Radioaktyviosios atomų transformacijos. Radioaktyviosios branduolių transformacijos. Radionuklidų šaltinių taikymo sritys

1900 metais Rutherfordas anglų radiochemikui Frederickui Soddy papasakojo apie paslaptingą toroną. Soddy įrodė, kad toronas buvo inertinės dujos, panašios į argoną, atrastą prieš kelerius metus ore; tai buvo vienas iš radono izotopų, 220 Rn. Radžio emanacija, kaip vėliau paaiškėjo, buvo dar vienas radono izotopas – 222 Rn (pusėjimo laikas T 1/2 = 3,825 dienos), o aktinio emanacija yra trumpalaikis to paties elemento izotopas: 219 Rn ( T 1/2 = 4 s). Be to, Rutherfordas ir Soddy iš torio transformacijos produktų išskyrė naują nelakų elementą, kurio savybės skiriasi nuo torio. Jis buvo vadinamas toriu X (vėliau buvo nustatyta, kad tai buvo radžio 224 Ra c izotopas T 1/2 = 3,66 dienos). Kaip paaiškėjo, „torio emanacija“ išsiskiria būtent iš torio X, o ne iš pradinio torio. Panašių pavyzdžių daugėjo: iš pradžių chemiškai kruopščiai išvalytame urane ar toriuje laikui bėgant atsirado radioaktyvių elementų priemaiša, iš kurios savo ruožtu buvo gauti nauji radioaktyvūs elementai, tarp jų ir dujiniai. Taip iš daugelio radioaktyvių vaistų išsiskyrusios a-dalelės virto dujomis, identiškomis heliui, kuris 1860-ųjų pabaigoje buvo atrastas Saulėje (spektrinis metodas), o 1882 m. aptiktas kai kuriose uolienose.

Savo bendro darbo rezultatus Rutherfordas ir Soddy 1902–1903 m. paskelbė keliuose straipsniuose „Philosophical Magazine“. Šiuose straipsniuose, išanalizavę gautus rezultatus, autoriai priėjo prie išvados, kad vienus cheminius elementus įmanoma paversti kitais. Jie rašė: „Radioaktyvumas yra atominis reiškinys, lydimas cheminių pokyčių, kurių metu gimsta naujos medžiagos... Radioaktyvumas turi būti traktuojamas kaip vidinio atomo cheminio proceso pasireiškimas... Radiacija lydi atomų virsmą. Dėl atominės transformacijos susidaro visiškai naujos rūšies medžiaga, kuri savo fizinėmis ir cheminėmis savybėmis visiškai skiriasi nuo pradinės medžiagos.

Tuo metu šios išvados buvo labai drąsios; kiti žymūs mokslininkai, įskaitant Curie, nors ir stebėjo panašius reiškinius, paaiškino juos „naujų“ elementų buvimu pradinėje medžiagoje nuo pat pradžių (pavyzdžiui, Curie iš urano rūdos išskyrė jame esantį polonį ir radį). Nepaisant to, Rutherfordas ir Soddy pasirodė teisūs: radioaktyvumą lydi kai kurių elementų transformacija į kitus.

Atrodė, kad griūva tai, kas nepajudinama: atomų nekintamumas ir nedalumas, nes nuo Boyle'o ir Lavoisier laikų chemikai priėjo prie išvados apie cheminių elementų (kaip tada sakydavo, „paprastų kūnų“, statybinių blokų) neskaidomumą. visatos), apie tai, kad jie negali virsti vienas kitu. Tai, kas dėjosi to meto mokslininkų galvose, aiškiai liudija D. I. Mendelejevo teiginiai, kuris tikriausiai manė, kad elementų „transmutacijos“ galimybė, apie kurią šimtmečiais kalbėjo alchemikai, sugriaus darnią chemikalai, kuriuos jis sukūrė ir buvo pripažintas visame pasaulyje. Vadovėlyje, išleistame 1906 m Chemijos pagrindai jis rašė: „...Aš visiškai nelinkęs (remdamasis griežta, bet vaisinga indukcinių žinių disciplina) pripažinti net hipotetinio kai kurių elementų konvertuojamumo vienas į kitą ir nematau jokios galimybės argono ar radioaktyviųjų medžiagų iš urano arba atvirkščiai.

Laikas parodė Mendelejevo požiūrių klaidingumą dėl neįmanomumo kai kurių cheminių elementų paversti kitais; kartu patvirtino pagrindinio jo atradimo – periodinio dėsnio – neliečiamumą. Vėlesni fizikų ir chemikų darbai parodė, kokiais atvejais vieni elementai gali virsti kitais ir kokie gamtos dėsniai valdo šiuos virsmus.

Elementų transformacijos. Radioaktyviosios serijos.

Per pirmuosius du XX a. Daugelio fizikų ir radiochemikų darbais buvo atrasta daug radioaktyvių elementų. Palaipsniui tapo aišku, kad jų virsmo produktai dažnai patys yra radioaktyvūs ir patiria tolesnių transformacijų, kartais gana sudėtingų. Žinant seką, kuria vienas radionuklidas virsta kitu, leido sukurti vadinamąsias natūralias radioaktyviąsias serijas (arba radioaktyviąsias šeimas). Jų buvo trys, ir jie buvo vadinami urano eilute, aktinio eile ir torio eilute. Šios trys serijos atsirado iš sunkiųjų gamtinių elementų – urano, žinomo nuo XVIII a., ir torio, atrasto 1828 m. (nestabilus aktinis yra ne protėvis, o tarpinis aktinio serijos narys). Vėliau prie jų buvo pridėta neptūno serija, pradedant pirmuoju transurano elementu Nr.93, dirbtinai gautu 1940 m., neptūnu. Daugelis jų transformacijos produktų taip pat buvo pavadinti originalių elementų vardais, parašant šias schemas:

Urano serija: UI ® UХ1 ® UХ2 ® UII ® Io (jonas) ® Ra ® ... ® RaG.

Jūros anemonų serija: AcU ® UY ® Pa ® Ac ® AcK ® AcX ® An ® AcA ® AcB ® AcC ® AcC"" ® AcD.

Torio serija: Th ® MsTh1 ® MsTh2 ® RdTh ® ThХ ® TheEm ® ThA ® ThB ® ThC ® ThC" ® ThD.

Kaip paaiškėjo, šios eilės ne visada yra „tiesios“ grandinės: laikas nuo laiko jos šakojasi. Taigi, UX2 su 0,15% tikimybe gali virsti UZ, tada pereina į UII. Panašiai ThC gali irti dviem būdais: ThC ® ThC" transformacija įvyksta 66,3%, o tuo pačiu metu, tikimybe 33,7%, vyksta procesas ThC ® ThC"" ® ThD. Tai yra tokie. vadinamos šakėmis, lygiagretus vieno radionuklido pavertimas skirtingais produktais. Šios serijos radioaktyviųjų virsmų teisingos sekos nustatymo sunkumai taip pat buvo susiję su labai trumpu daugelio jos narių, ypač beta aktyvių, gyvavimo laiku.

Kadaise kiekvienas naujas radioaktyviosios serijos narys buvo laikomas nauju radioaktyviuoju elementu, o fizikai ir radiochemikai jam įvedė savo pavadinimus: jonis Io, mezotoriumas-1 MsTh1, aktinourano AcU, torio emanacija ThEm ir kt. ir tt Šie pavadinimai yra sudėtingi ir nepatogūs, juose nėra aiškios sistemos. Tačiau kai kurie iš jų vis dar kartais tradiciškai naudojami specializuotoje literatūroje. Laikui bėgant paaiškėjo, kad visi šie simboliai reiškia nestabilias įprastų cheminių elementų – radionuklidų – atomų atmainas (tiksliau, branduolius). Norėdamas atskirti chemiškai neatskiriamus, bet pusėjimo trukme (ir dažnai ir skilimo rūšimi) besiskiriančius elementus, F. Soddy 1913 m. pasiūlė juos vadinti izotopais.

Priskyrus kiekvieną serijos narį vienam iš žinomų cheminių elementų izotopų, tapo aišku, kad urano serija prasideda nuo urano-238 ( T 1/2 = 4,47 milijardo metų) ir baigiasi stabiliu švinu-206; kadangi vienas iš šios serijos narių yra labai svarbus elementas radis), ši serija dar vadinama urano-radžio serija. Aktinio serija (jos kitas pavadinimas yra aktinourano serija) taip pat kilusi iš natūralaus urano, bet iš kito jo izotopo – 235 U ( T 1/2 = 794 milijonai metų). Torio serija prasideda nuklidu 232 Th ( T 1/2 = 14 milijardų metų). Galiausiai neptūno serija, kurios gamtoje nėra, prasideda dirbtinai gautu ilgiausiai gyvenančiu neptūno izotopu: 237 Np ® 233 Pa ® 233 U ® 229 Th ® 225 Ra ® 225 Ac ® 221 Fr ® 217 At ® . Bi ® 213 Po ® 209 Pb ® 209 Bi. Šioje serijoje taip pat yra „šakė“: 213 Bi su 2% tikimybe gali virsti 209 Tl, kuri jau virsta 209 Pb. Įdomesnis neptūno serijos bruožas yra dujinių "išsiskyrimų" nebuvimas, taip pat galutinis serijos narys - bismutas, o ne švinas. Šios dirbtinės serijos protėvio pusinės eliminacijos laikas yra „tik“ 2,14 milijono metų, todėl neptūnas, net jei ir būtų buvęs formuojantis Saulės sistemai, negalėjo „išgyventi“ iki šių dienų, nes Manoma, kad Žemės amžius siekia 4,6 milijardo metų, o per šį laiką (daugiau nei 2000 pusamžių) iš neptūnio neliktų nė vieno atomo.

Kaip pavyzdį, Rutherfordas išskleidė sudėtingą radžio transformacijos grandinės įvykių raizginį (radis-226 yra šeštasis radioaktyviosios urano-238 serijos narys). Diagramoje pavaizduoti ir Rutherfordo laikų simboliai, ir šiuolaikiniai nuklidų simboliai, taip pat skilimo tipas ir šiuolaikiniai duomenys apie pusėjimo trukmę; Aukščiau pateiktoje serijoje taip pat yra maža „šakė“: RaC su 0,04% tikimybe gali virsti RaC""(210 Tl), kuris vėliau virsta tuo pačiu RaD ( T 1/2 = 1,3 min.). Šio radioaktyvaus švino pusinės eliminacijos laikas yra gana ilgas, todėl eksperimento metu dažnai galima nepaisyti tolimesnių jo transformacijų.

Paskutinis šios serijos narys švinas-206 (RaG) yra stabilus; natūraliame švino yra 24,1 proc. Torio serija veda prie stabilaus švino-208 (jo kiekis „paprastame“ švino yra 52,4%), aktinio serija veda į švino-207 (jo kiekis švino yra 22,1%). Šių švino izotopų santykis šiuolaikinėje žemės plutoje, žinoma, yra susijęs ir su pirminių nuklidų pusėjimo trukme, ir su pradiniu jų santykiu medžiagoje, iš kurios susidarė Žemė. O „paprasto“, neradiogeninio, švino žemės plutoje yra tik 1,4%. Taigi, jei iš pradžių Žemėje nebūtų urano ir torio, švino jame būtų ne 1,6 × 10 –3% (maždaug tiek pat, kiek kobalto), o 70 kartų mažiau (kaip, pavyzdžiui, tokie reti metalai kaip indis ir tulis!). Kita vertus, įsivaizduojamas chemikas, atskridęs į mūsų planetą prieš kelis milijardus metų, būtų joje radęs daug mažiau švino ir daug daugiau urano bei torio...

