Автоматтандыру, Техника
- Алғашқы әскери дайындық
- Астрономия
- Ауыл шаруашылығы
- Банк ісі
- Бизнесті бағалау
- Биология
- Бухгалтерлік іс
- Валеология
- Ветеринария
- География
- Геология, Геофизика, Геодезия
- Дін
- Ет, сүт, шарап өнімдері
- Жалпы тарих
- Жер кадастрі, Жылжымайтын мүлік
- Журналистика
- Информатика
- Кеден ісі
- Маркетинг
- Математика, Геометрия
- Медицина
- Мемлекеттік басқару
- Менеджмент
- Мұнай, Газ
- Мұрағат ісі
- Мәдениеттану
- ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности)
- Педагогика
- Полиграфия
- Психология
- Салық
- Саясаттану
- Сақтандыру
- Сертификаттау, стандарттау
- Социология, Демография
- Спорт
- Статистика
- Тілтану, Филология
- Тарихи тұлғалар
- Тау-кен ісі
- Транспорт
- Туризм
- Физика
- Философия
- Халықаралық қатынастар
- Химия
- Экология, Қоршаған ортаны қорғау
- Экономика
- Экономикалық география
- Электротехника
- Қазақстан тарихы
- Қаржы
- Құрылыс
- Құқық, Криминалистика
- Әдебиет
- Өнер, музыка
- Өнеркәсіп, Өндіріс
Қазақ тілінде жазылған рефераттар, курстық жұмыстар, дипломдық жұмыстар бойынша біздің қор #1 болып табылады.
Ақпарат
Қосымша
Email: info@stud.kz