Radioaktiva omvandlingar av atomära. Radioaktiva omvandlingar av kärnor. Användningsområden för radionuklidkällor

År 1900 berättade Rutherford för den engelske radiokemisten Frederick Soddy om den mystiska thoron. Soddy bevisade att thoron var en inert gas liknande argon, upptäckt flera år tidigare i luften; det var en av isotoperna av radon, 220 Rn. Emanationen av radium, som det visade sig senare, visade sig vara en annan isotop av radon - 222 Rn (halveringstid T 1/2 = 3,825 dagar), och emanationen av aktinium är en kortlivad isotop av samma grundämne: 219 Rn ( T 1/2 = 4 s). Dessutom isolerade Rutherford och Soddy ett nytt icke-flyktigt grundämne från omvandlingsprodukterna av torium, som skilde sig i egenskaper från torium. Det kallades thorium X (senare fastställdes det att det var en isotop av radium 224 Ra c T 1/2 = 3,66 dagar). Som det visade sig frigörs "toriumemanationen" exakt från torium X och inte från det ursprungliga toriumet. Liknande exempel multiplicerades: i initialt kemiskt grundligt renat uran eller torium uppstod det med tiden en blandning av radioaktiva grundämnen, från vilka man i sin tur erhöll nya radioaktiva grundämnen, inklusive gasformiga. Således förvandlades a-partiklar som frigjordes från många radioaktiva droger till en gas identisk med helium, som upptäcktes i slutet av 1860-talet på solen (spektral metod), och 1882 upptäcktes i vissa bergarter.

Resultaten av deras gemensamma arbete publicerades av Rutherford och Soddy 1902–1903 i ett antal artiklar i Philosophical Magazine. I dessa artiklar, efter att ha analyserat de erhållna resultaten, kom författarna till slutsatsen att det är möjligt att omvandla vissa kemiska grundämnen till andra. De skrev: "Radioaktivitet är ett atomärt fenomen, åtföljt av kemiska förändringar där nya typer av materia föds... Radioaktivitet bör betraktas som en manifestation av en intraatomär kemisk process... Strålning åtföljer omvandlingen av atomer.. Som ett resultat av en atomomvandling bildas en helt ny typ av ämne, helt annorlunda i sina fysikaliska och kemiska egenskaper från det ursprungliga ämnet."

På den tiden var dessa slutsatser mycket djärva; andra framstående vetenskapsmän, inklusive Curies, även om de observerade liknande fenomen, förklarade dem med närvaron av "nya" element i det ursprungliga ämnet från första början (till exempel isolerade Curie polonium och radium som fanns i det från uranmalm). Icke desto mindre visade sig Rutherford och Soddy ha rätt: radioaktivitet åtföljs av omvandlingen av vissa element till andra

Det verkade som om det orubbliga höll på att kollapsa: atomernas oföränderlighet och odelbarhet, för sedan Boyle och Lavoisiers tid hade kemister kommit till slutsatsen om oupplösligheten av kemiska element (som de sa då, "enkla kroppar", byggstenarna av universum), om omöjligheten av deras omvandling till varandra. Vad som pågick i den tidens vetenskapsmäns medvetande framgår tydligt av uttalandena från D.I. Mendeleev, som förmodligen trodde att möjligheten till "transmutation" av element, som alkemisterna hade talat om i århundraden, skulle förstöra det harmoniska systemet. kemikalier som han hade skapat och var erkänd över hela världen. I en lärobok utgiven 1906 Grunderna i kemi han skrev: "... jag är inte alls benägen (på grundval av den hårda men fruktbara disciplinen av induktiv kunskap) att erkänna ens den hypotetiska omvandlingen av vissa element till varandra och jag ser inte någon möjlighet till ursprunget till argon eller radioaktiva ämnen från uran eller vice versa."

Tiden har visat felaktigheten i Mendelejevs åsikter om omöjligheten att omvandla vissa kemiska grundämnen till andra; samtidigt bekräftade det okränkbarheten av hans huvudupptäckt - den periodiska lagen. Efterföljande arbete av fysiker och kemister visade i vilka fall vissa grundämnen kan omvandlas till andra och vilka naturlagar som styr dessa omvandlingar.

Transformationer av element. Radioaktiv serie.

Under de första två decennierna av 1900-talet. Genom arbetet av många fysiker och radiokemister upptäcktes många radioaktiva grundämnen. Det blev gradvis uppenbart att produkterna av deras omvandling ofta själva är radioaktiva och genomgår ytterligare omvandlingar, ibland ganska intrikat. Att känna till sekvensen i vilken en radionuklid omvandlas till en annan har gjort det möjligt att konstruera den så kallade naturliga radioaktiva serien (eller radioaktiva familjer). Det fanns tre av dem, och de kallades uranraden, aktiniumraden och toriumraden. Dessa tre serier härstammar från tunga naturliga grundämnen - uran, känt sedan 1700-talet, och torium, upptäckt 1828 (instabilt aktinium är inte förfadern, utan en mellanliggande medlem av aktiniumserien). Senare lades neptunium-serien till dem, med början med det första transuranelementet nr 93, artificiellt erhållet 1940, neptunium. Många produkter av deras omvandling döptes också efter de ursprungliga elementen och skrev följande scheman:

Uranserie: UI ® UХ1 ® UХ2 ® UII ® Io (jon) ® Ra ® ... ® RaG.

Sjöanemonserie: AcU ® UY ® Pa ® Ac ® AcK ® AcX ® An ® AcA ® AcB ® AcC ® AcC"" ® AcD.

Thorium-serien: Th ® MsTh1 ® MsTh2 ® RdTh ® ThХ ® ThEm ® ThA ® ThB ® ThC ® ThC" ® ThD.

Som det visade sig är dessa rader inte alltid "raka" kedjor: då och då förgrenar de sig. Så UX2 med en sannolikhet på 0,15% kan förvandlas till UZ, det går sedan till UII. På liknande sätt kan ThC förfalla på två sätt: omvandlingen av ThC ® ThC" sker vid 66,3 %, och samtidigt, med en sannolikhet på 33,7 %, sker processen ThC ® ThC"" ® ThD. Dessa är de så- kallade "gafflar", den parallella omvandlingen av en radionuklid till olika produkter. Svårigheten att fastställa den korrekta sekvensen av radioaktiva omvandlingar i denna serie var också förknippad med den mycket korta livslängden för många av dess medlemmar, särskilt beta-aktiva.

En gång i tiden betraktades varje ny medlem av den radioaktiva serien som ett nytt radioaktivt element, och fysiker och radiokemister introducerade sina egna beteckningar för det: jonium Io, mesothorium-1 MsTh1, actinouranium AcU, toriumemanation ThEm, etc. etc. Dessa beteckningar är besvärliga och obekväma de har inte ett tydligt system. Men några av dem används fortfarande ibland traditionellt i specialiserad litteratur. Med tiden blev det klart att alla dessa symboler hänvisar till instabila varianter av atomer (mer exakt kärnor) av vanliga kemiska element - radionuklider. För att skilja mellan kemiskt oskiljaktiga grundämnen, men som skiljer sig i halveringstid (och ofta i typ av sönderfall), föreslog F. Soddy 1913 att kalla dem isotoper

Efter att ha tilldelats varje medlem av serien till en av isotoper av kända kemiska grundämnen, blev det klart att uranserien börjar med uran-238 ( T 1/2 = 4,47 miljarder år) och slutar med stabil bly-206; eftersom en av medlemmarna i denna serie är det mycket viktiga grundämnet radium), kallas denna serie också för uran-radium-serien. Aktiniumserien (dess andra namn är actinouraniumserien) kommer också från naturligt uran, men från dess andra isotop - 235 U ( T 1/2 = 794 miljoner år). Toriumserien börjar med nukliden 232 Th ( T 1/2 = 14 miljarder år). Slutligen börjar neptunium-serien, som inte finns i naturen, med den artificiellt erhållna längsta livslängd isotopen av neptunium: 237 Np ® 233 Pa ® 233 U ® 229 Th ® 225 Ra ® 225 Ac ® 221 Fr ® 217 Bi® 213 Po® 209 Pb® 209 Bi. Det finns också en "gaffel" i den här serien: 213 Bi med 2% sannolikhet kan förvandlas till 209 Tl, vilket redan blir till 209 Pb. En mer intressant egenskap hos neptunium-serien är frånvaron av gasformiga "emanationer", såväl som slutmedlemmen i serien - vismut istället för bly. Halveringstiden för förfadern till denna konstgjorda serie är "bara" 2,14 miljoner år, så neptunium, även om det hade varit närvarande under bildandet av solsystemet, kunde inte "överleva" till denna dag, eftersom Jordens ålder uppskattas till 4,6 miljarder år, och under denna tid (mer än 2000 halveringstider) skulle inte en enda atom finnas kvar av neptunium.

Som ett exempel avslöjade Rutherford den komplexa härvan av händelser i radiumtransformationskedjan (radium-226 är den sjätte medlemmen i den radioaktiva serien av uran-238). Diagrammet visar både symbolerna för Rutherfords tid och moderna symboler för nuklider, såväl som typen av förfall och moderna data om halveringstider; i serien ovan finns det också en liten "gaffel": RaC med en sannolikhet på 0,04% kan omvandlas till RaC""(210 Tl), som sedan förvandlas till samma RaD ( T 1/2 = 1,3 min). Detta radioaktiva bly har en ganska lång halveringstid, så under experimentet kan man ofta bortse från dess vidare omvandlingar.

Den sista medlemmen i denna serie, lead-206 (RaG), är stabil; i naturligt bly är det 24,1 %. Toriumserien leder till stabilt bly-208 (innehållet i "vanligt" bly är 52,4%), aktiniumserien leder till bly-207 (innehållet i bly är 22,1%). Förhållandet mellan dessa blyisotoper i den moderna jordskorpan är naturligtvis relaterat både till modernuklidernas halveringstid och till deras initiala förhållande i det material som jorden bildades av. Och "vanligt", icke-radiogent bly i jordskorpan är bara 1,4%. Så om det från början inte fanns något uran och torium på jorden, skulle blyet i det inte vara 1,6 × 10–3% (ungefär samma som kobolt), utan 70 gånger mindre (som till exempel sådana sällsynta metaller som indium och thulium!). Å andra sidan skulle en imaginär kemist som flög till vår planet för flera miljarder år sedan ha hittat mycket mindre bly och mycket mer uran och torium i den...

När F. Soddy 1915 isolerade bly från ceylonmineralet torit (ThSiO 4) som bildades under sönderfallet av torium visade sig dess atommassa vara lika med 207,77, det vill säga mer än "vanligt" bly (207,2). Detta är en skillnad från den "teoretiska" (208) förklaras av det faktum att toriten innehöll lite uran, som producerar bly-206. När den amerikanske kemisten Theodore William Richards, en auktoritet inom området för att mäta atommassor, isolerade bly från några uranmineraler som inte innehöll torium, visade sig dess atommassa vara nästan exakt 206. Densiteten av detta bly var också något mindre och den motsvarade den beräknade: r (Pb) ґ 206/207,2 = 0,994r (Pb), där r (Pb) = 11,34 g/cm3. Dessa resultat visar tydligt varför det för bly, liksom för ett antal andra grundämnen, inte är någon mening med att mäta atommassa med mycket hög noggrannhet: prover tagna på olika platser kommer att ge något olika resultat ( cm. KOLENHET).

I naturen sker kontinuerligt de transformationskedjor som visas i diagrammen. Som ett resultat omvandlas vissa kemiska element (radioaktiva) till andra, och sådana omvandlingar inträffade under hela jordens existens. De initiala medlemmarna (de kallas överordnade) i radioaktiva serier är de längsta: halveringstiden för uran-238 är 4,47 miljarder år, torium-232 är 14,05 miljarder år, uran-235 (även känd som "aktinouran" är aktiniumseriens förfader) – 703,8 miljoner år. Alla efterföljande ("dotter") medlemmar i denna långa kedja lever betydligt kortare liv. I det här fallet uppstår ett tillstånd som radiokemister kallar "radioaktiv jämvikt": hastigheten för bildning av en mellanliggande radionuklid från moderuran, torium eller aktinium (denna hastighet är mycket låg) är lika med sönderfallshastigheten för denna nuklid. Som ett resultat av jämlikheten mellan dessa hastigheter är halten av en given radionuklid konstant och beror endast på dess halveringstid: koncentrationen av kortlivade medlemmar av den radioaktiva serien är liten, och koncentrationen av långlivade medlemmar är liten. större. Denna konstanthet av innehållet av mellanliggande sönderfallsprodukter bibehålls under mycket lång tid (denna tid bestäms av halveringstiden för modernukliden, och den är mycket lång). Enkla matematiska transformationer leder till följande slutsats: förhållandet mellan antalet mödrar ( N 0) och barn ( N 1, N 2, N 3...) atomer är direkt proportionella mot deras halveringstid: N 0:N 1:N 2:N 3... = T 0:T 1:T 2:T 3... Således är halveringstiden för uran-238 4,47 10 9 år, radium 226 är 1600 år, därför är förhållandet mellan antalet atomer av uran-238 och radium-226 i uranmalmer 4,47 10 9: 1600 , från vilken det är lätt att beräkna (med hänsyn till dessa grundämnens atommassa) att per 1 ton uran, när radioaktiv jämvikt nås, finns det bara 0,34 g radium.

Och vice versa, genom att känna till förhållandet mellan uran och radium i malmer, såväl som halveringstiden för radium, är det möjligt att bestämma halveringstiden för uran, och för att bestämma halveringstiden för radium behöver du inte vänta mer än tusen år - det räcker att mäta (med dess radioaktivitet) sönderfallshastigheten (d.v.s. d-värdet N/d t) en liten känd mängd av det elementet (med ett känt antal atomer N) och sedan enligt formeln d N/d t= –l N bestäm värdet l = ln2/ T 1/2.

Lag om förskjutning.

Om medlemmarna i någon radioaktiv serie plottas sekventiellt på det periodiska systemet för grundämnen, visar det sig att radionukliderna i denna serie inte skiftar smidigt från moderelementet (uran, torium eller neptunium) till bly eller vismut, utan "hoppar" till höger och sedan till vänster. Sålunda, i uranserien, omvandlas två instabila isotoper av bly (grundämne nr 82) till isotoper av vismut (grundämne nr 83), sedan till isotoper av polonium (grundämne nr 84) och sedan igen till isotoper av bly. Som ett resultat återvänder det radioaktiva elementet ofta tillbaka till samma cell i elementtabellen, men en isotop med en annan massa bildas. Det visade sig att det finns ett visst mönster i dessa "hopp", vilket F. Soddy märkte 1911.

Det är nu känt att under ett -sönderfall emitteras en a -partikel (kärnan i en heliumatom) från kärnan, därför minskar kärnans laddning med 2 (en förskjutning i det periodiska systemet med två celler till vänster), och masstalet minskar med 4, vilket gör att vi kan förutsäga vilken isotop av det nya elementet som bildas. En illustration är a -sönderfallet av radon: ® + . Med b-sönderfall ökar tvärtom antalet protoner i kärnan med en, men kärnans massa förändras inte ( cm. RADIOAKTIVITET), dvs. det sker en förskjutning i tabellen med element med en cell till höger. Ett exempel är två på varandra följande omvandlingar av polonium som bildats av radon: ® ® . Således är det möjligt att beräkna hur många alfa- och beta-partiklar som emitteras, till exempel som ett resultat av sönderfallet av radium-226 (se uranserien), om vi inte tar hänsyn till "gafflarna". Initial nuklid, slutlig nuklid - . Minskningen i massa (eller snarare massantal, det vill säga det totala antalet protoner och neutroner i kärnan) är lika med 226 – 206 = 20, därför emitterades 20/4 = 5 alfapartiklar. Dessa partiklar förde bort 10 protoner, och om det inte fanns några b-sönderfall skulle den slutliga sönderfallsproduktens kärnladdning vara lika med 88 - 10 = 78. Faktum är att det finns 82 protoner i slutprodukten, därför under transformationer, 4 neutroner förvandlades till protoner och 4 b-partiklar emitterades.

Mycket ofta följs ett a-sönderfall av två b-sönderfall, och därmed återgår det resulterande elementet till den ursprungliga cellen i elementtabellen - i form av en ljusare isotop av det ursprungliga elementet. Tack vare dessa fakta blev det uppenbart att D.I. Mendeleevs periodiska lag återspeglar förhållandet mellan egenskaperna hos element och laddningen av deras kärna, och inte deras massa (som det ursprungligen formulerades när atomens struktur inte var känd).

Lagen om radioaktivt förskjutning formulerades slutligen 1913 som ett resultat av noggrann forskning av många vetenskapsmän. Noterbara bland dem var Soddys assistent Alexander Fleck, Soddys praktikant A.S. Russell, den ungerske fysikaliska kemisten och radiokemisten György Hevesy, som arbetade med Rutherford vid University of Manchester 1911–1913, och den tyske (och senare amerikanska) fysikaliska kemisten Casimir Fajans ( 1887–1975). Denna lag kallas ofta Soddy–Fajans-lagen.

Artificiell omvandling av grundämnen och artificiell radioaktivitet.

Många olika transformationer genomfördes med deuteroner, kärnorna i den tunga väteisotopen deuterium, accelererade till höga hastigheter. Under reaktionen +®+ producerades sålunda supertungt väte för första gången - tritium. Kollisionen av två deuteroner kan fortgå på olika sätt: + ® + , dessa processer är viktiga för att studera möjligheten till en kontrollerad termonukleär reaktion. Reaktionen + ® () ® 2 visade sig vara viktig, eftersom den inträffar redan vid en relativt låg energi av deuteroner (0,16 MeV) och åtföljs av frisättning av kolossal energi - 22,7 MeV (kom ihåg att 1 MeV = 10 6 eV och 1 eV = 96,5 kJ/mol).

Reaktionen som uppstår när beryllium bombarderas med a-partiklar har fått stor praktisk betydelse: + ® () ® + , det ledde 1932 till upptäckten av den neutrala neutronpartikeln, och radium-beryllium neutronkällor visade sig vara mycket bekväma för vetenskaplig forskning. Neutroner med olika energier kan också erhållas som ett resultat av reaktioner + ® + ; + ® + ; + ® + . Neutroner som inte har någon laddning tränger särskilt lätt in i atomkärnor och orsakar en mängd olika processer som beror både på nukliden som avfyras och på neutronernas hastighet (energi). Således kan en långsam neutron helt enkelt fångas av kärnan, och kärnan frigörs från viss överskottsenergi genom att sända ut ett gammakvantum, till exempel: + ® + g. Denna reaktion används allmänt i kärnreaktorer för att kontrollera klyvningsreaktionen av uran: kadmiumstavar eller plattor trycks in i kärnkraftspannan för att bromsa reaktionen.

Om frågan var begränsad till dessa omvandlingar, efter att ha stoppat a-bestrålningen, borde neutronflödet ha torkat omedelbart, så efter att ha tagit bort poloniumkällan förväntade de sig att all aktivitet skulle upphöra, men fann att partikelräknaren fortsatte att registrera pulser som gradvis bleknade - i exakt enlighet med exponentiell lag. Detta kunde bara tolkas på ett sätt: som ett resultat av alfabestrålning uppträdde tidigare okända radioaktiva grundämnen med en karakteristisk halveringstid på 10 minuter för kväve-13 och 2,5 minuter för fosfor-30. Det visade sig att dessa element genomgår positronsönderfall: ® + e + , ® + e + . Intressanta resultat erhölls med magnesium, representerat av tre stabila naturliga isotoper, och det visade sig att vid bestrålning producerar de alla radioaktiva nuklider av kisel eller aluminium, som genomgår 227- eller positronsönderfall:

Produktionen av artificiella radioaktiva element är av stor praktisk betydelse, eftersom det möjliggör syntes av radionuklider med en halveringstid som är lämplig för ett specifikt ändamål och den önskade typen av strålning med en viss kraft. Det är särskilt bekvämt att använda neutroner som "projektiler". Infångningen av en neutron av en kärna gör den ofta så instabil att den nya kärnan blir radioaktiv. Det kan bli stabilt på grund av omvandlingen av den "extra" neutronen till en proton, det vill säga på grund av 227-strålning; Det finns många sådana reaktioner kända, till exempel: + ® ® + e. Reaktionen av bildning av radioaktivt kol som sker i de övre skikten av atmosfären är mycket viktig: + ® + ( cm. RADIOKOLANALYSMETOD). Tritium syntetiseras genom absorption av långsamma neutroner av litium-6 kärnor. Många kärnomvandlingar kan uppnås under inverkan av snabba neutroner, till exempel: + ® + ; + ® + ; + ® + . Genom att bestråla vanlig kobolt med neutroner erhålls således radioaktiv kobolt-60, som är en kraftfull källa till gammastrålning (den frigörs av sönderfallsprodukten från 60 Co-exciterade kärnor). Vissa transuranelement produceras genom bestrålning med neutroner. Till exempel, från naturligt uran-238, bildas först instabilt uran-239, som under b-sönderfall ( T 1/2 = 23,5 min) förvandlas till det första transuranelementet neptunium-239, och det i sin tur också genom b-sönderfall ( T 1/2 = 2,3 dagar) förvandlas till det mycket viktiga så kallade plutonium-239 av vapenkvalitet.

