МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА
И
ПРОДОВОЛЬСТВИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
ГЛАВНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ, НАУКИ И КАДРОВ
УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ
«БЕЛОРУССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ
СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ»
Кафедра сельскохозяйственной радиологии
АТОМНАЯ И ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО САМОСТОЯТЕЛЬНОМУ
ИЗУЧЕНИЮ ДИСЦИПЛИНЫ И ЗАДАНИЯ ДЛЯ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ
Для студентов заочной формы обучения специальности
1-33 01 06 – экология сельского хозяйства
Горки 2006
МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА И
ПРОДОВОЛЬСТВИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
ГЛАВНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ, НАУКИ И КАДРОВ
УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ
«БЕЛОРУССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ
СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ»
Кафедра сельскохозяйственной радиологии
АТОМНАЯ И ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО САМОСТОЯТЕЛЬНОМУ
ИЗУЧЕНИЮ ДИСЦИПЛИНЫ И ЗАДАНИЯ ДЛЯ КОНТРОЛЬНОЙ
РАБОТЫ
Для студентов заочной формы обучения специальности
1-33 01 06 – экология сельского хозяйства
Горки 2006
Одобрено методической комиссией агробиологического факультета _____________
Составили: Г.А. ЧЕРНУХА, Ю.Н. БУШУЕВ, Д.В. ВОРОБЬЕВ, В.И. ЮРЬЕВ, Н.В.ЛАЗАРЕВИЧ, В.Ф. МАЛЮКОВ
УДК 539.1+539.18(072)
Атомная и ядерная физика:
Методические указания/Белорусская государственная сельскохозяйственная академия; Сост. Г.А. Ч е р н у х а, Ю.Н. Б у ш у е в, Д.В. В о р о б ь е в, В.И. Ю р ь е в, Н. В. Л а з а р е в и ч, В.Ф. М а л ю к о в. Горки, 2006. 23 с.
Содержатся рекомендации по изучению атомной и ядерной физики. Приведено содержание дисциплины, вопросы для самопроверки и экзаменационные вопросы, условия задач, рекомендуемая литература.
Для студентов-заочников специальности 1-33 01 06 – экология сельского хозяйства.
Таблиц 10. Библиогр.9. Прилож. 1.
Рецензент Т.В. Булак, канд. хим. наук; В.И. Гудков, старший преподаватель.
© Составление Г.А. Чернуха, Ю.Н. Бушуев, Д.В. Воробьев, В.И. Юрьев, Н.В. Лазаревич, В.Ф. Малюков, 2006
© Учреждение образования
«Белорусская государственная сельскохозяйственная
академия», 2006
ВВЕДЕНИЕ
Технический прогресс и стремительный рост населения резко усилили влияние человека на окружающую среду. Загрязнение атмосферы, воды, почвы, уничтожение растительности, исчезновение некоторых видов животных и растений, как и многие другие негативные последствия деятельности человека, вызывают все большую озабоченность общественности. Все чаще высказывается мнение, что без принятия радикальных мер это может привести к глобальному экологическому кризису.
Около 100 лет назад экология как наука была единой. В последнее время, в связи с ростом ее значения в современном обществе, наблюдается дробление экологии на ряд самостоятельных разделов. Появилась сельскохозяйственная, медицинская, космическая, радиационная экология, экология морей, леса и др.
Открытие естественной радиоактивности и появление искусственных радионуклидов в окружающей среде оказало большое влияние на жизнедеятельность человека. Воздействие ионизирующих излучений на окружающую среду резко возросло после катастрофы на Чернобыльской АЭС.
Будущий эколог должен хорошо понимать процессы, приводящие к радиоактивному превращению ядер, закономерности этих превращений, опасность этих превращений для окружающей среды. Это осуществляется, в том числе, при изучении атомной и ядерной физики.
Атомная физика – это раздел физики, в котором изучаются строение и свойствах атомов. Ядерная физика – раздел физики, охватывающий изучение структуры и свойств ядер и их превращений – процессов радиоактивного распада и ядерных реакций.
Изучение данной дисциплины базируется на знаниях таких дисциплин, как математика, химия, общая физика. В свою очередь в процессе изучения атомной и ядерной физики закладывается база для изучения в последующем таких дисциплин как радиохимия, радиометрия, радиобиология, радиоэкология и сельскохозяйственная радиология.
После изучения данного курса студент должен:
знать:
- строение атома и ядра, их основные характеристики;
- природу явления радиоактивности, причины радиоактивных превращений и стабильности ядер;
- основной закон радиоактивного распада и основные характеристики радионуклидов;
- единицы измерения активности;
- виды радиоактивного распада и свойства ядерных излучений;
- основные процессы взаимодействия ионизирующих излучений с веществом;
- радиоактивные семейства и радиоактивное равновесие.
уметь:
- работать на радиометрах и дозиметрах;
- определять активность проб;
- использовать для расчетов уравнения закона радиоактивного распада;
- определять период полураспада радионуклида;
- составлять схемы распада радионуклидов.
Студенты заочной формы обучения изучают атомную и ядерную физику в том же объеме, что и студенты очного обучения, но в основном самостоятельно.
1. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО САМОСТОЯТЕЛЬНОМУ
ИЗУЧЕНИЮ ДИСЦИПЛИНЫ
Данную дисциплину следует изучать в последовательности, указанной в методических указаниях. Не рекомендуется переходить к следующей теме, если предыдущая усвоена недостаточно.
Контроль знаний по каждой теме осуществляется путем ответов на вопросы для самопроверки. Во время самостоятельного изучения дисциплины могут возникнуть вопросы, вызванные отсутствием литературы или сложностью изложения материала в рекомендованной литературе. В этом случае необходимо обращаться за консультацией непосредственно на кафедру сельскохозяйственной радиологии.
Материалами, необходимыми для изучения дисциплины, являются настоящие методические указания и рекомендуемая учебная литература.
ЛИТЕРАТУРА
Основная
1. Грабовскй Р.И. Курс физики (для с.х. институтов): Учеб. пособие. – 5-е изд., перераб. и доп.. – М.: Высш, школа, 1980.
2. Савельев И.В. Курс общей физики. – Учеб. пособие. В 3-х т. Т.3. Квантовая оптика. Физика атомного ядра и элементарных частиц. – 3-е изд., испр. – М.:Наука, 1987.
3. Элементарный учебник физики /Под ред. Г.С. Ландсберга/. - М.: Наука, 1986.-Т.З.
4. Чернуха Г.А., Лаломова Т.В., Лазаревич Н.В. Физические основы явления радиоактивности: Лекция. Горки: Белорусская государственная сельскохозяйственная академия, 2002.
Дополнительная
1. Абрамов А.И. Основы ядерной физики. - М.: Энергоатомиздат,1983.
2. Максимов М. Т., Оджагов Г.О. Радиоактивные загрязнения и их измерение. - М.: Энергоатомиздат, 1989.
3. Радиационная безопасность: Учеб. пособие/ Г.А. Чернуха, Н.В. Лазаревич, Т.В. Лаломова. – Горки: Белорусская государственная сельскохозяйственная академия, 2005.
4. Радиобиология /А.Д. Белов, В. А Киршин, Н.П. Лысенко, В. В. Пак и др.; Под ред. А.Д. Белова. - М.: Колос, 1999.
5. Матвеев А.Н. Атомная физика: Учеб. пособие для студентов вузов.- М.: Высш. шк., 1989.
2. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Тема 1. Основные сведения о строении атома
Масса и размеры атома.
Атомы и молекулы. Масса атомов, атомная единица массы, число Авогадро. Размеры атома, линейные размеры атома, площадь поперечного сечения. Уравнение Эйнштейна, связь между атомной единицей массы и энергией. Единица измерения энергии электрон-вольт.
Строение атома.
Развитие представлений о строении атома. Основные представления квантовой механики. Постулаты Бора, квантовое число. Экранировка электронов. Основное и возбуждённое состояния атома. Ионизация атомов, ионизационный потенциал.
Атомные спектры и уровни энергии.
Переходы электронов в атоме. Оптические и рентгеновские спектры. Уровни энергии, диаграмма уровней энергии, квантовые переходы. Серии Лаймана, Бальмера, Пашена и т. д.
Волновые свойства частиц вещества.
Волны де Бройля. Интерференция и дифракция электронов и элементарных частиц, корпускулярно-волновой дуализм. Соотношение неопределённостей Гейзенберга.
Литература: [1,2,3].
Вопросы для самопроверки
1. Что собою представляют современные модели атомов и молекул?
2. Назовите и запишите сокращённые обозначения единиц измерений, использующихся при определении: массы атомов, числа Авогадро, энергии атома, линейных размеров атомов, с указанием порядка величин.
3. Напишите и объясните уравнение Эйнштейна, связывающее массу и энергию.
4. Что такое ионизация, что понимается под ионизационным потенциалом, основным и возбуждённым состоянием атома?
5. На чём строятся основные представления квантовой механики?
6. Сформулируйте постулаты Бора, в чём принцип квантовых чисел?
7. Что собой представляют квантовые переходы, как это связано с энергетическим состоянием атома?
8. Как можно определить энергетическое состояние атома, что собой представляют серии Лаймана, Бальмера, Пашена и др.?
9. Что доказывает волновые свойства частиц, в чём суть волн де Бройля?
10. В чём принцип корпускулярно-волнового дуализма и соотношения неопределённости Гейзенберга?
Тема 2. Строение и свойства атомного ядра
Вводные сведения о ядре.
Заряд ядра, масса ядра, размеры ядра, массовое число. Стабильные и радиоактивные ядра. Основные характеристики ядер. Основное и возбуждённые состояние ядер. Основное и возбуждённое энергетические состояния ядра, стационарное энергетическое состояние ядра.
Состав и свойства ядра.
Элементарные частицы, состав ядра. Протоны, нейтроны. Нуклоны, нуклиды. Дефект масс. Энергия связи ядра, удельная энергия связи ядра, ядерная энергия. Изотопы, изобары, изотоны, изомеры.
Ядерные силы.
