التحولات الإشعاعية للذرة. التحولات الإشعاعية للنوى. مجالات تطبيق مصادر النويدات المشعة

في عام 1900، أخبر رذرفورد عالم الكيمياء الإشعاعية الإنجليزي فريدريك سودي عن الثورون الغامض. أثبت سودي أن الثورون كان غازًا خاملًا مشابهًا للأرجون، الذي تم اكتشافه قبل عدة سنوات في الهواء. لقد كان أحد نظائر الرادون، 220 Rn. تبين أن انبعاث الراديوم، كما اتضح لاحقًا، هو نظير آخر للرادون - 222 Rn (عمر النصف ت 1/2 = 3.825 يوم)، وانبعاث الأكتينيوم هو نظير قصير العمر لنفس العنصر: 219 Rn ( ت 1/2 = 4 ث). علاوة على ذلك، عزل رذرفورد وسودي عنصرًا جديدًا غير متطاير من منتجات تحويل الثوريوم، يختلف في خصائصه عن الثوريوم. كان يطلق عليه الثوريوم X (في وقت لاحق ثبت أنه كان نظير الراديوم 224 Ra c ت 1/2 = 3.66 يوم). كما اتضح فيما بعد، يتم إطلاق "انبعاث الثوريوم" على وجه التحديد من الثوريوم X، وليس من الثوريوم الأصلي. تضاعفت الأمثلة المماثلة: في اليورانيوم أو الثوريوم المنقى كيميائيًا في البداية، ظهر بمرور الوقت خليط من العناصر المشعة، والتي بدورها تم الحصول على عناصر مشعة جديدة، بما في ذلك العناصر الغازية. وهكذا تحولت جسيمات أ المنطلقة من العديد من الأدوية المشعة إلى غاز مماثل للهيليوم، الذي تم اكتشافه في أواخر ستينيات القرن التاسع عشر على الشمس (الطريقة الطيفية)، وفي عام 1882 تم اكتشافه في بعض الصخور.

تم نشر نتائج عملهما المشترك بواسطة رذرفورد وسودي في 1902-1903 في عدد من المقالات في المجلة الفلسفية. في هذه المقالات، وبعد تحليل النتائج التي تم الحصول عليها، توصل المؤلفون إلى استنتاج مفاده أنه من الممكن تحويل بعض العناصر الكيميائية إلى عناصر أخرى. وكتبوا: "النشاط الإشعاعي ظاهرة ذرية، يصاحبها تغيرات كيميائية تتولد فيها أنواع جديدة من المادة... ولا بد من اعتبار النشاط الإشعاعي مظهرا من مظاهر عملية كيميائية داخل الذرة... فالإشعاع يصاحب تحول الذرات.. ونتيجة للتحول الذري يتكون نوع جديد تماما من المادة يختلف تماما في خواصه الفيزيائية والكيميائية عن المادة الأصلية."

في ذلك الوقت، كانت هذه الاستنتاجات جريئة للغاية؛ علماء بارزون آخرون، بما في ذلك آل كوري، على الرغم من أنهم لاحظوا ظواهر مماثلة، أوضحوها بوجود عناصر "جديدة" في المادة الأصلية منذ البداية (على سبيل المثال، عزل كوري البولونيوم والراديوم الموجود فيه من خام اليورانيوم). ومع ذلك، فقد تبين أن رذرفورد وسودي كانا على حق: فالنشاط الإشعاعي يصاحبه تحول بعض العناصر إلى عناصر أخرى

بدا أن ما لا يتزعزع كان ينهار: ثبات الذرات وعدم قابليتها للتجزئة، لأنه منذ زمن بويل ولافوازييه، توصل الكيميائيون إلى استنتاج حول عدم قابلية العناصر الكيميائية للتحلل (كما قالوا آنذاك، "الأجسام البسيطة"، وحدات البناء الكون) حول استحالة تحولهم إلى بعضهم البعض. إن ما كان يدور في أذهان العلماء في ذلك الوقت يتضح بوضوح من تصريحات د. المواد الكيميائية التي ابتكرها وتم التعرف عليها في جميع أنحاء العالم. في كتاب مدرسي نُشر عام 1906 أساسيات الكيمياءلقد كتب: "... أنا لا أميل على الإطلاق (على أساس الانضباط القاسي ولكن المثمر للمعرفة الاستقرائية) للاعتراف حتى بالقابلية الافتراضية لبعض العناصر إلى بعضها البعض ولا أرى أي إمكانية لأصل الأرجون أو المواد المشعة من اليورانيوم أو العكس.

لقد أظهر الزمن مغالطة آراء مندليف بشأن استحالة تحويل بعض العناصر الكيميائية إلى عناصر أخرى؛ وفي الوقت نفسه، أكدت حرمة اكتشافه الرئيسي - القانون الدوري. وأظهرت الأعمال اللاحقة التي أجراها الفيزيائيون والكيميائيون الحالات التي يمكن أن تتحول فيها بعض العناصر إلى عناصر أخرى، وما هي قوانين الطبيعة التي تحكم هذه التحولات.

تحولات العناصر. سلسلة مشعة.

خلال العقدين الأولين من القرن العشرين. ومن خلال عمل العديد من علماء الفيزياء والكيمياء الإشعاعية، تم اكتشاف العديد من العناصر المشعة. لقد أصبح من الواضح تدريجيًا أن منتجات تحولها غالبًا ما تكون في حد ذاتها مشعة وتخضع لمزيد من التحولات، وأحيانًا تكون معقدة جدًا. إن معرفة التسلسل الذي يتحول فيه أحد النويدات المشعة إلى أخرى قد مكن من بناء ما يسمى بالسلسلة المشعة الطبيعية (أو العائلات المشعة). وكان هناك ثلاثة منها، وكانت تسمى صف اليورانيوم، وصف الأكتينيوم، وصف الثوريوم. نشأت هذه السلاسل الثلاث من عناصر طبيعية ثقيلة - اليورانيوم، المعروف منذ القرن الثامن عشر، والثوريوم، الذي تم اكتشافه عام 1828 (الأكتينيوم غير المستقر ليس السلف، ولكنه عضو وسيط في سلسلة الأكتينيوم). وفي وقت لاحق، أضيفت إليهم سلسلة النبتونيوم، بدءاً بعنصر ما بعد اليورانيوم الأول رقم 93، الذي تم الحصول عليه صناعياً في عام 1940، وهو النبتونيوم. تم أيضًا تسمية العديد من منتجات تحويلها على اسم العناصر الأصلية، وكتابة المخططات التالية:

سلسلة اليورانيوم: UI ® UХ1 ® UХ2 ® UII ® Io (أيون) ® Ra ® ... ® RaG.

سلسلة شقائق النعمان البحرية: AcU ® UY ® Pa ® Ac ® AcK ® AcX ® An ® AcA ® AcB ® AcC ® AcC "" ® AcD.

سلسلة الثوريوم: Th ® MsTh1 ® MsTh2 ® RdTh ® ThХ ® ThEm ® ThA ® ThB ® ThC ® ThC" ® ThD.

وكما اتضح فيما بعد، فإن هذه الصفوف ليست دائمًا سلاسل "مستقيمة": فهي تتفرع من وقت لآخر. لذا، يمكن أن يتحول UX2 باحتمال 0.15% إلى UZ، ثم ينتقل بعد ذلك إلى UII. وبالمثل، يمكن أن يتحلل ThC بطريقتين: يحدث تحول ThC ® ThC" بنسبة 66.3%، وفي نفس الوقت، مع احتمال 33.7%، تحدث عملية ThC ® ThC"" ® ThD. تسمى "الشوكات"، وهي التحويل الموازي لنويدة مشعة واحدة إلى منتجات مختلفة، كما ارتبطت صعوبة تحديد التسلسل الصحيح للتحولات الإشعاعية في هذه السلسلة بالعمر القصير للغاية للعديد من أعضائها، وخاصة تلك النشطة بيتا.

ذات مرة، تم اعتبار كل عضو جديد في السلسلة المشعة عنصرًا مشعًا جديدًا، وقدم الفيزيائيون وعلماء الكيمياء الإشعاعية تسمياتهم الخاصة له: الأيونيوم Io، الميزوثوريوم -1 MsTh1، الأكتينورانيوم AcU، انبعاث الثوريوم ThEm، إلخ. إلخ. هذه التسميات مرهقة وغير مريحة، وليس لها نظام واضح. ومع ذلك، لا يزال البعض منها يستخدم في بعض الأحيان بشكل تقليدي في الأدب المتخصص. بمرور الوقت، أصبح من الواضح أن كل هذه الرموز تشير إلى أنواع غير مستقرة من الذرات (بتعبير أدق، نوى) العناصر الكيميائية العادية - النويدات المشعة. للتمييز بين العناصر غير القابلة للفصل كيميائيًا، ولكنها تختلف في عناصر نصف العمر (وغالبًا في نوع الاضمحلال)، اقترح ف. سودي في عام 1913 تسميتها بالنظائر

وبعد تخصيص كل عضو في السلسلة لأحد نظائر العناصر الكيميائية المعروفة، أصبح من الواضح أن سلسلة اليورانيوم تبدأ باليورانيوم 238 ( ت 1/2 = 4.47 مليار سنة) وينتهي بالرصاص المستقر 206؛ وبما أن أحد أعضاء هذه السلسلة هو عنصر الراديوم المهم جداً)، فإن هذه السلسلة تسمى أيضاً بسلسلة اليورانيوم-الراديوم. سلسلة الأكتينيوم (اسمها الآخر هو سلسلة الأكتينورانيوم) تنشأ أيضًا من اليورانيوم الطبيعي، ولكن من نظائره الأخرى - 235 يو ( ت 1/2 = 794 مليون سنة). تبدأ سلسلة الثوريوم بالنويدة 232Th ( ت 1/2 = 14 مليار سنة). أخيرًا، تبدأ سلسلة النبتونيوم، غير الموجودة في الطبيعة، بنظائر النبتونيوم الأطول عمرًا الذي تم الحصول عليه صناعيًا: 237 Np ® 233 Pa ® 233 U ® 229 Th ® 225 Ra ® 225 Ac ® 221 Fr ® 217 At ® 213 ثنائي ® 213 بو ® 209 الرصاص ® 209 ثنائي. هناك أيضًا "شوكة" في هذه السلسلة: 213 Bi مع احتمال 2٪ يمكن أن يتحول إلى 209 Tl، والذي يتحول بالفعل إلى 209 Pb. الميزة الأكثر إثارة للاهتمام في سلسلة النبتونيوم هي عدم وجود "انبعاثات" غازية، بالإضافة إلى العضو النهائي في السلسلة - البزموت بدلاً من الرصاص. ويبلغ عمر النصف لسلف هذه السلسلة الاصطناعية "فقط" 2.14 مليون سنة، لذا فإن النبتونيوم، حتى لو كان موجودا أثناء تكوين النظام الشمسي، لا يمكنه "البقاء" حتى يومنا هذا، لأن يقدر عمر الأرض بـ 4.6 مليار سنة، وخلال هذا الوقت (أكثر من 2000 نصف عمر) لن تبقى ذرة واحدة من النبتونيوم.

على سبيل المثال، كشف رذرفورد عن التشابك المعقد للأحداث في سلسلة تحويل الراديوم (الراديوم-226 هو العضو السادس في السلسلة المشعة لليورانيوم-238). يوضح الرسم البياني كلا من رموز زمن رذرفورد والرموز الحديثة للنويدات، بالإضافة إلى نوع الاضمحلال والبيانات الحديثة عن فترات نصف العمر؛ في السلسلة المذكورة أعلاه يوجد أيضًا "شوكة" صغيرة: يمكن لـ RaC مع احتمال 0.04٪ أن يتحول إلى RaC""(210 Tl)، والذي يتحول بعد ذلك إلى نفس RaD ( ت 1/2 = 1.3 دقيقة). يتمتع هذا الرصاص المشع بعمر نصف طويل إلى حد ما، لذلك خلال التجربة يمكن للمرء في كثير من الأحيان تجاهل تحولاته الإضافية.

العضو الأخير في هذه السلسلة، الرصاص 206 (RaG)، مستقر؛ وفي الرصاص الطبيعي 24.1%. تؤدي سلسلة الثوريوم إلى الرصاص 208 المستقر (محتواه في الرصاص "العادي" 52.4%)، وسلسلة الأكتينيوم تؤدي إلى الرصاص 207 (محتواه في الرصاص 22.1%). إن نسبة نظائر الرصاص هذه في القشرة الأرضية الحديثة ترتبط بالطبع بكل من نصف عمر النويدات الأصلية ونسبتها الأولية في المادة التي تشكلت منها الأرض. والرصاص "العادي" غير المشع في القشرة الأرضية يبلغ 1.4% فقط. لذا، إذا لم يكن هناك يورانيوم وثوريوم على الأرض في البداية، فلن يكون الرصاص فيها 1.6 × 10 –3% (تقريبًا مثل الكوبالت)، ولكن أقل بـ 70 مرة (مثل، على سبيل المثال، معادن نادرة مثل الإنديوم و الثوليوم!). من ناحية أخرى، فإن الكيميائي الوهمي الذي طار إلى كوكبنا منذ عدة مليارات من السنين كان سيجد كمية أقل بكثير من الرصاص وكمية أكبر بكثير من اليورانيوم والثوريوم...