Kai F. Soddy 1915 metais iš Ceilono mineralinio torito (ThSiO 4) išskyrė šviną, susidariusį irstant toriui, jo atominė masė buvo lygi 207,77, tai yra daugiau nei „paprasto“ švino (207,2). Tai skirtumas nuo „teorinio“(208) paaiškinamas tuo, kad torite buvo šiek tiek urano, iš kurio susidaro švinas-206. Kai amerikiečių chemikas Theodore'as Williamas Richardsas, autoritetas atominių masių matavimo srityje, išskyrė šviną iš kai kurių urano mineralų, kuriuose nebuvo torio, jo atominė masė buvo beveik lygiai 206. Šio švino tankis taip pat buvo šiek tiek mažesnis. , ir jis atitiko apskaičiuotąjį: r ( Pb) ґ 206/207,2 = 0,994r (Pb), kur r (Pb) = 11,34 g/cm3. Šie rezultatai aiškiai parodo, kodėl švinui, kaip ir daugeliui kitų elementų, nėra prasmės matuoti atominę masę labai tiksliai: skirtingose ​​vietose paimti mėginiai duos šiek tiek skirtingus rezultatus ( cm. ANGLIES VIENETAS).

Gamtoje diagramose parodytos transformacijų grandinės vyksta nuolat. Dėl to vieni cheminiai elementai (radioaktyvūs) virsta kitais, ir tokie virsmai vyko per visą Žemės egzistavimo laikotarpį. Pradiniai radioaktyviųjų serijų nariai (jie vadinami pirminiais) yra ilgiausiai gyvenantys: urano-238 pusinės eliminacijos laikas yra 4,47 milijardo metų, torio-232 - 14,05 milijardo metų, urano-235 (taip pat žinomas kaip "aktinouranas") aktinio serijos protėvis ) – 703,8 mln. metų. Visi paskesni ("dukrai") šios ilgos grandinės nariai gyvena žymiai trumpiau. Tokiu atveju susidaro būsena, kurią radiochemikai vadina „radioaktyvia pusiausvyra“: tarpinio radionuklido susidarymo greitis iš pradinio urano, torio ar aktinio (šis greitis labai mažas) yra lygus šio nuklido skilimo greičiui. Dėl šių normų lygybės tam tikro radionuklido kiekis yra pastovus ir priklauso tik nuo jo pusėjimo trukmės: trumpaamžių radioaktyviųjų serijų narių koncentracija yra maža, o ilgaamžių – didesnis. Toks tarpinių skilimo produktų kiekio pastovumas išlieka labai ilgai (šį laiką lemia pradinio nuklido pusinės eliminacijos laikas, kuris yra labai ilgas). Paprastos matematinės transformacijos leidžia daryti tokią išvadą: motininių ( N 0) ir vaikai ( N 1, N 2, N 3...) atomai yra tiesiogiai proporcingi jų pusėjimo trukmei: N 0:N 1:N 2:N 3... = T 0:T 1:T 2:T 3... Taigi urano-238 pusinės eliminacijos laikas yra 4,47 10 9 metai, radžio 226 - 1600 metų, todėl urano-238 ir radžio-226 atomų skaičiaus santykis urano rūdose yra 4,47 10 9: 1600 , iš kurios nesunku apskaičiuoti (atsižvelgiant į šių elementų atomines mases), kad 1 tonoje urano, pasiekus radioaktyviąją pusiausvyrą, yra tik 0,34 g radžio.

Ir atvirkščiai, žinant urano ir radžio santykį rūdose, taip pat radžio pusėjimo trukmę, galima nustatyti urano pusinės eliminacijos laiką, o radžio pusinės eliminacijos periodui nustatyti nereikia laukti daugiau nei tūkstantį metų – užtenka išmatuoti (pagal radioaktyvumą) skilimo greitį (t.y. .d reikšmę N/d t) mažas žinomas to elemento kiekis (su žinomu atomų skaičiumi N) ir tada pagal formulę d N/d t= –l N nustatyti reikšmę l = ln2/ T 1/2.

Poslinkio dėsnis.

Jei kurios nors radioaktyviosios serijos nariai vaizduojami nuosekliai periodinėje elementų lentelėje, paaiškėja, kad šios serijos radionuklidai ne sklandžiai pereina iš pirminio elemento (urano, torio ar neptūno) į šviną ar bismutą, o „šokinėja“. į dešinę, o paskui į kairę. Taigi urano serijoje du nestabilūs švino izotopai (elementas Nr. 82) virsta bismuto izotopais (elementas Nr. 83), tada polonio izotopais (elementas Nr. 84), o vėliau – švino izotopais. Dėl to radioaktyvusis elementas dažnai grįžta atgal į tą pačią elementų lentelės ląstelę, tačiau susidaro kitokios masės izotopas. Paaiškėjo, kad šiuose „šuoliuose“ yra tam tikras šablonas, kurį F. Soddy pastebėjo 1911 m.

Dabar žinoma, kad -skilimo metu iš branduolio išsiskiria a -dalelė (helio atomo branduolys), todėl branduolio krūvis sumažėja 2 (periodinėje lentelėje pasislenka dviem ląstelėmis į kairėje), o masės skaičius sumažėja 4, o tai leidžia numatyti, koks naujo elemento izotopas susidaro. Iliustracija yra radono a -skilimas: ® + . Priešingai, su b-skilimu, protonų skaičius branduolyje padidėja vienu, tačiau branduolio masė nesikeičia ( cm. RADIOAKTYVUMAS), t.y. elementų lentelėje yra poslinkis vienu langeliu į dešinę. Pavyzdys yra dvi nuoseklios polonio, susidariusio iš radono, transformacijos: ® ® . Taigi galima apskaičiuoti, kiek alfa ir beta dalelių išsiskiria, pavyzdžiui, dėl radžio-226 skilimo (žr. urano serijas), jei neatsižvelgsime į „šakės“. Pradinis nuklidas, galutinis nuklidas - . Masės (tiksliau, masės skaičiaus, tai yra viso protonų ir neutronų skaičiaus branduolyje) sumažėjimas lygus 226 – 206 = 20, todėl buvo išmestos 20/4 = 5 alfa dalelės. Šios dalelės nunešė 10 protonų, o jei b-skilimų nebūtų, galutinio skilimo produkto branduolinis krūvis būtų lygus 88 - 10 = 78. Iš tikrųjų galutiniame produkte yra 82 protonai, todėl per transformacijų, 4 neutronai virto protonais ir 4 b dalelės.

Labai dažnai po a-skilimo seka du b-skilimai, taigi gautas elementas grįžta į pradinę elementų lentelės ląstelę – lengvesnio pirminio elemento izotopo pavidalu. Dėl šių faktų tapo akivaizdu, kad D. I. Mendelejevo periodinis dėsnis atspindi ryšį tarp elementų savybių ir jų branduolio krūvio, o ne jų masės (kaip iš pradžių buvo suformuluota, kai nebuvo žinoma atomo struktūra).

Radioaktyviojo poslinkio dėsnis galiausiai buvo suformuluotas 1913 m., daugelio mokslininkų atliktų kruopščių tyrimų rezultatas. Žymūs tarp jų buvo Soddy asistentas Aleksandras Fleckas, Soddy stažuotojas A.S. Russellas, vengrų fizikinis chemikas ir radiochemikas György Hevesy, dirbęs su Rutherfordu Mančesterio universitete 1911–1913 m., ir vokiečių (o vėliau ir amerikiečių) fizikinis chemikas Casimir Fajans. 1887–1975). Šis įstatymas dažnai vadinamas Soddy-Fajanso įstatymu.

Dirbtinė elementų transformacija ir dirbtinis radioaktyvumas.

Daug įvairių transformacijų buvo atlikta su deuteronais – sunkiojo vandenilio izotopo deuterio branduoliais, pagreitintais iki didelio greičio. Taigi, reakcijos metu + ® + pirmą kartą buvo pagamintas supersunkus vandenilis - tritis. Dviejų deuteronų susidūrimas gali vykti skirtingai: + ® + , šie procesai yra svarbūs tiriant kontroliuojamos termobranduolinės reakcijos galimybę. Reakcija + ® () ® 2 pasirodė svarbi, nes ji vyksta jau esant santykinai mažai deuteronų energijai (0,16 MeV) ir ją lydi didžiulės energijos išsiskyrimas - 22,7 MeV (prisiminkime, kad 1 MeV = 10 6 eV , o 1 eV = 96,5 kJ/mol).

Reakcija, kuri vyksta bombarduojant berilį a-dalelėmis, įgijo didelę praktinę reikšmę: + ® () ® + 1932 m. leido atrasti neutralią neutroninę dalelę, o radžio-berilio neutronų šaltiniai pasirodė esąs labai patogūs. moksliniams tyrimams. Reakcijų + ® + rezultate taip pat galima gauti skirtingos energijos neutronus; + ® + ; + ® + . Neutronai, neturintys krūvio, ypač lengvai prasiskverbia į atomo branduolius ir sukelia įvairius procesus, kurie priklauso ir nuo iššaunamo nuklido, ir nuo neutronų greičio (energijos). Taigi, lėtą neutroną branduolys gali tiesiog pagauti, o branduolys iš tam tikro perteklinės energijos išleidžiamas išspinduliuojant gama kvantą, pavyzdžiui: + ® + g. Ši reakcija plačiai naudojama branduoliniuose reaktoriuose, kontroliuojant urano dalijimosi reakciją: kadmio strypai arba plokštės įstumiami į branduolinį katilą, kad sulėtėtų reakcija.

Jei reikalas apsiribotų šiomis transformacijomis, tai po a-švitinimo nutraukimo neutronų srautas turėjo iš karto išdžiūti, todėl, pašalinus polonio šaltinį, jie tikėjosi, kad nutrūks visa veikla, tačiau išsiaiškino, kad dalelių skaitiklis ir toliau veikia. registruoja impulsus, kurie palaipsniui išnyko – tiksliai pagal eksponentinį dėsnį. Tai galima interpretuoti tik vienaip: dėl alfa švitinimo atsirado anksčiau nežinomų radioaktyvių elementų, kurių būdingas pusinės eliminacijos laikas azotui-13 buvo 10 min., o fosforo-30 - 2,5 min. Paaiškėjo, kad šie elementai patiria pozitronų skilimą: ® + e + , ® + e + . Įdomūs rezultatai buvo gauti naudojant magnį, kurį reprezentuoja trys stabilūs natūralūs izotopai, ir paaiškėjo, kad juos visus apšvitinus susidaro radioaktyvūs silicio arba aliuminio nuklidai, kurie skilsta 227 arba pozitronais:

Dirbtinių radioaktyviųjų elementų gamyba turi didelę praktinę reikšmę, nes leidžia sintetinti radionuklidus, kurių pusinės eliminacijos laikas yra tinkamas konkrečiam tikslui ir norimos rūšies spinduliuotei su tam tikra galia. Ypač patogu neutronus naudoti kaip „sviedinius“. Neutroną užfiksavus branduoliui, jis dažnai tampa toks nestabilus, kad naujasis branduolys tampa radioaktyvus. Jis gali tapti stabilus dėl „papildomo“ neutrono pavertimo protonu, tai yra dėl 227 spinduliuotės; Yra žinoma daug tokių reakcijų, pavyzdžiui: + ® ® + e. Radioaktyviosios anglies susidarymo reakcija, vykstanti viršutiniuose atmosferos sluoksniuose, yra labai svarbi: + ® + ( cm. RADIOANGLIO ANALIZĖS METODAS). Tritis sintetinamas lėtiesiems neutronams sugeriant ličio-6 branduolius. Daugelį branduolinių transformacijų galima pasiekti veikiant greitiesiems neutronams, pavyzdžiui: + ® + ; + ® + ; + ® + . Taigi, apšvitinant įprastą kobaltą neutronais, gaunamas radioaktyvusis kobaltas-60, kuris yra galingas gama spinduliuotės šaltinis (jį išskiria 60 Co - sužadintų branduolių skilimo produktas). Kai kurie transurano elementai gaminami apšvitinant neutronais. Pavyzdžiui, iš gamtinio urano-238 pirmiausia susidaro nestabilus uranas-239, kuris b-skilimo metu ( T 1/2 = 23,5 min) virsta pirmuoju transurano elementu neptūnu-239, o jis savo ruožtu taip pat per b-skilimą ( T 1/2 = 2,3 dienos) virsta labai svarbiu vadinamuoju ginklų klasės plutoniu-239.

