Einsatz radioaktiver Isotope in Industrie, Wissenschaft und Landwirtschaft (nach Presseangaben)// Atomenergie. Band 2, Heft. 1. - 1957. - S. 85-88.

ANWENDUNG RADIOAKTIVER ISOTOPEN IN INDUSTRIE, WISSENSCHAFT UND LANDWIRTSCHAFT

(Laut DRUCKDATEN)

Eisenmetallurgie

Im Stalin-Metallurgiewerk wurden die Schweißnähte des Hochofengehäuses mit Radiokobalt in einem kleinen Behälter direkt während der Installation gescannt, d. h. unter Bedingungen, unter denen Röntgenaufnahmen völlig unmöglich waren. Mit solchen Behältern erkennen Fehlerdetektoren innere Defekte in den Wänden von Dampfkesseln, Gasleitungen usw.

Die Dauer des Schmelzens in offenen Herdöfen und die Reinigung des Stahls von Schwefel und Phosphor im Frühstadium des Schmelzens hängen weitgehend von der Beschickungsreihenfolge und der Menge der Feststoffe ab. Mithilfe von Radioisotopen „markieren“ zahlreiche Anlagen Einsatzstoffe – Kalk oder Erz – und bestimmen durch Messung der Radioaktivität von Metall- oder Schlackenproben die Geschwindigkeit der Bildung aktiver Schlacke. Auf diese Weise wird die Abhängigkeit der Auflösungsgeschwindigkeit aufgedeckt

Kalkstein und Erz aus technologischen Faktoren. Die Schmelzrate von Schrott wird auf die gleiche Weise bestimmt. Dazu wird der Metallteil der Ladung „markiert“. Solche Forschungen werden derzeit in den Werken Asowstal, Stalinski, Makeewski sowie Magnitogorsk und Kusnezk durchgeführt.

Nach der Stahlerzeugung in einem Herdofen ist es nicht immer möglich, den Zustand der Schweißung des Herdes durch eine Routineinspektion zu beurteilen. In der Zwischenzeit kann ein unerkannter Defekt bei nachfolgenden Schmelzen zu einem schweren Unfall führen. Um dies zu verhindern, werden Radioisotope eingesetzt. Im Asowschen Stahlwerk wurde Radiophosphor in Magnesitampullen an verschiedenen Stellen im Feuerraum platziert. Das Auftreten von Radioaktivität in Schlackenproben, die während des Schmelzprozesses entnommen wurden, deutete auf eine Zerstörung der Schweißung hin.

Im Bereich der analytischen Chemie im Zusammenhang mit metallurgischen Problemen haben sich zwei Forschungsrichtungen mit radioaktiven Isotopen herausgebildet. Die erste besteht in der Erprobung und Verfeinerung herkömmlicher chemischer Analysemethoden, beispielsweise für Phosphor. In diesem Fall wird beim Auflösen einer Stahl- oder Erzprobe eine kleine Menge Radiophosphor zugesetzt. Während der Analyse wird in den verschiedenen Phasen die Intensität der radioaktiven Strahlung der Lösungsproben bestimmt. Sofern keine Verluste vorliegen, sollte die Summe der Radioaktivität der in allen Analysestufen entnommenen Lösungen der Radioaktivität der ursprünglichen Lösung entsprechen.

Die zweite Richtung ist die Entwicklung von Methoden zur Expressanalyse von Stahl und Schlacke auf jedes einzelne Element, das für diese Technologie am wichtigsten ist, durch Einbringen radioaktiver Isotope direkt in Stahlschmelzöfen. So hat das Werk Azovstal für die Technologie der Verarbeitung von Gusseisen mit hohem Phosphorgehalt eine Methode zur schnellen Bestimmung von Phosphorpentoxid in Schlacken entwickelt. Es wurde festgestellt, dass bei einem Verbrauch von 0,04–0,05 Mikrocurie radioaktivem Phosphorisotop pro Tonne Metall eine ausreichende Analysegenauigkeit bei deutlich kürzerer Dauer im Vergleich zur chemischen Analyse erreicht wird. Mit dieser Methode können Sie das Schmelzregime der Schlacke steuern und die Schlacke genauer als Dünger sortieren. Eine ähnliche Methode wurde zur Bestimmung von Phosphor in Metall beim Blasen von Roheisen in einem Konverter entwickelt. Es kann erfolgreich bei der Entwicklung neuer metallurgischer Verarbeitungstechnologien und in der Forschung eingesetzt werden, bei denen die Geschwindigkeit der Bestimmung des Phosphorgehalts in Metall oder Schlacke den Prozessverlauf beeinflusst. (Industrial Economic Newspaper, 9. September 1956)

Im Kampf um den technischen Fortschritt verwenden ukrainische Metallurgen zunehmend markierte Atome radioaktiver Elemente. Mit Hilfe von radioaktivem Kobalt wird, ohne den Hochofen anzuhalten, der Zustand seiner mit feuerfesten Steinen ausgekleideten Wände bestimmt.

Mit Hilfe radioaktiver Isotope bestimmen die Arbeiter am offenen Herd die Kristallisationsgeschwindigkeit von Stahlbarren, bestimmen den Phosphorgehalt in der offenen Schlacke um ein Vielfaches schneller als bisher, beobachten den Prozess der Schlackenbildung und dokumentieren den Zeitpunkt des Abschlusses des Schmelzens Prozess von Eisenerz und Kalkstein beim Schmelzen.

Mithilfe markierter Atome bestimmen Metallurgen den Siliziumdioxidgehalt im Erz um ein Vielfaches schneller als mit chemischen Methoden. Radioaktive Isotope werden häufig verwendet, um die Dicke und Art des Vorkommens von Eisenerzschichten zu bestimmen und eine Reihe von Produktionsprozessen in Brech-, Sieb- und Verarbeitungsanlagen zu steuern. (Prawda Ukrainy, 4. August 1956)

#Im Saporoschje-Werk „Dneprospetsstal“ wurde ein mit modernster Ausrüstung ausgestattetes Labor für physikalische Forschungsmethoden in Betrieb genommen. Dieses Labor erforscht den Prozess des Schmelzens von Elektrostahl unter Verwendung radioaktiver Isotope. Insbesondere wird die Ursache der Kontamination von Kugellagerstahl mit Ofenschlacke anhand von radioaktivem Kalzium untersucht. (Wahr, 21. September 1956)

Maschinenbau

Untersuchungen des Forschungsinstituts HAT I zeigen, dass es nur durch die Verwendung radioaktiver Isotope möglich war, den Einfluss von Schmierung, Motorleistung, Kurbelwellendrehzahl, Luftstaub, Arbeitspausen (Tests) auf die Motorverschleißrate festzustellen und die Übertragung zu bestimmen Metall von einer Reibfläche zur anderen. Es wurde beispielsweise festgestellt, dass eine Reduzierung der Belastung nicht zu einer starken Reduzierung des Teileverschleißes führt.

Mithilfe radioaktiver Isotope kann der Verschleiß mit einer Genauigkeit von einem Zehnmillionstel Gramm gemessen werden.

Experimente, die am Institut für Maschinenbau der Akademie der Wissenschaften der UdSSR und anderen Organisationen durchgeführt wurden, brachten interessante Ergebnisse. Es stellte sich heraus, dass es mit Hilfe radioaktiver Isotope möglich ist, die Phänomene des Werkzeugverschleißes eingehend und genau zu untersuchen, ohne den Schneidprozess zu stoppen. Insbesondere kann die Abhängigkeit des Verschleißes von Vorschubgeschwindigkeit, Schnitttiefe, Zeit, Schmier- und Kühlflüssigkeiten sowie dem bearbeiteten Material ermittelt werden.

Darüber hinaus lässt sich feststellen, wie sich Schneidverschleißprodukte bei unterschiedlichen Schnittbedingungen verteilen, wie viel davon in Späne, das Produkt und den Kühlschmierstoff übergeht und wie viel in Form von Staub abgeschieden wird. All dies ist für die Bestimmung der Schnittbedingungen von großer Bedeutung. (Industrial Economic Newspaper, 26. Oktober 1956)

Das Verkehrstechnische Werk verfügt seit etwa fünf Jahren über ein Labor für radioaktive Isotope.

Zu den vom Labor gelösten Problemen gehören die Bestimmung von Kalzium in der Schlacke beim Schmelzen in einem sauren Lichtbogenofen und der Verschleiß einiger Lagerlegierungen, die in der Diesellokomotive TE-3 verwendet werden. Es werden Untersuchungen zum Einfluss der Wärmebehandlung, der Art des Schmiermittels und der Oberflächenreinheit auf den Getriebeverschleiß, der Verteilung der Legierungselemente im Stahl in Abhängigkeit von der Abkühlgeschwindigkeit usw. durchgeführt. (Krasnoye Znamya, Charkow, 7. Oktober 1956)

Öl Industrie

Die Funkprotokollierung wird in der Ölfeldabteilung Archedinsky häufig eingesetzt. Es wurde in die obligatorischen Messarbeiten an Brunnen aufgenommen. Radioaktive Isotope werden zur Erkennung von Lecks in Produktionssträngen verwendet. So wurde unter Verwendung eines Kobaltisotops die Tiefe des Lecks der Säulen in den Bohrlöchern Nr. 39 und 27 bestimmt.

Durch den Einsatz der gleichen Isotope konnten die Arbeiten an der Devon-Erkundungsbohrung Nr. 93 deutlich beschleunigt werden. Dabei wurde eine neue ölführende Formation entdeckt. (Stalingradskaja Prawda, 19. August 1956)

Metallschweißen

Der Einsatz radioaktiver Isotope beim Schweißen erfolgt derzeit in drei Richtungen: bei der Fehlererkennung von Schweißnähten, beim Einsatz von Isotopen in automatischen Regelkreisen

Und die Kontrolle technologischer Prozesse und schließlich die Untersuchung einer Reihe metallurgischer Merkmale des Metallschweißens mit Hilfe radioaktiver Isotope.

Zur Fehlererkennung von Schweißnähten haben sich das radioaktive Isotop Kobalt-60 mit relativ harter Gammastrahlung sowie die Isotope Europium-154, Iridium-192, Cäsium-137 und Thulium-170 mit weicherer Strahlung durchgesetzt.

Das nach E. Paton benannte Institut für Elektroschweißen der Akademie der Wissenschaften der Ukrainischen SSR hat eine Methode zur automatischen Steuerung des Metallbadniveaus beim Elektroschlackeschweißen mit dem radioaktiven Isotop Kobalt-60 entwickelt. Der Unterschied in den Absorptionskoeffizienten der Gammastrahlung von Schlacke und Metall ermöglichte den Bau eines automatischen Badspiegelreglers, also die Automatisierung des Prozesses des Schmelzens dicker Metalle. (Industrial Economic Newspaper, 10. Oktober 1956)

Instrumentierungstechnik

Ein Team von Mitarbeitern des Zentralen Forschungslabors der Staatlichen Bergbau- und Technischen Aufsicht der UdSSR hat ein spezielles Geräte-Differenzmessgerät entwickelt.

Die „R-3“-Version des Mehrwandmessgeräts, die auf der All-Union Industrial Exhibition vorgestellt wurde, ist tragbar, leicht und einfach zu bedienen. Die derzeit in der Produktion eingesetzten Methoden zur Überprüfung der Wandstärke von Rohren sind aufwendig, umständlich und ungenau.

Für den Wandzähler eröffnen sich in verschiedenen Branchen große Perspektiven: in der Eisenmetallurgie zur schnellen und genauen Messung der Wandung neu gegossener Rohre, bei der Reparatur von Dampfkesseln, Wasserversorgungs- und Abwasserrohren.

Der Differenzmesser wurde auf der Genfer Konferenz zur friedlichen Nutzung der Atomenergie vorgestellt und dort hoch gelobt.

Das Gerät wird derzeit unter Produktionsbedingungen auf einer der Leningrader Werften getestet. Gestern traf im Labor ein Telegramm aus Leningrad ein. „Prüfungen der Wandstärke werden an Stahl- und Kupferrohren durchgeführt. Die Ergebnisse sind gut.“

Der Differenzmesser ist nicht das einzige Atomgerät, das der Ingenieur Yu. G. Kardash erfunden hat. Sein „Gamma-Pulpomer“ war beim Bau der Wasserkraftwerke Kuibyschew, Stalingrad, Kachowsk und anderer Wasserkraftwerke auf allen Baggerschiffen zu sehen. Es bestimmt den Erdanteil im Fruchtfleisch, einem Gemisch aus Erde und Wasser. Ohne sie arbeitet der Baggerfahrer blind.

