تبدیلات رادیواکتیو هسته اتم چیست؟ تبدیلات رادیواکتیو هسته ها
کیمیاگری جدید؟ در سال 1903، پیر کوری کشف کرد که نمک های اورانیوم به طور مداوم و بدون کاهش قابل مشاهده در طول زمان، انرژی گرمایی ساطع می کنند که در واحد جرم در مقایسه با انرژی پرانرژی ترین ها بسیار زیاد به نظر می رسد. واکنش های شیمیایی. رادیوم حتی گرمای بیشتری آزاد می کند - حدود 107 ژول در ساعت به ازای هر 1 گرم ماده خالص. معلوم شد که عناصر رادیواکتیو موجود در اعماق کره زمین (در شرایط حذف حرارت محدود) برای ذوب ماگما کافی است.
منبع این انرژی به ظاهر تمام نشدنی کجاست؟ ماری کوری در اواخر قرن نوزدهم مطرح شد. دو فرضیه یکی از آنها (به اشتراک گذاشته شده توسط لرد کلوین ) این بود که مواد رادیواکتیو نوعی تشعشع کیهانی را جذب می کنند و انرژی لازم را ذخیره می کنند. مطابق با فرضیه دوم، تابش با تغییراتی در خود اتم ها همراه است که در عین حال انرژی را از دست می دهد که ساطع می شود. هر دو فرضیه به یک اندازه باورنکردنی به نظر می رسیدند، اما به تدریج شواهد بیشتری به نفع فرضیه دوم جمع آوری شد.
کمک بزرگی به درک اینکه چه اتفاقی برای مواد رادیواکتیو می افتد توسط ارنست رادرفورد. در سال 1895 شیمیدان انگلیسی ویلیام رمزی که به دلیل کشف آرگون در هوا مشهور شد، گاز نجیب دیگری به نام هلیوم را در ماده معدنی کلویت کشف کرد. پس از آن، مقادیر قابل توجهی هلیوم در سایر مواد معدنی کشف شد، اما فقط آنهایی که حاوی اورانیوم و توریم بودند. شگفت انگیز و عجیب به نظر می رسید که گاز کمیاب از کجا می تواند در مواد معدنی باشد؟ وقتی رادرفورد شروع به بررسی ماهیت ذرات آلفا کرد که از مواد معدنی رادیواکتیو ساطع می‌شوند، مشخص شد که هلیوم محصول تجزیه رادیواکتیو است. سانتی متر.رادیواکتیویته). این بدان معنی است که برخی از عناصر شیمیایی قادر به "تولید" عناصر دیگر هستند؛ این با تمام تجربیات انباشته شده توسط چندین نسل از شیمیدانان در تضاد است.
با این حال، "تبدیل" اورانیوم و توریم به هلیوم محدود به آن نبود. در سال 1899، پدیده عجیب دیگری در آزمایشگاه رادرفورد مشاهده شد (در آن زمان او در مونترال کار می کرد): آماده سازی عنصر توریم در یک آمپول بسته فعالیت ثابتی داشت، اما در هوای آزاد فعالیت آنها بستگی داشت. پیش نویس. رادرفورد به سرعت متوجه شد که توریم گاز رادیواکتیو ساطع می کند (به آن تراوش توریم از خروجی لاتین emanatio یا تورون گفته می شد)، فعالیت این گاز بسیار سریع کاهش یافت: در حدود یک دقیقه به نصف (طبق داده های مدرن در 55.6 ثانیه) . گازی مشابهی نیز در رادیوم کشف شد (فعالیت آن بسیار کندتر کاهش می‌یابد) و به آن انتشار رادیوم یا رادون می‌گویند. همچنین مشخص شد که اکتینیوم دارای "نظاره" خاص خود است که در عرض چند ثانیه ناپدید می شود و به آن تراوش اکتینیوم یا اکتینون می گفتند. متعاقباً معلوم شد که همه این "انتشارها" ایزوتوپهای همان عنصر شیمیایی رادون هستند ( سانتی متر.عناصر شیمیایی).
پس از انتساب هر یک از اعضای سری به یکی از ایزوتوپ های عناصر شیمیایی شناخته شده، مشخص شد که سری اورانیوم با اورانیوم 238 آغاز می شود. تی 1/2 = 4.47 میلیارد سال) و با سرب پایدار-206 به پایان می رسد. از آنجایی که یکی از اعضای این سری عنصر بسیار مهم رادیوم است، به این سری سری رادیوم اورانیوم نیز می گویند. سری اکتینیوم (نام دیگر آن سری اکتینورانیوم است) نیز از اورانیوم طبیعی سرچشمه می گیرد، اما از ایزوتوپ دیگر آن 235 U. تی 1/2 = 794 میلیون سال). سری توریم با نوکلید 232 Th ( تی 1/2 = 14 میلیارد سال). در نهایت، سری نپتونیوم، که در طبیعت وجود ندارد، با طولانی‌ترین ایزوتوپ نپتونیوم تولید شده به‌طور مصنوعی آغاز می‌شود: 237 نیوتن‌پال.
® 233 Pa ® 233 U ® 229 Th ® 225 Ra ® 225 Ac ® 221 Fr ® 217 At ® 213 Bi ® 213 Po ® 209 Pb ® 209 بی. در این سری یک "چنگال" نیز وجود دارد: 213 Bi با احتمال 2٪ می تواند به 209 Tl تبدیل شود که در حال حاضر به 209 Pb تبدیل می شود. بیشتر ویژگی جالبسری نپتونیوم عدم وجود «نشات» گازی است و عضو انتهایی سری به جای سرب، بیسموت است. نیمه عمر اجداد این سری مصنوعی "تنها" 2.14 میلیون سال است، بنابراین نپتونیوم، حتی اگر در طول شکل گیری وجود داشته باشد. منظومه شمسی، نتوانست تا به امروز "بقا" کند، زیرا سن زمین 4.6 میلیارد سال تخمین زده می شود و در این مدت (بیش از 2000 نیمه عمر) حتی یک اتم از نپتونیم باقی نمی ماند.به عنوان مثال، رادرفورد پیچیدگی رویدادهای زنجیره تبدیل رادیوم را باز کرد (رادیوم-226 ششمین عضو از سری پرتوزای اورانیوم-238 است). نمودار هم نمادهای زمان رادرفورد و هم نمادهای مدرن برای هسته‌ها، و هم نوع پوسیدگی و داده‌های مدرن در نیمه عمر را نشان می‌دهد. در سری فوق یک "چنگال" کوچک نیز وجود دارد: RaC با احتمال 0.04٪ می تواند به RaC""(210 Tl) تبدیل شود که سپس به همان RaD تبدیل می شود ( تی 1/2 = 1.3 دقیقه). این سرب رادیواکتیو نیمه عمر نسبتاً طولانی دارد، بنابراین در طول آزمایش اغلب می توان تغییرات بعدی آن را نادیده گرفت.