Особые свойства ядерных сил. Радиус действия ядерных сил. Ядерные взаимодействия, роль π-мезонов. Связь между проявлением ядерных сил и стабильностью ядра. «Дорожка» стабильности.
Модели ядер.
Понятие о модели ядра. Капельная модель ядра. Магические и дважды магические числа, полумагические числа. Модель ядерных оболочек, нуклонная оболочка, протонная и нейтронная оболочки. Схема уровней нейтронных оболочек в ядрах. Обобщённая модель ядра. Модель Ферми-газа, сверхтекучая модель. Оптическая модель ядра.
Форма ядер.
Неравномерное распределение заряда ядра, центральная зона ядра – сердцевина). Оболочка ядра, радиус ядра. Сферическая, сигарообразная и дисковая форма ядра и его колебательное движение.
Литература: [1,2,3]
Вопросы для самопроверки
1. Перечислите основные характеристики атомных ядер.
2. Что представляют собой стабильные и радиоактивные ядра, их основное и возбуждённое энергетическое состояние?
3. Что, согласно ядерной модели, входит в состав атомных ядер, что собой представляют нуклоны и нуклиды?
4. В чём суть принципа дефекта масс и что понимают под энергией связи ядра?
5. Изотопы, изобары, изотоны, изомеры – что понимают под этими терминами?
6. Перечислите основные свойства ядерных сил, что такое «дорожка» стабильности?
7. Как изображается современная модель ядерного взаимодействия, в чём роль p - мезонов?
8. Перечислите и дайте краткое описанное моделей ядра.
9. Какие существуют модели ядерных оболочек?
10. Какие модели форм ядер вам известны?
Тема 3. Радиоактивный распад
Природа явления радиоактивности.
Причины радиоактивного распада ядер. Явление радиоактивности. Ядерные излучения.
Основной закон радиоактивного распада.
Скорость распада, среднее время жизни радионуклида. Постоянная радиоактивного распада, физический смысл постоянной распада. Закон радиоактивного распада: дифференциальная и интегральная формы. Период полураспада, единицы измерения. Связь между постоянной радиоактивного распада и периодом полураспада. Экспоненциальная форма радиоактивного распада. Связь периода полураспада и времени жизни радионуклидов.
Активность.
Связь активности со временем. Уменьшение активности со временем. Единицы измерения активности: беккерель и кюри. Связь между единицами активности.
Виды радиоактивного распада.
Альфа-распад (на примере плутония-239 и америция-241). Условие альфа-распада, закон Гейгера-Неттола. Спектр альфа-распада, идентификация радионуклидов. Бета-распад: электронный и позитронный (на примере стронция-90, иода-131, цезия-137 и фосфора-32), К-захват (на примере калия-40). Схемы распада, правило смещения. Особенности бета-распада, энергетический спектр бета-частиц. Двойной распад (на примере калия-40). Гамма-излучение ядер как сопутствующее явление (на примере кобальта-60). Спонтанное деление. Распад с вылетом нуклонов. Внутренняя конверсия. Ядерная изомерия.
Литература: [1,2,3,4].
Вопросы для самопроверки
1. В чём причины радиоактивности и ядерных излучений?
2. Укажите основные характеристики радиоактивного распада и дайте объяснение их физического смысла.
3. Какими формами представлен закон радиоактивного распада?
4. Как период полураспада связан с постоянной распада и каковы их единицы измерения?
5. Что такое активность и в чём она измеряется?
6. По какому закону изменяется активность во времени?
7. Какие существуют виды радиоактивного распада?
8. Что определяет закон Гейгера-Неттола и что собой представляет спектр альфа-распада?
9. Укажите различия в схемах бета-распадов?
10. Что собой представляет правило смещения и энергетический спектр бета-частиц?
11. Существует ли гамма-распад и что собой представляет спонтанное деление?
Тема 4. Ядерные излучения
Свойства ядерных излучений.
Природа ионизирующих излучений, корпускулярное и электромагнитное излучение. Характеристики излучений: удельная ионизация, пробег изучения в веществе, энергия излучения, проникающая способность, линейная передача энергии. Характеристика альфа-, бета-, гамма-излучения и нейтронного излучения.
Взаимодействие альфа-излучения с веществом.
Ионизация и возбуждение вещества. Радиационные и ионизационные потери энергии частиц.
Взаимодействие бета-излучения с веществом.
Ионизация и возбуждение вещества, рассеяние электронов. Тормозное излучение. Сравнение ионизационных и радиационных потерь энергии.
Взаимодействие гамма-излучения с веществом.
Фотоэффект. Комптон-эффект на свободных и связанных электронах. Эффект образования пар. Суммарный линейный коэффициент ослабления гамма-излучения при прохождении через вещество.
Взаимодействие нейтронов с веществом.
Особенности взаимодействия. Рассеяние нейтронов: упругое и неупругое Радиационный захват нейтронов. Реакции с вылетом заряженных частиц. Деление ядер.
Литература: [1,2,3,4].
Вопросы для самопроверки
1. Какова природа ионизирующих излучений?
2. Какие ионизирующие излучения известны на сегодняшний день?
3. Чем характеризуются ионизирующие излучения?
