Was sind radioaktive Umwandlungen von Atomkernen? Radioaktive Umwandlungen von Kernen
Neue Alchemie? Im Jahr 1903 entdeckte Pierre Curie, dass Uransalze kontinuierlich und ohne sichtbare Abnahme im Laufe der Zeit Wärmeenergie abgeben, die pro Masseneinheit im Vergleich zur Energie der energiereichsten Salze enorm erscheint chemische Reaktionen. Radium gibt noch mehr Wärme ab – etwa 107 J pro Stunde pro 1 g Reinstoff. Es stellte sich heraus, dass die in den Tiefen der Erde vorhandenen radioaktiven Elemente (unter Bedingungen begrenzter Wärmeabfuhr) ausreichten, um das Magma zum Schmelzen zu bringen
Wo ist die Quelle dieser scheinbar unerschöpflichen Energie? Marie Curie wurde Ende des 19. Jahrhunderts vorgeschlagen. zwei Hypothesen. Einer von ihnen (geteilt von Lord Kelvin ) war, dass radioaktive Substanzen eine Art kosmische Strahlung einfangen und die notwendige Energie speichern. Gemäß der zweiten Hypothese geht Strahlung mit einigen Veränderungen in den Atomen selbst einher, die gleichzeitig emittierte Energie verlieren. Beide Hypothesen schienen gleichermaßen unglaublich, doch nach und nach häuften sich immer mehr Beweise zugunsten der zweiten.
Einen großen Beitrag zum Verständnis dessen, was mit radioaktiven Stoffen passiert, leisteten Ernest Rutherford. Bereits 1895 entdeckte der englische Chemiker William Ramsay, der durch die Entdeckung von Argon in der Luft berühmt wurde, im Mineral Kleveit ein weiteres Edelgas, Helium. Anschließend wurden erhebliche Mengen Helium in anderen Mineralien entdeckt, jedoch nur in solchen, die Uran und Thorium enthielten. Es schien erstaunlich und seltsam, woher könnte das Edelgas in Mineralien kommen? Als Rutherford begann, die Natur der Alphateilchen zu untersuchen, die von radioaktiven Mineralien emittiert werden, wurde klar, dass Helium ein Produkt des radioaktiven Zerfalls ist ( cm. RADIOAKTIVITÄT). Dies bedeutet, dass einige chemische Elemente in der Lage sind, andere zu „erzeugen“. Dies widerspricht allen Erfahrungen, die mehrere Generationen von Chemikern gesammelt haben.
Die „Umwandlung“ von Uran und Thorium in Helium war jedoch nicht darauf beschränkt. Im Jahr 1899 wurde in Rutherfords Labor (damals arbeitete er in Montreal) ein weiteres seltsames Phänomen beobachtet: Präparate des Thoriumelements in einer geschlossenen Ampulle behielten eine konstante Aktivität bei, aber an der frischen Luft hing ihre Aktivität davon ab. Entwürfe. Rutherford erkannte schnell, dass Thorium radioaktives Gas abgibt (es wurde die Emanation von Thorium vom lateinischen Emanatio-Ausfluss oder Thoron genannt), die Aktivität dieses Gases nahm sehr schnell ab: in etwa einer Minute um die Hälfte (nach modernen Daten in 55,6 s). . Eine ähnliche gasförmige „Emanation“ wurde auch bei Radium entdeckt (seine Aktivität nahm viel langsamer ab) und wurde Radium-Emanation oder Radon genannt. Es wurde auch festgestellt, dass Actinium eine eigene „Emanation“ hat, die innerhalb weniger Sekunden verschwindet; sie wurde Actinium-Emanation oder Actinon genannt. Später stellte sich heraus, dass alle diese „Emanationen“ Isotope desselben chemischen Elements Radon sind ( cm. CHEMISCHE ELEMENTE).
Nachdem jedes Mitglied der Reihe einem der Isotope bekannter chemischer Elemente zugeordnet wurde, wurde klar, dass die Uranreihe mit Uran-238 beginnt ( T 1/2 = 4,47 Milliarden Jahre) und endet mit stabilem Blei-206; da eines der Mitglieder dieser Reihe das sehr wichtige Element Radium ist), wird diese Reihe auch Uran-Radium-Reihe genannt. Die Actinium-Reihe (andere Bezeichnung ist Actinouranium-Reihe) stammt ebenfalls aus natürlichem Uran, jedoch aus seinem anderen Isotop 235 U ( T 1/2 = 794 Millionen Jahre). Die Thoriumreihe beginnt mit dem Nuklid 232 Th ( T 1/2 = 14 Milliarden Jahre). Schließlich beginnt die Neptunium-Reihe, die in der Natur nicht vorkommt, mit dem künstlich hergestellten langlebigsten Neptunium-Isotop: 237 Np
® 233 Pa ® 233 U ® 229 Th ® 225 Ra ® 225 Ac ® 221 Fr ® 217 At ® 213 Bi ® 213 Po ® 209 Pb ® 209 Bi. In dieser Reihe gibt es auch eine „Gabelung“: Aus 213 Bi kann mit einer Wahrscheinlichkeit von 2 % 209 Tl werden, was bereits zu 209 Pb wird. Mehr interessante Funktion Die Neptunium-Reihe ist das Fehlen gasförmiger „Emanationen“ und das Endglied der Reihe ist Wismut anstelle von Blei. Die Halbwertszeit des Vorfahren dieser künstlichen Reihe beträgt „nur“ 2,14 Millionen Jahre, also Neptunium, selbst wenn es bei der Entstehung vorhanden war Sonnensystem, konnte bis heute nicht „überleben“, weil Das Alter der Erde wird auf 4,6 Milliarden Jahre geschätzt, und in dieser Zeit (mehr als 2000 Halbwertszeiten) würde kein einziges Atom von Neptunium übrig bleiben.Beispielsweise entschlüsselte Rutherford das komplexe Wirrwarr der Ereignisse in der Radium-Umwandlungskette (Radium-226 ist das sechste Mitglied der radioaktiven Reihe von Uran-238). Das Diagramm zeigt sowohl die Symbole aus Rutherfords Zeit als auch moderne Symbole für Nuklide sowie die Art des Zerfalls und moderne Daten zu Halbwertszeiten; In der obigen Reihe gibt es auch eine kleine „Gabelung“: RaC kann sich mit einer Wahrscheinlichkeit von 0,04 % in RaC(210 Tl) verwandeln, das sich dann in das gleiche RaD ( T 1/2 = 1,3 Minuten). Dieses radioaktive Blei hat eine ziemlich lange Halbwertszeit, sodass man seine weiteren Umwandlungen während des Experiments oft ignorieren kann.
