Время чего указывается для изотопов радиоактивных элементов 10 букв
Наверное, нет на земле такого человека, который не слышал бы об изотопах. Но далеко не все знают, что это такое. Особенно пугающе звучит словосочетание «радиоактивные изотопы». Эти непонятные химические элементы нагоняют ужас на человечество, но на самом деле они не так страшны, как это может показаться на первый взгляд.
Определение
Чтобы разобраться с понятием радиоактивных элементов, необходимо для начала сказать, что изотопы – это образцы одного и тот же химического элемента, но с разной массой. Что это значит? Вопросы исчезнут, если для начала мы вспомним строение атома. Состоит он из электронов, протонов и нейтронов. Число первых двух элементарных частиц в ядре атома всегда постоянно, тогда как нейтроны, имеющие собственную массу, могут встречаться в одном и том же веществе в разных количествах. Это обстоятельство и порождает разнообразие химических элементов с разными физическими свойствами.
Теперь мы можем дать научное определение исследуемому понятию. Итак, изотопы – это совокупный набор похожих по свойствам химических элементов, но имеющих разную массу и физические свойства. Согласно более современной терминологии, они носят название плеяды нуклеотидов химического элемента.
Немного истории
В начале прошлого века ученые обнаружили, что у одного и того же химического соединения в разных условиях могут наблюдаться разные массы ядер электронов. С чисто теоретической точки зрения, такие элементы можно было посчитать новыми и начать заполнять ими пустые клеточки в периодической таблице Д. Менделеева. Но свободных ячеек в ней всего девять, а новые элементы ученые открывали десятками. К тому же и математические подсчеты показали, что обнаруженные соединения не могут считаться ранее не известными, ведь их химические свойства полностью соответствовали характеристикам уже существующих.
После длительных обсуждений было решено назвать эти элементы изотопами и помещать их в одну клеточку с теми, ядра которых содержат с ними одинаковое количество электронов. Ученым удалось определить, что изотопы – это всего лишь некоторые вариации химических элементов. Однако причины их возникновения и длительность жизни изучались еще почти целое столетие. Даже в начале XXI века утверждать, что человечество знает абсолютно все об изотопах, нельзя.
Стойкие и нестойкие вариации
Каждый химический элемент имеет несколько изотопов. Из-за того, что в их ядрах есть свободные нейтроны, они не всегда вступают в стабильные связи с остальными составляющими атома. Через некоторое время свободные частицы покидают ядро, из-за чего меняется его масса и физические свойства. Так образуются другие изотопы, что ведет в конце концов к образованию вещества с равным количеством протонов, нейтронов и электронов.
Те вещества, которые распадаются очень быстро, называются радиоактивными изотопами. Они выпускают в пространство большое количество нейтронов, образующих мощное ионизирующее гамма-излучение, известное своей сильной проникающей способностью, которая негативно влияет на живые организмы.
Более стойкие изотопы не являются радиоактивными, поскольку количество выделяемых ими свободных нейтронов не способно образовывать излучения и существенно влиять на другие атомы.
Достаточно давно учеными была установлена одна важная закономерность: у каждого химического элемента есть свои изотопы, стойкие или радиоактивные. Интересно, что многие из них были получены в лабораторных условиях, а их присутствие в естественном виде невелико и не всегда фиксируется приборами.
Распространение в природе
В естественных условиях чаще всего встречаются вещества, масса изотопа которых напрямую определяется его порядковым числом в таблице Д. Менделеева. К примеру, водород, обозначаемый символом Н, имеет порядковый номер 1, а его масса равна единице. Изотопы его, 2Н и 3Н, в природе встречаются крайне редко.
Даже человеческий организм имеет некоторое количество радиоактивных изотопов. Попадают они внутрь через пищу в виде изотопов углерода, который, в свою очередь, впитывается растениями из почвы или воздуха и переходит в состав органических веществ в процессе фотосинтеза. Поэтому и человек, и животные, и растения излучают определенный радиационный фон. Только он настолько низкий, что не мешает нормальному функционированию и росту.