Är det möjligt att på konstgjord väg få guld genom att utföra den nödvändiga kärnreaktionen och på så sätt uppnå det som alkemisterna misslyckades med? Teoretiskt sett finns det inga hinder för detta. Dessutom har en sådan syntes redan utförts, men den gav inte rikedom. Det enklaste sättet att artificiellt producera guld skulle vara att bestråla grundämnet nästa i det periodiska systemet efter guld med en ström av neutroner. Sedan, som ett resultat av + ® + reaktionen, skulle en neutron slå ut en proton från kvicksilveratomen och förvandla den till en guldatom. Denna reaktion indikerar inte specifika masstal ( A) nuklider av kvicksilver och guld. Guld i naturen är den enda stabila nukliden, och naturligt kvicksilver är en komplex blandning av isotoper med A= 196 (0,15 %), 198 (9,97 %), 199 (1,87 %), 200 (23,10 %), 201 (13,18 %), 202 (29,86 %) och 204 (6,87 %). Följaktligen, enligt ovanstående schema, kan endast instabilt radioaktivt guld erhållas. Det erhölls av en grupp amerikanska kemister från Harvard University i början av 1941, som bestrålade kvicksilver med en ström av snabba neutroner. Efter några dagar förvandlades alla de resulterande radioaktiva isotoper av guld, genom beta-sönderfall, igen till de ursprungliga isotoper av kvicksilver...

Men det finns ett annat sätt: om kvicksilver-196-atomer bestrålas med långsamma neutroner, kommer de att förvandlas till kvicksilver-197-atomer: + ® + g. Dessa atomer, med en halveringstid på 2,7 dagar, genomgår elektronfångning och omvandlas slutligen till stabila guldatomer: + e ® . Denna omvandling genomfördes 1947 av anställda vid National Laboratory i Chicago. Genom att bestråla 100 mg kvicksilver med långsamma neutroner fick de 0,035 mg 197Au. I förhållande till allt kvicksilver är utbytet mycket litet - endast 0,035%, men relativt 196Hg når det 24%! Men isotopen 196 Hg i naturligt kvicksilver är bara det minsta, dessutom kommer själva bestrålningsprocessen och dess varaktighet (bestrålning kommer att kräva flera år), och isoleringen av stabilt "syntetiskt guld" från en komplex blandning kommer att kosta oändligt mycket mer än isoleringen av guld från den fattigaste malmen(). Så den konstgjorda produktionen av guld är endast av rent teoretiskt intresse.

Kvantitativa mönster av radioaktiva omvandlingar.

Om det var möjligt att spåra en specifik instabil kärna skulle det vara omöjligt att förutsäga när den skulle sönderfalla. Detta är en slumpmässig process och endast i vissa fall kan sannolikheten för förfall bedömas under en viss tidsperiod. Men även den minsta dammfläcken, nästan osynlig under ett mikroskop, innehåller ett stort antal atomer, och om dessa atomer är radioaktiva, följer deras förfall strikta matematiska lagar: statistiska lagar som är karakteristiska för ett mycket stort antal föremål träder i kraft . Och sedan kan varje radionuklid karakteriseras av ett mycket specifikt värde - halveringstid ( T 1/2) är den tid under vilken hälften av det tillgängliga antalet kärnor sönderfaller. Om det i det första ögonblicket fanns N 0 kärnor, sedan efter ett tag t = T 1/2 av dem kommer att finnas kvar N 0/2, kl t = 2T 1/2 blir kvar N 0/4 = N 0/2 2 , kl t = 3T 1/2 – N 0/8 = N 0/2 3 osv. I allmänhet när t = nT 1/2 blir kvar N 0/2 n kärnor, var n = t/T 1/2 är antalet halveringstider (det behöver inte vara ett heltal). Det är lätt att visa att formeln N = N 0/2 t/T 1/2 motsvarar formeln N = N 0e – l t, där l är den så kallade avklingningskonstanten. Formellt definieras det som proportionalitetskoefficienten mellan avklingningshastigheten d N/d t och tillgängligt antal kärnor: d N/d t= – l N(minustecknet indikerar det N minskar med tiden). Integration av denna differentialekvation ger ett exponentiellt beroende av antalet kärnor i tid. Ersätter i denna formel N = N 0/2 kl t = T 1/2 får vi att sönderfallskonstanten är omvänt proportionell mot halveringstiden: l = ln2/ T 1/2 = 0,693/T 1/2. Värdet t = 1/ l kallas medellivslängden för kärnan. Till exempel för 226 Ra T 1/2 = 1600 år, t = 1109 år.

Enligt de givna formlerna, att känna till värdet T 1/2 (eller l), är det lätt att beräkna mängden radionuklid efter vilken tidsperiod som helst, och utifrån dem kan man beräkna halveringstiden om mängden radionuklid är känd vid olika tidpunkter. Istället för antalet kärnor kan du ersätta strålningsaktiviteten i formeln, som är direkt proportionell mot det tillgängliga antalet kärnor N. Aktivitet kännetecknas vanligtvis inte av det totala antalet avklingningar i provet, utan av antalet pulser som är proportionella mot det, som registreras av enheten som mäter aktiviteten. Om det till exempel finns 1 g av ett radioaktivt ämne, så blir ämnet aktivare ju kortare dess halveringstid är.

Andra matematiska lagar beskriver beteendet hos ett litet antal radionuklider. Här kan vi bara prata om sannolikheten för en viss händelse. Låt till exempel det finnas en atom (närmare bestämt en kärna) i en radionuklid med T 1/2 = 1 min. Sannolikheten att denna atom kommer att leva 1 minut är 1/2 (50%), 2 minuter - 1/4 (25%), 3 minuter - 1/8 (12,5%), 10 minuter - (1/2) 10 = 1/10 24 (0,1%), 20 min – (1/2) 20 = 1/1048576 (0,00001%). För en enskild atom är chansen försumbar, men när det finns många atomer, till exempel flera miljarder, kommer många av dem utan tvekan att leva 20 halveringstider eller mycket mer. Sannolikheten för att en atom ska sönderfalla under en viss tidsperiod erhålls genom att subtrahera de erhållna värdena från 100. Så om sannolikheten för att en atom ska överleva 2 minuter är 25%, så är sannolikheten för att samma atom ska sönderfalla under denna tid. tiden är 100 - 25 = 75%, sannolikhet sönderfall inom 3 minuter - 87,5%, inom 10 minuter - 99,9%, etc.

Formeln blir mer komplicerad om det finns flera instabila atomer. I det här fallet beskrivs den statistiska sannolikheten för en händelse av en formel med binomialkoefficienter. Om det finns N atomer, och sannolikheten för sönderfall av en av dem över tiden t lika med sid, då sannolikheten att under tiden t från N atomer kommer att sönderfalla n(och kommer att förbli i enlighet därmed N – n), är lika med P = N!p n(1–sid) N–n /(N–n)!n! Liknande formler måste användas i syntesen av nya instabila grundämnen, vars atomer erhålls bokstavligen individuellt (till exempel när en grupp amerikanska forskare upptäckte det nya grundämnet Mendelevium 1955, fick de det i mängden av endast 17 atomer ).

Tillämpningen av denna formel kan illustreras i ett specifikt fall. Låt det till exempel finnas N= 16 atomer med en halveringstid på 1 timme. Du kan beräkna sannolikheten för sönderfall av ett visst antal atomer, till exempel i tid t= 4 timmar. Sannolikheten att en atom kommer att överleva dessa 4 timmar är 1/2 4 = 1/16, respektive sannolikheten för dess sönderfall under denna tid r= 1 – 1/16 = 15/16. Att ersätta dessa initiala data i formeln ger: R = 16!(15/16) n (1/16) 16–n /(16–n)!n! = 16!15 n /2 64 (16–n)!n! Resultaten av några beräkningar visas i tabellen:

Tabell 1.
Atomer kvar (16– n)	16	10	8	6	4	3	2	1	0
Atomer sönderfallit n	0	6	8	10	12	13	14	15	16
Sannolikhet R, %	5·10 –18	5·10 –7	1,8·10 –4	0,026	1,3	5,9	19,2	38,4	35,2

Av 16 atomer efter 4 timmar (4 halveringstider) kommer alltså inte en att finnas kvar alls, som man kan anta: sannolikheten för denna händelse är bara 38,4%, även om den är större än sannolikheten för något annat utfall. Som framgår av tabellen är sannolikheten att alla 16 atomer (35,2%) eller endast 14 av dem ska sönderfalla också mycket hög. Men sannolikheten att efter fyra halveringstider kommer alla atomer att förbli "levande" (inte en enda har sönderfallit) är försumbar. Det är klart att om det inte finns 16 atomer, men låt oss säga 10 20, så kan vi säga med nästan 100% tillförsikt att efter 1 timme kommer hälften av deras antal att finnas kvar, efter 2 timmar - en kvart, etc. Det vill säga, ju fler atomer det finns, desto mer exakt motsvarar deras sönderfall den exponentiella lagen.