عندما عزل F. Soddy في عام 1915 الرصاص المتكون من تحلل الثوريوم من معدن الثوريوم السيلاني (ThSiO 4)، تبين أن كتلته الذرية تساوي 207.77، أي أكثر من كتلة الرصاص "العادي" (207.2). وهذا الاختلاف عن "النظري" (208) يفسره حقيقة أن الثوريت يحتوي على بعض اليورانيوم الذي ينتج الرصاص 206. وعندما قام الكيميائي الأمريكي ثيودور ويليام ريتشاردز، وهو خبير في مجال قياس الكتل الذرية، بعزل الرصاص من بعض معادن اليورانيوم التي لا تحتوي على الثوريوم، تبين أن كتلته الذرية تساوي تقريبًا 206، وكانت كثافة هذا الرصاص أيضًا أقل بقليل. ، وهي تتوافق مع المحسوبة: r (Pb) β 206/207.2 = 0.994r (Pb)، حيث r (Pb) = 11.34 جم/سم3. تظهر هذه النتائج بوضوح لماذا بالنسبة للرصاص، كما هو الحال بالنسبة لعدد من العناصر الأخرى، لا فائدة من قياس الكتلة الذرية بدقة عالية جدًا: فالعينات المأخوذة من أماكن مختلفة ستعطي نتائج مختلفة قليلاً ( سم.وحدة الكربون).

في الطبيعة، تحدث سلاسل التحولات الموضحة في المخططات بشكل مستمر. ونتيجة لذلك، تتحول بعض العناصر الكيميائية (المشعة) إلى عناصر أخرى، وقد حدثت مثل هذه التحولات طوال فترة وجود الأرض بأكملها. العناصر الأولية (التي يطلق عليها الأصل) من السلسلة المشعة هي الأطول عمرا: نصف عمر اليورانيوم 238 هو 4.47 مليار سنة، والثوريوم 232 هو 14.05 مليار سنة، واليورانيوم 235 (المعروف أيضًا باسم "الأكتينورانيوم" هو 14.05 مليار سنة). سلف سلسلة الأكتينيوم) - 703.8 مليون سنة. جميع الأعضاء اللاحقين ("الابنة") في هذه السلسلة الطويلة يعيشون حياة أقصر بكثير. في هذه الحالة، تحدث حالة يسميها علماء الكيمياء الإشعاعية "التوازن الإشعاعي": معدل تكوين النويدة المشعة المتوسطة من اليورانيوم الأصلي أو الثوريوم أو الأكتينيوم (هذا المعدل منخفض جدًا) يساوي معدل تحلل هذه النويدة. ونتيجة لتساوي هذه المعدلات، يكون محتوى نويدة مشعة معينة ثابتًا ويعتمد فقط على نصف عمرها: تركيز العناصر قصيرة العمر من السلسلة المشعة صغير، وتركيز العناصر طويلة العمر هو أكبر. يتم الحفاظ على ثبات محتوى منتجات الاضمحلال الوسيطة لفترة طويلة جدًا (يتم تحديد هذه المرة من خلال نصف عمر النويدة الأم، وهي طويلة جدًا). تؤدي التحولات الرياضية البسيطة إلى النتيجة التالية: نسبة عدد الأمهات ( ن 0) والأطفال ( ن 1, ن 2, ن 3...) الذرات تتناسب طرديا مع نصف عمرها: ن 0:ن 1:ن 2:ن 3... = ت 0:ت 1:ت 2:ت 3... وهكذا فإن نصف عمر اليورانيوم-238 هو 4.47109 سنوات، والراديوم 226 هو 1600 سنة، وبالتالي فإن نسبة عدد ذرات اليورانيوم-238 والراديوم-226 في خامات اليورانيوم هي 4.47109: 1600، والتي يسهل حسابها (مع الأخذ في الاعتبار الكتل الذرية لهذه العناصر) أنه لكل طن واحد من اليورانيوم، عند الوصول إلى التوازن الإشعاعي، لا يوجد سوى 0.34 جرام من الراديوم.

والعكس صحيح، فبمعرفة نسبة اليورانيوم والراديوم في الخامات، وكذلك نصف عمر الراديوم، من الممكن تحديد نصف عمر اليورانيوم، ولتحديد نصف عمر الراديوم لا تحتاج إلى انتظر أكثر من ألف سنة - يكفي قياس (بنشاطه الإشعاعي) معدل الانحلال (أي قيمة .d) ن/د ر) كمية صغيرة معروفة من هذا العنصر (مع عدد معروف من الذرات ن) ثم حسب الصيغة د ن/د ر= -ل نحدد القيمة l = ln2/ ت 1/2.

قانون النزوح.

إذا تم رسم أعضاء أي سلسلة مشعة بشكل تسلسلي في الجدول الدوري للعناصر، يتبين أن النويدات المشعة في هذه السلسلة لا تنتقل بسلاسة من العنصر الأصلي (اليورانيوم أو الثوريوم أو النبتونيوم) إلى الرصاص أو البزموت، بل "تقفز" إلى اليمين ثم إلى اليسار. وهكذا، في سلسلة اليورانيوم، يتم تحويل نظيرين غير مستقرين للرصاص (العنصر رقم 82) إلى نظائر البزموت (العنصر رقم 83)، ثم إلى نظائر البولونيوم (العنصر رقم 84)، ثم مرة أخرى إلى نظائر الرصاص. . ونتيجة لذلك، غالبًا ما يعود العنصر المشع مرة أخرى إلى نفس الخلية في جدول العناصر، ولكن يتم تكوين نظير له كتلة مختلفة. اتضح أن هناك نمطًا معينًا في هذه "القفزات" لاحظه ف. سودي في عام 1911.

من المعروف الآن أنه أثناء الاضمحلال، ينبعث جسيم (نواة ذرة الهيليوم) من النواة، وبالتالي، تنخفض شحنة النواة بمقدار 2 (تحول في الجدول الدوري بمقدار خليتين إلى يسارًا)، وينخفض ​​العدد الكتلي بمقدار 4، مما يسمح لنا بالتنبؤ بالنظائر التي يتكون منها العنصر الجديد. أحد الأمثلة على ذلك هو اضمحلال غاز الرادون: ® + . أما في حالة الاضمحلال b، على العكس من ذلك، فإن عدد البروتونات في النواة يزيد بمقدار واحد، لكن كتلة النواة لا تتغير ( سم.النشاط الإشعاعي)، أي. هناك تحول في جدول العناصر بمقدار خلية واحدة إلى اليمين. ومن الأمثلة على ذلك تحولان متتاليان للبولونيوم المتكون من الرادون: ® ® . وبالتالي، من الممكن حساب عدد جسيمات ألفا وبيتا المنبعثة، على سبيل المثال، نتيجة لتحلل الراديوم 226 (انظر سلسلة اليورانيوم)، إذا لم نأخذ في الاعتبار "الشوكات". النويدة الأولية، النويدة النهائية - . النقصان في الكتلة (أو بالأحرى العدد الكتلي، أي العدد الإجمالي للبروتونات والنيوترونات في النواة) يساوي 226 – 206 = 20، وبالتالي، تم إصدار 20/4 = 5 جسيمات ألفا. حملت هذه الجسيمات 10 بروتونات بعيدًا، وإذا لم يكن هناك اضمحلال b، فإن الشحنة النووية لمنتج الاضمحلال النهائي ستكون تساوي 88 - 10 = 78. في الواقع، هناك 82 بروتونًا في المنتج النهائي، وبالتالي، خلال فترة الاضمحلال التحولات، انبعثت 4 نيوترونات إلى بروتونات و 4 جسيمات ب.

في كثير من الأحيان، يتبع اضمحلال a اضمحلالين b، وبالتالي يعود العنصر الناتج إلى الخلية الأصلية لجدول العناصر - في شكل نظير أخف للعنصر الأصلي. بفضل هذه الحقائق، أصبح من الواضح أن القانون الدوري لـ D.I. Mendeleev يعكس العلاقة بين خصائص العناصر وشحنة نواتها، وليس كتلتها (كما تمت صياغته في الأصل عندما لم تكن بنية الذرة معروفة).

تمت صياغة قانون الإزاحة الإشعاعية أخيرًا في عام 1913 نتيجة للبحث المضني الذي أجراه العديد من العلماء. وكان من أبرزهم مساعد سودي ألكسندر فليك، ومتدرب سودي إيه إس راسل، والكيميائي الفيزيائي المجري وعالم الكيمياء الإشعاعية جيورجي هيفيزي، الذي عمل مع رذرفورد في جامعة مانشستر في 1911-1913، والكيميائي الفيزيائي الألماني (والأمريكي لاحقًا) كازيمير فاجانس. 1887-1975). غالبًا ما يُطلق على هذا القانون اسم قانون Soddy-Faience.

التحول الاصطناعي للعناصر والنشاط الإشعاعي الاصطناعي.

تم إجراء العديد من التحولات المختلفة باستخدام الديوترونات، وهي نواة الديوتيريوم نظير الهيدروجين الثقيل، والتي تم تسريعها إلى سرعات عالية. وهكذا، أثناء التفاعل + ® +، تم إنتاج الهيدروجين فائق الثقل لأول مرة - التريتيوم. يمكن أن يتم تصادم اثنين من الديوترونات بشكل مختلف: + ® + ، هذه العمليات مهمة لدراسة إمكانية حدوث تفاعل نووي حراري متحكم فيه. تبين أن التفاعل + ® () ® 2 مهم، لأنه يحدث بالفعل عند طاقة منخفضة نسبيًا من الديوترونات (0.16 ميجا فولت) ويصاحبه إطلاق طاقة هائلة - 22.7 ميجا فولت (تذكر أن 1 ميجا فولت = 10 6 فولت) و 1 فولت = 96.5 كيلوجول/مول).

اكتسب التفاعل الذي يحدث عند قصف البريليوم بجسيمات ألفا أهمية عملية كبيرة: + ® () ® + ، أدى في عام 1932 إلى اكتشاف جسيم النيوترون المحايد، وتبين أن مصادر نيوترونات الراديوم والبريليوم مريحة للغاية للبحث العلمي. يمكن أيضًا الحصول على نيوترونات ذات طاقات مختلفة نتيجة التفاعلات + ® + ; + ® + ; + ® + . تخترق النيوترونات الخالية من الشحنة النوى الذرية بسهولة خاصة وتتسبب في مجموعة متنوعة من العمليات التي تعتمد على النويدة المنطلقة وعلى سرعة (طاقة) النيوترونات. وبالتالي، يمكن ببساطة أن تلتقط النواة نيوترونًا بطيئًا، وتتحرر النواة من بعض الطاقة الزائدة عن طريق إصدار كمية جاما، على سبيل المثال: + ® + g. يستخدم هذا التفاعل على نطاق واسع في المفاعلات النووية للتحكم في تفاعل انشطار اليورانيوم: يتم دفع قضبان أو صفائح الكادميوم إلى المرجل النووي لإبطاء التفاعل.

إذا كان الأمر يقتصر على هذه التحولات، فبعد إيقاف التشعيع، كان من المفترض أن يجف تدفق النيوترونات على الفور، لذلك، بعد إزالة مصدر البولونيوم، توقعوا توقف كل النشاط، لكنهم وجدوا أن عداد الجسيمات استمر في العمل. تسجيل النبضات التي تلاشت تدريجيًا - بما يتوافق تمامًا مع القانون الأسي. يمكن تفسير ذلك بطريقة واحدة فقط: نتيجة لتشعيع ألفا، ظهرت عناصر مشعة غير معروفة سابقًا بنصف عمر مميز يبلغ 10 دقائق للنيتروجين-13 و2.5 دقيقة للفوسفور-30. اتضح أن هذه العناصر تخضع لتحلل البوزيترون: ® + e + , ® + e + . تم الحصول على نتائج مثيرة للاهتمام باستخدام المغنيسيوم، ممثلاً بثلاثة نظائر طبيعية مستقرة، واتضح أنه عند التشعيع، تنتج جميعها نويدات مشعة من السيليكون أو الألومنيوم، والتي تخضع لتحلل 227 أو البوزيترون:

يعد إنتاج العناصر المشعة الاصطناعية ذا أهمية عملية كبيرة، لأنه يسمح بتخليق النويدات المشعة بنصف عمر مناسب لغرض معين ونوع الإشعاع المطلوب بقوة معينة. من الملائم بشكل خاص استخدام النيوترونات كـ "مقذوفات". غالبًا ما يؤدي التقاط النيوترون بواسطة النواة إلى جعلها غير مستقرة لدرجة أن النواة الجديدة تصبح مشعة. يمكن أن يصبح مستقرًا بسبب تحول النيوترون "الإضافي" إلى بروتون، أي بسبب إشعاع 227؛ هناك الكثير من هذه التفاعلات المعروفة، على سبيل المثال: + ® ® + e. إن تفاعل تكوين الكربون المشع الذي يحدث في الطبقات العليا من الغلاف الجوي مهم جدًا: + ® + ( سم.طريقة تحليل الكربون المشع). يتم تصنيع التريتيوم عن طريق امتصاص النيوترونات البطيئة بواسطة نوى الليثيوم -6. يمكن تحقيق العديد من التحولات النووية تحت تأثير النيوترونات السريعة، على سبيل المثال: + ® + ; + ® + ; + ® + . وبالتالي، من خلال تشعيع الكوبالت العادي بالنيوترونات، يتم الحصول على الكوبالت 60 المشع، وهو مصدر قوي لإشعاع غاما (يتم إطلاقه بواسطة منتج الاضمحلال المكون من 60 نواة متحمسة). يتم إنتاج بعض عناصر ما بعد اليورانيوم عن طريق التشعيع بالنيوترونات. على سبيل المثال، من اليورانيوم الطبيعي 238، يتكون اليورانيوم 239 غير المستقر لأول مرة، والذي، خلال الاضمحلال ب ( ت 1/2 = 23.5 دقيقة) يتحول إلى عنصر ما بعد اليورانيوم الأول النبتونيوم -239، وهو بدوره أيضًا عن طريق الاضمحلال ب ( ت 1/2 = 2.3 يوم) يتحول إلى ما يسمى بالبلوتونيوم 239 المهم للغاية.

