Атомын цацраг идэвхт хувиргалт. Цөмийн цацраг идэвхт хувиргалт. Радионуклидын эх үүсвэрийн хэрэглээний талбарууд

1900 онд Рутерфорд Английн радиохимич Фредерик Соддид нууцлаг тороны тухай ярьжээ. Содди торон бол хэдэн жилийн өмнө агаарт илэрсэн аргонтой төстэй идэвхгүй хий гэдгийг баталсан; Энэ нь радоны изотопуудын нэг байсан, 220 Rn. Радиум ялгарах нь хожим нь радоны өөр нэг изотоп болж хувирсан - 222 Rn (хагас задралын хугацаа) Т 1/2 = 3.825 хоног), мөн актинийн ялгарал нь ижил элементийн богино хугацааны изотоп юм: 219 Rn ( Т 1/2 = 4 сек). Түүгээр ч зогсохгүй Рутерфорд, Содди нар торигийн хувирлын бүтээгдэхүүнээс шинж чанараараа торийнхоос ялгаатай шинэ дэгдэмхий элементийг ялгаж авчээ. Үүнийг торий X гэж нэрлэдэг байсан (хожим нь энэ нь радийн 224 Ra c изотоп болох нь тогтоогдсон. Т 1/2 = 3.66 хоног). "Ториумын ялгарал" нь анхны ториас биш харин X ториоос ялгардаг нь тодорхой болсон. Үүнтэй төстэй жишээнүүд олширч байв: анх химийн аргаар сайтар цэвэршүүлсэн уран эсвэл торийд цаг хугацаа өнгөрөхөд цацраг идэвхт элементүүдийн хольц гарч, улмаар шинэ цацраг идэвхт элементүүд, түүний дотор хийн бодисууд гарч ирэв. Ийнхүү олон тооны цацраг идэвхт эмүүдээс ялгарсан а-бөөмс нь 1860-аад оны сүүлээр нарнаас (спектрийн аргаар) нээсэн, 1882 онд зарим чулуулагт илэрсэн гелийтэй ижил хий болж хувирсан.

Тэдний хамтарсан ажлын үр дүнг Рутерфорд, Содди нар 1902–1903 онд Философийн сэтгүүлд хэд хэдэн нийтлэлдээ нийтлэв. Эдгээр нийтлэлд олж авсан үр дүнд дүн шинжилгээ хийсний дараа зохиогчид зарим химийн элементүүдийг бусад болгон хувиргах боломжтой гэсэн дүгнэлтэд хүрсэн байна. Тэд: “Цацраг идэвхит бодис нь химийн өөрчлөлт дагалддаг атомын үзэгдэл бөгөөд үүнээс шинэ төрлийн бодисууд үүсдэг... Цацраг идэвхт бодисыг атомын доторх химийн процессын илрэл гэж үзэх хэрэгтэй... Атомын өөрчлөлтийг цацраг дагалддаг.. Атомын хувирлын үр дүнд физик, химийн шинж чанараараа анхны бодисоос огт өөр төрлийн бодис үүсдэг."

Тэр үед эдгээр дүгнэлтүүд маш зоримог байсан; бусад нэрт эрдэмтэд, тэр дундаа Кюри нар ижил төстэй үзэгдлүүдийг ажиглаж байсан ч анхнаасаа анхны бодист "шинэ" элементүүд байгааг тайлбарласан (жишээлбэл, Кюри ураны хүдрээс түүнд агуулагдах полони, радийг тусгаарласан). Гэсэн хэдий ч Рутерфорд, Содди нар зөв байсан: цацраг идэвхт байдал нь зарим элементүүдийг бусад болгон хувиргах замаар дагалддаг.

Бойл, Лавуазье нарын үеэс химич нар химийн элементүүдийг (тэр үед "энгийн биет" гэж хэлж байсанчлан, барилгын материал) задлах чадваргүй гэсэн дүгнэлтэд хүрсэн тул атомын хувиршгүй, хуваагдашгүй байдал нурж унасан мэт санагдав. орчлон ертөнц), тэдгээрийг бие биедээ хувиргах боломжгүй байдлын тухай. Тухайн үеийн эрдэмтдийн оюун ухаанд юу болж байгааг Д.И.Менделеевийн хэлсэн үг тод нотолж байгаа бөгөөд магадгүй алхимичдын олон зууны турш ярьж байсан элементүүдийн "хувиргах" боломж нь гагнуурын эв нэгдэлтэй системийг устгана гэж бодсон байх. түүний бүтээсэн химийн бодисууд дэлхий даяар хүлээн зөвшөөрөгдсөн. 1906 онд хэвлэгдсэн сурах бичигт Химийн үндэстэр бичжээ: “... Би (индуктив мэдлэгийн хатуу боловч үр өгөөжтэй сахилга бат дээр үндэслэн) зарим элементүүдийн бие бие рүүгээ таамаглалаар хувиргах чадварыг хүлээн зөвшөөрөхөд огтхон ч дургүй байдаг бөгөөд энэ нь гарал үүслийн ямар ч боломжийг олж харахгүй байна. ураны аргон эсвэл цацраг идэвхт бодис эсвэл эсрэгээр.”

Зарим химийн элементүүдийг бусад болгон хувиргах боломжгүй гэсэн Менделеевийн үзэл бодлын алдааг цаг хугацаа харуулсан; Үүний зэрэгцээ энэ нь түүний гол нээлт болох үечилсэн хуулийн халдашгүй байдлыг баталгаажуулав. Физикч, химичүүдийн дараагийн ажил нь ямар тохиолдолд зарим элементүүд бусад болж хувирч болох, эдгээр өөрчлөлтийг байгалийн ямар хууль тогтоомжоор удирддаг болохыг харуулсан.

Элементүүдийн хувиргалт. Цацраг идэвхит цуврал.

20-р зууны эхний хорин жилд. Олон физикч, радиохимичдийн ажлын үр дүнд олон цацраг идэвхт элементүүд нээгдсэн. Тэдний хувирлын бүтээгдэхүүнүүд нь ихэвчлэн цацраг идэвхт бодис байдаг бөгөөд цаашдын өөрчлөлтүүд, заримдаа нэлээд төвөгтэй байдаг нь аажмаар тодорхой болсон. Нэг радионуклид нөгөөд хувирах дарааллыг мэдэх нь байгалийн цацраг идэвхт цуврал (эсвэл цацраг идэвхт гэр бүл) гэж нэрлэгддэг цацраг идэвхт бодисыг бий болгох боломжтой болсон. Тэдгээр нь гурав байсан бөгөөд тэдгээрийг ураны эгнээ, актиний эгнээ, торийн эгнээ гэж нэрлэдэг байв. Эдгээр гурван цуврал нь 18-р зуунаас хойш мэдэгдэж байсан уран, 1828 онд нээсэн тори зэрэг байгалийн хүнд элементүүдээс гаралтай (тогтворгүй актини нь өвөг биш, харин актиниумын завсрын гишүүн юм). Хожим нь 1940 онд зохиомлоор олж авсан анхны трансуран №93 элемент болох нептуниумаас эхлээд нептуний цувралыг нэмсэн. Өөрчлөлтийн олон бүтээгдэхүүнийг анхны элементүүдийн нэрээр нэрлэж, дараах схемүүдийг бичжээ.

Ураны цуврал: UI ® UХ1 ® UХ2 ® UII ® Io (ион) ® Ra ® ... ® RaG.

Далайн анемон цуврал: AcU ® UY ® Pa ® Ac ® AcK ® AcX ® An ® AcA ® AcB ® AcC ® AcC"" ® AcD.

Ториумын цуврал: Th ® MsTh1 ® MsTh2 ® RdTh ® ThХ ® Them ® ThA ® ThB ® ThC ® ThC" ® ThD.

Үүнээс харахад эдгээр эгнээ нь үргэлж "шулуун" гинж биш: үе үе салбарладаг. Тиймээс 0.15% магадлалтай UX2 нь UZ болж хувирч, дараа нь UII руу шилждэг. Үүний нэгэн адил ThC хоёр янзаар ялзарч болно: ThC ® ThC"-ийн хувирал 66.3% -д тохиолддог ба 33.7% -ийн магадлалаар ThC ® ThC"" ® ThD үйл явц явагддаг. Эдгээр нь- "Сэрээ" гэж нэрлэгддэг нэг радионуклидыг өөр өөр бүтээгдэхүүн болгон хувиргах нь энэ цуврал дахь цацраг идэвхт хувирлын зөв дарааллыг тогтооход бэрхшээлтэй байсан нь түүний олон гишүүдийн, ялангуяа бета-идэвхтэй хүмүүсийн амьдралын маш богино хугацаатай холбоотой байв.

Нэгэн цагт цацраг идэвхт цувралын шинэ гишүүн бүрийг шинэ цацраг идэвхт элемент гэж үздэг байсан бөгөөд физикчид, радиохимичид түүнд зориулж өөрийн гэсэн нэр томъёог нэвтрүүлсэн: ионы Io, мезоториум-1 MsTh1, актиноураний AcU, торийн ялгаралт Them гэх мэт. гэх мэт. Эдгээр тэмдэглэгээ нь төвөгтэй бөгөөд тохиромжгүй байдаг; Гэсэн хэдий ч тэдгээрийн заримыг заримдаа тусгай уран зохиолд уламжлалт байдлаар ашигладаг. Цаг хугацаа өнгөрөхөд эдгээр бүх тэмдэгтүүд нь энгийн химийн элементүүд болох радионуклидуудын тогтворгүй сортуудын атомуудыг (илүү нарийвчлалтай, цөм) хэлдэг нь тодорхой болсон. Химийн хувьд салшгүй, гэхдээ хагас задралын (болон ихэвчлэн задралын төрлөөр) ялгаатай элементүүдийг ялгахын тулд 1913 онд Ф.Содди тэдгээрийг изотоп гэж нэрлэхийг санал болгов.

Цувралын гишүүн бүрийг мэдэгдэж буй химийн элементийн изотопуудын аль нэгэнд хуваарилсны дараа ураны цуврал нь уран-238-аас эхэлдэг нь тодорхой болсон ( Т 1/2 = 4.47 тэрбум жил) ба тогтвортой хар тугалга-206-аар төгсдөг; Энэ цувралын гишүүдийн нэг нь радиумын маш чухал элемент учраас энэ цувралыг уран-радиум цуврал гэж нэрлэдэг. Актинийн цуврал (өөр нэр нь актинуранийн цуврал) нь мөн байгалийн уранаас гаралтай боловч түүний бусад изотопоос - 235 U ( Т 1/2 = 794 сая жил). Ториумын цуврал нь 232 Th нуклидаас эхэлдэг ( Т 1/2 = 14 тэрбум жил). Эцэст нь байгальд байдаггүй нептуний цуврал нь зохиомлоор олж авсан нептуний хамгийн урт наслалт изотопоор эхэлдэг: 237 Np ® 233 Pa ® 233 U ® 229 Th ® 225 Ra ® 225 Ac ® 221 Fr ® 217 At. Bi ® 213 Po ® 209 Pb ® 209 Bi. Энэ цувралд "салаа" бас байдаг: 2% -ийн магадлалтай 213 Bi нь 209 Tl болж хувирах боломжтой бөгөөд энэ нь аль хэдийн 209 Pb болж хувирдаг. Нептуний цувралын илүү сонирхолтой шинж чанар нь хийн "цахилгаан ялгарал" байхгүй, түүнчлэн цувралын төгсгөлийн гишүүн болох хар тугалганы оронд висмут юм. Энэхүү хиймэл цувралын өвөг дээдсийн хагас задралын хугацаа "ердөө" 2.14 сая жил байдаг тул нептуни нь Нарны аймаг үүсэх үед байсан ч өнөөг хүртэл "амьдрах" боломжгүй байсан. Дэлхийн насыг 4.6 тэрбум жил гэж тооцдог бөгөөд энэ хугацаанд (2000 гаруй хагас задралын хугацаа) нептуний нэг ч атом үлдэхгүй.

Жишээлбэл, Рутерфорд радиум хувиргах гинжин хэлхээний үйл явдлын нарийн төвөгтэй байдлыг тайлсан (радиум-226 нь уран-238-ын цацраг идэвхт цувралын зургаа дахь гишүүн юм). Диаграмм нь Рутерфордын үеийн тэмдэг ба нуклидын орчин үеийн тэмдэг, түүнчлэн задралын төрөл, хагас задралын талаарх орчин үеийн өгөгдлийг харуулсан; Дээрх цувралд жижиг "салаа" байдаг: 0.04% магадлалтай RaC нь RaC"" (210 Tl) болж хувирч, дараа нь ижил RaD болж хувирдаг ( Т 1/2 = 1.3 мин). Энэхүү цацраг идэвхт хар тугалга нь нэлээд урт хагас задралын хугацаатай тул туршилтын явцад түүний цаашдын өөрчлөлтийг үл тоомсорлож болно.

Энэ цувралын сүүлчийн гишүүн хар тугалга-206 (RaG) тогтвортой байна; байгалийн хар тугалгад 24.1% байна. Торийн цуврал нь тогтвортой хар тугалга-208 ("энгийн" хар тугалганы агууламж 52.4%), актиниум цуврал нь хар тугалга-207 (хар тугалганы агууламж 22.1%) -д хүргэдэг. Орчин үеийн дэлхийн царцдас дахь эдгээр хар тугалгын изотопуудын харьцаа нь мэдээжийн хэрэг, эх нуклидын хагас задралын хугацаа болон дэлхий үүссэн материал дахь тэдгээрийн анхны харьцаатай холбоотой юм. Дэлхийн царцдас дахь "ердийн", цацраг идэвхт бус хар тугалга нь ердөө 1.4% байдаг. Хэрэв эхэндээ дэлхий дээр уран, торий байгаагүй бол түүний хар тугалга нь 1.6х10-3% (кобальттай ижил) биш, харин 70 дахин бага (жишээлбэл, индий, ховор металл гэх мэт) байх байсан. тулий!). Нөгөөтэйгүүр, хэдэн тэрбум жилийн өмнө манай гараг руу ниссэн хийсвэр химич түүнээс хамаагүй бага хар тугалга, илүү их уран, торий олдох байсан...