Ar įmanoma dirbtinai gauti aukso, atliekant reikiamą branduolinę reakciją ir taip pasiekti tai, ko nepavyko padaryti alchemikams? Teoriškai tam nėra jokių kliūčių. Be to, tokia sintezė jau buvo atlikta, tačiau turtų ji neatnešė. Lengviausias būdas dirbtinai gaminti auksą būtų apšvitinti neutronų srautu periodinėje lentelėje po aukso esantį elementą. Tada dėl + ® + reakcijos neutronas išmuštų protoną iš gyvsidabrio atomo ir paverstų jį aukso atomu. Ši reakcija nenurodo specifinių masės skaičių ( A) gyvsidabrio ir aukso nuklidai. Auksas gamtoje yra vienintelis stabilus nuklidas, o natūralus gyvsidabris yra sudėtingas izotopų mišinys su A= 196 (0,15%), 198 (9,97%), 199 (1,87%), 200 (23,10%), 201 (13,18%), 202 (29,86%) ir 204 (6,87%). Vadinasi, pagal aukščiau pateiktą schemą galima gauti tik nestabilų radioaktyvų auksą. Jį 1941 m. pradžioje gavo grupė amerikiečių chemikų iš Harvardo universiteto, apšvitindami gyvsidabrį greitųjų neutronų srautu. Po kelių dienų visi susidarę radioaktyvieji aukso izotopai per beta skilimą vėl virto pirminiais gyvsidabrio izotopais...

Tačiau yra ir kitas būdas: jei gyvsidabrio-196 atomai bus apšvitinti lėtais neutronais, jie virs gyvsidabrio-197 atomais: + ® + g. Šie atomai, kurių pusinės eliminacijos laikas yra 2,7 dienos, sulaiko elektronus ir galiausiai virsta stabiliais aukso atomais: + e ® . Šią pertvarką 1947 metais atliko Čikagos nacionalinės laboratorijos darbuotojai. Švitinant 100 mg gyvsidabrio lėtais neutronais, jie gavo 0,035 mg 197Au. Viso gyvsidabrio atžvilgiu išeiga yra labai maža - tik 0,035%, bet, palyginti su 196Hg, ji ​​siekia 24%! Tačiau natūraliame gyvsidabrio izotopas 196 Hg yra tik mažiausia, be to, pats švitinimo procesas ir jo trukmė (švitinimas užtruks kelerius metus), o stabilaus „sintetinio aukso“ išskyrimas iš sudėtingo mišinio kainuos nepamatuojamai brangiau nei aukso išskyrimas iš skurdžiausios rūdos (). Taigi dirbtinė aukso gamyba yra tik teoriškai svarbi.

Kiekybiniai radioaktyviųjų virsmų modeliai.

Jei būtų įmanoma atsekti konkretų nestabilų branduolį, būtų neįmanoma numatyti, kada jis suirs. Tai yra atsitiktinis procesas ir tik tam tikrais atvejais galima įvertinti irimo tikimybę per tam tikrą laikotarpį. Tačiau net ir mažiausia dulkių dėmė, beveik nematoma pro mikroskopą, turi daugybę atomų, o jei šie atomai yra radioaktyvūs, tada jų skilimas paklūsta griežtiems matematiniams dėsniams: įsigalioja statistiniai dėsniai, būdingi labai daugybei objektų. . Ir tada kiekvienas radionuklidas gali būti apibūdintas labai specifine verte - pusėjimo trukme ( T 1/2) yra laikas, per kurį suyra pusė turimo branduolių skaičiaus. Jei iš pradžių buvo N 0 branduolių, tada po kurio laiko t = T 1/2 jų liks N 0/2, val t = 2T 1/2 liks N 0/4 = N 0/2 2, val t = 3T 1/2 – N 0/8 = N 0/2 3 ir tt Apskritai, kada t = nT 1/2 liks N 0/2 n branduoliai, kur n = t/T 1/2 yra pusėjimo trukmės skaičius (jis nebūtinai turi būti sveikas skaičius). Nesunku parodyti, kad formulė N = N 0/2 t/T 1/2 atitinka formulę N = N 0e – l t, kur l yra vadinamoji skilimo konstanta. Formaliai jis apibrėžiamas kaip proporcingumo koeficientas tarp mažėjimo greičio d N/d t ir turimas branduolių skaičius: d N/d t= – l N(minuso ženklas tai rodo N laikui bėgant mažėja). Šios diferencialinės lygties integravimas suteikia eksponentinę branduolių skaičiaus priklausomybę nuo laiko. Pakeičiant šią formulę N = N 0/2 val t = T 1/2, gauname, kad skilimo konstanta yra atvirkščiai proporcinga pusėjimo trukmei: l = ln2/ T 1/2 = 0,693/T 1/2. Reikšmė t = 1/ l vadinama vidutine branduolio gyvavimo trukme. Pavyzdžiui, 226 Ra T 1/2 = 1600 metų, t = 1109 metai.

Pagal pateiktas formules, žinant reikšmę T 1/2 (arba l), nesunku apskaičiuoti radionuklido kiekį po bet kurio laiko tarpo, o iš jų galima apskaičiuoti pusėjimo trukmę, jei žinomas radionuklido kiekis skirtingais laiko momentais. Vietoj branduolių skaičiaus, formulėje galite pakeisti radiacijos aktyvumą, kuris yra tiesiogiai proporcingas turimam branduolių skaičiui N. Aktyvumas dažniausiai apibūdinamas ne bendru skilimų skaičiumi imtyje, o jam proporcingu impulsų skaičiumi, kuriuos fiksuoja aktyvumą matuojantis prietaisas. Jei yra, pavyzdžiui, 1 g radioaktyviosios medžiagos, tai kuo trumpesnis jos pusinės eliminacijos laikas, tuo medžiaga bus aktyvesnė.

Kiti matematiniai dėsniai apibūdina nedidelio skaičiaus radionuklidų elgesį. Čia galime kalbėti tik apie konkretaus įvykio tikimybę. Tegu, pavyzdžiui, yra vienas radionuklido atomas (tiksliau vienas branduolys) su T 1/2 = 1 min. Tikimybė, kad šis atomas gyvens 1 minutę, yra 1/2 (50 %), 2 minutes – 1/4 (25 %), 3 minutes – 1/8 (12,5 %), 10 minučių – (1/2 ) 10 = 1/10 24 (0,1 %), 20 min – (1/2) 20 = 1/1048576 (0,00001 %). Vieno atomo tikimybė yra nereikšminga, bet kai atomų yra daug, pavyzdžiui, keli milijardai, daugelis jų, be jokios abejonės, gyvens 20 pusėjimo ar daug daugiau. Tikimybė, kad atomas suskils per tam tikrą laikotarpį, gaunama gautas vertes atėmus iš 100. Taigi, jei tikimybė, kad atomas išgyvens 2 minutes, yra 25%, tai tikimybė, kad tas pats atomas suirs per šį laikotarpį. laikas yra 100 - 25 = 75%, iširimo tikimybė per 3 minutes - 87,5%, per 10 minučių - 99,9% ir t.

Formulė tampa sudėtingesnė, jei yra keli nestabilūs atomai. Šiuo atveju statistinė įvykio tikimybė apibūdinama formule su dvejetainiais koeficientais. Jei yra N atomų, ir vieno iš jų skilimo tikimybę laikui bėgant t lygus p, tada tikimybė, kad per tam tikrą laiką t iš N atomai suirs n(ir atitinkamai išliks N – n), yra lygus P = N!p n(1–p) N–n /(N–n)!n! Panašias formules tenka naudoti ir sintezuojant naujus nestabilius elementus, kurių atomai gaunami pažodžiui pavieniui (pavyzdžiui, kai 1955 m. amerikiečių mokslininkų grupė atrado naują elementą Mendelevium, jie gavo tik 17 atomų ).

Šios formulės taikymą galima iliustruoti konkrečiu atveju. Pavyzdžiui, tegul būna N= 16 atomų, kurių pusinės eliminacijos laikas yra 1 valanda. Galite apskaičiuoti tam tikro skaičiaus atomų skilimo tikimybę, pavyzdžiui, laike t= 4 valandos. Tikimybė, kad vienas atomas išgyvens šias 4 valandas, yra atitinkamai 1/2 4 = 1/16, jo skilimo per šį laiką tikimybė r= 1 – 1/16 = 15/16. Pakeitus šiuos pradinius duomenis į formulę, gaunama: R = 16!(15/16) n (1/16) 16–n /(16–n)!n! = 16!15 n /2 64 (16–n)!n! Kai kurių skaičiavimų rezultatai pateikti lentelėje:

1 lentelė.
Atomai liko (16- n)	16	10	8	6	4	3	2	1	0
Atomai suiro n	0	6	8	10	12	13	14	15	16
Tikimybė R, %	5·10 –18	5·10 –7	1,8·10 –4	0,026	1,3	5,9	19,2	38,4	35,2

Taigi iš 16 atomų po 4 valandų (4 pusinės eliminacijos laikas) neliks nė vieno, kaip galima manyti: šio įvykio tikimybė yra tik 38,4%, nors ji yra didesnė už bet kurios kitos baigties tikimybę. Kaip matyti iš lentelės, tikimybė, kad visi 16 atomų (35,2%) arba tik 14 iš jų suirs, taip pat labai didelė. Tačiau tikimybė, kad po 4 pusamžių visi atomai liks „gyvi“ (ne vienas nesuskilęs), yra nereikšminga. Aišku, jei atomų yra ne 16, o, tarkime, 10 20, tai beveik 100% užtikrintai galime teigti, kad po 1 valandos liks pusė jų skaičiaus, po 2 valandų – ketvirtadalis ir t.t. Tai yra, kuo daugiau atomų, tuo tiksliau jų skilimas atitinka eksponentinį dėsnį.

Daugybė eksperimentų, atliktų nuo Bekerelio laikų, parodė, kad radioaktyvaus skilimo greičiui praktiškai neturi įtakos temperatūra, slėgis ar cheminė atomo būsena. Išimtys yra labai retos; Taigi elektronų gaudymo atveju vertė T 1/2 šiek tiek pasikeičia, kai keičiasi elemento oksidacijos būsena. Pavyzdžiui, 7 BeF 2 skilimas vyksta maždaug 0,1 % lėčiau nei 7 BeO arba metalinis 7 Be.

Bendras žinomų nestabilių branduolių – radionuklidų – skaičius artėja prie dviejų tūkstančių, jų gyvavimo trukmė kinta labai plačiose ribose. Yra žinomi ir ilgaamžiai radionuklidai, kurių pusėjimo trukmė siekia milijonus ir net milijardus metų, ir trumpaamžiai, kurie visiškai suyra per mažas sekundės dalis. Kai kurių radionuklidų pusinės eliminacijos periodai pateikti lentelėje.

