تبدیل عناصر شیمیایی در طی واپاشی رادیواکتیو طبیعی طرح درس تبدیلات رادیواکتیو هسته اتم در فیزیک (پایه نهم) با موضوع

دوز مواجهه
دوز جذب شده
دوز معادل
دوز معادل موثر

رادیواکتیویته

این توانایی هسته اتم های عناصر شیمیایی مختلف است که با انتشار ذرات اتمی و زیر اتمی با انرژی های بالا اصلاح می شوند. در طی دگرگونی‌های رادیواکتیو، در اکثریت قریب به اتفاق موارد، هسته‌های اتم (و بنابراین خود اتم‌ها) برخی از عناصر شیمیایی به هسته‌های اتمی (اتم‌های) عناصر شیمیایی دیگر تبدیل می‌شوند یا یک ایزوتوپ از یک عنصر شیمیایی به دیگری تبدیل می‌شود. ایزوتوپ همان عنصر

اتم هایی که هسته آنها در معرض واپاشی رادیواکتیو یا سایر دگرگونی های رادیواکتیو است نامیده می شوند رادیواکتیو.

ایزوتوپ ها

(از کلمات یونانیisos - "برابر، یکسان" وتوپوس - "محل")

اینها نوکلیدهای یک عنصر شیمیایی هستند، به عنوان مثال. انواع اتم های یک عنصر خاص که دارند عدد اتمی یکسان اما اعداد جرمی متفاوت

ایزوتوپ ها هسته هایی با تعداد پروتون یکسان و تعداد نوترون های متفاوت دارند و در جدول تناوبی عناصر شیمیایی جای یکسانی دارند. ایزوتوپ های پایدار وجود دارند که به طور نامحدود بدون تغییر وجود دارند و ناپایدار (رادیوایزوتوپ ها) که در طول زمان تجزیه می شوند.

شناخته شدهحدود 280 پایدار وبیش از 2000 رادیواکتیو ایزوتوپ ها116 عنصر طبیعی و مصنوعی به دست آمده .

نوکلید (از لاتینهسته - "هسته") مجموعه ای از اتم ها با مقادیر مشخصی از بار هسته ای و عدد جرمی است.

نمادهای هسته ای:، جایی کهایکس – تعیین حروف عنصر،ز – تعداد پروتون ها (عدد اتمی ), آ – مجموع تعداد پروتون ها و نوترون ها (عدد جرمی ).

حتی اولین و سبک ترین اتم جدول تناوبی، هیدروژن، که تنها یک پروتون در هسته خود دارد (و یک الکترون به دور آن می چرخد)، دارای سه ایزوتوپ است.

تحولات رادیواکتیو

آنها می توانند طبیعی، خود به خود (خود به خود) و مصنوعی باشند. دگرگونی های رادیواکتیو خود به خودی یک فرآیند تصادفی و آماری است.

همه تبدیلات رادیواکتیو معمولاً با آزاد شدن انرژی اضافی از هسته اتم به شکل همراه است. تابش الکترومغناطیسی.

تشعشعات گاما جریانی از کوانتوم های گاما با انرژی بالا و قدرت نفوذ است.

پرتوهای ایکس نیز جریانی از فوتون ها هستند - معمولاً با انرژی کمتر. فقط "محل تولد" تابش اشعه ایکس هسته نیست، بلکه پوسته های الکترونی است. شار اصلی تابش اشعه ایکس در یک ماده زمانی رخ می دهد که "ذرات رادیواکتیو" ("تابش رادیواکتیو" یا "تابش یونیزان") از آن عبور کنند.

انواع اصلی تبدیلات رادیواکتیو:

تجزیه رادیواکتیو؛
شکافت هسته اتم

این انتشار است، پرتاب با سرعت های بسیار زیاد از هسته اتم های ذرات "بنیادی" (اتمی، زیر اتمی) که معمولاً به آنها می گویند. تشعشعات رادیواکتیو (یونیزان)..

هنگامی که یک ایزوتوپ از یک عنصر شیمیایی معین تجزیه می شود، به ایزوتوپ دیگری از همان عنصر تبدیل می شود.

برای طبیعیاز رادیونوکلئیدهای (طبیعی)، انواع اصلی واپاشی رادیواکتیو پوسیدگی آلفا و بتا منهای هستند.

عناوین " آلفا"و" بتادر سال 1900 توسط ارنست رادرفورد هنگام مطالعه تشعشعات رادیواکتیو ارائه شد.