Источниками, которые способствуют образованию изотопов, выступают внутренние слои земного ядра и излучения из космоса.
Как известно, температура на планете во многом зависит от ее горячего ядра. Но только совсем недавно стало понятно, что источником этого тепла выступает сложная термоядерная реакция, в которой участвуют радиоактивные изотопы.
Распад изотопов
Поскольку изотопы – это нестойкие образования, можно предположить, что они по прошествии времени всегда распадаются на более постоянные ядра химических элементов. Это утверждение верно, поскольку ученым не удалось обнаружить в природе огромного количества радиоактивных изотопов. Да и большинство из тех, которые были добыты в лабораториях, просуществовали от пары минут до нескольких дней, а потом снова превратились в обычные химические элементы.
Но есть в природе и такие изотопы, которые оказываются очень устойчивыми к распаду. Они могут существовать миллиарды лет. Образовались такие элементы в те далекие времена, когда земля еще формировалась, а на ее поверхности не было даже твердой коры.
Радиоактивные изотопы распадаются и вновь образуются очень быстро. Поэтому с той целью, чтобы облегчить оценку стойкости изотопа, учеными было принято решение рассматривать категорию периода его полураспада.
Период полураспада
Не всем читателям может быть сразу понятно, что имеется в виду под этим понятием. Определим же его. Период полураспада изотопа – это время, за которое перестанет существовать условная половина взятого вещества.
Это не означает, что оставшаяся часть соединения будет уничтожена за такое же количество времени. Применительно к этой половине необходимо рассматривать иную категорию – период времени, за который исчезнет ее вторая часть, то есть четверть изначального количества вещества. И такое рассмотрение продолжается до бесконечности. Можно предположить, что время полного распада изначального количества вещества посчитать просто невозможно, поскольку этот процесс практически бесконечен.
Однако ученые, зная период полураспада, могут определить, какое количество вещества существовало вначале. Эти данные успешно используются в смежных науках.
В современном научном мире понятие полного распада практически не используется. Относительно каждого изотопа принято указывать время его полураспада, которое варьирует от нескольких секунд до многих миллиардов лет. Чем меньше показатель полураспада, там большее излучение исходит от вещества и тем выше его радиоактивность.
Обогащение ископаемых
В некоторых отраслях науки и техники использование относительно большого количества радиоактивных веществ считается обязательным. Но при этом в естественных условиях таких соединений совсем немного.
Известно, что изотопы – это нераспространенные варианты химических элементов. Количество их измеряется несколькими процентами от самой стойкой разновидности. Именно поэтому ученым необходимо проводить искусственное обогащение ископаемых материалов.
За годы исследований удалось узнать, что распад изотопа сопровождается цепной реакцией. Освобожденные нейтроны одного вещества начинают влиять на другое. В результате этого тяжелые ядра распадаются на более легкие и получаются новые химические элементы.
Это явление получило название цепной реакции, в результате которой можно получить более стойкие, но менее распространенные изотопы, которые в дальнейшем используются в народном хозяйстве.
Применение энергии распада
Также учеными было выяснено, что в ходе распада радиоактивного изотопа выделяется огромное количество свободной энергии. Ее количество принято измерять единицей Кюри, равной времени деления 1 г радона-222 за 1 секунду. Чем выше этот показатель, тем больше энергии выделяется.
Это стало поводом для разработки способов использования свободной энергии. Так появились атомные реакторы, в которые помещается радиоактивный изотоп. Большая часть энергии, выделяемой им, собирается и превращается в электричество. На основании этих реакторов создаются атомные станции, которые дают самое дешевое электричество. Уменьшенные варианты таких реакторов ставят на самоходные механизмы. Учитывая опасность аварий, чаще всего такими машинами выступают подводные лодки. В случае отказа реактора количество жертв на подлодке будет легче свести к минимуму.
Изотопы в медицине
В мирных целях распад радиоактивных изотопов научились использовать в медицине. Направив излучение на пораженный участок организма, можно приостановить течение болезни или помочь пациенту полностью излечиться.