هل من الممكن الحصول على الذهب صناعياً عن طريق إجراء التفاعل النووي اللازم وبالتالي تحقيق ما فشل الكيميائيون في تحقيقه؟ ومن الناحية النظرية لا توجد عوائق أمام ذلك. علاوة على ذلك، فقد تم بالفعل تنفيذ مثل هذا التوليف، لكنه لم يجلب الثروة. أسهل طريقة لإنتاج الذهب صناعيًا هي تشعيع العنصر التالي في الجدول الدوري بعد الذهب بتيار من النيوترونات. ثم، نتيجة لتفاعل + ® +، يقوم النيوترون بإخراج بروتون من ذرة الزئبق وتحويله إلى ذرة ذهب. لا يشير هذا التفاعل إلى أعداد كتلية محددة ( أ) نويدات الزئبق والذهب. الذهب في الطبيعة هو النويدة الوحيدة المستقرة، والزئبق الطبيعي عبارة عن خليط معقد من النظائر مع أ= 196 (0.15%)، 198 (9.97%)، 199 (1.87%)، 200 (23.10%)، 201 (13.18%)، 202 (29.86%)، 204 (6.87%). وبالتالي، وفقا للمخطط أعلاه، يمكن الحصول على الذهب المشع غير المستقر فقط. تم الحصول عليه من قبل مجموعة من الكيميائيين الأمريكيين من جامعة هارفارد في أوائل عام 1941، حيث قاموا بإشعاع الزئبق بتيار من النيوترونات السريعة. وبعد بضعة أيام، تحولت جميع نظائر الذهب المشعة الناتجة، من خلال اضمحلال بيتا، مرة أخرى إلى النظائر الأصلية للزئبق...

ولكن هناك طريقة أخرى: إذا تم تشعيع ذرات الزئبق -196 بالنيوترونات البطيئة، فسوف تتحول إلى ذرات زئبق -197: + ® + g. تخضع هذه الذرات، التي يبلغ عمر نصفها 2.7 يومًا، لالتقاط الإلكترون وتتحول أخيرًا إلى ذرات ذهب مستقرة: + e ® . تم تنفيذ هذا التحول في عام 1947 من قبل موظفي المختبر الوطني في شيكاغو. ومن خلال تشعيع 100 ملغ من الزئبق بالنيوترونات البطيئة، حصلوا على 0.035 ملغ من 197Au. بالنسبة لجميع الزئبق، فإن العائد صغير جدا - فقط 0.035٪، ولكن بالنسبة إلى 196 زئبق يصل إلى 24٪! ومع ذلك، فإن النظير 196 زئبق في الزئبق الطبيعي هو الأقل، بالإضافة إلى ذلك، فإن عملية التشعيع نفسها ومدتها (سيتطلب التشعيع عدة سنوات)، وعزل "الذهب الاصطناعي" المستقر من خليط معقد سيكلف أكثر بما لا يقاس من عزل الذهب من أفقر الخام(). لذا فإن الإنتاج الاصطناعي للذهب له أهمية نظرية بحتة فقط.

الأنماط الكمية للتحولات الإشعاعية.

إذا كان من الممكن تتبع نواة معينة غير مستقرة، فسيكون من المستحيل التنبؤ بموعد اضمحلالها. هذه عملية عشوائية، ولا يمكن تقييم احتمالية الاضمحلال خلال فترة زمنية معينة إلا في حالات معينة. ومع ذلك، حتى أصغر بقعة من الغبار، غير مرئية تقريبًا تحت المجهر، تحتوي على عدد كبير من الذرات، وإذا كانت هذه الذرات مشعة، فإن اضمحلالها يخضع لقوانين رياضية صارمة: القوانين الإحصائية المميزة لعدد كبير جدًا من الكائنات تدخل حيز التنفيذ . ومن ثم يمكن وصف كل نويدات مشعة بقيمة محددة للغاية - نصف العمر ( ت 1/2) هو الوقت الذي يضمحل فيه نصف العدد المتاح من النوى. إذا كان هناك في اللحظة الأولى ن 0 النوى، ثم بعد فترة من الوقت ر = تسيبقى نصفهم ن 0/2، في ر = 2تسيبقى 1/2 ن 0/4 = ن 0/2 2 , في ر = 3ت 1/2 – ن 0/8 = ن 0/2 3 إلخ. على العموم متى ر = ن.تسيبقى 1/2 ن 0/2 نالنواة، حيث ن = ر/ت 1/2 هو عدد فترات نصف العمر (ليس من الضروري أن يكون عددًا صحيحًا). فمن السهل أن تظهر أن الصيغة ن = ن 0/2 ر/ت 1/2 يعادل الصيغة ن = ن 0ه – ل ر، حيث l هو ما يسمى ثابت الاضمحلال. رسميا، يتم تعريفه على أنه معامل التناسب بين معدل الانحلال د ن/د روالعدد المتاح من النوى: د ن/د ر= - ل ن(علامة الطرح تشير إلى ذلك نيتناقص مع مرور الوقت). دمج هذه المعادلة التفاضلية يعطي الاعتماد الأسي لعدد النوى في الوقت المحدد. استبدال في هذه الصيغة ن = ن 0/2 في ر = ت 1/2، نجد أن ثابت الانحلال يتناسب عكسيًا مع نصف العمر: l = ln2/ ت 1/2 = 0,693/ت 1/2. القيمة t = 1/ l تسمى متوسط ​​عمر النواة. على سبيل المثال، مقابل 226 ر.ع ت 1/2 = 1600 سنة، ر = 1109 سنة.

حسب الصيغ المعطاة معرفة القيمة ت 1/2 (أو لتر)، فمن السهل حساب كمية النويدات المشعة بعد أي فترة زمنية، ومنها يمكنك حساب نصف العمر إذا كانت كمية النويدات المشعة معروفة في نقاط زمنية مختلفة. بدلاً من عدد النوى، يمكنك استبدال النشاط الإشعاعي في الصيغة، والذي يتناسب طرديًا مع العدد المتاح من النوى ن. لا يتميز النشاط عادة بالعدد الإجمالي للانحطاطات في العينة، ولكن بعدد النبضات المتناسبة معه، والتي يتم تسجيلها بواسطة جهاز قياس النشاط. إذا كان هناك، على سبيل المثال، 1 جرام من مادة مشعة، فكلما كان نصف عمرها أقصر، كلما كانت المادة أكثر نشاطًا.

تصف قوانين رياضية أخرى سلوك عدد صغير من النويدات المشعة. هنا يمكننا أن نتحدث فقط عن احتمال وقوع حدث معين. لنفترض، على سبيل المثال، وجود ذرة واحدة (أو بالأحرى نواة واحدة) من النويدة المشعة ت 1/2 = 1 دقيقة. احتمال أن تعيش هذه الذرة دقيقة واحدة هو 1/2 (50%)، 2 دقيقة - 1/4 (25%)، 3 دقائق - 1/8 (12.5%)، 10 دقائق - (1/2 ) 10 = 1/10 24 (0.1%)، 20 دقيقة – (1/2) 20 = 1/1048576 (0.00001%). بالنسبة لذرة واحدة، تكون الفرصة ضئيلة، ولكن عندما يكون هناك الكثير من الذرات، على سبيل المثال، عدة مليارات من الذرات، فإن الكثير منها، بلا شك، سيعيش 20 نصف عمر أو أكثر من ذلك بكثير. يتم الحصول على احتمال اضمحلال الذرة خلال فترة زمنية معينة عن طريق طرح القيم التي تم الحصول عليها من 100. لذلك، إذا كان احتمال بقاء الذرة على قيد الحياة لمدة دقيقتين هو 25٪، فإن احتمال اضمحلال نفس الذرة خلال هذه الفترة الوقت 100 - 25 = 75%، احتمال التفكك خلال 3 دقائق - 87.5%، خلال 10 دقائق - 99.9%، إلخ.

تصبح الصيغة أكثر تعقيدًا إذا كان هناك عدة ذرات غير مستقرة. في هذه الحالة، يتم وصف الاحتمالية الإحصائية لحدث ما بصيغة ذات معاملات ذات الحدين. إذا كان هناك نالذرات، واحتمال اضمحلال إحداها مع مرور الوقت ريساوي ص، ثم احتمال ذلك خلال ذلك الوقت رمن نسوف تتحلل الذرات ن(وستبقى كذلك ن – ن)، يساوي ص = ن!ص ن(1–ص) ن–ن /(ن–ن)!ن! ويجب استخدام صيغ مماثلة في تركيب عناصر جديدة غير مستقرة، يتم الحصول على ذراتها بشكل فردي حرفيًا (على سبيل المثال، عندما اكتشف مجموعة من العلماء الأمريكيين عنصر المندليفيوم الجديد في عام 1955، حصلوا عليه بكمية 17 ذرة فقط) ).

ويمكن توضيح تطبيق هذه الصيغة في حالة محددة. دعونا، على سبيل المثال، يكون هناك ن= 16 ذرة بنصف عمر 1 ساعة. يمكنك حساب احتمالية اضمحلال عدد معين من الذرات، على سبيل المثال في الزمن ر= 4 ساعات. احتمال بقاء ذرة واحدة على قيد الحياة خلال هذه الساعات الأربع هو 1/2 4 = 1/16، على التوالي، وهو احتمال اضمحلالها خلال هذا الوقت ص= 1 - 1/16 = 15/16. استبدال هذه البيانات الأولية في الصيغة يعطي: ر = 16!(15/16) ن (1/16) 16–ن /(16–ن)!ن! = 16!15 ن /2 64 (16–ن)!ن! تظهر نتائج بعض الحسابات في الجدول:

الجدول 1.
الذرات المتبقية (16– ن)	16	10	8	6	4	3	2	1	0
الذرات تلاشت ن	0	6	8	10	12	13	14	15	16
احتمال ر, %	5·10 -18	5·10 –7	1.8·10 –4	0,026	1,3	5,9	19,2	38,4	35,2

وبالتالي، من بين 16 ذرة بعد 4 ساعات (4 فترات نصف عمر)، لن تبقى واحدة على الإطلاق، كما يمكن الافتراض: احتمال هذا الحدث هو 38.4٪ فقط، على الرغم من أنه أكبر من احتمال أي نتيجة أخرى. وكما يتبين من الجدول، فإن احتمال اضمحلال جميع الذرات الـ 16 (35.2%) أو 14 منها فقط هو أيضًا احتمال مرتفع جدًا. لكن احتمال أن تظل جميع الذرات "حية" بعد 4 فترات من عمر النصف (لم تضمحل أي منها) ضئيل. من الواضح أنه إذا لم يكن هناك 16 ذرة، ولكن دعنا نقول، 10 20، فيمكننا القول بثقة 100٪ تقريبًا أنه بعد ساعة واحدة سيبقى نصف عددها، وبعد ساعتين - ربع، وما إلى ذلك. وهذا يعني أنه كلما زاد عدد الذرات، كلما كان اضمحلالها أكثر دقة مع القانون الأسي.

أظهرت العديد من التجارب التي أجريت منذ زمن بيكريل أن معدل التحلل الإشعاعي لا يتأثر عمليا بدرجة الحرارة أو الضغط أو الحالة الكيميائية للذرة. الاستثناءات نادرة جدًا؛ وهكذا، في حالة التقاط الإلكترون، القيمة تيتغير 1/2 قليلاً مع تغير حالة أكسدة العنصر. على سبيل المثال، يحدث اضمحلال 7 BeF 2 بشكل أبطأ بنسبة 0.1% تقريبًا من 7 BeO أو 7 Be المعدني.

العدد الإجمالي للنوى غير المستقرة المعروفة - النويدات المشعة - يقترب من ألفين، ويختلف عمرها ضمن حدود واسعة جدا. هناك نويدات مشعة معروفة طويلة العمر، حيث يصل عمر النصف لها إلى ملايين وحتى مليارات السنين، ونويدات قصيرة العمر، والتي تضمحل تمامًا في أجزاء صغيرة من الثانية. يوضِّح الجدول أعمار النصف لبعض النويدات المشعة.

خصائص بعض النويدات المشعة (بالنسبة لـ Tc وPm وPo وجميع العناصر اللاحقة التي ليس لها نظائر مستقرة، يتم تقديم البيانات الخاصة بنظائرها الأطول عمراً).