برای مصنوعیرادیونوکلئیدهای (ساخت بشر) علاوه بر این، با نوترون، پروتون، پوزیترون (بتا پلاس) و انواع نادرتر فروپاشی و تبدیلات هسته ای (مزونی، جذب K، انتقال ایزومر و غیره) نیز مشخص می شوند.

فروپاشی آلفا

این انتشار یک ذره آلفا از هسته یک اتم است که از 2 پروتون و 2 نوترون تشکیل شده است.

یک ذره آلفا دارای جرم 4 واحد، بار 2+ و هسته اتم هلیوم (4He) است.

در نتیجه انتشار یک ذره آلفا، عنصر جدیدی تشکیل می شود که در جدول تناوبی قرار دارد. 2 سلول به سمت چپ، از آنجایی که تعداد پروتون های هسته و بنابراین بار هسته و عدد عنصر دو واحد کمتر شد. و جرم ایزوتوپ حاصل شده معلوم می شود 4 واحد کمتر.

آ آلفا – پوسیدگی- این یک نوع مشخصه واپاشی رادیواکتیو برای عناصر رادیواکتیو طبیعی دوره های ششم و هفتم جدول D.I است. مندلیف (اورانیوم، توریم و فرآورده های پوسیدگی آنها تا بیسموت و شامل بیسموت) و به ویژه برای عناصر مصنوعی - ترانس اورانیوم.

یعنی ایزوتوپ های منفرد همه عناصر سنگین، که با بیسموت شروع می شود، مستعد این نوع فروپاشی هستند.

بنابراین، برای مثال، واپاشی آلفای اورانیوم همیشه توریم تولید می کند، واپاشی آلفای توریم همیشه رادیوم تولید می کند، تجزیه رادیوم همیشه رادون، سپس پلونیوم و در نهایت سرب تولید می کند. در این حالت از یک ایزوتوپ خاص اورانیوم-238، توریم-234 و سپس رادیوم-230، رادون-226 و غیره تشکیل می شود.

سرعت یک ذره آلفا هنگام خروج از هسته از 12 تا 20 هزار کیلومتر بر ثانیه است.

فروپاشی بتا

فروپاشی بتا- رایج ترین نوع واپاشی رادیواکتیو (و به طور کلی تبدیلات رادیواکتیو)، به ویژه در میان رادیونوکلئیدهای مصنوعی.

هر عنصر شیمیایی حداقل یک ایزوتوپ بتا فعال وجود دارد، یعنی در معرض واپاشی بتا است.

نمونه ای از یک رادیونوکلئید بتا فعال طبیعی پتاسیم-40 است (T1/2=1.3×109 سال)، مخلوط طبیعی ایزوتوپ های پتاسیم حاوی تنها 0.0119٪ است.

علاوه بر K-40، رادیونوکلئیدهای فعال بتا فعال طبیعی نیز همه محصولات پوسیدگی اورانیوم و توریم هستند. همه عناصر از تالیم تا اورانیوم

فروپاشی بتا شامل می شود انواع دگرگونی های رادیواکتیو مانند:

- پوسیدگی بتا منهای؛

- پوسیدگی بتا به علاوه؛

– K-capture (گرفتن الکترونیکی).

بتا منهای پوسیدگی- این انتشار یک ذره بتا منهای از هسته است - الکترون ، که در نتیجه تبدیل خود به خود یکی از نوترون ها به پروتون و الکترون به وجود آمد.

در همان زمان، ذره بتا با سرعت 270 هزار کیلومتر بر ثانیه(9/10 سرعت نور) از هسته خارج می شود. و از آنجایی که یک پروتون بیشتر در هسته وجود دارد، هسته این عنصر به هسته عنصر همسایه در سمت راست - با تعداد بالاتر - تبدیل می شود.

در طی تجزیه بتا منهای، پتاسیم-40 رادیواکتیو به کلسیم-40 پایدار (در سلول بعدی سمت راست) تبدیل می شود. و کلسیم-47 رادیواکتیو در سمت راست آن به اسکاندیم-47 (همچنین رادیواکتیو) تبدیل می شود که به نوبه خود از طریق واپاشی بتا منهای به تیتانیوم-47 پایدار تبدیل می شود.

بتا به علاوه پوسیدگی- انتشار ذرات بتا پلاس از هسته پوزیترون (یک "الکترون" با بار مثبت)، که در نتیجه تبدیل خود به خود یکی از پروتون ها به نوترون و پوزیترون شکل گرفت.

در نتیجه (از آنجایی که پروتون های کمتری وجود دارد)، این عنصر در جدول تناوبی به عنصر کناری خود در سمت چپ تبدیل می شود.