Но чаще радиоактивные изотопы используют для диагностики. Все дело в том, что их движение и характер скопления проще всего зафиксировать по излучению, которое они производят. Так, в организм человека вводится определенное неопасное количество радиоактивного вещества, а по приборам медики наблюдают, как и куда оно попадет.
Таким образом проводят диагностику работы головного мозга, характера раковых опухолей, особенности работы желез внутренней и внешней секреции.
Применение в археологии
Известно, что в живых организмах всегда есть радиоактивный углерод-14, полураспад изотопа которого равен 5570 лет. Кроме того, ученные знают, какое количество этого элемента содержится в организме до момента его смерти. Это значит, что все спиленные деревья излучают одинаковое количество радиации. Со временем интенсивность излучения падает.
Это помогает археологам определить, как давно умерло дерево, из которого построили галеру или любой другой корабль, а значит, и само время строительства. Этот метод исследования получил название радиоактивного углеродного анализа. Благодаря ему ученым легче установить хронологию исторических событий.
Время чего указывается для изотопов радиоактивных элементов 10 букв
При изучении процесса радиоактивного распада было установлено, что не все ядра радиоактивного изотопа распадаются одновременно, в каждую единицу времени распадается лишь некоторая доля общего числа радиоактивного элемента. Каждое радиоактивное ядро может распасться в любой момент и закономерность наблюдается только в среднем, в случае распада достаточно большого количества ядер.
N – число ядер, не распавшихся за время t,
λ – постоянная распада, различна для разных радиоактивных веществ.
Cреднее время жизни τ – промежуток времени τ, в течение которого система распадается с вероятностью 1 – 1/e:
Период полураспада – это время, в течение которого распадается половина радиоактивных ядер:
Активность радиоактивного препарата – число ядер этого препарата, распадающихся за секунду.
Активность измеряется в кюри (Ки) и беккерелях (Бк)
1 Ки = 3,7·10 10 распадов/c, 1 Бк = 1 распад/c, внесистемная единица активности – резерфорд (Рд). 1 Рд =10 6 Бк.
Распад исходного ядра 1 в ядро 2, с последующим его распадом в ядро 3, описывается системой дифференциальных уравнений:
Решением системы с начальными условиями N1(0) = N10; N2(0) = 0 будет
Для практического использования закон радиоактивного распада можно записать так :
Изотопы – разновидности одного и того же химического элемента, близкие по своим физико-химическим свойствам, но имеющие разную атомную массу. Название «изотопы» было предложено в 1912 английским радиохимиком Фредериком Содди, который образовал его из двух греческих слов: isos – одинаковый и topos – место. Изотопы занимают одно и то же место в клетке периодической системы элементов Менделеева.
Изотопами называются разновидности одного и того же химического элемента, атомы которых имеют одинаковый заряд ядра (и, следовательно, практически одинаковые электронные оболочки), но отличаются значениями массы ядра. По образному выражению Ф.Содди, атомы изотопов одинаковы «снаружи», но различны «внутри».
Из всех известных нам изотопов только изотопы водорода имеют собственные названия. Так, изотопы 2 H и 3 H носят названия дейтерия и трития и получили обозначения соответственно D и T (изотоп 1 H называют иногда протием).
В природе встречаются как стабильные изотопы, так и нестабильные – радиоактивные, ядра атомов которых подвержены самопроизвольному превращению в другие ядра с испусканием различных частиц (или процессам так называемого радиоактивного распада). Сейчас известно около 270 стабильных изотопов, причем стабильные изотопы встречаются только у элементов с атомным номером Z 83. Число нестабильных изотопов превышает 2000, подавляющее большинство их получено искусственным путем в результате осуществления различных ядерных реакций. Число радиоактивных изотопов у многих элементов очень велико и может превышать два десятка. Число стабильных изотопов существенно меньше, Некоторые химические элементы состоят лишь из одного стабильного изотопа (бериллий, фтор, натрий, алюминий, фосфор, марганец, золото и ряд других элементов). Наибольшее число стабильных изотопов – 10 обнаружено у олова, у железа, например, их – 4, у ртути – 7.