Kai kurių radionuklidų savybės (Tc, Pm, Po ir visų vėlesnių elementų, neturinčių stabilių izotopų, duomenys pateikiami apie jų ilgiausiai gyvuojančius izotopus).

2 lentelė.
Serijos numeris	Simbolis	Masinis skaičius	Pusė gyvenimas
1	T	3	12 323 metai
6	SU	14	5730 metų
15	R	32	14,3 dienos
19	KAM	40	1,28 10 9 metai
27	Co	60	5272 metai
38	Sr	90	28,5 metų
43	Ts	98	4,2 10 6 metai
53	aš	131	8.02 dienos
61	pm	145	17,7 metų
84	Ro	209	102 metai
85	At	210	8,1 val
86	Rn	222	3825 dienos
87	Kun	223	21,8 min
88	Ra	226	1600 metų
89	Ak	227	21,77 metų
90	Th	232	1.405 10 9 metai
91	Ra	231	32 760 metų
92	U	238	4.468 10 9 metai
93	Np	237	2.14 10 6 metai
94	Pu	244	8,26 10 7 metai
95	Am	243	7370 metų
96	cm	247	1,56 10 7
97	Bk	247	1380 metų
98	Plg	251	898 metai
99	Es	252	471,7 dienos
100	Fm	257	100,5 dienos
101	MD	260	27,8 dienos
102	Nr	259	58 min
103	Lr	262	3,6 val
104	Rf	261	78 s
105	Db	262	34 s
106	Sg	266	21 s
107	Bh	264	0,44 s
108	Hs	269	9 s
109	Mt	268	70 ms
110	Ds	271	56 ms
111	–	272	1,5 ms
112	–	277	0,24 ms

Trumpiausias žinomas nuklidas yra 5 Li: jo gyvavimo laikas yra 4,4·10–22 s). Per šį laiką net šviesa nukeliaus vos 10–11 cm, t.y. atstumas tik keliasdešimt kartų didesnis už branduolio skersmenį ir žymiai mažesnis už bet kurio atomo dydį. Ilgiausiai gyvena 128 Te (gamtiniame telūre yra 31,7%), kurio pusinės eliminacijos laikas yra aštuoni septilijonai (8·10 24) metų – vargu ar jį galima pavadinti radioaktyviu; palyginimui, manoma, kad mūsų Visatai yra „tik“ 10–10 metų.

Nuklido radioaktyvumo vienetas yra bekerelis: 1 Bq (Bq) atitinka vieną skilimą per sekundę. Dažnai naudojamas nesisteminis vienetas: 1 Ci (Ci) yra lygus 37 milijardams skilimų per sekundę arba 3,7 . 10 10 Bq (1 g 226 Ra turi maždaug tokį aktyvumą). Vienu metu buvo pasiūlytas nesisteminis ruterfordo vienetas: 1 Рд (Rd) = 10 6 Bq, tačiau jis nebuvo plačiai paplitęs.

Literatūra:

Sodis F. Atominės energijos istorija. M., Atomizdatas, 1979 m
Choppin G. ir kt. Branduolinė chemija. M., Energoatomizdat, 1984 m
Hoffmanas K. Ar įmanoma pasidaryti auksą? L., Chemija, 1984 m
Kadmensky S.G. Atomų branduolių radioaktyvumas: istorija, rezultatai, naujausi pasiekimai. „Soro edukacinis žurnalas“, 1999, Nr.11



Ankstesnėje pamokoje aptarėme klausimą, susijusį su Rutherfordo eksperimentu, dėl kurio dabar žinome, kad atomas yra planetinis modelis.

Tai vadinama planetiniu atomo modeliu. Branduolio centre yra masyvus teigiamai įkrautas branduolys. O elektronai savo orbitose sukasi aplink branduolį.

Ryžiai. 1. Rutherfordo planetinis atomo modelis

Frederickas Soddy eksperimentuose dalyvavo kartu su Rutherfordu. Soddy yra chemikas, todėl jis atliko savo darbą tiksliai atpažindamas gautus elementus pagal jų chemines savybes. Būtent Soddy pavyko išsiaiškinti, kas yra a-dalelės, kurių srautas nukrito ant aukso plokštelės Rutherfordo eksperimentuose. Atlikus matavimus paaiškėjo, kad a-dalelės masė yra 4 atominės masės vienetai, o a-dalelės krūvis yra 2 elementarieji krūviai. Palyginę šiuos dalykus, sukaupę tam tikrą skaičių a-dalelių, mokslininkai nustatė, kad šios dalelės virto cheminiu elementu – helio dujomis.

Vėliau pagrindinės mokslininkų pastangos buvo nukreiptos į atomo branduolio tyrimą. Tapo aišku, kad visi procesai, vykstantys radioaktyviosios spinduliuotės metu, vyksta ne su elektronų apvalkalu, ne su elektronais, kurie supa branduolius, o su pačiais branduoliais. Būtent branduoliuose vyksta tam tikros transformacijos, dėl kurių susidaro nauji cheminiai elementai.

Pirmoji tokia grandinė buvo gauta siekiant transformuoti elementą radžio, kuris buvo naudojamas radioaktyvumo eksperimentuose, į inertines dujas radoną, išskiriant a-dalelę; reakcija šiuo atveju rašoma taip:

Pirma, a-dalelė yra 4 atominės masės vienetai ir dvigubas, dvigubas elementarus krūvis, o krūvis yra teigiamas. Radžio serijos numeris yra 88, jo masės numeris yra 226, o radono serijos numeris yra 86, masės skaičius yra 222 ir atsiranda a-dalelė. Tai yra helio atomo branduolys. Šiuo atveju tiesiog rašome helis. Eilės numeris 2, masės skaičius 4.

Reakcijos, kurių pasekoje susidaro nauji cheminiai elementai, o tuo pačiu ir nauja spinduliuotė bei kiti cheminiai elementai, vadinamos. branduolinės reakcijos.

Paaiškėjus, kad branduolio viduje vyksta radioaktyvūs procesai, jie atsigręžė į kitus elementus, ne tik į radį. Tyrinėdami įvairius cheminius elementus, mokslininkai suprato, kad vyksta ne tik reakcijos su a-dalelės emisija, spinduliavimu iš helio atomo branduolio, bet ir kitos branduolinės reakcijos. Pavyzdžiui, reakcijos su b-dalelės emisija. Dabar žinome, kad tai elektronai. Šiuo atveju taip pat susidaro naujas cheminis elementas, atitinkamai, nauja dalelė, tai yra b dalelė, tai taip pat yra elektronas. Šiuo atveju ypač domina visi cheminiai elementai, kurių atominis skaičius yra didesnis nei 83.

Taigi, galime suformuluoti vadinamąjį Soddy taisyklės arba radioaktyviųjų transformacijų poslinkio taisyklės:

. Alfa skilimo metu elemento atominis skaičius sumažėja 2, o atominis svoris sumažėja 4.

Ryžiai. 2. Alfa irimas

Beta skilimo metu atominis skaičius padidėja 1, bet atominis svoris nekinta.

Ryžiai. 3. Beta skilimas

Papildomos literatūros sąrašas

1. Bronšteinas M.P. Atomai ir elektronai. „Biblioteka „Kvantas““. t. 1. M.: Nauka, 1980 m
2. Kikoin I.K., Kikoin A.K. Fizika: vadovėlis vidurinės mokyklos 9 klasei. M.: „Nušvitimas“
3. Kitaygorodsky A.I. Fizika visiems. Fotonai ir branduoliai. 4 knyga. M.: Mokslas
4. Myakishev G.Ya., Sinyakova A.Z. Fizika. Optika Kvantinė fizika. 11 klasė: fizikos gilinimosi vadovėlis. M.: Bustardas
5. Rutherfordas E. Rinktiniai mokslo darbai. Radioaktyvumas. M.: Mokslas
6. Rutherfordas E. Rinktiniai mokslo darbai. Atomo sandara ir dirbtinis elementų transformavimas. M.: Mokslas

Radioaktyvumas

Henri Becquerel atrado natūralaus urano radioaktyvumą 1896 m. Bet kuris Mendelejevo periodinės lentelės elementas susideda iš kelių tipų atomų. Branduoliai, turintys vienodą protonų skaičių, gali turėti skirtingą neutronų skaičių ir atitinkamai skirtingą masės skaičių. Nukleonai, turintys tą patį atominį skaičių, bet skirtingą masės skaičių, vadinami izotopais . Pavyzdžiui, natūralus uranas turi tris izotopus. 234 U, 235 U, 238 U. Šiuo metu žinoma apie 3000 izotopų. Vieni jų yra stabilūs (276, priklausantys 83 gamtiniams elementams), kiti – nestabilūs, radioaktyvūs. Daugelis elementų, kurių atominis skaičius didesnis nei švino (Z = 82), yra radionuklidai. Radioaktyvumas reiškia, kad radioaktyviųjų elementų branduoliai gali spontaniškai transformuotis į kitus elementus, išskirdami alfa, beta daleles ir gama kvantus arba dalijimąsi; tokiu atveju pradinis branduolys paverčiamas kito elemento branduoliu.

Patį radioaktyvumo reiškinį lemia tik vidinė atomo branduolio sandara ir nepriklauso nuo išorinių sąlygų (temperatūros, slėgio ir kt.). Natūralus radioaktyvumas

. Natūralūs radioaktyvieji izotopai sudaro nedidelę visų žinomų izotopų dalį. Žemės plutoje, vandenyje ir ore randama apie 70 radionuklidų. Nuklidų seka, kurių kiekvienas spontaniškai dėl radioaktyvaus skilimo pereina į kitą, kol gaunamas stabilus izotopas, vadinama radioaktyvia seka. Pradinis nuklidas vadinamas motininiu nuklidu, o visi kiti serijos nuklidai vadinami dukteriniais. Gamtoje yra trys radioaktyviosios serijos (šeimos): uranas, aktinouranas ir toris. Dirbtinis radioaktyvumas.

Dirbtinį radioaktyvumą pirmą kartą atrado Irène ir Frédéricas Joliot-Curie 1934 m. Radiologiniu požiūriu natūralaus ir dirbtinio radioaktyvumo ypatingų skirtumų nėra; branduolinių reakcijų metu susidaro dirbtiniai radioaktyvieji izotopai. Branduolinės transformacijos gali būti stebimos bombarduojant tikslinius branduolius dalelėmis (neutronais, protonais, alfa dalelėmis ir kt.). Dauguma radioaktyviųjų izotopų gaminami dirbtinai branduoliniuose reaktoriuose ir greitintuvuose dėl jonizuojančiosios spinduliuotės sąveikos su stabiliais izotopais.

alfa skilimas, beta skilimas, elektronų gaudymas (K gaudymas), izomerinis perėjimas ir savaiminis skilimas.

Alfa skilimas. Alfa skilimo reiškinys pirmą kartą pastebėtas tiriant natūralų radioaktyvumą. Alfa skilimas būdingas elementų branduoliams, esantiems periodinės lentelės pabaigoje. Alfa skilimo metu radioaktyvus branduolys išskiria alfa dalelę, kuri yra helio atomo branduolys, turintis dvigubą teigiamą krūvį ir keturis atominės masės vienetus. Pasikeitus jis virsta branduoliu, kurio elektros krūvis yra dviem vienetais mažesnis už pradinį, o masės skaičius keturiais vienetais mažesnis už pradinį.