آخرین عضو این سری، lead-206 (RaG)، پایدار است. در سرب طبیعی 24.1٪ است. سری توریم به سرب-208 پایدار منتهی می شود (محتوای آن در سرب "معمولی" 52.4٪ است، سری اکتینیوم منجر به سرب-207 می شود (محتوای آن در سرب 22.1٪ است). نسبت این ایزوتوپ های سرب در مدرن پوسته زمینالبته هم با نیمه عمر هسته های اصلی و هم با نسبت اولیه آنها در ماده ای که زمین از آن تشکیل شده است مرتبط است. و سرب "معمولی"، غیر پرتوزا، در پوسته زمین تنها 1.4٪ است. بنابراین، اگر در ابتدا اورانیوم و توریم روی زمین وجود نداشت، نه 1.6×103٪ سرب (تقریباً مشابه کبالت)، بلکه 70 برابر کمتر (مثل فلزات کمیاب مانند ایندیم و تولیوم) در آن وجود داشت. !). از سوی دیگر، یک شیمیدان خیالی که چندین میلیارد سال پیش به سیاره ما پرواز کرده بود، سرب بسیار کمتر و اورانیوم و توریم بسیار بیشتری در آن پیدا می کرد.هنگامی که F. Soddy در سال 1915 سرب را از تجزیه توریم از توریت معدنی سیلان (ThSiO 4) جدا کرد، جرم اتمی آن برابر با 207.77 بود، یعنی بیشتر از سرب "معمولی" (207.2). این تفاوت با "تئوری" (208) است که با این واقعیت توضیح داده می شود که توریت حاوی مقداری اورانیوم است که سرب-206 تولید می کند. هنگامی که شیمیدان آمریکایی تئودور ویلیام ریچاردز، یک مرجع در اندازه گیری توده های اتمیبا جداسازی سرب از برخی مواد معدنی اورانیوم که حاوی توریم نبودند، جرم اتمی آن تقریباً دقیقاً 206 بود. چگالی این سرب نیز کمی کمتر بود و با مقدار محاسبه شده مطابقت داشت:
r (Pb) ґ 206/207.2 = 0.994 r (Pb)، که در آن r (Pb) = 11.34 g/cm3. این نتایج به وضوح نشان می دهد که چرا برای سرب، مانند تعدادی از عناصر دیگر، اندازه گیری جرم اتمی با دقت بسیار بالا فایده ای ندارد: نمونه های گرفته شده در جاهای مختلف، نتایج کمی متفاوت خواهد داد ( سانتی متر.واحد کربن).در طبیعت، زنجیره های تبدیل نشان داده شده در نمودارها به طور مداوم رخ می دهد. در نتیجه، برخی از عناصر شیمیایی (رادیواکتیو) به عناصر دیگر تبدیل می شوند و چنین دگرگونی هایی در کل دوره وجود زمین رخ می دهد. اعضای اولیه (که مادر نامیده می شوند) سری پرتوزا بیشترین عمر را دارند: نیمه عمر اورانیوم 238 4.47 میلیارد سال، توریم 232 14.05 میلیارد سال است، اورانیوم 235 (معروف به "اکتین اورانیوم" جد سری اکتینیوم) 703.8 میلیون سال. تمام اعضای بعدی ("دختر") این زنجیره طولانی به طور قابل توجهی زندگی کوتاه تری دارند. در این حالت حالتی رخ می دهد که رادیوشیمی دانان آن را "تعادل رادیواکتیو" می نامند: سرعت تشکیل یک رادیونوکلئید میانی از اورانیوم مادر، توریم یا اکتینیم (این میزان بسیار کم است) برابر است با سرعت فروپاشی این هسته. در نتیجه برابری این نرخ ها، محتوای یک رادیونوکلئید معین ثابت است و فقط به نیمه عمر آن بستگی دارد: غلظت اعضای کوتاه مدت سری پرتوزا کم است و غلظت اعضای با عمر طولانی بزرگتر این ثبات محتوای محصولات پوسیدگی میانی برای مدت بسیار طولانی باقی می ماند (این زمان توسط نیمه عمر هسته اصلی تعیین می شود که بسیار طولانی است). تبدیل های ساده ریاضی منجر به به نتیجه گیری زیر: نسبت تعداد مادر ( ن 0) و کودکان ( ن 1 , ن 2 , ن 3...) اتم ها با نیمه عمر آنها نسبت مستقیم دارند: ن 0:ن 1:ن 2:ن 3 ... = تی 0:تی 1:تی 2:تی 3 ... بنابراین نیمه عمر اورانیوم 238 4.47 10 9 سال، رادیوم 226 1600 سال است، بنابراین نسبت تعداد اتم های اورانیوم 238 و رادیوم 226 در سنگ معدن اورانیوم 4.47 10 9:1600 است. ، که از آن به راحتی می توان (با در نظر گرفتن جرم اتمی این عناصر) محاسبه کرد که برای 1 تن اورانیوم، وقتی به تعادل رادیواکتیو رسید، تنها 0.34 گرم رادیوم وجود دارد.
و بالعکس، با دانستن نسبت اورانیوم و رادیوم در سنگ معدن و همچنین نیمه عمر رادیوم، می توان نیمه عمر اورانیوم را تعیین کرد و برای تعیین نیمه عمر رادیوم نیازی به تعیین نیمه عمر رادیوم نیست. بیش از هزار سال صبر کنید، کافی است (با رادیواکتیویته آن) میزان واپاشی (یعنی مقدار d) اندازه گیری شود. ن/d تی) مقدار کمی شناخته شده از آن عنصر (با تعداد مشخصی اتم ن) و سپس طبق فرمول d ن/d تی =
ل N مقدار را تعیین کنید l = ln2/ تی 1/2 . قانون جابجایی اگر اعضای هر سری رادیواکتیو به صورت متوالی در جدول تناوبی عناصر ترسیم شوند، معلوم می‌شود که رادیونوکلئیدهای این سری به آرامی از عنصر اصلی (اورانیوم، توریم یا نپتونیم) به سرب یا بیسموت تغییر نمی‌کنند، بلکه «پرش» دارند. به سمت راست و سپس به سمت چپ. بنابراین، در سری اورانیوم، دو ایزوتوپ ناپایدار سرب (عنصر شماره 82) به ایزوتوپ های بیسموت (عنصر شماره 83)، سپس به ایزوتوپ های پولونیوم (عنصر شماره 84)، و سپس دوباره به ایزوتوپ های سرب تبدیل می شوند. در نتیجه، عنصر رادیواکتیو اغلب به همان سلول جدول عناصر باز می گردد، اما ایزوتوپی با جرم متفاوت تشکیل می شود. معلوم شد که الگوی خاصی در این "پرش ها" وجود دارد که F. Soddy در سال 1911 متوجه آن شد.اکنون مشخص شده است که چه زمانی
آ - از هسته تجزیه می شودآ -ذره (هسته اتم هلیوم،بنابراین، بار هسته ای 2 کاهش می یابد (تغییر در جدول تناوبی توسط دو سلول به چپ)، و تعداد جرمی 4 کاهش می یابد، که این امر امکان پیش بینی اینکه کدام ایزوتوپ عنصر جدید تشکیل می شود، امکان پذیر است. یک تصویر می تواند باشدواپاشی -رادون: ® + . در ب - واپاشی، برعکس، تعداد پروتون های هسته یک عدد افزایش می یابد، اما جرم هسته تغییر نمی کند ( سانتی متر.رادیواکتیویته) ، یعنی یک جابجایی در جدول عناصر با یک سلول به سمت راست وجود دارد. یک مثال دو تبدیل متوالی پلونیوم از رادون است:® ® . بنابراین، اگر "چنگال" را در نظر نگیریم، می توان محاسبه کرد که چه تعداد ذرات آلفا و بتا، به عنوان مثال، در نتیجه تجزیه رادیوم 226 (به سری اورانیوم مراجعه کنید) منتشر می شود. نوکلید والد، نهایی . کاهش جرم (یا بهتر است بگوییم تعداد جرمی، یعنی تعداد کل پروتون ها و نوترون ها در هسته) برابر با 226 206 = 20 است، بنابراین، 20/4 = 5 ذره آلفا منتشر شد. این ذرات 10 پروتون را با خود بردند، و اگر وجود نداشتب - واپاشی، بار هسته ای محصول فروپاشی نهایی برابر با 88 10 = 78 خواهد بود. در واقع، 82 پروتون در محصول نهایی وجود دارد، بنابراین، در طول تبدیل، 4 نوترون به پروتون تبدیل شد و 4 نوترون ساطع شد.ب -ذرات.خیلی وقت ها بعد از
آ پوسیدگی به دنبال دوب - واپاشی، و بنابراین عنصر حاصل به سلول اصلی جدول عناصر به شکل ایزوتوپ سبکتر عنصر اصلی باز می گردد. به لطف این حقایق، آشکار شد که قانون دوره ای D.I. مندلیف ارتباط بین خواص عناصر و بار هسته آنها و نه جرم آنها را منعکس می کند (همانطور که در ابتدا زمانی که ساختار اتم مشخص نبود فرموله شد).قانون جابجایی رادیواکتیو سرانجام در سال 1913 در نتیجه تحقیقات پر زحمت بسیاری از دانشمندان تدوین شد. از جمله دستیار سودی، الکساندر فلک، کارآموز سودی، A.S. راسل، شیمی دان فیزیک و رادیو شیمیدان مجارستانی، گیورگی هوسی، که برای رادرفورد در دانشگاه منچستر در سال های 1911-1913 کار می کرد، و شیمی فیزیکدان آلمانی (و بعدها آمریکایی) شایان ذکر است. کازیمیر فاجانس (1887–1975). این قانون اغلب قانون سودی نامیده می شود.