Das letzte Mitglied dieser Reihe, Blei-206 (RaG), ist stabil; in natürlichem Blei sind es 24,1 %. Die Thorium-Reihe führt zu stabilem Blei-208 (sein Gehalt an „normalem“ Blei beträgt 52,4 %), die Actinium-Reihe führt zu Blei-207 (sein Gehalt an Blei beträgt 22,1 %). Das Verhältnis dieser Bleiisotope in modernen Erdkruste, hängt natürlich sowohl mit der Halbwertszeit der Ausgangsnuklide als auch mit ihrem anfänglichen Verhältnis in der Substanz zusammen, aus der die Erde entstanden ist. Und „normales“, nicht radiogenes Blei in der Erdkruste beträgt nur 1,4 %. Wenn es also anfangs kein Uran und Thorium auf der Erde gäbe, wäre darin nicht 1,6 x 10 3 % Blei enthalten (ungefähr so viel wie Kobalt), sondern 70-mal weniger (wie zum Beispiel so seltene Metalle wie Indium und Thulium). !) . Andererseits hätte ein imaginärer Chemiker, der vor mehreren Milliarden Jahren zu unserem Planeten geflogen wäre, darin viel weniger Blei und viel mehr Uran und Thorium gefunden ...Als F. Soddy 1915 Blei isolierte, das beim Zerfall von Thorium aus dem Ceylon-Mineral Thorit (ThSiO 4) entstand, betrug seine Atommasse 207,77, also mehr als die von „normalem“ Blei (207,2). Dieser Unterschied zum „theoretischen“ (208) wird durch die Tatsache erklärt, dass das Thorit etwas Uran enthielt, das Blei-206 produziert. Als der amerikanische Chemiker Theodore William Richards eine Autorität auf dem Gebiet der Messung war Atommassen, isoliertes Blei aus einigen Uranmineralien, das kein Thorium enthielt, seine Atommasse betrug fast genau 206. Die Dichte dieses Bleis war ebenfalls etwas geringer und entsprach der berechneten:
r (Pb) ґ 206/207,2 = 0,994 r (Pb), wobei r (Pb) = 11,34 g/cm3. Diese Ergebnisse zeigen deutlich, warum es für Blei wie für eine Reihe anderer Elemente keinen Sinn macht, die Atommasse mit sehr hoher Genauigkeit zu messen: entnommene Proben verschiedene Orte, wird leicht unterschiedliche Ergebnisse liefern ( cm. CARBON-EINHEIT).In der Natur treten die in den Diagrammen dargestellten Transformationsketten kontinuierlich auf. Dadurch werden einige chemische Elemente (radioaktiv) in andere umgewandelt, und solche Umwandlungen fanden während der gesamten Existenzperiode der Erde statt. Die ursprünglichen Mitglieder (sie werden Mutter genannt) der radioaktiven Reihe sind die langlebigsten: Die Halbwertszeit von Uran-238 beträgt 4,47 Milliarden Jahre, die von Thorium-232 14,05 Milliarden Jahre und von Uran-235 (auch bekannt als „Actinouranium“, der Vorfahre von …). Actinium-Reihe) 703,8 Millionen Jahre. Alle nachfolgenden („Tochter“) Mitglieder dieser langen Kette leben deutlich kürzer. In diesem Fall entsteht ein Zustand, den Radiochemiker „radioaktives Gleichgewicht“ nennen: Die Bildungsrate eines intermediären Radionuklids aus dem Ausgangsmaterial Uran, Thorium oder Actinium (diese Rate ist sehr niedrig) entspricht der Zerfallsrate dieses Nuklids. Aufgrund der Gleichheit dieser Raten ist der Gehalt eines bestimmten Radionuklids konstant und hängt nur von seiner Halbwertszeit ab: Die Konzentration kurzlebiger Mitglieder der radioaktiven Reihe ist gering, die Konzentration langlebiger Mitglieder jedoch größer. Diese Konstanz des Gehalts an Zwischenzerfallsprodukten bleibt sehr lange bestehen (diese Zeit wird durch die sehr lange Halbwertszeit des Ausgangsnuklids bestimmt). Einfache mathematische Transformationen führen zu zu folgendem Fazit: Verhältnis der Anzahl mütterlicher ( N 0) und Kinder ( N 1 , N 2 , N 3...) Atome sind direkt proportional zu ihrer Halbwertszeit: N 0:N 1:N 2:N 3 ... = T 0:T 1:T 2:T 3 ... Somit beträgt die Halbwertszeit von Uran-238 4,47 · 10 9 Jahre, von Radium 226 · 1600 Jahre, daher beträgt das Verhältnis der Anzahl der Atome von Uran-238 und Radium-226 in Uranerzen 4,47 · 10 9:1600 , woraus sich (unter Berücksichtigung der Atommassen dieser Elemente) leicht berechnen lässt, dass für 1 Tonne Uran bei Erreichen des radioaktiven Gleichgewichts nur 0,34 g Radium vorhanden sind.
Und umgekehrt ist es möglich, die Halbwertszeit von Uran zu bestimmen, wenn man das Verhältnis von Uran und Radium in Erzen sowie die Halbwertszeit von Radium kennt, und um die Halbwertszeit von Radium zu bestimmen, ist dies nicht erforderlich Warten Sie mehr als tausend Jahre; es reicht aus, (anhand seiner Radioaktivität) die Zerfallsrate (d. h. den .d-Wert) zu messen N/D T) eine kleine bekannte Menge dieses Elements (mit einer bekannten Anzahl von Atomen). N) und dann nach der Formel d N/D T =
l N bestimmen den Wert l = ln2/ T 1/2 . Gesetz der Verdrängung. Wenn die Mitglieder einer radioaktiven Reihe der Reihe nach im Periodensystem der Elemente aufgetragen werden, stellt sich heraus, dass die Radionuklide in dieser Reihe nicht reibungslos vom Ausgangselement (Uran, Thorium oder Neptunium) zu Blei oder Wismut übergehen, sondern „springen“. nach rechts und dann nach links. So wandeln sich in der Uranreihe zwei instabile Bleiisotope (Element Nr. 82) in Wismutisotope (Element Nr. 83), dann in Poloniumisotope (Element Nr. 84) und dann wieder in Bleiisotope um. Dadurch kehrt das radioaktive Element oft in die gleiche Zelle der Elementtabelle zurück, es entsteht jedoch ein Isotop mit einer anderen Masse. Es stellte sich heraus, dass diese „Sprünge“ ein bestimmtes Muster aufweisen, das F. Soddy 1911 bemerkte.Es ist jetzt bekannt, wann
A - zerfällt aus dem Kern A -Teilchen (Kern eines Heliumatoms,), daher nimmt die Kernladung um 2 ab (eine Verschiebung des Periodensystems um zwei Zellen nach links) und die Massenzahl nimmt um 4 ab, was eine Vorhersage ermöglicht, welches Isotop des neuen Elements gebildet wird. Eine Illustration kann sein a -Radonzerfall: ® + . Bei b -Zerfall hingegen erhöht die Zahl der Protonen im Kern um eins, aber die Masse des Kerns ändert sich nicht ( cm. RADIOAKTIVITÄT), d.h. es kommt zu einer Verschiebung der Elementtabelle um eine Zelle nach rechts. Ein Beispiel sind zwei aufeinanderfolgende Umwandlungen von Polonium aus Radon:® ® . So lässt sich berechnen, wie viele Alpha- und Betateilchen beispielsweise beim Zerfall von Radium-226 (siehe Uranreihe) emittiert werden, wenn man die „Gabeln“ nicht berücksichtigt. Mutternuklid, endgültig . Die Abnahme der Masse (oder besser gesagt der Massenzahl, also der Gesamtzahl der Protonen und Neutronen im Kern) beträgt 226 206 = 20, daher wurden 20/4 = 5 Alphateilchen emittiert. Diese Teilchen trugen 10 Protonen weg, und wenn es keine gäbe B -Zerfälle wäre die Kernladung des endgültigen Zerfallsprodukts gleich 88 · 10 = 78. In Wirklichkeit gibt es im Endprodukt 82 Protonen, daher wurden während der Umwandlungen 4 Neutronen in Protonen umgewandelt und 4 wurden emittiert B -Teilchen.Sehr oft danach
A -Zerfälle folgen zwei B -Zerfall, und somit kehrt das resultierende Element in Form eines leichteren Isotops des ursprünglichen Elements in die ursprüngliche Zelle der Elementtabelle zurück. Dank dieser Tatsachen wurde es offensichtlich periodisches Gesetz D. I. Mendeleev spiegelt den Zusammenhang zwischen den Eigenschaften von Elementen und der Ladung ihres Kerns wider und nicht ihrer Masse (wie es ursprünglich formuliert wurde, als die Struktur des Atoms noch nicht bekannt war).Das Gesetz der radioaktiven Verdrängung wurde schließlich 1913 als Ergebnis sorgfältiger Forschung vieler Wissenschaftler formuliert. Unter ihnen sind Soddys Assistent Alexander Fleck, Soddys Praktikant A.S. Russell, der ungarische physikalische Chemiker und Radiochemiker György Hevesy, der 1911–1913 für Rutherford an der Universität Manchester arbeitete, und der deutsche (und später amerikanische) physikalische Chemiker hervorzuheben Casimir Fajans (1887–1975). Dieses Gesetz wird oft als Soddy-Gesetz bezeichnet.
