close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

Лекция 1

код для вставкиСкачать
Введение в радиоактивность
Степан Николаевич Калмыков
тел. (495) 939-32-20
[email protected]
http://radiochemistry-msu.ru/leaders/102-kalmykov
Составляющие индивидуальной дозы (мЗв), полученной
среднестатистическим жителем Финляндии в 2000 г.
0,5
Радон в помещениях
0,04
Внешнее облучение
(естественное)
0,04
Космическое излучение
0,3
2
0,3
0,5
Внутреннее облучение
(естественное)
Использование
радионуклидов
Рентгеновская
диагностика
Чернобыль
Структура коллективных доз облучения населения России
1%
14%
29%
Космическое излучение
Радон и продукты его
распада
Медицинские источники
Техногенные источники
56%
Карта содержания
радона-222 в
помещениях
G. Dudois et al.
J.Env.Radioact., Vol. 101,
Iss. 10, (2010), 786–798
Некоторые факты
1 Зв = 1 Дж / кг
Высота, м
Мощность дозы, мкЗв/час
0
0,038
3000
0,181
6000
0,935
9000
3,24
12000
15000
6,99
10,3
Риск рака: 0.05 / Зв
(National Council on Radiation Protection and Measurement, USA)
Мед исследования (Россия): годовой эффективной дозы 1 мЗв
Пределы доз
(персонал группы А) - 20 мЗв в год в среднем за любые последовательные 5
лет, но не более 50 мЗв в год
Население - 1 мЗв в год в среднем за любые последовательные 5 лет, но не
более 5 мЗв в год
Радиохимия – химия радиоактивных веществ. К предмету изучения
радиохимии относятся также химические аспекты производства
радионуклидов и переработки ядерного топлива.
Иногда в качестве аналогичного используют понятие ядерная химия,
однако его стоит трактовать более широко, ядерная химия изучает,
помимо радиохимии, химические процессы, протекающие под
действием ядерных излучений (радиационная химия), а также
химические последствия радиоактивного распада и ядерных реакций.
Этапы развития
Фундаментальный этап
Создание ядерного оружия
«Мирный» этап
Энергетика
Медицина
Другие радиационные технологии
История
Свечение стенок разрядных трубок - катодные лучи поток электронов ;
Рентгеновские лучи;
Анри Беккерель – флуоресценция солей урана - радиоактивность;
Мария и Пьер Кюри – радиоактивность минералов урана выделение Po и Ra
1898 г.
А. Беккерель
Супруги Кюри
Мария Кюри назвала свойство
определенных атомов испускать лучи
радиоактивностью, а уран, торий и
другие подобные элементы –
радиоактивными
«Если существование нового
металла подтвердится, мы
предполагаем назвать его полонием,
имея в виду происхождение одного из
нас»
Ряд урана-238
Радиоактивность самопроизвольное (спонтанное) превращение неустойчивого изотопа
химического элемента в другой изотоп (обычно - изотоп другого элемента). Сущность
явления радиоактивности состоит в самопроизвольном изменении состава атомного
ядра, находящегося в основном состоянии либо в возбуждённом долгоживущем
(метастабильном) состоянии.
Марии Кюри вместе с Ирен
выезжала в прифронтовые
госпитали, сама работала
медицинским лаборантом,
водителем, механиком
Строение атома и ядра - Резерфорд, Жолио-Кюри.
выделенный супругами Кюри).
(радий,
 Опыт Резерфорда (Гейгер и Марсден)– открытие ядра, протона и нейтрона;
Рассеяние моноэнергетических α-частиц
тонким двухкомпонентным образцом
Спектроскопия Резерфордовского
обратного рассеяния
Rutherford backscattering spectrometry, RBS
Рассеяние моноэнергетических α-частиц двухкомпонентным образцом
конечной (слева) и бесконечной (справа) толщины
 Эманация – радиоактивные благородные газы – 1902 – теория радиоактивных
превращений (Резерфорд и Содди);
 1910 - известно около 40 радиоактивных веществ с различными периодами
полураспада, Содди - размещение новых элементов в периодической системе.