Для изучения свойств изотопов и особенно для их применения в научных и прикладных целях требуется их получение в более или менее заметных количествах. В первую очередь были освоены физико-химические методы разделения, основанные на различиях в таких свойствах изотопов одного итого же элемента, как скорости испарения, константы равновесия, скорости химических реакций и т.п. Наиболее эффективными среди них оказались методы ректификации и изотопного обмена, которые нашли широкое применение в промышленном производстве изотопов легких элементов: водорода, лития, бора, углерода, кислорода и азота.
Радиоактивные изотопы
Описание презентации по отдельным слайдам:
Описание слайда:
РАДИОАКТИВНЫЕ ИЗОТОПЫ
получение и применение
Описание слайда:
Определение
Изото́пы (от др.-греч. ισος — «равный», «одинаковый», и τόπος — «место») — разновидности атомов (и ядер) какого-либо химического элемента, которые имеют одинаковый атомный номер, но при этом разные массовые числа. Название связано с тем, что все изотопы одного атома помещаются в одно и то же место (в одну клетку) таблицы Менделеева. Химические свойства атома зависят от строения электронной оболочки, которая, в свою очередь, определяется в основном зарядом ядра Z (то есть количеством протонов в нём), и почти не зависят от его массового числа A (то есть суммарного числа протонов Z и нейтронов N).
Описание слайда:
Открытие изотопов
Первое доказательство того, что вещества, имеющие одинаковое химическое поведение, могут иметь различные физические свойства, было получено при исследовании радиоактивных превращений атомов тяжёлых элементов. В 1906—1907 годах выяснилось, что продукт радиоактивного распада урана — ионий и продукт радиоактивного распада тория — радиоторий имеют те же химические свойства, что и торий, но отличаются от него атомной массой и характеристиками радиоактивного распада. Было обнаружено позднее, что у всех трёх продуктов одинаковы оптические и рентгеновские спектры. Такие вещества, идентичные по химическим свойствам, но различные по массе атомов и некоторым физическим свойствам, по предложению английского учёного Содди с 1910 г. стали называть изотопами.
Описание слайда:
Изотопы в природе
Считается, что изотопный состав большинства элементов на Земле одинаков во всех материалах. Некоторые физические процессы в природе приводят к нарушению изотопного состава элементов (природное фракционирование изотопов, характерное для лёгких элементов, а также изотопные сдвиги при распаде природных долгоживущих изотопов). Постепенное накопление в минералах ядер — продуктов распада некоторых долгоживущих нуклидов используется в ядерной геохронологии. Особое значение имеют процессы образования изотопов углерода в верхних слоях атмосферы под воздействием космического излучения. Эти изотопы распределяются в атмосфере и гидросфере планеты, вовлекаются в оборот углерода живыми существами (животными и растениями). Изучение распределения изотопов углерода лежит в основе радиоуглеродного анализа.
Описание слайда:
Получение радиоактивных изотопов.
Получают радиоактивные изотопы в атомных реакторах и на ускорителях элементарных частиц. В настоящее время производством изотопов занята большая отрасль промышленности.
Описание слайда:
Применение в биологии и медицине
Одним из наиболее выдающихся исследований, проведенных с помощью меченых атомов, явилось исследование обмена веществ в организмах. Было доказано, что за сравнительно небольшое время организм подвергается почти полному обновлению. Слагающие его атомы заменяются новыми.
Лишь железо, как показали опыты по изотопному исследованию крови, является исключением из этого правила. Железо входит в состав гемоглобина красных кровяных шариков. При введении в пищу радиоактивных атомов железа было обнаружено, что они почти не поступают в кровь. Только в том случае, когда запасы железа в организме иссякают, железо начинает усваиваться организмом.
Если не существует достаточно долго живущих радиоактивных изотопов, как, например, у кислорода и азота, меняют изотопный состав стабильных элементов. Так, добавлением к кислороду избытка изотопа было установлено, что свободный кислород, выделяюнщйся при фотосинтезе, первоначально входил в состав воды, а не углекислого газа.