Beta skilimas. Beta skilimo metu branduoliai gali išspinduliuoti elektronus (e -) – elektronų skilimas arba pozitronus (e +) – pozitronų skilimas. Pozitronas, skirtingai nei elektronas, turi teigiamą krūvį, bet vienodą masę. Dėl elektroninio skilimo branduolio masės skaičius išlieka nepakitęs, tačiau įkrova padidėja vienu pirminio elemento branduoliu, kurio eilės numeris vienas didesnis. Dėl pozitronų skilimo branduolio masės skaičius taip pat išlieka nepakitęs, o krūvis sumažėja vienu; pradinio elemento šerdis virsta šerdimi, kurios eilės numeris vienas mažesnis. Pozitronų skilimas būdingas tik nedidelei daliai dirbtinių radionuklidų. Beta skilimo metu išskiriami elektronai ir pozitronai vadinami beta dalelėmis. Be beta dalelių, branduolys išskiria neutrinus („neutroną“, kaip šią dalelę pavadino Fermi) - neįkrautą dalelę, kurios masė artima nuliui. Alfa ir beta skilimo procesą dažnai lydi gama spinduliuotė.

Elektroninis fiksavimas (K-fiksavimas). Kai kuriuose radionukliduose atomo branduolys užfiksuoja elektroną iš arčiausiai jo esančio K apvalkalo. Šis reiškinys yra susijęs su pozitronų skilimu. Dėl elektronų gaudymo vienas iš branduolio protonų virsta neutronu, branduolio masės skaičius išlieka nepakitęs, o krūvis sumažėja vienu. Elektrono paėmimo iš atomo K apvalkalo procesas taip pat vadinamas K gaudymu.

Elektronų gaudymo procesą lydi būdingos rentgeno spinduliuotės išskyrimas.

Izomerinis perėjimas. Izomerinis perėjimas radioaktyviajame šaltinyje – tai branduolio (vadinamo izomeru) perėjimas iš sužadintos būsenos į pagrindinę būseną išspinduliuojant gama spindulių fotoną, kuriame nekinta nei atominis, nei masės skaičius. Izomerinis perėjimas yra radioaktyvaus skilimo tipas.

Spontaniškas pasidalijimas. Savaiminio dalijimosi metu branduolys spontaniškai suyra į vidutinės masės fragmentus, kurie savo ruožtu gali suirti išspinduliuojant beta daleles ir gama spindulius. Šis procesas vyksta tik esant sunkiems branduoliams. Visus branduolinių transformacijų tipus, vykstančius radioaktyvaus skilimo metu, lydi jonizuojančiosios spinduliuotės emisija.

Radioaktyviosios branduolių transformacijos

Materijos struktūra

Gamtoje viskas susideda iš paprastų ir sudėtingų medžiagų. Paprastoms medžiagoms priskiriami cheminiai elementai, sudėtingoms medžiagoms – cheminiai junginiai. Yra žinoma, kad mus supančio pasaulio medžiagos susideda iš atomų, kurie yra mažiausia cheminio elemento dalis. Atomas yra mažiausia medžiagos dalelė, kuri lemia jos chemines savybes, jos vidinė struktūra yra sudėtinga. Gamtoje tik inertinės dujos randamos atomų pavidalu, nes jų išoriniai apvalkalai yra uždari, visos kitos medžiagos egzistuoja molekulių pavidalu.

1911 metais E. Rutherfordas pasiūlė planetinį atomo modelį, kurį sukūrė N. Bohras (1913). Pagal visuotinai priimtą atomo sandaros modelį jame išskiriamos dvi sritys: sunkusis teigiamai įkrautas branduolys, esantis centre, kuriame sutelkta beveik visa atomo masė, ir lengvasis elektronų apvalkalas, susidedantis iš neigiamai įkrautų dalelių – elektronų, besisukančių aplink branduolį milžinišku greičiu.

Elektronas (e –)– stabili elementari dalelė, kurios ramybės masė lygi 9,1·10 -31 kg arba 0,000548 amu. (atominės masės vienetas yra bematė atominės masės reikšmė, parodanti, kiek kartų tam tikro elemento ar dalelės atomas yra sunkesnis už 1/12 anglies-12 izotopo atomo; 1 amu energijos ekvivalentas yra 931 MeV ). Elektronas neša vieną elementarų neigiamą elektros krūvį (q=1,6·10 -19 C), t.y mažiausią gamtoje randamą elektros kiekį. Remiantis tuo, elektrono krūvis laikomas vienu elementariu elektros krūvio vienetu.

Priklausomai nuo energijos, kurioje elektronai sukasi aplink branduolį, jie yra sugrupuoti į skirtingas orbitas (lygius arba sluoksnius). Skirtingų atomų sluoksnių skaičius nėra vienodas. Didelės masės atomuose orbitų skaičius siekia septynis. Jie žymimi lotyniškos abėcėlės skaičiais arba raidėmis, pradedant nuo branduolio: K, L, M, N, O, P, Q. Elektronų skaičius kiekviename sluoksnyje yra griežtai apibrėžtas. Taigi, K sluoksnyje yra ne daugiau kaip 2 elektronai, L sluoksnyje - iki 8, M sluoksnyje - iki 18, N sluoksnyje - 32 elektronai ir kt.

Atomo matmenis lemia jo elektroninio apvalkalo, kuris neturi griežtai apibrėžtų ribų, matmenys. Apytiksliai tiesiniai atomo matmenys yra 10–10 m.

Šerdis– centrinė masyvi atomo dalis, susidedanti iš protonų ir neutronų, kuri yra teigiamai įkrauta. Beveik visa atomo masė yra sutelkta branduolyje (daugiau nei 99,95%). Bendras elektronų skaičius orbitose visada lygus protonų sumai branduolyje. Pavyzdžiui, deguonies atomas turi 8 protonus branduolyje, o švino atomas turi 82 protonus branduolyje ir 82 elektronus orbitose. Dėl teigiamų ir neigiamų krūvių sumos lygybės atomas yra elektriškai neutrali sistema. Kiekvieną aplink branduolį judantį elektroną veikia dvi vienodos, priešingai nukreiptos jėgos: Kulono jėga pritraukia elektronus į branduolį, o vienoda išcentrinė inercijos jėga linkusi „išplėšti“ elektroną iš atomo. Be to, elektronai, judantys (sukantys) aplink branduolį orbita, tuo pačiu metu turi savo judėjimo momentą, kuris vadinamas sukimu, supaprastintai vaizduojamas kaip sukimasis, panašus į viršūnę aplink savo ašį. Atskirų elektronų sukiniai gali būti orientuoti lygiagrečiai (suktis ta pačia kryptimi) arba antilygiagrečiai (suktis skirtingomis kryptimis). Supaprastinta forma visa tai užtikrina stabilų elektronų judėjimą atome.

Yra žinoma, kad ryšį tarp elektrono ir branduolio veikia ne tik Kulono traukos jėga ir išcentrinė inercijos jėga, bet ir kitų elektronų atstūmimo jėga. Šis efektas vadinamas atranka. Kuo toliau nuo branduolio yra elektronų orbita, tuo stipresnis jame esančių elektronų ekranas ir tuo silpnesnis energijos ryšys tarp branduolio ir elektrono. Išorinėse orbitose elektronų surišimo energija neviršija 1-2 eV, tuo tarpu K sluoksnio elektronų ji daug kartų didesnė ir didėja didėjant elemento atominiam skaičiui. Pavyzdžiui, anglies K sluoksnio elektronų jungimosi energija yra 0,28 keV, stroncio - 16 keV, cezio - 36 keV, urano - 280 keV. Todėl išorinėje orbitoje esantys elektronai yra jautresni išoriniams veiksniams, ypač mažos energijos spinduliuotei. Kai elektronams iš išorės suteikiama papildoma energija, jie gali pereiti iš vieno energijos lygio į kitą arba net palikti tam tikro atomo ribas. Jei išorinio poveikio energija yra silpnesnė už elektrono jungimosi su branduoliu energiją, tai elektronas gali pereiti tik iš vieno energijos lygio į kitą. Toks atomas išlieka neutralus, tačiau nuo kitų šio cheminio elemento atomų skiriasi savo energijos pertekliumi. Atomai, turintys energijos perteklių, vadinami sužadintaisiais, o elektronų perėjimas iš vieno energijos lygio į kitą, labiau nutolusį nuo branduolio, vadinamas sužadinimo procesu. Kadangi gamtoje bet kuri sistema yra linkusi pereiti į stabilią būseną, kurioje jos energija bus mažiausia, tai atomas po kurio laiko pereina iš sužadintos būsenos į pagrindinę (pradinę) būseną. Atomo grįžimą į pradinę būseną lydi energijos pertekliaus išsiskyrimas. Elektronų perėjimą iš išorinių į vidines orbitas lydi spinduliuotė, kurios bangos ilgis būdingas tik šiam perėjimui iš vieno energijos lygio į kitą. Elektronų perėjimai orbitose, esančiose toliausiai nuo branduolio, sukuria spinduliuotę, susidedančią iš ultravioletinių, šviesos ir infraraudonųjų spindulių. Esant stipriam išoriniam poveikiui, kai energija viršija elektronų jungimosi su branduoliu energiją, elektronai išplėšiami iš atomo ir pašalinami už jo ribų. Atomas, praradęs vieną ar daugiau elektronų, virsta teigiamu jonu, o tas, kuris „prisijungė“ prie savęs vieną ar daugiau elektronų, virsta neigiamu jonu. Vadinasi, kiekvienam teigiamam jonui susidaro vienas neigiamas jonas, t.y. atsiranda jonų pora. Jonų susidarymo iš neutralių atomų procesas vadinamas jonizacija. Joninės būsenos atomas įprastomis sąlygomis egzistuoja itin trumpą laiką. Laisva erdvė teigiamo jono orbitoje užpildoma laisvu elektronu (su atomu nesusijusiu elektronu), o atomas vėl tampa neutralia sistema. Šis procesas vadinamas jonų rekombinacija (dejonizacija) ir jį lydi energijos pertekliaus išsiskyrimas spinduliuotės pavidalu. Energija, išsiskirianti vykstant jonų rekombinacijai, skaitine prasme yra maždaug lygi energijai, išeikvojamai jonizacijai.

Protonas(r) yra stabili elementari dalelė, kurios masė lygi 1,6725·10–27 kg arba 1,00758 amu, o tai yra maždaug 1840 kartų didesnė už elektrono masę. Protono krūvis yra teigiamas ir savo dydžiu lygus elektrono krūviui. Vandenilio atomas turi branduolį, kuriame yra vienas protonas, aplink kurį sukasi vienas elektronas. Jei šis elektronas bus „nuplėštas“, likusi atomo dalis bus protonas, todėl protonas dažnai apibrėžiamas kaip vandenilio branduolys.

Kiekvienas bet kurio elemento atomas turi tam tikrą skaičių protonų branduolyje, kuris yra pastovus ir lemia elemento fizines ir chemines savybes. Pavyzdžiui, sidabro atomo branduolyje jų yra 47, o urano branduolyje – 92. Protonų skaičius branduolyje (Z) vadinamas atominiu skaičiumi arba krūvio skaičiumi elementas D. I. Mendelejevo periodinėje sistemoje.

Neutronas(n) – elektriškai neutrali elementarioji dalelė, kurios masė šiek tiek didesnė už protono masę ir lygi 1,6749 10 -27 kg arba 1,00898 amu. Neutronai yra stabilūs tik stabiliuose atomų branduoliuose. Laisvieji neutronai skyla į protonus ir elektronus.