Понятие изотоп. Масс-спектрограф.
Нуклид— вид атомов, характеризующийся определёнными массовым числом,
атомным номером, и энергетическим состоянием их ядер, и имеющий время
жизни, достаточное для наблюдения.
Изотопы- разновидности ядер одного и того же химического элемента,
различающаяся количеством нейтронов в ядре.
A
Z
XN
234
92
235
92
U
U
236
92
U
Изобары- нуклиды, имеющие одинаковое массовое число.
14
14
Изобарный эффект в масс-спектрометрии
6
7
C
N
Изомеры - явление существования у ядер атомов метастабильных
(изомерных) возбуждённых состояний с достаточно большим временем
жизни.
137g
137m
56
56
Ba
Ba
Следует правильно употреблять термины «изотоп» и «радионуклид».
Термин «изотоп» характеризует отношение между различными типами
атомов (например, нуклиды 13C и 14C суть изотопы, поскольку имеют
одинаковый заряд ядра, но различную массу, но нельзя назвать 137Cs и
90Sr изотопами).
Можно сказать, например, «тяжелый
«радиоактивный изотоп цезия».
изотоп
водорода»
или
14N(α,p)17O
9Be(α,n)12C
27Al
(,n) 30P
1930 г. В. Боте и Г. Беккер
1932 г. Дж. Чедвик
1934 г. Фредерик и Ирен Жолио-Кюри
искусственная радиоактивность
Э. Ферми - облучение урана нейтронами (1934)
О. Ганн и Ф. Штрассман
1938 г.
 1940 г. Открытие
спонтанного деления 235U
(Флеров, Петржак)
 1942 г. Атомный реактор
(Ферми)
Сентябрь 1943 – старт «Манхэттенского проекта»
16 июля 1945 г. – первое испытание боезаряда («Gadget»)
Август 1945 г. – бомбардировка Хиросимы и Нагасаки
Август 1949 г. – испытание первой Советской атомной бомбы (РДС-1),
Август 1953 г. – первое испытание термоядерного заряда (СССР),
Октябрь 1961 г. – испытание Царь-бомбы
В.И. Вернадский, 1912 год: «Перед нами
открываются в явлениях радиоактивности
источники атомной энергии, в миллионы
раз превышающие те источники сил,
какие только рисовались человеческому
воображению»
1922 год: «Сумеет ли человек
воспользоваться этой силой, направить
ее на добро, а не на самоуничтожение?»
Современное развитие ядерной химии и связь с другими науками и
областями знаний
Радиационная безопасность, радиоэкология, …
Контроль нераспространения ядерных материалов,
Геохимия,
Археология,
Диагностика материалов,
Химический анализ,
Радионуклиды как трассеры в биологии, биохимии, фармакологии, ...
Ядерная энергетика,
Медицина.
Энергетика
Состав отработавшего ядерного топлива
Активность топлива:
14 410 000 Ки – после
разгрузки
1 497 000 Ки – 1 год
394 000 Ки – 10 лет
39 800 Ки – 100 лет
1 590 Ки – 1000 лет
820 Ки -1000 лет (без урана
и плутония)
18 Ки – 1000 лет (без
актинидов)
Actinide Waste Forms
simple oxides:
zirconia
ZrO2
complex oxides:
pyrochlore (Na,Ca,U)2(Nb,Ti,Ta)2O6
murataite
(Na,Y)4(Zn,Fe)3(Ti,Nb)6O18(F,OH)4
zirconolite CaZrTi2O7
silicates:
zircon*
thorite*
garnet*
britholite
titanite
ZrSiO4
ThSiO4
(Ca,Mg,Fe2+)3(Al,Fe3+,Cr3+)2(SiO4)
(Ca,Ce)5(SiO4)3(OH,F)
CaTiO3
phosphates:
monazite*
apatite*
xenotime*
LnPO4
Ca4-xLn6+x(PO4)y(O,F)2
YPO4
*durable heavy minerals
и захоронение
РАО . . . (1998) J. Mater. Res.