Künstliche Umwandlung von Elementen und künstliche Radioaktivität. Seit Becquerel wurde festgestellt, dass die gewöhnlichsten Substanzen, die sich in der Nähe radioaktiver Verbindungen befanden, selbst mehr oder weniger radioaktiv wurden. Rutherford nannte es „erregte Aktivität“ und die Curies nannten es „induzierte Aktivität“, aber lange Zeit konnte niemand das Wesen des Phänomens erklären.1919 studierte Rutherford die Passage
A -Partikel durch verschiedene Stoffe. Es stellte sich heraus, dass es bei einem Treffer durch einen Schnellflieger der Fall war A -Teilchen um die Kerne leichter Elemente, zum Beispiel Stickstoff, aus denen gelegentlich schnell fliegende Protonen (Wasserstoffkerne) herausgeschlagen werden können, während die A -Das Teilchen ist Teil des Kerns, wodurch seine Ladung um eins erhöht wird. Also als Ergebnis der Reaktion+ ® + ein anderer wird aus Stickstoff gebildet Chemisches Element Sauerstoff (sein schweres Isotop). Dies war die erste künstlich durchgeführte Reaktion zur Umwandlung eines Elements in ein anderes. Bei diesem, wie auch bei allen anderen Kernprozessen, bleiben sowohl die Gesamtladung (Indizes) als auch die Massenzahl erhalten, d. h. Gesamtzahl der Protonen und Neutronen (hochgestellt).Der uralte Traum der Alchemisten ist wahr geworden: Der Mensch hat gelernt, einige Elemente in andere umzuwandeln. praktischer Ausstieg Zu Rutherfords Zeiten erwartete niemand diese Fähigkeit. Tatsächlich, um zu bekommen
A -Partikel war es notwendig, ihre Quelle zu haben, beispielsweise ein Radiumpräparat. Schlimmer noch, pro Million „für Stickstoff freigesetzt“ A -Teilchen bestanden im Durchschnitt nur aus 20 Sauerstoffatomen.Im Laufe der Zeit wurden weitere Kernreaktionen realisiert, von denen viele praktische Anwendung fanden. Im April 1932 gab Rutherford auf einer Tagung der Englischen Akademie der Wissenschaften (Royal Society) bekannt, dass sein Labor erfolgreich Reaktionen zur Spaltung leichter Elemente (z. B. Lithium) mit Protonen durchgeführt habe. Dazu wurden aus Wasserstoff gewonnene Protonen mit hohen Spannungen von mehreren zehntausend oder sogar hunderttausenden Volt beschleunigt. Protonen mit weniger als
A -Teilchen, Ladung und Masse, dringen leichter in den Kern ein. Das Proton dringt in den Lithium-7-Kern ein und verwandelt ihn in einen Beryllium-8-Kern, der fast augenblicklich überschüssige Energie „abgibt“ und in zwei Hälften zerfällt a-Teilchen: + ® () ® 2 . Wenn wir ein leichtes Lithiumisotop nehmen (natürliches Lithium enthält 7,5 %), dann entstehen die Kerne zweier Heliumisotope:+ ® () ® + . Beim Beschuss mit Sauerstoffprotonen wurde Fluor erhalten: + ® + ; beim Beschuss von Aluminiummagnesium:+ ® + .Viele verschiedene Umwandlungen wurden mit Deuteronen, den Kernen des schweren Wasserstoffisotops Deuterium, durchgeführt, die auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt wurden. Also während der Reaktion
+ ® + Erstmals wurden superschwerer Wasserstoff und Tritium hergestellt. Die Kollision zweier Deuteronen kann unterschiedlich verlaufen: + ® + Diese Prozesse sind wichtig für die Untersuchung der Möglichkeit einer kontrollierten thermonuklearen Reaktion. Die Reaktion war wichtig+ ® () ® 2 , da es bereits bei einer relativ niedrigen Deuteronenenergie (0,16 MeV) auftritt und mit der Freisetzung einer kolossalen Energie von 22,7 MeV einhergeht (denken Sie daran, dass 1 MeV = 10 6 eV und 1 eV = 96,5 kJ/mol).Die Reaktion, die beim Beschuss von Beryllium abläuft, hat große praktische Bedeutung erlangt.