تبدیل مصنوعی عناصر و رادیواکتیویته مصنوعی. از زمان بکرل، مشاهده شده است که معمولی ترین موادی که در نزدیکی ترکیبات رادیواکتیو بوده اند، کم و بیش رادیواکتیو می شوند. رادرفورد آن را «فعالیت هیجان‌انگیز» و کوری‌ها آن را «فعالیت القایی» نامیدند، اما برای مدت طولانی هیچکس نمی‌توانست ماهیت این پدیده را توضیح دهد.در سال 1919 رادرفورد این قطعه را مطالعه کرد
آ -ذرات از طریق مواد مختلف معلوم شد که هنگام برخورد سریع پروازآ - ذرات مربوط به هسته عناصر سبک، به عنوان مثال، نیتروژن، که پروتون های سریع در حال پرواز (هسته هیدروژن) گاهی اوقات می توانند از بین بروند، در حالی کهآ -ذره بخشی از هسته است که بار آن را یک بار افزایش می دهد. بنابراین، در نتیجه واکنش+ ® + دیگری از نیتروژن تشکیل شده است عنصر شیمیاییاکسیژن (ایزوتوپ سنگین آن). این اولین واکنش مصنوعی برای تبدیل یک عنصر به عنصر دیگر بود. در این، و همچنین سایر فرآیندهای هسته ای، هم بار کل (زیرنویس ها) و هم عدد جرمی حفظ می شوند، یعنی. تعداد کل پروتون ها و نوترون ها (بالانویس).رویای دیرینه کیمیاگران محقق شد: انسان آموخته است که برخی از عناصر را به عناصر دیگر تبدیل کند، با این حال، خروج عملیدر زمان رادرفورد هیچکس انتظار این مهارت را نداشت. در واقع، برای به دست آوردن
آ -ذرات، لازم بود منبع آنها مثلاً آماده سازی رادیوم باشد. بدتر از آن، به ازای هر میلیون «آزاد شده برای نیتروژن»آ - ذرات به طور متوسط تنها 20 اتم اکسیژن دارند.با گذشت زمان، واکنش‌های هسته‌ای دیگر محقق شد و بسیاری از آنها کاربرد عملی پیدا کردند. در آوریل 1932، رادرفورد در جلسه آکادمی علوم انگلیسی (انجمن سلطنتی)، اعلام کرد که آزمایشگاه او با موفقیت واکنش های تقسیم عناصر سبک (مثلاً لیتیوم) با پروتون ها را انجام داده است. برای انجام این کار، پروتون های به دست آمده از هیدروژن با استفاده از ولتاژهای بالا برابر با ده ها یا حتی صدها هزار ولت شتاب گرفتند. پروتون هایی که کمتر از
آ - ذرات، بار و جرم، راحت تر به هسته نفوذ می کنند. پروتون با معرفی خود به هسته لیتیوم-7، آن را به هسته بریلیوم-8 تبدیل می کند که تقریباً بلافاصله انرژی اضافی را "دفع" می کند و به دو نیم می شود.ذرات a: + ® () ® 2 . اگر ایزوتوپ سبک لیتیوم را بگیریم (لیتیوم طبیعی حاوی 7.5٪ است)، هسته های دو ایزوتوپ هلیوم تشکیل می شود:+ ® () ® + . هنگامی که با پروتون های اکسیژن بمباران شد، فلوئور به دست آمد: + ® + ; هنگام شلیک منیزیم آلومینیوم:+ ® + .بسیاری از دگرگونی‌های مختلف با دوترون‌ها، هسته‌های ایزوتوپ هیدروژن سنگین دوتریوم، که به سرعت‌های بالا شتاب می‌گرفتند، انجام شد. بنابراین، در طول واکنش
+ ® + هیدروژن فوق سنگین و تریتیوم برای اولین بار تولید شد. برخورد دو دوترون می تواند متفاوت باشد: + ® + ، این فرآیندها برای مطالعه امکان یک واکنش گرما هسته ای کنترل شده مهم هستند. واکنش مهم بود+ ® () ® 2 از آنجایی که قبلاً در انرژی نسبتاً کم دوترون (0.16 MeV) رخ می دهد و با آزاد شدن انرژی عظیم 22.7 MeV همراه است (به یاد بیاورید که 1 MeV = 106 eV و 1 eV = 96.5 kJ/mol).واکنشی که در حین پوست اندازی بریلیم رخ می دهد اهمیت عملی زیادی پیدا کرده است.
الف - ذرات: + ® () ® + ، در سال 1932 منجر به کشف ذره نوترون خنثی شد و معلوم شد که منابع نوترونی رادیوم-بریلیم بسیار مناسب هستند. تحقیق علمی. نوترون هایی با انرژی های مختلف نیز در نتیجه واکنش ها به دست می آیند + ® + ; + ® + ; + ® + . نوترون‌هایی که بار ندارند به‌راحتی به درون هسته‌های اتمی نفوذ می‌کنند و فرآیندهای مختلفی را ایجاد می‌کنند که هم به هسته‌ای که شلیک می‌شود و هم به سرعت (انرژی) نوترون‌ها بستگی دارد. بنابراین، یک نوترون آهسته می تواند به سادگی توسط هسته گرفته شود و هسته با انتشار یک کوانتوم گاما از مقداری انرژی اضافی آزاد می شود، به عنوان مثال:+ ® + g . این واکنش به طور گسترده ای در راکتورهای هسته ایبرای کنترل واکنش شکافت اورانیوم: برای کاهش سرعت واکنش، میله ها یا صفحات کادمیوم را در دیگ هسته ای قرار می دهند.در سال 1934، شوهران ایرن و فردریک ژولیوت کوریکشف مهمی کرد بمباران شد
آ- ذرات برخی از عناصر سبک (پلونیوم آنها را ساطع می کند)، آنها انتظار واکنشی مشابه آنچه قبلاً برای بریلیم شناخته شده بود، داشتند. از بین بردن نوترون ها، به عنوان مثال:
اگر موضوع محدود به این تحولات بود، پس از توقفآ با تابش، شار نوترون باید فوراً خشک می شد، بنابراین، با حذف منبع پولونیوم، انتظار توقف همه فعالیت ها را داشتند، اما دریافتند که شمارنده ذرات همچنان به ثبت پالس هایی ادامه می دهد که به تدریج مطابق با قانون نمایی محو می شوند. این را می توان تنها به یک روش تفسیر کرد: در نتیجه تابش آلفا، عناصر رادیواکتیو ناشناخته قبلی با نیمه عمر مشخصه 10 دقیقه برای نیتروژن-13 و 2.5 دقیقه برای فسفر-30 ظاهر شدند. معلوم شد که این عناصر تحت واپاشی پوزیترون قرار می گیرند:® + e +، ® + e + . نتایج جالبی با منیزیم به دست آمد که توسط سه ایزوتوپ طبیعی پایدار نشان داده شد و معلوم شد که وقتیآ - وقتی تحت تابش قرار می گیرند، همگی هسته های رادیواکتیو سیلیکون یا آلومینیوم تولید می کنند که تحت تأثیر قرار می گیرند. 227-
یا واپاشی پوزیترون:
تولید عناصر رادیواکتیو مصنوعی از اهمیت عملی زیادی برخوردار است، زیرا امکان سنتز رادیونوکلئیدها با نیمه عمر مناسب برای یک هدف خاص و نوع مورد نظر تابش با قدرت مشخص را فراهم می کند. استفاده از نوترون ها به عنوان "پرتابه" به ویژه راحت است. گرفتن یک نوترون توسط یک هسته اغلب آن را چنان ناپایدار می کند که هسته جدید رادیواکتیو می شود. این می تواند به دلیل تبدیل نوترون "اضافی" به پروتون پایدار شود، یعنی به دلیل
227- تابش - تشعشع؛ بسیاری از این واکنش ها شناخته شده است، به عنوان مثال: + ® ® + e. واکنش تشکیل رادیو کربن که در لایه های بالایی جو اتفاق می افتد بسیار مهم است: + ® + (سانتی متر.روش آنالیز رادیوکربن). تریتیوم با جذب نوترون های آهسته توسط هسته های لیتیوم-6 سنتز می شود. بسیاری از دگرگونی های هسته ای را می توان تحت تأثیر نوترون های سریع به دست آورد، به عنوان مثال: + ® + ; + ® + ; + ® + . بنابراین، با تابش کبالت معمولی با نوترون، کبالت رادیواکتیو-60 به دست می آید که منبع قدرتمندی از تابش گاما است (به عنوان محصول فروپاشی 60 Co توسط هسته های برانگیخته آزاد می شود.). برخی از عناصر ترانس اورانیوم در اثر تابش نوترون ها تولید می شوند. به عنوان مثال، از اورانیوم 238 طبیعی، ابتدا اورانیوم 239 ناپایدار تشکیل می شود که وقتیب پوسیدگی ( تی 1/2 = 23.5 دقیقه) به اولین transura تبدیل می شود عنصر جدیدنپتونیوم-239 و او نیز به نوبه خود توسطب پوسیدگی ( تی 1/2 = 2.3 روز) به پلوتونیوم 239 بسیار مهم به اصطلاح درجه سلاح تبدیل می شود.آیا می توان با انجام واکنش هسته ای لازم به طور مصنوعی به طلا دست یافت و در نتیجه آنچه را که کیمیاگران نتوانستند انجام دهند به انجام رساند؟ از نظر تئوری، هیچ مانعی برای این کار وجود ندارد. علاوه بر این، چنین ترکیبی قبلاً انجام شده است، اما ثروت به ارمغان نیاورد. ساده ترین راه برای تولید مصنوعی طلا، تابش جیوه، عنصر بعدی در جدول تناوبی پس از طلا، با جریانی از نوترون است. سپس در نتیجه واکنش
+ ® + یک نوترون یک پروتون را از اتم جیوه جدا می کند و آن را به اتم طلا تبدیل می کند. این واکنش اعداد جرمی خاصی را نشان نمی دهد ( آ) نوکلیدهای جیوه و طلا. طلا تنها هسته پایدار در طبیعت است، و جیوه طبیعی مخلوط پیچیده ای از ایزوتوپ ها با آ= 196 (0.15%)، 198 (9.97%)، 199 (1.87%)، 200 (23.10%)، 201 (13.18%)، 202 (29.86%) و 204 (6.87%). در نتیجه، طبق طرح فوق، فقط می توان طلای رادیواکتیو ناپایدار به دست آورد. این توسط گروهی از شیمیدانان آمریکایی از دانشگاه هاروارد در اوایل سال 1941 بدست آمد و جیوه را با جریانی از نوترون های سریع تابش می کرد. پس از چند روز، تمام ایزوتوپ های رادیواکتیو حاصل از طلا، از طریق واپاشی بتا، دوباره به ایزوتوپ های اصلی جیوه تبدیل شدند.اما راه دیگری وجود دارد: اگر اتم های جیوه-196 با نوترون های کند تابش شوند، به اتم های جیوه-197 تبدیل می شوند.
+ ® + g . این اتم ها با نیمه عمر 2.7 روز تحت جذب الکترون قرار می گیرند و در نهایت به اتم های طلای پایدار تبدیل می شوند:+ e ® . این تحول در سال 1947 توسط کارکنان آزمایشگاه ملی در شیکاگو انجام شد. آنها با تابش 100 میلی گرم جیوه با نوترون های کند، 0.035 میلی گرم 197Au به دست آوردند. در رابطه با تمام جیوه، عملکرد بسیار کوچک است - فقط 0.035٪، اما نسبت به 196Hg به 24٪ می رسد! با این حال، ایزوتوپ 196 جیوه در جیوه طبیعی کمترین است، علاوه بر این، خود فرآیند تابش و مدت زمان آن (پرتودهی به چندین سال نیاز دارد)، و جداسازی "طلای مصنوعی" پایدار از یک مخلوط پیچیده هزینه بسیار زیادی خواهد داشت. جداسازی طلا از فقیرترین سنگ معدن ( همچنین ببینیدطلا). بنابراین تولید مصنوعی طلا فقط جنبه نظری دارد.الگوهای کمی تحولات رادیواکتیو اگر امکان ردیابی یک هسته ناپایدار خاص وجود داشت، پیش بینی زمان فروپاشی آن غیرممکن بود. این یک فرآیند تصادفی است و فقط در در بعضی مواردمی توان احتمال پوسیدگی را در یک زمان معین تخمین زد. با این حال، حتی کوچکترین ذره غبار، تقریباً نامرئی در زیر میکروسکوپ، حاوی تعداد زیادی اتم است، و اگر این اتم ها رادیواکتیو باشند، پس فروپاشی آنها از قوانین سختگیرانه ریاضی تبعیت می کند: قوانین آماری مشخصه بسیار تعداد زیادیاشیاء. و سپس هر رادیونوکلئید را می توان با یک دوره نیمه عمر کاملاً مشخص مشخص کرد ( تی 1/2) این زمانی است که در طی آن نیمی از تعداد هسته های موجود تجزیه می شود. اگر در لحظه اولیه وجود داشت ن 0 هسته، سپس پس از مدتی تی = تی 1/2 آنها باقی خواهد ماند ن 0/2، در تی = 2تی 1/2 باقی خواهد ماند ن 0 /4 = ن 0/2 2، در تی = 3تی 1/2 ن 0 /8 = ن 0/2 3 و غیره به طور کلی، چه زمانی تی = nT 1/2 باقی خواهد ماند ن 0 /2 nهسته ها، جایی که n = تی/تی 1/2 تعداد نیمه عمرها (لازم نیست عدد صحیح باشد). نشان دادن این فرمول آسان است ن = ن 0 /2 تی/تی 1/2 معادل فرمول است ن = ن 0 e ل t، جایی که l به اصطلاح ثابت واپاشی به طور رسمی، به عنوان ضریب تناسب بین نرخ فروپاشی d تعریف می شود ن/d تیو تعداد هسته های موجود: د ن/d تی = ل N (علامت منفی نشان دهنده آن است نبا گذشت زمان کاهش می یابد). ادغام این معادله دیفرانسیل، وابستگی نمایی تعداد هسته ها به زمان را نشان می دهد. جایگزینی در این فرمول ن = ن 0/2 در تی = تی 1/2، متوجه می شویم که ثابت فروپاشی با نیمه عمر نسبت معکوس دارد:ل = ln2/ تی 1/2 = 0,693/تی 1/2. اندازه t = 1/l میانگین طول عمر هسته نامیده می شود. به عنوان مثال، برای 226 Ra تی 1/2 = 1600 سال،تی = 1109 سال.با توجه به فرمول های داده شده، دانستن مقدار تی 1/2 (یا
ل محاسبه مقدار رادیونوکلئید پس از هر دوره زمانی آسان است و از روی آنها می توان نیمه عمر را محاسبه کرد اگر میزان رادیونوکلئید در مقاطع مختلف زمانی مشخص باشد. به جای تعداد هسته ها، می توانید فعالیت تشعشعی را در فرمول جایگزین کنید، که با تعداد هسته های موجود نسبت مستقیم دارد. ن. فعالیت معمولاً با تعداد کل فروپاشی ها در نمونه مشخص نمی شود، بلکه با تعداد پالس های متناسب با آن مشخص می شود که توسط دستگاه اندازه گیری فعالیت ثبت می شود. اگر مثلاً 1 گرم ماده رادیواکتیو وجود داشته باشد، هر چه نیمه عمر آن کوتاهتر باشد، ماده فعال تر خواهد بود.سایر قوانین ریاضی رفتار تعداد کمی از رادیونوکلئیدها را توصیف می کنند. در اینجا ما فقط می توانیم در مورد احتمال یک رویداد خاص صحبت کنیم. به عنوان مثال، یک اتم (به طور دقیق تر، یک هسته) از یک رادیونوکلئید وجود داشته باشد تی 1/2 = 1 دقیقه احتمال اینکه این اتم 1 دقیقه زنده بماند 1/2 (50%)، 2 دقیقه 1/4 (25%)، 3 دقیقه 1/8 (12.5%)، 10 دقیقه (1/2) 10 = 1/10 است. 24 (0.1%)، 20 دقیقه (1/2) 20 = 1/1048576 (0.00001%). برای یک اتم شانس ناچیز است، اما وقتی تعداد زیادی اتم، مثلاً چندین میلیارد وجود دارد، بدون شک، بسیاری از آنها 20 نیمه عمر یا خیلی بیشتر خواهند داشت. احتمال واپاشی یک اتم در یک بازه زمانی معین با کم کردن مقادیر بدست آمده از 100 به دست می آید. بنابراین، اگر احتمال زنده ماندن یک اتم در مدت 2 دقیقه 25٪ باشد، احتمال واپاشی همان اتم در این مدت وجود دارد. زمان 100 25 = 75٪ است، احتمال فروپاشی در عرض 3 دقیقه 87.5٪، در عرض 10 دقیقه 99.9٪ و غیره است.
اگر چندین اتم ناپایدار وجود داشته باشد، فرمول پیچیده تر می شود. در این مورد، احتمال آماری یک رویداد با فرمولی با ضرایب دو جمله ای توصیف می شود. اگر آنجا ناتم ها و احتمال فروپاشی یکی از آنها در طول زمان تیمساوی با پ، سپس احتمال اینکه در طول زمان تیاز جانب ناتم ها تجزیه خواهند شد n(و بر این اساس باقی خواهد ماند ن n)، برابر است با پ = ن!p n(1 پ) ن n/(ن n)!n! فرمول های مشابهی باید در سنتز عناصر ناپایدار جدید استفاده شود، اتم های آنها به معنای واقعی کلمه به صورت جداگانه به دست می آیند (به عنوان مثال، هنگامی که گروهی از دانشمندان آمریکایی عنصر جدید مندلویوم را در سال 1955 کشف کردند، آن را تنها به مقدار 17 اتم به دست آوردند. ).
کاربرد این فرمول را می توان در یک مورد خاص نشان داد. مثلاً وجود داشته باشد ن= 16 اتم با نیمه عمر 1 ساعت. شما می توانید احتمال فروپاشی تعداد معینی از اتم ها را مثلا در زمان محاسبه کنید تی= 4 ساعت احتمال زنده ماندن یک اتم در این 4 ساعت به ترتیب 1/2 4 = 1/16 است، احتمال فروپاشی آن در این مدت آر= 1 1/16 = 15/16. جایگزینی این داده های اولیه در فرمول به دست می آید: آر = 16!(15/16) n(1/16) 16 n/(16 n)!n! = 16!15 n/2 64 (16 n)!n! نتایج برخی از محاسبات در جدول نشان داده شده است:
| میز 1. | |||||||||
| اتم های باقی مانده (16– n) | 16 | 10 | 8 | 6 | 4 | 3 | 2 | 1 | 0 |
| اتم ها پوسیده شدند n | 0 | 6 | 8 | 10 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 |
| احتمال آر, % | 5·10 -18 | 5·10 -7 | 1.8·10 -4 | 0,026 | 1,3 | 5,9 | 19,2 | 38,4 | 35,2 |
آزمایش‌های متعددی که از زمان بکرل انجام شده نشان داده‌اند که سرعت واپاشی رادیواکتیو عملاً تحت تأثیر دما، فشار یا وضعیت شیمیایی اتم نیست. استثناها بسیار نادر هستند. بنابراین، در مورد جذب الکترون، مقدار تی 1/2 با تغییر حالت اکسیداسیون عنصر کمی تغییر می کند. به عنوان مثال، فروپاشی 7 BeF 2 تقریباً 0.1٪ کندتر از 7 BeO یا فلزی 7 Be رخ می دهد.
تعداد کل رادیونوکلئیدهای هسته های ناپایدار شناخته شده به دو هزار می رسد، طول عمر آنها در محدوده های بسیار گسترده ای متفاوت است. هم رادیونوکلئیدهای با عمر طولانی که نیمه عمر آنها به میلیون ها و حتی میلیاردها سال می رسد و هم رادیونوکلئیدهای کوتاه مدت که به طور کامل در کسری از ثانیه تجزیه می شوند، شناخته شده اند. نیمه عمر برخی رادیونوکلئیدها در جدول آورده شده است.
خواص برخی از رادیونوکلئیدها (برای Tc، Pm، Po و همه عناصر بعدی که ایزوتوپ پایدار ندارند، داده‌هایی برای طولانی‌ترین ایزوتوپهای آنها ارائه شده است).
| جدول 2. | |||
| شماره سریال | سمبل | عدد جرمی | نیمه عمر |
| 1 | تی | 3 | 12323 سال |
| 6 | با | 14 | 5730 سال |
| 15 | آر | 32 | 14.3 روز |
| 19 | به | 40 | 1.28 10 9 سال |
| 27 | شرکت | 60 | 5272 سال |
| 38 | پدر | 90 | 28.5 سال |
| 43 | Ts | 98 | 4.2 10 6 سال |
| 53 | من | 131 | 8.02 روز |
| 61 | بعد از ظهر | 145 | 17.7 سال |
| 84 | رو | 209 | 102 ساله |
| 85 | در | 210 | 8.1 ساعت |
| 86 | Rn | 222 | 3.825 روز |
| 87 | Fr | 223 | 21.8 دقیقه |
| 88 | Ra | 226 | 1600 سال |
| 89 | Ac | 227 | 21.77 سال |
| 90 | Th | 232 | 1.405 10 9 سال |
| 91 | Ra | 231 | 32760 سال |
| 92 | U | 238 | 4.468 10 9 سال |
| 93 | Np | 237 | 2.14 10 6 سال |
| 94 | Pu | 244 | 8.26 10 7 سال |
| 95 | صبح | 243 | 7370 سال |
| 96 | سانتی متر | 247 | 1.56 10 7 |
| 97 | Bk | 247 | 1380 سال |
| 98 | رجوع کنید به | 251 | 898 سال |
| 99 | Es | 252 | 471.7 روز |
| 100 | Fm | 257 | 100.5 روز |
| 101 | MD | 260 | 27.8 روز |
| 102 | خیر | 259 | 58 دقیقه |
| 103 | Lr | 262 | 3.6 ساعت |
| 104 | RF | 261 | 78 s |
| 105 | دی بی | 262 | 34 ثانیه |
| 106 | Sg | 266 | 21 ثانیه |
| 107 | Bh | 264 | 0.44 ثانیه |
| 108 | Hs | 269 | 9 ثانیه |
| 109 | کوه | 268 | 70 میلی‌ثانیه |
| 110 | Ds | 271 | 56 میلی‌ثانیه |
| 111 | – | 272 | 1.5 میلی ثانیه |
| 112 | – | 277 | 0.24 میلی‌ثانیه |
واحد رادیواکتیویته یک نوکلید بکرل است: 1 Bq (Bq) مربوط به یک واپاشی در ثانیه است. کوری واحد خارج از سیستم اغلب استفاده می شود: 1 Ci (Ci) برابر است با 37 میلیارد تجزیه در ثانیه یا 3.7 . 10 10 Bq (1 گرم از 226 Ra تقریباً این فعالیت را دارد). در یک زمان، یک واحد خارج از سیستم رادرفورد پیشنهاد شد: 1 Рд (Rd) = 10 6 Bq، اما گسترده نبود.