به عنوان مثال، در طول واپاشی بتا پلاس، ایزوتوپ رادیواکتیو منیزیم، منیزیم-23، به ایزوتوپ پایدار سدیم (در سمت چپ) - سدیم-23، و ایزوتوپ رادیواکتیو یوروپیوم - یوروپیوم-150 به یک ایزوتوپ پایدار تبدیل می شود. ایزوتوپ ساماریوم - ساماریوم-150.

- گسیل یک نوترون از هسته اتم. ویژگی های نوکلیدهای با منشاء مصنوعی.

هنگامی که یک نوترون گسیل می شود، یک ایزوتوپ از یک عنصر شیمیایی به دیگری با وزن کمتر تبدیل می شود. به عنوان مثال، در طول واپاشی نوترون، ایزوتوپ رادیواکتیو لیتیوم، لیتیوم-9، به لیتیوم-8، هلیوم-5 رادیواکتیو به هلیوم-4 پایدار تبدیل می شود.

اگر یک ایزوتوپ پایدار ید - ید-127 - با پرتوهای گاما تابیده شود، رادیواکتیو می شود، یک نوترون ساطع می کند و به ایزوتوپ دیگر، همچنین رادیواکتیو - ید-126 تبدیل می شود. این یک مثال است واپاشی نوترون مصنوعی .

در نتیجه تحولات رادیواکتیو، آنها می توانند تشکیل شوند ایزوتوپ های سایر عناصر شیمیایی یا همان عنصر، که ممکن است خود رادیواکتیو باشندعناصر.

آن ها فروپاشی یک ایزوتوپ رادیواکتیو اولیه خاص می تواند منجر به تعداد معینی از تبدیلات رادیواکتیو متوالی ایزوتوپ های مختلف عناصر شیمیایی مختلف شود که به اصطلاح را تشکیل می دهند. "زنجیره های پوسیدگی".

به عنوان مثال، توریم-234 که در طی واپاشی آلفای اورانیوم-238 تشکیل شده است، به پروتاکتینیم-234 تبدیل می شود که به نوبه خود به اورانیوم، اما به ایزوتوپ متفاوت - اورانیوم-234 تبدیل می شود.

تمام این انتقال های آلفا و بتا منهای با تشکیل سرب-206 پایدار خاتمه می یابد. و اورانیوم-234 دچار واپاشی آلفا می شود - دوباره به توریم (توریم-230). علاوه بر این، توریم-230 با واپاشی آلفا - به رادیوم-226، رادیوم - به رادون تبدیل می شود.

شکافت هسته اتم

آیا این خود به خودی است یا تحت تأثیر نوترون ها، تقسیم هستهاتم به 2 قسمت تقریبا مساوی، به دو "تکه".

هنگام تقسیم آنها به بیرون پرواز می کنند 2-3 نوترون اضافیو انرژی اضافی به شکل کوانتوم گاما آزاد می شود که بسیار بیشتر از زمان واپاشی رادیواکتیو است.

اگر برای یک عمل واپاشی رادیواکتیو معمولاً یک پرتو گاما وجود دارد، پس برای یک عمل شکافت 8 تا 10 کوانت گاما وجود دارد!

علاوه بر این، قطعات پرنده دارای انرژی جنبشی (سرعت) بالایی هستند که به انرژی حرارتی تبدیل می شود.

رفت نوترون ها می توانند باعث شکافت شونددو یا سه هسته مشابه، اگر نزدیک باشند و نوترون به آنها برخورد کند.

بنابراین، اجرای یک انشعاب، شتاب دهنده امکان پذیر می شود واکنش زنجیره ای شکافتهسته های اتم مقادیر زیادی انرژی آزاد می کنند.

واکنش زنجیره ای شکافت

اگر اجازه داده شود که واکنش زنجیره ای به طور غیرقابل کنترلی توسعه یابد، یک انفجار اتمی (هسته ای) رخ می دهد.

اگر واکنش زنجیره ای تحت کنترل نگه داشته شود، توسعه آن کنترل می شود، اجازه تسریع ندارد و دائما کنار بکشید انرژی آزاد شده(گرما)، سپس این انرژی (“ انرژی اتمی") می تواند برای تولید برق استفاده شود. این کار در راکتورهای هسته ای و نیروگاه های هسته ای انجام می شود.

ویژگی های تبدیلات رادیواکتیو

نیمه عمر (تی1/2 ) - زمانی که در طی آن نیمی از اتم های رادیواکتیو تجزیه می شوند و آنها مقدار 2 برابر کاهش می یابد.

نیمه عمر همه پرتوزاها متفاوت است - از کسری از ثانیه (رادیونوکلئیدهای کوتاه مدت) تا میلیاردها سال (با عمر طولانی).