Weber, Ewing, Catlow, DiazЯТЦ
de la
Rubia, Hobbs,
e- Beam
Ion BeamIon Beam
Sample
ЯТЦ и захоронение РАО
Gd2Ti2O7 Irradiated with 0.6 MeVAr+
022
11 1
(A)
[2 1 1]
(B)
(C)
(D)
(E)
(A) No dose; (B) 3.5 x 1014; (C) 5.0 x 1014; (D) 6.5 x 1014; 7.6 x 1014 ions/cm2
Gd2Ti2O7 Irradiated with 1.0 MeV Kr+
(A)
(B)
(C)
(D)
5 nm
ЯТЦ и захоронение РАО
Ядерная медицина
• Позитронно-эмиссионная томография
(ПЭТ)
• Гамма-томография
• Направленная бета- и альфарадиотерапия
• Нейтронно-захватная терапия
ПОЗИТРОННО-ЭМИССИОННАЯ
ТОМОГРАФИЯ
ПОЗИТРОННО-ЭМИССИОННАЯ
ТОМОГРАФИЯ
http://en.wikipedia.org/wiki/Positron_e
mission_tomography
Основные ПЭТ-радионуклиды
15O
2,04
мин
13N
9,96
мин
11С
20,4 мин
18F
109,8 мин
ПОЗИТРОННО - ЭМИССИОННАЯ
ТОМОГРАФИЯ
Области применения ПЭТ
A. Клиническая диагностика
онкология
кардиология
неврология
перфузия с 82Rb
болезнь Альцгеймера
метаболизм с 18FDG
болезнь Паркинсона
ПОЗИТРОННО - ЭМИССИОННАЯ
ТОМОГРАФИЯ
Области применения ПЭТ
Б. Молекулярная визуализация в научных исследованиях
C.Halldin CPD 2001, 1907-1929
F.Bengel MIB 2005, 7:22-29
Bing Ma et al. NMB 2005, 701-705
Фармакокинетика
и создание новых
лекарственных
средств
Молекулярная
генетика:
визуализация
генов-репортеров
Новые клеточные
технологии визуализация
стволовых клеток
Состав клинического ПЭТ-центра

сканнер

радиохимия

циклотрон
Радионуклиды для диагностики
•
•
•
99Tc
111In
123I
Радионуклиды для терапии
• Бета
• Альфа
• Оже
AMIN I. KASSIS
P. August Schubiger, Roger
INT. J. RADIAT. BIOL., NOVEMBER–DECEMBER, 2004, VOL. 80, NO. 11–12, 789–803
Alberto, and Alan Smith
НАПРАВЛЕННАЯ АЛЬФА-ТЕРАПИЯ (212Bi)
Выживаемость
1.0
0.8
20 мкКи
0.6
0.4
0.2
0
Контроль
20
40
60
80
Сутки
Miao et al. Clin. Cancer Res. 2005. 11. 15. 5616-21.
100
120
Радионуклиды для терапии
•
•
•
•
•
•
•
90Y
166Ho
Хелатор
Биомолекула
177Lu
213Bi
212Bi
Ac-225 10 д
α 5.8 МэВ
Fr-221 4.8 мин
α 6.3 МэВ
211At
At-217 0.032 c
225Ac
Bi-213 45.6 мин
α 7.0 МэВ
β
Po-213 4.3 мкс
α 8.4 МэВ
Pb-209 3.25 ч
β
Bi-209
Схема синтеза
Радионуклиды как трассеры процессов в
окружающей среде: примеры применения
• Датирование по 14C (археология, геология)
• Определение потоков органического углерода в
гидросфере по 234Th (океанология)
• Исследование эрозии почв с помощью 137Cs, 210Pb, 7Be.