الجدول 2.
رقم سري	رمز	العدد الشامل	نصف الحياة
1	ت	3	12,323 سنة
6	مع	14	5730 سنة
15	ر	32	14.3 يوم
19	ل	40	1.28 10 9 سنوات
27	شركة	60	5272 سنة
38	الأب	90	28.5 سنة
43	نهاية الخبر	98	4.2 10 6 سنوات
53	أنا	131	8.02 يوم
61	مساءً	145	17.7 سنة
84	ريال عماني	209	102 سنة
85	في	210	8.1 ساعة
86	آر إن	222	3825 يوما
87	الأب	223	21.8 دقيقة
88	رع	226	1600 سنة
89	مكيف الهواء	227	21.77 سنة
90	ذ	232	1.405 10 9 سنوات
91	رع	231	32,760 سنة
92	ش	238	4.468 10 9 سنوات
93	نب	237	2.14 10 6 سنوات
94	بو	244	8.26 10 7 سنوات
95	أكون	243	7370 سنة
96	سم	247	1.56 10 7
97	بك	247	1380 سنة
98	راجع	251	898 سنة
99	وفاق	252	471.7 يوما
100	وزير الخارجية	257	100.5 يوم
101	دكتوراه في الطب	260	27.8 يوما
102	لا	259	58 دقيقة
103	ل	262	3.6 ساعة
104	الترددات اللاسلكية	261	78 ثانية
105	ديسيبل	262	34 ثانية
106	سان ج	266	21 ثانية
107	ب	264	0.44 ثانية
108	هس	269	9 ثانية
109	جبل	268	70 مللي ثانية
110	س	271	56 مللي ثانية
111	–	272	1.5 مللي ثانية
112	–	277	0.24 مللي ثانية

أقصر نويدات معروفة عمرًا هي 5 Li: عمرها هو 4.4·10 –22 ثانية). خلال هذا الوقت، حتى الضوء سوف يسافر مسافة 10-11 سم فقط، أي. مسافة أكبر بعشرات المرات فقط من قطر النواة وأصغر بكثير من حجم أي ذرة. الأطول عمرا هو 128 تي (يحتوي على التيلوريوم الطبيعي بكمية 31.7%) مع نصف عمر يبلغ ثمانية سيبتليون (8·10 24) سنة - ومن الصعب حتى تسميته مشعًا؛ للمقارنة، يقدر عمر كوننا بـ 10 10 سنوات "فقط".

وحدة النشاط الإشعاعي للنويدة هي البيكيريل: 1 بكريل (Bq) يقابل اضمحلالًا واحدًا في الثانية. غالبًا ما يتم استخدام وحدة كوري خارج النظام: 1 Ci (Ci) يساوي 37 مليار تفكك في الثانية أو 3.7 . 10 10 بيكريل (1 جم من 226 رع له هذا النشاط تقريبًا). في وقت ما، تم اقتراح وحدة خارج النظام من نظام رذرفورد: 1 Рд (Rd) = 10 6 Bq، لكنها لم تكن منتشرة على نطاق واسع.

الأدب:

سودي ف. تاريخ الطاقة الذرية. م.، أتوميزدات، 1979
شوبان جي وآخرون. الكيمياء النووية. م.، طاقة، 1984
هوفمان ك. هل من الممكن صنع الذهب؟ ل.، الكيمياء، 1984
كادمينسكي إس. النشاط الإشعاعي للنوى الذرية: التاريخ والنتائج وآخر الإنجازات. "مجلة سوروس التعليمية"، 1999، العدد 11



ناقشنا في الدرس السابق مسألة تتعلق بتجربة رذرفورد، ونتيجة لذلك عرفنا الآن أن الذرة هي نموذج كوكبي.

وهذا ما يسمى بالنموذج الكوكبي للذرة. يوجد في وسط النواة نواة ضخمة موجبة الشحنة. وتدور الإلكترونات حول النواة في مداراتها.

أرز. 1. نموذج رذرفورد الكوكبي للذرة

شارك فريدريك سودي في التجارب مع رذرفورد. سودي هو كيميائي، لذلك قام بعمله بدقة فيما يتعلق بتحديد العناصر التي تم الحصول عليها من خلال خصائصها الكيميائية. لقد كان سودي هو من تمكن من اكتشاف ماهية جسيمات ألفا، التي سقط تدفقها على الصفيحة الذهبية في تجارب رذرفورد. عندما تم إجراء القياسات، اتضح أن كتلة الجسيم A هي 4 وحدات كتلة ذرية، وشحنة الجسيم A هي شحنتان أوليتان. من خلال مقارنة هذه الأشياء، تراكمت عدد معين من الجسيمات، وجد العلماء أن هذه الجزيئات تحولت إلى عنصر كيميائي - غاز الهيليوم.

وفي وقت لاحق، كانت الجهود الرئيسية للعلماء تهدف إلى دراسة نواة الذرة. أصبح من الواضح أن جميع العمليات التي تحدث أثناء الإشعاع الإشعاعي لا تحدث مع الغلاف الإلكتروني، وليس مع الإلكترونات المحيطة بالنوى، ولكن مع النوى نفسها. وفي النواة تحدث بعض التحولات، ونتيجة لذلك تتشكل عناصر كيميائية جديدة.

تم الحصول على السلسلة الأولى لتحويل عنصر الراديوم، الذي تم استخدامه في تجارب النشاط الإشعاعي، إلى غاز الرادون الخامل مع انبعاث جسيم ألفا؛ رد الفعل في هذه الحالة مكتوب على النحو التالي:

أولاً، يبلغ حجم الجسيم 4 وحدات كتلة ذرية وشحنة أولية مضاعفة، وتكون الشحنة موجبة. الراديوم له رقم تسلسلي 88، وعدد كتلته 226، والرادون له رقم تسلسلي 86، وعدد كتلي 222، ويظهر جسيم أ. هذه هي نواة ذرة الهيليوم. في هذه الحالة، نكتب ببساطة الهيليوم. العدد الترتيبي 2، العدد الكتلي 4.

تسمى التفاعلات التي تتشكل نتيجة لها عناصر كيميائية جديدة وفي نفس الوقت تتشكل إشعاعات جديدة وعناصر كيميائية أخرى أيضًا التفاعلات النووية.

وعندما تبين أن العمليات الإشعاعية تحدث داخل النواة، تحولوا إلى عناصر أخرى، وليس الراديوم فقط. من خلال دراسة العناصر الكيميائية المختلفة، أدرك العلماء أنه لا توجد تفاعلات فقط مع انبعاث وإشعاع جسيم من نواة ذرة الهيليوم، ولكن أيضًا تفاعلات نووية أخرى. على سبيل المثال، ردود الفعل مع انبعاث جسيم ب. نحن نعرف الآن أن هذه إلكترونات. في هذه الحالة، يتم تشكيل عنصر كيميائي جديد، على التوالي، جسيم جديد، وهذا هو جسيم ب، وهو أيضا إلكترون. من الأمور ذات الأهمية الخاصة في هذه الحالة جميع العناصر الكيميائية التي يزيد عددها الذري عن 83.

لذلك، يمكننا صياغة ما يسمى قواعد سودي أو قواعد الإزاحة للتحولات الإشعاعية:

. أثناء اضمحلال ألفا، ينخفض ​​العدد الذري للعنصر بمقدار 2 وينخفض ​​الوزن الذري بمقدار 4.

أرز. 2. اضمحلال ألفا

أثناء اضمحلال بيتا، يزداد العدد الذري بمقدار 1، لكن الوزن الذري لا يتغير.

أرز. 3. اضمحلال بيتا

قائمة الأدبيات الإضافية

1. برونشتاين م. الذرات والإلكترونات. "مكتبة "كفانت"". المجلد. 1. م: ناوكا، 1980
2. كيكوين آي كيه، كيكوين إيه كيه. الفيزياء: كتاب مدرسي للصف التاسع الثانوي. م: "التنوير"
3. كيتايجورودسكي أ. الفيزياء للجميع. الفوتونات والنوى. الكتاب 4. م: العلوم
4. مياكيشيف جي.يا.، سينياكوفا أ.ز. الفيزياء. البصريات فيزياء الكم. الصف الحادي عشر: كتاب مدرسي للدراسة المتعمقة للفيزياء. م: حبارى
5. رذرفورد إي. أعمال علمية مختارة. النشاط الإشعاعي. م: العلم
6. رذرفورد إي. أعمال علمية مختارة. هيكل الذرة والتحول الاصطناعي للعناصر. م: العلم

النشاط الإشعاعي

اكتشف هنري بيكريل النشاط الإشعاعي لليورانيوم الطبيعي في عام 1896. يتكون أي عنصر في الجدول الدوري لمندليف من عدة أنواع من الذرات. يمكن للنوى التي لها نفس عدد البروتونات أن تحتوي على أعداد مختلفة من النيوترونات، وبالتالي أعداد كتلية مختلفة. تسمى النيوكليونات التي لها نفس العدد الذري ولكن بأعداد كتلية مختلفة نظائر . على سبيل المثال، يحتوي اليورانيوم الطبيعي على ثلاثة نظائر. 234 يو، 235 يو، 238 يو. حاليًا، حوالي 3000 نظير معروف. بعضها مستقر (276، ينتمي إلى 83 عنصرًا طبيعيًا)، والبعض الآخر غير مستقر، ومشع. العديد من العناصر ذات العدد الذري أكبر من الرصاص (Z = 82) هي نويدات مشعة. النشاط الإشعاعي هو أن نواة العناصر المشعة لها القدرة على التحول تلقائيًا إلى عناصر أخرى عن طريق انبعاث جسيمات ألفا وبيتا وجاما كمات أو عن طريق الانشطار؛ وفي هذه الحالة تتحول النواة الأصلية إلى نواة عنصر آخر.

يتم تحديد ظاهرة النشاط الإشعاعي نفسها فقط من خلال البنية الداخلية للنواة الذرية ولا تعتمد على الظروف الخارجية (درجة الحرارة والضغط وما إلى ذلك).النشاط الإشعاعي الطبيعي

. تشكل النظائر المشعة الطبيعية جزءًا صغيرًا من جميع النظائر المعروفة. تم العثور على حوالي 70 نويدات مشعة في القشرة الأرضية والماء والهواء. سلسلة من النويدات، كل واحدة منها تلقائيا، بسبب التحلل الإشعاعي، تمر إلى التالية حتى يتم الحصول على نظير مستقر، تسمى سلسلة مشعة. تسمى النويدة الأصلية بالنويدة الأم، وتسمى جميع النويدات الأخرى في السلسلة بالنويدات الوليدة. في الطبيعة، هناك ثلاث سلاسل (عائلات) مشعة: اليورانيوم، والأكتينورانيوم، والثوريوم.النشاط الإشعاعي الاصطناعي.

تم اكتشاف النشاط الإشعاعي الاصطناعي لأول مرة على يد إيرين وفريديريك جوليو كوري في عام 1934. من وجهة نظر إشعاعية، لا توجد فروق معينة بين النشاط الإشعاعي الطبيعي والاصطناعي؛ يتم إنتاج النظائر المشعة الاصطناعية في التفاعلات النووية. ويمكن ملاحظة التحولات النووية عند قصف النوى المستهدفة بالجسيمات (النيوترونات والبروتونات وجسيمات ألفا وما إلى ذلك). يتم إنتاج معظم النظائر المشعة بشكل مصطنع في المفاعلات النووية ومنشآت المسرعات نتيجة تفاعل الإشعاعات المؤينة مع النظائر المستقرة.

اضمحلال ألفا، واضمحلال بيتا، وأسر الإلكترون (K-capture)، والانتقال الأيزومري، والانشطار التلقائي.

اضمحلال ألفا. لوحظت ظاهرة اضمحلال ألفا لأول مرة في دراسة النشاط الإشعاعي الطبيعي. اضمحلال ألفا هو سمة من سمات نوى العناصر الموجودة في نهاية الجدول الدوري. في اضمحلال ألفا، تبعث النواة المشعة جسيم ألفا، وهو نواة ذرة الهيليوم، ولها شحنة موجبة مزدوجة وأربع وحدات كتلة ذرية. وبتغيرها، تتحول إلى نواة، شحنتها الكهربائية أقل بوحدتين من الشحنة الأصلية، وعدد كتلتها أقل بأربع وحدات من الشحنة الأصلية.

اضمحلال بيتا. أثناء اضمحلال بيتا، يمكن للنواة أن تنبعث منها إلكترونات (e -) - اضمحلال الإلكترون أو البوزيترونات (e +) - اضمحلال البوزيترون. البوزيترون، على عكس الإلكترون، لديه شحنة موجبة، ولكن كتلة متساوية. ونتيجة للتحلل الإلكتروني، يظل العدد الكتلي للنواة دون تغيير، ولكن الشحنة تزداد بمقدار واحد، وتتحول نواة العنصر الأصلي إلى نواة ذات رقم ذري أعلى؛ نتيجة لاضمحلال البوزيترون، يظل العدد الكتلي للنواة أيضًا دون تغيير، وتنخفض الشحنة بمقدار واحد؛ يتحول نواة العنصر الأصلي إلى نواة برقم تسلسلي واحد أقل. يتميز تحلل البوزيترون بجزء صغير فقط من النويدات المشعة الاصطناعية. تسمى الإلكترونات والبوزيترونات المنبعثة أثناء اضمحلال بيتا بجسيمات بيتا. بالإضافة إلى جسيمات بيتا، تنبعث النواة من النيوترينوات ("النيوترون"، كما أطلق فيرمي على هذا الجسيم) - وهو جسيم غير مشحون بكتلة قريبة من الصفر. غالبًا ما تكون عملية اضمحلال ألفا وبيتا مصحوبة بإشعاع جاما.