فعالیت- این تعداد رویدادهای فروپاشی (به طور کلی، تغییرات رادیواکتیو، هسته ای) در واحد زمان (معمولاً در ثانیه) است. واحدهای فعالیت بکرل و کوری هستند.

بکرل (Bq)- این یک رویداد فروپاشی در هر ثانیه است (1 فروپاشی در ثانیه).

کوری (Ci)– 3.7×1010 Bq (پراکنش در ثانیه).

این واحد از لحاظ تاریخی بوجود آمد: 1 گرم رادیوم 226 در تعادل با محصولات فروپاشی دختر خود چنین فعالیتی دارد. با رادیوم 226 بود که برندگان جایزه نوبل، همسران علمی فرانسوی پیر کوری و ماری اسکلودوسکا-کوری، سال ها کار کردند.

قانون واپاشی رادیواکتیو

تغییر در فعالیت یک نوکلید در یک منبع در طول زمان به نیمه عمر یک هسته معین بر اساس قانون نمایی بستگی دارد:

آو(t) = Aو (0) × انقضا(-0.693t/T1/2 ),

جایی که آو(0) - فعالیت اولیه نوکلید.
آو(t) – فعالیت بعد از زمان t.

تی1/2 - نیمه عمر نوکلید.

رابطه بین جرم رادیونوکلئید(بدون در نظر گرفتن جرم ایزوتوپ غیر فعال) و فعالیت اوبا رابطه زیر بیان می شود:

جایی که مترو- جرم رادیونوکلئید، گرم؛

تی1/2 - نیمه عمر رادیونوکلئید، s.

آو– فعالیت رادیونوکلئیدی، Bq؛

آ- جرم اتمی رادیونوکلئید

قدرت نفوذ تشعشعات رادیواکتیو.

محدوده ذرات آلفابه انرژی اولیه بستگی دارد و معمولاً از 3 تا 7 (به ندرت تا 13) سانتی متر در هوا متغیر است و در محیط های متراکم صدم میلی متر است (در شیشه - 0.04 میلی متر).

تشعشعات آلفا به یک صفحه کاغذ یا پوست انسان نفوذ نمی کند. ذرات آلفا به دلیل جرم و بار خود بیشترین توانایی یونیزه شدن را دارند و هر چیزی را که در مسیرشان باشد از بین می‌برند، بنابراین رادیونوکلئیدهای آلفا فعال در هنگام بلعیدن برای انسان و حیوانات خطرناک‌ترین هستند.

محدوده ذرات بتادر ماده به دلیل جرم کم آن (7000 برابر

کمتر از جرم ذره آلفا)، بار و اندازه آن بسیار بزرگتر است. در این حالت مسیر یک ذره بتا در ماده خطی نیست. نفوذ نیز وابسته به انرژی است.

توانایی نفوذ ذرات بتا که در طی واپاشی رادیواکتیو تشکیل می شوند است در هوا به 2÷3 متر می رسد، در آب و سایر مایعات در سانتی متر اندازه گیری می شود ، در جامدات - در کسری از سانتی متر.

اشعه بتا تا عمق 1÷2 سانتی متری به بافت بدن نفوذ می کند.

ضریب تضعیف تابش n و گاما.

نافذترین انواع تشعشعات پرتوهای نوترونی و گاما هستند. برد آنها در هوا می تواند برسد ده ها و صدها متر(همچنین بسته به انرژی)، اما با قدرت یونیزاسیون کمتر.

به عنوان محافظت در برابر تشعشعات n و گاما از لایه های ضخیم بتن، سرب، فولاد و ... استفاده می شود و ما در مورد ضریب تضعیف صحبت می کنیم.

در رابطه با ایزوتوپ کبالت-60 (E = 1.17 و 1.33 MeV)، برای کاهش 10 برابری تابش گاما، حفاظت از موارد زیر لازم است:

سرب با ضخامت حدود 5 سانتی متر؛
بتن حدود 33 سانتی متر;
آب - 70 سانتی متر.

برای تضعیف 100 برابر تابش گاما، محافظ سربی به ضخامت 9.5 سانتی متر مورد نیاز است. بتن - 55 سانتی متر؛ آب - 115 سانتی متر.

واحدهای اندازه گیری در دزیمتری

دوز (از یونانی - "سهم، بخش") تابش

دوز قرار گرفتن در معرض(برای اشعه ایکس و گاما) - با یونیزاسیون هوا تعیین می شود.

واحد اندازه گیری SI – «کولن در هر کیلوگرم» (C/kg)- این دوز نوردهی اشعه ایکس یا گاما است که در آن ایجاد می شود 1 کیلوگرمهوای خشک، باری از یون های هم علامت تشکیل می شود، برابر با 1 Cl.