4. В чём сущность процесса ионизации?
5. Какими параметрами характеризуется степень взаимодействия излучений с веществом?
6. Какие физические эффекты вызывает альфа-излучение при взаимодействии с веществом?
7. Какие физические эффекты вызывает бета-излучение при взаимодействии с веществом?
8. Что представляет собой тормозное излучение?
9. Что понимают под радиационными и ионизационными потерями энергии частиц?
10. Что представляют собой комптон-эффект и фотоэффект?
11. Какие особенности имеют место при взаимодействии нейтронов с веществом?
Тема 5. Радиоактивное равновесие
Радиоактивные семейства.
Материнское и дочернее ядра. Родоначальник радиоактивного ряда, радиоактивное семейство. Семейство урана-238. Семейство урана-235 (актиноурана). Семейство тория-232. Семейство нептуния-237. Распространённость радиоактивных семейств.
Радиоактивное равновесие.
Распад и накопление радионуклидов в радиоактивном семействе, скорость накопления материнского вещества и скорость распада дочернего вещества. Вековое (секулярное) уравнение. Подвижное равновесие.
Литература: [1,2,3].
Вопросы для самопроверки
1. Что понимают под терминами материнские и дочерние ядра?
2. Что называется радиоактивным семейством?
3. Сколько радиоактивных семейств существуют в настоящее время?
4. Как происходит распад и накопление изотопов в радиоактивном семействе?
5. Что представляет собой вековое (секулярное) уравнение?
6. Что представляет собой подвижное равновесие?
Тема 6. Использование ядерной энергии
Ядерные реакторы и ядерная энергетика. Метод меченых атомов. Стерилизация лекарственных препаратов и медикаментов, пищевых продуктов. Радиотерапия.
Литература: [1,2,3].
Вопросы для самопроверки
1. Что представляет собой ядерный реактор?
2. В чём суть метода меченых атомов?
3. В чём заключается роль радиоактивного метода при стерилизации лекарственных препаратов и медикаментов, пищевых продуктов?
4. Что такое радиотерапия?
5. Каковы задачи и перспективы ядерной энергетики?
Экзаменационные вопросы
1. Масса атомов, атомная единица массы, число Авогадро.
2. Размеры атома, линейные размеры атома, площадь поперечного сечения.
3. Уравнение Эйнштейна, связь между атомной единицей массы и энергией.
4. Единица измерения энергии электрон-вольт.
5. Строение атома.
6. Основное и возбуждённое состояния атома. Ионизация атомов, ионизационный потенциал.
7. Атомные спектры и уровни энергии.
8. Волновые свойства частиц вещества.
9. Заряд ядра, масса ядра, размеры ядра, массовое число. Стабильные и радиоактивные ядра.
10. Основное и возбуждённое энергетические состояния ядра, стационарное энергетическое состояние ядра.
11. Элементарные частицы, состав ядра.
12. Дефект масс.
13. Энергия связи ядра, удельная энергия связи ядра, ядерная энергия.
14. Ядерные силы.
15. Связь между проявлением ядерных сил и стабильностью ядра. «Дорожка» стабильности.
16. Модели ядер.
17. Форма ядер.
18. Явление радиоактивности. Единицы измерения активности.
19. Причины радиоактивного распада ядер.
20. Основной закон радиоактивного распада.
21. Постоянная радиоактивного распада, физический смысл постоянной распада.
22. Период полураспада, единицы измерения.
23. Альфа-распад.
24. Бета-распад (электронный).
25. Бета-распад (позитронный).
26. К-захват.
27. Схемы радиоактивного распада, правило смещения.
28. Спектр альфа-распада, идентификация радионуклидов.
29. Особенности бета-распада, энергетический спектр бета-частиц.
30. Гамма-излучение ядер.
31. Спонтанное деление. Распад с вылетом нуклонов. Внутренняя конверсия. Ядерная изомерия.
32. Характеристики альфа-излучения: удельная ионизация, пробег излучения в веществе, энергия излучения, проникающая способность, линейная передача энергии.
33. Характеристики бета-излучения: удельная ионизация, пробег излучения в веществе, энергия излучения, проникающая способность, линейная передача энергии.
34. Характеристики гамма-излучения: удельная ионизация, пробег излучения в веществе, энергия излучения, проникающая способность, линейная передача энергии.
35. Взаимодействие альфа-излучения с веществом.
36. Взаимодействие бета-излучения с веществом.
37. Взаимодействие гамма-излучения с веществом.
38. Радиоактивные семейства.
39. Радиоактивное равновесие.
40. Использование ядерной энергии.
3. ВЫПОЛНЕНИЕ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ
По дисциплине «Атомная и ядерная физика» студенты-заочники выполняют одну контрольную работу. К выполнению контрольной работы приступают после изучения соответствующей литературы по всем программным вопросам. Контрольная работа должна быть выполнена последовательно, аккуратно оформлена. Небрежно оформленные работы к проверке не допускаются. В контрольной работе студент обязан указать свой личный шифр. В тексте необходимо сохранить нумерацию заданий, принятую в методических указаниях.