Neutronas dėl savo elektrinio neutralumo nėra nukreiptas magnetinio lauko, jo neatstumia atomo branduolys, todėl turi didelę prasiskverbimo galią, o tai kelia rimtą pavojų kaip biologinio radiacijos poveikio veiksnys. Neutronų skaičius branduolyje pateikia tik pagrindines fizines elemento charakteristikas, nes skirtingi to paties cheminio elemento branduoliai gali turėti skirtingą neutronų skaičių (nuo 1 iki 10). Lengvų stabilių elementų branduoliuose protonų skaičius yra susijęs su neutronų skaičiumi 1:1. Padidėjus elemento atominiam skaičiui (pradedant nuo 21 elemento - skandžio), neutronų skaičius jo atomuose viršija protonų skaičių. Sunkiausiuose branduoliuose neutronų skaičius yra 1,6 karto didesnis nei protonų skaičius.

Protonai ir neutronai yra branduolio komponentai, todėl patogumo dėlei jie vadinami nukleonais. Nukleonas(iš lot. nucleus – šerdis) – bendras branduolio protonų ir neutronų pavadinimas. Be to, kalbant apie konkretų atomo branduolį, vartojamas terminas nuklidas. Nuklidas– bet koks atomo branduolys, turintis tam tikrą protonų ir neutronų skaičių.

Žymėdami nuklidus ar atomus, jie naudoja elemento, kuriam priklauso branduolys, simbolį, o viršuje nurodo masės skaičių - A, apačioje - atominį (eilės) skaičių - Z indeksų pavidalu, kur E. yra cheminio elemento simbolis. A rodo nukleonų, sudarančių atomo branduolį, skaičių (A = Z + N). Z rodo ne tik branduolio krūvį ir atominį skaičių, bet ir protonų skaičių branduolyje ir atitinkamai elektronų skaičių atome, nes atomas kaip visuma yra neutralus. N yra neutronų skaičius branduolyje, kuris dažniausiai nenurodomas. Pavyzdžiui, yra radioaktyvus cezio izotopas, A = 137, todėl branduolį sudaro 137 nukleonai; Z = 55, tai reiškia, kad branduolyje yra 55 protonai ir atitinkamai 55 elektronai atome; N = 137 - 55 = 82 yra neutronų skaičius branduolyje. Serijos numeris kartais praleidžiamas, nes elemento simbolis visiškai nustato jo vietą periodinėje lentelėje (pavyzdžiui, Cs-137, He-4). Linijinis atomo branduolio dydis yra 10 -15 -10 -14 m, tai yra 0,0001 viso atomo skersmens.

Protonus ir neutronus branduolyje laiko jėgos, vadinamos branduolinis. Savo intensyvumu jie yra daug galingesni už elektrines, gravitacines ir magnetines jėgas. Branduolinės jėgos yra trumpo nuotolio, kurių veikimo spindulys yra 10 -14 -10 -15 m. Jos vienodai pasireiškia tarp protono ir neutrono, protono ir protono, neutrono ir neutrono. Didėjant atstumui tarp nukleonų, branduolinės jėgos labai greitai mažėja ir tampa beveik lygios nuliui. Branduolinės jėgos turi prisotinimo savybę, tai yra, kiekvienas nukleonas sąveikauja tik su ribotu gretimų nukleonų skaičiumi. Todėl, didėjant nukleonų skaičiui branduolyje, branduolinės jėgos gerokai susilpnėja. Tai paaiškina mažesnį sunkiųjų elementų branduolių, kuriuose yra daug protonų ir neutronų, stabilumą.

Norint padalyti branduolį į jį sudarančius protonus ir neutronus ir pašalinti juos iš branduolinių jėgų veikimo lauko, reikia atlikti darbą, t.y. išleisti energiją. Ši energija vadinama branduolinę rišamąją energiją. Kai iš nukleonų susidaro branduolys, priešingai, išsiskiria rišamoji energija.

m i = m p N p + m n N n,

čia m i yra šerdies masė; m p – protonų masė; N p – protonų skaičius; m n – neutrono masė; N n yra neutronų skaičius, tada jis bus lygus 1,0076·2 + 1,0089·2 = 4,033 amu.

Tuo pačiu metu tikroji helio branduolio masė yra 4,003 amu. Taigi tikroji helio branduolio masė yra mažesnė už apskaičiuotąją 0,03 amu. o šiuo atveju sako, kad branduolys turi masės defektą (masės trūkumas). Skirtumas tarp apskaičiuotos ir tikrosios branduolio masės vadinamas masės defektu (Dm). Masės defektas parodo, kaip stipriai yra surištos dalelės branduolyje, taip pat kiek energijos išsiskyrė formuojantis branduoliui iš atskirų nukleonų. Masę su energija galite susieti naudodami A. Einšteino išvestą lygtį:

kur DE yra energijos pokytis; Dm – masės defektas; c yra šviesos greitis.

Atsižvelgiant į tai, kad 1 a.u.u. = 1,661 10 -27 kg, o branduolio fizikoje elektronas-Voltas (eV) imamas kaip energijos vienetas, su 1 a.u.m. yra lygi 931 MeV, tada helio branduolio susidarymo metu išsiskirianti energija bus lygi 28 MeV. Jei būtų būdas padalyti helio atomo branduolį į du protonus ir du neutronus, tam reikėtų išleisti mažiausiai 28 MeV energijos.

Branduolių surišimo energija didėja proporcingai nukleonų skaičiui, bet ne griežtai proporcinga jų skaičiui. Pavyzdžiui, azoto branduolio surišimo energija yra 104,56 MeV, o urano - 1800 MeV.

Vidutinė surišimo energija vienam nukleonui vadinama specifinė surišimo energija. Heliui jis bus 28:4 = 7 MeV. Išskyrus lengviausius branduolius (deuterio, tričio), visų branduolių jungimosi energija vienam nukleonui yra maždaug 8 MeV.

Dauguma cheminių elementų gamtoje yra tam tikri atomų mišiniai su skirtingos masės branduoliais. Masės skirtumas atsiranda dėl skirtingo neutronų skaičiaus branduoliuose.

Izotopai(iš graikų kalbos isos – identiška ir topos – vieta) – to paties cheminio elemento atomo atmainos, turinčios vienodą protonų skaičių (Z) ir skirtingą neutronų skaičių (N). Jie turi beveik identiškas fizines ir chemines savybes, juos labai sunku atskirti natūraliame mišinyje. Elementų izotopų skaičius svyruoja nuo 3 vandenilio iki 27 polonio. Izotopai gali būti stabilūs arba nestabilūs. Stabilūs izotopai laikui bėgant nekinta, nebent yra išorinės įtakos. Nestabilūs arba radioaktyvūs izotopai dėl branduolio viduje vykstančių procesų laikui bėgant virsta kitų cheminių elementų izotopais. Stabilūs izotopai randami tik elementuose, kurių atominis skaičius Z≤83. Šiuo metu žinoma apie 300 stabilių ir daugiau nei 2000 radioaktyvių izotopų. Visiems D.I. Mendelejevo periodinės lentelės elementams buvo susintetinti radioaktyvūs izotopai, vadinami dirbtiniais.

Radioaktyvumo reiškinys

Visi cheminiai elementai yra stabilūs tik siaurame protonų skaičiaus ir neutronų skaičiaus santykio diapazone branduolyje. Lengvuosiuose branduoliuose turėtų būti maždaug vienodas protonų ir neutronų skaičius, t.y., sunkiųjų branduolių n:p santykis sumažėja iki 0,7. Jei branduolyje yra per daug neutronų ar protonų, tai tokie branduoliai tampa nestabilūs (nestabilūs) ir vyksta spontaniškos radioaktyvios transformacijos, dėl kurių pakinta branduolio sudėtis ir išsiskiria įkrautos arba neutralios dalelės. Savaiminio spinduliavimo reiškinys buvo vadinamas radioaktyvumu, o spinduliuotę skleidžiančios medžiagos – radioaktyviomis.

Radioaktyvumas(iš lot. radio - spinduliuoti, spindulys - spindulys, aktyvus - efektyvus) - tai spontaniški kai kurių cheminių elementų atominių branduolių virsmai (skilimas) į kitų elementų atominius branduolius, skleidžiant specialią spinduliuotę. Dėl radioaktyvumo pasikeičia pradinio cheminio elemento atominis skaičius ir masės skaičius.

Radioaktyvumo reiškinio atradimą palengvino du pagrindiniai XIX a. 1895 metais V. Rentgenas atrado spindulius, atsiradusius, kai tarp elektrodų, įdėtų į sandarų stiklinį vamzdelį, iš kurio buvo pašalintas oras, buvo perduodama aukštos įtampos srovė. Spinduliai buvo vadinami rentgeno spinduliais. O 1896 metais A. Becquerel atrado, kad urano druskos spontaniškai skleidžia nematomus spindulius, kurie turi didelę prasiskverbimo galią, sukeldami fotografinės plokštės juodėjimą ir tam tikrų medžiagų švytėjimą. Šią spinduliuotę jis pavadino radioaktyvia. 1898 metais Pierre'as Curie ir Marie Sklodowska-Curie atrado du naujus radioaktyvius elementus – polonį ir radį, kurie skleidė panašią spinduliuotę, tačiau jų intensyvumas buvo daug kartų didesnis už urano intensyvumą. Be to, buvo nustatyta, kad radioaktyviosios medžiagos nuolat išskiria energiją šilumos pavidalu.

Radioaktyvioji spinduliuotė taip pat vadinama jonizuojančia spinduliuote, nes ji gali jonizuoti terpę arba branduolį, pabrėžiant, kad spinduliuotę skleidžia branduolys, o ne atomas.

Radioaktyvusis skilimas yra susijęs su atomų branduolių pokyčiais ir energijos išsiskyrimu, kurios vertė, kaip taisyklė, yra keliomis eilėmis didesnė už cheminių reakcijų energiją. Taigi, visiškai radioaktyviai skilus 1 g-atomui 14 C, išsiskiria 3. 10 9 kalorijų, o deginant tiek pat 14 C iki anglies dioksido išsiskiria tik 9,4 kalorijos. 104 kalorijos.

Radioaktyvaus skilimo energijos vienetas yra 1 elektronas-Voltas (eV), o jo dariniai 1 keV = 10 3 eV ir 1 MeV = 10 6 eV. 1 eV = 1,6. 10 -19 J. 1 eV atitinka energiją, kurią elektronas įgyja elektriniame lauke eidamas taku, kuriuo potencialų skirtumas yra 1 voltas. Kai dauguma radioaktyviųjų branduolių suyra, išsiskirianti energija svyruoja nuo kelių keV iki kelių MeV.

Gamtoje vykstantys radioaktyvūs reiškiniai vadinami natūraliu radioaktyvumu; panašūs procesai, vykstantys dirbtinai pagamintose medžiagose (per atitinkamas branduolines reakcijas), yra dirbtinis radioaktyvumas. Tačiau abiem radioaktyvumo rūšims galioja tie patys dėsniai.

Radioaktyvaus skilimo rūšys

Atomų branduoliai yra stabilūs, bet keičia savo būseną, kai pažeidžiamas tam tikras protonų ir neutronų santykis. Lengvuosiuose branduoliuose turi būti maždaug vienodas protonų ir neutronų skaičius. Jei branduolyje yra per daug protonų ar neutronų, tai tokie branduoliai yra nestabilūs ir vyksta spontaniškai radioaktyvūs virsmai, dėl kurių kinta branduolio sudėtis ir dėl to vieno elemento atomo branduolys virsta branduoliu. kito elemento atomo. Šio proceso metu skleidžiama branduolinė spinduliuotė.

Yra šie pagrindiniai branduolinių virsmų tipai arba radioaktyvaus skilimo tipai: alfa irimas ir beta skilimas (elektronų, pozitronų ir K gaudymas), vidinė konversija.