• Исследование времени жизни аэрозолей с помощью
7Be, 32P, 33P
• Датирование океанических, морских, озерных донных
отложений по 10Be, 230Th, 210Pb, анализ «естественных
архивов»
Некоторые радионуклиды, применяемые
в качестве трассеров
10
Be
230
Th
14
C
32
Si
210
Pb
3
H
техногенные радионуклиды
210
Po
7
Be
234
Th
32
P
222
Rn
0
0,001
0,01
0,1
1
10
100
1000
10000
Временной интервал, лет
100000
1000000 10000000
ЦЕЗИЙ-137 В ДОННЫХ ОСАДКАХ
ЧЕРНОГО МОРЯ
137
Cs, Бк/кг
137
Cs, Бк/кг
0
50
100
0
1986
10
20
200
0
1952
30
R.A.Aliev, St.N.Kalmykov,
Yu.A.Sapozhnikov. In:
Environmental radiochemical
analysis II. Cambridge. UK.
254-262.
Горизонт, см
Горизонт, см
0
100
2
1952
4
6
1963
1986
Р.А. Алиев
Р.А. Алиев
Некоторые методы диагностики материалов
Испускаемые частицы или кванты
Налетающие частицы или кванты
Фотоны
Фотоны
Эл-ны
Ионы
Рентгенофлуоресцентная спек.
(XRF)
Оптическая спек. с
лазерным
возбуждением (LOES)
СЭМ/ПЭМ с
рентгеновским
микроанализом
Протонноиндуцированное
испускание рентг.
квантов (PIXE)
Электроны
Рентгеноэлектронная
сп. (XPS)
Оже спек. с фотонным
возб. (P-Auger spec.)
Спек. энергетических
потерь электронов
(TEELS)
Оже спек. с
электронным возб. (EAuger spec.)
Оже спек. с ионным
возб. (I-Auger spec.)
Ионы
Лазерная абляция
Электронная абляция
Масс-спек. вторичных
ионов (SIMS)
Резерфордовское
обратное рассеяние
(RBS)
КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ ДИАГНОСТИКИ
•
Прямые (мгновенные) – IBA (Ion Beam Analysis), в том
числе RBS (Rutherford BackScattering), PIXE (Particle
Induced X-ray Emission), PIGE (Particle Induced Gamma
Emission), NRA (Nuclear Reaction Analysis), PGAA
(Prompt Gamma Activation Analysis)
•
Активационные INAA (Instrumental Neutron Activation
Analysis), RNAA (Radiochemical …), IPAA (Instrumental
Photon Activation Analysis), RPAA (Radiochemical …),
CPAA (Charge Particle …).
• Алиев Р.А., Калмыков С.Н. Радиоактивность. Лань, 2013 (доступно online ?),
• В.Б.Лукьянов, С.С.Бердоносов, И.О.Богатырев, К.Б.Заборенко,
Б.З.Иофа. Радиоактивные индикаторы в химии. Основы метода
(доступно on-line),
• Келлер К. Радиохимия. М. Атомиздат, 1978.
• Хала И., Навратил Дж.Д. Радиоактивность, ионизирующее излучение
и ядерная энергетика. Пер. с англ. под ред. академика Б.Ф.
Мясоедова и С.Н.Калмыкова, Бином, 2013
• Ю.А. Сапожников, Р.А. Алиев, С.Н. Калмыков. Радиоактивность
окружающей среды. М. Бином, 2006
• Б.С. Ишханов, И.М. Капитонов, Н.П. Юдин. Частицы и атомные ядра.
Изд-во МГУ, 2005
Lund Nuclear Data Service
http://nucleardata.nuclear.lu.se/database/nudat/
Ядерная физика в Интернете
http://nuclphys.sinp.msu.ru/
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа