Umwandlungen chemischer Elemente beim natürlichen radioaktiven Zerfall. Unterrichtsplan „Radioaktive Transformationen von Atomkernen“ in Physik (Klasse 9) zum Thema

• Expositionsdosis
• absorbierte Dosis
• Äquivalentdosis
• effektive Äquivalentdosis

Radioaktivität

Dies ist die Fähigkeit der Atomkerne verschiedener chemischer Elemente, zerstört zu werden, verändert durch die Emission atomarer und subatomarer Teilchen hoher Energie. Bei radioaktiven Umwandlungen werden in den allermeisten Fällen die Atomkerne (und damit die Atome selbst) einiger chemischer Elemente in Atomkerne (Atome) anderer chemischer Elemente umgewandelt, oder ein Isotop eines chemischen Elements wird in ein anderes umgewandelt Isotop desselben Elements.

Als Atome werden Atome bezeichnet, deren Kerne einem radioaktiven Zerfall oder anderen radioaktiven Umwandlungen unterliegen radioaktiv.

Isotope

(von griechischen WörternIsos – „gleich, identisch“ undTopos - "Ort")

Dabei handelt es sich um Nuklide eines chemischen Elements, d.h. Sorten von Atomen eines bestimmten Elements, die haben gleiche Ordnungszahl, aber unterschiedliche Massenzahlen.

Isotope haben Kerne mit der gleichen Anzahl an Protonen und unterschiedlicher Anzahl an Neutronen und nehmen denselben Platz im Periodensystem der chemischen Elemente ein. Es gibt stabile Isotope, die auf unbestimmte Zeit unverändert existieren, und instabile (Radioisotope), die mit der Zeit zerfallen.

Bekanntca. 280 stabil Undmehr als 2000 radioaktiv Isotope116 natürliche und künstlich gewonnene Elemente .

Nuklid (aus dem LateinischenKern – „Kern“) ist eine Ansammlung von Atomen mit bestimmten Werten der Kernladung und Massenzahl.

Nuklidsymbole:, WoX – Buchstabenbezeichnung des Elements,Z – Anzahl der Protonen (Ordnungszahl ), A – Summe der Anzahl der Protonen und Neutronen (Massenzahl ).

Selbst das allererste und leichteste Atom im Periodensystem, Wasserstoff, der nur ein Proton in seinem Kern hat (und von einem Elektron umkreist wird), hat drei Isotope.

Radioaktive Umwandlungen

Sie können natürlich, spontan (spontan) und künstlich sein. Spontane radioaktive Umwandlungen sind ein zufälliger, statistischer Prozess.

Alle radioaktiven Umwandlungen gehen normalerweise mit der Freisetzung überschüssiger Energie aus dem Atomkern in der Form einher elektromagnetische Strahlung.

Gammastrahlung ist ein Strom von Gammaquanten mit hoher Energie und Durchschlagskraft.

Auch Röntgenstrahlen sind ein Strom von Photonen – meist mit geringerer Energie. Nur ist der „Geburtsort“ der Röntgenstrahlung nicht der Kern, sondern die Elektronenhüllen. Der Hauptfluss der Röntgenstrahlung entsteht in einem Stoff, wenn „radioaktive Teilchen“ („radioaktive Strahlung“ oder „ionisierende Strahlung“) ihn durchdringen.

Die wichtigsten Arten radioaktiver Umwandlungen:

• radioaktiver Zerfall;
• Spaltung von Atomkernen.

Dabei handelt es sich um die Emission, den Ausstoß „elementarer“ (atomarer, subatomarer) Teilchen, wie sie gemeinhin genannt werden, mit enormer Geschwindigkeit aus den Atomkernen radioaktive (ionisierende) Strahlung.

Wenn ein Isotop eines bestimmten chemischen Elements zerfällt, verwandelt es sich in ein anderes Isotop desselben Elements.

Für Natürlichkeit Bei den (natürlichen) Radionukliden sind die Hauptarten des radioaktiven Zerfalls der Alpha- und Beta-Minus-Zerfall.

Titel " Alpha" Und " Beta“ wurden von Ernest Rutherford im Jahr 1900 bei der Untersuchung radioaktiver Strahlung gegeben.

Für künstlich(Künstliche) Radionuklide zeichnen sich darüber hinaus auch durch Neutronen, Protonen, Positronen (Beta-Plus) und seltenere Arten von Zerfall und Kernumwandlungen (Mesonik, K-Einfang, isomerer Übergang usw.) aus.

Alpha-Zerfall

Dabei handelt es sich um die Emission eines Alphateilchens aus dem Atomkern, der aus 2 Protonen und 2 Neutronen besteht.

Ein Alphateilchen hat eine Masse von 4 Einheiten, eine Ladung von +2 und ist der Kern eines Heliumatoms (4He).

Durch die Emission eines Alphateilchens entsteht ein neues Element, das sich im Periodensystem befindet 2 Zellen nach links, da die Anzahl der Protonen im Kern und damit die Ladung des Kerns und die Elementzahl um zwei Einheiten geringer wurden. Und die Masse des resultierenden Isotops beträgt 4 Einheiten weniger.

A Alpha – Verfall- Dies ist eine charakteristische Art des radioaktiven Zerfalls für natürliche radioaktive Elemente der sechsten und siebten Periode der Tabelle von D.I. Mendelejew (Uran, Thorium und deren Zerfallsprodukte bis einschließlich Wismut) und insbesondere für künstliche – Transuran – Elemente.

Das heißt, einzelne Isotope aller schweren Elemente, beginnend mit Wismut, sind für diese Art des Zerfalls anfällig.

So entsteht zum Beispiel beim Alpha-Zerfall von Uran immer Thorium, beim Alpha-Zerfall von Thorium entsteht immer Radium, beim Zerfall von Radium entsteht immer Radon, dann Polonium und schließlich Blei. In diesem Fall entsteht aus einem bestimmten Isotop von Uran-238 Thorium-234, dann Radium-230, Radon-226 usw.

Die Geschwindigkeit eines Alphateilchens beim Verlassen des Kerns beträgt 12.000 bis 20.000 km/s.

Beta-Zerfall

Beta-Zerfall- die häufigste Art des radioaktiven Zerfalls (und radioaktiver Umwandlungen im Allgemeinen), insbesondere bei künstlichen Radionukliden.

Jedes chemische Element Es gibt mindestens ein Beta-aktives Isotop, das dem Beta-Zerfall unterliegt.

Ein Beispiel für ein natürliches betaaktives Radionuklid ist Kalium-40 (T1/2=1,3×109 Jahre), das natürliche Kaliumisotopengemisch enthält nur 0,0119 %.

Bedeutende natürliche betaaktive Radionuklide sind neben K-40 auch alle Zerfallsprodukte von Uran und Thorium, also alle Elemente von Thallium bis Uran.

Beta-Zerfall beinhaltet solche Arten radioaktiver Umwandlungen wie:

– Beta-Minus-Zerfall;

– Beta-Plus-Zerfall;

– K-Capture (elektronische Erfassung).

Beta minus Zerfall– das ist die Emission eines Beta-Minus-Teilchens aus dem Kern – Elektron , das durch die spontane Umwandlung eines der Neutronen in ein Proton und ein Elektron entstand.

Gleichzeitig das Betateilchen bei Geschwindigkeiten von bis zu 270.000 km/s(9/10 der Lichtgeschwindigkeit) fliegt aus dem Kern. Und da im Kern noch ein Proton mehr ist, verwandelt sich der Kern dieses Elements in den Kern des benachbarten Elements rechts – mit einer höheren Zahl.

Beim Beta-Minus-Zerfall wird radioaktives Kalium-40 in stabiles Calcium-40 umgewandelt (in der nächsten Zelle rechts). Und rechts davon verwandelt sich radioaktives Kalzium-47 in Scandium-47 (ebenfalls radioaktiv), das wiederum durch Beta-Minus-Zerfall ebenfalls in stabiles Titan-47 umgewandelt wird.

Beta plus Zerfall– Emission von Beta-Plus-Partikeln aus dem Kern – Positron (ein positiv geladenes „Elektron“), das durch die spontane Umwandlung eines der Protonen in ein Neutron und ein Positron entstand.

Dadurch (da es weniger Protonen gibt) wird aus diesem Element das links daneben stehende Element im Periodensystem.

Während des Beta-Plus-Zerfalls verwandelt sich beispielsweise das radioaktive Isotop von Magnesium, Magnesium-23, in ein stabiles Isotop von Natrium (links) – Natrium-23, und das radioaktive Isotop von Europium – Europium-150 – verwandelt sich in ein stabiles Isotop von Samarium - Samarium-150.