ادبیات سودی اف. تاریخچه انرژی اتمی. م.، اتمیزدات، 1358Choppin G. et al. شیمی هسته ای. M.، Energoatomizdat، 1984
هافمن ک. آیا امکان ساخت طلا وجود دارد؟? ال.، شیمی، 1984
Kadmensky S.G. رادیواکتیویته هسته های اتمی: تاریخچه، نتایج، آخرین دستاوردها. «مجله آموزشی سوروس»، 1378، شماره 11
مشخصه اصلی یک اتم 2 عدد هستند:
1. عدد جرمی (A) - برابر است با مجموع پروتون ها و نوترون های هسته
2. عدد اتمی (Z) در سیستم تناوبی عناصر مندلیف - برابر با تعداد پروتون های هسته است، یعنی با بار هسته مطابقت دارد.
نوع تبدیل رادیواکتیو مشخص می شود نوع ذرات منتشر شده در هنگام پوسیدگی. فرآیند واپاشی رادیواکتیو همیشه گرمازا است، یعنی انرژی آزاد می کند. هسته اولیه را هسته مادر می نامند (در نمودارهای زیر با نماد X نشان داده شده است) و هسته حاصل پس از فروپاشی هسته دختر نامیده می شود (در نمودارها نماد Y).
هسته های ناپایدار تحت 4 نوع تبدیل اصلی رادیواکتیو قرار می گیرند:
آ) فروپاشی آلفا- شامل این واقعیت است که یک هسته سنگین به طور خود به خود یک ذره آلفا ساطع می کند، یعنی این یک پدیده کاملاً هسته ای است. بیش از 200 هسته آلفا فعال شناخته شده است، تقریباً همه آنها دارای شماره سریال بیشتر از 83 هستند (Am-241؛ Ra-226؛ Rn-222؛ U-238 و 235؛ Th-232؛ Pu-239 و 240). . انرژی ذرات آلفا از هسته های سنگین اغلب در محدوده 4 تا 9 مگا ولت است.
نمونه هایی از واپاشی آلفا:
ب) تبدیل بتا- این یک فرآیند درون نوکلئونی است. در هسته، یک نوکلئون منفرد تجزیه می شود، که طی آن یک بازسازی داخلی هسته رخ می دهد و ذرات b (الکترون، پوزیترون، نوترینو، پادنوترینو) ظاهر می شوند. نمونه هایی از رادیونوکلئیدها که تحت تبدیل بتا قرار می گیرند: تریتیوم (H-3). ج-14; رادیونوکلئیدهای سدیم (Na-22، Na-24)؛ رادیونوکلئیدهای فسفر (P-30، P-32)؛ رادیونوکلئیدهای گوگرد (S-35، S-37)؛ رادیونوکلئیدهای پتاسیم (K-40، K-44، K-45)؛ Rb-87; رادیونوکلئیدهای استرانسیم (Sr-89، Sr-90)؛ رادیونوکلئیدهای ید (I-125، I-129، I-131، I-134). رادیونوکلئیدهای سزیم (Cs-134، Cs-137).
انرژی ذرات بتا در محدوده وسیعی متفاوت است: از 0 تا Emax (کل انرژی آزاد شده در هنگام فروپاشی) و بر حسب keV، MeV اندازه گیری می شود. برای هسته های یکسان، توزیع انرژی الکترون های ساطع شده منظم است و نامیده می شود طیف الکترونیبپوسیدگی، یا طیف بتا; از طیف انرژی ذرات بتا می توان برای شناسایی عنصر در حال پوسیدگی استفاده کرد.
یک مثال از تبدیل بتا یک نوکلئون منفرد است واپاشی نوترون آزاد(نیمه عمر 11.7 دقیقه):
انواع تبدیل بتا هسته ها:
1) پوسیدگی الکترونیکی: 
.
نمونه هایی از واپاشی الکترون:
2) واپاشی پوزیترون:
نمونه هایی از واپاشی پوزیترون: 
3) ضبط الکترونیکی(K-capture، زیرا هسته یکی از الکترون های پوسته اتمی را معمولاً از پوسته K جذب می کند): 
نمونه هایی از ضبط الکترونیکی: 
, 
که در) تبدیل گاما (انتقال ایزومری)- یک پدیده درون هسته ای که در آن، به دلیل انرژی تحریک، هسته یک کوانتوم گاما ساطع می کند و به حالت پایدارتر می رود. در این حالت عدد جرمی و عدد اتمی تغییر نمی کند. طیف تابش گاما همیشه گسسته است. پرتوهای گامای ساطع شده از هسته ها معمولاً دارای انرژی از ده ها کو تا چندین مگا الکترون ولت هستند. نمونه هایی از رادیونوکلئیدها که تحت تبدیل گاما قرار می گیرند: Rb-81m. Cs-134m; Cs-135m; در 113 متر؛ Y-90 متر.
، که در آن شاخص "m" به معنای وضعیت ناپایدار هسته است.
مثالی از تبدیل گاما: 
ز) شکافت هسته ای خود به خود- برای هسته هایی که با جرم شماره 232 شروع می شوند امکان پذیر است. هسته به 2 قطعه با جرم های قابل مقایسه تقسیم می شود. این شکافت خود به خودی هسته هاست که امکان به دست آوردن عناصر ترانس اورانیوم جدید را محدود می کند. انرژی هسته ای از فرآیند شکافت هسته های سنگین زمانی که نوترون ها را جذب می کنند استفاده می کند:
در نتیجه شکافت، قطعاتی با تعداد اضافی نوترون تشکیل می‌شوند که پس از آن چندین تغییر متوالی (معمولاً واپاشی بتا) انجام می‌شود.
دگرگونی هایی که در آن هسته یک عنصر شیمیایی به هسته عنصر دیگری با عدد اتمی متفاوت تبدیل می شود، واپاشی رادیواکتیو نامیده می شود. ایزوتوپ های رادیواکتیو تشکیل شده و وجود دارند شرایط طبیعی، به طور طبیعی رادیواکتیو نامیده می شوند. همان ایزوتوپ هایی که به طور مصنوعی از طریق واکنش های هسته ای به دست می آیند به طور مصنوعی رادیواکتیو هستند. هیچ تفاوت اساسی بین ایزوتوپ های رادیواکتیو طبیعی و مصنوعی وجود ندارد، زیرا خواص هسته های اتم و خود اتم ها تنها با ترکیب و ساختار هسته تعیین می شوند و به روش تشکیل آنها بستگی ندارند.