Jetzt arbeiten Mitarbeiter des Zentralen Wissenschaftlichen Forschungslabors von Gosgortekhnadzor daran, Kernenergie zu nutzen, um sichere Arbeitsbedingungen für Bergleute zu gewährleisten. (Komsomolskaja Prawda, 10. Oktober 1956)

# Forschungsinstitut für thermische Leistungsgeräte Das Forschungsinstitut Teplopribor führt Forschungs- und Entwicklungsarbeiten zur Entwicklung verschiedener automatischer Geräte durch, die auf der Verwendung radioaktiver Isotope basieren.

In jüngster Zeit sind eine Reihe neuer Geräte entstanden, die teilweise erfolgreich getestet wurden und in die Produktion eingeführt werden.

Das Dichtemessgerät für radioaktive Flüssigkeiten PZHR-1 ist für die automatische Messung der Dichte beliebiger Flüssigkeiten im Dichtebereich von 0,1 bis 2 Gramm pro Kubikzentimeter konzipiert. (Industrial Economic Newspaper, 14. Oktober 1956)

Lebensmittelindustrie

Das All-Union Research Institute of the Canning Industry hat die Berechnungen einer Anlage zur Strahlungsverarbeitung von Lebensmitteln abgeschlossen. Die Anlage ist für die Sterilisation von Lebensmitteln mit einer Bestrahlungsdosis von bis zu 3-10 6 Röntgen für 20-30 Minuten sowie für die Entwesung, Pasteurisierung und Entwurmung mit Dosen von 10 4 Röntgen bis 10 6 Röntgen bestimmt.

Fragen der direkten Nutzung der Energie nuklearer Prozesse in der Chemie werden vom Team des nach L. Ya. Karpov benannten Moskauer Forschungsinstituts für Physikalische Chemie aktiv entwickelt.

Derzeit verwenden Chemiefabriken Kaliumpermanganat zur Oxidation von Paraffinen, wodurch Fettsäure entsteht, der Rohstoff für die Herstellung verschiedener Waschmittel.

Untersuchungen des Instituts zeigten, dass Paraffine ohne Katalysator durch radioaktive Strahlung oxidiert werden können. Die resultierende Fettsäure ist von höherer Qualität. Die Energie nuklearer Prozesse ermöglicht in diesem Fall eine vollständigere Oxidation.

Eines der Ausgangsprodukte für die Herstellung von Kunststoffen ist Phenol, das durch Oxidation von Benzol mit Hilfe eines Katalysators gewonnen wird. Um 1 kg Phenol herzustellen, müssen typischerweise 2 kg Benzol oxidiert werden. Laboruntersuchungen am Institut ergaben die Möglichkeit, durch radioaktive Strahlung aus einem Kilogramm Benzol ein Kilogramm Phenol zu gewinnen. Sowjetische Wissenschaftler erzielten eine Substanzausbeute pro aufgewendeter Energie, die dreimal höher war als die ausländischer Wissenschaftler.

Hexachloran wird häufig in der Landwirtschaft eingesetzt. Zur Herstellung dieses Produkts wird Benzol chloriert. Als Ergebnis dieses Prozesses werden vier Isomere erhalten, von denen nur eines (^-Isomer) die erforderlichen Eigenschaften aufweist. Typischerweise beträgt die Anwesenheit des Gamma-Isomers 12–15 %. Durch den Einsatz radioaktiver Strahlung konnte der Gehalt des ^-Isomers auf 25 % erhöht werden.

Es wurde festgestellt, dass die Atomenergie auch die Geschwindigkeit des Polymerisationsprozesses beeinflussen kann.

Die Arbeiten zur Synthese einer Reihe neuer Substanzen sind vielversprechend. Wissenschaftler haben herausgefunden, dass Benzol, wenn es in einer Mischung mit Ammoniak bestrahlt wird, direkt und direkt Anilin ergibt. Die Mitarbeiter des Instituts leisten einen wesentlichen Beitrag zur Entwicklung der Strahlenchemie. Unter ihnen sind die Professoren V. Veselovsky und M. Proskurnin, die Kandidaten der chemischen Wissenschaften V. Karpov und A. Zimin, die leitenden Forscher A. Balelko, V. Orekhov und andere (Industrial Economic Newspaper, 4. November 1956)

Landtechnik

Mitarbeiter des Labors für Mikrobiologie und Physiologie des Wissenschaftlichen Forschungsinstituts für Landwirtschaft im Südosten der UdSSR, Kandidaten der Wissenschaften A. E. Fomin und N. K. Astakhova, fanden heraus, dass die Fütterung von Weizen und Mais mit organischem Phosphor ihre Reifung beschleunigt. Diese Entdeckung ist von großer Bedeutung für den Südosten des Landes, wo die Pflanze durch frühere Blütezeiten den schädlichen Auswirkungen der Dürre entgehen kann. Die neue Agrartechnik wird auch zur Förderung südlicher Sorten im Norden beitragen.

Wissenschaftler am Institut für Landwirtschaft der Südost-UdSSR erweitern das Forschungsspektrum mithilfe der Tagged-Atom-Methode. (Sowjetrussland, 16. September 1956)

Das All-Union-Getreideforschungsinstitut entwickelte zusammen mit dem Institut für Biophysik der Akademie der Wissenschaften der UdSSR einen vorläufigen Entwurf für eine leistungsstarke Anlage zur Getreidebestrahlung.

Die Anlage dient dazu, im Getreide vorkommende Insekten zu vernichten, um dessen Haltbarkeit zu verlängern.

Es wurden Berechnungen durchgeführt, um die vorteilhaftesten Konfigurationen des Strahlers auszuwählen, da die Konfiguration des Strahlers einen erheblichen Einfluss auf die Leistung der Anlage hat. Es wird vorgeschlagen, Spaltprodukte, bei denen es sich um Industrieabfälle handelt, als Strahlungsquelle zu nutzen.

Die Anlage wird in der Lage sein, mindestens 20 Tonnen Getreide pro Stunde bei einer Dosis von etwa 30.000 Rubel zu verarbeiten. Die Anlage soll transportabel sein.

Heutzutage werden Radionuklid-Forschungs- und Behandlungsmethoden in verschiedenen Bereichen der wissenschaftlichen und praktischen Medizin häufig eingesetzt – in der Onkologie, Kardiologie, Hepatologie, Urologie und Nephrologie, Pulmonologie, Endokrinologie, Traumatologie, Neurologie und Neurochirurgie, Pädiatrie, Allergologie, Hämatologie, klinische Immunologie, usw.

Klassifizierung der in der Nuklearmedizin verwendeten Radionuklide

Radionuklide für die Nuklearmedizin und entsprechende darauf basierende Radiopharmaka werden hinsichtlich ihres Anwendungsbereichs in separate Gruppen eingeteilt diagnostisch Und therapeutisch.

Im RFP diagnostisch Dabei handelt es sich bei einem Radionuklid um einen Informationsträger, dessen aus dem Körper eindringende Strahlung von externen Detektoren erfasst wird. Darüber hinaus lassen sich Radionuklide für diagnostische Zwecke je nach Art der Strahlung in zwei Gruppen einteilen:

1. Radiokulide für SPECT (SPECT in englischer Abkürzung) – Einzelphotonen-Emissions-Computertomographie; Zu den optimalen Radionukliden für SPECT gehören γ-Strahler mit γ-Quantenenergien im Bereich von 100–200 keV und Halbwertszeiten von mehreren Minuten bis zu mehreren Tagen.
2. Radionuklide für PET (PET) - Positronen-Emissions-Tomographie - β+ - Strahler mit Halbwertszeiten von mehreren Sekunden bis zu mehreren Stunden.

Bei Radiopharmaka für therapeutische Zwecke ist das Radionuklid das wichtigste therapeutische Prinzip, das es ermöglicht, die therapeutische Strahlendosis direkt im Zielorgan oder manchmal auch in den betroffenen Zellen zu lokalisieren und somit eine minimale Bestrahlung der umgebenden gesunden Zellen sicherzustellen von Organen und Geweben. Abhängig von der Art und Lokalisation des pathologischen Prozesses kommt die Strahlentherapie zum Einsatz:

• β(-)-Strahler mit Energien von β(-)-Teilchen im Bereich von 200–2000 keV
• α-Strahler mit hoher linearer Energieübertragung (LET ~100 keV/µm) und kurzem Teilchenweg (50-100 µm);
• Radionuklide, die durch Elektroneneinfang (EC) oder interne Elektronenumwandlung (IEC) zerfallen.

Die überwiegende Mehrheit der diagnostischen Verfahren (~80 %) mithilfe der SPECT-Technologie wurde in den letzten 30 Jahren mit 99m Tc-Präparaten durchgeführt, die als „Arbeitspferd der Nuklearmedizin“ bezeichnet werden. I-123, Tl-201, In-111 sind weit verbreitet, in einigen Fällen werden bei Bedarf Diagnosetechniken mit Cr-51, Ga-67, Kr-81m, I-131 usw. verwendet. Unter anderem Positronen emittierend Als Radionuklide werden hauptsächlich C-11, N-13, O-15 und F-18 (am häufigsten verwendet) verwendet.

Auch die Strahlentherapie mit offenen Radionuklidquellen entwickelt sich intensiv, was ein wirksames Mittel sowohl zur eigenständigen als auch zur kombinierten Behandlung von Patienten darstellt. Diese Methoden sind besonders wirksam bei der Strahlentherapie von bösartigen Lymphomen, Schilddrüsenkrebs, hormonabhängigen Tumoren, metastatischen Läsionen des Skeletts und des Lymphsystems, rheumatoider Arthritis usw.

Verschiedene Isotope chemischer Elemente werden häufig in der wissenschaftlichen Forschung, in verschiedenen Bereichen der Industrie und Landwirtschaft, in der Kernenergie, in der modernen Biologie und Medizin, in Umweltstudien und anderen Bereichen verwendet. Stabile Isotope haben die größte Anwendung in der Chemie (zur Untersuchung des Mechanismus chemischer Reaktionen, Verbrennungsprozesse, Katalyse, Synthese chemischer Verbindungen, in der Spektrometrie), in der Biologie, Physiologie, Biochemie und Agrochemie (zur Untersuchung von Stoffwechselprozessen in lebenden Organismen) gefunden Umwandlung von Proteinen, Fettsäuren und Aminosäuren, Photosyntheseprozesse in Pflanzen, Bewegung von Wasser von der Wurzel entlang des Stängels zu den Blättern und Früchten). Sie werden auch in kernphysikalischen Geräten zur Herstellung von Neutronenzählern verwendet, wodurch die Zähleffizienz um mehr als das Fünffache gesteigert werden kann, in der Kernenergie als Neutronenmoderatoren und -absorber. Das oben Genannte erschöpft jedoch bei weitem nicht alle bestehenden und möglichen Einsatzbereiche von Isotopen. Darüber hinaus erweitert sich der Umfang ihres Einsatzes als effektive Helfer bei der Lösung einer Reihe wissenschaftlicher und angewandter Probleme von Jahr zu Jahr. Aus diesem Grund wurde die Arbeit an seiner Entwicklung in den letzten zehn Jahren natürlich fortgesetzt, obwohl die staatliche Finanzierung für die Isotopenproduktion von Jahr zu Jahr abnahm und nahezu unbedeutend wurde. In der wissenschaftlichen Forschung (zum Beispiel in der chemischen Analyse) werden in der Regel geringe Mengen seltener Isotope verschiedener Elemente benötigt, berechnet in Gramm und sogar Milligramm pro Jahr. Gleichzeitig kann sich der Produktionsbedarf für eine Reihe von Isotopen, die in der Kernenergie, der Medizin und anderen Industrien weit verbreitet sind, auf viele Kilogramm und sogar Tonnen belaufen. Aufgrund der Verwendung von schwerem Wasser D 2 O in Kernreaktoren betrug seine weltweite Produktion Anfang der 1990er Jahre des letzten Jahrhunderts etwa 5000 Tonnen pro Jahr. Das Wasserstoffisotop Deuterium, das Teil von schwerem Wasser ist, dessen Konzentration im natürlichen Wasserstoffgemisch nur 0,015 % beträgt, wird laut Wissenschaftlern in Zukunft zusammen mit Tritium zum Hauptbestandteil des Brennstoffs thermonuklearer Energie werden Reaktoren, die auf der Grundlage von Kernfusionsreaktionen arbeiten. In diesem Fall wird der Bedarf an der Produktion von Wasserstoffisotopen enorm sein.