– Emission eines Neutrons aus dem Kern eines Atoms. Charakteristisch für Nuklide künstlichen Ursprungs.

Wenn ein Neutron emittiert wird, wandelt sich ein Isotop eines bestimmten chemischen Elements in ein anderes mit geringerem Gewicht um. Beim Neutronenzerfall wandelt sich beispielsweise das radioaktive Isotop von Lithium, Lithium-9, in Lithium-8, radioaktives Helium-5 in stabiles Helium-4 um.

Wenn ein stabiles Jodisotop – Jod-127 – mit Gammastrahlen bestrahlt wird, wird es radioaktiv, emittiert ein Neutron und verwandelt sich in ein anderes, ebenfalls radioaktives Isotop – Jod-126. Das ist ein Beispiel künstlicher Neutronenzerfall .

Durch radioaktive Umwandlungen können sie entstehen Isotope anderer chemischer Elemente oder desselben Elements, welche können selbst radioaktiv sein Elemente.

Diese. Der Zerfall eines bestimmten anfänglichen radioaktiven Isotops kann zu einer bestimmten Anzahl aufeinanderfolgender radioaktiver Umwandlungen verschiedener Isotope verschiedener chemischer Elemente führen, die die sogenannten bilden. „Zerfallsketten“.

Beispielsweise verwandelt sich Thorium-234, das beim Alpha-Zerfall von Uran-238 entsteht, in Protactinium-234, das wiederum wieder in Uran umgewandelt wird, jedoch in ein anderes Isotop – Uran-234.

Alle diese Alpha- und Beta-Minus-Übergänge enden mit der Bildung von stabilem Blei-206. Und Uran-234 unterliegt einem Alpha-Zerfall – wiederum in Thorium (Thorium-230). Darüber hinaus zerfällt Thorium-230 durch Alpha-Zerfall in Radium-226 und Radium in Radon.

Spaltung von Atomkernen

Ist es spontan oder unter dem Einfluss von Neutronen? Kernspaltung Atom in 2 ungefähr gleiche Teile, in zwei „Scherben“.

Bei der Teilung fliegen sie heraus 2-3 zusätzliche Neutronen Dabei wird ein Überschuss an Energie in Form von Gammaquanten freigesetzt, viel größer als beim radioaktiven Zerfall.

Wenn für einen radioaktiven Zerfallsakt normalerweise ein Gammastrahl entsteht, dann gibt es für einen Spaltungsakt 8-10 Gammaquanten!

Darüber hinaus verfügen fliegende Bruchstücke über eine hohe kinetische Energie (Geschwindigkeit), die in Wärmeenergie umgewandelt wird.

abgereist Neutronen können eine Spaltung verursachen zwei oder drei ähnliche Kerne, wenn sie in der Nähe sind und Neutronen auf sie treffen.

Somit wird es möglich, eine Verzweigung und Beschleunigung zu implementieren Spaltkettenreaktion Atomkerne setzen enorme Energiemengen frei.

Spaltkettenreaktion

Wenn sich die Kettenreaktion unkontrolliert entwickeln kann, kommt es zu einer atomaren (nuklearen) Explosion.

Wenn die Kettenreaktion unter Kontrolle gehalten wird, wird ihre Entwicklung kontrolliert, sie darf sich nicht beschleunigen und ständig zurückziehen freigesetzte Energie(Wärme), dann ist diese Energie („ Atomenergie") kann zur Stromerzeugung genutzt werden. Dies geschieht in Kernreaktoren und Kernkraftwerken.

Eigenschaften radioaktiver Umwandlungen

Halbwertszeit (T1/2 ) – die Zeit, in der die Hälfte der radioaktiven Atome zerfällt und ihre die Menge wird um das 2-fache reduziert.

Die Halbwertszeiten aller Radionuklide sind unterschiedlich – von Sekundenbruchteilen (kurzlebige Radionuklide) bis zu Milliarden von Jahren (langlebige Radionuklide).

Aktivität– Dies ist die Anzahl der Zerfallsereignisse (im Allgemeinen radioaktive, nukleare Umwandlungen) pro Zeiteinheit (normalerweise pro Sekunde). Die Aktivitätseinheiten sind Becquerel und Curie.

Becquerel (Bq)– Dies ist ein Zerfallsereignis pro Sekunde (1 Zerfall/Sek.).

Curie (Ci)– 3,7×1010 Bq (Anzeige/Sek.).

Die Einheit ist historisch entstanden: 1 Gramm Radium-226 im Gleichgewicht mit seinen Tochterzerfallsprodukten weist eine solche Aktivität auf. Mit Radium-226 arbeiteten die Nobelpreisträger, die französischen Wissenschaftlerehegatten Pierre Curie und Marie Sklodowska-Curie, viele Jahre lang.

Gesetz des radioaktiven Zerfalls

Die zeitliche Änderung der Aktivität eines Nuklids in einer Quelle hängt nach einem Exponentialgesetz von der Halbwertszeit eines bestimmten Nuklids ab:

AUnd(t) = AUnd (0) × exp(-0,693 t/T1/2 ),

Wo AUnd(0) – anfängliche Aktivität des Nuklids;
AUnd(t) – Aktivität nach der Zeit t;

T1/2 – Halbwertszeit des Nuklids.

Beziehung zwischen Masse Radionuklid(ohne Berücksichtigung der Masse des inaktiven Isotops) und seine Tätigkeit wird durch die folgende Beziehung ausgedrückt:

Wo MUnd– Radionuklidmasse, g;

T1/2 – Halbwertszeit des Radionuklids, s;

AUnd– Radionuklidaktivität, Bq;

A– Atommasse des Radionuklids.

Durchschlagskraft radioaktiver Strahlung.

Reichweite der Alphateilchen hängt von der Anfangsenergie ab und liegt in der Regel zwischen 3 und 7 (selten bis zu 13) cm in Luft und in dichten Medien bei Hundertstel mm (in Glas - 0,04 mm).

Alphastrahlung durchdringt weder ein Blatt Papier noch die menschliche Haut. Aufgrund ihrer Masse und Ladung haben Alphateilchen die größte Ionisierungsfähigkeit; sie zerstören alles, was ihnen in den Weg kommt, daher sind alphaaktive Radionuklide bei Aufnahme für Mensch und Tier am gefährlichsten.

Beta-Partikelreichweite in der Substanz aufgrund ihrer geringen Masse (~ 7000-fach).

Weniger als die Masse des Alphateilchens), sind Ladung und Größe viel größer. In diesem Fall ist die Bahn eines Betateilchens in der Materie nicht linear. Die Penetration hängt auch von der Energie ab.

Die Durchdringungsfähigkeit von Betateilchen, die beim radioaktiven Zerfall entstehen, ist in der Luft erreicht 2÷3 m, in Wasser und anderen Flüssigkeiten wird es in Zentimetern gemessen, in Feststoffen - in Bruchteilen von cm.

Betastrahlung dringt bis zu einer Tiefe von 1–2 cm in das Körpergewebe ein.

Schwächungsfaktor für N- und Gammastrahlung.

Die durchdringendsten Strahlungsarten sind Neutronen- und Gammastrahlung. Ihre Reichweite in der Luft kann reichen Dutzende und Hunderte von Metern(ebenfalls abhängig von der Energie), jedoch mit geringerer ionisierender Kraft.

Als Schutz vor N- und Gammastrahlung werden dicke Schichten aus Beton, Blei, Stahl etc. verwendet, die Rede ist vom Schwächungsfaktor.

Bezogen auf das Kobalt-60-Isotop (E = 1,17 und 1,33 MeV) ist bei einer 10-fachen Abschwächung der Gammastrahlung ein Schutz erforderlich vor:

• Blei ca. 5 cm dick;
• Beton ca. 33 cm;
• Wasser – 70 cm.

Zur 100-fachen Abschwächung der Gammastrahlung ist eine 9,5 cm dicke Bleiabschirmung erforderlich; Beton – 55 cm; Wasser – 115 cm.

Maßeinheiten in der Dosimetrie

Dosis (aus dem Griechischen – „teilen, portionieren“) Bestrahlung.

Expositionsdosis(für Röntgen- und Gammastrahlung) – bestimmt durch Luftionisation.

SI-Maßeinheit – „Coulomb pro kg“ (C/kg)- Dies ist die Expositionsdosis von Röntgen- oder Gammastrahlung, wenn sie erzeugt wird 1 kg Bei trockener Luft entsteht eine Ladung von Ionen gleichen Vorzeichens, gleich 1 Cl.

Die systemfremde Maßeinheit ist „Röntgen“.