Alfa skilimas - Tai radioaktyvaus izotopo branduolio alfa dalelių emisija. Dėl dviejų protonų ir dviejų neutronų praradimo su alfa dalele irstantis branduolys virsta kitu branduoliu, kuriame protonų skaičius (branduolinis krūvis) sumažėja 2, o dalelių skaičius (masės skaičius) – 4. Todėl , esant tam tikram radioaktyviam skilimui, pagal poslinkio (poslinkio) taisyklę, suformuluotą Fajanso ir Soddy (1913), gautas (dukters) elementas pradinio (motinos) atžvilgiu perkeliamas į kairę dviem ląstelėmis į kairę. periodinėje D. I. Mendelejevo lentelėje. Alfa skilimo procesas paprastai rašomas taip:

,

kur X yra pradinio branduolio simbolis; Y – skilimo produkto branduolio simbolis; 4 2 He – alfa dalelė, Q – išleido energijos perteklių.

Pavyzdžiui, radžio-226 branduolių skilimą lydi alfa dalelių emisija, o radžio-226 branduoliai virsta radono-222 branduoliais:

Alfa skilimo metu išsiskirianti energija yra padalinta tarp alfa dalelių ir branduolio atvirkščiai proporcingai jų masėms. Alfa dalelių energija yra griežtai susijusi su tam tikro radionuklido pusėjimo trukme (Geiger-Nettolio dėsnis). . Tai rodo, kad žinant alfa dalelių energiją galima nustatyti pusinės eliminacijos periodą, o pagal pusinės eliminacijos laiką nustatyti radionuklidą. Pavyzdžiui, polonio-214 branduoliui būdingos alfa dalelių energijos vertės E = 7,687 MeV ir T 1/2 = 4,5 × 10 -4 s, o urano-238 branduoliui E = 4,196 MeV ir T 1/2 = 4, 5x10 9 metai. Be to, buvo nustatyta, kad kuo didesnė alfa skilimo energija, tuo greičiau ji vyksta.

Alfa skilimas – gana dažna sunkiųjų branduolių (urano, torio, polonio, plutonio ir kt., kurių Z > 82) branduolinė transformacija; Šiuo metu žinoma daugiau nei 160 alfa skleidžiančių branduolių.

Beta skilimas – savaiminiai neutrono virsmai protonu arba protono neutronu branduolio viduje, lydimi elektronų arba pozitronų emisijos ir antineutrinų ar neutrinų n e.

Jei branduolyje yra neutronų perteklius (branduolio „neutronų perkrova“), įvyksta elektronų beta skilimas, kurio metu vienas iš neutronų virsta protonu, išspinduliuojančiu elektroną ir antineutriną:

Šio skilimo metu branduolio krūvis ir atitinkamai dukterinio branduolio atominis skaičius padidėja 1, tačiau masės skaičius nesikeičia, t.y. dukterinis elementas periodinėje D.I pradinio teisė. Beta skilimo procesas paprastai rašomas taip:

.

Tokiu būdu skyla neutronų perteklius turintys branduoliai. Pavyzdžiui, stroncio-90 branduolių skilimą lydi elektronų emisija ir jų pavertimas itriu-90:

Dažnai beta skilimo metu susidarančių elementų branduoliai turi energijos perteklių, kuris išsiskiria skleidžiant vieną ar daugiau gama spindulių. Pavyzdžiui:

Elektroninis beta skilimas būdingas daugeliui natūralių ir dirbtinai pagamintų radioaktyvių elementų.

Jei nepalankus neutronų ir protonų santykis branduolyje atsiranda dėl protonų pertekliaus, tada įvyksta pozitronų beta skilimas, kurio metu branduolys išskiria pozitroną ir neutriną dėl protono pavertimo neutronu branduolyje. :

Branduolio krūvis ir atitinkamai dukterinio elemento atominis skaičius sumažėja 1, masės skaičius nesikeičia. Dukterinis elementas D. I. Mendelejevo periodinėje lentelėje užims vieną langelį į kairę nuo pirminio:

Kai kuriuose dirbtinai gautuose izotopuose stebimas pozitronų skilimas. Pavyzdžiui, fosforo-30 izotopo skilimas, kad susidarytų silicis-30:

Pozitronas, ištrūkęs iš branduolio, nuplėšia „papildomą“ elektroną (silpnai surištą su branduoliu) iš atomo apvalkalo arba sąveikauja su laisvuoju elektronu, sudarydamas „pozitrono-elektrono“ porą. Dėl to, kad dalelė ir antidalelė akimirksniu sunaikina viena kitą išskirdamos energiją, susidariusi pora virsta dviem gama kvantais, kurių energija yra lygi dalelių masei (e + ir e -). Positronų-elektronų poros virsmo dviem gama kvantais procesas vadinamas anihiliacija (sunaikinimu), o atsirandanti elektromagnetinė spinduliuotė – anihiliacija. Šiuo atveju vyksta vienos formos materijos (medžiagos dalelių) transformacija į kitą (spinduliavimą). Tai patvirtina atvirkštinės reakcijos egzistavimas – porų susidarymo reakcija, kurios metu pakankamai didelės energijos elektromagnetinė spinduliuotė, praeinanti šalia branduolio, veikiama stipraus atomo elektrinio lauko, virsta elektronų-pozitronų pora.

Taigi pozitronų beta skilimo metu galutinis rezultatas yra ne dalelės, o du gama spinduliai, kurių kiekvieno energija yra 0,511 MeV, lygi likusios dalelių masės energijos ekvivalentui - pozitronui ir elektronui E = 2m e c 2 = 1,022 MeV.

Branduolinė transformacija gali būti atlikta elektronų gaudymo būdu, kai vienas iš branduolio protonų spontaniškai paima elektroną iš vieno iš vidinių atomo apvalkalų (K, L ir kt.), dažniausiai iš K apvalkalo, ir virsta elektronu. neutronas. Šis procesas taip pat vadinamas K-capture. Protonas virsta neutronu pagal tokią reakciją:

Šiuo atveju branduolinis krūvis sumažėja 1, bet masės skaičius nesikeičia:

Pavyzdžiui,

Šiuo atveju vietą, kurią atlaisvina elektronas, užima elektronas iš išorinių atomo apvalkalų. Dėl elektronų apvalkalų restruktūrizavimo išspinduliuojamas rentgeno kvantas. Atomas vis tiek išlieka elektriškai neutralus, nes elektronų gaudymo metu protonų skaičius branduolyje sumažėja vienu. Taigi šio tipo skilimas duoda tokius pačius rezultatus kaip ir pozitronų beta skilimas. Tai, kaip taisyklė, būdinga dirbtiniams radionuklidams.

Energija, kurią branduolys išskiria konkretaus radionuklido beta skilimo metu, visada yra pastovi, bet dėl ​​to, kad tokio tipo skilimo metu susidaro ne dvi, o trys dalelės: atatrankos branduolys (dukra), elektronas (arba pozitronas) ir neutrinas, energija kinta kiekvieno skilimo metu, kai ji perskirstoma tarp elektrono (pozitrono) ir neutrino, nes dukterinis branduolys visada neša tą pačią energijos dalį. Priklausomai nuo išsiplėtimo kampo, neutrinas gali nunešti daugiau ar mažiau energijos, dėl to elektronas gali priimti bet kokią energiją nuo nulio iki tam tikros didžiausios vertės. Vadinasi, beta skilimo metu to paties radionuklido beta dalelės turi skirtingą energiją, nuo nulio iki tam tikros didžiausios tam tikro radionuklido skilimo reikšmės. Remiantis beta spinduliuotės energija, beveik neįmanoma nustatyti radionuklido.

Kai kurie radionuklidai gali skilti vienu metu dviem ar trimis būdais: alfa ir beta skilimo būdu ir per K gaudymą – trijų skilimo tipų derinį. Tokiu atveju transformacijos atliekamos griežtai apibrėžtu santykiu. Pavyzdžiui, natūralus ilgaamžis radioizotopas kalis-40 (T 1/2 = 1,49 × 10 9 metai), kurio natūralaus kalio kiekis yra 0,0119%, vyksta elektroninis beta skilimas ir K gaudymas:

(88 % – elektroninis skilimas),

(12 proc. – K-grab).

Iš aukščiau aprašytų skilimo tipų galime daryti išvadą, kad gama skilimas neegzistuoja „gryna forma“. Gama spinduliuotė gali lydėti tik įvairių tipų skilimus. Kai branduolyje skleidžiama gama spinduliuotė, nekinta nei masės skaičius, nei jos krūvis. Vadinasi, radionuklido prigimtis nekinta, o keičiasi tik branduolyje esanti energija. Gama spinduliuotė skleidžiama, kai branduoliai pereina iš sužadintų lygių į žemesnius lygius, įskaitant žemės lygį. Pavyzdžiui, cezio-137 irimo metu susidaro sužadintas bario-137 branduolys. Perėjimą iš sužadintos į stabilią būseną lydi gama kvantų emisija:

Kadangi sužadintos būsenos branduolių gyvavimo laikas yra labai trumpas (dažniausiai 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. Pagal gama spinduliuotės energiją, taip pat pagal alfa spinduliuotės energiją galima identifikuoti radionuklidą.

Vidinis konvertavimas. Sužadinta (dėl vienokios ar kitokios branduolinės transformacijos) atomo branduolio būsena rodo, kad jame yra energijos perteklius. Sužadintas branduolys gali pereiti į mažesnės energijos būseną (normalią būseną) ne tik išspinduliuojant gama kvantą ar išmetant dalelę, bet ir per vidinę konversiją, arba virsmą susidarant elektronų ir pozitronų poroms.

Vidinės konversijos reiškinys yra tas, kad branduolys perduoda sužadinimo energiją vienam iš vidinių sluoksnių (K-, L- arba M-sluoksnio) elektronų, kuris dėl to išeina už atomo ribų. Tokie elektronai vadinami konversijos elektronais. Vadinasi, konversijos elektronų emisija atsiranda dėl tiesioginės elektromagnetinės branduolio sąveikos su apvalkalo elektronais. Konversijos elektronai turi linijinį energijos spektrą, skirtingai nei beta skilimo elektronai, kurie suteikia ištisinį spektrą.

Jei sužadinimo energija viršija 1,022 MeV, tada branduolio perėjimą į normalią būseną gali lydėti elektronų ir pozitronų poros emisija, o po to jie sunaikinami. Įvykus vidinei konversijai, atomo elektronų apvalkale atsiranda „laisva“ vieta išmestam konversijos elektronui. Vienas iš elektronų tolimesniuose sluoksniuose (iš aukštesnių energijos lygių) atlieka kvantinį perėjimą į „laisvą“ vietą, skleisdamas būdingą rentgeno spinduliuotę.

Branduolinės spinduliuotės savybės

Branduolinė (radioaktyvioji) spinduliuotė yra spinduliuotė, kuri susidaro dėl radioaktyvaus skilimo. Visų natūralių ir dirbtinių radionuklidų spinduliuotė skirstoma į dvi rūšis – korpuskulinę ir elektromagnetinę. Korpuskulinė spinduliuotė – tai dalelių (kūnelių) srautas, kuriam būdinga tam tikra masė, krūvis ir greitis. Tai elektronai, pozitronai, helio atomų branduoliai, deuteronai (vandenilio izotopo deuterio branduoliai), neutronai, protonai ir kitos dalelės. Paprastai korpuskulinė spinduliuotė tiesiogiai jonizuoja terpę.

Elektromagnetinė spinduliuotė yra kvantų arba fotonų srautas. Ši spinduliuotė neturi nei masės, nei krūvio ir sukelia netiesioginę terpės jonizaciją.