In der Biologie werden Isotope verwendet, um sowohl grundlegende als auch angewandte biologische Probleme zu lösen, deren Untersuchung mit anderen Methoden schwierig oder unmöglich ist. Der für die Biologie bedeutsame Vorteil der Tagged-Atom-Methode besteht darin, dass durch die Verwendung von Isotopen die Integrität des Organismus und seine grundlegenden Lebensfunktionen nicht verletzt werden. Viele große Errungenschaften der modernen Biologie sind mit der Verwendung von Isotopen verbunden, die den Aufschwung der Biowissenschaften in der 2. Hälfte des 20. Jahrhunderts bestimmten. Unter Verwendung stabiler und radioaktiver Isotope von Wasserstoff (2 H und 3 H), Kohlenstoff (13 C und 14 C), Stickstoff (15 N), Sauerstoff (18 O), Phosphor (32 P), Schwefel (35 S), Eisen ( 59 Fe), Jod (131 I) usw., die komplexen und miteinander verbundenen Prozesse der Biosynthese und des Abbaus von Proteinen, Nukleinsäuren, Kohlenhydraten, Fetten und anderen biologisch aktiven Verbindungen sowie die chemischen Mechanismen ihrer Umwandlungen in einer lebenden Zelle , wurden im Detail erläutert und untersucht. Die Verwendung von Isotopen führte zu einer Überarbeitung früherer Vorstellungen über die Natur der Photosynthese sowie über die Mechanismen, die die Aufnahme anorganischer Substanzen durch Pflanzen gewährleisten: Carbonate, Nitrate, Phosphate usw. Es wurde eine Vielzahl von Studien damit durchgeführt die Hilfe von Isotopen in den unterschiedlichsten Bereichen der Biologie und Biochemie. Einer der Bereiche umfasst Arbeiten zur Untersuchung der Dynamik und Bewegungswege von Populationen in der Biosphäre und von Individuen innerhalb einer bestimmten Population, der Migration von Mikroben sowie einzelnen Verbindungen innerhalb des Körpers. Durch das Einbringen einer Markierung in Organismen mit der Nahrung oder durch Injektion war es möglich, die Geschwindigkeit und Wanderrouten vieler Insekten (Mücken, Fliegen, Heuschrecken), Vögel, Nagetiere und andere Kleintiere zu untersuchen und Daten über die Größe ihrer Populationen zu erhalten. Auf dem Gebiet der Physiologie und Biochemie von Pflanzen wurden mit Hilfe von Isotopen eine Reihe theoretischer und angewandter Probleme gelöst: die Eintrittswege von Mineralien, Flüssigkeiten und Gasen in Pflanzen sowie die Rolle verschiedener chemischer Elemente, darunter Mikroelemente im Pflanzenleben wurden geklärt. Es wurde insbesondere gezeigt, dass Kohlenstoff nicht nur über die Blätter, sondern auch über das Wurzelsystem in Pflanzen gelangt; die Wege und Geschwindigkeiten der Bewegung einer Reihe von Substanzen vom Wurzelsystem zum Stängel und den Blättern und von diesen Organen nach Die Wurzeln sind gelegt. Auf dem Gebiet der Physiologie und Biochemie von Tieren und Menschen wurden die Eintrittsgeschwindigkeiten verschiedener Substanzen in ihre Gewebe untersucht (einschließlich der Geschwindigkeit des Einbaus von Eisen in Hämoglobin, Phosphor in Nerven- und Muskelgewebe, Kalzium in Knochen). Eine wichtige Werkgruppe umfasst Untersuchungen zu den Mechanismen chemischer Reaktionen im Körper. So war es in vielen Fällen möglich, einen Zusammenhang zwischen ursprünglichen und neu gebildeten Molekülen herzustellen, das „Schicksal“ einzelner Atome und chemischer Gruppen in Stoffwechselprozessen zu verfolgen und auch die Reihenfolge und Geschwindigkeit dieser Umwandlungen zu bestimmen. Die gewonnenen Daten spielten eine entscheidende Rolle bei der Konstruktion moderner Schemata der Biosynthese und des Stoffwechsels (Stoffwechselkarten), der Wege zur Umwandlung von Nahrungsmitteln, Medikamenten und Giften in lebenden Organismen. Die Arbeit dieser Gruppe umfasst die Klärung der Frage nach der Herkunft des bei der Photosynthese freigesetzten Sauerstoffs: Es stellte sich heraus, dass seine Quelle Wasser und nicht Kohlendioxid ist. Andererseits ermöglichte die Verwendung von 14 CO 2 die Aufklärung der Wege der Kohlendioxidumwandlungen während der Photosynthese. Die Verwendung „gekennzeichneter“ Lebensmittel führte zu einem neuen Verständnis der Absorptions- und Verteilungsraten von Nährstoffen, ihres „Schicksals“ im Körper und trug dazu bei, den Einfluss interner und externer Faktoren (Hunger, Erstickung, Überlastung usw.) zu überwachen. auf den Stoffwechsel. Die Isotopenmethode ermöglichte die Untersuchung der Prozesse des reversiblen Stofftransports durch biologische Membranen. Es wurde gezeigt, dass die Konzentrationen der Substanzen auf beiden Seiten der Membran konstant bleiben und gleichzeitig die Konzentrationsgradienten aufrechterhalten, die für jedes der durch Membranen getrennten Medien charakteristisch sind. Anwendung findet die Methode bei der Untersuchung von Prozessen, bei denen die Informationsübertragung im Körper eine entscheidende Rolle spielt (Weiterleitung von Nervenimpulsen, Auslösung und Empfang von Reizungen usw.). Die Wirksamkeit der Isotopenmethode bei Arbeiten dieser Art ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass an ganzen, intakten Organismen geforscht wird, die das gesamte komplexe System nervöser und humoraler Verbindungen intakt halten. Schließlich umfasst eine Werkgruppe Untersuchungen zu den statischen Eigenschaften biologischer Strukturen, angefangen bei der molekularen Ebene (Proteine, Nukleinsäuren) bis hin zu supramolekularen Strukturen (Ribosomen, Chromosomen und andere Organellen). Beispielsweise haben Studien zur relativen Stabilität von Proteinen und Nukleinsäuren in 1 H 2 O, 2 H 2 O und H 2 18 O dazu beigetragen, die Natur der Kräfte aufzuklären, die die Struktur von Biopolymeren stabilisieren, insbesondere die Rolle von Wasserstoff Bindungen in biologischen Systemen. Wichtige Aspekte bei der Auswahl eines Isotops sind die Empfindlichkeit der Isotopenanalysemethode sowie die Art des radioaktiven Zerfalls und die Strahlungsenergie. Der Vorteil stabiler Isotope (2 H, 18 O, 15 N usw.) ist die Abwesenheit von Strahlung, die häufig Nebenwirkungen auf das untersuchte lebende System hat. Gleichzeitig schränken die relativ geringe Empfindlichkeit der Methoden zu ihrer Bestimmung (Massenspektroskopie, Densitometrie) sowie die Notwendigkeit, die markierte Verbindung zu isolieren, den Einsatz stabiler Isotope in der Biologie ein. Hohe Empfindlichkeit der Registrierung gammaaktiver Isotope (59 Fe, 131 I usw.) ) ermöglichte es, die Geschwindigkeit des Blutflusses in einem lebenden Organismus zu messen, die Blutmenge und die Zeit seiner vollständigen Zirkulation zu bestimmen und die Arbeit der endokrinen Drüsen zu untersuchen.

Verwendung von Isotopen in der Medizin. Mit Hilfe von Isotopen konnten die Entstehungsmechanismen (Pathogenese) einer Reihe von Krankheiten aufgeklärt werden; Sie werden auch zur Untersuchung des Stoffwechsels und zur Diagnose vieler Krankheiten eingesetzt. Isotope werden in äußerst geringen Mengen in den Körper eingebracht, die keine pathologischen Veränderungen hervorrufen können. Verschiedene Elemente sind im Körper ungleichmäßig verteilt. Isotope sind ähnlich verteilt. Die beim Zerfall eines Isotops entstehende Strahlung wird durch radiometrische Instrumente, Scanning, Autoradiographie usw. aufgezeichnet. So werden der Zustand des systemischen und pulmonalen Kreislaufs, des Herzkreislaufs, der Blutflussgeschwindigkeit und das Bild der Herzhöhlen unter Verwendung von Verbindungen einschließlich bestimmt 24 Na, 131 I, 99 Tc; 99 Tc, 133 Xe werden zur Untersuchung der Lungenventilation und Erkrankungen des Rückenmarks verwendet; Makroaggregate aus menschlichem Serumalbumin mit 131 I werden zur Diagnose verschiedener entzündlicher Prozesse in der Lunge, ihrer Tumoren und bei verschiedenen Erkrankungen der Schilddrüse eingesetzt. Die Konzentration und Ausscheidungsfunktionen der Leber werden mit bengalischer Rosenfarbe mit 131 I, 198 Au untersucht; Nierenfunktion während der Renographie mit 131 I-Hippuran und Scan nach Verabreichung von Neohydrin, markiert mit 203 Hg oder 99 Tc. Bilder des Darms und des Magens werden mit 99 Tc aufgenommen, die Milz mit roten Blutkörperchen mit 99 Tc oder 51 Cr; Pankreaserkrankungen werden mit 75 Se diagnostiziert. 85 Sr und 85 P haben auch Diagnoseanwendungen.

Die Verwendung von Isotopen in der Landwirtschaft (3 H, 14 C, 22 Na, 32 P, 35 S, 42 K, 45 Ca, 60 Co, 65 Zn, 99 Mo usw.) wird häufig zur Bestimmung der physikalischen Eigenschaften von Böden verwendet und enthält darin Elemente pflanzlicher Nahrung, um das Zusammenspiel von Boden und Düngemitteln, die Prozesse der Aufnahme von Nährstoffen aus Mineralfetten durch Pflanzen, den Eintritt mineralischer Nahrung in Pflanzen über Blätter und andere Fragen der Bodenkunde und Agrochemie zu untersuchen. Mithilfe von Isotopen lässt sich die Wirkung von Pestiziden, insbesondere Herbiziden, auf den Pflanzenorganismus nachweisen und so die Konzentration und den Zeitpunkt der Behandlung von Nutzpflanzen bestimmen. Mit der Isotopenmethode werden die wichtigsten biologischen Eigenschaften landwirtschaftlicher Nutzpflanzen (bei der Beurteilung und Auswahl des Zuchtmaterials) untersucht: Ertrag, Frühreife und Kälteresistenz. In der Tierhaltung werden physiologische Prozesse im Körper von Tieren untersucht, Futtermittel auf den Gehalt an Giftstoffen (von denen geringe Dosen mit chemischen Methoden schwer zu bestimmen sind) und Mikroelementen analysiert. Mit Hilfe von Isotopen werden Techniken entwickelt, um Produktionsprozesse zu automatisieren, beispielsweise die Trennung von Hackfrüchten von Steinen und Erdklumpen bei der Ernte mit einem Mähdrescher auf steinigen und schweren Böden.

Kursarbeit

Zum Thema: „Radioaktivität.