1 R = 2,58× 10 -4 Kl/kg.

A-Priorat 1 Röntgen (1P)– Dies ist die Expositionsdosis bei deren Absorption 1 cm3 Es entsteht trockene Luft 2,08 × 10 9 Ionenpaare.

Die Beziehung zwischen diesen beiden Einheiten ist wie folgt:

1 C/kg = 3,68 ·103 R.

Expositionsdosis 1Р entspricht der absorbierten Dosis in der Luft 0,88 rad.

Dosis

Absorbierte Dosis– die Energie ionisierender Strahlung, die von einer Masseneinheit Materie absorbiert wird.

Unter der auf einen Stoff übertragenen Strahlungsenergie versteht man die Differenz zwischen der gesamten kinetischen Energie aller Teilchen und Photonen, die in das betrachtete Materievolumen eintreten, und der gesamten kinetischen Energie aller Teilchen und Photonen, die dieses Volumen verlassen. Daher berücksichtigt die absorbierte Dosis die gesamte in diesem Volumen verbleibende ionisierende Strahlungsenergie, unabhängig davon, wie diese Energie verbraucht wird.

Einheiten der absorbierten Dosis:

Grau (Gr)– Einheit der Energiedosis im SI-Einheitensystem. Entspricht 1 J Strahlungsenergie, die von 1 kg Substanz absorbiert wird.

Froh– außersystemische Einheit der absorbierten Dosis. Entspricht einer Strahlungsenergie von 100 Erg, die von einer 1 Gramm schweren Substanz absorbiert wird.

1 rad = 100 erg/g = 0,01 J/kg = 0,01 Gy.

Die biologische Wirkung bei gleicher absorbierter Dosis ist für verschiedene Strahlungsarten unterschiedlich.

Beispielsweise bei gleicher Energiedosis Alphastrahlung stellt sich heraus viel gefährlicher als Photonen- oder Betastrahlung. Dies liegt daran, dass Alpha-Partikel auf ihrem Weg im biologischen Gewebe eine dichtere Ionisierung erzeugen und so die schädlichen Auswirkungen auf den Körper auf ein bestimmtes Organ konzentrieren. In diesem Fall erfährt der gesamte Körper eine viel stärkere hemmende Wirkung der Strahlung.

Um bei der Bestrahlung mit stark geladenen Teilchen den gleichen biologischen Effekt zu erzielen, ist daher eine geringere absorbierte Dosis erforderlich als bei der Bestrahlung mit leichten Teilchen oder Photonen.

Äquivalente Dosis– Produkt aus der absorbierten Dosis und dem Strahlungsqualitätsfaktor.

Äquivalente Dosiseinheiten:

sievert(Sv) ist eine Maßeinheit für die Äquivalentdosis, jede Art von Strahlung, die die gleiche biologische Wirkung wie die absorbierte Dosis hervorruft 1 Gy

Somit, 1 Sv = 1 J/kg.

Nackt(nichtsystemische Einheit) ist die absorbierte Energiemenge ionisierender Strahlung 1 kg biologisches Gewebe, in dem die gleiche biologische Wirkung beobachtet wird wie bei der absorbierten Dosis 1 Rad Röntgen- oder Gammastrahlung.

1 rem = 0,01 Sv = 100 erg/g.

Der Name „rem“ setzt sich aus den Anfangsbuchstaben der Phrase „biologisches Äquivalent einer Röntgenaufnahme“ zusammen.

Bis vor Kurzem galt bei der Berechnung der Äquivalentdosis: „ Strahlungsqualitätsfaktoren » (K) – Korrekturfaktoren, die die unterschiedlichen Auswirkungen verschiedener Strahlungen bei gleicher absorbierter Dosis auf biologische Objekte (unterschiedliche Fähigkeiten zur Schädigung von Körpergewebe) berücksichtigen.

Jetzt werden diese Koeffizienten in den Strahlungssicherheitsstandards (NRB-99) als „Gewichtungskoeffizienten für einzelne Strahlungsarten bei der Berechnung der Äquivalentdosis (WR)“ bezeichnet.

Ihre Werte sind jeweils:

• Röntgen-, Gamma-, Betastrahlung, Elektronen und Positronen – 1 ;
• Protonen mit E über 2 MeV – 5 ;
• Neutronen mit E kleiner 10 keV) – 5 ;
• Neutronen mit E von 10 keV bis 100 keV – 10 ;
• Alphateilchen, Spaltfragmente, schwere Kerne – 20 usw.

Effektive Äquivalentdosis– Äquivalentdosis, berechnet unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Empfindlichkeit verschiedener Körpergewebe gegenüber Strahlung; gleich Äquivalentdosis, gewonnen von einem bestimmten Organ, Gewebe (unter Berücksichtigung ihres Gewichts), multipliziert mit dazugehörigen " Strahlungsrisikokoeffizient ».

Diese Koeffizienten werden im Strahlenschutz eingesetzt, um die unterschiedliche Empfindlichkeit verschiedener Organe und Gewebe beim Auftreten stochastischer Effekte durch Strahlenexposition zu berücksichtigen.

In NRB-99 werden sie als „Abwägungskoeffizienten für Gewebe und Organe bei der Berechnung der effektiven Dosis“ bezeichnet.

Für den Körper als Ganzes dieser Koeffizient wird gleich angenommen 1 , und für einige Organe hat es folgende Bedeutung:

• Knochenmark (rot) – 0,12; Gonaden (Eierstöcke, Hoden) – 0,20;
• Schilddrüse – 0,05; Leder – 0,01 usw.
• Lunge, Magen, Dickdarm – 0,12.

Um das Ganze zu bewerten WirksamÄquivalentdosis, die ein Mensch erhält, werden die angegebenen Dosen für alle Organe berechnet und aufsummiert.

Zur Messung der äquivalenten und effektiven Äquivalentdosis verwendet das SI-System dieselbe Einheit – sievert(Sv).

1 Sv gleich der Äquivalentdosis, bei der das Produkt der absorbierten Dosis in GR eyah (in biologischem Gewebe) durch die Gewichtungskoeffizienten wird gleich sein 1 J/kg.

Mit anderen Worten, dies ist die absorbierte Dosis, bei der 1 kg Stoffe geben Energie ab 1 J.

Die nichtsystemische Einheit ist die rem.

Beziehung zwischen Maßeinheiten:

1 Sv = 1 Gy * K = 1 J/kg * K = 100 rad * K = 100 rem

Bei K=1(für Röntgenstrahlung, Gamma-, Betastrahlung, Elektronen und Positronen) 1 Sv entspricht der absorbierten Dosis in 1 Gy:

1 Sv = 1 Gy = 1 J/kg = 100 rad = 100 rem.

Bereits in den 50er Jahren wurde festgestellt, dass Luft bei einer Expositionsdosis von 1 Röntgen etwa die gleiche Energiemenge absorbiert wie biologisches Gewebe.

Daher stellt sich heraus, dass wir bei der Schätzung der Dosen (mit minimalem Fehler) davon ausgehen können Expositionsdosis von 1 Röntgen für biologisches Gewebe entspricht(äquivalent) absorbierte Dosis von 1 rad Und Äquivalentdosis von 1 Rem(bei K=1), das heißt grob gesagt, 1 R, 1 rad und 1 rem sind dasselbe.

Bei einer Expositionsdosis von 12 μR/Stunde pro Jahr erhalten wir eine Dosis von 1 mSv.

Darüber hinaus werden zur Bewertung der Auswirkungen von KI folgende Konzepte verwendet:

Dosisleistung– erhaltene Dosis pro Zeiteinheit (Sekunde, Stunde).

Hintergrund– die Expositionsdosisleistung ionisierender Strahlung an einem bestimmten Ort.

Natürlicher Hintergrund– die Expositionsdosisleistung ionisierender Strahlung, die von allen natürlichen Strahlungsquellen erzeugt wird.

Quellen von Radionukliden, die in die Umwelt gelangen

1. Natürliche Radionuklide, die seit ihrer Entstehung (möglicherweise seit der Entstehung des Sonnensystems oder des Universums) bis in unsere Zeit überlebt haben, da sie lange Halbwertszeiten, also eine lange Lebensdauer, haben.

2.Radionuklide fragmentierten Ursprungs, die durch die Spaltung von Atomkernen entstehen. Sie entstehen in Kernreaktoren, in denen eine kontrollierte Kettenreaktion abläuft, sowie bei Atomwaffentests (unkontrollierte Kettenreaktion).