1 poros jonų susidarymui ore reikia vidutiniškai 34 eV. Todėl jonizuojanti spinduliuotė apima spinduliuotę, kurios energija yra 100 eV ir didesnė (neįskaitant matomos šviesos ir UV spinduliuotės).

Jonizuojančiai spinduliuotei apibūdinti vartojamos diapazono ir specifinės jonizacijos sąvokos. Diapazonas – mažiausias absorberio (kai kurios medžiagos) storis, reikalingas visiškai sugerti jonizuojančiąją spinduliuotę. Specifinė jonizacija – tai jonų porų skaičius, susidarančių viename kelio ilgio vienete medžiagoje, veikiant jonizuojančiajai spinduliuotei. Atkreipkite dėmesį, kad ridos sąvoka ir nuvažiuoto kelio ilgis nėra tapačios sąvokos. Jei dalelės juda tiesia linija, tada šios vertės sutampa, jei dalelių trajektorija yra nutrūkusi, vingiuota linija, rida visada yra mažesnė nei nuvažiuoto kelio ilgis.

Alfa spinduliuotė yra a-dalelių, kurios yra helio atomų (kartais vadinamų dvigubai jonizuotais helio atomais) branduoliai, srautas. Alfa dalelė susideda iš 2 protonų ir 2 neutronų, yra teigiamai įkrauta ir turi du elementarius teigiamus krūvius. Dalelių masė m a =4,003 amu. - Tai didžiausia iš dalelių. Judėjimo greitis yra (14,1-24,9) × 10 6 m/s Medžiagoje alfa dalelės juda tiesia linija, o tai siejama su santykinai didele mase ir reikšminga energija. Nukrypimas įvyksta tik kaktomuša susidūrus su patrankos sviediniais.

Alfa dalelių diapazonas medžiagoje priklauso nuo alfa dalelės energijos ir nuo medžiagos, kurioje ji juda, pobūdžio. Vidutiniškai alfa dalelės diapazonas ore yra 2,5–9 cm, maksimalus – iki 11 cm, biologiniuose audiniuose – 5–100 mikronų, stikle – 4. 10 -3 cm Alfa dalelės energija yra 4-9 MeV diapazone. Galite visiškai blokuoti alfa spinduliuotę. Per visą kelio ilgį alfa dalelė gali sukurti nuo 116 000 iki 254 000 jonų porų.

Specifinė jonizacija yra maždaug 40 000 jonų porų/cm ore, tokia pati specifinė jonizacija organizme 1-2 mikronų keliu.

Sunaudojus energiją, alfa dalelė sulėtėja ir jonizacijos procesas sustoja. Įsigalioja įstatymai, reglamentuojantys atomų susidarymą. Helio atomų branduoliai prideda 2 elektronus ir susidaro pilnavertis helio atomas. Tai paaiškina privalomą helio buvimą uolienose, kuriose yra radioaktyviųjų medžiagų.

Iš visų radioaktyviosios spinduliuotės rūšių alfa spinduliuotė fluorescuoja (švyti) labiausiai.

Beta spinduliuotė yra beta dalelių, kurios yra elektronai arba pozitronai, srautas. Jie turi vieną elementarų elektros krūvį, m b = 0,000548 amu. Jie juda artimu šviesos greičiui, t.y. (0,87-2,994)×10 8 m/s.

Skirtingai nuo a-dalelių, to paties radioaktyvaus elemento b-dalelės turi skirtingą energijos kiekį (nuo nulio iki tam tikros didžiausios vertės). Tai paaiškinama tuo, kad su kiekvienu beta skilimu iš atomo branduolio vienu metu išsiskiria dvi dalelės: b-dalelė ir neutrinas (n e). Kiekvieno skilimo metu išsiskirianti energija skirtingomis proporcijomis paskirstoma tarp b-dalelės ir neutrino. Todėl beta dalelių energija svyruoja nuo dešimtųjų ir šimtųjų MeV (minkštoji b spinduliuotė) iki 2-3 MeV (kieta spinduliuotė).

Dėl to, kad to paties beta spinduliuotojo skleidžiamos beta dalelės turi skirtingus energijos rezervus (nuo minimalaus iki didžiausio), tam tikro radionuklido beta dalelių kelio ilgis ir jonų porų skaičius nėra vienodi. Paprastai diapazonas ore yra dešimtys cm, kartais keli metrai (iki 34 m), biologiniuose audiniuose - iki 1 cm (iki 4 cm, kai beta dalelių energija yra 8 MeV).

Beta spinduliuotė turi žymiai mažesnį jonizuojantį poveikį nei alfa spinduliuotė. Taigi ore beta dalelės per visą savo kelią sudaro nuo 1000 iki 25 500 porų jonų. Vidutiniškai visam keliui ore arba 50-100 porų jonų 1 cm kelio. Jonizacijos laipsnis priklauso nuo dalelės greičio, kuo mažesnis greitis, tuo didesnė jonizacija. Taip yra dėl to, kad didelės energijos beta dalelės per greitai praskrieja pro atomus ir nespėja sukelti tokio stipraus poveikio kaip lėtos beta dalelės.

Kadangi beta dalelės turi labai mažą masę, susidūrusios su atomais ir molekulėmis lengvai nukrypsta nuo pradinės krypties. Šis deformacijos reiškinys vadinamas sklaida. Todėl labai sunku tiksliai nustatyti beta dalelių kelio ilgį, o ne ridą, nes jis per daug vingiuotas.

Kai prarandama energija, elektroną pagauna arba teigiamas jonas, kad susidarytų neutralus atomas, arba atomas, kad susidarytų neigiamas jonas.

Gama spinduliuotė yra elektromagnetinės spinduliuotės fotonų (kvantų) srautas. Jų sklidimo greitis vakuume lygus šviesos greičiui – 3×10 8 m/s. Kadangi gama spinduliuotė yra banga, jai būdingas bangos ilgis, vibracijos dažnis ir energija. G-kvanto energija yra proporcinga virpesių dažniui, o svyravimų dažnis yra susijęs su jų bangos ilgiu. Kuo ilgesnis bangos ilgis, tuo mažesnis virpesių dažnis ir atvirkščiai, t.y., virpesių dažnis yra atvirkščiai proporcingas bangos ilgiui. Kuo trumpesnis bangos ilgis ir kuo didesnis spinduliuotės virpesių dažnis, tuo didesnė jos energija ir, atitinkamai, jos prasiskverbimas. Gamtos radioaktyviųjų elementų gama spinduliuotės energija svyruoja nuo kelių keV iki 2-3 MeV ir retai pasiekia 5-6 MeV.

Gama spinduliai, neturėdami nei krūvio, nei ramybės masės, sukelia silpną jonizuojantį poveikį, tačiau turi didelę prasiskverbimo galią. Ore jie gali nukeliauti iki 100-150 m Ši spinduliuotė praeina per žmogaus kūną be susilpnėjimo.

Išmatavimai

Dozės samprata

Jonizuojančiosios spinduliuotės poveikio apšvitintiems objektams rezultatas yra fiziniai, cheminiai ar biologiniai šių objektų pokyčiai. Tokių pokyčių pavyzdžiai yra kūno įkaitimas, fotocheminė rentgeno filmų reakcija, gyvo organizmo biologinių parametrų pokyčiai ir kt. Spinduliuotės poveikis priklauso nuo fizinių kiekių X i, apibūdinantis radiacijos lauką arba spinduliuotės sąveiką su medžiaga:

Kiekiai X i, funkciškai susijęs su radiacijos efektu η , vadinami dozimetriniais. Dozimetrijos paskirtis – dozimetrinių dydžių matavimas, tyrimas ir teoriniai skaičiavimai, numatyti ar įvertinti spinduliuotės poveikį, ypač radiobiologinį poveikį.

Dozimetrinių dydžių sistema formuojama plėtojant radiobiologiją, dozimetriją ir radiacinę saugą. Saugos kriterijus didžiąja dalimi lemia visuomenė, todėl skirtingos šalys sukūrė skirtingas dozimetrinių dydžių sistemas. Svarbų vaidmenį suvienodinant šias sistemas atlieka Tarptautinė radiologinės apsaugos komisija (ICRP), nepriklausoma organizacija, vienijanti radiacijos, dozimetrijos ir biologinio poveikio ekspertus.

Klausimai.

1. Kas atsitinka radiui dėl α skilimo?

Kai radis Ra (metalas) skyla, jis virsta radonu Ra (dujomis), išskirdamas α daleles.

2. Kas nutinka radioaktyviems cheminiams elementams dėl α arba β skilimo?

α- ir β-skilimo metu vienas cheminis elementas virsta kitu.

3. Kuri atomo dalis – branduolys ar elektronų apvalkalas – pasikeičia radioaktyvaus skilimo metu? Kodėl taip manai?

Radioaktyvios transformacijos metu pasikeičia atomo branduolys, nes Tai atomo branduolys, nulemiantis jo chemines savybes.

4. Užrašykite radžio skilimo reakciją α ir paaiškinkite, ką reiškia kiekvienas šio žymėjimo simbolis.

5. Kokie yra viršutinių ir apatinių skaičių pavadinimai, esantys prieš elemento raidę?

Jie vadinami masės ir krūvio skaičiais.

6. Koks yra masės skaičius? įkrovimo numeris?

Masės skaičius yra lygus visam tam tikro atomo atominės masės vienetų skaičiui.
Krūvio skaičius lygus tam tikro atomo branduolio elementariųjų elektrinių krūvių skaičiui.

7. Remdamiesi radžio skilimo reakcijos α pavyzdžiu, paaiškinkite, kokie yra krūvio (krūvio skaičiaus) ir masės skaičiaus tvermės dėsniai.

Masės skaičiaus ir krūvių tvermės dėsnis teigia, kad radioaktyviųjų transformacijų metu atomų masių skaičių sumos ir visų transformacijose dalyvaujančių dalelių krūvių sumos reikšmė yra pastovi.

8. Kokią išvadą padarė Rutherfordo ir Soddy atradimas?

Buvo padaryta išvada, kad atomų branduoliai turi sudėtingą sudėtį.

9. Kas yra radioaktyvumas?

Radioaktyvumas – tai kai kurių atomų branduolių gebėjimas spontaniškai transformuotis į kitus branduolius išspinduliuojant daleles.

Pratimai.

1. Nustatykite šių elementų atomų branduolių masę (amu tikslumu sveikaisiais skaičiais) ir krūvį (elementariais krūviais): anglies 12 6 C; ličio 6 3 Li; kalcio 40 20 Ca.

2. Kiek elektronų yra kiekvieno iš ankstesniame uždavinyje išvardytų cheminių elementų atomuose?

3. Nustatykite (sveikiaisiais skaičiais), kiek kartų ličio atomo 6 3 Li branduolio masė yra didesnė už vandenilio atomo 1 1 H branduolio masę.

4. Berilio atomo 9 4 Be branduoliui nustatykite: a) masės skaičių; b) branduolio masė a. e.m (tiksliai iki sveikųjų skaičių); c) kiek kartų branduolio masė didesnė už 1/12 anglies atomo masės 12 6 C (sveiųjų skaičių tikslumu): d) krūvio skaičius; e) branduolinis krūvis elementariuose elektros krūviuose; f) suminis visų elektronų krūvis atome elementariuose elektros krūviuose; g) elektronų skaičius atome.

5. Taikydami masės skaičiaus ir krūvio tvermės dėsnius, nustatykite cheminio elemento X branduolio masės skaičių ir krūvį, susidariusį dėl šios β skilimo reakcijos:

14 6 C → X + 0 -1 e,

kur 0 -1 e yra β-dalelė (elektronas). Raskite šį elementą D.I. Mendelejevo lentelėje, esančioje vadovėlio lape. Kaip tai vadinasi?