a - Partikel: + ® () ® + Dies führte 1932 zur Entdeckung des neutralen Neutronenteilchens, und Radium-Beryllium-Neutronenquellen erwiesen sich als sehr praktisch dafür wissenschaftliche Forschung. Durch Reaktionen können auch Neutronen unterschiedlicher Energie gewonnen werden + ® + ; + ® + ; + ® + . Neutronen, die keine Ladung haben, dringen besonders leicht in Atomkerne ein und lösen vielfältige Prozesse aus, die sowohl vom zu verbrennenden Nuklid als auch von der Geschwindigkeit (Energie) der Neutronen abhängen. So kann ein langsames Neutron einfach vom Kern eingefangen werden, und der Kern wird durch die Emission eines Gammaquants von etwas überschüssiger Energie befreit, zum Beispiel:+ ® + g . Diese Reaktion wird häufig verwendet Kernreaktoren Um die Spaltungsreaktion von Uran zu kontrollieren: Um die Reaktion zu verlangsamen, werden Cadmiumstäbe oder -platten in den Kernkessel eingeführt.Im Jahr 1934 heirateten die Ehemänner von Irene und Frederic Joliot-Curie machte eine wichtige Entdeckung. Bombardiert
A- Teilchen einiger leichter Elemente (Polonium emittierte sie) erwarteten sie eine ähnliche Reaktion wie bereits für Beryllium bekannt, d. h. Neutronen ausschalten, zum Beispiel:
Wenn die Angelegenheit auf diese Transformationen beschränkt wäre, dann nach dem Aufhören A -Bestrahlung hätte der Neutronenfluss sofort versiegen müssen, so dass sie nach dem Entfernen der Poloniumquelle mit dem Ende aller Aktivitäten gerechnet hatten, stellten jedoch fest, dass der Teilchenzähler weiterhin Impulse registrierte, die genau nach dem Exponentialgesetz allmählich abklangen. Dies ließe sich nur auf eine Weise interpretieren: Durch Alphabestrahlung traten bisher unbekannte radioaktive Elemente mit einer charakteristischen Halbwertszeit von 10 Minuten für Stickstoff-13 und 2,5 Minuten für Phosphor-30 auf. Es stellte sich heraus, dass diese Elemente einem Positronenzerfall unterliegen:® + e + , ® + e + . Interessante Ergebnisse wurden mit Magnesium erzielt, das durch drei stabile natürliche Isotope repräsentiert wird, und es stellte sich heraus, dass dies der Fall war A - Bei Bestrahlung erzeugen sie alle radioaktive Nuklide aus Silizium oder Aluminium, die einer Strahlung unterliegen 227-
oder Positronenzerfall:
Die Herstellung künstlicher radioaktiver Elemente ist von großer praktischer Bedeutung, da sie die Synthese von Radionukliden mit einer für einen bestimmten Zweck geeigneten Halbwertszeit und der gewünschten Strahlungsart mit einer bestimmten Leistung ermöglicht. Besonders praktisch ist es, Neutronen als „Projektile“ zu verwenden. Der Einfang eines Neutrons durch einen Kern macht ihn oft so instabil, dass der neue Kern radioaktiv wird. Es kann durch die Umwandlung des „zusätzlichen“ Neutrons in ein Proton stabil werden, also durch
227- Strahlung; Es sind viele solcher Reaktionen bekannt, zum Beispiel: + ® ® + E. Die Reaktion der Bildung von Radiokohlenstoff in den oberen Schichten der Atmosphäre ist sehr wichtig: + ® + (cm. VERFAHREN ZUR RADIOKOHLENSTOFFANALYSE). Tritium wird durch die Absorption langsamer Neutronen durch Lithium-6-Kerne synthetisiert. Unter dem Einfluss schneller Neutronen können viele Kernumwandlungen erreicht werden, zum Beispiel: + ® + ; + ® + ; + ® + . So wird durch die Bestrahlung von gewöhnlichem Kobalt mit Neutronen radioaktives Kobalt-60 erhalten, das eine starke Quelle für Gammastrahlung ist (es wird als Zerfallsprodukt von 60 Co durch angeregte Kerne freigesetzt).). Einige Transurane werden durch Bestrahlung mit Neutronen erzeugt. Beispielsweise entsteht aus natürlichem Uran-238 zunächst instabiles Uran-239, das, wenn B -Verfall ( T 1/2 = 23,5 min) geht in die erste Transura über neues Element Neptunium-239, und er wiederum auch von B -Verfall ( T 1/2 = 2,3 Tage) entsteht das sehr wichtige sogenannte waffenfähige Plutonium-239.Ist es möglich, durch die Durchführung der notwendigen Kernreaktion künstlich Gold zu gewinnen und damit das zu erreichen, was den Alchemisten nicht gelungen ist? Theoretisch gibt es hierfür keine Hindernisse. Darüber hinaus wurde eine solche Synthese bereits durchgeführt, brachte jedoch keinen Wohlstand. Der einfachste Weg, Gold künstlich herzustellen, wäre die Bestrahlung von Quecksilber, dem nächsten Element im Periodensystem nach Gold, mit einem Neutronenstrom. Dann als Ergebnis der Reaktion
+ ® + Ein Neutron würde ein Proton aus einem Quecksilberatom herausschlagen und es in ein Goldatom umwandeln. Diese Reaktion gibt keine spezifischen Massenzahlen an ( A) Nuklide von Quecksilber und Gold. Gold ist das einzige stabile Nuklid in der Naturund natürliches Quecksilber ist ein komplexes Isotopengemisch mit A= 196 (0,15 %), 198 (9,97 %), 199 (1,87 %), 200 (23,10 %), 201 (13,18 %), 202 (29,86 %) und 204 (6,87 %). Folglich kann nach obigem Schema nur instabiles radioaktives Gold gewonnen werden. Es wurde Anfang 1941 von einer Gruppe amerikanischer Chemiker der Harvard University gewonnen, indem sie Quecksilber mit einem Strom schneller Neutronen bestrahlten. Nach einigen Tagen verwandelten sich alle resultierenden radioaktiven Goldisotope durch Betazerfall wieder in die ursprünglichen Quecksilberisotope ...Es geht aber auch anders: Wenn Quecksilber-196-Atome mit langsamen Neutronen bestrahlt werden, verwandeln sie sich in Quecksilber-197-Atome:
+ ® + g . Diese Atome mit einer Halbwertszeit von 2,7 Tagen unterliegen einem Elektroneneinfang und verwandeln sich schließlich in stabile Goldatome:+ e® . Diese Transformation wurde 1947 von Mitarbeitern des National Laboratory in Chicago durchgeführt. Durch die Bestrahlung von 100 mg Quecksilber mit langsamen Neutronen erhielten sie 0,035 mg 197Au. Bezogen auf alles Quecksilber ist die Ausbeute sehr gering – nur 0,035 %, aber bezogen auf 196Hg erreicht sie 24 %! Das Isotop 196 Hg in natürlichem Quecksilber ist jedoch nur das Mindeste, außerdem wird der Bestrahlungsprozess selbst und seine Dauer (die Bestrahlung wird mehrere Jahre dauern) und die Isolierung von stabilem „synthetischem Gold“ aus einer komplexen Mischung unermesslich mehr kosten die Isolierung von Gold aus dem ärmsten Erz ( siehe auch GOLD). Die künstliche Goldproduktion ist also nur von rein theoretischem Interesse.Quantitative Muster radioaktiver Umwandlungen. Wenn es möglich wäre, einen bestimmten instabilen Kern zu verfolgen, wäre