1915 онд Ф.Содди Цейлоны ашигт малтмалын торитоос торийн задралаас (ThSiO 4) үүссэн хар тугалга ялгаж авахад түүний атомын масс нь 207.77 буюу "ердийн" хар тугалгынхаас (207.2) их болсон байна. Энэ нь "онолын" (208)-аас ялгаатай нь торит нь хар тугалга-206 үүсгэдэг ураны агууламжтай байсантай холбон тайлбарладаг. Америкийн химич Теодор Уильям Ричардс атомын массыг хэмждэг эрх мэдэлтэн, ураны зарим ашигт малтмалаас тори агуулаагүй хар тугалга ялгаж авахад түүний атомын масс нь яг 206 болж хувирсан. Энэ хар тугалгын нягт нь бас арай бага байв. , мөн энэ нь тооцоолсон хэмжээтэй тохирч байна: r ( Pb) ґ 206/207.2 = 0.994r (Pb), энд r (Pb) = 11.34 г / см3. Эдгээр үр дүн нь хар тугалга, бусад олон элементийн хувьд атомын массыг маш өндөр нарийвчлалтайгаар хэмжих ямар ч утгагүй болохыг тодорхой харуулж байна: өөр өөр газраас авсан дээж нь арай өөр үр дүнг өгөх болно ( см.Нүүрстөрөгчийн нэгж).

Байгалийн хувьд диаграммд үзүүлсэн өөрчлөлтүүдийн гинж тасралтгүй явагддаг. Үүний үр дүнд зарим химийн элементүүд (цацраг идэвхт) бусад болж хувирдаг бөгөөд ийм өөрчлөлтүүд дэлхий оршин тогтнох бүх хугацаанд явагдсан. Цацраг идэвхт цувралын анхны гишүүд (тэдгээрийг эцэг эх гэж нэрлэдэг) нь хамгийн урт насалдаг: уран-238-ийн хагас задралын хугацаа 4.47 тэрбум жил, торий-232-ийнх 14.05 тэрбум жил, уран-235 (мөн "актинуран" гэж нэрлэдэг) актиний цувралын өвөг дээдэс) - 703.8 сая жил. Энэхүү урт гинжин хэлхээний дараагийн бүх гишүүд (“охин”) хамаагүй богино насалдаг. Энэ тохиолдолд радиохимичид "цацраг идэвхт тэнцвэр" гэж нэрлэдэг нөхцөл байдал үүсдэг: үндсэн уран, торий эсвэл актиниумаас завсрын радионуклид үүсэх хурд (энэ хурд нь маш бага) нь энэ нуклидын задралын хурдтай тэнцүү байна. Эдгээр хурдны тэгш байдлын үр дүнд өгөгдсөн радионуклидын агууламж тогтмол бөгөөд зөвхөн хагас задралын хугацаанаас хамаарна: цацраг идэвхт цувралын богино хугацааны гишүүдийн концентраци бага, урт наслалтын гишүүдийн концентраци нь бага байдаг. илүү их. Завсрын задралын бүтээгдэхүүний агууламжийн энэхүү тогтвортой байдал нь маш удаан үргэлжилдэг (энэ хугацаа нь маш урт байдаг эх нуклидын хагас задралын хугацаагаар тодорхойлогддог). Энгийн математик хувиргалт нь дараахь дүгнэлтэд хүргэдэг: эхийн тооны харьцаа ( Н 0) ба хүүхдүүд ( Н 1, Н 2, Н 3...) атомууд нь хагас задралын хугацаатай шууд пропорциональ байна: Н 0:Н 1:Н 2:Н 3... = Т 0:Т 1:Т 2:Т 3... Ийнхүү уран-238-ийн хагас задралын хугацаа 4.47 10 9 жил, радий 226 нь 1600 жил тул ураны хүдэр дэх уран-238, радий-226-ийн атомын тооны харьцаа 4.47 10 9 байна: 1600 , үүнээс (эдгээр элементүүдийн атомын массыг харгалзан) 1 тонн уранд цацраг идэвхт тэнцвэрт байдалд хүрэхэд ердөө 0.34 г радий байгааг тооцоолоход хялбар байдаг.

Мөн эсрэгээр хүдэр дэх уран ба радийн харьцаа, мөн радийн хагас задралын хугацааг мэдэж байгаа тул ураны хагас задралын хугацааг тодорхойлох боломжтой бөгөөд радийн хагас задралын хугацааг тодорхойлох шаардлагагүй болно. мянга гаруй жил хүлээх - энэ нь задралын хурдыг (цацраг идэвхт чанараар нь) хэмжихэд хангалттай (өөрөөр хэлбэл .d утга) Н/г т) тухайн элементийн мэдэгдэж буй бага хэмжээний (тодорхой тооны атомтай Н) дараа нь томьёоны дагуу d Н/г т= –л Нутгыг тодорхойлох l = ln2/ Т 1/2.

Нүүлгэн шилжүүлэх хууль.

Хэрэв ямар нэгэн цацраг идэвхт цувралын гишүүдийг элементүүдийн үелэх систем дээр дарааллаар нь зурвал энэ цувралын радионуклидууд эх элементээс (уран, торий, нептун) хар тугалга эсвэл висмут руу жигд шилждэггүй, харин "үсрэх" болно. баруун тийш, дараа нь зүүн тийш. Ийнхүү ураны цувралд хар тугалганы хоёр тогтворгүй изотоп (элемент No82) висмутын изотопууд (элемент No83), дараа нь полони (элемент No84), дараа нь дахин хар тугалганы изотопууд болж хувирдаг. . Үүний үр дүнд цацраг идэвхт элемент нь элементүүдийн хүснэгтийн ижил нүдэнд буцаж ирдэг боловч өөр масстай изотоп үүсдэг. Ф.Содди 1911 онд анзаарсан эдгээр “үсрэлтүүдэд” тодорхой зүй тогтол байгаа нь тогтоогджээ.

Одоо мэдэгдэж байгаагаар - задралын үед - бөөмс (гелийн атомын цөм) цөмөөс ялгардаг тул цөмийн цэнэг 2-оор багасдаг (үелэх систем дэх хоёр эсийн шилжилт). зүүн), массын тоо 4-өөр буурч, шинэ элементийн ямар изотоп үүссэнийг урьдчилан таамаглах боломжийг бидэнд олгодог. Радон задралын жишээ нь: ® + . b задралын үед эсрэгээр цөм дэх протоны тоо нэгээр нэмэгдэх боловч цөмийн масс өөрчлөгдөхгүй ( см.ЦАГААН ИДЭВХИЙЛЭЛ), i.e. элементүүдийн хүснэгт баруун тийш нэг нүдээр шилжсэн байна. Жишээ нь радоноос үүссэн полонигийн хоёр дараалсан хувирал: ® ® . Тиймээс, хэрэв бид "салаа" -ыг тооцохгүй бол жишээлбэл, радий-226 задралын үр дүнд (уран цувралыг үзнэ үү) альфа ба бета тоосонцор хэр их ялгарч байгааг тооцоолох боломжтой. Эхний нуклид, эцсийн нуклид - . Массын бууралт (эсвэл массын тоо, өөрөөр хэлбэл цөм дэх протон ба нейтроны нийт тоо) нь 226-206 = 20-тай тэнцүү тул 20/4 = 5 альфа бөөмс ялгарсан. Эдгээр бөөмс 10 протоныг авч явсан бөгөөд хэрэв b задрал байхгүй байсан бол эцсийн задралын бүтээгдэхүүний цөмийн цэнэг 88 - 10 = 78-тай тэнцүү байх болно. Үнэндээ эцсийн бүтээгдэхүүнд 82 протон байгаа тул хувиргахад 4 нейтрон протон болж, 4 b бөөмс ялгарсан.

Маш олон удаа, a-задралын дараа хоёр b задрал дагалддаг бөгөөд ингэснээр үүссэн элемент нь элементүүдийн хүснэгтийн анхны нүд рүү буцаж ирдэг - анхны элементийн хөнгөн изотоп хэлбэрээр. Эдгээр баримтуудын ачаар Д.И.Менделеевийн үечилсэн хууль нь элементүүдийн шинж чанар ба тэдгээрийн цөмийн цэнэгийн хоорондын хамаарлыг тусгадаг болох нь тодорхой болсон (энэ нь атомын бүтэц тодорхойгүй байхад анх томъёологдож байсан).

Олон эрдэмтдийн шаргуу судалгааны үр дүнд 1913 онд цацраг идэвхт бодисын шилжилтийн хуулийг эцэслэн боловсруулжээ. Тэдний дунд Соддигийн туслах Александр Флек, Соддигийн дадлагажигч А.С.Рассел, 1911-1913 онд Манчестерийн их сургуульд Рутерфордтой хамт ажиллаж байсан Унгарын физик химич, радиохимич Дьердь Хевеси, Германы (болон дараа нь Америкийн) физикийн химич Касимир нар байв. 1887-1975). Энэ хуулийг ихэвчлэн Содди-Файенсийн хууль гэж нэрлэдэг.

Элементүүдийн зохиомол хувиргалт ба хиймэл цацраг идэвхт байдал.

Хүнд устөрөгчийн изотоп дейтерийн цөм болох дейтронуудын тусламжтайгаар маш олон янзын хувиргалтыг өндөр хурдтайгаар хурдасгасан. Ийнхүү + ® + урвалын явцад хэт хүнд устөрөгч анх удаа үүссэн - тритиум. Хоёр дейтероны мөргөлдөөн нь өөр өөрөөр үргэлжилж болно: + ® +, эдгээр процессууд нь хяналттай термоядролын урвалын боломжийг судлахад чухал юм. + ® () ® 2 урвал нь чухал ач холбогдолтой болсон, учир нь энэ нь дейтроны харьцангуй бага энерги (0.16 МэВ) дээр явагддаг бөгөөд асар их энерги ялгардаг - 22.7 МэВ (1 МэВ = 10 6 эВ гэдгийг санаарай). , ба 1 эВ = 96.5 кЖ/моль).

Бериллийг а-бөөмөөр бөмбөгдөх үед үүсэх урвал нь практик ач холбогдолтой болсон: + ® () ® +, энэ нь 1932 онд төвийг сахисан нейтрон бөөмийг нээхэд хүргэсэн бөгөөд радий-бериллий нейтроны эх үүсвэрүүд нь маш тохиромжтой болсон. шинжлэх ухааны судалгаанд зориулагдсан. Өөр өөр энергитэй нейтроныг мөн урвалын үр дүнд авч болно + ® + ; + ® + ; + ® + . Цэнэггүй нейтронууд атомын цөмд амархан нэвтэрч, шатаж буй нуклид болон нейтроны хурд (энерги) зэргээс шалтгаалах янз бүрийн процессуудыг үүсгэдэг. Тиймээс удаан нейтроныг цөм зүгээр л барьж авах боломжтой бөгөөд цөм нь гамма квант ялгаруулах замаар тодорхой хэмжээний илүүдэл энергиэс ялгардаг, жишээ нь: + ® + g. Энэхүү урвалыг цөмийн реакторуудад ураны задралын урвалыг хянахын тулд өргөн ашигладаг: урвалыг удаашруулахын тулд кадми саваа эсвэл хавтангуудыг цөмийн уурын зууханд шахдаг.

Хэрэв асуудал нь эдгээр өөрчлөлтүүдээр хязгаарлагдаж байсан бол цацраг туяа зогссоны дараа нейтроны урсгал нэн даруй хатах ёстой байсан тул полониумын эх үүсвэрийг зайлуулсны дараа тэд бүх үйл ажиллагаа зогсоно гэж найдаж байсан боловч бөөмийн тоолуур үргэлжилсээр байгааг олж мэдэв. аажмаар алга болсон импульсийг экспоненциал хуулийн дагуу бүртгээрэй. Үүнийг зөвхөн нэг л аргаар тайлбарлаж болно: альфа цацрагийн үр дүнд азот-13-ийн хувьд хагас задралын хугацаа 10 минут, фосфор-30-ын хувьд 2.5 минутын шинж чанартай, урьд өмнө мэдэгдээгүй цацраг идэвхт элементүүд гарч ирэв. Эдгээр элементүүд позитрон задралд ордог нь тогтоогдсон: ® + e +, ® + e + . Байгалийн гурван тогтвортой изотопоор илэрхийлэгдсэн магнийн тусламжтайгаар сонирхолтой үр дүнг олж авсан бөгөөд тэдгээр нь цацраг идэвхт бодисоор 227- буюу позитрон задралд ордог цахиур эсвэл хөнгөн цагааны цацраг идэвхт нуклидуудыг үүсгэдэг болохыг тогтоожээ.