Anwendung radioaktiver Isotope in der Technik“

Einführung

1. Arten radioaktiver Strahlung

2. Andere Arten von Radioaktivität

3. Alpha-Zerfall

4.Beta-Zerfall

5. Gamma-Zerfall

6. Das Gesetz des radioaktiven Zerfalls

7.Radioaktive Serie

8. Wirkung radioaktiver Strahlung auf den Menschen

9. Verwendung radioaktiver Isotope

Liste der verwendeten Literatur

Einführung

Radioaktivität– die Umwandlung von Atomkernen in andere Kerne, begleitet von der Emission verschiedener Teilchen und elektromagnetischer Strahlung. Daher der Name des Phänomens: im Lateinischen radio – ausstrahlen, activus – wirksam. Dieses Wort wurde von Marie Curie geprägt. Wenn ein instabiler Kern – ein Radionuklid – zerfällt, fliegen ein oder mehrere hochenergetische Teilchen mit hoher Geschwindigkeit aus ihm heraus. Der Fluss dieser Teilchen wird radioaktive Strahlung oder einfach Strahlung genannt.

Röntgenstrahlen. Die Entdeckung der Radioaktivität stand in direktem Zusammenhang mit der Entdeckung von Röntgen. Darüber hinaus glaubte man eine Zeit lang, dass es sich dabei um dieselbe Strahlungsart handele. Ende des 19. Jahrhunderts Im Allgemeinen war er reich an Entdeckungen verschiedener Arten bisher unbekannter „Strahlungen“. In den 1880er Jahren begann der englische Physiker Joseph John Thomson mit der Untersuchung elementarer negativer Ladungsträger; 1891 nannte der irische Physiker George Johnston Stoney (1826–1911) diese Teilchen Elektronen. Schließlich verkündete Wilhelm Conrad Röntgen im Dezember die Entdeckung einer neuen Strahlenart, die er Röntgenstrahlen nannte. Bisher werden sie in den meisten Ländern so genannt, doch in Deutschland und Russland wurde der Vorschlag des deutschen Biologen Rudolf Albert von Kölliker (1817–1905) angenommen, die Strahlen Röntgenstrahlen zu nennen. Diese Strahlen entstehen, wenn im Vakuum schnell fliegende Elektronen (Kathodenstrahlen) mit einem Hindernis kollidieren. Es war bekannt, dass Kathodenstrahlen, wenn sie auf Glas treffen, sichtbares Licht aussenden – grüne Lumineszenz. Röntgenaufnahmen entdeckten, dass gleichzeitig einige andere unsichtbare Strahlen von dem grünen Fleck auf dem Glas ausgingen. Dies geschah zufällig: In einem dunklen Raum leuchtete ein nahegelegener Bildschirm, der mit Bariumtetracyanoplatinat Ba (früher Bariumplatinsulfid genannt) bedeckt war. Diese Substanz erzeugt unter dem Einfluss von Ultraviolett- und Kathodenstrahlen eine leuchtend gelbgrüne Lumineszenz. Aber die Kathodenstrahlen trafen nicht auf den Bildschirm und außerdem leuchtete der Bildschirm weiter, wenn das Gerät mit schwarzem Papier bedeckt war. Röntgen entdeckte bald, dass Strahlung viele undurchsichtige Substanzen durchdrang und eine Schwärzung einer in schwarzes Papier eingewickelten oder sogar in ein Metallgehäuse gelegten Fotoplatte verursachte. Die Strahlen gingen durch ein sehr dickes Buch, durch ein 3 cm dickes Fichtenbrett, durch eine 1,5 cm dicke Aluminiumplatte ... Röntgen erkannte die Möglichkeiten seiner Entdeckung: „Wenn Sie Ihre Hand zwischen die Entladungsröhre und den Bildschirm halten“, Er schrieb: „Man kann dunkle Knochenschatten vor dem Hintergrund der helleren Umrisse der Hand sehen.“ Dies war die erste Durchleuchtungsuntersuchung in der Geschichte.

Röntgens Entdeckung verbreitete sich sofort auf der ganzen Welt und überraschte nicht nur Fachleute. Am Vorabend des Jahres 1896 wurde in einer Buchhandlung in einer deutschen Stadt das Foto einer Hand ausgestellt. Darauf waren die Knochen einer lebenden Person zu sehen, und an einem Finger befand sich ein Ehering. Es war ein Röntgenfoto der Hand von Röntgens Frau. Röntgens erste Botschaft „ Über eine neue Art von Strahlen“ wurde am 28. Dezember in den „Berichten der Würzburger Physikalisch-Medizinischen Gesellschaft“ veröffentlicht, sofort übersetzt und in verschiedenen Ländern veröffentlicht, die berühmteste in London erscheinende wissenschaftliche Zeitschrift „Nature“ veröffentlichte Röntgens Artikel am 23. Januar 1896.

Überall auf der Welt begann man, neue Strahlen zu erforschen; allein in einem Jahr wurden über tausend Artikel zu diesem Thema veröffentlicht. Auch in Krankenhäusern tauchten Röntgengeräte einfacher Bauart auf: Der medizinische Nutzen der neuen Strahlen lag auf der Hand.

Mittlerweile werden Röntgenstrahlen weltweit weit verbreitet (und nicht nur für medizinische Zwecke) eingesetzt.

Becquerels Strahlen. Röntgens Entdeckung führte bald zu einer ebenso bemerkenswerten Entdeckung. Es wurde 1896 vom französischen Physiker Antoine Henri Becquerel hergestellt. Am 20. Januar 1896 nahm er an einer Sitzung der Akademie teil, bei der der Physiker und Philosoph Henri Poincaré über die Entdeckung von Röntgen sprach und in Frankreich aufgenommene Röntgenaufnahmen einer menschlichen Hand vorführte. Poincaré beschränkte sich nicht darauf, über neue Strahlen zu sprechen. Er vermutete, dass diese Strahlen mit Lumineszenz verbunden sind und möglicherweise immer gleichzeitig mit dieser Art von Leuchten auftreten, sodass auf Kathodenstrahlen wahrscheinlich verzichtet werden kann. Die Lumineszenz von Substanzen unter dem Einfluss ultravioletter Strahlung – Fluoreszenz oder Phosphoreszenz (im 19. Jahrhundert gab es keine strikte Unterscheidung zwischen diesen Konzepten) war Becquerel vertraut: sowohl seinem Vater Alexander Edmond Becquerel (1820-1891) als auch seinem Großvater Antoine Cesar Becquerel (1788–1878) waren daran beteiligt – beide Physiker; Antoine Henri Becquerels Sohn Jacques wurde ebenfalls Physiker und „erbte“ den Lehrstuhl für Physik am Pariser Naturkundemuseum; Becquerel leitete diesen Lehrstuhl 110 Jahre lang, von 1838 bis 1948.

Becquerel beschloss zu testen, ob Röntgenstrahlen mit Fluoreszenz verbunden sind. Einige Uransalze, beispielsweise Uranylnitrat UO 2 (NO 3) 2, weisen eine helle gelbgrüne Fluoreszenz auf. Solche Substanzen befanden sich in Becquerels Labor, in dem er arbeitete. Sein Vater beschäftigte sich auch mit Uranpräparaten, die zeigten, dass ihr Leuchten nach dem Aufhören des Sonnenlichts sehr schnell verschwindet – in weniger als einer Hundertstelsekunde. Allerdings hat niemand überprüft, ob dieses Leuchten von der Emission einiger anderer Strahlen begleitet wird, die undurchsichtige Materialien durchdringen können, wie es bei Röntgen der Fall war. Genau das wollte Becquerel nach Poincarés Bericht überprüfen. Am 24. Februar 1896 sagte er auf der wöchentlichen Sitzung der Akademie, dass er eine in zwei Lagen dickes schwarzes Papier eingewickelte Fotoplatte genommen und Kristalle aus doppeltem Kaliumuranylsulfat K 2 UO 2 (SO 4) 2 2H2O darauf platziert habe und das Ganze mehrere Stunden lang dem Sonnenlicht ausgesetzt, dann sieht man nach der Entwicklung der Fotoplatte einen etwas verschwommenen Umriss der Kristalle darauf. Legt man eine Münze oder eine aus Zinn ausgeschnittene Figur zwischen die Platte und die Kristalle, so erscheint nach der Entwicklung ein klares Bild dieser Objekte auf der Platte.

All dies könnte auf einen Zusammenhang zwischen Fluoreszenz und Röntgenstrahlung hinweisen. Die kürzlich entdeckten Röntgenstrahlen können viel einfacher gewonnen werden – ohne Kathodenstrahlen und die dafür erforderliche Vakuumröhre und Hochspannung. Es musste jedoch überprüft werden, ob sich herausstellt, dass das Uransalz beim Erhitzen in der Sonne etwas freisetzt Eine Art Gas, das unter das schwarze Papier eindringt und auf die Fotoemulsion einwirkt. Um diese Möglichkeit auszuschließen, platzierte Becquerel eine Glasscheibe zwischen dem Uransalz und der Fotoplatte – sie leuchtete immer noch. „Von hier aus“, schloss Becquerel seine kurze Botschaft, „können wir schließen, dass das leuchtende Salz Strahlen aussendet, die das für Licht undurchsichtige schwarze Papier durchdringen und die Silbersalze in der Fotoplatte wiederherstellen.“ Als ob Poincaré recht hätte und Röntgenstrahlen aus Röntgenstrahlen auf ganz andere Weise gewonnen werden könnten.

Becquerel begann viele Experimente durchzuführen, um die Bedingungen besser zu verstehen, unter denen Strahlen auftreten, die eine Fotoplatte beleuchten, und um die Eigenschaften dieser Strahlen zu untersuchen. Zwischen den Kristallen und der Fotoplatte platzierte er verschiedene Stoffe – unterschiedlich dicke Papier-, Glas-, Aluminium-, Kupfer- und Bleiplatten. Die Ergebnisse waren die gleichen wie bei Röntgen, was ebenfalls als Argument für die Ähnlichkeit beider Strahlungen dienen könnte. Zusätzlich zum direkten Sonnenlicht beleuchtete Becquerel das Uransalz mit Licht, das von einem Spiegel reflektiert oder von einem Prisma gebrochen wurde. Er erhielt, dass die Ergebnisse aller bisherigen Experimente in keinem Zusammenhang mit der Sonne standen; Wichtig war nur, wie lange sich das Uransalz in der Nähe der Fotoplatte befand. Am nächsten Tag berichtete Becquerel auf einer Sitzung der Akademie darüber, doch wie sich später herausstellte, kam er zu einer falschen Schlussfolgerung: Er kam zu dem Schluss, dass Uransalz, zumindest einmal im Licht „aufgeladen“, dann in der Lage sei, zu emittieren unsichtbare durchdringende Strahlen für lange Zeit.

Bis Ende des Jahres veröffentlichte Becquerel neun Artikel zu diesem Thema, in einem davon schrieb er: „Verschiedene Uransalze wurden in eine dickwandige Bleikiste gegeben... Geschützt vor der Einwirkung jeglicher bekannter Strahlung wurden diese Substanzen weitergeführt.“ in acht Monaten Strahlen auszusenden, die Glas und schwarzes Papier durchdringen.

Diese Strahlen stammen von jeder Uranverbindung, auch von solchen, die in der Sonne nicht leuchten. Die Strahlung von metallischem Uran erwies sich als noch stärker (ca. 3,5-fach). Es wurde offensichtlich, dass die Strahlung, obwohl sie in einigen Erscheinungsformen Röntgenstrahlen ähnelte, eine größere Durchdringungskraft hatte und irgendwie mit Uran verwandt war, weshalb Becquerel begann, sie „Uranstrahlen“ zu nennen.

Becquerel entdeckte auch, dass „Uranstrahlen“ die Luft ionisieren und sie so zu einem Stromleiter machen. Fast gleichzeitig, im November 1896, entdeckten die englischen Physiker J. J. Thomson und Ernest Rutherford (die Ionisierung von Luft unter dem Einfluss von Röntgenstrahlen). Um die Intensität der Strahlung zu messen, verwendete Becquerel ein Elektroskop, in dem die hellsten Goldblätter an ihren Enden aufgehängt waren elektrostatisch geladen, stoßen sich ab und ihre freien Enden divergieren. Leitet die Luft Strom, entlädt sich die Ladung von den Blättern und sie fallen ab – und zwar umso schneller, je höher die elektrische Leitfähigkeit der Luft und damit die Intensität der Strahlung.