Flera experiment utförda sedan Becquerels tid har visat att hastigheten för radioaktivt sönderfall praktiskt taget inte påverkas av temperatur, tryck eller atomens kemiska tillstånd. Undantag är mycket sällsynta; Således, i fallet med elektroninfångning, värdet T 1/2 ändras något när grundämnets oxidationstillstånd ändras. Till exempel sker sönderfallet av 7 BeF 2 ungefär 0,1 % långsammare än 7 BeO eller metalliskt 7 Be.

Det totala antalet kända instabila kärnor - radionuklider - närmar sig två tusen, deras livslängd varierar inom mycket vida gränser. Det finns kända både långlivade radionuklider, för vilka halveringstiderna uppgår till miljoner och till och med miljarder år, och kortlivade sådana, som sönderfaller helt på små bråkdelar av en sekund. Halveringstiderna för vissa radionuklider anges i tabellen.

Egenskaper hos vissa radionuklider (för Tc, Pm, Po och alla efterföljande grundämnen som inte har stabila isotoper ges data för deras längsta livslängdsisotoper).

Tabell 2.
Serienummer	Symbol	Massnummer	Halva livet
1	T	3	12 323 år
6	MED	14	5730 år
15	R	32	14,3 dagar
19	TILL	40	1,28 10 9 år
27	Co	60	5 272 år
38	Sr	90	28,5 år
43	Ts	98	4,2 10 6 år
53	jag	131	8.02 dagar
61	Pm	145	17,7 år
84	Ro	209	102 år gammal
85	På	210	8,1 h
86	Rn	222	3.825 dagar
87	Fr	223	21,8 min
88	Ra	226	1600 år
89	Ac	227	21,77 år
90	Th	232	1,405 10 9 år
91	Ra	231	32 760 år
92	U	238	4.468 10 9 år
93	Np	237	2,14 10 6 år
94	Pu	244	8,26 10 7 år
95	Am	243	7370 år
96	Cm	247	1,56 10 7
97	Bk	247	1380 år
98	Jfr	251	898 år
99	Es	252	471,7 dagar
100	Fm	257	100,5 dagar
101	MD	260	27,8 dagar
102	Inga	259	58 min
103	Lr	262	3,6 timmar
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

Den kortaste nuklid som är känd är 5 Li: dess livslängd är 4,4·10 –22 s). Under denna tid kommer jämnt ljus att färdas endast 10–11 cm, d.v.s. ett avstånd som bara är flera tiotals gånger större än kärnans diameter och betydligt mindre än storleken på någon atom. Den längsta livslängden är 128 Te (innehållet i naturligt tellur i en mängd av 31,7%) med en halveringstid på åtta septiljoner (8·10 24) år - det kan knappast ens kallas radioaktivt; som jämförelse uppskattas vårt universum vara "bara" 10 10 år gammalt.

Enheten för radioaktivitet för en nuklid är becquerel: 1 Bq (Bq) motsvarar ett sönderfall per sekund. Curie utanför systemet används ofta: 1 Ci (Ci) är lika med 37 miljarder sönderfall per sekund eller 3,7 . 10 10 Bq (1 g 226 Ra har ungefär denna aktivitet). En gång föreslogs en enhet utanför systemet av rutherford: 1 Рд (Rd) = 10 6 Bq, men den var inte utbredd.

Litteratur:

Soddy F. Historien om atomenergi. M., Atomizdat, 1979
Chopin G. et al. Kärnkemi. M., Energoatomizdat, 1984
Hoffman K. Är det möjligt att göra guld? L., Chemistry, 1984
Kadmensky S.G. Radioaktivitet hos atomkärnor: historia, resultat, senaste prestationer. "Soros Educational Journal", 1999, nr 11



I den föregående lektionen diskuterade vi frågan relaterad till Rutherfords experiment, som ett resultat av vilket vi nu vet att atomen är en planetmodell.

Detta är vad som kallas atomens planetmodell. I centrum av kärnan finns en massiv, positivt laddad kärna. Och elektroner kretsar runt kärnan i sina banor.

Ris. 1. Rutherfords planetmodell av atomen

Frederick Soddy deltog i experimenten tillsammans med Rutherford. Soddy är en kemist, så han utförde sitt arbete exakt när det gäller att identifiera de erhållna elementen genom deras kemiska egenskaper. Det var Soddy som lyckades ta reda på vad a-partiklarna var, vars flöde föll på guldplattan i Rutherfords experiment. När mätningar gjordes visade det sig att massan av en a-partikel är 4 atommassaenheter och laddningen för en a-partikel är 2 elementärladdningar. Genom att jämföra dessa saker, efter att ha samlat ett visst antal a-partiklar, fann forskare att dessa partiklar förvandlades till ett kemiskt element - heliumgas.

Därefter var forskarnas huvudinsatser inriktade på att studera atomkärnan. Det blev tydligt att alla processer som sker under radioaktiv strålning sker inte med elektronskalet, inte med elektronerna som omger kärnorna, utan med själva kärnorna. Det är i kärnorna som vissa transformationer sker, som ett resultat av vilka nya kemiska element bildas.

Den första sådana kedjan erhölls för att omvandla grundämnet radium, som användes i experiment på radioaktivitet, till inertgasen radon med emission av en a-partikel; reaktionen i detta fall är skriven som följer:

För det första är en a-partikel 4 atommassenheter och en dubbel, fördubblad elementarladdning, och laddningen är positiv. Radium har ett serienummer på 88, dess massnummer är 226 och radon har ett serienummer på 86, ett massnummer på 222 och en a-partikel visas. Detta är kärnan i en heliumatom. I det här fallet skriver vi helt enkelt helium. Ordningsnummer 2, massnummer 4.

Reaktioner som leder till att nya kemiska grundämnen bildas och samtidigt också nya strålningar och andra kemiska grundämnen bildas kallas kärnreaktioner.

När det stod klart att radioaktiva processer äger rum inuti kärnan vände de sig till andra grundämnen, inte bara radium. Genom att studera olika kemiska element insåg forskare att det inte bara finns reaktioner med emission, strålning av en a-partikel från kärnan i en heliumatom, utan också andra kärnreaktioner. Till exempel reaktioner med emission av en b-partikel. Vi vet nu att dessa är elektroner. I detta fall bildas också ett nytt kemiskt grundämne, respektive en ny partikel, detta är en b-partikel, det är också en elektron. Av särskilt intresse i detta fall är alla kemiska grundämnen vars atomnummer är större än 83.

Så, vi kan formulera den så kallade Soddys regler, eller förskjutningsregler för radioaktiva omvandlingar:

. Under alfasönderfall minskar grundämnets atomnummer med 2 och atomvikten minskar med 4.

Ris. 2. Alfasönderfall

Under beta-sönderfall ökar atomnumret med 1, men atomvikten ändras inte.

Ris. 3. Beta-förfall

Lista över ytterligare litteratur

1. Bronstein M.P. Atomer och elektroner. "Bibliotek "Quantum"". Vol. 1. M.: Nauka, 1980
2. Kikoin I.K., Kikoin A.K. Fysik: Lärobok för 9:e klass på gymnasiet. M.: "Upplysning"
3. Kitaygorodsky A.I. Fysik för alla. Fotoner och kärnor. Bok 4. M.: Vetenskap
4. Myakishev G.Ya., Sinyakova A.Z. Fysik. Optik Kvantfysik. 11:e klass: lärobok för fördjupning i fysik. M.: Snäpp
5. Rutherford E. Utvalda vetenskapliga verk. Radioaktivitet. M.: Vetenskap
6. Rutherford E. Utvalda vetenskapliga verk. Atomens struktur och artificiell omvandling av grundämnen. M.: Vetenskap

Radioaktivitet

Henri Becquerel upptäckte radioaktiviteten hos naturligt uran 1896. Alla element i Mendeleevs periodiska system består av flera typer av atomer. Kärnor med samma antal protoner kan ha olika antal neutroner och följaktligen olika massantal. Nukleoner med samma atomnummer men olika massatal kallas isotoper . Till exempel har naturligt uran tre isotoper. 234 U, 235 U, 238 U. För närvarande är cirka 3000 isotoper kända. Vissa av dem är stabila (276, tillhör 83 naturliga grundämnen), andra är instabila, radioaktiva. Många grundämnen med atomnummer större än bly (Z = 82) är radionuklider. Radioaktivitet är att kärnorna av radioaktiva grundämnen har förmågan att spontant omvandlas till andra grundämnen genom att sända ut alfa-, beta-partiklar och gammakvanta eller genom fission; i detta fall omvandlas den ursprungliga kärnan till kärnan av ett annat element.

Fenomenet radioaktivitet i sig bestäms endast av atomkärnans inre struktur och beror inte på yttre förhållanden (temperatur, tryck, etc.). Naturlig radioaktivitet

. Naturliga radioaktiva isotoper utgör en liten del av alla kända isotoper. Cirka 70 radionuklider finns i jordskorpan, vattnet och luften. En sekvens av nuklider, som var och en spontant, på grund av radioaktivt sönderfall, övergår i nästa tills en stabil isotop erhålls, kallas en radioaktiv serie. Den ursprungliga nukliden kallas modernukliden, och alla andra nuklider i serien kallas dotternuklider. I naturen finns det tre radioaktiva serier (familjer): uran, aktinouran och torium. Konstgjord radioaktivitet.

Konstgjord radioaktivitet upptäcktes först av Irène och Frédéric Joliot-Curie 1934. Ur radiologisk synvinkel finns det inga speciella skillnader mellan naturlig och artificiell radioaktivitet; artificiella radioaktiva isotoper produceras i kärnreaktioner. Kärntransformationer kan observeras när man bombarderar målkärnor med partiklar (neutroner, protoner, alfapartiklar, etc.). De flesta radioaktiva isotoper produceras artificiellt i kärnreaktorer och acceleratoranläggningar som ett resultat av interaktionen av joniserande strålning med stabila isotoper.

alfasönderfall, beta-sönderfall, elektroninfångning (K-infångning), isomer övergång och spontan fission.

Alfa förfall. Fenomenet alfasönderfall observerades först i studien av naturlig radioaktivitet. Alfasönderfall är karakteristiskt för kärnorna av element som finns i slutet av det periodiska systemet. Vid alfasönderfall avger en radioaktiv kärna en alfapartikel, som är kärnan i en heliumatom, som har en dubbel positiv laddning och fyra atommassenheter. Förändringen förvandlas till en kärna, vars elektriska laddning är två enheter mindre än den ursprungliga, och masstalet är fyra enheter mindre än den ursprungliga.