Выполняя контрольную работу следует внимательно прочитать условие и выяснить, что необходимо сделать. В конце контрольной работы надо указать список использованной литературы, поставить дату и подпись.
Выполненная в полном объеме контрольная работа высылается на проверку в учебное заведение до начала лабораторно-экзаменационной сессии. В том случае, когда она окажется незачтенной, студент обязан выполнить все требования рецензента и выслать работу на повторное рецензирование. Доработка высылается вместе с незачтенной работой. Зачтенная работа предъявляются студентом при сдаче экзамена по курсу.
В контрольной работе нужно выполнить десять заданий, номера вариантов которых приведены в прилож.1 согласно последней и предпоследней цифрам шифра студента.
4. ПЕРЕЧЕНЬ ЗАДАНИЙ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ
Задание 1.
Рассчитать дефект массы для двух указанных изотопов (в а.е.м. и кг) и энергии связи их ядер (табл.1). На сколько различны энергии связи ядер этих изотопов. Масса покоя не связанных с ядром: протона mр
= 1,000758 а.е.м.= 1,6725× 10-24
кг, нейтрона mn
= 1, 000898 а.е.м. = 1,6749·10-24
кг.
Таблица 1. Исходные данные
| № варианта |
Изотопы |
№ варианта |
Изотопы |
| 1 |
К-39 и К-40 |
16 |
Nb-93 и Nb-91 |
| 2 |
Cs-133 и Cs-137 |
17 |
Rh-103 и Rh-99 |
| 3 |
H-1 и H-3 |
18 |
Ag-107 и Ag-105 |
| 4 |
Sr-88 и Sr-90 |
19 |
In-115 и In-111 |
| 5 |
Be-7 и Be-9 |
20 |
Sb-121 и Sb-125 |
| 6 |
C-12 и C-14 |
21 |
I-127 и I-131 |
| 7 |
Na-23 и Na-22 |
22 |
Ba-138 и Ba-133 |
| 8 |
Al-27 и Al-26 |
23 |
Ta-181 и Ta-179 |
| 9 |
Si-28 и Si-32 |
24 |
Tb-159 и Tb-158 |
| 10 |
P-31 и P-33 |
25 |
Eu-153 и Eu-150 |
| 11 |
S-32 и S-35 |
26 |
Gd-158 и Gd-150 |
| 12 |
Cl-35 и Cl-36 |
27 |
Lu-175 и Lu-173 |
| 13 |
Ar-40 и Ar-42 |
28 |
Rb-85 и Rb-84 |
| 14 |
Ca-40 и Ca-45 |
29 |
Se-80 и Se-75 |
| 15 |
Y-89 и Y-91 |
30 |
F-19 и F-18 |
Задание 2.
Дать характеристику альфа-распада и составить схему альфа-распада изотопа, соответствующего номеру варианта (табл.2).
Таблица 2. Исходные данные
| № варианта |
Исходный изотоп |
№ варианта |
Исходный изотоп |
| 31 |
Полоний-209 |
46 |
Уран-238 |
| 32 |
Астат-222 |
47 |
Радон-222 |
| 33 |
Полоний-217 |
48 |
Радий-226 |
| 34 |
Радон-206 |
49 |
Нептуний-235 |
| 35 |
Висмут-211 |
50 |
Плутоний-236 |
| 36 |
Франций-219 |
51 |
Протактиний-231 |
| 37 |
Радий-222 |
52 |
Торий-232 |
| 38 |
Актиний-222 |
53 |
Полоний-215 |
| 39 |
Торий-224 |
54 |
Радон-226 |
| 40 |
Протактиний-226 |
55 |
Радий-224 |
| 41 |
Уран-235 |
56 |
Астат-214 |
| 42 |
Плутоний-239 |
57 |
Франций-223 |
| 43 |
Нептуний—231 |
58 |
Торий-228 |
| 44 |
Америций-241 |
59 |
Полоний-218 |
| 45 |
Астат-205 |
60 |
Уран-231 |
Задание 3.
Дать характеристику бета-минус-распада и составить схему бета-распада изотопа, соответствующего номеру варианта (табл.3).
Таблица 3. Исходные данные
| № варианта |
Исходный изотоп |
№ варианта |
Исходный изотоп |
| 61 |
Фосфор-32 |
76 |
Барий-140 |
| 62 |
Углерод-14 |
77 |
Радий-227 |
| 63 |
Тритий (Н-3) |
78 |
Цинк-72 |
| 64 |
Стронций-89 |
79 |
Кадмий-115 |
| 65 |
Иод-129 |
80 |
Ртуть-203 |
| 66 |
Цезий-137 |
81 |
Алюминий-28 |
| 67 |
Калий-40 |
82 |
Галлий-72 |
| 68 |
Кобальт-60 |
83 |
Индий-119 |
| 69 |
Рубидий-86 |
84 |
Иттрий-90 |
| 70 |
Медь-66 |
85 |
Церий-144 |
| 71 |
Серебро-111 |
86 |
Празеодим-147 |
| 72 |
Золото-198 |
87 |
Неодим-151 |
| 73 |
Берилий-10 |
88 |
Америций-241 |
| 74 |
Магний-28 |
89 |
Натрий-24 |
| 75 |
Кальций-45 |
90 |
Хлор-38 |
Задание 4.