Хиймэл цацраг идэвхт элементүүдийг үйлдвэрлэх нь тодорхой зорилгод тохирсон хагас задралын хугацаатай, хүссэн төрлийн цацрагийг тодорхой хүчээр нийлэгжүүлэх боломжийг олгодог тул практикийн чухал ач холбогдолтой юм. Ялангуяа нейтроныг "хариу" болгон ашиглахад тохиромжтой. Нейтроныг цөмд барьж авснаар түүнийг тогтворгүй болгодог тул шинэ цөм нь цацраг идэвхт болдог. Энэ нь "нэмэлт" нейтроныг протон болгон хувиргах, өөрөөр хэлбэл 227 цацрагийн улмаас тогтвортой болж чадна; Ийм олон урвал мэдэгдэж байна, жишээлбэл: + ® ® + e. Агаар мандлын дээд давхаргад үүсэх радиокарбон үүсэх урвал нь маш чухал юм: + ® + ( см.РАДИОКАРБОНЫ ШИНЖИЛГЭЭНИЙ АРГА). Тритиум нь удаан нейтроныг лити-6 цөмд шингээх замаар нийлэгждэг. Хурдан нейтроны нөлөөн дор олон цөмийн өөрчлөлтийг хийж болно, жишээлбэл: + ® + ; + ® + ; + ® + . Тиймээс энгийн кобальтыг нейтроноор цацруулж, гамма цацрагийн хүчирхэг эх үүсвэр болох цацраг идэвхт кобальт-60-ийг олж авдаг (энэ нь 60 Co - өдөөгдсөн цөмийн задралын бүтээгдэхүүнээр ялгардаг). Зарим трансуран элементүүд нь нейтроноор цацраг туяагаар үүсгэгддэг. Жишээлбэл, байгалийн уран-238-аас тогтворгүй уран-239 анх үүсдэг бөгөөд энэ нь b задралын үед ( Т 1/2 = 23.5 мин) нь neptunium-239-ийн анхны трансуран элемент болж хувирдаг бөгөөд энэ нь эргээд b задралаар дамждаг ( Т 1/2 = 2.3 хоног) нь зэвсгийн зэрэглэлийн плутони-239 гэж нэрлэгддэг маш чухал зүйл болж хувирдаг.

Шаардлагатай цөмийн урвалыг хийснээр алтыг зохиомлоор олж авч, алхимичдын хийж чадаагүй зүйлийг биелүүлэх боломжтой юу? Онолын хувьд үүнд ямар ч саад бэрхшээл байхгүй. Түүгээр ч барахгүй ийм синтез аль хэдийн хийгдсэн боловч баялаг авчирсангүй. Алтыг зохиомлоор гаргаж авах хамгийн хялбар арга бол үелэх систем дэх алтны дэргэдэх элементийг нейтроны урсгалаар цацруулах явдал юм. Дараа нь + ® + урвалын үр дүнд нейтрон мөнгөн усны атомаас протоныг устгаж, алтны атом болгон хувиргах болно. Энэ урвал нь тодорхой массын тоог заадаггүй ( А) мөнгөн ус ба алтны нуклид. Байгаль дахь алт нь цорын ганц тогтвортой нуклид бөгөөд байгалийн мөнгөн ус нь изотопуудын цогц хольц юм А= 196 (0.15%), 198 (9.97%), 199 (1.87%), 200 (23.10%), 201 (13.18%), 202 (29.86%), 204 (6.87%). Иймээс дээрх схемийн дагуу зөвхөн тогтворгүй цацраг идэвхт алтыг авах боломжтой. Үүнийг 1941 оны эхээр Харвардын их сургуулийн Америкийн хэсэг химич нар мөнгөн усыг хурдан нейтроны урсгалаар цацруулж авчээ. Хэдэн өдрийн дараа алтны бүх цацраг идэвхт изотопууд бета задралаар дахин мөнгөн усны анхны изотопууд болж хувирав.

Гэхдээ өөр нэг арга бий: хэрэв мөнгөн ус-196 атомыг удаан нейтроноор цацвал мөнгөн ус-197 атом болж хувирна: + ® + g. Хагас задралын хугацаа нь 2.7 хоног байдаг эдгээр атомууд электрон барьж, эцэст нь тогтвортой алтны атомууд болж хувирдаг: + e ® . Энэхүү өөрчлөлтийг 1947 онд Чикаго дахь Үндэсний лабораторийн ажилтнууд хийжээ. 100 мг мөнгөн усыг удаан нейтроноор цацруулж, 0.035 мг 197Au-г гаргаж авсан. Бүх мөнгөн устай харьцуулахад гарц нь маш бага байдаг - ердөө 0.035%, гэхдээ 196Hg-тай харьцуулахад энэ нь 24% хүрдэг! Гэсэн хэдий ч байгалийн мөнгөн ус дахь 196 м.у.б изотоп нь хамгийн бага бөгөөд үүнээс гадна цацрагийн үйл явц нь өөрөө ба түүний үргэлжлэх хугацаа (цацрага нь хэдэн жил шаардагдана), нарийн төвөгтэй хольцоос тогтвортой "синтетик алт" тусгаарлах нь хэмжээлшгүй их зардал гарах болно. хамгийн ядуу хүдрээс алтыг тусгаарлах (). Тиймээс алтны хиймэл үйлдвэрлэл нь зөвхөн онолын сонирхол юм.

Цацраг идэвхт хувирлын тоон зүй тогтол.

Хэрэв тодорхой тогтворгүй цөмийг хянах боломжтой байсан бол түүний хэзээ задрахыг таамаглах боломжгүй байх байсан. Энэ нь санамсаргүй үйл явц бөгөөд зөвхөн тодорхой тохиолдлуудад тодорхой хугацааны туршид ялзрах магадлалыг үнэлж болно. Гэсэн хэдий ч микроскопоор бараг үл үзэгдэх хамгийн жижиг тоосонцор хүртэл асар олон тооны атом агуулдаг бөгөөд хэрэв эдгээр атомууд цацраг идэвхт бол тэдгээрийн задрал нь математикийн хатуу хуулиудыг дагаж мөрддөг: маш олон тооны объектод хамаарах статистикийн хуулиуд хүчин төгөлдөр болно. . Дараа нь радионуклид бүрийг маш тодорхой утгаар тодорхойлж болно - хагас задралын хугацаа ( Т 1/2) нь боломжтой тооны цөмийн хагас задрах хугацаа юм. Хэрэв эхний мөчид байсан бол Н 0 цөм, дараа нь хэсэг хугацааны дараа т = ТТэдний 1/2 нь үлдэх болно Н 0/2, цагт т = 2Т 1/2 нь үлдэх болно Н 0/4 = Н 0/2 2 , цагт т = 3Т 1/2 – Н 0/8 = Н 0/2 3 гэх мэт. Ерөнхийдөө хэзээ т = nT 1/2 нь үлдэх болно Н 0/2 nцөм, хаана n = т/Т 1/2 нь хагас задралын тоо (энэ нь бүхэл тоо байх албагүй). Энэ нь томъёог харуулахад хялбар байдаг Н = Н 0/2 т/Т 1/2 нь томьёотой тэнцүү байна Н = Н 0e - л т, энд l нь задралын тогтмол гэгддэг. Албан ёсоор энэ нь ялзралын хурд хоорондын пропорциональ коэффициент гэж тодорхойлогддог d Н/г тболон цөмийн боломжтой тоо: d Н/г т= – л Н(хасах тэмдэг нь үүнийг илтгэнэ Нцаг хугацааны явцад буурдаг). Энэхүү дифференциал тэгшитгэлийг нэгтгэх нь цаг хугацааны цөмийн тооны экспоненциал хамаарлыг өгдөг. Энэ томъёонд орлуулах Н = Н 0/2 цагт т = Т 1/2, бид задралын тогтмол нь хагас задралын хугацаатай урвуу пропорциональ байна: l = ln2/ Т 1/2 = 0,693/Т 1/2. t = 1/ l утгыг цөмийн дундаж наслалт гэнэ. Жишээлбэл, 226 Ra-ийн хувьд Т 1/2 = 1600 жил, t = 1109 жил.

Өгөгдсөн томьёоны дагуу утгыг нь мэдэж Т 1/2 (эсвэл л), ямар ч хугацааны дараа радионуклидын хэмжээг тооцоолоход хялбар байдаг бөгөөд тэдгээрээс та радионуклидын хэмжээ өөр өөр цэгүүдэд мэдэгдэж байгаа бол хагас задралын хугацааг тооцоолж болно. Цөмийн тооны оронд цацрагийн идэвхийг томъёонд орлуулж болно, энэ нь боломжтой цөмийн тоотой шууд пропорциональ байна. Н. Үйл ажиллагаа нь ихэвчлэн дээж дэх задралын нийт тоогоор бус, харин хэмжих төхөөрөмжөөр бүртгэгдсэн үүнтэй пропорциональ импульсийн тоогоор тодорхойлогддог. Жишээлбэл, 1 г цацраг идэвхт бодис байгаа бол түүний хагас задралын хугацаа богино байх тусам бодис илүү идэвхтэй байх болно.

Бусад математикийн хуулиуд нь цөөн тооны радионуклидын зан үйлийг тодорхойлдог. Энд бид зөвхөн тодорхой үйл явдлын магадлалын тухай ярьж болно. Жишээлбэл, радионуклидын нэг атом (илүү нарийвчлалтай, нэг цөм) байцгаая. Т 1/2 = 1 мин. Энэ атом 1 минут амьдрах магадлал 1/2 (50%), 2 минут - 1/4 (25%), 3 минут - 1/8 (12.5%), 10 минут - (1/2 ) 10 = 1/10 24 (0.1%), 20 мин – (1/2) 20 = 1/1048576 (0.00001%). Ганц атомын хувьд боломж маш бага боловч маш олон атом, жишээ нь хэдэн тэрбум байвал тэдгээрийн олонх нь 20 ба түүнээс дээш хагас задралын хугацаатай байх нь дамжиггүй. Атом тодорхой хугацаанд задрах магадлалыг 100-аас авсан утгыг нь хасч гаргана. Тэгэхээр атом 2 минут тэсэх магадлал 25% байвал энэ үед ижил атом задрах магадлал 25% байна. хугацаа 100 - 25 = 75%, 3 минутын дотор задрах магадлал - 87.5%, 10 минутын дотор - 99.9% гэх мэт.

Хэд хэдэн тогтворгүй атомууд байвал томъёо нь илүү төвөгтэй болдог. Энэ тохиолдолд үйл явдлын статистик магадлалыг бином коэффициент бүхий томъёогоор тодорхойлно. Хэрэв байгаа бол Натомууд ба тэдгээрийн аль нэг нь цаг хугацааны явцад задрах магадлал ттэнцүү байна х, дараа нь тухайн хугацаанд байх магадлал т-аас Натомууд задрах болно n(мөн үүний дагуу хэвээр байх болно Н – n), тэнцүү байна П = Н!p n(1–х) Н–n /(Н–n)!n! Атомыг нь тус тусад нь гаргаж авдаг шинэ тогтворгүй элементүүдийн нийлэгжилтэнд ижил төстэй томъёог ашиглах шаардлагатай (жишээлбэл, Америкийн хэсэг эрдэмтэд 1955 онд Менделевиумын шинэ элементийг олж илрүүлэхэд тэд ердөө 17 атомын хэмжээгээр олж авсан). ).

Энэ томъёоны хэрэглээг тодорхой тохиолдолд дүрсэлж болно. Жишээлбэл, байгаарай Н= 16 атомын хагас задралын хугацаа 1 цаг. Та тодорхой тооны атомын задралын магадлалыг тооцоолж болно, жишээлбэл, цаг хугацааны хувьд т= 4 цаг. Нэг атом энэ 4 цагт тэсэх магадлал 1/2 4 = 1/16, энэ хугацаанд түүний задрах магадлал r= 1 – 1/16 = 15/16. Эдгээр анхны өгөгдлийг томьёонд орлуулснаар: Р = 16!(15/16) n (1/16) 16–n /(16–n)!n! = 16!15 n /2 64 (16–n)!n! Зарим тооцооллын үр дүнг хүснэгтэд үзүүлэв.

Хүснэгт 1.
Үлдсэн атомууд (16– n)	16	10	8	6	4	3	2	1	0
Атомууд задарсан n	0	6	8	10	12	13	14	15	16
Магадлал Р, %	5·10-18	5·10-7	1.8·10 –4	0,026	1,3	5,9	19,2	38,4	35,2

Тиймээс 4 цагийн дараа (4 хагас задралын хугацаа) 16 атомаас нэг нь ч үлдэхгүй, учир нь энэ үйл явдлын магадлал нь зөвхөн 38.4% байна, гэхдээ энэ нь бусад үр дүнгийн магадлалаас их байна. Хүснэгтээс харахад нийт 16 атом (35.2%) буюу зөвхөн 14 нь задрах магадлал бас маш өндөр байна. Гэхдээ 4 хагас задралын дараа бүх атомууд "амьд" үлдэх магадлал (нэг нь ч ялзраагүй) маш бага юм. Хэрэв 16 атом байхгүй, гэхдээ 10 20 атом байхгүй бол 1 цагийн дараа тэдний тооны тал хувь нь, 2 цагийн дараа дөрөвний нэг гэх мэт үлдэнэ гэж бид бараг 100% итгэлтэйгээр хэлж чадна. Өөрөөр хэлбэл, олон атом байх тусам тэдгээрийн задрал нь экспоненциал хуульд илүү нарийвчлалтай нийцдэг.

Беккерелийн үеэс хойш хийгдсэн олон тооны туршилтууд цацраг идэвхт задралын хурд нь температур, даралт, атомын химийн төлөвт бараг нөлөөлдөггүй болохыг харуулсан. Үл хамаарах зүйл маш ховор байдаг; Тиймээс электрон барих тохиолдолд үнэ цэнэ ТЭлементийн исэлдэлтийн төлөв өөрчлөгдөхөд 1/2 нь бага зэрэг өөрчлөгддөг. Жишээлбэл, 7 BeF 2-ийн задрал нь 7 BeO эсвэл металл 7 Be-ээс ойролцоогоор 0.1% удаан явагддаг.

Мэдэгдэж буй тогтворгүй цөм - радионуклидуудын нийт тоо хоёр мянгад ойртож байгаа бөгөөд тэдгээрийн ашиглалтын хугацаа маш өргөн хүрээнд өөрчлөгддөг. Хагас задралын хугацаа нь сая сая, бүр тэрбум жил үргэлжилдэг урт насалдаг радионуклидууд ба секундын өчүүхэн төдийд бүрэн ялзардаг богино настай радионуклидууд байдаг. Зарим радионуклидын хагас задралын хугацааг хүснэгтэд үзүүлэв.

