Ядерная физика сравнительно молодая наука, но темпы ее развития столь высоки, что уже сегодня достижения физиков-ядерщиков поражают своей масштабностью.
Благодаря ядерной физике промышленность вооружилась атомными электростанциями и реакторами для опреснения воды и получения трансурановых элементов. Кроме того, были изобретены источники В-излучения для дефектоскопии, активационный анализ для экспресс-определения примесей в сплавах, угле и тому подобное. Огромное значение имеют изотопные источники тока и тепла. их применяют для энергоснабжения труднодоступных районов и автоматических станций (например, метеорологических или спутников Земли). Источники В-излучения применяются для автоматизации различных операций (например, измерение плотности среды, толщины угольного пласта и т. Д.).
В сельском хозяйстве нашли применение установки для облучения овощей и фруктов с целью уберечь их от гниения и плесени. Кроме того, разработаны способы выведения новых сортов растений путем генетических трансмутаций. Неоценима помощь ядерной физики в геологии, медицине, биологии и многих других областях знаний благодаря тому, что с ее помощью можно получать невероятно точные и быстрые результаты.
Однако чернобыльская катастрофа поставила под сомнение идею использования ядерной энергии в качестве оптимальной альтернативы природным источникам энергии Кроме того, с каждым годом все более острой становится проблема захоронения ядерных отходов, а ядерное оружие до сих пор остается одним из самых опасных видов вооружения. Техногенные катастрофы, которые в последнее время участились, выдвинули перед учеными новую задачу научиться использовать ядерную физику, максимально обезопасив окружающую средуи человека от возможных негативных последствий.
Основное применение радионуклидов и радиоактивного излучения в химии область анализа качественного и количественного состава вещества. Эта отрасль химического знания получила название радиоаналитической химии. К открытию искусственной радиоактивности количество радионуклидов, которые были бы пригодны для применения в анализе, была очень ограниченной. Однако впоследствии были разработаны радиоаналитични методы, основанные на измерении радиоактивности, причем естественные радиоактивные элементы использовались в качестве реагентов, взаимодействующих с другими, веществами. Гораздо шире радионуклиды стали применяться в анализе только после налаживания производства необходимых искусственных радионуклидов в ядерных реакциях. Это и дало толчок к развитию радио-аналитической химии.
Радиоаналитической химия, возникшая на стыке аналитической химии и прикладной радиохимии, использует при качественном и количественном анализе веществ ядерные характеристики соответствующих нуклидов.
Методы радиоаналитической химии позволяют определить вещества, обнаруживая и измеряя ядерное или характеристическое рентгеновское излучение. Причем это излучение может выпускать как сама исследуемое вещество, так и ее радиоактивный изотоп. Изотопы могут присутствовать в веществе, добавляться к ней или возникать в результате активации. Кроме того, возможна ситуация, когда излучение возникает в результате различных процессов, происходящих с веществом (отражения, поглощения, рассеяния и т. Д.).
Доказано, что интенсивность излучения прямо пропорциональна концентрации исследуемого вещества. Поэтому наибольшее применение радиоаналитични методы имеют прежде всего в количественном анализе. Гораздо реже используются методы радиохимического анализа, позволяющие определить неизвестный источник излучения с периодом полураспада, типом и энергией излучения.
Все методы радиоаналитической химии можно разделить на две группы:
- радиохимический анализ;
- радиоаналитической методы.
радиохимического анализа используется для изучения систем естественных и искусственных радионуклидов.
В группу радиоаналитической методам относятся главным образом индикаторные методы. Они основываются на том, что в рассматриваемый материал вводится радиоактивный изотоп определяемого элемента (или его соединение) в известном количестве и с известной активностью. К индикаторных методов относятся:
- метод изотопного разбавления;
- радиоиммунологический анализ;
- методы радиоактивных реагентов.
В радиоаналитической методам относится также активационный анализ. Он базируется на изучении радионуклида, возникший в анализируемом образце непосредственно в результате ядерной реакции. С точки зрения практического проведения эксперимента этот метод значительно сложнее, чем индикаторный.
Существуют также неактивацийни методы анализа. В их основе лежат явления поглощения и рассеяния различных видов излучения (б-, в-, г-, нейтронного и др.) При их прохождении через рассматриваемую вещество. Иными словами, неактивацийни методы используют процессы взаимодействия излучения с веществом.
Ядерная физика в археологии
На первый взгляд, ядерная физика не может иметь ничего общего с археологией наукой, изучающей историю человечества, опираясь на найденные материальные ценности (орудия труда, предметы искусства). Однако перед археологами постоянно стоит проблема как определить точный возраст находки? Ответить на этот вопрос можно, во-первых, опираясь на письменные источники, а во-вторых, с помощью радиоуглеродного метода хронологического маркировки ископаемых находок органического происхождения. Изобретатель этого метода Либби был удостоен Нобелевской премии по физике.