Дать характеристику бета-плюс-распада и составить схему бета-распада изотопа, соответствующего номеру варианта (табл.4).
Таблица 4. Исходные данные
| № варианта |
Исходный изотоп |
№ варианта |
Исходный изотоп |
| 91 |
Кобальт-55 |
106 |
Мышьяк-69 |
| 92 |
Марганец-51 |
107 |
Фосфор-30 |
| 93 |
Иод-128 |
108 |
Цирконий-89 |
| 94 |
Бром-80 |
109 |
Свинец-199 |
| 95 |
Хлор-36 |
110 |
Олово-111 |
| 96 |
Фтор-18 |
111 |
Германий-66 |
| 97 |
Молибден-90 |
112 |
Углерод-11 |
| 98 |
Вольфрам-177 |
113 |
Кадмий-104 |
| 99 |
Хром-48 |
114 |
Цинк-62 |
| 100 |
Селен-70 |
115 |
Барий-126 |
| 101 |
Кислород-15 |
116 |
Стронций-81 |
| 102 |
Тантал-172 |
117 |
Золото-194 |
| 103 |
Ниобий-88 |
118 |
Серебро-102 |
| 104 |
Висмут-200 |
119 |
Медь-60 |
| 105 |
Сурьма-115 |
120 |
Цезий-125 |
Задание 5.
В радиоактивном веществе за время t распадается N ядер. Рассчитать активность этого вещества в Бк и Ku. Исходные данные для своего варианта возьмите из табл.5.
Таблица 5. Исходные данные
| № вари- анта |
t |
N |
№ вари- анта |
t |
N |
| 121 |
10 мин |
3000 |
136 |
5 сут |
9600000 |
| 122 |
1 сут |
512000 |
137 |
3 ч |
1080000 |
| 123 |
2 ч |
11000 |
138 |
17 мин |
17000 |
| 124 |
1 год |
999900000 |
139 |
0,3 ч |
240000 |
| 125 |
10 лет |
850000 |
140 |
0,5 сут |
333355000 |
| 126 |
5,5 мин |
100 |
141 |
21 мин |
256000 |
| 127 |
2 сут |
2500 |
142 |
4 ч |
14400000 |
| 128 |
0,5 ч |
7500 |
143 |
0,5 года |
369000000000 |
| 129 |
3 года |
10000000000 |
144 |
1,5 ч |
458000 |
| 130 |
5 ч |
15500 |
145 |
25 мин |
25789 <
/td>
|
| 131 |
2 года |
234560000 |
146 |
0,25 сут |
1589000 |
| 132 |
1,5 ч |
78900 |
147 |
0,4 ч |
21800 |
| 133 |
15 мин |
125500 |
148 |
40 мин |
452000 |
| 134 |
0,25 ч |
9000 |
149 |
1,1 ч |
660000 |
| 135 |
7 мин |
42000 |
150 |
35 мин |
24780 |
Задание 6.
Сколько процентов ядер радионуклида останется через время t, если его период полураспада равен Т1/2
? Начальное количество ядер изотопа принять за 100%. Исходные данные для своего варианта возьмите из табл.6.
Таблица 6. Исходные данные
| № варианта |
t |
Т1/2
|
№ варианта |
t |
Т1/2
|
| 151 |
1 мес. |
8,04 сут |
166 |
50 лет |
29,12 лет |
| 152 |
5 лет |
368,2 сут |
167 |
1 мес |
305 ч |
| 153 |
1 сут. |
12,36 ч |
168 |
10 лет |
2,06 года |
| 154 |
10 лет |
12,35 года |
169 |
100 лет |
30 лет |
| 155 |
1 нед. |
64 сут |
170 |
1 нед |
2,67 сут. |
| 156 |
4 года |
3 года |
171 |
1 сут |
7,2 ч |
| 157 |
1 сут. |
66 ч |
172 |
2 мес |
12,74 сут |
| 158 |
1 сут. |
9,5 ч |
173 |
100 лет |
433 года |
| 159 |
2 ч |
346 мин |
174 |
1 год |
50,5 сут. |
| 160 |
24 ч |
2,67 сут |
175 |
2,5 года |
2 года |
| 161 |
1 год |
5 лет |
176 |
1 сут |
1 час |
| 162 |
1 час |
24,6 с |
177 |
140 лет |
28 лет |
| 163 |
1 нед. |
6 сут |
178 |
1 год |
35 сут. |
| 164 |
1 сут. |
12,8 ч |
179 |
10 ч |
3,2 ч |
| 165 |
1 мес. |
11,9 сут |
180 |
1 ч |
24,2 с |
Задача 7.
Рассчитать, через какое время активность изотопа снизится с А1
до А2
, если период его полураспада равен Т1/2
? Исходные данные для своего варианта возьмите из табл.7.