الالتقاط الإلكتروني (K-capture).في بعض النويدات المشعة، تلتقط النواة الذرية إلكترونًا من الغلاف K الأقرب إليها. ترتبط هذه الظاهرة باضمحلال البوزيترون. ونتيجة لالتقاط الإلكترون، يتحول أحد بروتونات النواة إلى نيوترون، ويظل العدد الكتلي للنواة دون تغيير، وتنخفض الشحنة بمقدار واحد. وتسمى عملية التقاط الإلكترون من الغلاف K للذرة أيضًا باسم K-capture.

تكون عملية التقاط الإلكترون مصحوبة بانبعاث إشعاع الأشعة السينية المميز.

التحول الأيزوميري.الانتقال الأيزومري في مصدر مشع هو انتقال نواة (تسمى الأيزومر) من الحالة المثارة إلى الحالة الأرضية عن طريق انبعاث فوتون أشعة جاما، حيث لا يتغير العدد الذري ولا العدد الكتلي. الانتقال الأيزوميري هو نوع من الاضمحلال الإشعاعي.

الانقسام العفوي.أثناء الانشطار التلقائي، تتفكك النواة تلقائيًا إلى أجزاء ذات كتلة متوسطة، والتي بدورها يمكن أن تتحلل مع انبعاث جسيمات بيتا وكميات جاما. تحدث هذه العملية فقط مع النوى الثقيلة. جميع أنواع التحولات النووية التي تحدث أثناء التحلل الإشعاعي تكون مصحوبة بانبعاث الإشعاعات المؤينة.

التحولات الإشعاعية للنوى

هيكل المادة

كل شيء في الطبيعة يتكون من مواد بسيطة ومعقدة. المواد البسيطة تشمل العناصر الكيميائية، والمواد المعقدة تشمل المركبات الكيميائية. من المعروف أن المواد الموجودة في العالم من حولنا تتكون من ذرات، وهي أصغر جزء من العنصر الكيميائي. الذرة هي أصغر جسيم من المادة التي تحدد خواصها الكيميائية، ولها بنية داخلية معقدة. في الطبيعة، توجد الغازات الخاملة فقط على شكل ذرات، إذ أن أغلفةها الخارجية مغلقة، وجميع المواد الأخرى توجد على شكل جزيئات.

في عام 1911، اقترح إي. رذرفورد نموذجًا كوكبيًا للذرة، والذي طوره ن. بور (1913). وفقًا للنموذج المقبول عمومًا لبنية الذرة، يتم تمييز منطقتين فيه: نواة ثقيلة ذات شحنة موجبة، تقع في المركز، حيث تتركز كتلة الذرة بأكملها تقريبًا، وقذيفة إلكترون خفيفة، تتكون من جسيمات سالبة الشحنة - إلكترونات، تدور حول النواة بسرعة هائلة.

الإلكترون (ه -)- جسيم أولي مستقر بكتلة ساكنة تساوي 9.1·10 -31 كجم أو 0.000548 amu. (وحدة الكتلة الذرية هي قيمة بلا أبعاد للكتلة الذرية، والتي توضح عدد المرات التي تكون فيها ذرة عنصر أو جسيم معين أثقل من 1/12 من ذرة نظير الكربون 12؛ وتعادل الطاقة لـ 1 amu هو 931 MeV ). يحمل الإلكترون شحنة أولية سالبة من الكهرباء (q=1.6·10 -19 C)، أي أصغر كمية من الكهرباء موجودة في الطبيعة. وبناءً على ذلك، تعتبر شحنة الإلكترون وحدة أولية واحدة للشحنة الكهربائية.

اعتمادًا على الطاقة التي تحمل الإلكترونات أثناء دورانها حول النواة، يتم تجميعها في مدارات مختلفة (مستويات أو طبقات). عدد طبقات الذرات المختلفة ليس هو نفسه. وفي الذرات ذات الكتلة الكبيرة يصل عدد المدارات إلى سبعة. يتم تحديدها بأرقام أو حروف الأبجدية اللاتينية، بدءًا من النواة: K، L، M، N، O، P، Q. ويتم تحديد عدد الإلكترونات في كل طبقة بدقة. لذلك، الطبقة K لا تحتوي على أكثر من 2 إلكترون، الطبقة L - ما يصل إلى 8، الطبقة M - ما يصل إلى 18، الطبقة N - 32 إلكترونًا، إلخ.

يتم تحديد أبعاد الذرة من خلال أبعاد غلافها الإلكتروني، الذي ليس له حدود محددة بدقة. الأبعاد الخطية التقريبية للذرة هي 10 -10 م.

جوهر– الجزء المركزي الضخم من الذرة، ويتكون من البروتونات والنيوترونات، وهي مشحونة بشكل إيجابي. تتركز كتلة الذرة بأكملها تقريبًا في النواة (أكثر من 99.95٪). إن إجمالي عدد الإلكترونات الموجودة في المدارات يساوي دائمًا مجموع البروتونات الموجودة في النواة. على سبيل المثال، تحتوي ذرة الأكسجين على 8 بروتونات في النواة ولديها 8 إلكترونات في مداراتها؛ بينما تحتوي ذرة الرصاص على 82 بروتونًا في النواة و82 إلكترونًا في مداراتها. ونظرًا لتساوي مجموع الشحنات الموجبة والسالبة، فإن الذرة عبارة عن نظام محايد كهربائيًا. يتم التأثير على كل إلكترون من الإلكترونات التي تتحرك حول النواة بواسطة قوتين متساويتين ومتعاكستين في الاتجاه: قوة كولوم تجذب الإلكترونات إلى النواة، وقوة الطرد المركزي المتساوية للقصور الذاتي تميل إلى "تمزيق" الإلكترون من الذرة. بالإضافة إلى ذلك، فإن الإلكترونات، التي تتحرك (تدور) حول النواة في مدار، لها في نفس الوقت لحظة حركتها الخاصة، والتي تسمى الدوران، والتي يتم تمثيلها بشكل مبسط على شكل دوران مشابه للقمة حول محورها. يمكن أن تكون دورانات الإلكترونات الفردية متوازية (الدوران في نفس الاتجاه) أو عكسية (الدوران في اتجاهات مختلفة). وبشكل مبسط، كل هذا يضمن الحركة المستقرة للإلكترونات في الذرة.

ومن المعروف أن الاتصال بين الإلكترون والنواة لا يتأثر فقط بقوة الجذب كولوم وقوة الطرد المركزي للقصور الذاتي، ولكن أيضًا بالقوة التنافرية للإلكترونات الأخرى. ويسمى هذا التأثير الفحص. كلما زاد مدار الإلكترون عن النواة، كلما كان فحص الإلكترونات الموجودة عليها أقوى وضعف اتصال الطاقة بين النواة والإلكترون. في المدارات الخارجية، لا تتجاوز طاقة الربط للإلكترونات 1-2 فولت، بينما بالنسبة لإلكترونات الطبقة K تكون أعلى بعدة مرات وتزداد مع زيادة العدد الذري للعنصر. على سبيل المثال، بالنسبة للكربون، تبلغ طاقة ربط إلكترونات الطبقة K 0.28 كيلو فولت، وللسترونتيوم - 16 كيلو فولت، للسيزيوم - 36 كيلو فولت، لليورانيوم - 280 كيلو فولت. ولذلك، فإن الإلكترونات الموجودة في المدار الخارجي تكون أكثر عرضة للعوامل الخارجية، وخاصة الإشعاع منخفض الطاقة. عندما يتم نقل طاقة إضافية إلى الإلكترونات من الخارج، يمكنها الانتقال من مستوى طاقة إلى آخر أو حتى مغادرة حدود ذرة معينة. إذا كانت طاقة التأثير الخارجي أضعف من طاقة ربط الإلكترون بالنواة، فإن الإلكترون لا يمكنه الانتقال إلا من مستوى طاقة إلى آخر. وتبقى مثل هذه الذرة محايدة، ولكنها تختلف عن ذرات هذا العنصر الكيميائي الأخرى في طاقتها الزائدة. تسمى الذرات ذات الطاقة الزائدة مثارة، ويسمى انتقال الإلكترونات من مستوى طاقة إلى آخر أبعد عن النواة بعملية الإثارة. وبما أن أي نظام في الطبيعة يميل إلى الانتقال إلى حالة مستقرة تكون فيها طاقته أقل ما يمكن، فإن الذرة بعد مرور بعض الوقت تنتقل من الحالة المثارة إلى الحالة الأرضية (الأولية). عودة الذرة إلى الحالة الأرضية تكون مصحوبة بإطلاق طاقة زائدة. ويصاحب انتقال الإلكترونات من المدارات الخارجية إلى المدارات الداخلية إشعاع ذو طول موجي مميز فقط لهذا الانتقال من مستوى طاقة إلى آخر. تنتج انتقالات الإلكترون داخل المدارات الأبعد عن النواة إشعاعًا يتكون من الأشعة فوق البنفسجية والضوء والأشعة تحت الحمراء. تحت التأثيرات الخارجية القوية، عندما تتجاوز الطاقة طاقة ربط الإلكترونات بالنواة، يتم انتزاع الإلكترونات من الذرة وإزالتها خارج حدودها. الذرة التي فقدت إلكترونًا واحدًا أو أكثر تتحول إلى أيون موجب، والذرة التي "ربطت" إلكترونًا أو أكثر بنفسها تتحول إلى أيون سالب. وبالتالي، مقابل كل أيون موجب، يتكون أيون سالب واحد، أي يظهر زوج من الأيونات. تسمى عملية تكوين الأيونات من ذرات متعادلة التأين. توجد الذرة في الحالة الأيونية في الظروف العادية لفترة زمنية قصيرة للغاية. تمتلئ المساحة الحرة في مدار الأيون الموجب بإلكترون حر (إلكترون غير مرتبط بالذرة)، وتصبح الذرة مرة أخرى نظامًا محايدًا. تسمى هذه العملية إعادة التركيب الأيوني (إزالة الأيونات) ويصاحبها إطلاق الطاقة الزائدة في شكل إشعاع. الطاقة المنبعثة أثناء إعادة تركيب الأيونات تساوي تقريبًا عدديًا الطاقة المستهلكة في التأين.

بروتون(ص) هو جسيم أولي مستقر كتلته تساوي 1.6725·10 -27 كجم أو 1.00758 amu، وهو ما يعادل حوالي 1840 ضعف كتلة الإلكترون. شحنة البروتون موجبة وتساوي في الحجم شحنة الإلكترون. تحتوي ذرة الهيدروجين على نواة تحتوي على بروتون واحد، ويدور حولها إلكترون واحد. إذا تم "نزع" هذا الإلكترون، فإن بقية الذرة ستكون بروتونًا، ولهذا السبب يتم تعريف البروتون غالبًا على أنه نواة الهيدروجين.

تحتوي كل ذرة من أي عنصر على عدد معين من البروتونات في النواة، وهو عدد ثابت ويحدد الخواص الفيزيائية والكيميائية للعنصر. على سبيل المثال، يوجد 47 منها في نواة ذرة الفضة، و92 في نواة اليورانيوم. ويسمى عدد البروتونات الموجودة في النواة (Z) بالعدد الذري أو رقم الشحنة؛ وهو يتوافق مع العدد الذري للذرة عنصر في النظام الدوري لـ D. I. Mendeleev.

نيوترون(ن) - جسيم أولي محايد كهربائيًا كتلته أكبر قليلاً من كتلة البروتون ويساوي 1.6749 10 -27 كجم أو 1.00898 amu. النيوترونات مستقرة فقط في النوى الذرية المستقرة. تتحلل النيوترونات الحرة إلى بروتونات وإلكترونات.

النيوترون، بسبب حياده الكهربائي، لا ينحرف تحت تأثير المجال المغناطيسي، ولا تصده النواة الذرية، وبالتالي، يتمتع بقدرة اختراق كبيرة، مما يشكل خطرًا جسيمًا كعامل في التأثيرات البيولوجية للإشعاع . عدد النيوترونات في النواة يعطي فقط الخصائص الفيزيائية الرئيسية للعنصر، لأن النوى المختلفة لنفس العنصر الكيميائي يمكن أن تحتوي على عدد مختلف من النيوترونات (من 1 إلى 10). في نوى العناصر الخفيفة المستقرة، يرتبط عدد البروتونات بعدد النيوترونات بنسبة 1:1. مع زيادة العدد الذري لعنصر ما (بدءاً من العنصر الحادي والعشرين - السكانديوم)، فإن عدد النيوترونات في ذراته يتجاوز عدد البروتونات. في النوى الأثقل، يكون عدد النيوترونات أكبر بـ 1.6 مرة من عدد البروتونات.