3. Radionuklide mit Aktivierungsursprung entstehen aus gewöhnlichen stabilen Isotopen durch Aktivierung, also wenn ein subatomares Teilchen (normalerweise ein Neutron) in den Kern eines stabilen Atoms eindringt, wodurch das stabile Atom radioaktiv wird. Sie werden durch die Aktivierung stabiler Isotope durch deren Platzierung im Reaktorkern oder durch Beschuss eines stabilen Isotops in Teilchenbeschleunigern mit Protonen, Elektronen usw. gewonnen.

Anwendungsgebiete von Radionuklidquellen

KI-Quellen finden Anwendung in der Industrie, der Landwirtschaft, der wissenschaftlichen Forschung und der Medizin. Allein in der Medizin werden etwa hundert Isotope für verschiedene medizinische Forschung, Diagnose, Sterilisation und Strahlentherapie verwendet.

Auf der ganzen Welt verwenden viele Labore radioaktive Materialien für wissenschaftliche Forschung. Thermoelektrische Generatoren auf Basis von Radioisotopen werden zur Stromerzeugung für die autarke Stromversorgung verschiedener Geräte in abgelegenen und schwer zugänglichen Gebieten (Funk- und Lichtbaken, Wetterstationen) eingesetzt.

Überall in der Industrie werden Instrumente mit radioaktiven Quellen zur Überwachung technologischer Prozesse (Dichte-, Füllstands- und Dickenmessgeräte), Instrumente zur zerstörungsfreien Prüfung (Gamma-Fehlerdetektoren) und Instrumente zur Analyse der Zusammensetzung von Materie eingesetzt. Strahlung wird verwendet, um die Größe und Qualität von Pflanzen zu steigern.

Der Einfluss von Strahlung auf den menschlichen Körper. Auswirkungen von Strahlung

Radioaktive Partikel Sie besitzen enorme Energie und Geschwindigkeit und kollidieren beim Durchgang durch jede Substanz mit Atomen und Molekülen dieser Substanz und führen zu ihre Zerstörung Ionisation, zur Bildung „heißer“ Ionen und freier Radikale.

Da biologisch Menschliches Gewebe besteht zu 70 % aus Wasser, dann zu einem großen Teil Es ist Wasser, das einer Ionisierung unterliegt. Ionen und freie Radikale bilden körperschädigende Verbindungen, die eine ganze Kette aufeinanderfolgender biochemischer Reaktionen auslösen und nach und nach zur Zerstörung von Zellmembranen (Zellwänden und anderen Strukturen) führen.

Strahlung wirkt sich je nach Geschlecht und Alter, dem Zustand des Körpers, seines Immunsystems usw. unterschiedlich auf den Menschen aus, besonders stark jedoch auf Säuglinge, Kinder und Jugendliche. Bei Strahlungseinwirkung versteckte (Inkubationszeit, latente) Zeit, das heißt, die Verzögerungszeit bis zum Einsetzen einer sichtbaren Wirkung kann Jahre oder sogar Jahrzehnte dauern.

Die Einwirkung von Strahlung auf den menschlichen Körper und biologische Objekte hat drei verschiedene negative Auswirkungen:

• genetische Wirkung für erbliche (Geschlechts-)Zellen des Körpers. Es kann und wird sich nur in der Nachwelt manifestieren;
• genetisch-stochastischer Effekt, manifestiert sich für den Erbapparat somatischer Zellen - Körperzellen. Es manifestiert sich im Laufe des Lebens einer bestimmten Person in Form verschiedener Mutationen und Krankheiten (einschließlich Krebs);
• somatische Wirkung, oder besser gesagt, immun. Dabei handelt es sich um eine Schwächung der körpereigenen Abwehrkräfte und des Immunsystems durch die Zerstörung von Zellmembranen und anderen Strukturen.

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Radioaktive Umwandlungen

Im Jahr 1903 entdeckte Pierre Curie, dass Uransalze kontinuierlich und ohne sichtbare Abnahme im Laufe der Zeit Wärmeenergie freisetzen, die pro Masseneinheit im Vergleich zur Energie der energiereichsten chemischen Reaktionen enorm erscheint. 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.

Ernest Rutherford hat einen großen Beitrag zum Verständnis dessen geleistet, was mit radioaktiven Substanzen geschieht. 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 – allerdings nur in solchen, die Uran und Thorium enthielten. Es schien überraschend und seltsam – woher könnte ein 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 widersprach allen Erfahrungen mehrerer Generationen von Chemikern.

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 Thoriumemanation genannt – vom lateinischen emanatio – Ausfluss oder Thoron), 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) – sie wurde Radium-Emanation oder Radon genannt. Es wurde auch festgestellt, dass Actinium eine eigene „Emanation“ besitzt, die innerhalb weniger Sekunden verschwindet; sie wurde Actinium-Emanation oder Actinon genannt. Anschließend stellte sich heraus, dass alle diese „Emanationen“ Isotope desselben chemischen Elements sind – Radon ( 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 (anderer Name 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 gewonnenen langlebigsten Isotop von Neptunium: 237 Np 233 Pa 233 U 229 Th 225 Ra 225 Ac 221 Fr 217 At 213 Bi 213 Po 2 09 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. Ein interessanteres Merkmal der 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, sodass Neptunium, selbst wenn es bei der Entstehung des Sonnensystems vorhanden gewesen wäre, bis heute nicht „überleben“ könnte, 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) umwandeln, 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 der modernen Erdkruste hängt natürlich sowohl von der Halbwertszeit der Ausgangsnuklide als auch von ihrem anfänglichen Verhältnis in dem Material ab, aus dem die Erde entstand. Und „normales“, nicht radiogenes Blei in der Erdkruste beträgt nur 1,4 %. Wenn es also anfangs kein Uran und Thorium auf der Erde gäbe, würde der darin enthaltene Bleigehalt nicht 1,6 × 10 –3 % betragen (ungefähr so ​​viel wie Kobalt), sondern 70-mal weniger (wie beispielsweise 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 von Atommassen, Blei aus einigen Uranmineralien isolierte, die kein Thorium enthielten, stellte sich heraus, dass seine Atommasse fast genau 206 betrug. Die Dichte dieses Bleis war etwas geringer, und es entsprach dem berechneten: ( Pb)  206/207,2 = 0,994(Pb), wobei (Pb) = 11,34 g/cm 3 . 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: An verschiedenen Orten entnommene Proben liefern leicht unterschiedliche Ergebnisse ( 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, Thorium-232 beträgt 14,05 Milliarden Jahre, Uran-235 (auch bekannt als „Aktinouran“) der Vorfahre der 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 folgendem Schluss: Das Verhältnis der Anzahl der Mütter ( 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, Radium 226 beträgt 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 = –N Bestimmen Sie den Wert  = 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 werden 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 umgewandelt . 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, dass beim -Zerfall ein -Teilchen (der Kern eines Heliumatoms) aus dem Kern emittiert wird, daher nimmt die Ladung des Kerns um 2 ab (eine Verschiebung im Periodensystem um zwei Zellen nach links). , und die Massenzahl nimmt um 4 ab, was uns erlaubt, vorherzusagen, welches Isotop des neuen Elements gebildet wird. Ein Beispiel kann der -Zerfall von Radon sein:  + . Beim -Zerfall hingegen erhöht sich die Zahl der Protonen im Kern um eins, die Masse des Kerns ändert sich jedoch 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. Anfangsnuklid, Endnuklid - . Die Abnahme der Masse (oder vielmehr der Massenzahl, also der Gesamtzahl der Protonen und Neutronen im Kern) beträgt 226 – 206 = 20, es wurden also 20/4 = 5 Alphateilchen emittiert. Diese Teilchen trugen 10 Protonen weg, und wenn es keine -Zerfälle gäbe, wäre die Kernladung des endgültigen Zerfallsprodukts gleich 88 - 10 = 78. Tatsächlich enthält das Endprodukt also während der Transformationen 82 Protonen 4 Neutronen wurden in Protonen umgewandelt und 4  Teilchen wurden emittiert.

Sehr oft folgen auf einen -Zerfall zwei -Zerfälle, und so kehrt das resultierende Element in die ursprüngliche Zelle der Elementtabelle zurück – in Form eines leichteren Isotops des ursprünglichen Elements. Dank dieser Tatsachen wurde klar, dass das periodische Gesetz von D. I. Mendeleev die Beziehung zwischen den Eigenschaften von Elementen und der Ladung ihres Kerns widerspiegelt und nicht ihre 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. Bemerkenswert unter ihnen waren Soddys Assistent Alexander Fleck, Soddys Praktikant A.S. Russell, der ungarische physikalische Chemiker und Radiochemiker György Hevesy, der 1911–1913 mit Rutherford an der Universität Manchester arbeitete, und der deutsche (und später amerikanische) physikalische Chemiker Casimir Fajans ( 1887–1975). ). Dieses Gesetz wird oft als Soddy-Fayence-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“, die Curies nannten es „induzierte Aktivität“, aber lange Zeit konnte niemand das Wesen des Phänomens erklären.

Im Jahr 1919 untersuchte Rutherford den Durchgang von Alphateilchen durch verschiedene Substanzen. Es stellte sich heraus, dass beim Auftreffen schnell fliegender -Teilchen auf Kerne leichter Elemente, beispielsweise Stickstoff, gelegentlich schnell fliegende Protonen (Wasserstoffkerne) herausgeschlagen werden können, während das -Teilchen selbst Teil des Kerns wird , was seine Ladung um eins erhöht. Somit entsteht durch die Reaktion +  + aus Stickstoff ein weiteres 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 wurde wahr: Der Mensch lernte, einige Elemente in andere umzuwandeln, obwohl zu Rutherfords Zeiten niemand ein praktisches Ergebnis von dieser Fähigkeit erwartete. Um α-Teilchen zu erhalten, war es tatsächlich notwendig, ihre Quelle zu haben, beispielsweise ein Radiumpräparat. Schlimmer noch: Für jede Million an Stickstoff freigesetzte α-Partikel wurden im Durchschnitt nur 20 Sauerstoffatome erhalten.

Im Laufe der Zeit wurden weitere Kernreaktionen realisiert, von denen viele praktische Anwendung fanden. Im April 1932 gab Rutherford auf einem Treffen der English Academy of Sciences (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, die eine geringere Ladung und Masse als Alphateilchen haben, dringen leichter in den Kern ein. Das Proton dringt in den Lithium-7-Kern ein und wandelt ihn in einen Beryllium-8-Kern um, der überschüssige Energie fast augenblicklich „abgibt“ und in zwei -Teilchen zerfällt: +  ()  2. Nehmen wir ein leichtes Isotop von Lithium (in natürlichem Lithium sind es 7,5 %), dann werden Kerne von zwei Heliumisotopen gebildet: +  ()  + . Beim Beschuss mit Sauerstoffprotonen wurde Fluor erhalten: +  + ; beim Beschuss von Aluminium – Magnesium: + + .

Viele verschiedene Umwandlungen wurden mit Deuteronen, den Kernen des schweren Wasserstoffisotops Deuterium, durchgeführt, die auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt wurden. So entstand bei der Reaktion +  + erstmals superschwerer Wasserstoff – Tritium. Die Kollision zweier Deuteronen kann unterschiedlich ablaufen: +  + , diese Prozesse sind wichtig für die Untersuchung der Möglichkeit einer kontrollierten thermonuklearen Reaktion. Die Reaktion +  ()  2 erwies sich als wichtig, da sie bereits bei einer relativ niedrigen Deuteronenenergie (0,16 MeV) abläuft und mit der Freisetzung kolossaler Energie einhergeht – 22,7 MeV (denken Sie daran, dass 1 MeV = 10 6 eV). und 1 eV = 96,5 kJ/mol).

Die Reaktion, die beim Beschuss von Beryllium mit -Teilchen abläuft, hat große praktische Bedeutung erlangt: +  ()  + , sie führte 1932 zur Entdeckung des neutralen Neutronenteilchens, und Radium-Beryllium-Neutronenquellen erwiesen sich als sehr praktisch für wissenschaftliche Forschung. Neutronen mit unterschiedlichen Energien können auch durch Reaktionen +  + erhalten werden; +  + ; +  + . Neutronen, die keine Ladung haben, dringen besonders leicht in Atomkerne ein und lösen dort 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: +  + . Diese Reaktion wird häufig in Kernreaktoren eingesetzt, um die Spaltungsreaktion von Uran zu kontrollieren: Cadmiumstäbe oder -platten werden in den Kernkessel geschoben, um die Reaktion zu verlangsamen.

Im Jahr 1934 machten die Ehemänner Irene und Frederic Joliot-Curie eine wichtige Entdeckung. Nachdem sie einige leichte Elemente mit Alphateilchen beschossen hatten (Polonium emittierte sie), erwarteten sie eine ähnliche Reaktion wie bereits für Beryllium bekannt, d. h. Neutronen ausschalten, zum Beispiel:

Wenn die Angelegenheit auf diese Umwandlungen beschränkt wäre, hätte der Neutronenfluss nach dem Stoppen der -Bestrahlung sofort versiegen müssen. Nachdem die Poloniumquelle entfernt worden war, erwarteten sie also die Einstellung aller Aktivitäten, stellten jedoch fest, dass der Teilchenzähler dies weiterhin tat Registrieren Sie Impulse, die nach und nach abklingen – in exakter Übereinstimmung mit dem Exponentialgesetz. 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 sie alle bei -Bestrahlung radioaktive Nuklide von Silizium oder Aluminium ergeben, die einem 227- oder Positronenzerfall unterliegen:

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, also durch 227-Strahlung, stabil werden; 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. METHODE DER 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 durch das Zerfallsprodukt von 60 Co-angeregten Kernen freigesetzt). Einige Transurane werden durch Bestrahlung mit Neutronen erzeugt. Beispielsweise entsteht aus natürlichem Uran-238 zunächst instabiles Uran-239, das beim -Zerfall ( T 1/2 = 23,5 min) wandelt sich in das erste Transuranelement Neptunium-239 um, und zwar wiederum ebenfalls durch -Zerfall ( 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 so 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 würde als Ergebnis der Reaktion +  + ein Neutron ein Proton aus dem Quecksilberatom herausschlagen und es in ein Goldatom umwandeln. Diese Reaktion gibt keine spezifischen Massenzahlen an ( A) Nuklide von Quecksilber und Gold. Gold ist in der Natur das einzige stabile Nuklid und natürliches Quecksilber ist ein komplexes Isotopengemisch 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 ...

Aber es geht auch anders: Wenn Quecksilber-196-Atome mit langsamen Neutronen bestrahlt werden, verwandeln sie sich in Quecksilber-197-Atome: +  + . Diese Atome mit einer Halbwertszeit von 2,7 Tagen unterliegen einem Elektroneneinfang und wandeln sich schließlich in stabile Goldatome um: + 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 Zufallsprozess und nur in bestimmten Fällen kann die Wahrscheinlichkeit eines Zerfalls über einen bestimmten Zeitraum abgeschätzt werden. 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: Es treten statistische Gesetze in Kraft, die für eine sehr große Anzahl von Objekten charakteristisch sind . Und dann kann jedes Radionuklid durch einen ganz bestimmten Wert charakterisiert werden – die Halbwertszeit ( T 1/2) 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, um 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 ist die 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 0e –   T, wobei  die sogenannte Zerfallskonstante ist. Formal ist er als Proportionalitätskoeffizient zwischen der Abklinggeschwindigkeit d definiert N/D T und verfügbare Anzahl an Kernen: d N/D T = –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 ergibt sich, dass die Zerfallskonstante umgekehrt proportional zur Halbwertszeit ist:  = ln2/ T 1/2 = 0,693/T 1/2. Der Wert  = 1/ wird als durchschnittliche Lebensdauer des Kerns bezeichnet. Zum Beispiel für 226 Ra T 1/2 = 1600 Jahre,  = 1109 Jahre.

Nach den angegebenen Formeln den Wert kennen T 1/2 (oder ) 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 % Die Zeit beträgt 100 – 25 = 75 %, die Wahrscheinlichkeit des Zerfalls 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 entsprechend 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). ).

Es war eine der wichtigsten Etappen in der Entwicklung des modernen physikalischen Wissens. Wissenschaftler kamen nicht sofort zu den richtigen Schlussfolgerungen hinsichtlich der Struktur der kleinsten Partikel. Und viel später wurden weitere Gesetze entdeckt – zum Beispiel die Bewegungsgesetze von Mikropartikeln sowie Merkmale der Umwandlung von Atomkernen, die beim radioaktiven Zerfall auftreten.

Rutherfords Experimente

Die radioaktiven Umwandlungen von Atomkernen wurden erstmals vom englischen Forscher Rutherford untersucht. Schon damals war klar, dass der Großteil der Masse eines Atoms in seinem Kern steckt, da Elektronen viele Hundert Mal leichter sind als Nukleonen. Um die positive Ladung im Kern zu untersuchen, schlug Rutherford 1906 vor, das Atom mit Alphateilchen zu untersuchen. Solche Teilchen entstanden beim Zerfall von Radium und einigen anderen Stoffen. Während seiner Experimente erlangte Rutherford ein Verständnis über die Struktur des Atoms, das den Namen „Planetenmodell“ erhielt.