Таблица 7. Исходные данные
| № вари- анта |
А1
Бк |
А2
Бк |
Т1/2
|
№ варианта |
А1,
Бк |
А2
Бк |
Т1/2
|
| 181 |
570 |
20 |
8,04 сут |
196 |
4999 |
148 |
29,12 лет |
| 182 |
1000 |
5 |
368,2 сут |
197 |
185 |
37 |
305 ч |
| 183 |
1250 |
54 |
12,36 ч |
198 |
555 |
185 |
2,06 года |
| 184 |
354 |
98 |
12,35 года |
199 |
1480 |
74 |
30 лет |
| 185 |
852 |
35 |
64 сут |
200 |
111 |
19 |
2,67 сут |
| 186 |
412 |
10 |
3 года |
201 |
370 |
185 |
7,2 ч |
| 187 |
6900 |
125 |
66 ч |
202 |
800 |
29 |
12,74 сут |
| 188 |
365 |
2 |
9,5 ч |
203 |
399 |
100 |
433 года |
| 189 |
8700 |
107 |
346 мин |
204 |
2255 |
370 |
50,5 сут |
| 190 |
990 |
23 |
2,67 суток |
205 |
1177 |
55 |
2 года |
| 191 |
2500 |
300 |
5 лет |
206 |
33500 |
1480 |
1 ч |
| 192 |
4560 |
95 |
24,6 с |
207 |
37 |
4 |
28 лет |
| 193 |
100 |
15 |
6 сут |
208 |
18,5 |
3 |
35 сут |
| 194 |
220 |
20 |
12,8 ч |
209 |
575 |
57,5 |
3,2 ч |
| 195 |
95 |
33 |
11,9 сут |
210 |
1850 |
37 |
24,2 с |
Задание 8.
Рассчитать активность указанного количества (m) радиоактивного изотопа (в Бк и Ки), период полураспада которого Т1/2
. Исходные данные для своего варианта возьмите из табл.8.
Таблица 8. Исходные данные
| № вари- анта |
Изотоп |
Масса изотопа (m), кг |
Т1/2
|
№ вари- анта |
Изотоп |
Масса изотопа (m), кг |
Т1/2
|
| 211 |
Cs-137 |
0,005 |
30 лет |
226 |
P-32 |
0,025 |
14,3 сут |
| 212 |
Sr-89 |
0,030 |
50,5 сут |
227 |
S-35 |
0,400 |
87,4 сут |
| 213 |
K-40 |
1,500 |
1,3·109
|
228 |
Cs-134 |
0,080 |
2,06 года |
| 214 |
Pu-239 |
0,500 |
24000 лет |
229 |
Mn-54 |
0,300 |
312,5 сут |
| 215 |
I-131 |
0,001 |
8,04 сут |
230 |
Cd-104 |
0,045 |
57,7 мин |
| 216 |
Sr-90 |
0,100 |
29,1 лет |
231 |
Pu-241 |
0,125 |
14,4 года |
| 217 |
Am-241 |
0,250 |
432,2 года |
232 |
O-15 |
0,005 |
122,2 с |
| 218 |
U-238 |
2,000 |
4,47·109
|
233 |
Ce-144 |
0,250 |
284,3 сут |
| 219 |
C-14 |
1,000 |
5730 лет |
234 |
Po-211 |
0,00035 |
0,52 с |
| 220 |
Th-232 |
3,000 |
1,4·1010
|
235 |
Zr-89 |
0,008 |
78,4 ч |
| 221 |
H-3 |
0,100 |
12,35 года |
236 |
Nb-89 |
0,750 |
122 мин |
| 222 |
U-235 |
5,000 |
7,04·108
|
237 |
I-129 |
1,250 |
1,57·109
|
| 223 |
Be-7 |
0,070 |
53,3 сут |
238 |
Co-60 |
0,055 |
5,27 года |
| 224 |
Ra-222 |
0,350 |
38 c |
239 |
Rb-86 |
0,015 |
18,7 сут |
| 225 |
Al-28 |
0,100 |
2,24 мин |
240 |
Ca-45 |
0,185 |
163 сут |
Задание 9.
Длина пробега альфа-частиц в веществе (Rα
) определяется из экспериментальных формул. Для воздуха при температуре 0о
С и 760 мм рт. ст. величина пробега альфа-частиц с энергией от 3 до 8 МэВ может быть определена по формуле Гейгера:
см,
где Eα
– энергия альфа-частиц, МэВ.
Длина пробега альфа-частиц в других средах может быть определена по формуле Брегга:
мкм,
где A – атомная (молекулярная) масса поглощающего вещества;
ρ – плотность вещества, г/см3
.
Рассчитать величину пробега альфа-частиц указанного изотопа в воздухе и мягких тканях человека. Плотность мягких тканях человека ρ = 1 г/см3
, молекулярная масса А = 15,7. Исходные данные для своего варианта возьмите из табл.9.