Зарим радионуклидуудын шинж чанар (тогтвортой изотопгүй Tc, Pm, Po болон дараагийн бүх элементүүдийн хувьд тэдгээрийн хамгийн удаан амьдардаг изотопуудын талаархи мэдээллийг өгсөн болно).

Хүснэгт 2.
Серийн дугаар	Тэмдэг	Массын тоо	Хагас амьдрал
1	Т	3	12,323 жил
6	ХАМТ	14	5730 жил
15	Р	32	14.3 хоног
19	TO	40	1.28 10 9 жил
27	Co	60	5272 жил
38	Ср	90	28.5 жил
43	Ц	98	4.2 10 6 жил
53	I	131	8.02 хоног
61	Pm	145	17.7 жил
84	Ро	209	102 настай
85	At	210	8.1 цаг
86	Rn	222	3825 хоног
87	Фр	223	21.8 мин
88	Ра	226	1600 жил
89	Ac	227	21.77 жил
90	Th	232	1.405 10 9 жил
91	Ра	231	32,760 жил
92	У	238	4.468 10 9 жил
93	Np	237	2.14 10 6 жил
94	Пу	244	8.26 10 7 жил
95	Ам	243	7370 жил
96	см	247	1.56 10 7
97	Бк	247	1380 жил
98	Харьц	251	898 жил
99	Эс	252	471.7 хоног
100	Fm	257	100.5 хоног
101	MD	260	27.8 хоног
102	Үгүй	259	58 мин
103	Lr	262	3.6 цаг
104	Rf	261	78 с
105	Дб	262	34 с
106	Sg	266	21 с
107	Бх	264	0.44 сек
108	Hs	269	9 с
109	Уул	268	70 мс
110	Д	271	56 мс
111	–	272	1.5 мс
112	–	277	0.24 мс

Мэдэгдэж байгаа хамгийн богино настай нуклид нь 5 Li: түүний амьдрах хугацаа 4.4·10 –22 сек). Энэ хугацаанд тэр ч байтугай гэрэл ердөө 10-11 см, өөрөөр хэлбэл. Цөмийн диаметрээс хэдэн арван дахин их, аливаа атомын хэмжээнээс хамаагүй бага зай. Хамгийн урт наслалт нь 128 Те (байгалийн теллурт 31.7% -ийн хэмжээгээр агуулагддаг) хагас задралын хугацаа нь найман септилион (8 · 10 24) жил байдаг - үүнийг цацраг идэвхит гэж нэрлэх нь бараг боломжгүй юм; Харьцуулбал, манай Орчлон ертөнц "ердөө" 10 10 жилийн настай гэж тооцоолсон.

Нуклидын цацраг идэвхт байдлын нэгж нь беккерел: 1 Бк (Бк) нь секундэд нэг задралтай тохирч байна. Системээс гадуурх нэгж кюри ихэвчлэн ашиглагддаг: 1 Ci (Ci) нь секундэд 37 тэрбум задралтай тэнцүү буюу 3.7 юм. . 10 10 Bq (226 Ra-ийн 1 г нь ойролцоогоор ийм үйл ажиллагаатай). Нэгэн цагт Рутерфордын системээс гадуурх нэгжийг санал болгосон: 1 Рд (Rd) = 10 6 Bq, гэхдээ энэ нь өргөн тархсангүй.

Уран зохиол:

Содди Ф. Атомын энергийн түүх. М., Атомиздат, 1979 он
Choppin G. et al. Цөмийн хими. М., Energoatomizdat, 1984
Хоффман К. Алт хийх боломжтой юу? Л., Хими, 1984
Кадменский С.Г. Атомын цөмийн цацраг идэвхт байдал: түүх, үр дүн, хамгийн сүүлийн үеийн ололт. "Соросын боловсролын сэтгүүл", 1999, No11



Өмнөх хичээл дээр бид Рутерфордын туршилттай холбоотой асуудлыг хэлэлцсэн бөгөөд үүний үр дүнд атом бол гаригийн загвар гэдгийг одоо мэдэж байна.

Үүнийг атомын гаригийн загвар гэж нэрлэдэг. Цөмийн төвд асар том, эерэг цэнэгтэй цөм байдаг. Мөн электронууд тойрог замдаа цөмийг тойрон эргэдэг.

Цагаан будаа. 1. Резерфордын атомын гаригийн загвар

Фредерик Содди Рутерфордтой хамт туршилтанд оролцсон. Содди бол химич тул олж авсан элементүүдийг химийн шинж чанараар нь тодорхойлох үүднээс ажлаа нарийн гүйцэтгэсэн. Рутерфордын туршилтаар алтны хавтан дээр унасан а-бөөмс гэж юу болохыг олж мэдсэн хүн бол Содди юм. Хэмжилт хийх үед а бөөмийн масс нь 4 атомын массын нэгж, а бөөмийн цэнэг нь 2 энгийн цэнэг болох нь тогтоогдсон. Эрдэмтэд эдгээр зүйлсийг харьцуулж, тодорхой тооны a-бөөмүүдийг хуримтлуулж, эдгээр хэсгүүд нь химийн элемент болох гелий хий болж хувирдаг болохыг тогтоожээ.

Дараа нь эрдэмтдийн гол хүчин чармайлт нь атомын цөмийг судлахад чиглэв. Цацраг идэвхит цацрагийн үед тохиолддог бүх үйл явц нь электрон бүрхүүлд биш, бөөмийг хүрээлж буй электронуудтай биш, харин бөөмүүдтэй хамт явагддаг нь тодорхой болсон. Цөмд зарим өөрчлөлтүүд тохиолддог бөгөөд үүний үр дүнд шинэ химийн элементүүд үүсдэг.

Ийм анхны гинжийг цацраг идэвхт байдлын туршилтанд ашигласан радийн элементийг a-бөөмс ялгаруулах идэвхгүй хийн радон болгон хувиргах зорилгоор олж авсан; Энэ тохиолдолд хариу үйлдлийг дараах байдлаар бичнэ.

Нэгдүгээрт, a-бөөм нь 4 атомын массын нэгж ба давхар, хоёр дахин нэмэгдсэн энгийн цэнэг бөгөөд цэнэг нь эерэг байна. Радигийн серийн дугаар 88, массын дугаар нь 226, радон нь серийн дугаар 86, массын дугаар 222, а бөөм гарч ирнэ. Энэ бол гелийн атомын цөм юм. Энэ тохиолдолд бид зүгээр л гелий бичнэ. Дарааллын дугаар 2, массын дугаар 4.

Үүний үр дүнд шинэ химийн элементүүд үүсч, үүнтэй зэрэгцэн шинэ цацраг болон бусад химийн элементүүд үүсдэг урвалыг гэж нэрлэдэг. цөмийн урвалууд.

Цөмийн дотор цацраг идэвхит процесс явагддаг нь тодорхой болоход тэд зөвхөн радиум биш бусад элементүүд рүү хандсан. Төрөл бүрийн химийн элементүүдийг судалж үзэхэд эрдэмтэд гелий атомын цөмөөс ялгарах, цацраг туяагаар ялгарах урвал төдийгүй бусад цөмийн урвалууд байдаг гэдгийг ойлгосон. Жишээлбэл, b бөөмс ялгарах урвалууд. Эдгээр нь электрон гэдгийг бид одоо мэдэж байна. Энэ тохиолдолд шинэ химийн элемент үүснэ, шинэ бөөмс, энэ нь b бөөмс, энэ нь бас электрон юм. Энэ тохиолдолд атомын дугаар нь 83-аас их байгаа бүх химийн элементүүд онцгой анхаарал татаж байна.

Тиймээс бид гэж нэрлэгддэг зүйлийг томъёолж болно Соддигийн дүрэм, эсвэл цацраг идэвхт хувиргалтыг нүүлгэн шилжүүлэх дүрэм:

. Альфа задралын үед элементийн атомын тоо 2-оор, атомын жин 4-өөр буурдаг.

Цагаан будаа. 2. Альфа задрал

Бета задралын үед атомын тоо 1-ээр нэмэгдэх боловч атомын жин өөрчлөгддөггүй.

Цагаан будаа. 3. Бета задрал

Нэмэлт уран зохиолын жагсаалт

1. Бронштейн М.П. Атом ба электронууд. "Квант" номын сан. Боть. 1. М.: Наука, 1980
2. Kikoin I.K., Kikoin A.K. Физик: ЕБС-ийн 9-р ангийн сурах бичиг. М .: "Гэгээрэл"
3. Китайгородский А.И. Хүн бүрт зориулсан физик. Фотон ба цөм. Ном 4. М.: Шинжлэх ухаан
4. Мякишев Г.Я., Синякова А.З. Физик. Оптик Квантын физик. 11-р анги: Физикийг гүнзгийрүүлэн судлах сурах бичиг. М .: тоодог
5. Рутерфорд Э. Шинжлэх ухааны сонгосон бүтээлүүд. Цацраг идэвхжил. М .: Шинжлэх ухаан
6. Рутерфорд Э. Шинжлэх ухааны сонгосон бүтээлүүд. Атомын бүтэц ба элементүүдийн зохиомол хувиргалт. М .: Шинжлэх ухаан

Цацраг идэвхжил

Анри Беккерел 1896 онд байгалийн ураны цацраг идэвхт чанарыг нээсэн. Менделеевийн үелэх системийн аливаа элемент нь хэд хэдэн төрлийн атомаас тогтдог. Ижил тооны протонтой цөмүүд өөр өөр тооны нейтронтой байж болох ба үүний дагуу өөр өөр масстай байж болно. Атомын дугаар ижил боловч массын тоо өөр нуклонуудыг изотоп гэж нэрлэдэг . Жишээлбэл, байгалийн уран гурван изотоптой. 234 U, 235 U, 238 U. Одоогоор 3000 орчим изотопыг мэддэг. Тэдгээрийн зарим нь тогтвортой (276, 83 байгалийн элементэд хамаарах), бусад нь тогтворгүй, цацраг идэвхт бодис юм. Атомын тоо нь хар тугалгаас их (Z = 82) олон элемент нь радионуклид юм. Цацраг идэвхит бодис гэдэг нь цацраг идэвхт элементийн цөм нь альфа, бета тоосонцор, гамма квант ялгаруулах эсвэл задрах замаар аяндаа бусад элемент болж хувирах чадвартай байхыг; энэ тохиолдолд анхны цөм нь өөр элементийн цөм болж хувирдаг.

Цацраг идэвхит байдлын үзэгдэл нь зөвхөн атомын цөмийн дотоод бүтцээр тодорхойлогддог бөгөөд гадаад нөхцөл байдлаас (температур, даралт гэх мэт) хамаардаггүй.Байгалийн цацраг идэвхт байдал

. Байгалийн цацраг идэвхт изотопууд нь мэдэгдэж байгаа бүх изотопуудын багахан хэсгийг бүрдүүлдэг. 70 орчим радионуклид дэлхийн царцдас, ус, агаарт байдаг. Цацраг идэвхт задралын улмаас тус бүр нь тогтвортой изотопыг олж авах хүртэл аяндаа дамждаг нуклидын дарааллыг цацраг идэвхт цуврал гэж нэрлэдэг. Анхны нуклидыг эх нуклид гэж нэрлэдэг ба цувралын бусад бүх нуклидыг охин нуклид гэж нэрлэдэг. Байгальд уран, актинуран, торий гэсэн гурван цацраг идэвхит цуврал (гэр бүл) байдаг.Хиймэл цацраг идэвхт байдал.

Хиймэл цацраг идэвхт бодисыг анх 1934 онд Ирен, Фредерик Жолио-Кюри нар нээжээ. Радиологийн үүднээс авч үзвэл байгалийн болон хиймэл цацраг идэвхт байдлын хооронд онцгой ялгаа байхгүй; хиймэл цацраг идэвхт изотопууд цөмийн урвалын явцад үүсдэг. Зорилтот цөмийг бөөмс (нейтрон, протон, альфа тоосонцор гэх мэт) -ээр бөмбөгдөх үед цөмийн өөрчлөлт ажиглагдаж болно. Ихэнх цацраг идэвхт изотопуудыг ионжуулагч цацраг нь тогтвортой изотопуудтай харилцан үйлчилсний үр дүнд цөмийн реактор, хурдасгуурын байгууламжид зохиомлоор үйлдвэрлэдэг.

альфа задрал, бета задрал, электрон барих (K-барих), изомерийн шилжилт ба аяндаа хуваагдал.

Альфа задрал. Альфа задралын үзэгдлийг байгалийн цацраг идэвхт бодисын судалгаанд анх ажигласан. Альфа задрал нь үелэх системийн төгсгөлд байрлах элементүүдийн цөмүүдийн онцлог шинж юм. Альфа задралын үед цацраг идэвхт цөм нь давхар эерэг цэнэгтэй, дөрвөн атомын массын нэгж бүхий гелийн атомын цөм болох альфа бөөмийг ялгаруулдаг. Өөрчлөгдсөнөөр энэ нь цөм болж хувирдаг бөгөөд цахилгаан цэнэг нь анхныхаасаа хоёр нэгжээр бага, массын тоо нь анхныхаас дөрвөн нэгжээр бага байна.