رادیواکتیویته در سال 1896 توسط A.N. Becquerel کشف شد که تابش اورانیوم را کشف کرد که می تواند باعث سیاه شدن امولسیون عکاسی و یونیزه شدن هوا شود. کوری اسکلودوسکا اولین کسی بود که شدت تابش اورانیوم را اندازه گرفت و همزمان با دانشمند آلمانی G.S. Schmidt، رادیواکتیویته را در توریم کشف کرد. خاصیت ایزوتوپ ها برای انتشار خود به خود تشعشعات نامرئی توسط کوری ها رادیواکتیویته نامیده شد. در ژوئیه 1898، آنها کشف یک عنصر رادیواکتیو جدید به نام پولونیوم را در سنگ معدن رزین اورانیوم گزارش کردند. در دسامبر 1898 به همراه جی بیمونت رادیوم را کشف کردند.
پس از کشف عناصر رادیواکتیو، تعدادی از نویسندگان (بکرل، کوری، رادرفورد و غیره) ثابت کردند که این عناصر می توانند سه نوع پرتو که در یک میدان مغناطیسی رفتار متفاوتی دارند، ساطع کنند. به پیشنهاد رادرفورد (E. Rutherford, 1902) این پرتوها را پرتوهای آلفا، بتا و گاما نامیدند. پرتوهای آلفا از ذرات آلفا با بار مثبت (اتم های هلیوم دو یونیزه He4) تشکیل شده اند. پرتوهای بتا - از ذرات باردار منفی با جرم کم - الکترون. پرتوهای گاما از نظر ماهیت شبیه به اشعه ایکس هستند و کوانتومی از تابش الکترومغناطیسی هستند.
رادرفورد و اف. سودی در سال 1902 پدیده رادیواکتیویته را با تبدیل خود به خود اتم های یک عنصر به اتم های عنصر دیگر توضیح دادند که طبق قوانین شانس و همراه با آزاد شدن انرژی به شکل آلفا، بتا و اشعه گاما.
در سال 1910، M. Curie-Sklodowska، همراه با A. Debierne، رادیوم فلزی خالص را به دست آوردند و خواص رادیواکتیو آن را مطالعه کردند، به ویژه، او ثابت واپاشی رادیوم را اندازه گرفت. تعدادی دیگر از عناصر رادیواکتیو به زودی کشف شدند. Debierne و F. Giesel شقایق دریایی را کشف کردند. هان (O. Halm) رادیوتوریوم و مزوتوریوم را کشف کرد، بولتوود (V.V. Boltwood) یونیم را کشف کرد، هان و مایتنر (L. Meitner) پروتاکتینیم را کشف کردند. تمام ایزوتوپ های این عناصر رادیواکتیو هستند. در سال 1903، پیر کوری و S.A. Laborde نشان دادند که یک آماده سازی رادیوم همیشه دمای بالایی دارد و 1 گرم رادیوم با محصولات پوسیده خود حدود 140 کیلوکالری در 1 ساعت آزاد می کند. در همان سال، W. Ramsay و Soddy کشف کردند که یک آمپول رادیوم مهر و موم شده حاوی گاز هلیوم است. کار رادرفورد، F. Dorn، Debierne و Giesel نشان داد که در میان محصولات فروپاشی اورانیوم و توریم، گازهای رادیواکتیو به سرعت در حال پوسیدگی وجود دارد که تراوشات رادیوم، توریم و اکتینیم (رادون، تورون، اکتینون) نامیده می شوند. بنابراین، ثابت شد که در هنگام واپاشی، اتم های رادیوم به اتم های هلیوم و رادون تبدیل می شوند. قوانین تبدیل رادیواکتیو برخی از عناصر به عناصر دیگر در خلال واپاشی آلفا و بتا (قوانین جابجایی) اولین بار توسط سودی، کی فاجانز و دبلیو.جی راسل فرموله شد.
این قوانین به شرح زیر است. در طول واپاشی آلفا، عنصر اصلی همیشه عنصر دیگری را تولید می کند که در جدول تناوبی D.I قرار دارد. مندلیف دو سلول در سمت چپ عنصر اصلی (عدد ترتیبی یا اتمی 2 کمتر از اصلی است). در طول واپاشی بتا، عنصر اصلی همیشه عنصر دیگری تولید می کند که در جدول تناوبی یک سلول در سمت راست عنصر اصلی قرار دارد (عدد اتمی یک بزرگتر از عنصر اصلی است).
مطالعه دگرگونی عناصر رادیواکتیو منجر به کشف ایزوتوپ ها شد، یعنی اتم هایی که خواص شیمیایی و اعداد اتمی یکسانی دارند، اما از نظر جرم و در با هم متفاوت هستند. مشخصات فیزیکیبه ویژه با خواص رادیواکتیو (نوع تشعشع، سرعت واپاشی). از تعداد زیادی از مواد رادیواکتیو کشف شده، تنها رادیوم (Ra)، رادون (Rn)، پلونیوم (Po) و پروتاکتینیم (Pa) عناصر جدید بودند و بقیه ایزوتوپهای اورانیوم (U)، توریم شناخته شده قبلی بودند. (Th)، سرب (Pb)، تالیم (Tl) و بیسموت (Bi).
پس از اینکه رادرفورد ساختار هسته ای اتم ها را کشف کرد و ثابت کرد که این هسته است که تمام ویژگی های اتم، به ویژه ساختار پوسته های الکترونیکی و خواص شیمیایی آن را تعیین می کند (به اتم، هسته اتمی مراجعه کنید)، روشن شد که تبدیلات رادیواکتیو با دگرگونی هسته اتم همراه هستند. مطالعه بیشتر در مورد ساختار هسته های اتمی امکان رمزگشایی کامل مکانیسم تبدیلات رادیواکتیو را فراهم کرد.
اولین تبدیل مصنوعی هسته ها - یک واکنش هسته ای - توسط رادرفورد در سال 1919 با بمباران هسته های اتم های نیتروژن با ذرات پلونیوم آلفا انجام شد. در همان زمان، هسته های نیتروژن پروتون ساطع کردند (نگاه کنید به) و به هسته های اکسیژن O17 تبدیل شدند. در سال 1934، F. Joliot-Curie و I. Joliot-Curie اولین کسانی بودند که به طور مصنوعی یک ایزوتوپ رادیواکتیو فسفر را با بمباران اتم های Al با ذرات آلفا به دست آوردند. هسته‌های P30، بر خلاف هسته‌های ایزوتوپهای رادیواکتیو طبیعی، در حین واپاشی نه الکترون، بلکه پوزیترون ساطع کردند و به هسته‌های سیلیکونی پایدار Si30 تبدیل شدند. بنابراین، در سال 1934 رادیواکتیویته مصنوعی و نوع جدیدواپاشی رادیواکتیو - واپاشی پوزیترون، یا فروپاشی b+. Joliot-Curies این ایده را بیان کردند که همه چیز ذرات سریع(پروتون ها، دوترون ها، نوترون ها) باعث واکنش های هسته ای می شوند و می توان از آنها برای تولید ایزوتوپ های رادیواکتیو طبیعی استفاده کرد. فرمی (E. Fermi) عناصر مختلف را با نوترون بمباران کرد و تقریباً از همه عناصر شیمیایی ایزوتوپ های رادیواکتیو به دست آورد. در حال حاضر با کمک ذرات باردار شتابدار و نوترون ها، طیف گسترده ای از واکنش های هسته ای انجام شده است که در نتیجه دستیابی به هر ایزوتوپ رادیواکتیو امکان پذیر شده است.
در سال 1937، ال. آلوارز نوع جدیدی از تبدیل رادیواکتیو را کشف کرد - جذب الکترون. در گرفتن الکترون، هسته یک اتم یک الکترون را از پوسته اتم می گیرد و به هسته عنصر دیگری تبدیل می شود. در سال 1939، هان و اف. استراسمن شکافت هسته اورانیوم را به هسته های سبک تر (قطعات شکافت) در هنگام بمباران با نوترون ها کشف کردند. در همان سال، فلروف و پیترزاک نشان دادند که فرآیند شکافت هسته های اورانیوم به طور خود به خود و بدون تأثیر خارجی اتفاق می افتد. بنابراین، آنها نوع جدیدی از تبدیل رادیواکتیو را کشف کردند - شکافت خود به خودی هسته های سنگین.