Erste Beobachtungen von Radioaktivität

Bereits 1985 machte der englische Forscher W. Ramsay, der für seine Entdeckung des Argongases bekannt ist, eine interessante Entdeckung. Er entdeckte Heliumgas in einem Mineral namens Kleveit. Später wurden große Mengen Helium auch in anderen Mineralien gefunden, allerdings nur in solchen, die Thorium und Uran enthielten.

Dem Forscher erschien das sehr seltsam: Woher könnte das Gas in Mineralien kommen? Doch als Rutherford begann, die Natur der Radioaktivität zu untersuchen, stellte sich heraus, dass Helium ein Produkt des radioaktiven Zerfalls war. Einige chemische Elemente „bringen“ andere mit völlig neuen Eigenschaften hervor. Und diese Tatsache widersprach allen bisherigen Erfahrungen der damaligen Chemiker.

Frederick Soddys Beobachtung

Zusammen mit Rutherford war der Wissenschaftler Frederick Soddy direkt an der Forschung beteiligt. Er war Chemiker und daher beschäftigte sich seine gesamte Arbeit mit der Identifizierung chemischer Elemente anhand ihrer Eigenschaften. Tatsächlich wurden die radioaktiven Umwandlungen von Atomkernen erstmals von Soddy bemerkt. Es gelang ihm herauszufinden, was die Alphateilchen sind, die Rutherford in seinen Experimenten verwendete. Nach Messungen stellten Wissenschaftler fest, dass die Masse eines Alphateilchens 4 Atommasseneinheiten beträgt. Nachdem sie eine bestimmte Anzahl solcher Alphateilchen angesammelt hatten, stellten die Forscher fest, dass sie sich in eine neue Substanz verwandelten – Helium. Die Eigenschaften dieses Gases waren Soddy gut bekannt. Daher argumentierte er, dass Alphateilchen in der Lage seien, Elektronen von außen einzufangen und in neutrale Heliumatome umzuwandeln.

Veränderungen im Inneren eines Atomkerns

Nachfolgende Studien zielten darauf ab, die Merkmale des Atomkerns zu identifizieren. Wissenschaftler erkannten, dass alle Transformationen nicht mit Elektronen oder der Elektronenhülle, sondern direkt mit den Kernen selbst stattfinden. Es waren die radioaktiven Umwandlungen von Atomkernen, die zur Umwandlung einiger Stoffe in andere beitrugen. Zu diesem Zeitpunkt waren den Wissenschaftlern die Merkmale dieser Transformationen noch unbekannt. Aber eines war klar: Dadurch entstanden irgendwie neue chemische Elemente.

Erstmals konnten Wissenschaftler eine solche Kette von Metamorphosen bei der Umwandlung von Radium in Radon verfolgen. Die Reaktionen, die zu solchen Umwandlungen führten, begleitet von besonderer Strahlung, wurden von Forschern als nuklear bezeichnet. Nachdem sichergestellt war, dass alle diese Prozesse genau im Atomkern ablaufen, begannen die Wissenschaftler, andere Substanzen zu untersuchen, nicht nur Radium.

Offene Strahlungsarten

Die Hauptdisziplin, die möglicherweise Antworten auf solche Fragen erfordert, ist Physik (Klasse 9). Radioaktive Umwandlungen von Atomkernen sind Gegenstand ihres Kurses. Während Rutherford Experimente zur Durchdringungskraft der Uranstrahlung durchführte, entdeckte er zwei Arten von Strahlung oder radioaktive Umwandlungen. Die weniger durchdringende Art wurde Alphastrahlung genannt. Später wurde auch Betastrahlung untersucht. Gammastrahlung wurde erstmals 1900 von Paul Villard untersucht. Wissenschaftler haben gezeigt, dass das Phänomen der Radioaktivität mit dem Zerfall von Atomkernen zusammenhängt. Damit wurde den bis dahin vorherrschenden Vorstellungen vom Atom als unteilbarem Teilchen ein vernichtender Schlag versetzt.

Radioaktive Umwandlungen von Atomkernen: Haupttypen

Man geht heute davon aus, dass beim radioaktiven Zerfall drei Arten von Umwandlungen stattfinden: Alpha-Zerfall, Beta-Zerfall und Elektroneneinfang, auch K-Einfang genannt. Beim Alpha-Zerfall wird ein Alpha-Teilchen aus dem Kern, dem Kern eines Heliumatoms, emittiert. Der radioaktive Kern selbst wird in einen Kern mit geringerer elektrischer Ladung umgewandelt. Der Alpha-Zerfall ist charakteristisch für Stoffe, die die letzten Plätze im Periodensystem belegen. Zu den radioaktiven Umwandlungen von Atomkernen gehört auch der Beta-Zerfall. Auch die Zusammensetzung des Atomkerns ändert sich bei diesem Typ: Er verliert Neutrinos bzw. Antineutrinos sowie Elektronen und Positronen.

Dieser Zerfall geht mit kurzwelliger elektromagnetischer Strahlung einher. Beim Elektroneneinfang absorbiert der Kern eines Atoms eines der in der Nähe befindlichen Elektronen. In diesem Fall kann sich der Berylliumkern in einen Lithiumkern verwandeln. Dieser Typ wurde 1938 von einem amerikanischen Physiker namens Alvarez entdeckt, der auch die radioaktiven Umwandlungen von Atomkernen untersuchte. Die Fotos, mit denen die Forscher versuchten, solche Prozesse festzuhalten, enthalten aufgrund der geringen Größe der untersuchten Partikel Bilder, die einer verschwommenen Wolke ähneln.

Im Jahr 1900 erzählte Rutherford dem englischen Radiochemiker Frederick Soddy vom mysteriösen Thoron. Soddy bewies, dass Thoron ein Edelgas ähnlich dem Argon war, das einige Jahre zuvor in der Luft entdeckt worden war; Es war eines der Isotope von Radon, 220 Rn. Wie sich später herausstellte, entpuppte sich die Emanation von Radium als ein weiteres Radonisotop – 222 Rn (Halbwertszeit). T 1/2 = 3,825 Tage), und die Emanation von Actinium ist ein kurzlebiges Isotop desselben Elements: 219 Rn ( T 1/2 = 4 s). Darüber hinaus isolierten Rutherford und Soddy aus den Umwandlungsprodukten von Thorium ein neues nichtflüchtiges Element, das sich in seinen Eigenschaften von Thorium unterscheidet. Es wurde Thorium X genannt (später wurde festgestellt, dass es ein Isotop von Radium 224 Ra c war T 1/2 = 3,66 Tage). Wie sich herausstellte, wird die „Thoriumemanation“ genau aus Thorium X und nicht aus dem ursprünglichen Thorium freigesetzt. Ähnliche Beispiele häuften sich: Im zunächst chemisch gründlich gereinigten Uran oder Thorium kam es im Laufe der Zeit zu einer Beimischung radioaktiver Elemente, aus denen wiederum neue radioaktive Elemente, auch gasförmige, gewonnen wurden. So verwandelten sich aus vielen radioaktiven Medikamenten freigesetzte a-Teilchen in ein mit Helium identisches Gas, das Ende der 1860er Jahre auf der Sonne (Spektralmethode) und 1882 in einigen Gesteinen entdeckt wurde.

Die Ergebnisse ihrer gemeinsamen Arbeit wurden von Rutherford und Soddy 1902–1903 in einer Reihe von Artikeln im Philosophical Magazine veröffentlicht. In diesen Artikeln kamen die Autoren nach der Analyse der erzielten Ergebnisse zu dem Schluss, dass es möglich ist, einige chemische Elemente in andere umzuwandeln. Sie schrieben: „Radioaktivität ist ein atomares Phänomen, das von chemischen Veränderungen begleitet wird, bei denen neue Arten von Materie entstehen … Radioaktivität muss als Manifestation eines intraatomaren chemischen Prozesses betrachtet werden … Strahlung begleitet die Umwandlung von Atomen …“ . Durch eine atomare Umwandlung entsteht ein völlig neuer Stofftyp, der sich in seinen physikalischen und chemischen Eigenschaften völlig vom ursprünglichen Stoff unterscheidet.“

Damals waren diese Schlussfolgerungen sehr kühn; Andere prominente Wissenschaftler, darunter die Curies, beobachteten zwar ähnliche Phänomene, erklärten sie jedoch von Anfang an mit dem Vorhandensein „neuer“ Elemente in der ursprünglichen Substanz (Curie isolierte beispielsweise das darin enthaltene Polonium und Radium aus Uranerz). Dennoch hatten Rutherford und Soddy recht: Radioaktivität geht mit der Umwandlung einiger Elemente in andere einher