Beta-förfall. Under beta-sönderfall kan kärnor avge elektroner (e -) - elektronsönderfall eller positroner (e +) - positronsönderfall. En positron, till skillnad från en elektron, har en positiv laddning, men lika stor massa. Som ett resultat av elektroniskt förfall förblir kärnans massnummer oförändrat, men laddningen ökar med en kärna i det ursprungliga elementet förvandlas till en kärna med ett atomnummer ett högre. Som ett resultat av positronsönderfall förblir även kärnans massatal oförändrat, och laddningen minskar med en; kärnan i det ursprungliga elementet förvandlas till en kärna med ett serienummer en mindre. Positronsönderfall är karakteristiskt för endast en liten del av artificiella radionuklider. De elektroner och positroner som emitteras under beta-sönderfall kallas beta-partiklar. Förutom beta-partiklar avger kärnan neutriner ("neutron", som Fermi kallade denna partikel) - en oladdad partikel med en massa nära noll. Processen med alfa- och beta-sönderfall åtföljs ofta av gammastrålning.

Elektronisk infångning (K-capture). I vissa radionuklider fångar atomkärnan en elektron från K-skalet närmast den. Detta fenomen är relaterat till positronsönderfall. Som ett resultat av elektronfångst förvandlas en av protonerna i kärnan till en neutron, kärnans massnummer förblir oförändrat och laddningen minskar med en. Processen att fånga en elektron från en atoms K-skal kallas också K-infångning.

Elektroninfångningsprocessen åtföljs av emission av karakteristisk röntgenstrålning.

Isomerisk övergång. En isomerövergång i en radioaktiv källa är övergången av en kärna (kallad en isomer) från ett exciterat tillstånd till ett grundtillstånd genom att sända ut en gammastrålefoton, där varken atomnumret eller masstalet ändras. En isomer övergång är en typ av radioaktivt sönderfall.

Spontan uppdelning. Under spontan fission sönderdelas kärnan spontant till fragment av medelmassa, som i sin tur kan förfalla med utsläpp av beta-partiklar och gammakvanta. Denna process sker endast med tunga kärnor. Alla typer av kärnomvandlingar som sker under radioaktivt sönderfall åtföljs av utsläpp av joniserande strålning.

Radioaktiva omvandlingar av kärnor

Materiens struktur

Allt i naturen består av enkla och komplexa ämnen. Enkla ämnen inkluderar kemiska element, komplexa ämnen inkluderar kemiska föreningar. Det är känt att ämnen i världen omkring oss består av atomer, som är den minsta delen av ett kemiskt grundämne. En atom är den minsta partikeln av ett ämne som bestämmer dess kemiska egenskaper den har en komplex inre struktur. I naturen finns bara inerta gaser i form av atomer, eftersom deras yttre skal är slutna alla andra ämnen finns i form av molekyler.

1911 föreslog E. Rutherford en planetmodell av atomen, som utvecklades av N. Bohr (1913). Enligt den allmänt accepterade modellen för en atoms struktur särskiljs två regioner i den: en tung, positivt laddad kärna, belägen i mitten, i vilken nästan hela atomens massa är koncentrerad, och ett lätt elektronskal, bestående av negativt laddade partiklar - elektroner, som roterar runt kärnan med enorm hastighet.

Elektron (e –)– en stabil elementarpartikel med en vilomassa på 9,1·10 -31 kg eller 0,000548 amu. (atommassaenhet är ett dimensionslöst värde på atommassa, som visar hur många gånger en atom i ett givet element eller partikel är tyngre än 1/12 av en atom i kol-12-isotopen; energiekvivalenten för 1 amu är 931 MeV ). En elektron bär en elementär negativ laddning av elektricitet (q=1,6·10 -19 C), det vill säga den minsta mängd elektricitet som finns i naturen. Baserat på detta anses laddningen av en elektron vara en elementär enhet av elektrisk laddning.

Beroende på energin som håller elektroner medan de roterar runt kärnan, grupperas de i olika banor (nivåer eller lager). Antalet lager för olika atomer är inte detsamma. I atomer med stor massa når antalet banor sju. De betecknas med siffror eller bokstäver i det latinska alfabetet, med början från kärnan: K, L, M, N, O, P, Q. Antalet elektroner i varje lager är strikt definierat. Så K-skiktet har inte mer än 2 elektroner, L-skiktet - upp till 8, M-skiktet - upp till 18, N-skiktet - 32 elektroner, etc.

Dimensionerna för en atom bestäms av dimensionerna på dess elektronskal, som inte har strikt definierade gränser. De ungefär linjära dimensionerna av en atom är 10 -10 m.

Kärna– den centrala massiva delen av en atom, bestående av protoner och neutroner, som är positivt laddad. Nästan hela atomens massa är koncentrerad i kärnan (mer än 99,95%). Det totala antalet elektroner i banor är alltid lika med summan av protoner i kärnan. Till exempel innehåller en syreatom 8 protoner i kärnan och har 8 elektroner i banor; På grund av likheten mellan summan av positiva och negativa laddningar är atomen ett elektriskt neutralt system. Var och en av elektronerna som rör sig runt kärnan påverkas av två lika stora, motsatt riktade krafter: Coulomb-kraften attraherar elektroner till kärnan, och den lika stora tröghetskraften tenderar att "riva ut" elektronen ur atomen. Dessutom har elektroner, som rör sig (roterar) runt kärnan i en omloppsbana, samtidigt sitt eget rörelsemoment, som kallas spinn, förenklat representerat som en rotation som liknar en topp runt sin egen axel. Spinn av enskilda elektroner kan vara orienterade parallellt (rotation i samma riktning) eller antiparallellt (rotation i olika riktningar). I en förenklad form säkerställer allt detta en stabil rörelse av elektroner i en atom.

Det är känt att kopplingen mellan en elektron och en kärna påverkas inte bara av Coulomb-attraktionskraften och centrifugalkraften av tröghet, utan också av andra elektroners frånstötande kraft. Denna effekt kallas screening. Ju längre elektronbanan är från kärnan, desto starkare är avskärmningen av elektronerna som finns på den och desto svagare är energiförbindelsen mellan kärnan och elektronen. I yttre banor överstiger elektronernas bindningsenergi inte 1-2 eV, medan den för K-skiktselektroner är många gånger högre och ökar med ökande atomnummer hos elementet. Till exempel, för kol är bindningsenergin för K-lagerelektroner 0,28 keV, för strontium - 16 keV, för cesium - 36 keV, för uran - 280 keV. Därför är elektroner i den yttre omloppsbanan mer mottagliga för yttre faktorer, i synnerhet lågenergistrålning. När ytterligare energi tillförs elektroner från utsidan, kan de flytta från en energinivå till en annan eller till och med lämna gränserna för en given atom. Om energin från den yttre påverkan är svagare än bindningsenergin för elektronen med kärnan, kan elektronen bara flytta från en energinivå till en annan. En sådan atom förblir neutral, men den skiljer sig från andra atomer i detta kemiska element i sin överskottsenergi. Atomer med överskottsenergi kallas exciterade, och övergången av elektroner från en energinivå till en annan, längre bort från kärnan, kallas en excitationsprocess. Eftersom i naturen vilket system som helst tenderar att övergå till ett stabilt tillstånd där dess energi kommer att vara lägst, övergår atomen efter en tid från det exciterade tillståndet till det ursprungliga (initiala) tillståndet. Atomens återgång till grundtillståndet åtföljs av frigörandet av överskottsenergi. Övergången av elektroner från externa till inre banor åtföljs av strålning med en våglängd som är karakteristisk endast för denna övergång från en energinivå till en annan. Elektronövergångar inom banorna längst bort från kärnan producerar strålning som består av ultraviolett, ljus och infraröd strålning. Under starka yttre påverkan, när energin överstiger elektronernas bindningsenergi med kärnan, rivs elektroner ut ur atomen och avlägsnas utanför dess gränser. En atom som har förlorat en eller flera elektroner förvandlas till en positiv jon, och en som har "fäst" en eller flera elektroner till sig själv förvandlas till en negativ jon. Följaktligen, för varje positiv jon, bildas en negativ jon, d.v.s. ett par joner uppträder. Processen för bildning av joner från neutrala atomer kallas jonisering. En atom i jontillståndet existerar under vanliga förhållanden under extremt kort tid. Det fria utrymmet i den positiva jonens omloppsbana fylls med en fri elektron (en elektron som inte är associerad med atomen), och atomen blir återigen ett neutralt system. Denna process kallas jonrekombination (avjonisering) och åtföljs av frigöring av överskottsenergi i form av strålning. Energin som frigörs under rekombinationen av joner är ungefär numeriskt lika med energin som förbrukas vid jonisering.

Proton(r) är en stabil elementarpartikel med en massa lika med 1,6725·10 -27 kg eller 1,00758 amu, vilket är ungefär 1840 gånger massan av en elektron. Laddningen av en proton är positiv och lika stor som laddningen av en elektron. En väteatom har en kärna som innehåller en proton, runt vilken en elektron roterar. Om denna elektron "rivs av" kommer resten av atomen att vara en proton, vilket är anledningen till att en proton ofta definieras som en vätekärna.

Varje atom av något grundämne innehåller ett visst antal protoner i kärnan, som är konstant och bestämmer grundämnets fysikaliska och kemiska egenskaper. Till exempel finns det 47 av dem i en silveratoms kärna, och 92 i urankärnan. Antalet protoner i kärnan (Z) kallas atomnumret eller laddningsnumret element i D. I. Mendeleevs periodiska system.

Neutron(n) – en elektriskt neutral elementarpartikel med en massa som är något större än en protons massa och lika med 1,6749 10 -27 kg eller 1,00898 amu. Neutroner är stabila endast i stabila atomkärnor. Fria neutroner sönderfaller till protoner och elektroner.