البروتونات والنيوترونات هي مكونات النواة، لذلك تسمى النيوكليونات للراحة. نيوكليون(من اللاتينية النواة - النواة) - الاسم الشائع لبروتونات ونيوترونات النواة. أيضًا، عند الحديث عن نواة ذرية محددة، يتم استخدام مصطلح النويدة. النويدة– أي نواة ذرية تحتوي على عدد معين من البروتونات والنيوترونات.

عند الإشارة إلى النويدات أو الذرات، فإنها تستخدم رمز العنصر الذي تنتمي إليه النواة، وتشير في الأعلى إلى الرقم الكتلي - A، في الأسفل - العدد الذري (الترتيبي) - Z في شكل مؤشرات، حيث E هو رمز العنصر الكيميائي. يوضح عدد النيوكليونات التي تشكل نواة الذرة (A = Z + N). لا يُظهر Z الشحنة النووية والعدد الذري فحسب، بل يُظهر أيضًا عدد البروتونات في النواة، وبالتالي عدد الإلكترونات في الذرة، لأن الذرة ككل محايدة. N هو عدد النيوترونات في النواة، والذي لا يُشار إليه غالبًا. على سبيل المثال، هو أحد النظائر المشعة للسيزيوم، A ​​= 137، وبالتالي تتكون النواة من 137 نيوكليون؛ Z = 55، مما يعني أن هناك 55 بروتونًا في النواة، وبالتالي 55 إلكترونًا في الذرة؛ ن = 137 - 55 = 82 هو عدد النيوترونات الموجودة في النواة. يتم حذف الرقم التسلسلي في بعض الأحيان، لأن رمز العنصر يحدد تماما مكانه في الجدول الدوري (على سبيل المثال، Cs-137، He-4). الحجم الخطي لنواة الذرة هو 10 -15 -10 -14 م، وهو ما يعادل 0.0001 من قطر الذرة بأكملها.

يتم احتجاز البروتونات والنيوترونات داخل النواة بواسطة قوى تسمى النووية. فهي في كثافتها أقوى بكثير من القوى الكهربائية والجاذبية والمغناطيسية. القوى النووية قصيرة المدى ويبلغ نصف قطر تأثيرها 10 -14 -10 -15 م، وهي تتجلى بالتساوي بين البروتون والنيوترون، والبروتون والبروتون، والنيوترون والنيوترون. ومع زيادة المسافة بين النيوكليونات، تتناقص القوى النووية بسرعة كبيرة وتصبح تساوي الصفر تقريبًا. تمتلك القوى النووية خاصية التشبع، أي أن كل نيوكليون يتفاعل فقط مع عدد محدود من النيوكليونات المجاورة. ولذلك، مع زيادة عدد النيوكليونات في النواة، تضعف القوى النووية بشكل ملحوظ. وهذا ما يفسر انخفاض استقرار نوى العناصر الثقيلة، التي تحتوي على عدد كبير من البروتونات والنيوترونات.

لتقسيم النواة إلى البروتونات والنيوترونات المكونة لها وإخراجها من مجال عمل القوى النووية، من الضروري بذل شغل، أي. إنفاق الطاقة. تسمى هذه الطاقة طاقة الربط النووية. على العكس من ذلك، عندما تتشكل النواة من النيوكليونات، تتحرر طاقة الربط.

م ط = م ع ن ع + م ن ن ن،

حيث m i هي كتلة النواة؛ م ف – كتلة البروتون. ن ع – عدد البروتونات; م ن – كتلة النيوترونات. N n هو عدد النيوترونات، إذن سيكون مساويًا 1.0076·2 + 1.0089·2 = 4.033 amu.

وفي الوقت نفسه، تبلغ الكتلة الفعلية لنواة الهيليوم 4.003 amu. وبالتالي، فإن الكتلة الفعلية لنواة الهيليوم أقل من المحسوبة بمقدار 0.03 AMU. وفي هذه الحالة يقولون أن النواة بها عيب كتلي (نقص الكتلة). يسمى الفرق بين الكتلة المحسوبة والكتلة الفعلية للنواة بعيب الكتلة (Dm). يُظهر عيب الكتلة مدى إحكام ارتباط الجزيئات الموجودة في النواة، وكذلك مقدار الطاقة التي تم إطلاقها أثناء تكوين النواة من النيوكليونات الفردية. يمكنك ربط الكتلة بالطاقة باستخدام المعادلة التي اشتقها أ. أينشتاين:

حيث DE هو التغير في الطاقة؛ مارك ألماني – عيب الشامل. ج هي سرعة الضوء.

مع الأخذ في الاعتبار أن 1 a.u.u. = 1.661 10 -27 كجم، وفي الفيزياء النووية يتم أخذ الإلكترون فولت (eV) كوحدة للطاقة، مع 1 a.u.m. تعادل 931 ميجا إلكترون فولت، فإن الطاقة التي سيتم إطلاقها أثناء تكوين نواة الهيليوم ستكون 28 ميجا إلكترون فولت. إذا كانت هناك طريقة لتقسيم نواة ذرة الهيليوم إلى بروتونين ونيوترونين، فإن هذا سيتطلب إنفاق ما لا يقل عن 28 ميغا إلكترون فولت من الطاقة.

تزداد طاقة ربط النوى بشكل متناسب مع عدد النيوكليونات، ولكنها لا تتناسب بشكل صارم مع عددها. على سبيل المثال، طاقة الارتباط لنواة النيتروجين هي 104.56 MeV، وطاقة اليورانيوم 1800 MeV.

يسمى متوسط ​​طاقة الربط لكل نيوكليون طاقة ربط محددة. بالنسبة للهيليوم سيكون 28:4 = 7 MeV. وبصرف النظر عن النوى الأخف (الديوتيريوم والتريتيوم)، فإن طاقة الارتباط لكل نيوكليون تبلغ حوالي 8 ميغا إلكترون فولت لجميع النوى.

معظم العناصر الكيميائية في الطبيعة عبارة عن خليط معين من الذرات ذات النوى ذات الكتل المختلفة. يرجع الاختلاف في الكتلة إلى وجود أعداد مختلفة من النيوترونات في النواة.

النظائر(من الكلمة اليونانية isos - متطابق وتوبوس - مكان) - أنواع مختلفة من ذرة نفس العنصر الكيميائي لها نفس عدد البروتونات (Z) وعدد مختلف من النيوترونات (N). لديهم خصائص فيزيائية وكيميائية متطابقة تقريبًا، ومن الصعب جدًا فصلهم في خليط طبيعي. ويتراوح عدد نظائر العناصر من 3 للهيدروجين إلى 27 للبولونيوم. يمكن أن تكون النظائر مستقرة أو غير مستقرة. ولا تخضع النظائر المستقرة لأي تغيرات مع مرور الوقت ما لم يكن هناك تأثير خارجي. النظائر غير المستقرة أو المشعة، بسبب العمليات التي تحدث داخل النواة، تتحول مع مرور الوقت إلى نظائر العناصر الكيميائية الأخرى. تم العثور على النظائر المستقرة فقط في العناصر ذات العدد الذري Z≥83. حاليًا، هناك حوالي 300 نظير مستقر وأكثر من 2000 نظير مشع معروف. بالنسبة لجميع عناصر الجدول الدوري لـ D.I Mendeleev، تم تصنيع النظائر المشعة، والتي تسمى الاصطناعية.

ظاهرة النشاط الإشعاعي

جميع العناصر الكيميائية تكون مستقرة فقط في نطاق ضيق من نسبة عدد البروتونات إلى عدد النيوترونات في النواة. في النوى الخفيفة يجب أن يكون هناك أعداد متساوية تقريبًا من البروتونات والنيوترونات، أي أن نسبة n:p قريبة من 1؛ أما في النوى الثقيلة فتقل هذه النسبة إلى 0.7. إذا كان هناك عدد كبير جدًا من النيوترونات أو البروتونات في النواة، فإن هذه النوى تصبح غير مستقرة (غير مستقرة) وتخضع لتحولات إشعاعية عفوية، ونتيجة لذلك يتغير تكوين النواة وتنبعث منها جزيئات مشحونة أو محايدة. وسميت ظاهرة الإشعاع التلقائي بالنشاط الإشعاعي، وسميت المواد التي تصدر إشعاعاً بالمشعة.

النشاط الإشعاعي(من الراديو اللاتيني - يشع، نصف القطر - شعاع، aktivus - فعال) - هذه تحولات عفوية (اضمحلال) للنوى الذرية لبعض العناصر الكيميائية إلى النوى الذرية لعناصر أخرى مع انبعاث نوع خاص من الإشعاع. النشاط الإشعاعي يسبب تغيرا في العدد الذري والعدد الكتلي للعنصر الكيميائي الأصلي.

تم تسهيل اكتشاف ظاهرة النشاط الإشعاعي من خلال اكتشافين رئيسيين في القرن التاسع عشر. في عام 1895، اكتشف في رونتجن الأشعة التي تظهر عند تمرير تيار عالي الجهد بين الأقطاب الكهربائية الموضوعة في أنبوب زجاجي مغلق تم إخلاء الهواء منه. وكانت تسمى الأشعة السينية. وفي عام 1896، اكتشف أ. بيكريل أن أملاح اليورانيوم تنبعث تلقائيًا من أشعة غير مرئية لها قوة اختراق كبيرة، مما يتسبب في اسوداد اللوحة الفوتوغرافية وتوهج بعض المواد. ودعا هذا الإشعاع المشع. في عام 1898، اكتشف بيير كوري وماري سكلودوفسكا كوري عنصرين مشعين جديدين - البولونيوم والراديوم، اللذان ينبعثان إشعاعات مماثلة، لكن شدتهما كانت أعلى بعدة مرات من شدة اليورانيوم. بالإضافة إلى ذلك، تم اكتشاف أن المواد المشعة تطلق طاقة بشكل مستمر على شكل حرارة.

ويسمى الإشعاع الإشعاعي أيضًا الإشعاع المؤين، لأنه يمكن أن يؤين وسطًا أو نوويًا، مع التأكيد على أن الإشعاع ينبعث من نواة وليس ذرة.

يرتبط التحلل الإشعاعي بالتغيرات في النوى الذرية وإطلاق الطاقة، والتي تكون قيمتها، كقاعدة عامة، أعلى بعدة مراتب من طاقة التفاعلات الكيميائية. وهكذا، مع التحلل الإشعاعي الكامل لذرة واحدة من 14 درجة مئوية، يتم إطلاق 3. 10 9 سعرة حرارية، بينما عند حرق نفس الكمية من 14 درجة مئوية إلى ثاني أكسيد الكربون، يتم إطلاق 9.4 فقط. 10 4 سعرة حرارية.

وحدة طاقة الاضمحلال الإشعاعي هي 1 إلكترون فولت (eV) ومشتقاتها 1 كيلو إلكترون فولت = 10 3 فولت و1 ميجا إلكترون فولت = 10 6 فولت. 1 فولت = 1.6. 10 -19 J. 1 eV يتوافق مع الطاقة التي يكتسبها الإلكترون في مجال كهربائي عند المرور بمسار يبلغ فرق الجهد فيه 1 فولت. عندما تتحلل معظم النوى المشعة، تتراوح الطاقة المنطلقة من بضعة كيلو إلكترون فولت إلى عدة ميجا إلكترون فولت.

تسمى الظواهر الإشعاعية التي تحدث في الطبيعة بالنشاط الإشعاعي الطبيعي؛ العمليات المماثلة التي تحدث في المواد المنتجة صناعيًا (من خلال التفاعلات النووية المقابلة) هي النشاط الإشعاعي الاصطناعي. ومع ذلك، يخضع كلا النوعين من النشاط الإشعاعي لنفس القوانين.

أنواع الاضمحلال الإشعاعي

نواة الذرات مستقرة، ولكنها تتغير حالتها عندما يتم انتهاك نسبة معينة من البروتونات والنيوترونات. يجب أن تحتوي النوى الخفيفة على أعداد متساوية تقريبًا من البروتونات والنيوترونات. إذا كان هناك عدد كبير جدًا من البروتونات أو النيوترونات في النواة، فإن هذه النوى تكون غير مستقرة وتخضع لتحولات إشعاعية عفوية، ونتيجة لذلك يتغير تكوين النواة، وبالتالي تتحول نواة ذرة عنصر واحد إلى نواة من ذرة عنصر آخر. خلال هذه العملية، ينبعث الإشعاع النووي.

هناك الأنواع الرئيسية التالية من التحولات النووية أو أنواع الاضمحلال الإشعاعي: اضمحلال ألفا واضمحلال بيتا (الإلكترون والبوزيترون والالتقاط K)، والتحويل الداخلي.

اضمحلال ألفا –هذا هو انبعاث جسيمات ألفا بواسطة نواة أحد النظائر المشعة. وبسبب فقدان بروتونين ونيوترونين مع جسيم ألفا، تتحول النواة المتحللة إلى نواة أخرى، حيث يقل عدد البروتونات (الشحنة النووية) بمقدار 2، وعدد الجزيئات (العدد الكتلي) بمقدار 4. لذلك ، بالنسبة لاضمحلال إشعاعي معين، وفقًا لقاعدة الإزاحة (التحول)، التي صاغها فاجانز وسودي (1913)، يتم إزاحة العنصر (الابنة) الناتج إلى اليسار بالنسبة إلى العنصر الأصلي (الأم) بواسطة خليتين إلى اليسار في الجدول الدوري لـ D. I. Mendeleev. تتم كتابة عملية اضمحلال ألفا بشكل عام على النحو التالي:

,

حيث X هو رمز النواة الأصلية؛ Y - رمز نواة منتج الاضمحلال؛ 4 2 هو - جسيم ألفا، Q - يطلق طاقة زائدة.