واحد اندازه گیری غیر سیستمی است "اشعه ایکس".

1 R = 2.58× 10 -4 Kl/kg

الف - مقدماتی 1 رونتگن (1P)- این دوز نوردهی پس از جذب است 1 سانتی متر3 هوای خشک تشکیل می شود 2,08 × 10 9 جفت یون

رابطه بین این دو واحد به شرح زیر است:

1 C/kg = 3.68 · 103 آر.

دوز قرار گرفتن در معرض 1Рمربوط به دوز جذب شده در هوا است 0.88 راد.

دوز

دوز جذب شده- انرژی پرتوهای یونیزان جذب شده توسط یک واحد جرم ماده.

انرژی تابشی منتقل شده به یک ماده به عنوان تفاوت بین انرژی جنبشی کل همه ذرات و فوتون‌هایی که وارد حجم ماده مورد نظر می‌شوند و کل انرژی جنبشی همه ذرات و فوتون‌هایی که از این حجم خارج می‌شوند، درک می‌شود. بنابراین، دوز جذب شده تمام انرژی پرتوهای یونیزان باقی مانده در آن حجم را، صرف نظر از نحوه مصرف آن انرژی، در نظر می گیرد.

واحدهای دوز جذب شده:

خاکستری (گرم)- واحد دوز جذب شده در سیستم واحدهای SI. معادل 1 ژول انرژی تابشی است که توسط 1 کیلوگرم ماده جذب می شود.

خوشحالم– واحد خارج سیستمی دوز جذبی. مربوط به انرژی تابشی 100 ارگ است که توسط ماده ای به وزن 1 گرم جذب می شود.

1 راد = 100 erg/g = 0.01 J/kg = 0.01 گری.

اثر بیولوژیکی در یک دوز جذب شده برای انواع مختلف تابش متفاوت است.

مثلا با همان دوز جذبی تابش آلفامعلوم میشود بسیار خطرناک تر از تابش فوتون یا بتا. این به این دلیل است که ذرات آلفا در طول مسیر خود در بافت بیولوژیکی یونیزاسیون متراکم‌تری ایجاد می‌کنند و در نتیجه اثرات مضر روی بدن را در یک اندام خاص متمرکز می‌کنند. در این حالت، کل بدن اثر بازدارندگی بسیار بیشتری از تابش را تجربه می کند.

در نتیجه، برای ایجاد همان اثر بیولوژیکی در هنگام تابش با ذرات باردار سنگین، دوز جذب کمتری نسبت به زمانی که با ذرات نور یا فوتون تابش می شود مورد نیاز است.

دوز معادل- محصول دوز جذب شده و فاکتور کیفیت تشعشع.

واحدهای دوز معادل:

سیورت(Sv)یک واحد اندازه گیری برای دوز معادل است، هر نوع تشعشعی که اثر بیولوژیکی مشابه دوز جذب شده را ایجاد می کند. 1 گری

از این رو، 1 Sv = 1 J/kg.

برهنه(واحد غیر سیستمی) مقدار انرژی پرتوهای یونیزان جذب شده است 1 کیلوگرمبافت بیولوژیکی، که در آن همان اثر بیولوژیکی با دوز جذب شده مشاهده می شود 1 راداشعه ایکس یا گاما.

1 rem = 0.01 Sv = 100 erg/g.

نام "رم" از حروف اول عبارت "معادل بیولوژیکی اشعه ایکس" تشکیل شده است.

تا همین اواخر، هنگام محاسبه دوز معادل، " عوامل کیفیت تشعشع » (K) - عوامل اصلاحی که تأثیرات مختلف اشعه های مختلف را بر روی اشیاء بیولوژیکی (توانایی های مختلف برای آسیب رساندن به بافت های بدن) در یک دوز جذب شده در نظر می گیرند.

اکنون این ضرایب در استانداردهای ایمنی پرتو (NRB-99) "ضرایب وزنی برای انواع مختلف تشعشع هنگام محاسبه دوز معادل (WR) نامیده می شود.

مقادیر آنها به ترتیب عبارتند از:

اشعه ایکس، گاما، تابش بتا، الکترون ها و پوزیترون ها – 1 ;
پروتون های با E بیش از 2 مگا الکترون ولت - 5 ;
نوترون های با E کمتر از 10 کیلو ولت) - 5 ;
نوترون با E از 10 تا 100 کو - 10 ;
ذرات آلفا، قطعات شکافت، هسته های سنگین - 20 و غیره.