Es schien, als würde das Unerschütterliche zusammenbrechen: die Unveränderlichkeit und Unteilbarkeit der Atome, denn seit den Zeiten von Boyle und Lavoisier waren Chemiker zu dem Schluss gekommen, dass chemische Elemente (wie sie damals sagten, „einfache Körper“, die Bausteine) unzerlegbar seien des Universums), über die Unmöglichkeit ihrer Umwandlung ineinander. Was in den Köpfen der damaligen Wissenschaftler vorging, wird durch die Aussagen von D. I. Mendelejew deutlich belegt, der wahrscheinlich dachte, dass die Möglichkeit der „Umwandlung“ von Elementen, über die Alchemisten seit Jahrhunderten sprachen, das harmonische System zerstören würde Chemikalien, die er geschaffen hatte und die auf der ganzen Welt anerkannt wurden. Elemente. In einem 1906 veröffentlichten Lehrbuch Grundlagen der Chemie Er schrieb: „... Ich bin überhaupt nicht geneigt (auf der Grundlage der strengen, aber fruchtbaren Disziplin des induktiven Wissens), auch nur die hypothetische Konvertibilität einiger Elemente ineinander anzuerkennen, und ich sehe keine Möglichkeit für den Ursprung dieser Elemente Argon oder radioaktive Stoffe aus Uran oder umgekehrt.“

Die Zeit hat gezeigt, dass Mendelejews Ansichten hinsichtlich der Unmöglichkeit, einige chemische Elemente in andere umzuwandeln, falsch sind; gleichzeitig bestätigte es die Unantastbarkeit seiner wichtigsten Entdeckung – des Periodengesetzes. Nachfolgende Arbeiten von Physikern und Chemikern zeigten, in welchen Fällen sich einige Elemente in andere umwandeln können und welche Naturgesetze diese Umwandlungen steuern.

Transformationen von Elementen. Radioaktive Serie.

In den ersten beiden Jahrzehnten des 20. Jahrhunderts. Durch die Arbeit vieler Physiker und Radiochemiker wurden viele radioaktive Elemente entdeckt. Nach und nach wurde klar, dass die Produkte ihrer Umwandlung oft selbst radioaktiv sind und weitere, manchmal recht komplizierte Umwandlungen durchlaufen. Die Kenntnis der Reihenfolge, in der sich ein Radionuklid in ein anderes umwandelt, hat es ermöglicht, die sogenannten natürlichen radioaktiven Serien (oder radioaktiven Familien) zu konstruieren. Es gab drei davon, und sie wurden Uranreihe, Aktiniumreihe und Thoriumreihe genannt. Diese drei Reihen entstanden aus schweren natürlichen Elementen – Uran, bekannt seit dem 18. Jahrhundert, und Thorium, entdeckt im Jahr 1828 (instabiles Aktinium ist nicht der Vorfahre, sondern ein Zwischenmitglied der Aktiniumreihe). Später kam die Neptunium-Reihe hinzu, beginnend mit dem ersten Transuran-Element Nr. 93, das 1940 künstlich gewonnen wurde, Neptunium. Viele Produkte ihrer Transformation wurden auch nach den ursprünglichen Elementen benannt und schrieben die folgenden Schemata:

Uranreihe: UI ® UХ1 ® UХ2 ® UII ® Io (ion) ® Ra ® ... ® RaG.

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

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

Wie sich herausstellte, sind diese Reihen nicht immer „gerade“ Ketten: Von Zeit zu Zeit verzweigen sie sich. So kann sich UX2 mit einer Wahrscheinlichkeit von 0,15 % in UZ verwandeln, es geht dann in UII über. Ebenso kann ThC auf zwei Arten zerfallen: Die Umwandlung von ThC ® ThC" findet zu 66,3 % statt, und gleichzeitig findet mit einer Wahrscheinlichkeit von 33,7 % der Prozess ThC ® ThC" ® ThD statt. Dies sind die „Gabeln“ genannt, die parallele Umwandlung eines Radionuklids in verschiedene Produkte. Die Schwierigkeit, die korrekte Reihenfolge der radioaktiven Umwandlungen in dieser Reihe festzulegen, hing auch mit der sehr kurzen Lebensdauer vieler ihrer Mitglieder zusammen, insbesondere der betaaktiven.

Einst galt jedes neue Mitglied der radioaktiven Reihe als neues radioaktives Element, und Physiker und Radiochemiker führten ihre eigenen Bezeichnungen dafür ein: Ionium Io, Mesothorium-1 MsTh1, Actinouranium AcU, Thoriumemanation ThEm usw. usw. Diese Bezeichnungen sind umständlich und unbequem, es gibt kein klares System. Einige von ihnen werden jedoch teilweise immer noch traditionell in der Fachliteratur verwendet. Im Laufe der Zeit wurde klar, dass sich alle diese Symbole auf instabile Atomarten (genauer gesagt Kerne) gewöhnlicher chemischer Elemente – Radionuklide – beziehen. Um zwischen chemisch untrennbaren Elementen zu unterscheiden, die sich jedoch in der Halbwertszeit (und oft auch in der Art des Zerfalls) unterscheiden, schlug F. Soddy 1913 vor, sie Isotope zu nennen

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 (anderer Name 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 Neptuniumreihe, die in der Natur nicht vorkommt, mit dem künstlich gewonnenen langlebigsten Isotop des Neptuniums: 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. Ein interessanteres Merkmal der Neptunium-Reihe ist das Fehlen gasförmiger „Emanationen“ sowie des Endmitglieds der Reihe – Wismut anstelle von Blei. Die Halbwertszeit des Vorfahren dieser künstlichen Reihe beträgt „nur“ 2,14 Millionen Jahre, sodass Neptunium, selbst wenn es bei der Entstehung des Sonnensystems vorhanden gewesen wäre, bis heute nicht „überleben“ könnte, 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) umwandeln, 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 der modernen Erdkruste hängt natürlich sowohl von der Halbwertszeit der Ausgangsnuklide als auch von ihrem anfänglichen Verhältnis in dem Material ab, aus dem die Erde entstand. Und „normales“, nicht radiogenes Blei in der Erdkruste beträgt nur 1,4 %. Wenn es also anfangs kein Uran und Thorium auf der Erde gäbe, würde der darin enthaltene Bleigehalt nicht 1,6 × 10 –3 % betragen (ungefähr so ​​viel wie Kobalt), sondern 70-mal weniger (wie beispielsweise 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 von Atommassen, Blei aus einigen Uranmineralien isolierte, die kein Thorium enthielten, stellte sich heraus, dass seine Atommasse fast genau 206 betrug. Die Dichte dieses Bleis war etwas geringer, und es entsprach dem berechneten Wert: r (Pb) ґ 206/207,2 = 0,994r (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: An verschiedenen Orten entnommene Proben liefern leicht unterschiedliche Ergebnisse ( 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, Thorium-232 beträgt 14,05 Milliarden Jahre, Uran-235 (auch bekannt als „Aktinouran“) der Vorfahre der 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 folgendem Schluss: Das Verhältnis der Anzahl der Mütter ( 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, Radium 226 beträgt 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 Sie 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 werden 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 umgewandelt . 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, dass während eines -Zerfalls ein a -Teilchen (der Kern eines Heliumatoms) aus dem Kern emittiert wird, daher nimmt die Ladung des Kerns um 2 ab (eine Verschiebung im Periodensystem um zwei Zellen). links) und die Massenzahl nimmt um 4 ab, was uns erlaubt, vorherzusagen, welches Isotop des neuen Elements gebildet wird. Ein Beispiel ist der a -Zerfall von Radon: ® + . Beim b-Zerfall hingegen erhöht sich die Zahl der Protonen im Kern um eins, die Masse des Kerns ändert sich jedoch 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. Anfangsnuklid, Endnuklid - . Die Abnahme der Masse (oder vielmehr der Massenzahl, also der Gesamtzahl der Protonen und Neutronen im Kern) beträgt 226 – 206 = 20, es wurden also 20/4 = 5 Alphateilchen emittiert. Diese Teilchen trugen 10 Protonen weg, und wenn es keine b-Zerfälle gäbe, wäre die Kernladung des endgültigen Zerfallsprodukts 88 - 10 = 78. Tatsächlich enthält das Endprodukt also während des 82 Protonen Durch Umwandlungen wurden 4 Neutronen in Protonen umgewandelt und 4 b-Teilchen wurden emittiert.