Бета задрал. Бета задралын үед цөмүүд электрон (e -) - электрон задрал эсвэл позитрон (e +) - позитрон задралыг ялгаруулж чаддаг. Позитрон нь электроноос ялгаатай нь эерэг цэнэгтэй боловч тэнцүү масстай. Цахим задралын үр дүнд цөмийн массын тоо өөрчлөгдөөгүй хэвээр байгаа боловч цэнэг нь нэгээр нэмэгддэг бөгөөд анхны элементийн цөм нь нэгээс илүү серийн дугаартай цөм болж хувирдаг. Позитрон задралын үр дүнд цөмийн массын тоо өөрчлөгдөөгүй хэвээр байх ба цэнэг нь нэгээр буурдаг; анхны элементийн цөм нь нэгээс бага серийн дугаартай цөм болж хувирдаг. Позитрон задрал нь хиймэл радионуклидын багахан хэсгийн шинж чанар юм. Бета задралын үед ялгарах электрон ба позитроныг бета бөөмс гэж нэрлэдэг. Бета бөөмсөөс гадна цөм нь нейтрино ("нейтрон" гэж Ферми үүнийг нэрлэдэг) - тэгтэй ойролцоо масстай цэнэггүй бөөмсийг ялгаруулдаг. Альфа ба бета задралын үйл явц нь ихэвчлэн гамма цацраг дагалддаг.

Цахим зураг авалт (K- Capture).Зарим радионуклидуудад атомын цөм нь хамгийн ойр байгаа К-бүрхүүлээс электроныг барьж авдаг. Энэ үзэгдэл нь позитроны задралтай холбоотой. Электроныг барьж авсны үр дүнд цөмийн нэг протон нь нейтрон болж хувирч, цөмийн массын тоо өөрчлөгдөхгүй, цэнэг нь нэгээр буурдаг. Атомын К-бүрхүүлээс электроныг барьж авах үйл явцыг мөн K-барьж авах гэж нэрлэдэг.

Электрон барих үйл явц нь рентген туяаны цацрагийн ялгаралт дагалддаг.

Изомерийн шилжилт.Цацраг идэвхт эх үүсвэр дэх изомерийн шилжилт гэдэг нь атомын дугаар ч, массын тоо ч өөрчлөгддөггүй гамма цацрагийн фотоныг ялгаруулах замаар цөмийн (изомер гэж нэрлэдэг) өдөөгдсөн төлөвөөс үндсэн төлөвт шилжихийг хэлнэ. Изомерийн шилжилт нь цацраг идэвхт задралын нэг төрөл юм.

Аяндаа хуваагдах.Аяндаа хуваагдах үед цөм нь дундаж масстай хэсгүүдэд аяндаа задардаг бөгөөд энэ нь бета тоосонцор болон гамма квантуудын ялгаралтаар задарч болно. Энэ үйл явц нь зөвхөн хүнд цөмд тохиолддог. Цацраг идэвхт задралын үед тохиолддог бүх төрлийн цөмийн өөрчлөлтүүд нь ионжуулагч цацрагийн ялгаралт дагалддаг.

Цөмийн цацраг идэвхт хувиргалт

Бодисын бүтэц

Байгаль дээрх бүх зүйл энгийн бөгөөд нарийн төвөгтэй бодисуудаас бүрддэг. Энгийн бодисуудад химийн элементүүд, нарийн төвөгтэй бодисуудад химийн нэгдлүүд орно. Бидний эргэн тойрон дахь бодисууд нь химийн элементийн хамгийн жижиг хэсэг болох атомуудаас бүрддэг гэдгийг мэддэг. Атом нь түүний химийн шинж чанарыг тодорхойлдог бодисын хамгийн жижиг хэсэг бөгөөд нарийн төвөгтэй дотоод бүтэцтэй байдаг. Байгальд зөвхөн инертийн хийнүүд атом хэлбэрээр байдаг, учир нь бусад бүх бодисууд нь молекул хэлбэрээр байдаг.

1911 онд Э.Рутерфорд атомын гаригийн загварыг санал болгосон бөгөөд үүнийг Н.Бор (1913) боловсруулсан. Атомын бүтцийн нийтээр хүлээн зөвшөөрөгдсөн загварын дагуу хоёр бүсийг ялгадаг: атомын бараг бүх масс төвлөрсөн төвд байрладаг хүнд, эерэг цэнэгтэй цөм, хөнгөн электрон бүрхүүл, цөмийн эргэн тойронд асар хурдтайгаар эргэлддэг сөрөг цэнэгтэй бөөмс - электронуудаас бүрддэг.

Электрон (e -)– 9.1·10 -31 кг буюу 0.000548 амутай тэнцэх тайван масстай тогтвортой элементар бөөмс. (атомын массын нэгж нь атомын массын хэмжээсгүй утга бөгөөд энэ нь тухайн элемент эсвэл бөөмийн атом нь нүүрстөрөгч-12 изотопын атомын 1/12-ээс хэдэн удаа хүнд болохыг харуулдаг; 1 аму-ийн энергийн эквивалент нь 931 МэВ байна. ). Электрон нь цахилгааны нэг энгийн сөрөг цэнэгийг (q=1.6·10 -19 C) тээвэрлэдэг бөгөөд энэ нь байгальд байдаг хамгийн бага хэмжээний цахилгаан юм. Үүний үндсэн дээр электроны цэнэгийг цахилгаан цэнэгийн нэг энгийн нэгж гэж үздэг.

Цөмийг тойрон эргэлдэж байх үед электронуудыг барьж байгаа энергиэс хамааран тэдгээрийг өөр өөр тойрог замд (түвшин эсвэл давхарга) бүлэглэнэ. Өөр өөр атомуудын давхаргын тоо ижил биш байна. Том масстай атомуудад тойрог замын тоо долоо хүрдэг. Тэдгээр нь цөмөөс эхлэн латин цагаан толгойн тоо эсвэл үсгээр тодорхойлогддог: K, L, M, N, O, P, Q. Давхарга тус бүрийн электронуудын тоог нарийн тодорхойлсон байдаг. Тиймээс K-давхарга нь 2-оос ихгүй электрон, L давхарга - 8 хүртэл, M давхарга - 18 хүртэл, N давхарга - 32 электрон гэх мэт.

Атомын хэмжээсүүд нь түүний электрон бүрхүүлийн хэмжээсээр тодорхойлогддог бөгөөд энэ нь тодорхой хил хязгааргүй байдаг. Атомын шугаман хэмжээсүүд ойролцоогоор 10-10 м байна.

Гол- эерэг цэнэгтэй протон ба нейтроноос бүрдэх атомын төв массын хэсэг. Атомын бараг бүх масс нь цөмд (99.95% -иас илүү) төвлөрдөг. Орбит дахь электронуудын нийт тоо нь цөм дэх протонуудын нийлбэртэй үргэлж тэнцүү байдаг. Жишээлбэл, хүчилтөрөгчийн атом нь цөмд 8 протон агуулдаг ба тойрог замд 8 электрон байдаг. Эерэг ба сөрөг цэнэгийн нийлбэрийн тэнцүү байдлаас шалтгаалан атом нь цахилгаан саармаг систем юм. Цөмийн эргэн тойронд хөдөлж буй электрон бүрд хоёр тэнцүү, эсрэг чиглэлтэй хүч үйлчилдэг: Кулоны хүч нь электронуудыг цөм рүү татдаг ба ижил төвөөс зугтах инерцийн хүч нь электроныг атомаас “урагдуулах” хандлагатай байдаг. Нэмж дурдахад, тойрог замд цөмийг тойрон хөдөлж (эргэдэг) электронууд нэгэн зэрэг өөрийн тэнхлэгийн эргэн тойронд оройн эргэлттэй төстэй эргэлт хэлбэрээр дүрслэгдсэн эргэлт гэж нэрлэгддэг өөрийн хөдөлгөөний моменттэй байдаг. Бие даасан электронуудын эргэлт нь параллель (ижил чиглэлд эргэлт) эсвэл эсрэг параллель (өөр өөр чиглэлд эргэлт) чиглүүлж болно. Хялбаршуулсан хэлбэрээр энэ бүхэн нь атом дахь электронуудын тогтвортой хөдөлгөөнийг баталгаажуулдаг.

Электрон ба цөмийн хоорондын холбоонд зөвхөн Кулоны таталцлын хүч, төвөөс зугтах инерцийн хүч нөлөөлөөд зогсохгүй бусад электронуудын түлхэх хүч нөлөөлдөг нь мэдэгдэж байна. Энэ нөлөөг скрининг гэж нэрлэдэг. Электрон тойрог зам нь цөмөөс хол байх тусам түүн дээр байрлах электронуудын скрининг илүү хүчтэй болж, цөм ба электрон хоорондын энергийн холбоо сул болно. Гадаад тойрог замд электронуудын холболтын энерги 1-2 эВ-ээс ихгүй байдаг бол К давхаргын электронуудын хувьд энэ нь хэд дахин их бөгөөд элементийн атомын тоо нэмэгдэх тусам нэмэгддэг. Жишээлбэл, нүүрстөрөгчийн хувьд K давхаргын электронуудын холболтын энерги 0.28 кВ, стронцийн хувьд - 16 кВ, цезийн хувьд - 36 кВ, ураны хувьд - 280 кВ байна. Тиймээс гаднах тойрог замд байгаа электронууд нь гадны хүчин зүйл, ялангуяа бага энергитэй цацрагт илүү өртөмтгий байдаг. Электронуудад гаднаас нэмэлт энерги өгөхөд тэдгээр нь нэг энергийн түвшингээс нөгөөд шилжих эсвэл өгөгдсөн атомын хил хязгаарыг орхиж болно. Хэрэв гадны нөлөөллийн энерги нь электроныг цөмтэй холбох энергиээс сул байвал электрон зөвхөн нэг энергийн түвшингээс нөгөөд шилжих боломжтой. Ийм атом нь төвийг сахисан хэвээр байгаа боловч энэ химийн элементийн бусад атомуудаас илүүдэл энергиээрээ ялгаатай. Илүүдэл энергитэй атомуудыг өдөөгдсөн гэж нэрлэдэг ба электронууд нэг энергийн түвшнээс нөгөөд, цөмөөс хол зайд шилжихийг өдөөх процесс гэж нэрлэдэг. Байгальд аливаа систем нь энерги нь хамгийн бага байх тогтвортой төлөвт шилжих хандлагатай байдаг тул атом хэсэг хугацааны дараа өдөөгдсөн төлөвөөс үндсэн (анхны) төлөвт шилждэг. Атомыг үндсэн төлөв рүү буцаах нь илүүдэл энерги ялгарах дагалддаг. Электронуудын гадаад орбитоос дотоод тойрог руу шилжих шилжилт нь зөвхөн нэг энергийн түвшингээс нөгөөд шилжих шилжилтийн долгионы урттай цацраг дагалддаг. Цөмөөс хамгийн алслагдсан тойрог замд электрон шилжилт нь хэт ягаан, гэрэл, хэт улаан туяанаас бүрдэх цацраг үүсгэдэг. Гадны хүчтэй нөлөөн дор энерги нь электронуудыг цөмтэй холбох энергиээс хэтрэх үед электронууд атомаас тасарч, түүний хил хязгаараас гадагшилдаг. Нэг буюу хэд хэдэн электроноо алдсан атом эерэг ион болон хувирч, нэг буюу хэд хэдэн электроныг өөртөө “холбосон” атом сөрөг ион болж хувирдаг. Үүний үр дүнд эерэг ион бүрийн хувьд нэг сөрөг ион үүсдэг, өөрөөр хэлбэл хос ионууд гарч ирдэг. Төвийг сахисан атомуудаас ион үүсэх процессыг нэрлэдэг ионжуулалт. Ионы төлөвт байгаа атом нь ердийн нөхцөлд маш богино хугацаанд оршин тогтнодог. Эерэг ионы тойрог зам дахь чөлөөт орон зай нь чөлөөт электроноор (атомтой холбоогүй электрон) дүүрч, атом дахин саармаг систем болно. Энэ процессыг ионы рекомбинаци (деионизаци) гэж нэрлэдэг бөгөөд цацрагийн хэлбэрээр илүүдэл энерги ялгарах дагалддаг. Ионуудыг дахин нэгтгэх үед ялгарах энерги нь иончлолд зарцуулсан энергитэй ойролцоогоор тэнцүү байна.

Протон(r) нь 1.6725·10 -27 кг буюу 1.00758 амутай тэнцэх масстай тогтвортой энгийн бөөмс бөгөөд энэ нь электроны массаас ойролцоогоор 1840 дахин их юм. Протоны цэнэг эерэг ба электроны цэнэгтэй тэнцүү байна. Устөрөгчийн атом нь нэг протон агуулсан цөмтэй бөгөөд түүний эргэн тойронд нэг электрон эргэлддэг. Хэрэв энэ электроныг "учирсан" бол атомын үлдсэн хэсэг нь протон байх тул протоныг ихэвчлэн устөрөгчийн цөм гэж тодорхойлдог.

Аливаа элементийн атом бүр цөмд тодорхой тооны протон агуулдаг бөгөөд энэ нь тогтмол бөгөөд элементийн физик, химийн шинж чанарыг тодорхойлдог. Жишээлбэл, мөнгөн атомын цөмд тэдгээрийн 47 нь, ураны цөмд 92 байдаг. Цөм дэх протоны тоог (Z) атомын дугаар гэж нэрлэдэг Д.И.Менделеевийн үелэх системийн элемент.

Нейтрон(n) – протоны массаас бага зэрэг их масстай, 1.6749 10 -27 кг буюу 1.00898 амутай тэнцүү цахилгаан саармаг элементар бөөмс. Нейтрон нь зөвхөн тогтвортой атомын цөмд тогтвортой байдаг. Чөлөөт нейтронууд нь протон ба электрон болж задардаг.