Neutronen, på grund av sin elektriska neutralitet, avböjs inte under påverkan av ett magnetfält, stöts inte bort av atomkärnan och har därför stor penetrerande kraft, vilket skapar en allvarlig fara som en faktor i de biologiska effekterna av strålning . Antalet neutroner i kärnan ger bara grundämnets huvudsakliga fysiska egenskaper, eftersom olika kärnor av samma kemiska element kan ha olika antal neutroner (från 1 till 10). I kärnorna av ljusstabila grundämnen är antalet protoner relaterat till antalet neutroner som 1:1. Med en ökning av atomnumret för ett element (med början från det 21:a elementet - skandium) överstiger antalet neutroner i dess atomer antalet protoner. I de tyngsta kärnorna är antalet neutroner 1,6 gånger större än antalet protoner.

Protoner och neutroner är komponenter i kärnan, så för enkelhetens skull kallas de nukleoner. Nukleon(från lat. kärna - kärna) - ett vanligt namn för kärnans protoner och neutroner. När man talar om en specifik atomkärna används också termen nuklid. Nuklid– vilken atomkärna som helst med ett givet antal protoner och neutroner.

När de betecknar nuklider eller atomer använder de symbolen för det grundämne som kärnan tillhör, och anger överst massnumret - A, längst ner - atomnumret (ordnings)numret - Z i form av index, där E är symbolen för det kemiska elementet. A visar antalet nukleoner som utgör kärnan i en atom (A = Z + N). Z visar inte bara kärnladdningen och atomnumret, utan också antalet protoner i kärnan och följaktligen antalet elektroner i atomen, eftersom atomen som helhet är neutral. N är antalet neutroner i kärnan, vilket oftast inte anges. Till exempel är en radioaktiv isotop av cesium, A = 137, därför består kärnan av 137 nukleoner; Z = 55, vilket betyder att det finns 55 protoner i kärnan och följaktligen 55 elektroner i atomen; N = 137 - 55 = 82 är antalet neutroner i kärnan. Serienumret utelämnas ibland, eftersom elementets symbol helt bestämmer dess plats i det periodiska systemet (till exempel Cs-137, He-4). Den linjära storleken på en atoms kärna är 10 -15 -10 -14 m, vilket är 0,0001 av hela atomens diameter.

Protoner och neutroner hålls inuti kärnan av krafter som kallas nukleär. I sin intensitet är de mycket kraftfullare än elektriska, gravitationskrafter och magnetiska krafter. Kärnkrafter har kort räckvidd med en verkningsradie på 10 -14 -10 -15 m. De manifesterar sig lika mellan en proton och en neutron, en proton och en proton, en neutron och en neutron. När avståndet mellan nukleonerna ökar minskar kärnkrafterna mycket snabbt och blir nästan lika med noll. Kärnkrafter har egenskapen mättnad, det vill säga varje nukleon interagerar endast med ett begränsat antal närliggande nukleoner. Därför, när antalet nukleoner i kärnan ökar, försvagas kärnkrafterna avsevärt. Detta förklarar den lägre stabiliteten hos kärnorna hos tunga grundämnen, som innehåller ett betydande antal protoner och neutroner.

För att dela upp en kärna i dess ingående protoner och neutroner och ta bort dem från kärnkrafternas verkningsfält är det nödvändigt att utföra arbete, d.v.s. spendera energi. Denna energi kallas kärnkraftsbindande energi. När en kärna bildas av nukleoner frigörs tvärtom bindningsenergi.

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

där m i är kärnans massa; m p - protonmassa; N p – antal protoner; m n – neutronmassa; N n är antalet neutroner, då blir det lika med 1,0076·2 + 1,0089·2 = 4,033 amu.

Samtidigt är den faktiska massan av heliumkärnan 4,003 amu. Således visar sig den faktiska massan av heliumkärnan vara mindre än den beräknade med 0,03 amu. och i det här fallet säger de att kärnan har en massdefekt (brist på massa). Skillnaden mellan den beräknade och faktiska massan av kärnan kallas massdefekten (Dm). Massdefekten visar hur hårt partiklarna i kärnan är bundna, samt hur mycket energi som frigjordes under bildandet av kärnan från enskilda nukleoner. Du kan koppla massa med energi genom att använda ekvationen som härleds av A. Einstein:

där DE är förändringen i energi; Dm – massdefekt; c är ljusets hastighet.

Med tanke på att 1 a.u.u. = 1,661 10 -27 kg, och inom kärnfysik tas elektron-Volt (eV) som en energienhet, med 1 a.u.m. är ekvivalent med 931 MeV, då blir energin som frigörs under bildandet av en heliumkärna lika med 28 MeV. Om det fanns ett sätt att dela upp en heliumatoms kärna i två protoner och två neutroner, skulle detta kräva att man spenderade minst 28 MeV energi.

Kärnornas bindningsenergi ökar proportionellt med antalet nukleoner, men inte strikt proportionellt mot deras antal. Till exempel är bindningsenergin för kvävekärnan 104,56 MeV, och den för uran är 1800 MeV.

Den genomsnittliga bindningsenergin per nukleon kallas specifik bindningsenergi. För helium blir det 28:4 = 7 MeV. Förutom de lättaste kärnorna (deuterium, tritium) är bindningsenergin per nukleon ungefär 8 MeV för alla kärnor.

De flesta kemiska grundämnen i naturen är vissa blandningar av atomer med kärnor med olika massor. Skillnaden i massa beror på närvaron av olika antal neutroner i kärnorna.

Isotoper(från det grekiska isos - identisk och topos - plats) - varianter av en atom av samma kemiska element som har samma antal protoner (Z) och olika antal neutroner (N). De har nästan identiska fysikaliska och kemiska egenskaper, det är mycket svårt att separera dem i en naturlig blandning. Antalet isotoper av grundämnen varierar från 3 för väte till 27 för polonium. Isotoper kan vara stabila eller instabila. Stabila isotoper genomgår inga förändringar över tiden om det inte finns yttre påverkan. Instabila eller radioaktiva isotoper, på grund av processer som sker inuti kärnan, omvandlas med tiden till isotoper av andra kemiska grundämnen. Stabila isotoper finns endast i grundämnen med atomnummer Z≤83. För närvarande är cirka 300 stabila och mer än 2000 radioaktiva isotoper kända. För alla element i D.I. Mendeleevs periodiska system syntetiserades radioaktiva isotoper, som kallas konstgjorda.

Radioaktivitetsfenomen

Alla kemiska grundämnen är stabila endast i ett smalt område av förhållandet mellan antalet protoner och antalet neutroner i kärnan. I lätta kärnor bör det finnas ungefär lika många protoner och neutroner, dvs. n:p-förhållandet är nära 1 för tunga kärnor, minskar detta förhållande till 0,7. Om det finns för många neutroner eller protoner i kärnan, blir sådana kärnor instabila (instabila) och genomgår spontana radioaktiva omvandlingar, vilket resulterar i att kärnans sammansättning förändras och laddade eller neutrala partiklar emitteras. Fenomenet spontan strålning kallades radioaktivitet och ämnen som avger strålning kallades radioaktiva.

Radioaktivitet(från latin radio - radiate, radius - ray, aktivus - effektiv) - dessa är spontana omvandlingar (sönderfall) av atomkärnorna hos vissa kemiska element till atomkärnor hos andra element med emission av en speciell typ av strålning. Radioaktivitet orsakar en förändring av det ursprungliga kemiska elementets atomnummer och massnummer.

Upptäckten av fenomenet radioaktivitet underlättades av två stora upptäckter på 1800-talet. 1895 upptäckte V. Roentgen strålar som uppträdde när en högspänningsström passerade mellan elektroder placerade i ett förseglat glasrör från vilket luften hade evakuerats. Strålarna kallades röntgenstrålar. Och 1896 upptäckte A. Becquerel att uransalter spontant avger osynliga strålar som har stor penetrerande kraft, vilket orsakar svärtning av den fotografiska plattan och glöd av vissa ämnen. Han kallade denna strålning radioaktiv. 1898 upptäckte Pierre Curie och Marie Sklodowska-Curie två nya radioaktiva grundämnen - polonium och radium, som avgav liknande strålning, men deras intensitet var många gånger högre än intensiteten hos uran. Dessutom upptäcktes att radioaktiva ämnen kontinuerligt frigör energi i form av värme.

Radioaktiv strålning kallas också joniserande strålning, eftersom den kan jonisera ett medium, eller kärnkraft, vilket betonar att strålningen sänds ut av en kärna snarare än en atom.

Radioaktivt sönderfall är förknippat med förändringar i atomkärnor och frigörande av energi, vars värde som regel är flera storleksordningar högre än energin för kemiska reaktioner. Sålunda, med det fullständiga radioaktiva sönderfallet av 1 g-atom av 14 C, frigörs 3. 10 9 kalorier, medan när samma mängd 14 C förbränns till koldioxid frigörs endast 9,4. 104 kalorier.

Enheten för radioaktiv sönderfallsenergi är 1 elektron-Volt (eV) och dess derivator 1 keV = 10 3 eV och 1 MeV = 10 6 eV. 1 eV = 1,6. 10 -19 J. 1 eV motsvarar den energi som en elektron förvärvar i ett elektriskt fält när den passerar en bana längs med vilken potentialskillnaden är 1 Volt. När de flesta radioaktiva kärnor sönderfaller varierar den energi som frigörs från flera keV till flera MeV.

Radioaktiva fenomen som förekommer i naturen kallas naturlig radioaktivitet; liknande processer som förekommer i artificiellt framställda ämnen (genom motsvarande kärnreaktioner) är artificiell radioaktivitet. Båda typerna av radioaktivitet omfattas dock av samma lagar.

Typer av radioaktivt sönderfall

Atomernas kärnor är stabila, men ändrar sitt tillstånd när ett visst förhållande mellan protoner och neutroner bryts. Lätta kärnor bör ha ungefär lika många protoner och neutroner. Om det finns för många protoner eller neutroner i kärnan, är sådana kärnor instabila och genomgår spontana radioaktiva omvandlingar, som ett resultat av vilka sammansättningen av kärnan förändras och följaktligen kärnan i en atom av ett element förvandlas till kärnan av en atom av ett annat grundämne. Under denna process sänds ut kärnstrålning.

Det finns följande huvudtyper av kärnomvandlingar eller typer av radioaktivt sönderfall: alfasönderfall och beta-sönderfall (elektron, positron och K-infångning), intern omvandling.