دوز معادل موثر- دوز معادل، با در نظر گرفتن حساسیت متفاوت بافت های مختلف بدن به تشعشع محاسبه می شود. مساوی با دوز معادلبه دست آمده توسط یک اندام، بافت خاص (با در نظر گرفتن وزن آنها)، ضربدرمتناظر " ضریب خطر تشعشع ».

این ضرایب در حفاظت در برابر تشعشع به منظور در نظر گرفتن حساسیت متفاوت اندام ها و بافت های مختلف در بروز اثرات تصادفی از قرار گرفتن در معرض تابش استفاده می شود.

در NRB-99 به آنها "ضرایب وزن برای بافت ها و اندام ها هنگام محاسبه دوز موثر" گفته می شود.

برای بدن به طور کلیاین ضریب برابر است با 1 و برای برخی از اندامها معانی زیر دارد:

مغز استخوان (قرمز) - 0.12؛ غدد جنسی (تخمدان، بیضه) - 0.20؛
غده تیروئید - 0.05; چرم - 0.01 و غیره
ریه ها، معده، روده بزرگ - 0.12.

برای ارزیابی کامل تاثير گذاردوز معادل دریافت شده توسط یک فرد، دوزهای مشخص شده برای همه اندام ها محاسبه و خلاصه می شود.

برای اندازه گیری دوزهای معادل و موثر، سیستم SI از واحد یکسانی استفاده می کند - سیورت(Sv).

1 Svبرابر با دوز معادلی است که محصول دوز جذب شده در آن است گر eyah (در بافت بیولوژیکی) با ضرایب وزنی برابر خواهد بود 1 ژول بر کیلوگرم.

به عبارت دیگر، این دوز جذبی است که در آن 1 کیلوگرممواد انرژی آزاد می کنند 1 جی.

واحد غیر سیستمی رم است.

رابطه بین واحدهای اندازه گیری:

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

در K=1(برای اشعه ایکس، گاما، تابش بتا، الکترون ها و پوزیترون ها) 1 Svمطابق با دوز جذب شده در 1 گری:

1 Sv = 1 Gy = 1 J/kg = 100 راد = 100 رم.

در دهه 50 مشخص شد که با دوز قرار گرفتن در معرض 1 رونتگن، هوا تقریباً به اندازه بافت بیولوژیکی انرژی جذب می کند.

بنابراین، معلوم می شود که هنگام تخمین دوزها می توانیم (با حداقل خطا) فرض کنیم که دوز قرار گرفتن در معرض 1 رونتگنبرای بافت بیولوژیکی مطابقت دارد(معادل) دوز جذب شده 1 رادو دوز معادل 1 rem(در K=1)، یعنی به طور تقریبی، 1 R، 1 راد و 1 rem یکسان هستند.

با دوز قرار گرفتن در معرض 12 μR / ساعت در سال، دوز 1 mSv را دریافت می کنیم.

علاوه بر این، برای ارزیابی تأثیر هوش مصنوعی، از مفاهیم زیر استفاده می شود:

میزان دوز- دوز دریافتی در واحد زمان (ثانیه، ساعت).

زمینه- نرخ دوز قرار گرفتن در معرض پرتوهای یونیزان در یک مکان معین.

پس زمینه طبیعی- میزان دوز قرار گرفتن در معرض پرتوهای یونیزان ایجاد شده توسط همه منابع طبیعی تابش.

منابع رادیونوکلئیدهایی که وارد محیط می شوند

1. رادیونوکلئیدهای طبیعی، که از لحظه شکل گیری خود (احتمالاً از زمان شکل گیری منظومه شمسی یا کیهان) تا زمان ما باقی مانده اند ، زیرا نیمه عمر طولانی دارند که به معنای طول عمر طولانی است.

2.رادیونوکلئیدها با منشاء تکه تکه شدن، که در نتیجه شکافت هسته های اتمی به وجود می آیند. آنها در راکتورهای هسته ای که در آنها یک واکنش زنجیره ای کنترل شده رخ می دهد و همچنین در هنگام آزمایش سلاح های هسته ای (واکنش زنجیره ای کنترل نشده) تشکیل می شوند.

3. رادیونوکلئیدهای منشا فعال سازیاز ایزوتوپ های پایدار معمولی در نتیجه فعال سازی تشکیل می شوند، یعنی زمانی که یک ذره زیر اتمی (معمولا یک نوترون) وارد هسته یک اتم پایدار می شود، در نتیجه اتم پایدار رادیواکتیو می شود. آنها با فعال کردن ایزوتوپ های پایدار با قرار دادن آنها در هسته راکتور یا با بمباران یک ایزوتوپ پایدار در شتاب دهنده های ذرات با پروتون، الکترون و غیره به دست می آیند.