Нейтрон нь цахилгаан саармаг шинж чанараараа соронзон орны нөлөөн дор хазайдаггүй, атомын цөмд түлхэгддэггүй, тиймээс цацрагийн биологийн нөлөөнд ноцтой аюул учруулдаг асар их нэвтрэх чадвартай. . Нэг химийн элементийн өөр өөр цөмүүд өөр өөр тооны нейтронтой (1-ээс 10 хүртэл) байж болох тул цөм дэх нейтроны тоо нь зөвхөн элементийн үндсэн физик шинж чанарыг өгдөг. Хөнгөн тогтвортой элементүүдийн цөмд протоны тоо нь нейтроны тоотой 1: 1 харьцаатай байдаг. Элементийн атомын тоо нэмэгдэх тусам (21-р элемент - скандий) атом дахь нейтроны тоо протоны тооноос давж байна. Хамгийн хүнд цөмд нейтроны тоо протоны тооноос 1.6 дахин их байдаг.

Протон ба нейтронууд нь цөмийн бүрэлдэхүүн хэсгүүд байдаг тул хялбар болгох үүднээс тэдгээрийг нуклон гэж нэрлэдэг. Нуклон(лат. nucleus - цөм) - цөмийн протон ба нейтронуудын нийтлэг нэр. Мөн тодорхой атомын цөмийн тухай ярихдаа нуклид гэдэг нэр томъёог ашигладаг. Нуклид– өгөгдсөн тооны протон ба нейтрон бүхий аливаа атомын цөм.

Нуклид эсвэл атомыг тэмдэглэхдээ тэдгээр нь цөм нь хамаарах элементийн тэмдгийг ашигладаг бөгөөд дээд талд нь массын тоо - A, доод талд - атомын (дан) тоо - Z-ийг индекс хэлбэрээр зааж өгдөг. химийн элементийн бэлгэдэл юм. А нь атомын цөмийг бүрдүүлдэг нуклонуудын тоог харуулна (A = Z + N). Z нь зөвхөн цөмийн цэнэг, атомын дугаарыг төдийгүй цөм дэх протоны тоо, үүний дагуу атом дахь электронуудын тоог харуулдаг. атом бүхэлдээ төвийг сахисан байдаг. N нь цөм дэх нейтроны тоо бөгөөд үүнийг ихэвчлэн заадаггүй. Жишээлбэл, цезийн цацраг идэвхт изотоп, A = 137, тиймээс цөм нь 137 нуклоноос бүрдэнэ; Z = 55, энэ нь цөмд 55 протон, үүний дагуу атомд 55 электрон байна гэсэн үг; N = 137 - 55 = 82 нь цөм дэх нейтроны тоо юм. Элементийн тэмдэг нь түүний үечилсэн хүснэгт дэх байр суурийг бүрэн тодорхойлдог тул серийн дугаарыг заримдаа орхигдуулдаг (жишээлбэл, Cs-137, He-4). Атомын цөмийн шугаман хэмжээ нь 10 -15 -10 -14 м бөгөөд энэ нь бүх атомын диаметрийн 0.0001 хэмжээтэй байна.

Протон ба нейтронууд цөмд нэрлэгдсэн хүчний нөлөөгөөр хадгалагддаг цөмийн. Эрчим хүчний хувьд тэд цахилгаан, таталцал, соронзон хүчнээс хамаагүй илүү хүчтэй байдаг. Цөмийн хүч нь 10 -14 -10 -15 м-ийн үйл ажиллагааны радиустай, протон ба нейтрон, протон ба протон, нейтрон ба нейтрон хоёрын хооронд ижил хэмжээгээр илэрдэг. Нуклонуудын хоорондох зай ихсэх тусам цөмийн хүч маш хурдан буурч бараг тэгтэй тэнцүү болдог. Цөмийн хүч нь ханалтын шинж чанартай байдаг, өөрөөр хэлбэл нуклон бүр зөвхөн хязгаарлагдмал тооны хөрш нуклонуудтай харилцан үйлчилдэг. Иймээс цөм дэх нуклонуудын тоо ихсэх тусам цөмийн хүч мэдэгдэхүйц сулардаг. Энэ нь маш олон тооны протон, нейтрон агуулсан хүнд элементүүдийн цөмийн бага тогтвортой байдлыг тайлбарлаж байна.

Цөмийг түүний бүрэлдэхүүн хэсэг болох протон ба нейтрон болгон хувааж, цөмийн хүчний үйл ажиллагааны талбараас зайлуулахын тулд ажил хийх шаардлагатай, жишээлбэл. эрчим хүч зарцуулах. Үүнийг энерги гэж нэрлэдэг цөмийн холболтын энерги. Нуклонуудаас цөм үүсэхэд эсрэгээр нь холбох энерги ялгардаг.

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

энд m i нь цөмийн масс; m p - протоны масс; N p - протоны тоо; m n - нейтроны масс; N n нь нейтроны тоо, тэгвэл 1.0076·2 + 1.0089·2 = 4.033 аму болно.

Үүний зэрэгцээ гелийн цөмийн бодит масс нь 4.003 аму байна. Тиймээс гелийн цөмийн бодит масс нь тооцоолсон хэмжээнээс 0.03 аму-аар бага байна. мөн энэ тохиолдолд тэд бөөм нь массын согогтой (массын дутагдал) гэж хэлдэг. Цөмийн тооцоолсон болон бодит массын хоорондох зөрүүг массын согог (Dm) гэж нэрлэдэг. Массын согог нь цөм дэх бөөмсүүд хэр нягт холбогддог, түүнчлэн бие даасан нуклонуудаас цөм үүсэх явцад хэр их энерги ялгарсныг харуулдаг. Та А.Эйнштейний гаргасан тэгшитгэлийг ашиглан массыг энергитэй холбож болно.

Энд DE нь энергийн өөрчлөлт; Dm - массын согог; c нь гэрлийн хурд юм.

Үүнийг харгалзан үзвэл 1 a.u.u. = 1.661 10 -27 кг, цөмийн физикт электрон-Вольт (eV) -ийг энергийн нэгж болгон авч, 1 a.u.m. 931 МэВ-тэй тэнцүү бол гелийн цөм үүсэх үед ялгарах энерги нь 28 МэВ-тэй тэнцүү байх болно. Хэрэв гелийн атомын цөмийг хоёр протон, хоёр нейтрон болгон хуваах арга байсан бол хамгийн багадаа 28 МэВ энерги зарцуулах шаардлагатай болно.

Цөмийн холболтын энерги нь нуклонуудын тоотой пропорциональ хэмжээгээр нэмэгддэг боловч тэдгээрийн тоотой хатуу пропорциональ биш юм. Жишээлбэл, азотын цөмийн холболтын энерги 104.56 МэВ, ураных 1800 МэВ байна.

Нэг нуклонд ногдох дундаж холболтын энергийг нэрлэдэг тусгай холбох энерги. Гелийн хувьд энэ нь 28:4 = 7 МэВ байх болно. Хамгийн хөнгөн цөмүүдийг (дейтерий, тритий) эс тооцвол нэг нуклонд ногдох холболтын энерги нь бүх цөмийн хувьд ойролцоогоор 8 МэВ байна.

Байгалийн ихэнх химийн элементүүд нь янз бүрийн масстай цөмтэй атомуудын тодорхой хольц юм. Массын ялгаа нь цөмд янз бүрийн тооны нейтрон байгаатай холбоотой юм.

Изотопууд(Грек хэлнээс isos - ижил ба topos - газар) - ижил тооны протон (Z) ба өөр тооны нейтрон (N) бүхий ижил химийн элементийн атомын сортууд. Тэдгээр нь бараг ижил физик, химийн шинж чанартай байдаг; Элементүүдийн изотопын тоо устөрөгчийн хувьд 3-аас полонид 27 хүртэл хэлбэлздэг. Изотопууд нь тогтвортой эсвэл тогтворгүй байж болно. Тогтвортой изотопууд нь гадны нөлөөлөлгүйгээр цаг хугацааны явцад өөрчлөгддөггүй. Цөмийн доторх процессын улмаас тогтворгүй эсвэл цацраг идэвхт изотопууд цаг хугацааны явцад бусад химийн элементүүдийн изотопууд болж хувирдаг. Тогтвортой изотопууд нь зөвхөн Z≤83 атомын дугаартай элементүүдэд байдаг. Одоогийн байдлаар 300 орчим тогтвортой, 2000 гаруй цацраг идэвхт изотопууд мэдэгдэж байна. Д.И.Менделеевийн үелэх системийн бүх элементүүдийн хувьд хиймэл гэж нэрлэгддэг цацраг идэвхт изотопууд нийлэгжсэн.

Цацраг идэвхит үзэгдэл

Бүх химийн элементүүд нь цөм дэх протоны нейтроны тоотой харьцуулсан нарийн хязгаарт л тогтвортой байдаг. Хөнгөн цөмд протон ба нейтроны тоо ойролцоогоор тэнцүү байх ёстой, өөрөөр хэлбэл хүнд цөмийн хувьд n:p харьцаа 1-тэй ойролцоо байна; Хэрэв цөмд хэт олон нейтрон эсвэл протон байгаа бол ийм цөм тогтворгүй (тогтворгүй) болж, аяндаа цацраг идэвхт өөрчлөлтөд ордог бөгөөд үүний үр дүнд цөмийн найрлага өөрчлөгдөж, цэнэгтэй эсвэл төвийг сахисан хэсгүүд ялгардаг. Цацрагийн аяндаа үүсэх үзэгдлийг цацраг идэвхит байдал, цацраг ялгаруулж буй бодисыг цацраг идэвхит гэж нэрлэдэг.

Цацраг идэвхжил(Латин радио хэлнээс - цацраг, радиус - туяа, aktivus - үр дүнтэй) - эдгээр нь тусгай төрлийн цацраг ялгаруулж зарим химийн элементүүдийн атомын цөмийг бусад элементүүдийн атомын цөм болгон аяндаа хувиргах (задрал) юм. Цацраг идэвхит бодис нь анхны химийн элементийн атомын тоо, массын тоо өөрчлөгдөхөд хүргэдэг.

Цацраг идэвхит үзэгдлийн нээлтийг 19-р зууны хоёр том нээлт тусалсан. 1895 онд В.Рентген агаарыг гадагшлуулсан битүүмжилсэн шилэн хоолойд байрлуулсан электродуудын хооронд өндөр хүчдэлийн гүйдэл дамжих үед гарч ирдэг туяаг нээсэн. Цацрагуудыг рентген туяа гэж нэрлэдэг байв. Мөн 1896 онд А.Беккерель ураны давс нь маш их нэвтрэх чадвартай үл үзэгдэх цацрагийг аяндаа ялгаруулж, гэрэл зургийн хавтанг харлаж, зарим бодисыг гэрэлтүүлж байгааг олж мэдэв. Тэрээр энэ цацрагийг цацраг идэвхт гэж нэрлэсэн. 1898 онд Пьер Кюри, Мари Склодовска-Кюри нар ижил төстэй цацраг ялгаруулдаг полони ба радий гэсэн хоёр шинэ цацраг идэвхт элементийг нээсэн боловч тэдгээрийн эрчим нь ураны эрчмээс хэд дахин их байв. Үүнээс гадна цацраг идэвхт бодисууд эрчим хүчийг дулаан хэлбэрээр тасралтгүй ялгаруулдаг болохыг олж мэдсэн.

Цацраг идэвхт цацрагийг мөн ионжуулагч цацраг гэж нэрлэдэг, учир нь энэ нь орчин буюу цөмийн ионжуулж чаддаг тул цацраг нь атомаас илүү цөмөөс ялгардаг гэдгийг онцолдог.

Цацраг идэвхт задрал нь атомын цөм дэх өөрчлөлт, энерги ялгарахтай холбоотой бөгөөд түүний үнэ цэнэ нь дүрмээр бол химийн урвалын энергиэс хэд хэдэн удаа өндөр байдаг. Ийнхүү 14 С-ийн 1 г-атом бүрэн цацраг идэвхт задралаар 3 ялгардаг. 10 9 калори илчлэг байдаг бол ижил хэмжээний 14 С-ыг нүүрстөрөгчийн давхар исэл болгон шатаахад ердөө 9.4 калори ялгардаг. 104 калори.

Цацраг идэвхт задралын энергийн нэгж нь 1 электрон-Вольт (эВ) ба түүний дериватив нь 1 кеВ = 10 3 эВ ба 1 МэВ = 10 6 эВ байна. 1 эВ = 1.6. 10 -19 Ж. 1 эВ нь потенциалын зөрүү нь 1 вольт байх замыг туулах үед цахилгаан орон дахь электрон олж авсан энергитэй тохирч байна. Ихэнх цацраг идэвхт цөмүүд задрах үед ялгарах энерги нь хэд хэдэн кеВ-ээс хэд хэдэн МеВ хүртэл хэлбэлздэг.

Байгальд тохиолддог цацраг идэвхт үзэгдлийг байгалийн цацраг идэвхит гэж нэрлэдэг; Зохиомлоор үйлдвэрлэсэн бодисуудад тохиолддог ижил төстэй үйл явц (харгалзах цөмийн урвалаар) нь хиймэл цацраг идэвхт бодис юм. Гэсэн хэдий ч цацраг идэвхт бодисын хоёр төрөл нь ижил хуульд захирагддаг.

Цацраг идэвхт задралын төрлүүд

Атомын цөмүүд тогтвортой боловч протон ба нейтроны тодорхой харьцаа зөрчигдсөн тохиолдолд төлөв өөрчлөгддөг. Хөнгөн цөм нь ойролцоогоор тэнцүү тооны протон ба нейтронтой байх ёстой. Хэрэв цөмд хэт олон протон эсвэл нейтрон байгаа бол ийм цөмүүд тогтворгүй бөгөөд аяндаа цацраг идэвхт хувиралд ордог бөгөөд үүний үр дүнд цөмийн найрлага өөрчлөгдөж, улмаар нэг элементийн атомын цөм цөм болж хувирдаг. өөр элементийн атомын . Энэ процессын явцад цөмийн цацраг ялгардаг.