Описание слайда:
Описание слайда:
Описание слайда:
Описание слайда:
Описание слайда:
Прибор для обнаружения ядра искусственно полученного трансуранового элемента – менделевия 101 Md
Описание слайда:
Исследование сварных швов с помощью γ-излучения.
Облучение продуктов сельского хозяйства для увеличения их урожайности
Описание слайда:
Распределение в листьях помидора радиоактивного фосфора, внесенного в удобрения
Перчаточный бокс для работы с радиоактивными веществами
Описание слайда:
Гамма-терапевтический аппарат.
Исследование щитовидной железы с помощью радиоактивного йода
Если Вы считаете, что материал нарушает авторские права либо по каким-то другим причинам должен быть удален с сайта, Вы можете оставить жалобу на материал.
Время чего указывается для изотопов радиоактивных элементов 10 букв
Радиоактивность является естественным свойством многих веществ, атомы которых находятся в нестабильном состоянии. Хотя атом каждого химического элемента характеризуется строго определенным количеством входящих в него протонов и электронов, количество нейтронов в атомном ядре может варьировать, так что атомный вес (определяемый как сумма входящих в ядро протонов и нейтронов) может быть различным у атомов одного и того же элемента.
Смесь таких атомов, получившие название изотопов, в определенной пропорции присутствует в любом чистом веществе (особенно в металлах типа железа, марганца или кобальта). Радиоактивное излучение является результатом распада нестабильных атомных ядер на более стабильные элементы. Каждый химический элемент характеризуется вполне определенным уровнем естественной радиоактивности.
Существует множество естественных радиоактивных материалов, которые излучают в диапазоне, способном вызывать ионизацию в живых тканях. Исторически принято подразделять все радиоактивные излучения на а-, b- и у-излучения, в зависимости от их характеристик. Альфа-частицы по сути являются ядрами атомов гелия, испускаемыми при распаде нестабильных радионуклидов.
Следует помнить, что, хотя многие характеристики радиоактивных излучений описываются исходя из волновой концепции излучения, каждое излучение одновременно является также потоком частиц. С этой точки зрения легче понять природу а- и b-излучений. Так, а-излучение представляет собой поток тяжелых положительно заряженных атомов гелия, а b-излучение является потоком отрицательно заряженных электронов с исчезающе малой массой. Гамма-лучи в отличие от предыдущих типов излучения не несут никакого заряда.
Хотя все эти три типа излучения способны вызывать ионизацию в живых тканях, наибольшее распространение в радиационной терапии получило именно у-излучение. В медицине очень широко используется нестабильный изотоп кобальта с атомным весом 60, который теряет один из нейтронов с испусканием у-излучения и превращается в стабильный изотоп с атомным весом 59.
Характеристики излучения при этой реакции очень стабильны, а количество распадов остается неизменным, так что за 5,33 года половина массы этого радиоактивного элемента переходит в стабильную форму, что определяет период полураспада для 60 Со. Знание времени полураспада того или иного элемента очень важно для планирования теоретических и клинических задач.
Для различных элементов этот период колеблется от нескольких секунд до сотен и тысяч лет. Радий, который интенсивно использовался в медицинской практике до нахождения более подходящих элементов, имеет период полураспада в 1620 лет, т. е. такой источник излучения практически не требует замены при его использовании. Тем не менее в настоящее время в медицине все более широко применяются бета-частицы или электроны, так как характеристики этого излучения более подходят для медицинских целей.
В настоящее время происходит изучение и других атомных частиц, так как теоретически они могут оказывать интересные биологические эффекты. Речь идет о нейтронах, протонах и пи-мезонах.
Хотя с момента открытия радия супругами Кюри медики пользовались в основном радиоактивными источниками естественного происхождения, современная физика высоких энергий позволяет производить целый ряд искусственных источников и изотопов. Эти радионуклиды обычно получают путем бомбардировки в атомных реакторах природных материалов тяжелыми частицами.
Преимущество искусственных источников излучения состоит в том, что так можно получать материалы с наиболее приемлемыми для поставленных задач характеристиками у-излучения и периода полураспада.