es unmöglich vorherzusagen, wann er zerfallen würde. Dies ist ein zufälliger Vorgang und nur in in manchen Fällen Es ist möglich, die Wahrscheinlichkeit des Zerfalls innerhalb einer bestimmten Zeit abzuschätzen. Doch selbst das kleinste Staubkorn, das unter dem Mikroskop fast unsichtbar ist, enthält eine große Anzahl von Atomen, und wenn diese Atome radioaktiv sind, dann gehorcht ihr Zerfall strengen mathematischen Gesetzen: statistischen Gesetzen, die für sehr charakteristisch sind große Zahl Objekte. Und dann kann jedes Radionuklid durch einen ganz bestimmten Wert der Halbwertszeit charakterisiert werden ( T 1/2) Dies ist die Zeit, in der die Hälfte der verfügbaren Kernzahl zerfällt. Wenn es im ersten Moment so war N 0 Kerne, dann nach einer Weile T = T Davon bleibt die Hälfte übrig N 0 /2, bei T = 2T 1/2 bleibt übrig N 0 /4 = N 0 /2 2 , bei T = 3T 1/2 N 0 /8 = N 0 /2 3 usw. Im Allgemeinen wann T = nT 1/2 bleibt übrig N 0 /2 N Kerne, wo N = T/T 1/2 Anzahl der Halbwertszeiten (es muss keine ganze Zahl sein). Es ist leicht zu zeigen, dass die Formel N = N 0 /2 T/T 1/2 entspricht der Formel N = N 0 e l t, wo l die sogenannte Zerfallskonstante. Formal ist er als Proportionalitätskoeffizient zwischen der Abklinggeschwindigkeit d definiert N/D T und verfügbare Anzahl an Kernen: d N/D T = l N (das Minuszeichen zeigt das an N nimmt mit der Zeit ab). Die Integration dieser Differentialgleichung ergibt die exponentielle Abhängigkeit der Anzahl der Kerne von der Zeit. Einsetzen in diese Formel N = N 0 /2 bei T = T 1/2 finden wir, dass die Zerfallskonstante umgekehrt proportional zur Halbwertszeit ist: l = ln2/ T 1/2 = 0,693/T 1/2. Größe t = 1/l wird als durchschnittliche Lebensdauer des Kernels bezeichnet. Zum Beispiel für 226 Ra T 1/2 = 1600 Jahre, T = 1109 Jahre.Nach den angegebenen Formeln den Wert kennen T 1/2 (bzw
l ) ist es einfach, die Menge des Radionuklids nach einem beliebigen Zeitraum zu berechnen, und daraus kann man die Halbwertszeit berechnen, wenn die Menge des Radionuklids zu verschiedenen Zeitpunkten bekannt ist. Anstelle der Anzahl der Kerne können Sie die Strahlungsaktivität in die Formel einsetzen, die direkt proportional zur verfügbaren Anzahl der Kerne ist N. Die Aktivität wird in der Regel nicht durch die Gesamtzahl der Zerfälle in der Probe charakterisiert, sondern durch die dazu proportionale Anzahl der Impulse, die vom Aktivitätsmessgerät aufgezeichnet werden. Wenn beispielsweise 1 g eines radioaktiven Stoffes vorhanden ist, dann ist der Stoff umso aktiver, je kürzer seine Halbwertszeit ist.Andere mathematische Gesetze beschreiben das Verhalten einer kleinen Anzahl von Radionukliden. Hier können wir nur über die Wahrscheinlichkeit eines bestimmten Ereignisses sprechen. Angenommen, es gäbe ein Atom (genauer gesagt einen Kern) eines Radionuklids mit T 1/2 = 1 Minute. Die Wahrscheinlichkeit, dass dieses Atom 1 Minute lebt, beträgt 1/2 (50 %), 2 Minuten 1/4 (25 %), 3 Minuten 1/8 (12,5 %), 10 Minuten (1/2) 10 = 1/10 24 (0,1 %), 20 Minuten (1/2) 20 = 1/1048576 (0,00001 %). Für ein einzelnes Atom ist die Chance vernachlässigbar, aber wenn es viele Atome gibt, zum Beispiel mehrere Milliarden, dann werden viele von ihnen zweifellos 20 Halbwertszeiten oder viel mehr haben. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Atom über einen bestimmten Zeitraum zerfällt, wird durch Subtrahieren der erhaltenen Werte von 100 ermittelt. Wenn also die Wahrscheinlichkeit, dass ein Atom 2 Minuten überlebt, 25 % beträgt, dann ist die Wahrscheinlichkeit, dass dasselbe Atom während dieser Zeit zerfällt, 25 % Zeit ist 100 25 = 75 %, Wahrscheinlichkeit Zerfall innerhalb von 3 Minuten 87,5 %, innerhalb von 10 Minuten 99,9 % usw.
Komplizierter wird die Formel, wenn mehrere instabile Atome vorhanden sind. In diesem Fall wird die statistische Wahrscheinlichkeit eines Ereignisses durch eine Formel mit Binomialkoeffizienten beschrieben. Wenn es gibt N Atome und die Wahrscheinlichkeit des Zerfalls eines von ihnen im Laufe der Zeit T gleich P, dann die Wahrscheinlichkeit, dass während der Zeit T aus N Atome werden zerfallen N(und bleibt dementsprechend bestehen N N), ist gleich P = N!p n(1 P) N N/(N N)!N! Ähnliche Formeln müssen bei der Synthese neuer instabiler Elemente verwendet werden, deren Atome buchstäblich einzeln gewonnen werden (als beispielsweise eine Gruppe amerikanischer Wissenschaftler 1955 das neue Element Mendelevium entdeckte, erhielten sie es in einer Menge von nur 17 Atomen). ).
Die Anwendung dieser Formel kann an einem konkreten Fall veranschaulicht werden. Lass es zum Beispiel sein N= 16 Atome mit einer Halbwertszeit von 1 Stunde. Sie können die Wahrscheinlichkeit des Zerfalls einer bestimmten Anzahl von Atomen beispielsweise in der Zeit berechnen T= 4 Stunden. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Atom diese 4 Stunden überlebt, beträgt 1/2 4 = 1/16 bzw. die Wahrscheinlichkeit, dass es in dieser Zeit zerfällt R= 1 1/16 = 15/16. Das Einsetzen dieser Anfangsdaten in die Formel ergibt: R = 16!(15/16) N(1/16) 16 N/(16 N)!N! = 16!15 N/2 64 (16 N)!N! Die Ergebnisse einiger Berechnungen sind in der Tabelle dargestellt:
| Tabelle 1. | |||||||||
| Verbleibende Atome (16– N) | 16 | 10 | 8 | 6 | 4 | 3 | 2 | 1 | 0 |
| Atome zerfielen N | 0 | 6 | 8 | 10 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 |
| Wahrscheinlichkeit R, % | 5·10 –18 | 5·10 –7 | 1,8·10 –4 | 0,026 | 1,3 | 5,9 | 19,2 | 38,4 | 35,2 |
Zahlreiche seit Becquerels Zeiten durchgeführte Experimente haben gezeigt, dass die Geschwindigkeit des radioaktiven Zerfalls praktisch nicht von Temperatur, Druck oder dem chemischen Zustand des Atoms beeinflusst wird. Ausnahmen sind sehr selten; Im Fall des Elektroneneinfangs also der Wert T 1/2 ändert sich geringfügig, wenn sich der Oxidationszustand des Elements ändert. Beispielsweise erfolgt der Zerfall von 7 BeF 2 etwa 0,1 % langsamer als der von 7 BeO oder metallischem 7 Be.
Die Gesamtzahl der bekannten Radionuklide instabiler Kerne nähert sich zweitausend, ihre Lebensdauer schwankt in sehr weiten Grenzen. Es sind sowohl langlebige Radionuklide bekannt, deren Halbwertszeit Millionen oder sogar Milliarden Jahre beträgt, als auch kurzlebige, die in winzigen Sekundenbruchteilen vollständig zerfallen. Die Halbwertszeiten einiger Radionuklide sind in der Tabelle angegeben.