Es blieb die Frage, wie ein Stoff eine kontinuierliche Strahlung aussendet, die über viele Monate hinweg ohne Energiezufuhr aus einer externen Quelle nicht schwächer wird. Becquerel selbst schrieb, er könne nicht verstehen, woher Uran die Energie, die es kontinuierlich aussendet, nahm. Zu diesem Thema wurden verschiedene Hypothesen aufgestellt, die teilweise recht phantastisch waren. So schrieb beispielsweise der englische Chemiker und Physiker William Ramsay: „... Physiker waren ratlos, woher der unerschöpfliche Energievorrat der Uransalze kommen könnte.“ Lord Kelvin neigte zu der Annahme, dass Uran als eine Art Falle dient, die ansonsten nicht nachweisbare Strahlungsenergie einfängt, die uns durch den Weltraum erreicht, und sie in eine Form umwandelt, die sie in die Lage versetzt, chemische Effekte hervorzurufen.

Becquerel konnte diese Hypothese weder akzeptieren, noch etwas Plausibleres finden, noch das Prinzip der Energieerhaltung aufgeben. Es endete damit, dass er die Arbeit mit Uran für einige Zeit ganz aufgab und sich der Aufspaltung von Spektrallinien in einem Magnetfeld widmete. Dieser Effekt wurde fast zeitgleich mit der Entdeckung von Becquerel vom jungen niederländischen Physiker Pieter Zeeman entdeckt und von einem anderen Niederländer, Hendrik Anton Lorentz, erklärt.

Damit war die erste Phase der Radioaktivitätsforschung abgeschlossen. Albert Einstein verglich die Entdeckung der Radioaktivität mit der Entdeckung des Feuers, da er glaubte, dass sowohl Feuer als auch Radioaktivität gleichermaßen wichtige Meilensteine ​​in der Geschichte der Zivilisation seien.

1. Arten radioaktiver Strahlung

Als in den Händen von Forschern starke Strahlungsquellen auftauchten, die millionenfach stärker waren als Uran (dies waren Präparate aus Radium, Polonium, Actinium), war es möglich, sich besser mit den Eigenschaften radioaktiver Strahlung vertraut zu machen. Ernest Rutherford, die Ehegatten Maria und Pierre Curie, A. Becquerel und viele andere beteiligten sich aktiv an den ersten Studien zu diesem Thema. Zunächst wurde die Durchdringungsfähigkeit der Strahlen sowie die Auswirkung des Magnetfeldes auf die Strahlung untersucht. Es stellte sich heraus, dass die Strahlung nicht gleichmäßig ist, sondern eine Mischung aus „Strahlen“ darstellt. Pierre Curie entdeckte, dass einige Strahlen abgelenkt werden, andere nicht, wenn ein Magnetfeld auf Radiumstrahlung einwirkt. Es war bekannt, dass ein Magnetfeld nur geladene fliegende Teilchen, positive und negative, in unterschiedliche Richtungen ablenkt. Aufgrund der Ablenkungsrichtung waren wir davon überzeugt, dass die abgelenkten β-Strahlen negativ geladen waren. Weitere Experimente zeigten, dass es keinen grundsätzlichen Unterschied zwischen Kathoden- und β-Strahlen gab, was bedeutete, dass sie einen Elektronenfluss darstellten.

Abgelenkte Strahlen hatten eine stärkere Fähigkeit, verschiedene Materialien zu durchdringen, während nicht abgelenkte Strahlen sogar von dünner Aluminiumfolie leicht absorbiert wurden – so verhielt sich beispielsweise die Strahlung des neuen Elements Polonium – seine Strahlung drang nicht einmal durch den Karton Wände der Kiste, in der das Medikament aufbewahrt wurde.

Beim Einsatz stärkerer Magnete zeigte sich, dass auch α-Strahlen abgelenkt werden, nur deutlich schwächer als β-Strahlen, und zwar in die andere Richtung. Daraus folgte, dass sie positiv geladen waren und eine deutlich größere Masse hatten (wie sich später herausstellte, ist die Masse der α-Teilchen 7740-mal größer als die Masse des Elektrons). Dieses Phänomen wurde erstmals 1899 von A. Becquerel und F. Giesel entdeckt. Später stellte sich heraus, dass α-Teilchen die Kerne von Heliumatomen (Nuklid 4 He) mit einer Ladung von +2 und einer Masse von 4 Einheiten sind. Als im Jahr 1900 der französische Physiker Paul Villar (1860–1934) die Atome genauer untersuchte Durch die Abweichung von α- und β-Strahlen entdeckte er in der Radiumstrahlung eine dritte Art von Strahlen, die in den stärksten Magnetfeldern nicht abweichen; diese Entdeckung wurde bald von Becquerel bestätigt. Diese Art von Strahlung wurde in Analogie zu Alpha- und Betastrahlen Gammastrahlen genannt; die Bezeichnung verschiedener Strahlungen mit den Anfangsbuchstaben des griechischen Alphabets wurde von Rutherford vorgeschlagen. Es stellte sich heraus, dass Gammastrahlen den Röntgenstrahlen ähnlich waren, d. h. Es handelt sich um elektromagnetische Strahlung, allerdings mit kürzerer Wellenlänge und daher mehr Energie. Alle diese Strahlungsarten wurden von M. Curie in ihrer Monographie „Radium and Radioactivity“ beschrieben. Anstelle eines Magnetfelds kann zur „Aufspaltung“ der Strahlung auch ein elektrisches Feld verwendet werden, nur dass die darin enthaltenen geladenen Teilchen nicht senkrecht zu den Kraftlinien, sondern entlang dieser abgelenkt werden – in Richtung der Ablenkplatten.

Lange Zeit war unklar, woher all diese Strahlen kommen. Im Laufe mehrerer Jahrzehnte wurden durch die Arbeit vieler Physiker die Natur der radioaktiven Strahlung und ihre Eigenschaften geklärt und neue Arten von Radioaktivität entdeckt.γ

Alphastrahlen werden hauptsächlich von den Kernen der schwersten und daher weniger stabilen Atome emittiert (sie stehen im Periodensystem nach Blei). Dabei handelt es sich um hochenergetische Teilchen. Normalerweise werden mehrere Gruppen von α-Teilchen beobachtet, von denen jede eine genau definierte Energie hat. Somit haben fast alle von 226 Ra-Kernen emittierten α-Partikel eine Energie von 4,78 MeV (Megaelektronenvolt) und ein kleiner Teil der α-Partikel hat eine Energie von 4,60 MeV. Ein weiteres Radiumisotop, 221 Ra, emittiert vier Gruppen von α-Partikeln mit Energien von 6,76, 6,67, 6,61 und 6,59 MeV. Dies weist auf das Vorhandensein mehrerer Energieniveaus in Kernen hin; ihre Differenz entspricht der Energie der vom Kern emittierten α-Quanten. Es sind auch „reine“ Alphastrahler bekannt (z. B. 222 Rn).

Nach der Formel E = mu 2 /2 Es ist möglich, die Geschwindigkeit von α-Teilchen mit einer bestimmten Energie zu berechnen. Zum Beispiel 1 Mol α-Partikel mit E= 4,78 MeV hat Energie (in SI-Einheiten) E= 4,78 10 6 eV  96500 J/(eV mol) = 4,61 10 11 J/mol und Masse M= 0,004 kg/mol, von wo uα 15200 km/s, was zehntausende Male schneller ist als die Geschwindigkeit einer Pistolenkugel. Alphateilchen haben die stärkste ionisierende Wirkung: Wenn sie mit anderen Atomen in einem Gas, einer Flüssigkeit oder einem Feststoff kollidieren, „entziehen“ sie ihnen Elektronen und erzeugen so geladene Teilchen. In diesem Fall verlieren α-Teilchen sehr schnell Energie: Sie werden sogar von einem Blatt Papier zurückgehalten. In der Luft breitet sich die α-Strahlung von Radium nur 3,3 cm aus, die α-Strahlung von Thorium 2,6 cm usw. Letztendlich fängt das α-Teilchen, das kinetische Energie verloren hat, zwei Elektronen ein und verwandelt sich in ein Heliumatom. Das erste Ionisierungspotential eines Heliumatoms (He – e → He +) beträgt 24,6 eV, das zweite (He + – e → He +2) beträgt 54,4 eV und ist damit viel höher als das aller anderen Atome. Beim Einfangen von Elektronen durch α-Teilchen wird enorme Energie freigesetzt (mehr als 7600 kJ/mol), sodass kein einziges Atom außer den Heliumatomen selbst in der Lage ist, seine Elektronen zurückzuhalten, wenn sich zufällig ein α-Teilchen in der Nähe befindet .

Die sehr hohe kinetische Energie von α-Teilchen ermöglicht es, sie mit bloßem Auge (oder mit Hilfe einer gewöhnlichen Lupe) zu „sehen“. Dies wurde erstmals 1903 vom englischen Physiker und Chemiker William Crookes (1832 – 1919. Er klebte ein Körnchen Radiumsalz auf die Spitze einer Nadel, kaum sichtbar für das Auge, und befestigte die Nadel in einem breiten Glasrohr. An einem Ende dieses Rohrs, nicht weit von der Nadelspitze entfernt, wurde es platziert eine Platte, die mit einer Schicht Phosphor bedeckt war (es war Zinksulfid), und am anderen Ende befand sich eine Lupe. Wenn Sie den Phosphor im Dunkeln untersuchen, können Sie sehen: Das gesamte Sichtfeld ist mit blitzenden Funken übersät und jetzt Aussterben. Jeder Funke ist das Ergebnis des Aufpralls eines α-Teilchens. Crookes nannte dieses Gerät ein Spinthariskop (von griechisch spintharis – Funke und skopeo – schauen, beobachten). Mit dieser einfachen Methode zum Zählen von α-Teilchen wurde eine Zahl erstellt Zahlreiche Studien wurden durchgeführt, mit dieser Methode war es beispielsweise möglich, die Avogadro-Konstante recht genau zu bestimmen.

Im Kern werden Protonen und Neutronen durch Kernkräfte zusammengehalten. Daher war unklar, wie ein Alphateilchen, bestehend aus zwei Protonen und zwei Neutronen, den Kern verlassen konnte. Die Antwort gab 1928 der amerikanische Physiker (der 1933 aus der UdSSR emigrierte) George (Georgi Antonovich) Gamow). Nach den Gesetzen der Quantenmechanik haben α-Teilchen, wie alle Teilchen mit geringer Masse, Wellennatur und daher besteht eine geringe Wahrscheinlichkeit, dass sie außerhalb des Kerns auf einem kleinen (etwa 6) landen · 10–12 cm) Abstand davon. Sobald dies geschieht, erfährt das Teilchen eine Coulomb-Abstoßung von einem sehr nahe gelegenen positiv geladenen Kern.

Dem Alphazerfall unterliegen vor allem schwere Kerne – mehr als 200 davon sind bekannt; Alphateilchen werden von den meisten Isotopen der Elemente nach Wismut emittiert. Es sind leichtere Alphastrahler bekannt, hauptsächlich Atome seltener Erdelemente. Doch warum fliegen Alphateilchen aus dem Kern und nicht einzelne Protonen? Qualitativ erklärt sich dies durch den Energiegewinn beim α-Zerfall (α-Teilchen – Heliumkerne sind stabil). Die quantitative Theorie des α-Zerfalls entstand erst in den 1980er Jahren; an ihrer Entwicklung waren auch einheimische Physiker beteiligt, darunter Lev Davidovich Landau, Arkady Beinusovich Migdal (1911–1991), Leiter der Abteilung für Kernphysik an der Universität Woronesch Stanislav Georgievich Kadmensky und Kollegen.

Der Abgang eines Alphateilchens vom Kern führt zum Kern eines anderen chemischen Elements, das im Periodensystem um zwei Zellen nach links verschoben wird. Ein Beispiel ist die Umwandlung von sieben Isotopen von Polonium (Kernladung 84) in verschiedene Isotope von Blei (Kernladung 82): 218 Po → 214 Pb, 214 Po → 210 Pb, 210 Po → 206 Pb, 211 Po → 207 Pb, 215 Po → 211 Pb, 212 Po → 208 Pb, 216 Po → 212 Pb. Die Bleiisotope 206 Pb, 207 Pb und 208 Pb sind stabil, der Rest ist radioaktiv.