Sehr oft folgen auf einen a-Zerfall zwei b-Zerfälle, und so kehrt das resultierende Element in die ursprüngliche Zelle der Elementtabelle zurück – in Form eines leichteren Isotops des ursprünglichen Elements. Dank dieser Tatsachen wurde klar, dass das periodische Gesetz von D. I. Mendeleev die Beziehung zwischen den Eigenschaften von Elementen und der Ladung ihres Kerns widerspiegelt und nicht ihre 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. Bemerkenswert unter ihnen waren Soddys Assistent Alexander Fleck, Soddys Praktikant A.S. Russell, der ungarische physikalische Chemiker und Radiochemiker György Hevesy, der 1911–1913 mit Rutherford an der Universität Manchester arbeitete, und der deutsche (und später amerikanische) physikalische Chemiker Casimir Fajans ( 1887–1975). Dieses Gesetz wird oft als Soddy-Fayence-Gesetz bezeichnet.

Künstliche Umwandlung von Elementen und künstliche Radioaktivität.

Viele verschiedene Umwandlungen wurden mit Deuteronen, den Kernen des schweren Wasserstoffisotops Deuterium, durchgeführt, die auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt wurden. So entstand bei der Reaktion + ® + erstmals superschwerer Wasserstoff – Tritium. Die Kollision zweier Deuteronen kann unterschiedlich ablaufen: + ® + , diese Prozesse sind wichtig für die Untersuchung der Möglichkeit einer kontrollierten thermonuklearen Reaktion. Die Reaktion + ® () ® 2 erwies sich als wichtig, da sie bereits bei einer relativ niedrigen Deuteronenenergie (0,16 MeV) abläuft und mit der Freisetzung kolossaler Energie einhergeht – 22,7 MeV (denken Sie daran, dass 1 MeV = 10 6 eV). und 1 eV = 96,5 kJ/mol).

Die Reaktion, die beim Beschuss von Beryllium mit a-Teilchen abläuft, hat große praktische Bedeutung erlangt: + ® () ® + , sie führte 1932 zur Entdeckung des neutralen Neutronenteilchens, und Radium-Beryllium-Neutronenquellen erwiesen sich als sehr praktisch für wissenschaftliche Forschung. Neutronen mit unterschiedlicher Energie können auch durch Reaktionen + ® + gewonnen werden; + ® + ; + ® + . Neutronen, die keine Ladung haben, dringen besonders leicht in Atomkerne ein und lösen dort 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 in Kernreaktoren eingesetzt, um die Spaltungsreaktion von Uran zu kontrollieren: Cadmiumstäbe oder -platten werden in den Kernkessel geschoben, um die Reaktion zu verlangsamen.

Wenn sich die Angelegenheit auf diese Umwandlungen beschränkte, hätte der Neutronenfluss nach dem Ende der a-Bestrahlung sofort versiegen müssen. Nachdem sie die Poloniumquelle entfernt hatten, erwarteten sie also das Ende aller Aktivitäten, stellten jedoch fest, dass der Teilchenzähler dies weiterhin tat registrieren nach und nach ausklingende Impulse – exakt nach dem Exponentialgesetz. 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 sie alle bei Luftbestrahlung radioaktive Nuklide von Silizium oder Aluminium erzeugen, die einem 227- oder Positronenzerfall unterliegen:

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, also durch 227-Strahlung, stabil werden; 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. METHODE DER 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 durch das Zerfallsprodukt von 60 Co-angeregten Kernen freigesetzt). Einige Transurane werden durch Bestrahlung mit Neutronen erzeugt. Beispielsweise entsteht aus natürlichem Uran-238 zunächst instabiles Uran-239, das beim b-Zerfall ( T 1/2 = 23,5 min) wandelt sich in das erste Transuranelement Neptunium-239 um, und zwar wiederum ebenfalls durch b-Zerfall ( 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 so 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 des neben Gold stehenden Elements im Periodensystem mit einem Neutronenstrom. Dann würde als Ergebnis der + ® +-Reaktion ein Neutron ein Proton aus dem Quecksilberatom herausschlagen und es in ein Goldatom umwandeln. Diese Reaktion gibt keine spezifischen Massenzahlen an ( A) Nuklide von Quecksilber und Gold. Gold ist in der Natur das einzige stabile Nuklid und natürliches Quecksilber ist ein komplexes Isotopengemisch 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 ...

Aber es geht 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(). 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 Zufallsprozess und nur in bestimmten Fällen kann die Wahrscheinlichkeit eines Zerfalls über einen bestimmten Zeitraum abgeschätzt werden. 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: Es treten statistische Gesetze in Kraft, die für eine sehr große Anzahl von Objekten charakteristisch sind . Und dann kann jedes Radionuklid durch einen ganz bestimmten Wert charakterisiert werden – die Halbwertszeit ( T 1/2) 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, um 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 ist die 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 0e – l T, wobei l die sogenannte Zerfallskonstante ist. 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 ergibt sich, dass die Zerfallskonstante umgekehrt proportional zur Halbwertszeit ist: l = ln2/ T 1/2 = 0,693/T 1/2. Der Wert t = 1/ l wird als mittlere Lebensdauer des Kerns bezeichnet. Zum Beispiel für 226 Ra T 1/2 = 1600 Jahre, t = 1109 Jahre.

Nach den angegebenen Formeln den Wert kennen T 1/2 (oder l) ist es einfach, die Radionuklidmenge nach einem beliebigen Zeitraum zu berechnen, und Sie können sie auch zur Berechnung der Halbwertszeit verwenden, wenn die Radionuklidmenge 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 % Die Zeit beträgt 100 – 25 = 75 %, die Wahrscheinlichkeit des Zerfalls 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 entsprechend 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

Somit wird von 16 Atomen nach 4 Stunden (4 Halbwertszeiten) überhaupt keins übrig bleiben, wie man annehmen könnte: Die Wahrscheinlichkeit dieses Ereignisses beträgt nur 38,4 %, ist aber größer als die Wahrscheinlichkeit jedes anderen Ereignisses. Wie aus der Tabelle hervorgeht, ist auch die Wahrscheinlichkeit, dass alle 16 Atome (35,2 %) oder nur 14 davon zerfallen, sehr hoch. Aber die Wahrscheinlichkeit, dass nach 4 Halbwertszeiten alle Atome „am Leben“ bleiben (kein einziges ist zerfallen), ist vernachlässigbar. Es ist klar, dass, wenn es nicht 16 Atome gibt, sondern, sagen wir, 10 20, wir mit fast 100-prozentiger Sicherheit sagen können, dass nach 1 Stunde die Hälfte ihrer Zahl übrig bleibt, nach 2 Stunden – ein Viertel usw. Das heißt, je mehr Atome vorhanden sind, desto genauer entspricht ihr Zerfall dem Exponentialgesetz.

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 Falle 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 instabilen Kerne – Radionuklide – nähert sich der Zweitausend, ihre Lebensdauer schwankt in sehr weiten Grenzen. Es sind sowohl langlebige Radionuklide bekannt, deren Halbwertszeiten Millionen oder sogar Milliarden Jahre betragen, 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
110	Ds	271	56 ms
111	–	272	1,5 ms
112	–	277	0,24 ms

Das kurzlebigste bekannte Nuklid ist 5 Li (seine Lebensdauer beträgt 4,4·10 –22 s). Während dieser Zeit bewegt sich selbst Licht nur 10–11 cm, d. h. ein Abstand, der nur mehrere zehnmal größer als der Durchmesser des Kerns und deutlich kleiner als die Größe eines Atoms ist. Am langlebigsten ist 128 Te (im natürlichen Tellur in einer Menge von 31,7 % enthalten) mit einer Halbwertszeit von acht Septillionen (8·10 24) Jahren – man kann es kaum als radioaktiv bezeichnen; Zum Vergleich: Unser Universum ist schätzungsweise „nur“ 10 10 Jahre alt.

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, 1979
Choppin G. et al. Kernchemie. M., Energoatomizdat, 1984
Hoffmann K. Ist es möglich, Gold herzustellen?? L., Chemie, 1984
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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. Unter natürlichen Bedingungen gebildete und vorhandene radioaktive Isotope 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 war der erste, der die Strahlungsintensität von Uran maß und gleichzeitig mit dem deutschen Wissenschaftler G.S. Schmidt die Radioaktivität im Thorium entdeckte. 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 Ordnungszahl 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 physikalischen Eigenschaften, insbesondere in den radioaktiven Eigenschaften (Art der Strahlung, Zerfallsrate), voneinander unterscheiden ). 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 gleichzeitig künstliche Radioaktivität und eine neue Art des radioaktiven Zerfalls entdeckt – der Positronenzerfall oder b+-Zerfall. Die Joliot-Curies vertraten die Idee, dass alle schnellen Teilchen (Protonen, Deuteronen, Neutronen) Kernreaktionen auslösen und zur Gewinnung natürlich radioaktiver Isotope genutzt werden können. 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.

 

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