Alfa förfall – Detta är emissionen av alfapartiklar från en kärna av en radioaktiv isotop. På grund av förlusten av två protoner och två neutroner med en alfapartikel förvandlas den sönderfallande kärnan till en annan kärna, där antalet protoner (kärnladdning) minskar med 2, och antalet partiklar (massantal) med 4. Därför , för ett givet radioaktivt sönderfall, i enlighet med regelförskjutningen (skift), formulerad av Fajans och Soddy (1913), skiftas det resulterande (dotter)elementet åt vänster i förhållande till originalet (modern) med två celler till vänster i det periodiska systemet för D. I. Mendeleev. Alfasönderfallsprocessen skrivs vanligtvis på följande sätt:

,

där X är symbolen för den ursprungliga kärnan; Y – symbol för sönderfallsproduktens kärna; 4 2 He – alfapartikel, Q – frigjorde överskottsenergi.

Till exempel åtföljs sönderfallet av radium-226 kärnor av utsläpp av alfapartiklar, medan radium-226 kärnor förvandlas till radon-222 kärnor:

Energin som frigörs under alfasönderfall delas mellan alfapartikeln och kärnan i omvänd proportion till deras massor. Energin hos alfapartiklar är strikt relaterad till halveringstiden för en given radionuklid (Geiger-Nettols lag) . Detta tyder på att, med kännedom om energin hos alfapartiklar, är det möjligt att fastställa halveringstiden, och med halveringstiden att identifiera radionukliden. Till exempel kännetecknas polonium-214-kärnan av alfapartikelenergivärden E = 7,687 MeV och T 1/2 = 4,5×10 -4 s, medan för uran-238-kärnan E = 4,196 MeV och T 1/2 = 4, 5x10 9 år. Dessutom har det konstaterats att ju högre energi alfasönderfall har, desto snabbare fortskrider det.

Alfasönderfall är en ganska vanlig kärnomvandling av tunga kärnor (uran, torium, polonium, plutonium, etc. med Z > 82); För närvarande är mer än 160 alfa-emitterande kärnor kända.

Beta-förfall – spontana omvandlingar av en neutron till en proton eller en proton till en neutron inuti en kärna, åtföljd av emission av elektroner eller positroner och antineutriner eller neutriner t.ex.

Om det finns ett överskott av neutroner i kärnan ("neutronöverbelastning" av kärnan), inträffar elektronbeta-sönderfall, där en av neutronerna förvandlas till en proton och avger en elektron och en antineutrino:

Under detta sönderfall ökar kärnans laddning och följaktligen atomnumret för dotterkärnan med 1, men masstalet ändras inte, det vill säga dotterelementet förskjuts i det periodiska systemet för D.I. Mendeleev med en cell rätten till den ursprungliga. Beta-sönderfallsprocessen skrivs vanligtvis på följande sätt:

.

På så sätt sönderfaller kärnor med ett överskott av neutroner. Till exempel åtföljs sönderfallet av strontium-90 kärnor av emission av elektroner och deras omvandling till yttrium-90:

Ofta har kärnorna av element som produceras av beta-sönderfall överskottsenergi, som frigörs genom emission av en eller flera gammastrålar. Till exempel:

Elektroniskt betasönderfall är karakteristiskt för många naturliga och artificiellt producerade radioaktiva grundämnen.

Om det ogynnsamma förhållandet mellan neutroner och protoner i kärnan beror på ett överskott av protoner, inträffar positron beta-sönderfall, där kärnan avger en positron och en neutrino som ett resultat av omvandlingen av en proton till en neutron i kärnan :

Kärnans laddning och följaktligen dotterelementets atomnummer minskar med 1, masstalet ändras inte. Dotterelementet kommer att uppta en plats i D.I. Mendeleevs periodiska system en cell till vänster om föräldern:

Positronsönderfall observeras i vissa artificiellt erhållna isotoper. Till exempel sönderfallet av isotopen fosfor-30 för att bilda kisel-30:

En positron, som flyr från kärnan, river av en "extra" elektron (svagt bunden till kärnan) från atomens skal eller interagerar med en fri elektron och bildar ett "positron-elektron"-par. På grund av det faktum att partikeln och antipartikeln omedelbart utplånar varandra med frigörandet av energi, förvandlas det bildade paret till två gammakvantor med energi som motsvarar partiklarnas massa (e + och e -). Processen för omvandling av ett positron-elektronpar till två gammakvantor kallas förintelse (förstörelse), och den resulterande elektromagnetiska strålningen kallas förintelse. I detta fall sker en omvandling av en form av materia (materiepartiklar) till en annan (strålning). Detta bekräftas av förekomsten av en omvänd reaktion - en parbildningsreaktion, där elektromagnetisk strålning med tillräckligt hög energi, som passerar nära kärnan under påverkan av ett starkt elektriskt fält av atomen, förvandlas till ett elektron-positron-par.

Således, med positron beta-sönderfall, blir slutresultatet inte partiklar, utan två gammakvantor, var och en med en energi på 0,511 MeV, lika med energiekvivalenten för resten av partiklarna - en positron och en elektron E = 2m e c 2 = 1,022 MeV.

Kärnomvandling kan åstadkommas genom elektroninfångning, när en av protonerna i kärnan spontant fångar en elektron från ett av atomens inre skal (K, L, etc.), oftast från K-skalet, och förvandlas till en neutron. Denna process kallas även K-capture. En proton förvandlas till en neutron enligt följande reaktion:

I det här fallet minskar kärnladdningen med 1, men masstalet ändras inte:

Till exempel,

I det här fallet är den plats som lämnas av elektronen upptagen av en elektron från atomens yttre skal. Som ett resultat av omstruktureringen av elektronskal emitteras ett röntgenkvantum. Atomen förblir fortfarande elektriskt neutral, eftersom antalet protoner i kärnan minskar med en under elektroninfångning. Således ger denna typ av sönderfall samma resultat som positron beta-sönderfall. Det är som regel typiskt för artificiella radionuklider.

Energin som frigörs av kärnan under beta-sönderfallet av en viss radionuklid är alltid konstant, men på grund av det faktum att denna typ av sönderfall producerar inte två, utan tre partiklar: en rekylkärna (dotter), en elektron (eller positron) och en neutrino varierar energin vid varje sönderfallshändelse den omfördelas mellan elektronen (positronen) och neutrinon, eftersom dotterkärnan alltid bär bort samma del av energin. Beroende på spridningsvinkeln kan en neutrino bära bort mer eller mindre energi, vilket gör att en elektron kan ta emot vilken energi som helst från noll till ett visst maxvärde. Därför, under beta-sönderfall har beta-partiklar av samma radionuklid olika energier, från noll till ett visst maximalt värde som är karakteristiskt för sönderfallet av en given radionuklid. Det är nästan omöjligt att identifiera en radionuklid baserat på betastrålningsenergi.

Vissa radionuklider kan sönderfalla samtidigt på två eller tre sätt: genom alfa- och beta-sönderfall och genom K-infångning, en kombination av de tre typerna av sönderfall. I detta fall utförs transformationer i ett strikt definierat förhållande. Till exempel genomgår den naturliga långlivade radioisotopen kalium-40 (T 1/2 = 1,49 × 10 9 år), vars innehåll i naturligt kalium är 0,0119%, elektronisk beta-sönderfall och K-infångning:

(88 % – elektroniskt förfall),

(12% – K-grab).

Från de typer av sönderfall som beskrivs ovan kan vi dra slutsatsen att gammasönderfall inte existerar i sin "rena form". Gammastrålning kan bara åtfölja olika typer av sönderfall. När gammastrålning sänds ut i kärnan ändras varken masstalet eller dess laddning. Följaktligen förändras inte radionuklidens natur, utan endast energin som finns i kärnan förändras. Gammastrålning sänds ut när kärnor passerar från exciterade nivåer till lägre nivåer, inklusive marknivån. Till exempel producerar sönderfallet av cesium-137 en exciterad barium-137 kärna. Övergången från ett exciterat till ett stabilt tillstånd åtföljs av emission av gammakvanta:

Eftersom livslängden för kärnor i exciterade tillstånd är mycket kort (vanligtvis 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. Genom energin från gammastrålning, såväl som genom energin från alfastrålning, är det möjligt att identifiera en radionuklid.

Intern konvertering. Det exciterade (som ett resultat av en eller annan kärnomvandling) tillståndet hos en atoms kärna indikerar närvaron av överskottsenergi i den. En exciterad kärna kan övergå till ett tillstånd med lägre energi (normaltillstånd) inte bara genom emission av ett gammakvantum eller utstötning av en partikel, utan också genom intern omvandling, eller omvandling med bildandet av elektron-positronpar.

Fenomenet med intern omvandling är att kärnan överför excitationsenergi till en av elektronerna i de inre skikten (K-, L- eller M-skikt), som som ett resultat flyr utanför atomen. Sådana elektroner kallas omvandlingselektroner. Följaktligen beror emissionen av omvandlingselektroner på den direkta elektromagnetiska interaktionen mellan kärnan och skalelektroner. Omvandlingselektroner har ett linjeenergispektrum, till skillnad från beta-sönderfallselektroner, som ger ett kontinuerligt spektrum.

Om excitationsenergin överstiger 1,022 MeV, kan övergången av kärnan till det normala tillståndet åtföljas av emission av ett elektron-positronpar, följt av deras förintelse. Efter att intern omvandling har skett, uppstår en "ledig" plats för den utstötta omvandlingselektronen i atomens elektronskal. En av elektronerna i mer avlägsna skikt (från högre energinivåer) utför en kvantövergång till en "ledig" plats med emission av karakteristisk röntgenstrålning.

Kärnstrålningens egenskaper

Kärnstrålning (radioaktiv) är strålning som bildas till följd av radioaktivt sönderfall. Strålningen av alla naturliga och artificiella radionuklider är uppdelad i två typer - korpuskulär och elektromagnetisk. Korpuskulär strålning är en ström av partiklar (korpuskler), som kännetecknas av en viss massa, laddning och hastighet. Dessa är elektroner, positroner, kärnor av heliumatomer, deuteroner (kärnor i väteisotopen deuterium), neutroner, protoner och andra partiklar. Som regel joniserar korpuskulär strålning mediet direkt.

Elektromagnetisk strålning är en ström av kvanta eller fotoner. Denna strålning har varken massa eller laddning och ger indirekt jonisering av mediet.