Цөмийн хувиргалт эсвэл цацраг идэвхт задралын дараах үндсэн төрлүүд байдаг: альфа задрал ба бета задрал (электрон, позитрон ба К-зарах), дотоод хувиргалт.

Альфа задрал -Энэ нь цацраг идэвхт изотопын цөмөөс альфа тоосонцорыг ялгаруулах явдал юм. Альфа тоосонцортой хоёр протон, хоёр нейтрон алдагдсанаар ялзарч буй цөм нь өөр цөм болж хувирах ба үүний дотор протоны тоо (цөмийн цэнэг) 2, бөөмийн тоо (массын тоо) 4-өөр багасна. , өгөгдсөн цацраг идэвхт задралын хувьд Фажанс ба Содди (1913) нарын боловсруулсан нүүлгэн шилжүүлэлтийн (шилжилтийн) дүрмийн дагуу үүссэн (охин) элемент нь эх (эх) -тэй харьцуулахад зүүн тийш зүүн тийш хоёр нүдээр шилждэг. Д.И.Менделеевийн үелэх системд. Альфа задралын процессыг ерөнхийд нь дараах байдлаар бичдэг.

,

Энд X нь анхны цөмийн тэмдэг; Y – задралын бүтээгдэхүүний цөмийн тэмдэг; 4 2 Тэр – альфа бөөмс, Q – илүүдэл энергийг ялгаруулдаг.

Жишээлбэл, радий-226 цөмийн задрал нь альфа бөөмсийн ялгаралт дагалддаг бол радий-226 цөм нь радон-222 цөм болж хувирдаг.

Альфа задралын үед ялгарах энерги нь альфа бөөмс ба цөмд масстай нь урвуу харьцаатайгаар хуваагддаг. Альфа бөөмсийн энерги нь өгөгдсөн радионуклидын хагас задралын хугацаатай шууд холбоотой (Гейгер-Неттолын хууль) . Энэ нь альфа бөөмсийн энергийг мэдсэнээр хагас задралын хугацааг тогтоож, хагас задралын хугацаанд радионуклидыг тодорхойлох боломжтой болохыг харуулж байна. Жишээлбэл, полони-214 цөм нь альфа бөөмийн энергийн утгуудаар тодорхойлогддог E = 7.687 МэВ ба T 1/2 = 4.5 × 10 -4 сек бол уран-238 цөмийн хувьд E = 4.196 МэВ ба T 1/2 байна. = 4, 5х10 9 жил. Нэмж дурдахад альфа задралын энерги их байх тусам илүү хурдан явагддаг нь тогтоогдсон.

Альфа задрал нь хүнд цөмийн (уран, торий, полоний, плутони гэх мэт Z > 82) нэлээд түгээмэл цөмийн хувирал юм; Одоогийн байдлаар 160 гаруй альфа ялгаруулагч цөм мэдэгдэж байна.

Бета задрал -электрон эсвэл позитрон, антинейтрино эсвэл нейтрино ялгаруулснаар цөм доторх нейтроныг протон эсвэл протон нейтрон болгон аяндаа хувиргах n e.

Хэрэв цөмд нейтроны илүүдэл байвал ("цөмийн нейтроны хэт ачаалал") электрон бета задрал үүсч, нейтроны аль нэг нь протон болж хувирч, электрон ба антинейтрино ялгаруулдаг.

Энэ задралын үед цөмийн цэнэг, үүний дагуу охин цөмийн атомын тоо 1-ээр нэмэгдэх боловч массын тоо өөрчлөгдөхгүй, өөрөөр хэлбэл охин элемент нь Д.И.Менделеевийн үечилсэн системд нэг эс рүү шилждэг анхных нь эрх. Бета задралын процессыг ерөнхийд нь дараах байдлаар бичдэг.

.

Ийнхүү нейтроны илүүдэлтэй цөмүүд ялзардаг. Жишээлбэл, стронций-90 цөмийн задрал нь электрон ялгаруулж, иттрий-90 болж хувирдаг.

Ихэнхдээ бета задралаар үүссэн элементүүдийн цөмүүд нь нэг буюу хэд хэдэн гамма цацрагийн ялгаруулалтаар ялгардаг илүүдэл энергитэй байдаг. Жишээ нь:

Цахим бета задрал нь байгалийн болон зохиомлоор гаргаж авсан олон цацраг идэвхт элементүүдийн онцлог шинж юм.

Хэрэв цөм дэх нейтрон ба протоны харьцаа тааламжгүй байгаа нь протоны илүүдэлтэй холбоотой бол позитрон бета задрал үүсч, цөм доторх протоныг нейтрон болгон хувиргасны үр дүнд цөм нь позитрон ба нейтрино ялгаруулдаг. :

Цөмийн цэнэг ба үүний дагуу охин элементийн атомын тоо 1-ээр буурч, массын тоо өөрчлөгдөхгүй. Охин элемент нь Д.И.Менделеевийн үелэх системд эцэг эхийн зүүн талд байрлах нэг нүдийг эзэлнэ.

Зарим хиймэл аргаар олж авсан изотопуудад позитроны задрал ажиглагдаж байна. Жишээлбэл, фосфор-30 изотопын задрал нь цахиур-30 үүсгэдэг.

Позитрон нь цөмөөс зугтаж, атомын бүрхүүлээс "нэмэлт" электроныг (цөмтэй сул холбоотой) салгаж эсвэл чөлөөт электронтой харилцан үйлчилж, "позитрон-электрон" хос үүсгэдэг. Бөөм ба эсрэг бөөмс нь энерги ялгаруулж бие биенээ шууд устгадаг тул үүссэн хос нь бөөмсийн масстай (e + ба e -) тэнцүү энергитэй хоёр гамма квант болж хувирдаг. Позитрон-электрон хосыг хоёр гамма квант болгон хувиргах процессыг аннигиляци (устгах) гэж нэрлэдэг ба үүнээс үүссэн цахилгаан соронзон цацрагийг устгалт гэж нэрлэдэг. Энэ тохиолдолд материйн нэг хэлбэр (материалын бөөмс) өөр хэлбэрт (цацраг туяа) хувирдаг. Үүнийг урвуу урвал байгаа нь нотолж байна - атомын хүчтэй цахилгаан талбайн нөлөөн дор цөмийн ойролцоо дамждаг хангалттай өндөр энерги бүхий цахилгаан соронзон цацраг нь электрон-позитрон хос болж хувирдаг хос үүсэх урвал юм.

Тиймээс позитроны бета задралын үед эцсийн үр дүн нь бөөмс биш харин тус бүр нь 0.511 МэВ энергитэй хоёр гамма квант бөгөөд бөөмсийн амрах массын энергийн эквивалент - позитрон ба электрон E = 2m e c 2 = байна. 1.022 МэВ.

Цөмийн протоны аль нэг нь атомын дотоод бүрхүүлийн аль нэгээс (K, L гэх мэт), ихэнхдээ К-бүрхүүлээс электроныг аяндаа барьж авснаар цөмийн хувиргалтыг хийж болно. нейтрон. Энэ процессыг мөн K-capture гэж нэрлэдэг. Дараах урвалын дагуу протон нейтрон болж хувирдаг.

Энэ тохиолдолд цөмийн цэнэг 1-ээр буурах боловч массын тоо өөрчлөгдөхгүй.

Жишээлбэл,

Энэ тохиолдолд электроноор чөлөөлөгдсөн газрыг атомын гаднах бүрхүүлийн электрон эзэлдэг. Электрон бүрхүүлийн бүтцийн өөрчлөлтийн үр дүнд рентген туяаны квант ялгардаг. Электрон барих явцад цөм дэх протоны тоо нэгээр цөөрдөг тул атом нь цахилгааны хувьд төвийг сахисан хэвээр байна. Иймээс энэ төрлийн задрал нь позитроны бета задралтай ижил үр дүнг өгдөг. Энэ нь дүрмээр бол хиймэл радионуклидын хувьд ердийн зүйл юм.

Тодорхой радионуклидын бета задралын үед цөмөөс ялгарах энерги нь үргэлж тогтмол байдаг боловч энэ төрлийн задрал нь хоёр биш, харин гурван бөөмс үүсгэдэг: буцах цөм (охин), электрон (эсвэл позитрон) ба Нейтрино бол энерги нь задрал бүрт харилцан адилгүй байдаг бөгөөд энэ нь электрон (позитрон) ба нейтрино хоёрын хооронд дахин хуваарилагддаг, учир нь охин цөм нь энергийн ижил хэсгийг үргэлж авч явдаг. Тархалтын өнцгөөс хамааран нейтрино нь илүү их эсвэл бага энергийг авч явах боломжтой бөгөөд үүний үр дүнд электрон тэгээс тодорхой хамгийн их утга хүртэл ямар ч энерги хүлээн авах боломжтой. Тиймээс, бета задралын үед ижил радионуклидын бета хэсгүүд өөр өөр энергитэй байдаг.өгөгдсөн радионуклидын задралын шинж чанарын хамгийн их утга нь тэгээс тодорхой хүртэл. Бета цацрагийн энерги дээр үндэслэн радионуклидыг тодорхойлох нь бараг боломжгүй юм.

Зарим радионуклидууд нь альфа, бета задралаар болон гурван төрлийн задралын хослол болох K-захиралтаар хоёр буюу гурван аргаар нэгэн зэрэг ялзарч болно. Энэ тохиолдолд хувиргалтыг хатуу тодорхойлсон харьцаагаар гүйцэтгэдэг. Жишээлбэл, кали-40 (T 1/2 = 1.49 × 10 9 жил), байгалийн кали дахь агууламж нь 0.0119% байдаг байгалийн урт насалдаг радиоизотоп нь электрон бета задрал, K-барьцалд ордог.

(88% - электрон задрал),

(12% - K-шүүрэх).

Дээр дурдсан задралын төрлүүдээс бид гамма задрал нь "цэвэр хэлбэрээр" байдаггүй гэж дүгнэж болно. Гамма цацраг нь зөвхөн янз бүрийн төрлийн задралыг дагалддаг. Цөмд гамма цацраг ялгарах үед массын тоо ч, түүний цэнэг ч өөрчлөгддөггүй. Үүний үр дүнд радионуклидын шинж чанар өөрчлөгддөггүй, харин зөвхөн цөмд агуулагдах энерги өөрчлөгддөг. Цөмүүд өдөөгдсөн түвшнээс доод түвшинд, түүний дотор газрын түвшин рүү шилжих үед гамма цацраг ялгардаг. Жишээлбэл, цезий-137 задрал нь өдөөгдсөн барий-137 цөмийг үүсгэдэг. Сэтгэл хөдлөм төлөвөөс тогтвортой төлөв рүү шилжих нь гамма квантуудын ялгаралт дагалддаг.

Цөмийн өдөөгдсөн төлөвт амьдрах хугацаа маш богино байдаг (ихэвчлэн т<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. Гамма цацрагийн энерги, түүнчлэн альфа цацрагийн энергиээр радионуклидыг тодорхойлох боломжтой..

Дотоод хувиргалт.Атомын цөмийн өдөөгдсөн (нэг эсвэл өөр цөмийн хувирлын үр дүнд) төлөв нь түүний дотор илүүдэл энерги байгааг илтгэнэ. Өдөөгдсөн цөм нь зөвхөн гамма квант ялгаруулалт эсвэл бөөмийн ялгаралтаар зогсохгүй дотоод хувиргалт эсвэл электрон-позитрон хос үүсэх замаар бага энергитэй (хэвийн төлөв) төлөвт шилжиж болно.

Дотоод хувирлын үзэгдэл нь цөм нь өдөөлтийн энергийг дотоод давхаргын электронуудын аль нэгэнд (K-, L- эсвэл M-давхарга) шилжүүлдэг бөгөөд үүний үр дүнд атомын гадна талд гардаг. Ийм электронуудыг хувиргах электрон гэж нэрлэдэг. Үүний үр дүнд хувиргах электронуудын ялгарал нь цөмийн бүрхүүлийн электронуудтай шууд цахилгаан соронзон харилцан үйлчлэлээс үүдэлтэй юм. Үргэлжилсэн спектрийг өгдөг бета задралын электронуудаас ялгаатай нь хувиргах электронууд нь шугаман энергийн спектртэй байдаг.

Хэрэв өдөөх энерги 1.022 МэВ-ээс хэтэрвэл цөм хэвийн төлөв рүү шилжихэд электрон-позитрон хос ялгарч, дараа нь тэдгээрийг устгаж болно. Дотоод хувиргалт явагдсаны дараа атомын электрон бүрхүүлд хөрвүүлэх электроны "хоосон" газар гарч ирнэ. Илүү алслагдсан давхаргууд дахь электронуудын нэг нь (энергийн өндөр түвшнээс) шинж чанар бүхий рентген туяа ялгаруулдаг "хоосон" газар руу квант шилжилтийг явуулдаг.

Цөмийн цацрагийн шинж чанар

Цөмийн (цацраг идэвхт) цацраг нь цацраг идэвхт задралын үр дүнд үүссэн цацраг юм. Бүх байгалийн ба хиймэл радионуклидын цацрагийг корпускуляр ба цахилгаан соронзон гэж хоёр төрөлд хуваадаг. Корпускуляр цацраг нь тодорхой масс, цэнэг, хурдаар тодорхойлогддог бөөмс (корпускул) урсгал юм. Эдгээр нь электрон, позитрон, гелийн атомын цөм, дейтерон (устөрөгчийн изотоп дейтерийн цөм), нейтрон, протон болон бусад бөөмс юм. Дүрмээр бол корпускуляр цацраг нь орчинг шууд ионжуулдаг.

Цахилгаан соронзон цацраг нь квант эсвэл фотонуудын урсгал юм. Энэ цацраг нь масс, цэнэггүй бөгөөд орчны шууд бус иончлолыг үүсгэдэг.