زمینه های کاربرد منابع رادیونوکلئیدی

منابع هوش مصنوعی کاربردهایی در صنعت، کشاورزی، تحقیقات علمی و پزشکی پیدا می کنند. تنها در پزشکی، تقریباً صد ایزوتوپ برای تحقیقات مختلف پزشکی، تشخیص، عقیم سازی و رادیوتراپی استفاده می شود.

در سراسر جهان، بسیاری از آزمایشگاه ها از مواد رادیواکتیو برای تحقیقات علمی استفاده می کنند. ژنراتورهای ترموالکتریک مبتنی بر ایزوتوپ های رادیویی برای تولید برق برای تامین برق مستقل تجهیزات مختلف در مناطق دور افتاده و صعب العبور (فانوس های رادیویی و نوری، ایستگاه های هواشناسی) استفاده می شوند.

در همه جای صنعت، ابزارهای حاوی منابع رادیواکتیو برای نظارت بر فرآیندهای تکنولوژیکی (سنگرهای چگالی، سطح و ضخامت)، ابزارهای آزمایش غیر مخرب (آشکارسازهای نقص گاما) و ابزارهایی برای تجزیه و تحلیل ترکیب ماده استفاده می‌شوند. از تشعشعات برای افزایش اندازه و کیفیت محصولات زراعی استفاده می شود.

تأثیر تشعشعات بر بدن انسان. اثرات تشعشعات

ذرات رادیواکتیوبا داشتن انرژی و سرعت بسیار زیاد هنگام عبور از هر ماده ای با اتم ها و مولکول های این ماده برخورد می کنند و منجر شدننابودی آنها یونیزاسیون، برای تشکیل یون های "گرم" و رادیکال های آزاد.

از آنجایی که بیولوژیک بافت انسان 70 درصد آب است، سپس تا حد زیادی آب است که تحت یونیزاسیون قرار می گیرد. یون‌ها و رادیکال‌های آزاد ترکیبات مضری را برای بدن تشکیل می‌دهند که زنجیره کاملی از واکنش‌های بیوشیمیایی متوالی را آغاز می‌کنند و به تدریج منجر به تخریب غشای سلولی (دیواره‌های سلولی و سایر ساختارها) می‌شوند.

پرتوها بسته به جنسیت و سن، وضعیت بدن، سیستم ایمنی و غیره بر افراد متفاوت تأثیر می‌گذارند، اما به ویژه بر روی نوزادان، کودکان و نوجوانان به شدت تأثیر می‌گذارند. وقتی در معرض تشعشع قرار می گیرند دوره پنهان (انکوباسیون، نهفته).، یعنی زمان تاخیر قبل از شروع یک اثر قابل مشاهده می تواند سال ها یا حتی دهه ها طول بکشد.

تاثیر تشعشع بر بدن انسان و اشیاء بیولوژیکی باعث سه اثر منفی متفاوت می شود:

اثر ژنتیکیبرای سلول های ارثی (جنسی) بدن. فقط در آیندگان می تواند ظاهر شود و می کند.
اثر ژنتیکی تصادفی، برای دستگاه ارثی سلول های سوماتیک - سلول های بدن آشکار می شود. در طول زندگی یک فرد خاص به شکل جهش ها و بیماری های مختلف (از جمله سرطان) ظاهر می شود.
اثر جسمی، یا بهتر است بگوییم، مصون است. این تضعیف سیستم دفاعی و ایمنی بدن به دلیل تخریب غشای سلولی و سایر ساختارها است.

مواد مرتبط

تحولات رادیواکتیو

در سال 1903، پیر کوری کشف کرد که نمک های اورانیوم به طور مداوم و بدون کاهش قابل مشاهده در طول زمان، انرژی گرمایی را آزاد می کنند که در هر واحد جرم، در مقایسه با انرژی پرانرژی ترین واکنش های شیمیایی بسیار زیاد به نظر می رسد. 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.