Разработка новых диагностических методов, например радиоизотопного сканирования, и внедрение новых подходов в терапии требуют создания искусственных источников излучения с заданными свойствами. Применительно к терапии требуется создание новых типов закрытых и открытых источников. Использование закрытых источников состоит в том, что радиоактивный материал помещается в изолирующий контейнер (например, платиновые иглы с радиоактивным цезием или радием).
В этом случае возможно введение радиоактивного материала именно в те ткани, которые требуется облучить, а по прошествии заданного времени удалить его из организма.
Открытые радиоактивные источники, такие как I, вводятся в организм перорально или в виде инъекции. Они проникают в кровяное русло и аккумулируются в органе-мишени (в случае с йодом — в щитовидной железе, где радиоактивное излучение действует как на опухолевую ткань, так и на нормальные ткани железы). Понятно, что в последнем случае изотопы невозможно использовать повторно.
Открытые источники широко используются в диагностике (радиоактивный технеций — в диагностическом сканировании костей и мозга). В терапии наиболее известно применение радиоактивных изотопов йода (обычно 131 I) для лечения рака щитовидной железы. Изотоп принимается перорально, избирательно накапливается в щитовидной железе и обеспечивает «внутреннее» облучение высокой интенсивности, практически не затрагивая близлежащие органы и ткани. Менее известным примером является использование радиоактивного фосфора ( 32 Р) для облучения костного мозга при стойкой красной полицитемии или истинной полицитемии.
Терапия с использованием радионуклидов характеризуется избирательностью, эффективностью и относительно малой токсичностью, что допускает многократное использование, в том числе в качестве паллиативного лечения. Ограничения, накладываемые на эти виды терапии, связаны с необходимостью содержать пациентов в изолированных помещениях, и трудностями с хранением радиоактивных отходов. Кроме того, многие современные методы радиотерапии довольно дорогостоящи. Тем не менее в последнее время в клинической практике год от года растет количество показаний к применению открытых радиоактивных источников в лечении онкологических заболеваний.
В клинической практике выбор естественных или искусственных радиоактивных изотопов зависит от поставленной задачи. Например, при интерстициальной имплантации, когда содержащие радиоактивный материал иглы помещаются в непосредственной близости или вообще внутри опухолевой ткани, все более широко используется радиоактивный цезий вместо ранее применяемого радия.
Дело в том, что радий характеризуется очень высокой радиационной активностью (количество радиоактивных распадов в секунду), и при работе с ним требуется уделять большое внимание защите медицинского персонала, проводящего данное лечение. Радиационная активность цезия значительно ниже, поэтому затраты времени и средств на защиту от излучения при работе с ним будут также значительно ниже.
Радиоактивные изотопы также используются в источниках внешнего облучения (дистанционная лучевая терапия). Почти все крупные онкологические центры укомплектованы установками для дистанционной гамматерапии, так как множество опухолей залегает достаточно глубоко и не может быть подвергнуто облучению с использованием прямой имплантации (брахитерапии). В настоящее время в качестве внешнего источника излучения наиболее широко применяется 60Со, радиоактивный изотоп, который излучает высокоэнергетические у-лучи (с энергией порядка 1,2 МэВ), обладающие достаточной проникающей способностью, чтобы достигать глубоко залегающие опухоли.
Период полураспада кобальта-60 составляет 5,3 года, поэтому источник на его основе может работать без замены изотопа в течение 3-4 лет.
Традиционная кобальтовая пушка представляет собой цилиндрический источник 60 Со, получаемый в атомных реакторах, помещенный в защитную оболочку. С помощью простого механизма источник выдвигается в рабочее положение на требуемое для проведения лечения время, а затем вновь убирается внутрь защитного кожуха.
В настоящее время такое оборудование все чаще признается устаревшим и по возможности заменяется линейными ускорителями, которые более надежны, долговечны, относительно недороги и более просты в эксплуатации. К недостаткам кобальтового излучателя следует также отнести рассеивание радиации на границах пучка и старение изотопного источника, так как по мере снижения его радиоактивности в результате атомного распада со временем требуется увеличивать время экспозиции.
Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021