Bildandet av 1 par joner i luft kräver i genomsnitt 34 eV. Därför inkluderar joniserande strålning strålning med en energi på 100 eV och högre (exklusive synligt ljus och UV-strålning).

För att karakterisera joniserande strålning används begreppen räckvidd och specifik jonisering. Räckvidd – den minsta tjockleken på en absorbator (något ämne) som krävs för att helt absorbera joniserande strålning. Specifik jonisering är antalet jonpar som bildas per enhet av väglängd i ett ämne under påverkan av joniserande strålning. Observera att begreppet körsträcka och längden på den färdade vägen inte är identiska begrepp. Om partiklarna rör sig rätlinjigt, sammanfaller dessa värden om partiklarnas bana är en bruten, slingrande linje, är körsträckan alltid mindre än längden på den färdade vägen.

Alfastrålningär en ström av a-partiklar, som är kärnorna i heliumatomer (kallas ibland dubbeljoniserade heliumatomer). En alfapartikel består av 2 protoner och 2 neutroner, är positivt laddad och bär med sig två elementära positiva laddningar. Partikelmassa ma =4,003 amu. – Det här är den största av partiklarna. Rörelsehastigheten är (14,1-24,9) × 10 6 m/s I materia rör sig alfapartiklar rätlinjigt, vilket är förknippat med en relativt stor massa och betydande energi. Avböjning sker endast vid en frontalkollision med kanonkulor.

Omfattningen av alfapartiklar i ett ämne beror på alfapartikelns energi och på vilken typ av ämne den rör sig i. I genomsnitt är intervallet för en alfapartikel i luften 2,5-9 cm, maxvärdet är upp till 11 cm, i biologiska vävnader - 5-100 mikron, i glas - 4. 10 -3 cm Energin för en alfapartikel ligger i intervallet 4-9 MeV. Du kan helt blockera alfastrålning med ett pappersark. Över hela väglängden kan en alfapartikel skapa från 116 000 till 254 000 jonpar.

Specifik jonisering är ungefär 40 000 jonpar/cm i luft, samma specifika jonisering i kroppen vid en bana på 1-2 mikron.

Efter energiförbrukning bromsas alfapartikeln och joniseringsprocessen upphör. Lagar som styr bildningen av atomer träder i kraft. Heliumatomernas kärnor adderar 2 elektroner och en fullvärdig heliumatom bildas. Detta förklarar faktumet av den obligatoriska närvaron av helium i bergarter som innehåller radioaktiva ämnen.

Av alla typer av radioaktiv strålning fluorescerar (glöder) alfastrålningen mest.

Betastrålningär en ström av beta-partiklar, som är elektroner eller positroner. De bär en elementär elektrisk laddning, m b = 0,000548 amu. De rör sig i hastigheter nära ljusets hastighet, d.v.s. (0,87-2,994)×10 8 m/s.

Till skillnad från a-partiklar har b-partiklar av samma radioaktiva grundämne olika mängd energi (från noll till ett visst maxvärde). Detta förklaras av det faktum att vid varje beta-sönderfall emitteras två partiklar samtidigt från atomkärnan: en b-partikel och en neutrino (n e). Energin som frigörs under varje sönderfallshändelse fördelas mellan b-partikeln och neutrinon i olika proportioner. Därför sträcker sig energin hos beta-partiklar från tiondelar och hundradelar av MeV (mjuk b-strålning) till 2-3 MeV (hård strålning).

På grund av det faktum att beta-partiklar som emitteras av samma beta-sändare har olika energireserver (från minimum till maximum), är både väglängden och antalet jonpar inte desamma för beta-partiklar av en given radionuklid. Typiskt är räckvidden i luften tiotals cm, ibland flera meter (upp till 34 m), i biologiska vävnader - upp till 1 cm (upp till 4 cm vid en beta-partikelenergi på 8 MeV).

Betastrålning har en betydligt mindre joniserande effekt än alfastrålning. Således bildar beta-partiklar i luften från 1000 till 25.500 par joner längs hela sin väg. I genomsnitt för hela vägen i luften, eller 50-100 par joner per 1 cm väg. Graden av jonisering beror på partikelns hastighet, desto högre jonisering. Anledningen till detta är att högenergibeta-partiklar flyger förbi atomer för snabbt och inte hinner ge en lika stark effekt som långsamma beta-partiklar.

Eftersom beta-partiklar har mycket liten massa, när de kolliderar med atomer och molekyler, avviker de lätt från sin ursprungliga riktning. Detta avböjningsfenomen kallas spridning. Därför är det mycket svårt att exakt bestämma banlängden för beta-partiklar, och inte körsträckan, eftersom den är för slingrig.

När energi går förlorad, fångas en elektron antingen av en positiv jon för att bilda en neutral atom, eller av en atom för att bilda en negativ jon.

Gammastrålningär en ström av fotoner (kvanta) av elektromagnetisk strålning. Deras fortplantningshastighet i vakuum är lika med ljusets hastighet – 3×10 8 m/s. Eftersom gammastrålning är en våg kännetecknas den av våglängd, vibrationsfrekvens och energi. Energin i ett g-kvantum är proportionell mot svängningarnas frekvens, och svängningarnas frekvens är relaterad till deras våglängd. Ju längre våglängd, desto lägre svängningsfrekvens, och vice versa, dvs. oscillationsfrekvensen är omvänt proportionell mot våglängden. Ju kortare våglängd och ju högre oscillationsfrekvens strålningen har, desto större är dess energi och följaktligen dess penetreringsförmåga. Energin hos gammastrålning från naturliga radioaktiva grundämnen sträcker sig från några keV till 2-3 MeV och når sällan 5-6 MeV.

Gammastrålar, utan laddning eller vilomassa, orsakar en svag joniserande effekt, men har stor penetrerande kraft. I luften kan de resa upp till 100-150 m. Denna strålning passerar genom människokroppen utan dämpning.

Mått

Begreppet dos

Resultatet av påverkan av joniserande strålning på bestrålade föremål är fysiska, kemiska eller biologiska förändringar i dessa föremål. Exempel på sådana förändringar inkluderar kroppsuppvärmning, en fotokemisk reaktion av röntgenfilm, förändringar i en levande organisms biologiska parametrar, etc. Strålningseffekten beror på fysiska storheter X i, som karakteriserar strålningsfältet eller interaktionen mellan strålning och materia:

Kvantiteter X i, funktionellt relaterad till strålningseffekten η , kallas dosimetriska. Syftet med dosimetri är mätning, forskning och teoretiska beräkningar av dosimetriska storheter för att förutsäga eller bedöma strålningseffekten, i synnerhet den radiobiologiska effekten.

Systemet med dosimetriska kvantiteter bildas som ett resultat av utvecklingen av radiobiologi, dosimetri och strålsäkerhet. Säkerhetskriterier bestäms till stor del av samhället, så olika länder har utvecklat olika system för dosimetriska kvantiteter. En viktig roll i enandet av dessa system spelas av International Commission on Radiological Protection (ICRP), en oberoende organisation som samlar experter inom området för biologiska effekter av strålning, dosimetri och

Frågor.

1. Vad händer med radium till följd av α-sönderfall?

När radium Ra (metall) sönderfaller omvandlas det till radon Ra (gas) med utsläpp av α-partiklar.

2. Vad händer med radioaktiva kemiska grundämnen till följd av α- eller β-sönderfall?

Under α- och β-sönderfall sker omvandlingen av ett kemiskt element till ett annat.

3. Vilken del av atomen - kärnan eller elektronskalet - genomgår förändringar under radioaktivt sönderfall? Varför tror du det?

Under en radioaktiv omvandling genomgår atomkärnan en förändring, eftersom Det är kärnan i en atom som bestämmer dess kemiska egenskaper.

4. Skriv ner α-sönderfallsreaktionen för radium och förklara vad varje symbol i denna notation betyder.

5. Vad heter de övre och nedre siffrorna som förekommer före bokstavsbeteckningen för elementet?

De kallas massa- och laddningsnummer.

6. Vad är masstalet? avgiftsnummer?

Massantalet är lika med hela antalet atommassaenheter för en given atom.
Laddningstalet är lika med antalet elementära elektriska laddningar i kärnan i en given atom.

7. Använd exemplet på radiums α-sönderfallsreaktion och förklara vad lagarna för bevarande av laddning (laddningstal) och masstal är.

Lagen om bevarande av massantal och laddningar säger att under radioaktiva omvandlingar är värdet av summan av atomernas massantal och summan av laddningarna för alla partiklar som deltar i omvandlingarna ett konstant värde.

8. Vilken slutsats följde av upptäckten av Rutherford och Soddy?

Man drog slutsatsen att atomkärnorna har en komplex sammansättning.

9. Vad är radioaktivitet?

Radioaktivitet är förmågan hos vissa atomkärnor att spontant omvandlas till andra kärnor genom att sända ut partiklar.

Övningar.

1. Bestäm massan (i amu exakt till heltal) och laddningen (i elementärladdningar) av kärnorna av atomer av följande grundämnen: kol 12 6 C; litium 6 3 Li; kalcium 40 20 Ca.

2. Hur många elektroner finns i atomerna i vart och ett av de kemiska grundämnena som anges i föregående uppgift?

3. Bestäm (med hela tal) hur många gånger massan av kärnan i en litiumatom 6 3 Li är större än massan av kärnan i en väteatom 1 1 H.

4. Bestäm för kärnan av berylliumatomen 9 4 Be: a) masstal; b) massan av kärnan i a. e.m. (exakt till heltal); c) hur många gånger är kärnans massa större än 1/12 av kolatomens massa 12 6 C (exakt till heltal): d) laddningsnummer; e) kärnladdning i elementära elektriska laddningar; f) den totala laddningen av alla elektroner i en atom i elementära elektriska laddningar; g) antalet elektroner i en atom.

5. Använd lagarna för bevarande av massantal och laddning och bestäm massatalet och laddningen för kärnan i det kemiska elementet X som bildas som ett resultat av följande β-sönderfallsreaktion:

146 C → X + 0 -1 e,

där 0-1 e är en p-partikel (elektron). Hitta det här elementet i D.I. Mendeleevs tabell på bladet i läroboken. Vad heter det?