Beta-Zerfall tritt sowohl in schweren als auch in leichten Kernen wie Tritium auf. Diese leichten Teilchen (schnelle Elektronen) haben eine höhere Durchschlagskraft. So können β-Teilchen in der Luft mehrere zehn Zentimeter fliegen, in flüssigen und festen Stoffen – von Bruchteilen eines Millimeters bis etwa 1 cm. Im Gegensatz zu α-Teilchen ist das Energiespektrum von β-Strahlen nicht diskret. Die Energie der aus dem Kern austretenden Elektronen kann von nahezu Null bis zu einem bestimmten Maximalwert variieren, der für ein bestimmtes Radionuklid charakteristisch ist. Typischerweise ist die durchschnittliche Energie von β-Partikeln viel geringer als die von α-Partikeln; Beispielsweise beträgt die Energie der β-Strahlung von 228 Ra 0,04 MeV. Aber es gibt Ausnahmen; die β-Strahlung des kurzlebigen Nuklids 11 Be trägt also eine Energie von 11,5 MeV. Lange Zeit war unklar, wie Teilchen mit unterschiedlicher Geschwindigkeit aus identischen Atomen desselben Elements herausfliegen. Als der Aufbau des Atoms und des Atomkerns klar wurde, tauchte ein neues Rätsel auf: Woher kommen die aus dem Kern austretenden β-Teilchen – schließlich gibt es im Kern keine Elektronen? Nachdem der englische Physiker James Chadwick 1932 das Neutron entdeckt hatte, schlugen die russischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch Iwanenko (1904–1994) und Igor Jewgenjewitsch Tamm sowie unabhängig davon der deutsche Physiker Werner Heisenberg vor, dass Atomkerne aus Protonen und Neutronen bestehen. In diesem Fall sollten β-Teilchen durch den intranuklearen Prozess der Umwandlung eines Neutrons in ein Proton und ein Elektron entstehen: n → p + e. Die Masse eines Neutrons ist etwas größer als die Gesamtmasse eines Protons und eines Elektrons, ein Massenüberschuss gemäß Einsteins Formel E = mc 2 gibt die kinetische Energie eines aus dem Kern austretenden Elektrons an, daher wird der β-Zerfall hauptsächlich in Kernen mit einer überschüssigen Anzahl an Neutronen beobachtet. Beispielsweise ist das Nuklid 226 Ra ein α-Strahler, und alle schwereren Radiumisotope (227 Ra, 228 Ra, 229 Ra und 230 Ra) sind β-Strahler.

Es blieb noch herauszufinden, warum β-Teilchen im Gegensatz zu α-Teilchen ein kontinuierliches Energiespektrum haben, was bedeutet, dass einige von ihnen eine sehr niedrige Energie haben, während andere eine sehr hohe Energie haben (und sich gleichzeitig mit einer Geschwindigkeit von annähernd bewegen). die Lichtgeschwindigkeit) . Darüber hinaus stellte sich heraus, dass die Gesamtenergie all dieser Elektronen (sie wurde mit einem Kalorimeter gemessen) geringer war als die Differenz zwischen der Energie des ursprünglichen Kerns und dem Produkt seines Zerfalls. Wieder einmal standen die Physiker vor einer „Verletzung“ des Energieerhaltungssatzes: Ein Teil der Energie des ursprünglichen Kerns verschwand an einem unbekannten Ziel. Das unerschütterliche physikalische Gesetz wurde 1931 vom Schweizer Physiker Wolfgang Pauli „gerettet“, der vorschlug, dass beim β-Zerfall zwei Teilchen aus dem Kern fliegen: ein Elektron und ein hypothetisches neutrales Teilchen – ein Neutrino mit einer Masse von nahezu Null, das wegträgt überschüssige Energie. Das kontinuierliche Spektrum der β-Strahlung wird durch die Energieverteilung zwischen Elektronen und diesem Teilchen erklärt. Neutrinos (wie sich später herausstellte, entstehen beim Betazerfall das sogenannte Elektron-Antineutrino) interagieren sehr schwach mit Materie (zum Beispiel durchdringen sie leicht den Durchmesser des Globus und sogar eines riesigen Sterns) und wurden daher eine Zeit lang nicht entdeckt lange Zeit - experimentell freie Neutrinos wurden erst 1956 registriert. Somit lautet das verfeinerte Beta-Zerfallsschema wie folgt: n → p +. Die quantitative Theorie des β-Zerfalls, basierend auf Paulis Vorstellungen über Neutrinos, wurde 1933 vom italienischen Physiker Enrico Fermi entwickelt, der auch den Namen Neutrino (auf Italienisch „Neutron“) vorschlug.

Die Umwandlung eines Neutrons in ein Proton beim Betazerfall verändert die Masse des Nuklids praktisch nicht, erhöht aber die Ladung des Kerns um eins. Folglich wird ein neues Element gebildet, das im Periodensystem um eine Zelle nach rechts verschoben wird, zum Beispiel: →, →, → usw. (Ein Elektron und ein Antineutrino fliegen gleichzeitig aus dem Kern.)

2. Andere Arten von Radioaktivität

Neben Alpha- und Betazerfällen sind auch andere Arten spontaner radioaktiver Umwandlungen bekannt. Im Jahr 1938 entdeckte der amerikanische Physiker Louis Walter Alvarez eine dritte Art der radioaktiven Umwandlung – den Elektroneneinfang (E-Einfang). In diesem Fall fängt der Kern ein Elektron aus der ihm nächstgelegenen Energiehülle (K-Schale) ein. Wenn ein Elektron mit einem Proton wechselwirkt, entsteht ein Neutron, und ein Neutrino fliegt aus dem Kern und transportiert überschüssige Energie ab. Die Umwandlung eines Protons in ein Neutron verändert nicht die Masse des Nuklids, sondern verringert die Ladung des Kerns um eins. Dadurch entsteht ein neues Element, das sich eine Zelle links im Periodensystem befindet, beispielsweise ein stabiles Nuklid (in diesem Beispiel entdeckte Alvarez diese Art von Radioaktivität).

Beim K-Einfang in der Elektronenhülle eines Atoms „sinkt“ ein Elektron von einem höheren Energieniveau an die Stelle des verschwundenen Elektrons, die überschüssige Energie wird entweder in Form von Röntgenstrahlen freigesetzt oder für den Abgang von dort aufgewendet Das Atom besteht aus einem oder mehreren schwächer gebundenen Elektronen – den sogenannten Auger-Elektronen, benannt nach dem französischen Physiker Pierre Auger (1899–1993), der diesen Effekt 1923 entdeckte (er nutzte ionisierende Strahlung, um innere Elektronen auszuschalten).

Im Jahr 1940 entdeckten Georgy Nikolaevich Flerov (1913–1990) und Konstantin Antonovich Petrzhak (1907–1998) am Beispiel von Uran die spontane Spaltung, bei der ein instabiler Kern in zwei leichtere Kerne zerfällt, deren Massen sich kaum unterscheiden viel, zum Beispiel: → + + 2n. Diese Art des Zerfalls wird nur bei Uran und schwereren Elementen beobachtet – insgesamt mehr als 50 Nuklide. Im Fall von Uran erfolgt die spontane Spaltung sehr langsam: Die durchschnittliche Lebensdauer eines 238-U-Atoms beträgt 6,5 Milliarden Jahre. 1938 entdeckten der deutsche Physiker und Chemiker Otto Hahn, die österreichische Radiochemikerin und Physikerin Lise Meitner (das Element Mt – Meitnerium ist nach ihr benannt) und der deutsche physikalische Chemiker Fritz Strassmann (1902–1980), dass beim Beschuss mit Neutronen Urankerne entstehen werden in Fragmente zerlegt, und die von Neutronen emittierten Neutronen können zur Spaltung benachbarter Urankerne führen, was zu einer Kettenreaktion führt. Dieser Prozess geht mit der Freisetzung enormer Energie (im Vergleich zu chemischen Reaktionen) einher, die zur Entwicklung von Atomwaffen und zum Bau von Kernkraftwerken führte.

1934 entdeckten Marie Curies Tochter Irène Joliot-Curie und ihr Ehemann Frédéric Joliot-Curie den Positronenzerfall. Dabei verwandelt sich eines der Protonen des Kerns in ein Neutron und ein Antielektron (Positron) – ein Teilchen mit gleicher Masse, aber positiv geladen; Gleichzeitig fliegt ein Neutrino aus dem Kern: p → n + e + + 238. Die Masse des Kerns ändert sich nicht, aber es kommt zu einer Verschiebung, anders als beim β – Zerfall, nach links, β+ Zerfall ist charakteristisch für Kerne mit ein Überschuss an Protonen (die sogenannten neutronenarmen Kerne). Somit sind die schweren Sauerstoffisotope 19 O, 20 O und 21 O β – aktiv, und seine leichten Isotope 14 O und 15 O β + sind aktiv, zum Beispiel: 14 O → 14 N + e + + 238. Wie Antiteilchen , Positronen werden sofort zerstört (vernichtet), wenn sie auf Elektronen treffen und zwei γ-Quanten entstehen. Der Positronenzerfall konkurriert häufig mit dem K-Einfang.

1982 wurde die Protonenradioaktivität entdeckt: die Emission eines Protons durch einen Kern (dies ist nur bei einigen künstlich erzeugten Kernen mit überschüssiger Energie möglich). Im Jahr 1960 sagte der physikalische Chemiker Vitaly Iosifovich Goldansky (1923–2001) theoretisch die Zwei-Protonen-Radioaktivität voraus: den Ausstoß zweier Protonen mit gepaarten Spins aus einem Kern. Es wurde erstmals 1970 beobachtet. Zwei-Neutronen-Radioaktivität wird ebenfalls sehr selten beobachtet (entdeckt 1979).

Im Jahr 1984 wurde die Radioaktivität von Clustern entdeckt (vom englischen Cluster – Haufen, Schwarm). Dabei zerfällt der Kern im Gegensatz zur spontanen Spaltung in Fragmente mit sehr unterschiedlichen Massen, aus einem schweren Kern fliegen beispielsweise Kerne mit Massen von 14 bis 34 heraus. Auch ein Clusterzerfall wird sehr selten beobachtet, und das hat es geschafft lange Zeit schwer zu erkennen.

Manche Kerne können in verschiedene Richtungen zerfallen. Beispielsweise zerfällt 221 Rn zu 80 % unter Emission von α-Partikeln und zu 20 % unter Emission von β-Partikeln; viele Isotope seltener Erdelemente (137 Pr, 141 Nd, 141 Pm, 142 Sm usw.) zerfallen entweder durch Elektroneneinfang oder mit Positronenemission. Verschiedene Arten radioaktiver Strahlung gehen oft (aber nicht immer) mit γ-Strahlung einher. Dies geschieht, weil der entstehende Kern möglicherweise überschüssige Energie hat, aus der er durch Emission von Gammastrahlen freigesetzt wird. Die Energie der γ-Strahlung liegt in einem weiten Bereich, zum Beispiel beträgt sie beim Zerfall von 226 Ra 0,186 MeV und beim Zerfall von 11 Be erreicht sie 8 MeV.

Fast 90 % der bekannten 2500 Atomkerne sind instabil. Ein instabiler Kern wandelt sich spontan in andere Kerne um und emittiert dabei Teilchen. Diese Eigenschaft von Kernen wird Radioaktivität genannt. In großen Kernen entsteht Instabilität aufgrund der Konkurrenz zwischen der Anziehung von Nukleonen durch Kernkräfte und der Coulomb-Abstoßung von Protonen. Es gibt keine stabilen Kerne mit einer Ladungszahl Z > 83 und einer Massenzahl A > 209. Aber auch Atomkerne mit deutlich niedrigeren Werten der Z- und A-Zahlen können radioaktiv sein. Enthält der Kern deutlich mehr Protonen als Neutronen, dann wird die Instabilität durch einen Überschuss an Coulomb-Wechselwirkungsenergie verursacht. Kerne, die einen großen Überschuss an Neutronen gegenüber Protonen enthalten würden, erweisen sich als instabil, da die Masse des Neutrons die Masse des Protons übersteigt. Eine Zunahme der Masse des Kerns führt zu einer Zunahme seiner Energie.