Агаарт 1 хос ион үүсэхэд дунджаар 34 эВ шаардлагатай. Иймээс ионжуулагч цацрагт 100 эВ ба түүнээс дээш энергитэй цацраг (үл үзэгдэх гэрэл ба хэт ягаан туяаны цацрагийг оруулаагүй) орно.

Ионжуулагч цацрагийг тодорхойлохын тулд хүрээ ба тодорхой иончлолын тухай ойлголтыг ашигладаг. Хүрээ – ионжуулагч цацрагийг бүрэн шингээхэд шаардагдах шингээгчийн (зарим бодис) хамгийн бага зузаан. Өвөрмөц иончлол гэдэг нь ионжуулагч цацрагийн нөлөөгөөр бодис дахь нэгж замын уртад үүссэн ионы хосуудын тоог хэлнэ. Миль болон туулсан замын урт гэсэн ойлголт нь ижил ойлголт биш гэдгийг анхаарна уу. Хэрэв бөөмс нь шулуун шугамаар хөдөлдөг бол эдгээр утгууд давхцдаг бол бөөмсийн траектор нь эвдэрсэн, ороомгийн шугам байвал миль нь явсан замын уртаас үргэлж бага байна.

Альфа цацрагнь гелийн атомын цөм (заримдаа давхар ионжсон гелийн атом гэж нэрлэдэг) болох а-бөөмийн урсгал юм. Альфа бөөмс нь 2 протон, 2 нейтроноос бүрдэх бөгөөд эерэг цэнэгтэй бөгөөд хоёр энгийн эерэг цэнэгийг дагуулдаг. Бөөмийн масс m a =4.003 amu. - Энэ бол бөөмсүүдийн хамгийн том нь юм. Хөдөлгөөний хурд нь (14.1-24.9) × 10 6 м/с байна. Матери дахь альфа тоосонцор шулуун шугамаар хөдөлдөг бөгөөд энэ нь харьцангуй том масстай, мэдэгдэхүйц энергитэй холбоотой байдаг. Хазайлт нь зөвхөн их бууны сумтай мөргөлдсөн үед л тохиолддог.

Бодис дахь альфа бөөмсийн хүрээ нь альфа бөөмийн энерги болон түүний хөдөлж буй бодисын шинж чанараас хамаарна. Агаар дахь альфа бөөмийн хүрээ дунджаар 2.5-9 см, дээд тал нь 11 см, биологийн эдэд - 5-100 микрон, шилэнд - 4 байна. 10 -3 см. Альфа бөөмийн энерги нь 4-9 МэВ-ийн хүрээнд байна. Бүх замын уртад альфа бөөмс нь 116,000-аас 254,000 хос ион үүсгэж чаддаг.

Өвөрмөц иончлол нь агаарт ойролцоогоор 40,000 ионы хос/см, бие дэхь ижил өвөрмөц иончлол нь 1-2 микрон байдаг.

Эрчим хүчний зарцуулалтын дараа альфа бөөмс удааширч, иончлолын процесс зогсдог. Атом үүсэхийг зохицуулах хуулиуд хүчин төгөлдөр болно. Гелийн атомын цөмд 2 электрон нэмж, бүрэн хэмжээний гелий атом үүсдэг. Энэ нь цацраг идэвхт бодис агуулсан чулуулагт гелий заавал байх ёстойг тайлбарлаж байна.

Бүх төрлийн цацраг идэвхт цацрагаас альфа цацраг нь хамгийн их гэрэлтдэг (гэрэлтдэг).

Бета цацрагнь электрон эсвэл позитрон болох бета бөөмсийн урсгал юм. Тэд нэг энгийн цахилгаан цэнэгийг авч явдаг, m b = 0.000548 amu. Тэд гэрлийн хурдтай ойролцоо хурдтайгаар хөдөлдөг, өөрөөр хэлбэл. (0.87-2.994)×10 8 м/с.

А-бөөмөөс ялгаатай нь ижил цацраг идэвхт элементийн b-бөөмүүд өөр өөр энергитэй байдаг (тэгээс тодорхой хамгийн их утга хүртэл). Үүнийг бета задрал бүрт атомын цөмөөс хоёр бөөмс нэгэн зэрэг ялгардагтай холбон тайлбарлаж байна: b-бөөм ба нейтрино (n e). Ялзрал бүрийн үед ялгарах энерги нь b-бөөм болон нейтрино хоёрын хооронд өөр өөр хувь хэмжээгээр тархдаг. Иймээс бета бөөмсийн энерги нь арав, зуутын нэг MeV (зөөлөн b-цацраг) -аас 2-3 МэВ (хатуу цацраг) хүртэл хэлбэлздэг.

Ижил бета ялгаруулагчаас ялгардаг бета хэсгүүд нь өөр өөр энергийн нөөцтэй байдаг тул (хамгийн багааас дээд тал хүртэл) өгөгдсөн радионуклидын бета хэсгүүдийн замын урт ба ионы хосын тоо ижил биш байна. Ихэвчлэн агаар дахь хүрээ нь хэдэн арван см, заримдаа хэдэн метр (34 м хүртэл), биологийн эдэд - 1 см хүртэл (8 МэВ-ийн бета бөөмийн энергид 4 см хүртэл) байдаг.

Бета цацраг нь альфа цацрагаас хамаагүй бага ионжуулагч нөлөөтэй байдаг. Тиймээс агаарт бета тоосонцор бүх замдаа 1000-аас 25500 хос ион үүсгэдэг. Агаар дахь бүх замд дунджаар буюу 1 см зам тутамд 50-100 хос ион байна. Ионжилтын зэрэг нь бөөмийн хурдаас хамаардаг; Үүний шалтгаан нь өндөр энергитэй бета хэсгүүд атомуудын хажуугаар хэт хурдан нисдэг бөгөөд удаан бета хэсгүүд шиг хүчтэй нөлөө үзүүлэх цаг байдаггүй.

Бета бөөмс нь маш бага масстай тул атом, молекулуудтай мөргөлдөхдөө анхны чиглэлээсээ амархан хазайдаг. Энэ хазайлтын үзэгдлийг сарнилт гэж нэрлэдэг. Тиймээс бета бөөмсийн замын уртыг тодорхойлоход миль биш харин хэтэрхий эрчилсэн тул маш хэцүү байдаг.

Эрчим хүч алдагдах үед электрон нь эерэг ионоор баригдаж төвийг сахисан атом, эсвэл атом нь сөрөг ион үүсгэдэг.

Гамма цацрагцахилгаан соронзон цацрагийн фотонуудын (квант) урсгал юм. Вакуум дахь тэдгээрийн тархах хурд нь гэрлийн хурдтай тэнцүү - 3 × 10 8 м / с. Гамма цацраг нь долгион учраас долгионы урт, чичиргээний давтамж, эрчим хүчээр тодорхойлогддог. g-квантын энерги нь хэлбэлзлийн давтамжтай пропорциональ бөгөөд хэлбэлзлийн давтамж нь тэдгээрийн долгионы урттай холбоотой байдаг. Долгионы урт нь урт байх тусам хэлбэлзлийн давтамж бага байх ба эсрэгээр хэлбэлзлийн давтамж нь долгионы урттай урвуу хамааралтай байдаг. Цацрагийн долгионы урт богино, хэлбэлзлийн давтамж өндөр байх тусам түүний эрчим хүч, улмаар нэвтлэх чадвар нэмэгддэг. Байгалийн цацраг идэвхт элементүүдийн гамма цацрагийн энерги нь цөөхөн кеВ-ээс 2-3 МэВ хүртэл хэлбэлздэг ба 5-6 МэВ хүрэх нь ховор.

Гамма туяа нь цэнэггүй, тайван бус масстай, сул ионжуулагч нөлөө үзүүлдэг боловч маш сайн нэвтрэх чадвартай байдаг. Агаарт тэд 100-150 м хүртэл зайд явж чаддаг.

Хэмжилт

Тунгийн тухай ойлголт

Цацраасан объектуудад ионжуулагч цацрагийн нөлөөллийн үр дүн нь эдгээр объектуудад физик, химийн эсвэл биологийн өөрчлөлтүүд юм. Ийм өөрчлөлтийн жишээнд биеийн халаалт, рентген хальсны фотохимийн урвал, амьд организмын биологийн параметрийн өөрчлөлт гэх мэт орно. Цацрагийн нөлөө нь физик хэмжигдэхүүнээс хамаарна X i, цацрагийн талбар эсвэл цацрагийн бодистой харилцан үйлчлэлийг тодорхойлдог:

Тоо хэмжээ X i, үйл ажиллагааны хувьд цацрагийн нөлөөлөлтэй холбоотой η , дозиметрийн гэж нэрлэдэг. Дозиметрийн зорилго нь цацрагийн нөлөөлөл, ялангуяа радиобиологийн нөлөөг урьдчилан таамаглах, үнэлэх зорилгоор дозиметрийн хэмжигдэхүүнийг хэмжих, судлах, онолын тооцоолол хийх явдал юм.

Дозиметрийн хэмжигдэхүүний систем нь радиобиологи, дозиметр, цацрагийн аюулгүй байдлын хөгжлийн үр дүнд бий болсон. Аюулгүй байдлын шалгуурыг ихэвчлэн нийгэм тодорхойлдог тул өөр өөр улс орнууд дозиметрийн хэмжигдэхүүний өөр өөр системийг боловсруулсан байдаг. Эдгээр системийг нэгтгэхэд цацраг идэвхт бодис, дозиметрийн биологийн нөлөөллийн чиглэлээр мэргэшсэн мэргэжилтнүүдийг нэгтгэсэн бие даасан байгууллага болох Олон улсын цацрагийн хамгаалалтын комисс (ICRP) чухал үүрэг гүйцэтгэдэг.

Асуултууд.

1. α задралын үр дүнд радийд юу тохиолддог вэ?

Радиум Ra (метал) задрахад α-бөөмс ялгаруулж радон Ra (хий) болж хувирдаг.

2. α- эсвэл β- задралын үр дүнд цацраг идэвхт химийн элементүүдэд юу тохиолддог вэ?

α- ба β задралын үед нэг химийн элемент нөгөөд хувирдаг.

3. Цацраг идэвхт задралын үед атомын аль хэсэг болох цөм эсвэл электрон бүрхүүл өөрчлөгддөг вэ? Та яагаад ингэж бодож байна вэ?

Цацраг идэвхт хувирлын үед атомын цөмд өөрчлөлт ордог, учир нь Энэ нь түүний химийн шинж чанарыг тодорхойлдог атомын цөм юм.

4. Радийн α задралын урвалыг бичээд энэ тэмдэглэгээний тэмдэг бүр ямар утгатай болохыг тайлбарла.

5. Элементийн үсгийн тэмдэглэгээний өмнө гарч ирэх дээд ба доод тоонуудын нэр юу вэ?

Тэдгээрийг масс ба цэнэгийн тоо гэж нэрлэдэг.

6. Массын тоо хэд вэ? төлбөрийн дугаар?

Массын тоо нь тухайн атомын атомын массын нэгжийн бүхэл тоотой тэнцүү байна.
Цэнэгийн тоо нь тухайн атомын цөмийн энгийн цахилгаан цэнэгийн тоотой тэнцүү байна.

7. Радийн α задралын урвалын жишээн дээр цэнэгийн (цэнэгийн тоо) болон массын тоо хадгалагдах хууль гэж юу болохыг тайлбарла.

Массын тоо ба цэнэгийн хадгалалтын хуульд цацраг идэвхт хувирлын үед атомын массын тооны нийлбэр ба хувиргалтанд оролцож буй бүх бөөмсийн цэнэгийн нийлбэрийн утга тогтмол байна гэж заасан байдаг.

8. Рутерфорд, Содди хоёрын хийсэн нээлтээс ямар дүгнэлт гарсан бэ?

Атомын цөм нь нарийн төвөгтэй найрлагатай гэсэн дүгнэлтэд хүрсэн.

9. Цацраг идэвхит гэж юу вэ?

Цацраг идэвхжил гэдэг нь зарим атомын цөмүүд бөөмс ялгаруулж өөр цөмд аяндаа хувирах чадварыг хэлнэ.

Дасгал.

1. Дараах элементүүдийн атомын цөмийн масс (аму-аар үнэн зөв) ба цэнэгийг (энгийн цэнэгээр) тодорхойлно уу: нүүрстөрөгч 12 6 С; лити 6 3 ли; кальци 40 20 Ca.

2. Өмнөх бодлогод жагсаасан химийн элемент бүрийн атомд хэдэн электрон агуулагдаж байна вэ?

3. 6 3 Ли литийн атомын цөмийн масс нь устөрөгчийн атомын цөмийн массаас 1 1 H хэд дахин их болохыг (бүхэл тооны дотор) тодорхойл.

4. Бериллий атомын цөмийн 9 4 Be-ийн хувьд: а) массын тоо; б) а дахь цөмийн масс. e.m (бүхэл тоо хүртэл нарийвчлалтай); в) цөмийн масс нь нүүрстөрөгчийн атомын массын 1/12-ээс хэдэн удаа их байна 12 6 С (бүхэл тоогоор нарийвчлалтай): г) цэнэгийн дугаар; д) энгийн цахилгаан цэнэг дэх цөмийн цэнэг; е) энгийн цахилгаан цэнэг дэх атомын бүх электронуудын нийт цэнэг; g) атом дахь электронуудын тоо.

5. Массын тоо ба цэнэгийн хадгалагдах хуулиудыг ашиглан дараах β задралын урвалын үр дүнд үүссэн химийн X элементийн цөмийн массын тоо ба цэнэгийг тодорхойл.

14 6 C → X + 0 -1 e,

Энд 0 -1 e нь β-бөөм (электрон) юм. Сурах бичгийн хуудасны Д.И.Менделеевийн хүснэгтээс энэ элементийг олоорой. Үүнийг юу гэж нэрлэдэг вэ?