على سبيل المثال، يصاحب اضمحلال نواة الراديوم-226 انبعاث جسيمات ألفا، بينما تتحول نواة الراديوم-226 إلى نواة الرادون-222:

تنقسم الطاقة المنطلقة خلال اضمحلال ألفا بين جسيم ألفا والنواة بنسبة عكسية مع كتلتيهما. ترتبط طاقة جسيمات ألفا ارتباطًا وثيقًا بعمر النصف لنويدة مشعة معينة (قانون جيجر-نيتول). . يشير هذا إلى أنه من خلال معرفة طاقة جسيمات ألفا، من الممكن تحديد عمر النصف، ومن خلال عمر النصف تحديد النويدة المشعة. على سبيل المثال، تتميز نواة البولونيوم-214 بقيم طاقة جسيمات ألفا E = 7.687 MeV وT 1/2 = 4.5×10 -4s، بينما بالنسبة لنواة اليورانيوم-238 E = 4.196 MeV وT 1/2 = 4، 5x10 9 سنوات. بالإضافة إلى ذلك، فقد ثبت أنه كلما زادت طاقة اضمحلال ألفا، زادت سرعة حدوثه.

اضمحلال ألفا هو تحول نووي شائع إلى حد ما للنوى الثقيلة (اليورانيوم والثوريوم والبولونيوم والبلوتونيوم، وما إلى ذلك مع Z > 82)؛ حاليًا، هناك أكثر من 160 نواة باعثة ألفا معروفة.

اضمحلال بيتا –التحولات التلقائية للنيوترون إلى بروتون أو البروتون إلى نيوترون داخل النواة، يصاحبها انبعاث الإلكترونات أو البوزيترونات والنيوترينوات المضادة أو النيوترينوات.

إذا كان هناك فائض من النيوترونات في النواة ("الحمل الزائد للنيوترونات" للنواة)، يحدث اضمحلال بيتا للإلكترون، حيث يتحول أحد النيوترونات إلى بروتون، وينبعث منه إلكترون ونيوترينو مضاد:

خلال هذا الاضمحلال، تزداد شحنة النواة، وبالتالي العدد الذري للنواة الابنة بمقدار 1، لكن العدد الكتلي لا يتغير، أي يتم إزاحة عنصر الابنة في النظام الدوري لـ D.I Mendeleev بمقدار خلية واحدة حق الأصل. تتم كتابة عملية اضمحلال بيتا بشكل عام على النحو التالي:

.

وبهذه الطريقة، تتحلل النوى التي تحتوي على فائض من النيوترونات. على سبيل المثال، يصاحب اضمحلال نوى السترونتيوم-90 انبعاث الإلكترونات وتحولها إلى الإيتريوم-90:

في كثير من الأحيان، تحتوي نوى العناصر الناتجة عن اضمحلال بيتا على طاقة زائدة، والتي يتم إطلاقها عن طريق انبعاث واحد أو أكثر من أشعة جاما. على سبيل المثال:

يعد تحلل بيتا الإلكتروني سمة مميزة للعديد من العناصر المشعة الطبيعية والمنتجة صناعيًا.

إذا كانت النسبة غير المواتية للنيوترونات إلى البروتونات في النواة ناتجة عن زيادة البروتونات، فيحدث اضمحلال بيتا البوزيترون، حيث تبعث النواة بوزيترون ونيوترينو نتيجة تحول البروتون إلى نيوترون داخل النواة :

شحنة النواة، وبالتالي العدد الذري لعنصر الابنة يتناقص بمقدار 1، ولا يتغير العدد الكتلي. سيحتل عنصر الابنة مكانًا في الجدول الدوري لـ D.I Mendeleev على بعد خلية واحدة على يسار الوالد:

لوحظ اضمحلال البوزيترون في بعض النظائر التي تم الحصول عليها بشكل مصطنع. على سبيل المثال، اضمحلال نظير الفوسفور-30 لتكوين السيليكون-30:

يقوم البوزيترون، الذي يهرب من النواة، بتمزيق إلكترون "إضافي" (مرتبط بشكل ضعيف بالنواة) من غلاف الذرة أو يتفاعل مع إلكترون حر، مكونًا زوجًا من "بوزيترون-إلكترون". نظرًا لحقيقة أن الجسيم والجسيم المضاد يبيدان بعضهما البعض على الفور مع إطلاق الطاقة، يتحول الزوج المتشكل إلى كميتين من جاما مع طاقة تعادل كتلة الجزيئات (e + و e -). تسمى عملية تحويل زوج البوزيترون والإلكترون إلى اثنين من كوانتا جاما الإبادة (التدمير)، ويسمى الإشعاع الكهرومغناطيسي الناتج الإبادة. وفي هذه الحالة يحدث تحول لشكل من أشكال المادة (جسيمات المادة) إلى شكل آخر (الإشعاع). يتم تأكيد ذلك من خلال وجود رد فعل عكسي - تفاعل تشكيل الزوج، حيث يتحول الإشعاع الكهرومغناطيسي ذو الطاقة العالية بما فيه الكفاية، الذي يمر بالقرب من النواة تحت تأثير مجال كهربائي قوي للذرة، إلى زوج إلكترون-بوزيترون.

وهكذا، أثناء اضمحلال بيتا البوزيترون، فإن النتيجة النهائية ليست جسيمات، بل شعاعي جاما، طاقة كل منهما 0.511 ميجا إلكترون فولت، أي ما يعادل الطاقة المكافئة لكتلة بقية الجسيمات - بوزيترون وإلكترون E = 2m e c 2 = 1.022 ميغا إلكترون فولت.

يمكن تحقيق التحول النووي عن طريق التقاط الإلكترون، عندما يلتقط أحد بروتونات النواة إلكترونًا تلقائيًا من أحد الأغلفة الداخلية للذرة (K، L، وما إلى ذلك)، في أغلب الأحيان من الغلاف K، ويتحول إلى نيوترون. وتسمى هذه العملية أيضًا بـ K-capture. يتحول البروتون إلى نيوترون وفقا للتفاعل التالي:

في هذه الحالة، تنخفض الشحنة النووية بمقدار 1، لكن العدد الكتلي لا يتغير:

على سبيل المثال،

في هذه الحالة، المساحة التي يخليها الإلكترون يشغلها إلكترون من الغلاف الخارجي للذرة. نتيجة لإعادة هيكلة الأغلفة الإلكترونية، تنبعث كمية من الأشعة السينية. لا تزال الذرة تحتفظ بالحياد الكهربائي، حيث أن عدد البروتونات في النواة يتناقص بمقدار واحد أثناء التقاط الإلكترون. وبالتالي، فإن هذا النوع من الاضمحلال ينتج نفس نتائج اضمحلال البوزيترون بيتا. وهو نموذجي، كقاعدة عامة، للنويدات المشعة الاصطناعية.

إن الطاقة التي تطلقها النواة أثناء تحلل بيتا لنويدة مشعة معينة تكون دائمًا ثابتة، ولكن نظرًا لحقيقة أن هذا النوع من التحلل لا ينتج جسيمين، بل ثلاثة جسيمات: نواة الارتداد (الابنة)، والإلكترون (أو البوزيترون) و النيوترينو، تختلف الطاقة في كل حدث اضمحلال، ويتم إعادة توزيعها بين الإلكترون (البوزيترون) والنيوترينو، لأن النواة الابنة تحمل دائمًا نفس الجزء من الطاقة. اعتمادًا على زاوية التشتت، يمكن للنيوترينو أن يحمل طاقة أكثر أو أقل، ونتيجة لذلك يمكن للإلكترون أن يستقبل أي طاقة من الصفر إلى قيمة قصوى معينة. لذلك، أثناء اضمحلال بيتا، تكون لجسيمات بيتا من نفس النويدة المشعة طاقات مختلفة،من الصفر إلى قيمة قصوى معينة مميزة لتحلل نويدات مشعة معينة. يكاد يكون من المستحيل تحديد النويدات المشعة بناءً على طاقة إشعاع بيتا.

يمكن لبعض النويدات المشعة أن تتحلل في وقت واحد بطريقتين أو ثلاث طرق: عن طريق اضمحلال ألفا وبيتا ومن خلال التقاط K، وهو مزيج من ثلاثة أنواع من الاضمحلال. في هذه الحالة، يتم تنفيذ التحولات بنسبة محددة بدقة. على سبيل المثال، النظير المشع الطبيعي طويل العمر البوتاسيوم -40 (T 1/2 = 1.49 × 10 9 سنوات)، الذي يبلغ محتواه في البوتاسيوم الطبيعي 0.0119٪، يخضع لتحلل بيتا الإلكتروني والالتقاط K:

(88% – الاضمحلال الإلكتروني)،

(12% – K-grab).

من أنواع الاضمحلال الموصوفة أعلاه، يمكننا أن نستنتج أن اضمحلال جاما لا يوجد في "شكله النقي". يمكن لأشعة جاما أن تصاحب أنواعًا مختلفة من الاضمحلال فقط. عندما ينبعث إشعاع جاما في النواة، لا يتغير العدد الكتلي ولا يتغير شحنته. وبالتالي فإن طبيعة النويدة المشعة لا تتغير، بل تتغير فقط الطاقة الموجودة في النواة. ينبعث إشعاع جاما عندما تنتقل النوى من المستويات المثارة إلى المستويات الأدنى، بما في ذلك مستوى الأرض. على سبيل المثال، يؤدي اضمحلال السيزيوم-137 إلى إنتاج نواة مثارة من الباريوم-137. يصاحب الانتقال من الحالة المثارة إلى الحالة المستقرة انبعاث كمات جاما:

نظرًا لأن عمر النوى في الحالات المثارة قصير جدًا (عادةً t<10 -19 с), то при альфа- и бета-распадах гамма-квант вылетает практически одновременно с заряженной частицей. Исходя из этого, процесс гамма-излучения не выделяют в самостоятельный вид распада. بواسطة طاقة إشعاع جاما، وكذلك بواسطة طاقة إشعاع ألفا، من الممكن التعرف على النويدة المشعة.

التحويل الداخلي.تشير الحالة المثارة (نتيجة تحول نووي أو آخر) لنواة الذرة إلى وجود طاقة زائدة فيها. يمكن للنواة المثارة أن تنتقل إلى حالة ذات طاقة أقل (الحالة الطبيعية) ليس فقط من خلال انبعاث كم جاما أو طرد جسيم، ولكن أيضًا من خلال التحويل الداخلي، أو التحويل مع تكوين أزواج الإلكترون والبوزترون.

ظاهرة التحويل الداخلي هي أن النواة تنقل طاقة الإثارة إلى أحد إلكترونات الطبقات الداخلية (K-، L- أو M-layer)، والتي نتيجة لذلك تتسرب خارج الذرة. تسمى هذه الإلكترونات إلكترونات التحويل. وبالتالي فإن انبعاث إلكترونات التحويل يرجع إلى التفاعل الكهرومغناطيسي المباشر للنواة مع إلكترونات الغلاف. تمتلك إلكترونات التحويل طيف طاقة خطيًا، على عكس إلكترونات اضمحلال بيتا، التي تعطي طيفًا مستمرًا.

إذا تجاوزت طاقة الإثارة 1.022 ميغا إلكترون فولت، فإن انتقال النواة إلى الحالة الطبيعية يمكن أن يكون مصحوبًا بانبعاث زوج من الإلكترون والبوزيترون، يليه فناءهما. بعد حدوث التحويل الداخلي، يظهر مكان "شاغر" لإلكترون التحويل المقذوف في الغلاف الإلكتروني للذرة. يقوم أحد الإلكترونات الموجودة في الطبقات الأبعد (من مستويات الطاقة الأعلى) بإجراء انتقال كمي إلى مكان "شاغر" مع انبعاث إشعاع الأشعة السينية المميز.

خصائص الإشعاع النووي

الإشعاع النووي (المشع) هو الإشعاع الذي يتشكل نتيجة للتحلل الإشعاعي. ينقسم إشعاع جميع النويدات المشعة الطبيعية والاصطناعية إلى نوعين - جسيمي وكهرومغناطيسي. الإشعاع الجسيمي هو تيار من الجسيمات (الجسيمات) التي تتميز بكتلة وشحنة وسرعة معينة. هذه هي الإلكترونات والبوزيترونات ونواة ذرات الهيليوم والديوترونات (نوى الديوتيريوم نظير الهيدروجين) والنيوترونات والبروتونات والجسيمات الأخرى. وكقاعدة عامة، يؤدي الإشعاع الجسيمي إلى تأين الوسط مباشرة.

الإشعاع الكهرومغناطيسي هو تيار من الكمات أو الفوتونات. هذا الإشعاع ليس له كتلة ولا شحنة وينتج تأينًا غير مباشر للوسط.