Eigenschaften einiger Radionuklide (für Tc, Pm, Po und alle nachfolgenden Elemente, die keine stabilen Isotope haben, werden Daten für ihre langlebigsten Isotope angegeben).
| Tabelle 2. | |||
| Ordnungsnummer | Symbol | Massenzahl | Halbwertszeit |
| 1 | T | 3 | 12.323 Jahre |
| 6 | MIT | 14 | 5730 Jahre |
| 15 | R | 32 | 14,3 Tage |
| 19 | ZU | 40 | 1,28 10 9 Jahre |
| 27 | Co | 60 | 5.272 Jahre |
| 38 | Sr | 90 | 28,5 Jahre |
| 43 | Ts | 98 | 4,2 10 6 Jahre |
| 53 | ICH | 131 | 8,02 Tage |
| 61 | Uhr | 145 | 17,7 Jahre |
| 84 | Ro | 209 | 102 Jahre alt |
| 85 | Bei | 210 | 8,1 Std |
| 86 | Rn | 222 | 3.825 Tage |
| 87 | Fr | 223 | 21,8 Min |
| 88 | Ra | 226 | 1600 Jahre |
| 89 | Ac | 227 | 21,77 Jahre |
| 90 | Th | 232 | 1,405 10 9 Jahre |
| 91 | Ra | 231 | 32.760 Jahre |
| 92 | U | 238 | 4.468 10 9 Jahre |
| 93 | Np | 237 | 2,14 10 6 Jahre |
| 94 | Pu | 244 | 8,26 10 7 Jahre |
| 95 | Bin | 243 | 7370 Jahre |
| 96 | Cm | 247 | 1,56 10 7 |
| 97 | Bk | 247 | 1380 Jahre |
| 98 | Vgl | 251 | 898 Jahre |
| 99 | Es | 252 | 471,7 Tage |
| 100 | Fm | 257 | 100,5 Tage |
| 101 | MD | 260 | 27,8 Tage |
| 102 | NEIN | 259 | 58 Min |
| 103 | Lr | 262 | 3,6 Std |
| 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 | Berg | 268 | 70 ms |
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| 111 | – | 272 | 1,5 ms |
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Die Einheit der Radioaktivität eines Nuklids ist das Becquerel: 1 Bq (Bq) entspricht einem Zerfall pro Sekunde. Die systemfremde Einheit Curie wird häufig verwendet: 1 Ci (Ci) entspricht 37 Milliarden Zerfällen pro Sekunde oder 3,7 . 10 10 Bq (1 g 226 Ra hat ungefähr diese Aktivität). Einst wurde eine systemfremde Einheit des Rutherford vorgeschlagen: 1 Рд (Rd) = 10 6 Bq, aber sie war nicht weit verbreitet.
LITERATUR Soddy F. Geschichte der Atomenergie. M., Atomizdat, 1979Choppin G. et al. Kernchemie. M., Energoatomizdat, 1984
Hoffmann K. Ist es möglich, Gold herzustellen?? L., Chemie, 1984
Kadmensky S.G. Radioaktivität von Atomkernen: Geschichte, Ergebnisse, neueste Errungenschaften. „Soros Educational Journal“, 1999, Nr. 11
Das Hauptmerkmal eines Atoms sind 2 Zahlen:
1. Massenzahl (A) – gleich der Summe der Protonen und Neutronen des Kerns
2. Ordnungszahl (Z) im Periodensystem der Elemente von Mendeleev – gleich der Anzahl der Protonen im Kern, d. h. entspricht der Ladung des Kerns.
Die Art der radioaktiven Umwandlung wird bestimmt Art der beim Zerfall emittierten Partikel. Der Prozess des radioaktiven Zerfalls ist immer exotherm, das heißt, er setzt Energie frei. Der ursprüngliche Kern wird Mutterkern genannt (in den Diagrammen unten durch das Symbol X gekennzeichnet), und der nach dem Zerfall entstehende Kern wird Tochterkern genannt (in den Diagrammen durch das Symbol Y gekennzeichnet).
Instabile Kerne unterliegen vier Haupttypen radioaktiver Umwandlungen:
A) Alpha-Zerfall- besteht darin, dass ein schwerer Kern spontan ein Alphateilchen aussendet, d.h. es handelt sich um ein rein nukleares Phänomen. Mehr als 200 alphaaktive Kerne sind bekannt, fast alle haben eine Seriennummer größer als 83 (Am-241; Ra-226; Rn-222; U-238 und 235; Th-232; Pu-239 und 240). . Die Energie von Alphateilchen aus schweren Kernen liegt meist im Bereich von 4 bis 9 MeV.
Beispiele für Alpha-Zerfall:
B) Beta-Transformation– es handelt sich um einen Intranukleonprozess; Im Kern zerfällt ein einzelnes Nukleon, wobei es zu einer inneren Umstrukturierung des Kerns kommt und B-Teilchen (Elektron, Positron, Neutrino, Antineutrino) entstehen. Beispiele für Radionuklide, die eine Beta-Transformation durchlaufen: Tritium (H-3); C-14; Natriumradionuklide (Na-22, Na-24); Phosphorradionuklide (P-30, P-32); Schwefelradionuklide (S-35, S-37); Kaliumradionuklide (K-40, K-44, K-45); Rb-87; Strontiumradionuklide (Sr-89, Sr-90); Jodradionuklide (I-125, I-129, I-131, I-134); Cäsiumradionuklide (Cs-134, Cs-137).
Die Energie von Betateilchen variiert in einem weiten Bereich: von 0 bis Emax (Gesamtenergie, die beim Zerfall freigesetzt wird) und wird in keV, MeV gemessen. Für identische Kerne ist die Energieverteilung der emittierten Elektronen regelmäßig und heißt ElektronenspektrumB-Zerfall oder Betaspektrum; Das Energiespektrum von Betateilchen kann zur Identifizierung des zerfallenden Elements verwendet werden.
Ein Beispiel für die Beta-Transformation eines einzelnen Nukleons ist Zerfall freier Neutronen(Halbwertszeit 11,7 Minuten):
Arten der Beta-Transformation von Kernen:
1) Elektronenzerfall: 
.
Beispiele für Elektronenzerfall: ,
2) Positronenzerfall:
Beispiele für Positronenzerfall: , 
3) Elektronische Erfassung(K-Einfang, da der Kern eines der Elektronen der Atomhülle, meist aus der K-Schale, aufnimmt): 
Beispiele für elektronische Erfassung: 
, 
IN) Gamma-Transformation (Isomerenübergang)– ein intranukleares Phänomen, bei dem der Kern aufgrund der Anregungsenergie ein Gammaquant aussendet und in einen stabileren Zustand übergeht; In diesem Fall ändern sich Massenzahl und Ordnungszahl nicht. Das Gammastrahlungsspektrum ist immer diskret. Von Kernen emittierte Gammastrahlen haben normalerweise Energien von mehreren zehn keV bis zu mehreren MeV. Beispiele für Radionuklide, die eine Gammatransformation durchlaufen: Rb-81m; Cs-134m; Cs-135m; In-113m; Y-90m.
, wobei der Index „m“ den metastabilen Zustand des Kerns bedeutet.
Beispiel einer Gammatransformation: 
G) Spontane Kernspaltung– möglich für Kerne ab der Massenzahl 232. Der Kern ist in 2 Fragmente vergleichbarer Massen geteilt. Es ist die spontane Kernspaltung, die die Möglichkeiten zur Gewinnung neuer Transuranelemente einschränkt. Die Kernenergie nutzt den Prozess der Spaltung schwerer Kerne, wenn diese Neutronen einfangen:
Durch die Spaltung entstehen Fragmente mit einem Überschuss an Neutronen, die dann mehrere aufeinanderfolgende Umwandlungen durchlaufen (normalerweise Beta-Zerfall).