Das Phänomen der Radioaktivität wurde 1896 vom französischen Physiker A. Becquerel entdeckt, der entdeckte, dass Uransalze unbekannte Strahlung aussenden, die lichtundurchlässige Barrieren durchdringen und eine Schwärzung der fotografischen Emulsion verursachen kann. Zwei Jahre später entdeckten die französischen Physiker M. und P. Curie die Radioaktivität von Thorium und entdeckten zwei neue radioaktive Elemente – Polonium und Radium

In den folgenden Jahren untersuchten viele Physiker, darunter E. Rutherford und seine Studenten, die Natur radioaktiver Strahlung. Es wurde festgestellt, dass radioaktive Kerne drei Arten von Partikeln emittieren können: positiv und negativ geladene und neutrale. Diese drei Strahlungsarten wurden α-, β- und γ-Strahlung genannt. Diese drei Arten radioaktiver Strahlung unterscheiden sich stark voneinander in ihrer Fähigkeit, Materieatome zu ionisieren und damit in ihrer Durchdringungsfähigkeit. α-Strahlung hat die geringste Durchdringungskraft. Unter normalen Bedingungen legen α-Strahlen in der Luft eine Strecke von mehreren Zentimetern zurück. β-Strahlen werden von Materie viel weniger absorbiert. Sie können eine mehrere Millimeter dicke Aluminiumschicht durchdringen. γ-Strahlen haben die größte Durchdringungskraft und können eine 5–10 cm dicke Bleischicht durchdringen.

Im zweiten Jahrzehnt des 20. Jahrhunderts, nach der Entdeckung der Kernstruktur von Atomen durch E. Rutherford, wurde eindeutig festgestellt, dass Radioaktivität eine Eigenschaft von Atomkernen ist. Untersuchungen haben gezeigt, dass α-Strahlen einen Fluss von α-Teilchen – Heliumkernen – darstellen, β-Strahlen einen Elektronenfluss darstellen und γ-Strahlen kurzwellige elektromagnetische Strahlung mit einer extrem kurzen Wellenlänge λ sind< 10 –10 м и вследствие этого – ярко выраженными корпускулярными свойствами, т.е. является потоком частиц – γ-квантов.

3. Alpha-Zerfall

Unter Alphazerfall versteht man die spontane Umwandlung eines Atomkerns mit der Anzahl Protonen Z und Neutronen N in einen anderen (Tochter-)Kern mit der Anzahl Protonen Z – 2 und Neutronen N – 2. Dabei wird ein α-Teilchen emittiert – das Kern eines Heliumatoms. Ein Beispiel für einen solchen Prozess ist der α-Zerfall von Radium: Von den Kernen von Radiumatomen emittierte Alphateilchen wurden von Rutherford in Experimenten zur Streuung an den Kernen schwerer Elemente verwendet. Die Geschwindigkeit der beim α-Zerfall von Radiumkernen emittierten α-Teilchen, gemessen an der Krümmung der Flugbahn in einem Magnetfeld, beträgt etwa 1,5 · 10 7 m/s, und die entsprechende kinetische Energie beträgt etwa 7,5 · 10 –13 J ( ca. 4,8 MeV). Dieser Wert lässt sich leicht aus den bekannten Werten der Massen der Mutter- und Tochterkerne sowie des Heliumkerns ermitteln. Obwohl die Geschwindigkeit des austretenden α-Teilchens enorm ist, beträgt sie dennoch nur 5 % der Lichtgeschwindigkeit, sodass Sie bei der Berechnung einen nichtrelativistischen Ausdruck für die kinetische Energie verwenden können. Untersuchungen haben gezeigt, dass eine radioaktive Substanz Alphateilchen mit mehreren diskreten Energien aussenden kann. Dies erklärt sich aus der Tatsache, dass sich Kerne wie Atome in unterschiedlichen angeregten Zuständen befinden können. Der Tochterkern kann während des α-Zerfalls in einen dieser angeregten Zustände gelangen.

Beim anschließenden Übergang dieses Kerns in den Grundzustand wird ein γ-Quantum emittiert. Ein Diagramm des α-Zerfalls von Radium unter Emission von α-Teilchen mit zwei Werten kinetischer Energie ist in Abb. 2 dargestellt. Daher geht der α-Zerfall von Kernen in vielen Fällen mit γ-Strahlung einher.

In der Theorie des α-Zerfalls geht man davon aus, dass sich im Inneren von Kernen Gruppen bestehend aus zwei Protonen und zwei Neutronen bilden können, d. h. α-Teilchen. Der Mutterkern ist ein Potentialtopf für α-Teilchen, der durch eine Potentialbarriere begrenzt ist. Die Energie des α-Teilchens im Kern reicht nicht aus, um diese Barriere zu überwinden (Abb. 3). Das Entweichen eines Alphateilchens aus dem Kern ist nur aufgrund eines quantenmechanischen Phänomens namens Tunneleffekt möglich. Gemäß der Quantenmechanik besteht eine Wahrscheinlichkeit ungleich Null, dass ein Teilchen unter einer Potentialbarriere hindurchgeht. Das Phänomen des Tunnelns ist probabilistischer Natur.

4. Beta-Zerfall

Beim Betazerfall wird ein Elektron aus dem Kern herausgeschleudert. Elektronen können nicht in Kernen existieren; sie entstehen beim Betazerfall durch die Umwandlung eines Neutrons in ein Proton. Dieser Prozess kann nicht nur im Inneren des Kerns, sondern auch mit freien Neutronen ablaufen. Die durchschnittliche Lebensdauer eines freien Neutrons beträgt etwa 15 Minuten. Beim Zerfall wandelt sich ein Neutron in ein Proton und ein Elektron um

Messungen haben gezeigt, dass bei diesem Prozess offenbar eine Verletzung des Energieerhaltungssatzes vorliegt, da die Gesamtenergie von Proton und Elektron, die beim Zerfall eines Neutrons entsteht, geringer ist als die Energie des Neutrons. Im Jahr 1931 schlug W. Pauli vor, dass beim Zerfall eines Neutrons ein weiteres Teilchen ohne Masse und Ladung freigesetzt wird, das einen Teil der Energie entzieht. Das neue Teilchen wird Neutrino (kleines Neutron) genannt. Aufgrund der fehlenden Ladung und Masse eines Neutrinos wechselwirkt dieses Teilchen nur sehr schwach mit den Atomen der Materie und ist daher im Experiment äußerst schwer nachzuweisen. Die Ionisierungsfähigkeit von Neutrinos ist so gering, dass ein Ionisierungsereignis in der Luft etwa 500 km zurückliegt. Dieses Teilchen wurde erst 1953 entdeckt. Mittlerweile ist bekannt, dass es mehrere Arten von Neutrinos gibt. Beim Zerfall eines Neutrons entsteht ein Teilchen, das Elektron-Antineutrino genannt wird. Dies wird durch das Symbol angezeigt. Daher wird die Neutronenzerfallsreaktion in der Form geschrieben

Ein ähnlicher Prozess findet im Inneren von Kernen beim β-Zerfall statt. Ein Elektron, das durch den Zerfall eines der Kernneutronen entsteht, wird sofort mit enormer Geschwindigkeit aus dem „Elternhaus“ (Kern) herausgeschleudert, die nur um Bruchteile eines Prozents von der Lichtgeschwindigkeit abweichen kann. Da die Verteilung der beim β-Zerfall freigesetzten Energie zwischen Elektron, Neutrino und Tochterkern zufällig ist, können β-Elektronen in einem weiten Bereich unterschiedliche Geschwindigkeiten haben.

Beim β-Zerfall erhöht sich die Ladungszahl Z um eins, die Massenzahl A bleibt jedoch unverändert. Es stellt sich heraus, dass der Tochterkern der Kern eines der Isotope des Elements ist, dessen Seriennummer im Periodensystem um eins höher ist als die Seriennummer des ursprünglichen Kerns. Ein typisches Beispiel für den β-Zerfall ist die Umwandlung des Thoriumisotons, das beim α-Zerfall von Uran in Palladium entsteht

5. Gamma-Zerfall

Im Gegensatz zu α- und β-Radioaktivität ist die γ-Radioaktivität von Kernen nicht mit einer Veränderung der inneren Struktur des Kerns verbunden und geht nicht mit einer Änderung der Ladungs- oder Massenzahlen einher. Sowohl beim α- als auch beim β-Zerfall kann sich der Tochterkern in einem angeregten Zustand befinden und einen Energieüberschuss aufweisen. Der Übergang eines Kerns von einem angeregten Zustand in einen Grundzustand geht mit der Emission eines oder mehrerer γ-Quanten einher, deren Energie mehrere MeV erreichen kann.

6. Das Gesetz des radioaktiven Zerfalls

Jede Probe einer radioaktiven Substanz enthält eine große Anzahl radioaktiver Atome. Da der radioaktive Zerfall zufälliger Natur ist und nicht von äußeren Bedingungen abhängt, kann das Gesetz der Abnahme der Anzahl N(t) der Kerne, die zu einem bestimmten Zeitpunkt t nicht zerfallen sind, als wichtiges statistisches Merkmal des radioaktiven Zerfallsprozesses dienen.

Die Anzahl der nicht zerfallenen Kerne N(t) soll sich über einen kurzen Zeitraum Δt um ΔN ändern< 0. Так как вероятность распада каждого ядра неизменна во времени, что число распадов будет пропорционально количеству ядер N(t) и промежутку времени Δt:

Der Proportionalitätskoeffizient λ ist die Wahrscheinlichkeit des Kernzerfalls in der Zeit Δt = 1 s. Diese Formel bedeutet, dass die Änderungsrate der Funktion N(t) direkt proportional zur Funktion selbst ist.

wobei N 0 die anfängliche Anzahl der radioaktiven Kerne zum Zeitpunkt t = 0 ist. Während der Zeit τ = 1 / λ nimmt die Anzahl der nicht zerfallenen Kerne um das e ≈ 2,7-fache ab. Der Wert τ wird als durchschnittliche Lebensdauer eines radioaktiven Kerns bezeichnet.

Für den praktischen Gebrauch ist es zweckmäßig, das Gesetz des radioaktiven Zerfalls in einer anderen Form zu schreiben, wobei die Zahl 2 anstelle von e als Basis verwendet wird:

Der T-Wert wird Halbwertszeit genannt. Während der Zeit T zerfällt die Hälfte der ursprünglichen Anzahl radioaktiver Kerne. Die Größen T und τ hängen durch die Beziehung zusammen

Die Halbwertszeit ist die Hauptgröße, die die Geschwindigkeit des radioaktiven Zerfalls charakterisiert. Je kürzer die Halbwertszeit, desto intensiver ist der Zerfall. Also für Uran T ≈ 4,5 Milliarden Jahre und für Radium T ≈ 1600 Jahre. Daher ist die Aktivität von Radium viel höher als die von Uran. Es gibt radioaktive Elemente mit Halbwertszeiten im Bruchteil einer Sekunde.

Beim α- und β-radioaktiven Zerfall kann es auch zu einer Instabilität des Tochterkerns kommen. Daher ist eine Reihe aufeinanderfolgender radioaktiver Zerfälle möglich, die zur Bildung stabiler Kerne führen. In der Natur gibt es mehrere solcher Serien. Die längste ist eine Serie bestehend aus 14 aufeinanderfolgenden Zerfällen (8 Alpha-Zerfälle und 6 Beta-Zerfälle). Diese Reihe endet mit einem stabilen Bleiisotop (Abb. 5).

In der Natur gibt es mehrere weitere radioaktive Serien, die der Serie ähneln. Es ist auch eine Reihe bekannt, die mit Neptunium beginnt, das in der Natur nicht vorkommt, und mit Wismut endet. Diese Reihe radioaktiver Zerfälle findet in Kernreaktoren statt.

Offset-Regel. Die Verschiebungsregel gibt genau an, welche Umwandlungen ein chemisches Element bei der Emission radioaktiver Strahlung durchläuft.

7. Radioaktive Serie

Die Verdrängungsregel ermöglichte es, die Umwandlungen natürlicher radioaktiver Elemente zu verfolgen und daraus drei Stammbäume aufzubauen, deren Vorfahren Uran-238, Uran-235 und Thorium-232 sind. Jede Familie beginnt mit einem extrem langlebigen radioaktiven Element. An der Spitze der Uranfamilie steht beispielsweise Uran mit der Massenzahl 238 und einer Halbwertszeit von 4,5·10 9 Jahren (in Tabelle 1 entsprechend der ursprünglichen Bezeichnung als Uran I bezeichnet).