يتطلب تكوين زوج واحد من الأيونات في الهواء متوسط ​​34 فولت. ولذلك، فإن الإشعاع المؤين يشمل الإشعاع الذي تبلغ طاقته 100 فولت وما فوق (لا يشمل الضوء المرئي والأشعة فوق البنفسجية).

لتوصيف الإشعاعات المؤينة، يتم استخدام مفاهيم النطاق والتأين النوعي. المدى – الحد الأدنى لسمك المادة الممتصة (لبعض المواد) المطلوبة لامتصاص الإشعاع المؤين بشكل كامل. التأين النوعي هو عدد أزواج الأيونات المتكونة لكل وحدة طول المسار في المادة تحت تأثير الإشعاع المؤين. لاحظ أن مفهوم المسافة المقطوعة وطول المسار المقطوع ليسا مفهومين متطابقين. إذا تحركت الجزيئات بشكل مستقيم، فإن هذه القيم تتطابق؛ وإذا كان مسار الجزيئات عبارة عن خط متعرج ومكسور، فإن المسافة المقطوعة تكون دائمًا أقل من طول المسار المقطوع.

إشعاع ألفاعبارة عن تيار من جسيمات ألفا، وهي نواة ذرات الهيليوم (تسمى أحيانًا ذرات الهيليوم المتأينة بشكل مضاعف). يتكون جسيم ألفا من بروتونين ونيوترونين، وهو مشحون بشحنة موجبة ويحمل معه شحنتين موجبتين أوليتين. كتلة الجسيمات m a = 4.003 amu. - وهذا هو أكبر الجزيئات. سرعة الحركة هي (14.1-24.9) × 106 م/ث. في المادة، تتحرك جسيمات ألفا بشكل مستقيم، وهو ما يرتبط بكتلة كبيرة نسبيًا وطاقة كبيرة. يحدث الانحراف فقط في حالة الاصطدام المباشر بقذائف المدفعية.

يعتمد مدى جسيمات ألفا في المادة على طاقة جسيم ألفا وعلى طبيعة المادة التي يتحرك فيها. في المتوسط، نطاق جسيم ألفا في الهواء هو 2.5-9 سم، والحد الأقصى يصل إلى 11 سم، في الأنسجة البيولوجية - 5-100 ميكرون، في الزجاج - 4. 10 -3 سم تتراوح طاقة جسيم ألفا بين 4 و9 MeV. يمكنك حجب إشعاع ألفا تمامًا بورقة من الورق. على طول المسار بأكمله، يمكن لجسيم ألفا تكوين ما بين 116000 إلى 254000 زوج أيوني.

يبلغ التأين النوعي حوالي 40000 زوج أيون/سم3 في الهواء، وهو نفس التأين المحدد في الجسم عند مسار 1-2 ميكرون.

بعد استهلاك الطاقة، يتباطأ جسيم ألفا وتتوقف عملية التأين. القوانين التي تحكم تكوين الذرات تدخل حيز التنفيذ. تضيف نواة ذرات الهيليوم إلكترونين وتتشكل ذرة هيليوم كاملة. وهذا ما يفسر حقيقة الوجود الإجباري للهيليوم في الصخور التي تحتوي على مواد مشعة.

من بين جميع أنواع الإشعاع المشع، فإن إشعاع ألفا هو الأكثر تألقًا (يتوهج).

إشعاع بيتاهو تيار من جسيمات بيتا، وهي الإلكترونات أو البوزيترونات. وهي تحمل شحنة كهربائية أولية واحدة، m b = 0.000548 amu. وهي تتحرك بسرعات قريبة من سرعة الضوء، أي. (0.87-2.994)×108 م/ث.

على عكس جسيمات أ، فإن جسيمات ب من نفس العنصر المشع لها كميات مختلفة من الطاقة (من صفر إلى قيمة قصوى معينة). ويفسر ذلك حقيقة أنه مع كل اضمحلال بيتا، ينبعث جسيمان في وقت واحد من النواة الذرية: جسيم ب ونيوترينو (ن ه). يتم توزيع الطاقة المنطلقة خلال كل حدث اضمحلال بين الجسيم b والنيوترينو بنسب مختلفة. لذلك، تتراوح طاقة جسيمات بيتا من أعشار ومئات من MeV (الإشعاع b الناعم) إلى 2-3 MeV (الإشعاع الصلب).

ونظرًا لحقيقة أن جسيمات بيتا المنبعثة من نفس باعث بيتا لها احتياطيات طاقة مختلفة (من الحد الأدنى إلى الحد الأقصى)، فإن طول المسار وعدد أزواج الأيونات ليسا متساويين بالنسبة لجسيمات بيتا لنويدة مشعة معينة. عادة، النطاق في الهواء هو عشرات سم، وأحيانا عدة أمتار (ما يصل إلى 34 م)، في الأنسجة البيولوجية - ما يصل إلى 1 سم (ما يصل إلى 4 سم عند طاقة جسيمات بيتا تبلغ 8 ميغا إلكترون فولت).

إشعاع بيتا له تأثير مؤين أقل بكثير من إشعاع ألفا. وهكذا، تتشكل جسيمات بيتا في الهواء من 1000 إلى 25500 زوج من الأيونات على طول مسارها بالكامل. في المتوسط، لكامل المسار في الهواء، أو 50-100 زوج من الأيونات لكل 1 سم من المسار. وتعتمد درجة التأين على سرعة الجسيم؛ فكلما انخفضت السرعة، زاد التأين. والسبب في ذلك هو أن جسيمات بيتا عالية الطاقة تطير عبر الذرات بسرعة كبيرة وليس لديها الوقت لإحداث تأثير قوي مثل جسيمات بيتا البطيئة.

نظرًا لأن كتلة جسيمات بيتا قليلة جدًا، فعندما تصطدم بالذرات والجزيئات، فإنها تنحرف بسهولة عن اتجاهها الأصلي. وتسمى ظاهرة الانحراف هذه بالتشتت. لذلك، من الصعب جدًا تحديد طول مسار جسيمات بيتا بالضبط، وليس المسافة المقطوعة، لأنه متعرج للغاية.

عند فقدان الطاقة، يتم التقاط الإلكترون إما بواسطة أيون موجب لتكوين ذرة متعادلة، أو بواسطة ذرة لتكوين أيون سالب.

إشعاع جاماهو تيار من الفوتونات (الكمات) من الإشعاع الكهرومغناطيسي. سرعة انتشارها في الفراغ تساوي سرعة الضوء – 3×10 8 م/ث. وبما أن أشعة جاما عبارة عن موجة، فهي تتميز بطول الموجة وتردد الاهتزاز والطاقة. تتناسب طاقة الكم g مع تردد الاهتزازات، ويرتبط تردد الاهتزازات بطول موجتها. كلما زاد طول الموجة، انخفض تردد التذبذب، والعكس صحيح، أي أن تردد التذبذب يتناسب عكسيا مع طول الموجة. كلما كان الطول الموجي أقصر وارتفاع تردد تذبذب الإشعاع، زادت طاقته، وبالتالي قدرته على الاختراق. وتتراوح طاقة إشعاع جاما الصادرة عن العناصر المشعة الطبيعية من بضعة كيلو إلكترون فولت إلى 2-3 ميجا إلكترون فولت ونادرا ما تصل إلى 5-6 ميجا إلكترون فولت.

تسبب أشعة جاما، التي ليس لها شحنة أو كتلة ساكنة، تأثيرًا مؤينًا ضعيفًا، ولكن لها قوة اختراق كبيرة. في الهواء يمكنهم السفر لمسافة تصل إلى 100-150 مترًا. ويمر هذا الإشعاع عبر جسم الإنسان دون توهين.

القياسات

مفهوم الجرعة

نتيجة تأثير الإشعاعات المؤينة على الأجسام المشععة هي تغيرات فيزيائية أو كيميائية أو بيولوجية في هذه الأجسام. ومن أمثلة هذه التغييرات تسخين الجسم، والتفاعل الكيميائي الضوئي لفيلم الأشعة السينية، والتغيرات في المعايير البيولوجية للكائن الحي، وما إلى ذلك. يعتمد تأثير الإشعاع على الكميات الفيزيائية العاشر طتوصيف مجال الإشعاع أو تفاعل الإشعاع مع المادة:

كميات العاشر ط، ترتبط وظيفيا بتأثير الإشعاع η ، تسمى قياس الجرعات. الغرض من قياس الجرعات هو القياس والبحث والحسابات النظرية لكميات قياس الجرعات للتنبؤ أو تقييم تأثير الإشعاع، ولا سيما التأثير الإشعاعي البيولوجي.

تم تشكيل نظام كميات قياس الجرعات نتيجة لتطور علم الأحياء الإشعاعي وقياس الجرعات والسلامة الإشعاعية. يتم تحديد معايير السلامة إلى حد كبير من قبل المجتمع، ولهذا السبب قامت البلدان المختلفة بتطوير أنظمة مختلفة لكميات قياس الجرعات. وتلعب اللجنة الدولية للحماية من الإشعاع (ICRP) دورًا مهمًا في توحيد هذه الأنظمة، وهي منظمة مستقلة تجمع خبراء في مجال الآثار البيولوجية للإشعاع وقياس الجرعات وقياسها.

أسئلة.

1. ماذا يحدث للراديوم نتيجة اضمحلال ألفا؟

عندما يضمحل الراديوم Ra (المعدن)، فإنه يتحول إلى رادون Ra (غاز) مع انبعاث جسيمات ألفا.

2. ماذا يحدث للعناصر الكيميائية المشعة نتيجة لتحلل ألفا أو بيتا؟

أثناء اضمحلال ألفا وبيتا، يحدث تحول من عنصر كيميائي إلى عنصر آخر.

3. أي جزء من الذرة - النواة أم الغلاف الإلكتروني - يتعرض لتغيرات أثناء الاضمحلال الإشعاعي؟ لماذا تعتقد ذلك؟

أثناء التحول الإشعاعي، تخضع نواة الذرة للتغيير، لأن نواة الذرة هي التي تحدد خواصها الكيميائية.

4. اكتب تفاعل اضمحلال ألفا للراديوم واشرح معنى كل رمز في هذا الترميز.

5. ما هي أسماء الأرقام العلوية والسفلية التي تظهر قبل الحرف الخاص بالعنصر؟

يطلق عليهم أرقام الكتلة والشحنة.

6. ما هو العدد الكتلي؟ رقم الشحن؟

العدد الكتلي يساوي العدد الكامل لوحدات الكتلة الذرية لذرة معينة.
عدد الشحنة يساوي عدد الشحنات الكهربائية الأولية لنواة ذرة معينة.

7. باستخدام مثال تفاعل اضمحلال الراديوم، اشرح ما هي قوانين حفظ الشحنة (رقم الشحنة) والعدد الكتلي.

ينص قانون حفظ العدد الكتلي والشحنات على أنه أثناء التحولات الإشعاعية، تكون قيمة مجموع الأعداد الكتلية للذرات ومجموع شحنات جميع الجسيمات المشاركة في التحولات قيمة ثابتة.

٨ اية نتيجة نتجت عن الاكتشاف الذي توصل اليه رذرفورد وسودي؟‏

وخلص إلى أن نوى الذرات لها تركيبة معقدة.

9. ما هو النشاط الإشعاعي؟

النشاط الإشعاعي هو قدرة بعض النوى الذرية على التحول تلقائيًا إلى نوى أخرى عن طريق انبعاث جزيئات.

تمارين.

1. تحديد الكتلة (بوحدة amu الدقيقة للأعداد الصحيحة) والشحن (بالشحنات الأولية) لنوى ذرات العناصر التالية: الكربون 12 6 C؛ الليثيوم 6 3 لي؛ الكالسيوم 40 20 كاليفورنيا.

2. ما عدد الإلكترونات الموجودة في ذرات كل عنصر من العناصر الكيميائية المذكورة في المسألة السابقة؟

3. حدِّد (ضمن الأعداد الصحيحة) عدد المرات التي تكون فيها كتلة نواة ذرة الليثيوم 6 3 Li أكبر من كتلة نواة ذرة الهيدروجين 1 1 H.

4. بالنسبة لنواة ذرة البريليوم 9 4 كن، حدد: أ) العدد الكتلي؛ ب) كتلة النواة في أ. م (دقيق للأعداد الصحيحة) ؛ ج) كم مرة تكون كتلة النواة أكبر من 1/12 كتلة ذرة الكربون 12 6 ج (دقيقة للأعداد الصحيحة): د) رقم الشحنة؛ ه) الشحنة النووية في الشحنات الكهربائية الأولية؛ و) إجمالي الشحنة لجميع الإلكترونات الموجودة في الذرة في الشحنات الكهربائية الأولية؛ ز) عدد الإلكترونات الموجودة في الذرة.

5. باستخدام قوانين حفظ العدد الكتلي والشحنة، حدد العدد الكتلي وشحنة نواة العنصر الكيميائي X المتكون نتيجة تفاعل اضمحلال بيتا التالي:

14 6 ج → X + 0 -1 ه،

حيث 0 -1 e عبارة عن جسيم بيتا (إلكترون). ابحث عن هذا العنصر في جدول D.I Mendeleev في الصفحة الأخيرة من الكتاب المدرسي. ماذا يطلق عليه؟