در حال حاضر، انواع زیر از تبدیلات رادیواکتیو شناخته شده است، که بدون تأثیرات خارجی، خود به خود و تنها به دلایل داخلی تعیین شده توسط ساختار هسته اتمی رخ می دهد.
در طول تشعشعات رادیواکتیو چه اتفاقی برای ماده می افتد؟ برای پاسخ به این سوال در آغاز قرن بیستم. خیلی آسان نبود در همان ابتدای تحقیقات رادیواکتیو، بسیاری از چیزهای عجیب و غریب و غیرعادی کشف شد.
اول، قوام شگفت انگیزی که عناصر رادیواکتیو اورانیوم، توریم و رادیوم با آن تشعشع می کنند. در طول روزها، ماه ها و سال ها، شدت تابش تغییر محسوسی نداشت. تحت تأثیر تأثیرات معمولی مانند گرما یا افزایش فشار قرار نگرفت.
واکنش های شیمیایی که مواد رادیواکتیو وارد آن می شوند نیز بر شدت تابش تأثیری نداشتند.
ثانیاً، خیلی زود پس از کشف رادیواکتیویته مشخص شد که رادیواکتیویته با آزاد شدن انرژی همراه است. پیر کوری یک آمپول از کلرید رادیوم را در یک کالریمتر قرار داد. پرتوهای α-، β- و γ در آن جذب شدند و به دلیل انرژی آنها کالری سنج گرم شد. کوری مشخص کرد که 1 گرم رادیوم در عرض 1 ساعت 582 ژول انرژی آزاد می کند. و این انرژی به طور مداوم در طی چند سال آزاد می شود.
انرژی از کجا می آید که آزاد شدن آن تحت تأثیر همه تأثیرات شناخته شده قرار نمی گیرد؟ ظاهراً در طول رادیواکتیویته، یک ماده تغییرات عمیقی را تجربه می کند که کاملاً متفاوت از تبدیلات شیمیایی معمولی است. فرض بر این بود که خود اتم ها دچار دگرگونی می شوند!
حالا این فکر ممکن است باعث تعجب زیادی نشود، زیرا کودک حتی قبل از اینکه خواندن را یاد بگیرد می تواند در مورد آن بشنود. اما در آغاز قرن بیستم. فوق العاده به نظر می رسید و تصمیم به بیان آن جسارت زیادی می خواست. در آن زمان، به تازگی شواهد غیرقابل انکاری برای وجود اتم ها به دست آمده بود. ایده چند صد ساله دموکریتوس در مورد ساختار اتمی ماده سرانجام پیروز شد. و تقریباً بلافاصله پس از این، تغییرناپذیری اتم ها زیر سؤال می رود.
ما در مورد آن آزمایش‌هایی که در نهایت به اطمینان کامل منجر شد که در طول واپاشی رادیواکتیو زنجیره‌ای از تبدیل‌های متوالی اتم‌ها رخ می‌دهد، با جزئیات صحبت نخواهیم کرد. اجازه دهید تنها بر روی اولین آزمایش هایی که رادرفورد آغاز کرد و توسط او همراه با شیمیدان انگلیسی F. Soddy (1877-1956) ادامه یافت، صحبت کنیم.
رادرفورد این را کشف کرد فعالیت توریم، که به عنوان تعداد پوسیدگی در واحد زمان تعریف می شود، در یک آمپول بسته بدون تغییر باقی می ماند.. اگر آماده سازی با جریان هوای بسیار ضعیف دمیده شود، فعالیت توریم به شدت کاهش می یابد. رادرفورد پیشنهاد کرد که همزمان با ذرات آلفا، توریم نوعی گاز ساطع می‌کند که آن هم رادیواکتیو است. او این را گاز نامید تراوش. رادرفورد با مکیدن هوا از یک آمپول حاوی توریم، گاز رادیواکتیو را جدا کرد و توانایی یونیزاسیون آن را بررسی کرد. مشخص شد که فعالیت این گاز با گذشت زمان به سرعت کاهش می یابد. هر دقیقه فعالیت به نصف کاهش می یابد و بعد از ده دقیقه عملاً برابر با صفر می شود. سودی خواص شیمیایی این گاز را مطالعه کرد و دریافت که وارد هیچ واکنشی نمی شود، یعنی یک گاز بی اثر است. متعاقباً، گاز رادون نامگذاری شد و در جدول تناوبی با شماره سریال 86 قرار گرفت. سایر عناصر رادیواکتیو نیز تغییراتی را تجربه کردند: اورانیوم، اکتینیم، رادیوم. نتیجه کلی که دانشمندان به آن رسیدند توسط رادرفورد به دقت فرموله شد: «اتم های یک ماده رادیواکتیو در معرض تغییرات خود به خودی هستند. در هر لحظه یک قسمت کوچک تعداد کلاتم ها ناپایدار می شوند و به صورت انفجاری تجزیه می شوند. در اکثریت قریب به اتفاق موارد، یک قطعه از یک اتم - یک ذره α - با سرعت بسیار زیادی به بیرون پرتاب می شود. در برخی موارد دیگر انفجار با پرتاب الکترون سریع و ظهور پرتوهایی همراه است که مانند پرتوهای ایکس قدرت نفوذ بالایی دارند و به آنها تابش γ می گویند. کشف شد که در نتیجه یک تبدیل اتمی، نوع کاملاً جدیدی از ماده تشکیل می شود که از نظر فیزیکی و کاملاً متفاوت است. خواص شیمیاییاز ماده اصلی این ماده جدید، با این حال، خود نیز ناپایدار است و با انتشار تشعشعات رادیواکتیو مشخصه، دچار دگرگونی می شود.
بنابراین، دقیقاً مشخص شده است که اتم‌های عناصر خاص در معرض تجزیه خود به خودی هستند که با انتشار انرژی در مقادیر بسیار زیاد در مقایسه با انرژی آزاد شده در طی تغییرات مولکولی معمولی همراه است.
پس از کشف هسته اتم، بلافاصله مشخص شد که این هسته است که در طول تبدیلات رادیواکتیو دستخوش تغییراتی شده است. از این گذشته ، در لایه الکترونی اصلاً ذرات os وجود ندارد و کاهش تعداد الکترون های پوسته به میزان یک اتم را به یون تبدیل می کند و نه به یک عنصر شیمیایی جدید. پرتاب الکترون از هسته، بار هسته را یک بار تغییر می دهد (آن را افزایش می دهد). بار هسته، عدد اتمی عنصر در جدول تناوبی و تمام خواص شیمیایی آن را تعیین می کند.
توجه داشته باشید
ادبیات
Myakishev G.Ya. فیزیک: اپتیک. فیزیک کوانتومی پایه یازدهم: آموزشی. برای مطالعه عمیق فیزیک - م.: بوستارد، 2002. - ص 351-353.
شاید خواندن آن مفید باشد:
- ویژگی های کلاسیک گرایی در ادبیات قرن هجدهم;
- پیام محیطی محلول قلیایی و خنثی اسیدی;
- آیا اسم می تواند محمول باشد؟;
- توضیح، توضیح و اتصال اعضای یک جمله به زبان روسی;
- سوالات اصلی اقتصاد - هایپر مارکت دانش چگونه و چه کسی را تولید کنیم;
- کارت شخصی کارمند;
- نحوه تکمیل صحیح اظهارنامه مالیاتی;
- رمزگشایی خطوط ترازنامه (1230 و غیره).;