Сущность метода заключается в измерении остаточной радиоактивности А найденного предмета и сравнения ее с определенным стандартным значением Аа. Существует строгая зависимость между возрастом предмета и величиной остаточной радиоактивности, позволяет точно встановиты возраст находки, то есть чем сильнее отличается А от Аа, тем старше есть предмет.
Приведем теоретическое обоснование этого метода. Как известно, в процессе жизнедеятельности растения усваивают из воздуха СО2. Основная часть углерода, входящего в состав углекислоты это изотопы 12С (99%) и 13С (? 1%), однако кроме них в состав СО2 входит очень мала (примерно
Содержание 14С в атмосфере со временем практически не меняется, поэтому процентное содержание 14С в живом растении неизменной.
Период полураспада для 14С
(И4С)? 5000 лет.
Таким образом, измерив радиоактивность предмета и сравнив ее со стандартной величиной, можно определить время изготовления предмета.
Аналогично определяется и дата смерти живого существа Измерение радиоактивности останков базируется на том, что в течение жизни животное имеет постоянное число ядер И4С на 1 г углерода; травоядные животные получают И4С из растений, а плотоядные поедая травоядных.
Несмотря на простоту и относительную универсальность, этот метод имеет ряд недостатков, которые приводят к тому, что анализ становится очень трудоемким. Так, существует опасность загрязнения образца более молодым Карбоном. Учитывая микро-количества 14С, можно предположить, что даже незначительные количества молодого углерода могут привести к огромным ошибок (например, 0,1% молодого углерода увеличивает радиоактивность образца вдвое, тогда исчисленный возраст образца окажется меньше истинного на период полураспада И4С, то есть на 5 000 лет). Для того чтобы избежать этого, разработаны специальные способы очистки образцов от загрязнения молодым Карбоном. Ведь именно степень очистки, а точнее остаточное загрязнение молодым Карбоном определяет верхнюю границу применения радиоуглеродного метода.
Еще одной проблемой в применении этого метода является то, что содержание радиоактивного и нерадиоактивного углерода в атмосфере колеблется в пределахнескольких процентов в зависимости от места и времени измерения. Например, после взрыва водородной бомбы возникает избыток радиоактивного углерода, а при сжигании больших количеств топлива (каменный уголь, нефть) в промышленных районах наблюдается резкое увеличение содержания нерадиоактивного углерода. Стандартным показателем радиоактивности в этом случае выступают годовые кольца многолетних деревьев. Дело в том, что радиоактивность годичного кольца отражает радиоактивность окружающей среды в том году, когда это кольцо образовалось, Таким образом, учитывая распад "Есть во времени, можно с высокой точностью установить возраст археологической находки.
Ядерная физика в медицине
Способность атомных ядер выпускать в-кванты дало возможность использовать их в различных областях медицины, и прежде всего в диагностике, лечении и исследовании функций различных органов. Малые размеры ядер позволяют им беспрепятственно проникать в любые уголки организма, а непрерывное испускание излучения позволяет точно определить их местоположение. Рассмотрим ряд методов, позволяющих проводить диагностику органов человека В большинстве случаев они основываются на способности организма накапливать в тканях определенные химические элементы. Так, например, костная ткань выделяет из организма и накапливает фосфор, кальций и стронций, щитовидная железа Иод, печень красители и т. д. При этом больной и здоровый органы характеризуются разной скоростью накопления веществ. Особенно широкое применение нашел в-радиоактивный изотоп иоду. Его используют при диагностике отклонений щитовидной железы. Здоровая щитовидная железа накапливает до 10% введенного иоду течение двух часов. Если же активность железы повышена (то есть за то же время она накапливает гораздо больше иоду) или снижена, то налицо нарушение нормального режима его функционирования, то есть болезнь
Количество накопленного железой иоду определяется в-счетчиками, которые улавливают в-излучения радиоактивного изотопа. для здорового органа существует оптимальная интенсивность излучения через определенное время. Сравнивая это значение с полученным экспериментально, можно сделать вывод о состоянии органа.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- Кучерук И.М., Горбачук И.Т., Луцик П.П. Общий курс физики. Т.1. Механика. Молекулярная физика и термодинамика. К, 1999. 532 с.
- Матвеев А.Н. Механика и теория относительности. К., 1993. 288 с. Сивухин Д.В. Общий курс
- Горелик С. С., Дашевcкий М. Я., Материаловедение полупроводников и диэлектриков, М., 1988.
- Мильвидский М. Г., 1. Горелик С. С., Дашевcкий М. Я., Материаловедение полупроводников и диэлектриков, М., 1988.
- Пасынков В. В., Сорокин В. С, Материалы электронной техники, 2 изд., М., 1986.