Таблица 9. Исходные данные
| № вари- анта |
Изотоп |
Еα
МэВ |
№ вари- анта |
Изотоп |
Еα
МэВ |
| 241 |
Ra-226 |
4,60 |
256 |
U-235 |
4,58 |
| 242 |
Rn-222 |
5,49 |
257 |
Po-231 |
5,00 |
| 243 |
Po-218 |
6,00 |
258 |
Ac-227 |
4,94 |
| 244 |
At-218 |
6,65 |
259 |
Th-231 |
5,97 |
| 245 |
Bi-214 |
5,45 |
260 |
Rn-220 |
6,82 |
| 246 |
Po-214 |
7,69 |
261 |
Po-215 |
7,36 |
| 247 |
Po-210 |
5,31 |
262 |
At-215 |
8,00 |
| 248 |
Pu-238 |
5,49 |
263 |
Bi-211 |
6,62 |
| 249 |
Pu-239 |
5,15 |
264 |
Po-211 |
7,43 |
| 250 |
Pu-240 |
5,16 |
265 |
Th-232 |
3,99 |
| 251 |
Pu-241 |
4,91 |
266 |
Th-228 |
5,42 |
| 252 |
Cm-242 |
6,11 |
267 |
Ra-224 |
5,68 |
| 253 |
U-238 |
4,18 |
268 |
At-216 |
7,79 |
| 254 |
U-234 |
4,76 |
269 |
Po-212 |
8,87 |
| 255 |
Th-230 |
4,68 |
270 |
Bi-212 |
6,09 |
Задание 10.
Максимальная длина пробега бета-частиц в алюминии рассчитывается по следующим эмпирическим формулам:
при 0,15 < Eβ
<0,8 MэВ
г/см2
при 0,8 < Eβ
< 3 MэВ
г/см2
Зная пробег бета-частиц в алюминии, всегда можно определить длину пробега для любого вещества (x
) по формуле:
, г/см2
где Z – атомный номер элемента поглотителя. Для поглотителей, состоящих из двух и более химических элементов в качестве Z необходимо использовать эффективный атомный номер – Z эфф., значение которого рассчитывается исходя из химического состава вещества. Например, для мягких тканей человека Z эфф. равно 7,62, для воздуха – 7,42. Плотность воздуха – 0,00129 г/см3
, мягких тканях человека – 1 г/см3
, атомная масса воздуха –14,4, мягких тканей – 15,7.
Для получения величины пробега в сантиметрах последнее выражение делят на плотность данного вещества:
, см
Определить величину максимального пробега бета-частиц указанного изотопа (табл. 10) в воздухе и мягких тканях человека. Исходные данные для своего варианта возьмите из табл.10.
Таблица 10. Исходные данные
| № вари- анта |
Изотоп |
Еmax
МэВ |
№ вари- анта |
Изотоп |
Еmax
МэВ |
| 271 |
Cs-137 |
1,130 |
286 |
CI-39 |
1,650 |
| 272 |
Sr-89 |
1,460 |
287 |
Ce-144 |
0,300 |
| 273 |
K-40 |
1,330 |
288 |
Zr-90 |
0,390 |
| 274 |
Pu-241 |
0,021 |
289 |
Kr-85 |
0,670 |
| 275 |
I-131 |
0,610 |
290 |
Te-132 |
0,220 |
| 276 |
Sr-90 |
0,550 |
291 |
Xe-133 |
0,350 |
| 277 |
C-14 |
0,160 |
292 |
Ba-140 |
1,000 |
| 278 |
H-3 |
0,018 |
293 |
Np-239 |
0,380 |
| 279 |
Be-7 |
0,480 |
294 |
Po-210 |
1,530 |
| 280 |
Na-24 |
4,170 |
295 |
Ar-39 |
0,560 |
| 281 |
Al-26 |
3,200 |
296 |
Na-22 |
0,540 |
| 282 |
P-32 |
1,710 |
297 |
Bi-210 |
1,160 |
| 283 |
S-35 |
0,350 |
298 |
Be-10 |
0,555 |
| 284 |
Cs-134 |
0,510 |
299 |
Ce-36 |
0,714 |
| 285 |
Mg-28 |
0,460 |
300 |
Si-32 |
0,210 |
СОДЕРЖАНИЕ
| Введение …………………………………………………………………… |
4 |
| 1. Рекомендации по самостоятельному изучению дисциплины ……….. |
5 |
| 2. Содержание дисциплины ………………………………………………. |
6 |
| 3. Выполнение контрольной работы …………………………………….. |
12 |
| 4. Перечень заданий контрольной работы ………………………………. |
13 |
| Приложение |
20 |
У ч е б н о - м е т о д и ч е с к о е и з д а н и е
Геннадий Анатольевич Чернуха
Юрий Николаевич Бушуев
Дмитрий Владимирович Воробьев
Валерий Иванович Юрьев
Нина Васильевна Лазаревич
Владимир Федорович Малюков
Атомная и ядерная физика
Методические указания по самостоятельному изучению дисциплины
и задания для контрольной работы
Подписано в печать.
Формат 60 × 84 1/16. Бумага для множительных аппаратов.
Печать ризографическая. Гарнитура "Таймс".
Усл.печ.л. . Уч. -изд. л.
Тираж экз. Заказ . Цена ……. руб.
Отпечатано на ризографе копировально-множительного бюро
БГСХА, г. Горки, ул. Мичурина, 5
Методические указания опубликованы в авторской редакции.
Компьютерная верстка Азаренко Ю.В.