Tabelle 1. Radioaktive Familie von Uran
Radioaktives Element	Z	Chemisches Element	A	Strahlungstyp	Halbwertszeit
Uranus I	92	Uranus	238		4,510 9 Jahre
Uran X 1	90	Thorium	234		24,1 Tage
Uran X 2 Uran Z		Protaktinium Protaktinium		 – (99,88%)  (0,12%)
Uranus II	92	Uranus	234		2,510 5 Jahre
Ionium	90	Thorium	230		810 4 Jahre
Radium	88	Radium	226		1620 Jahre
Radon	86	Radon	222		3,8 Tage
Radium A	84	Polonium	218		3,05 Min
Radium B	82	Führen	214		26,8 Min
	83 83	Wismut Wismut	214 214	 (99,96%)  (0,04%)
Radium C	84	Polonium	214		1,610 –4 s
Radium C	81	Thallium	210		1,3 Min
Radium D	82	Führen	210		25 Jahre
Radium E	83	Wismut	210		4,85 Tage
Radium F	84	Polonium	210		138 Tage
Radium G	82	Führen	206	Stabil

Uranfamilie. Die meisten der oben diskutierten Eigenschaften radioaktiver Umwandlungen lassen sich auf die Elemente der Uranfamilie zurückführen. Beispielsweise weist das dritte Familienmitglied eine Kernisomerie auf. Uran X 2, das Betateilchen emittiert, wandelt sich in Uran II um (T = 1,14 min). Dies entspricht dem Beta-Zerfall des angeregten Zustands von Protactinium-234. Allerdings emittiert angeregtes Protactinium-234 (Uran X 2) in 0,12 % der Fälle ein Gammaquant und geht in den Grundzustand (Uran Z) über. Der Betazerfall von Uran Z, der auch zur Bildung von Uran II führt, erfolgt in 6,7 Stunden.

Radium C ist interessant, weil es auf zwei Arten zerfallen kann: indem es entweder ein Alpha- oder ein Betateilchen aussendet. Diese Prozesse konkurrieren miteinander, aber in 99,96 % der Fälle kommt es zum Betazerfall unter Bildung von Radium C. In 0,04 % der Fälle emittiert Radium C ein Alphateilchen und verwandelt sich in Radium C (RaC). RaC und RaC wiederum werden durch die Emission von Alpha- bzw. Betateilchen in Radium D umgewandelt.

Isotope. Unter den Mitgliedern der Uranfamilie gibt es solche, deren Atome die gleiche Ordnungszahl (gleiche Kernladung) und unterschiedliche Massenzahlen haben. Ihre chemischen Eigenschaften sind identisch, sie unterscheiden sich jedoch in der Art der Radioaktivität. Beispielsweise ähneln Radium B, Radium D und Radium G, die die gleiche Ordnungszahl 82 wie Blei haben, im chemischen Verhalten dem Blei. Es ist offensichtlich, dass chemische Eigenschaften nicht von der Massenzahl abhängen; sie werden durch die Struktur der Elektronenhüllen des Atoms bestimmt (daher Z). Andererseits ist die Massenzahl entscheidend für die nukleare Stabilität der radioaktiven Eigenschaften eines Atoms. Atome mit gleicher Ordnungszahl und unterschiedlicher Massenzahl werden Isotope genannt. Isotope radioaktiver Elemente wurden 1913 von F. Soddy entdeckt, doch bald bewies F. Aston mithilfe der Massenspektroskopie, dass viele stabile Elemente auch Isotope haben.

8. Wirkung radioaktiver Strahlung auf den Menschen

Radioaktive Strahlung aller Art (Alpha, Beta, Gamma, Neutronen) sowie elektromagnetische Strahlung (Röntgenstrahlung) haben eine sehr starke biologische Wirkung auf lebende Organismen, die in den Prozessen der Anregung und Ionisierung von Atomen und Molekülen besteht, die sie bilden lebende Zellen aufbauen. Unter dem Einfluss ionisierender Strahlung werden komplexe Moleküle und Zellstrukturen zerstört, was zu Strahlenschäden im Körper führt. Daher ist es bei der Arbeit mit Strahlungsquellen aller Art erforderlich, alle Maßnahmen zum Schutz der Personen zu ergreifen, die möglicherweise Strahlung ausgesetzt sind.

Allerdings kann eine Person zu Hause ionisierender Strahlung ausgesetzt sein. Das inerte, farblose, radioaktive Gas Radon kann eine ernsthafte Gefahr für die menschliche Gesundheit darstellen. Wie aus dem Diagramm in Abb. 5 ersichtlich ist, ist Radon ein Produkt des α-Zerfalls von Radium und hat eine Halbwertszeit T = 3,82 Tage. Radium kommt in geringen Mengen in Erde, Steinen und verschiedenen Gebäudestrukturen vor. Trotz der relativ kurzen Lebensdauer wird die Radonkonzentration durch neue Zerfälle von Radiumkernen kontinuierlich wieder aufgefüllt, so dass sich Radon in geschlossenen Räumen ansammeln kann. In der Lunge gibt Radon α-Partikel ab und wandelt sich in Polonium um, das keine chemisch inerte Substanz ist. Was folgt, ist eine Kette radioaktiver Umwandlungen der Uranreihe (Abb. 5). Nach Angaben der American Commission on Radiation Safety and Control erhält der durchschnittliche Mensch 55 % der ionisierenden Strahlung durch Radon und nur 11 % durch medizinische Versorgung. Der Anteil der kosmischen Strahlung beträgt etwa 8 %. Die gesamte Strahlendosis, die ein Mensch im Laufe seines Lebens erhält, ist um ein Vielfaches geringer als die maximal zulässige Dosis (MAD), die für Personen in bestimmten Berufen festgelegt ist, die einer zusätzlichen Belastung durch ionisierende Strahlung ausgesetzt sind.

9. Anwendung radioaktiver Isotope

Eine der herausragendsten Studien, die mit „markierten Atomen“ durchgeführt wurden, war die Untersuchung des Stoffwechsels in Organismen. Es ist erwiesen, dass der Körper in relativ kurzer Zeit eine nahezu vollständige Erneuerung erfährt. Die Atome, aus denen es besteht, werden durch neue ersetzt. Eine Ausnahme von dieser Regel bildet nur Eisen, wie Experimente zu Isotopenuntersuchungen im Blut gezeigt haben. Eisen ist Teil des Hämoglobins der roten Blutkörperchen. Als radioaktive Eisenatome in Lebensmittel eingebracht wurden, stellte man fest, dass der bei der Photosynthese freigesetzte freie Sauerstoff ursprünglich Teil von Wasser und nicht von Kohlendioxid war. Radioaktive Isotope werden in der Medizin sowohl zur Diagnose als auch zu therapeutischen Zwecken eingesetzt. Zur Untersuchung der Durchblutung wird radioaktives Natrium verwendet, das in geringen Mengen ins Blut injiziert wird; Jod lagert sich vor allem bei Morbus Basedow intensiv in der Schilddrüse ab. Durch die Beobachtung der radioaktiven Jodablagerung mit einem Messgerät kann schnell eine Diagnose gestellt werden. Große Dosen radioaktiven Jods verursachen eine teilweise Zerstörung von sich abnormal entwickelndem Gewebe, weshalb radioaktives Jod zur Behandlung der Basedow-Krankheit eingesetzt wird. Intensive Kobalt-Gammastrahlung wird bei der Behandlung von Krebs eingesetzt (Kobaltkanone).

Nicht weniger umfangreich sind die Anwendungen radioaktiver Isotope in der Industrie. Ein Beispiel hierfür ist das folgende Verfahren zur Überwachung des Kolbenringverschleißes in Verbrennungsmotoren. Indem sie den Kolbenring mit Neutronen bestrahlen, lösen sie darin Kernreaktionen aus und machen ihn radioaktiv. Beim Betrieb des Motors gelangen Partikel des Ringmaterials in das Schmieröl. Durch die Untersuchung des Radioaktivitätsniveaus im Öl nach einer bestimmten Zeit des Motorbetriebs wird der Ringverschleiß bestimmt. Radioaktive Isotope ermöglichen eine Beurteilung der Diffusion von Metallen, Prozessen in Hochöfen usw.

Mit der leistungsstarken Gammastrahlung radioaktiver Medikamente wird die innere Struktur von Metallgussteilen untersucht, um Fehler darin zu erkennen.

In der Landwirtschaft werden zunehmend radioaktive Isotope eingesetzt. Die Bestrahlung von Pflanzensamen (Baumwolle, Kohl, Radieschen etc.) mit geringen Dosen Gammastrahlen radioaktiver Medikamente führt zu einer spürbaren Ertragssteigerung. Große Strahlungsdosen verursachen Mutationen in Pflanzen und Mikroorganismen, die in einigen Fällen zum Auftreten von Mutanten mit neuen wertvollen Eigenschaften führen (Radioselektion). So wurden wertvolle Sorten von Weizen, Bohnen und anderen Nutzpflanzen entwickelt und hochproduktive Mikroorganismen eingesetzt B. bei der Herstellung von Antibiotika gewonnen werden. Gammastrahlung aus radioaktiven Isotopen wird auch zur Bekämpfung schädlicher Insekten und zur Lebensmittelkonservierung eingesetzt. „Tagged Atoms“ werden häufig in der Agrartechnik eingesetzt. Beispielsweise um herauszufinden, welcher Phosphordünger von der Pflanze besser aufgenommen wird Pflanze, verschiedene Düngemittel werden mit radioaktivem Phosphor 15 32P gekennzeichnet. Forschung Anschließend werden die Pflanzen auf Radioaktivität getestet und es kann ermittelt werden, wie viel Phosphor sie aus verschiedenen Düngemittelarten aufgenommen haben.

Eine interessante Anwendung der Radioaktivität ist die Methode zur Datierung archäologischer und geologischer Funde anhand der Konzentration radioaktiver Isotope. Die am häufigsten verwendete Datierungsmethode ist die Radiokarbondatierung. Aufgrund von Kernreaktionen, die durch kosmische Strahlung verursacht werden, entsteht in der Atmosphäre ein instabiles Kohlenstoffisotop. Ein kleiner Prozentsatz dieses Isotops kommt zusammen mit dem üblichen stabilen Isotop in der Luft vor. Pflanzen und andere Organismen nehmen Kohlenstoff aus der Luft auf und beide Isotope reichern sich in ihnen im gleichen Verhältnis wie in der Luft an. Nach dem Absterben der Pflanzen hören sie auf, Kohlenstoff zu verbrauchen, und das instabile Isotop wandelt sich durch den β-Zerfall mit einer Halbwertszeit von 5730 Jahren allmählich in Stickstoff um. Durch genaue Messung der relativen Konzentration von radioaktivem Kohlenstoff in den Überresten antiker Organismen kann der Zeitpunkt ihres Todes bestimmt werden.

Liste der verwendeten Literatur

1. Die Lehre von der Radioaktivität. Geschichte und Moderne. M. Nauka, 1973 2. Nukleare Strahlung in Wissenschaft und Technologie. M. Nauka, 1984 Furman V.I. 3. Alpha-Zerfall und verwandte Kernreaktionen. M. Nauka, 1985

4. Landsberg G.S. Grundlehrbuch der Physik. Band III. – M.: Nauka, 19865. Seleznev Yu. A. Grundlagen der Elementarphysik. –M.: Nauka, 1964.6. CD-ROM „Große Enzyklopädie von Cyril und Methodius“, 1997.

7. Curie M., Radioaktivität, trans. aus dem Französischen, 2. Aufl., M. - L., 1960

8. Murin A.N., Einführung in die Radioaktivität, Leningrad, 1955

9. Davydov A.S., Theorie des Atomkerns, M., 1958

10. Gaisinsky M.N., Kernchemie und ihre Anwendungen, trans. aus Französisch, M., 1961

11. Experimentelle Kernphysik, hrsg. E. Segre, trans. aus dem Englischen, Bd. 3, M., 1961; INTERNET-Tools