Umwandlungen, bei denen der Kern eines chemischen Elements in den Kern eines anderen Elements mit einer anderen Ordnungszahl umgewandelt wird, werden als radioaktiver Zerfall bezeichnet. Radioaktive Isotope, die in gebildet werden und existieren natürliche Bedingungen werden als natürlich radioaktiv bezeichnet; Dieselben Isotope, die künstlich durch Kernreaktionen gewonnen werden, sind künstlich radioaktiv. Es gibt keinen grundsätzlichen Unterschied zwischen natürlich und künstlich radioaktiven Isotopen, da die Eigenschaften von Atomkernen und den Atomen selbst nur durch die Zusammensetzung und Struktur des Kerns bestimmt werden und nicht von der Art ihrer Entstehung abhängen.
Die Radioaktivität wurde 1896 von A.N. Becquerel entdeckt, der die Strahlung von Uran entdeckte, die eine Schwärzung der Fotoemulsion verursachen und die Luft ionisieren konnte. Curie-Sklodowska maß als erster die Strahlungsintensität von Uran und entdeckte gleichzeitig mit dem deutschen Wissenschaftler G.S. Schmidt die Radioaktivität im Thorium. Die Eigenschaft von Isotopen, spontan unsichtbare Strahlung auszusenden, wurde von den Curies als Radioaktivität bezeichnet. Im Juli 1898 berichteten sie über die Entdeckung eines neuen radioaktiven Elements, Polonium, im Uranharzerz. Im Dezember 1898 entdeckten sie zusammen mit G. Bemont Radium.
Nach der Entdeckung radioaktiver Elemente stellten mehrere Autoren (Becquerel, die Curies, Rutherford usw.) fest, dass diese Elemente drei Arten von Strahlen aussenden können, die sich in einem Magnetfeld unterschiedlich verhalten. Auf Vorschlag von Rutherford (E. Rutherford, 1902) wurden diese Strahlen Alpha-, Beta- und Gammastrahlen genannt. Alphastrahlen bestehen aus positiv geladenen Alphateilchen (doppelt ionisierte Heliumatome He4); Betastrahlen – von negativ geladenen Teilchen geringer Masse – Elektronen; Gammastrahlen ähneln in ihrer Natur Röntgenstrahlen und sind Quanten elektromagnetischer Strahlung.
Im Jahr 1902 erklärten Rutherford und F. Soddy das Phänomen der Radioaktivität durch die spontane Umwandlung von Atomen eines Elements in Atome eines anderen Elements, die nach den Gesetzen des Zufalls erfolgte und mit der Freisetzung von Energie in Form von Alpha, Beta und einherging gamma Strahlen.
Im Jahr 1910 erhielt M. Curie-Sklodowska zusammen mit A. Debierne reines metallisches Radium und untersuchte dessen radioaktive Eigenschaften, insbesondere maß sie die Zerfallskonstante von Radium. Bald wurden eine Reihe weiterer radioaktiver Elemente entdeckt. Debierne und F. Giesel entdeckten die Seeanemone. Hahn (O. Halm) entdeckte Radiothorium und Mesothorium, Boltwood (V.V. Boltwood) entdeckte Ionium, Hahn und Meitner (L. Meitner) entdeckten Protactinium. Alle Isotope dieser Elemente sind radioaktiv. Im Jahr 1903 zeigten Pierre Curie und S.A. Laborde, dass ein Radiumpräparat immer eine erhöhte Temperatur aufweist und dass 1 g Radium mit seinen Zerfallsprodukten in einer Stunde etwa 140 kcal freisetzt. Im selben Jahr entdeckten W. Ramsay und Soddy, dass eine versiegelte Radiumampulle Heliumgas enthielt. Die Arbeiten von Rutherford, F. Dorn, Debierne und Giesel zeigten, dass sich unter den Zerfallsprodukten von Uran und Thorium schnell zerfallende radioaktive Gase befinden, die als Emanationen von Radium, Thorium und Actinium (Radon, Thoron, Actinon) bezeichnet werden. So wurde nachgewiesen, dass sich Radiumatome beim Zerfall in Helium- und Radonatome verwandeln. Die Gesetze der radioaktiven Umwandlung einiger Elemente in andere während Alpha- und Betazerfällen (Verdrängungsgesetze) wurden zuerst von Soddy, K. Fajans und W.J. Russell formuliert.
Diese Gesetze lauten wie folgt. Beim Alpha-Zerfall erzeugt das ursprüngliche Element immer ein anderes Element, das sich im Periodensystem D.I. befindet. Mendeleev zwei Zellen links vom ursprünglichen Element (die Ordnungs- oder Ordnungszahl ist 2 kleiner als das Original); Während des Beta-Zerfalls erzeugt das ursprüngliche Element immer ein anderes Element, das sich im Periodensystem eine Zelle rechts vom ursprünglichen Element befindet (die Ordnungszahl ist um eins größer als die des ursprünglichen Elements).
Die Untersuchung der Umwandlungen radioaktiver Elemente führte zur Entdeckung von Isotopen, d. h. Atomen, die die gleichen chemischen Eigenschaften und Ordnungszahlen haben, sich aber in Masse und Form voneinander unterscheiden physikalische Eigenschaften, insbesondere durch radioaktive Eigenschaften (Art der Strahlung, Zerfallsgeschwindigkeit). Von der großen Zahl der entdeckten radioaktiven Stoffe erwiesen sich nur Radium (Ra), Radon (Rn), Polonium (Po) und Protactinium (Pa) als neue Elemente, der Rest waren Isotope des bisher bekannten Urans (U), Thorium (Th), Blei (Pb), Thallium (Tl) und Wismut (Bi).
Nachdem Rutherford die Kernstruktur von Atomen entdeckte und bewies, dass es der Kern ist, der alle Eigenschaften des Atoms bestimmt, insbesondere die Struktur seiner elektronischen Hüllen und seine chemischen Eigenschaften (siehe Atom, Atomkern), wurde klar, dass radioaktive Umwandlungen sind mit der Umwandlung von Atomkernen verbunden. Durch weitere Untersuchungen der Struktur von Atomkernen konnte der Mechanismus radioaktiver Umwandlungen vollständig entschlüsselt werden.
Die erste künstliche Umwandlung von Kernen – eine Kernreaktion – wurde 1919 von Rutherford durchgeführt, indem er die Kerne von Stickstoffatomen mit Polonium-Alpha-Partikeln beschoss. Gleichzeitig emittierten Stickstoffkerne Protonen (siehe) und verwandelten sich in O17-Sauerstoffkerne. Im Jahr 1934 waren F. Joliot-Curie und I. Joliot-Curie die ersten, die künstlich ein radioaktives Phosphorisotop durch Beschuss von Al-Atomen mit Alphateilchen erhielten. P30-Kerne emittierten im Gegensatz zu den Kernen natürlich radioaktiver Isotope beim Zerfall keine Elektronen, sondern Positronen und verwandelten sich in stabile Siliziumkerne Si30. So wurden 1934 künstliche Radioaktivität und die neue Art radioaktiver Zerfall – Positronenzerfall oder b+-Zerfall. Die Joliot-Curies brachten die Idee zum Ausdruck, dass alles schnelle Teilchen(Protonen, Deuteronen, Neutronen) lösen Kernreaktionen aus und können zur Herstellung natürlich radioaktiver Isotope genutzt werden. Fermi (E. Fermi) beschoss verschiedene Elemente mit Neutronen und erhielt radioaktive Isotope fast aller chemischen Elemente. Derzeit wurden mit Hilfe beschleunigter geladener Teilchen und Neutronen verschiedenste Kernreaktionen durchgeführt, wodurch es möglich wurde, beliebige radioaktive Isotope zu gewinnen.
1937 entdeckte L. Alvarez eine neue Art der radioaktiven Umwandlung – den Elektroneneinfang. Beim Elektroneneinfang fängt der Atomkern ein Elektron aus der Atomhülle ein und verwandelt sich in den Kern eines anderen Elements. 1939 entdeckten Hahn und F. Strassmann die Spaltung eines Urankerns in leichtere Kerne (Spaltfragmente) durch Beschuss mit Neutronen. Im selben Jahr zeigten Flerov und Pietrzak, dass der Spaltungsprozess von Urankernen spontan und ohne äußere Einwirkung abläuft. So entdeckten sie eine neue Art der radioaktiven Umwandlung – die spontane Spaltung schwerer Kerne.
Derzeit sind die folgenden Arten radioaktiver Umwandlungen bekannt, die ohne äußere Einflüsse, spontan und nur aus internen Gründen auftreten, die durch die Struktur der Atomkerne bestimmt werden.
Was passiert mit der Materie bei radioaktiver Strahlung? Um diese Frage zu Beginn des 20. Jahrhunderts zu beantworten. es war nicht ganz einfach. Schon zu Beginn der Radioaktivitätsforschung wurden viele seltsame und ungewöhnliche Dinge entdeckt.
Erstens die erstaunliche Konstanz, mit der die radioaktiven Elemente Uran, Thorium und Radium Strahlung abgeben. Im Laufe der Tage, Monate und Jahre veränderte sich die Strahlungsintensität nicht merklich. Gewöhnliche Einflüsse wie Hitze oder erhöhter Druck machten ihm nichts aus.
Auch die chemischen Reaktionen, in die radioaktive Stoffe eintraten, hatten keinen Einfluss auf die Intensität der Strahlung.
Zweitens wurde sehr bald nach der Entdeckung der Radioaktivität klar, dass Radioaktivität mit der Freisetzung von Energie einhergeht. Pierre Curie stellte eine Ampulle Radiumchlorid in ein Kalorimeter. Darin wurden α-, β- und γ-Strahlen absorbiert und aufgrund ihrer Energie wurde das Kalorimeter erhitzt. Curie ermittelte, dass 1 g Radium in einer Stunde eine Energie von 582 J freisetzt. Und diese Energie wird über mehrere Jahre hinweg kontinuierlich freigesetzt.
Woher kommt die Energie, deren Freisetzung nicht durch alle bekannten Einflüsse beeinträchtigt wird? Anscheinend erfährt ein Stoff während der Radioaktivität einige tiefgreifende Veränderungen, die sich von gewöhnlichen chemischen Umwandlungen völlig unterscheiden. Das wurde vermutet die Atome selbst durchlaufen Transformationen!
Nun dürfte dieser Gedanke keine große Überraschung hervorrufen, da ein Kind davon hören kann, noch bevor es lesen lernt. Aber zu Beginn des 20. Jahrhunderts. es schien fantastisch und es erforderte großen Mut, sich zu entscheiden, es auszudrücken. Zu diesem Zeitpunkt waren gerade unbestreitbare Beweise für die Existenz von Atomen erbracht worden. Die jahrhundertealte Idee des Demokrit über die atomare Struktur der Materie setzte sich schließlich durch. Und fast unmittelbar danach wird die Unveränderlichkeit der Atome in Frage gestellt.
Wir werden nicht im Detail auf die Experimente eingehen, die letztendlich zu der völligen Gewissheit führten, dass beim radioaktiven Zerfall eine Kette aufeinanderfolgender Atomumwandlungen stattfindet. Bleiben wir nur bei den allerersten Experimenten, die Rutherford begonnen und von ihm zusammen mit dem englischen Chemiker F. Soddy (1877-1956) fortgesetzt hat.
Rutherford hat das herausgefunden Die Thoriumaktivität, definiert als die Anzahl der Zerfälle pro Zeiteinheit, bleibt in einer geschlossenen Ampulle unverändert. Wird das Präparat bereits mit sehr schwachen Luftströmen angeblasen, so wird die Aktivität des Thoriums stark reduziert. Rutherford vermutete, dass Thorium gleichzeitig mit den Alphateilchen eine Art Gas aussendet, das ebenfalls radioaktiv ist. Er nannte es Gas Emanation. Durch das Ansaugen von Luft aus einer Thorium enthaltenden Ampulle isolierte Rutherford das radioaktive Gas und untersuchte seine Ionisierungsfähigkeit. Es stellte sich heraus, dass die Aktivität dieses Gases mit der Zeit schnell abnimmt. Jede Minute sinkt die Aktivität um die Hälfte und nach zehn Minuten ist sie praktisch gleich Null. Soddy untersuchte die chemischen Eigenschaften dieses Gases und stellte fest, dass es keine Reaktionen eingeht, d. h. es ist ein Inertgas. Anschließend erhielt das Gas den Namen Radon und wurde unter der Seriennummer 86 in das Periodensystem aufgenommen. Auch andere radioaktive Elemente erfuhren Umwandlungen: Uran, Aktinium, Radium. Die allgemeine Schlussfolgerung, zu der Wissenschaftler kamen, wurde von Rutherford treffend formuliert: „Die Atome einer radioaktiven Substanz unterliegen spontanen Veränderungen.“ In jedem Moment ein kleiner Teil Gesamtzahl Atome werden instabil und zerfallen explosionsartig. In den allermeisten Fällen wird ein Atomfragment – ein α-Teilchen – mit enormer Geschwindigkeit herausgeschleudert. In einigen anderen Fällen geht die Explosion mit dem Ausstoß eines schnellen Elektrons und dem Auftreten von Strahlen einher, die wie Röntgenstrahlen eine hohe Durchdringungskraft haben und als γ-Strahlung bezeichnet werden. Es wurde entdeckt, dass durch eine atomare Umwandlung ein völlig neuer Stofftyp entsteht, der sich in seinen physikalischen und physikalischen Eigenschaften völlig unterscheidet chemische Eigenschaften aus der Originalsubstanz. Allerdings ist dieser neue Stoff selbst auch instabil und unterliegt einer Umwandlung unter Emission charakteristischer radioaktiver Strahlung.
Somit ist genau erwiesen, dass die Atome bestimmter Elemente einem spontanen Zerfall unterliegen, der mit der Freisetzung von Energie in Mengen einhergeht, die im Vergleich zu der Energie, die bei gewöhnlichen molekularen Modifikationen freigesetzt wird, enorm sind.“
Nach der Entdeckung des Atomkerns wurde sofort klar, dass dieser Kern bei radioaktiven Umwandlungen Veränderungen erfuhr. Schließlich gibt es in der Elektronenhülle überhaupt keine Os-Teilchen, und eine Verringerung der Anzahl der Hüllenelektronen um eins verwandelt das Atom in ein Ion und nicht in ein neues chemisches Element. Der Ausstoß eines Elektrons aus dem Kern ändert die Ladung des Kerns (erhöht sie) um eins. Die Ladung des Kerns bestimmt die Ordnungszahl des Elements im Periodensystem und alle seine chemischen Eigenschaften.
Notiz
Literatur
Myakishev G.Ya. Physik: Optik. Die Quantenphysik. 11. Klasse: Pädagogisch. zum vertieften Studium der Physik. - M.: Bustard, 2002. - S. 351-353.
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