ارنست رادرفورد سهم بزرگی در درک اینکه چه اتفاقی برای مواد رادیواکتیو می افتد، داشت. در سال 1895، شیمیدان انگلیسی ویلیام رمزی، که به دلیل کشف آرگون در هوا مشهور شد، گاز نجیب دیگری را در ماده معدنی کلویت کشف کرد - هلیم. پس از آن، مقادیر قابل توجهی هلیوم در مواد معدنی دیگر کشف شد - اما فقط آنهایی که حاوی اورانیوم و توریم بودند. شگفت انگیز و عجیب به نظر می رسید - یک گاز کمیاب از کجا می تواند در مواد معدنی بیاید؟ 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 می گفتند - از لاتین emanatio - خروج یا تورون)، فعالیت این گاز بسیار سریع کاهش یافت: در حدود یک دقیقه (طبق داده های مدرن - در 55.6 ثانیه). ). یک "انتشار" گازی مشابه در رادیوم نیز کشف شد (فعالیت آن بسیار کندتر کاهش می یابد) - به آن انتشار رادیوم یا رادون می گفتند. 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" ایزوتوپ های 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 اورانیوم-رادیوم نیز می گویند. سری اکتینیوم (نام دیگر آن سری اکتینورانیوم است) نیز از اورانیوم طبیعی منشأ 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 به‌دست‌آمده به‌طور مصنوعی شروع می‌شود: 237 Np  233 Pa  233 U  229 Th  225 Ra  225 Ac    22. Bi  213 Po  2 09 Pb  209 Bi. 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. یکی از ویژگی‌های جالب‌تر سری نپتونیوم عدم وجود «نشات‌های گازی» است و عضو انتهایی سری به جای سرب، بیسموت است. نیمه عمر جد این سری مصنوعی "تنها" 2.14 میلیون سال است، بنابراین نپتونیم، حتی اگر در زمان شکل گیری منظومه شمسی وجود داشته باشد، تا به امروز نمی تواند "بقا" داشته باشد، 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). البته نسبت این ایزوتوپ‌های سرب در پوسته زمین مدرن هم به نیمه عمر هسته‌های اصلی و هم به نسبت اولیه آنها در ماده‌ای 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، سرب موجود در آن 1.6 × 10-3٪ (تقریباً مشابه کبالت) نبود، بلکه 70 برابر کمتر بود (مثلاً فلزات کمیاب مانند ایندیم و تولیوم!). 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 زمینه اندازه گیری جرم اتمی، سرب را از برخی مواد معدنی اورانیوم که حاوی توریم نبودند جدا کرد، جرم اتمی آن تقریباً دقیقاً 206 بود. چگالی این سرب کمی کمتر بود. و با محاسبه شده مطابقت دارد: (Pb)  206/207.2 = 0.994(Pb)، که در آن (Pb) = 11.34 g/cm 3 . 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 مکان های مختلف نتایج کمی متفاوت خواهند داشت. 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 است، توریم-232 14.05 میلیارد سال است، اورانیوم-235 (همچنین به عنوان "اکتین اورانیوم" نیز شناخته می شود. 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 ریاضی ساده به این نتیجه می رسد: 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 است: 1600، که از آن به راحتی می توان محاسبه کرد (با در نظر گرفتن جرم اتمی این عناصر) که برای 1 تن اورانیوم، زمانی که 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 = –نمقدار  = ln2/ را تعیین کنید تی 1/2.

قانون جابجاییاگر 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 در طی واپاشی ، یک ذره  (هسته اتم هلیوم) از هسته ساطع می شود، بنابراین، بار هسته 2 کاهش می یابد (تغییر در جدول تناوبی توسط دو سلول به چپ). ، و عدد جرمی 4 کاهش می یابد، که به ما امکان می دهد پیش بینی کنیم که چه ایزوتوپی از عنصر جدید تشکیل می شود. یک مثال می تواند -واپاشی رادون باشد:  + . در طول 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. به عنوان مثال دو تبدیل متوالی پلونیوم از رادون تشکیل شده است:   . بنابراین، اگر "چنگال ها" 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 اولیه، هسته نهایی - . کاهش جرم (یا بهتر است بگوییم تعداد جرم، یعنی تعداد کل پروتون ها و نوترون های 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 واپاشی  وجود نداشت، 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 ها 4 نوترون به پروتون تبدیل شد و 4 ذره  گسیل شد.

اغلب اوقات، یک -واپاشی با دو -واپاشی دنبال می شود، و بنابراین عنصر حاصل به سلول اصلی جدول عناصر - به شکل ایزوتوپ سبک تر از عنصر اصلی - باز می گردد. با تشکر از این حقایق، آشکار شد که قانون تناوبی D.I. مندلیف منعکس کننده رابطه بین خواص عناصر و بار هسته آنها است، و نه جرم آنها (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. قابل توجه آنها دستیار سودی، الکساندر فلک، کارآموز سودی، A.S. راسل، شیمی دان فیزیک و رادیو شیمیدان مجارستانی، گیورگی هیوسی، که با رادرفورد در دانشگاه منچستر در سالهای 1911-1913 کار می کرد، و شیمی دان فیزیک آلمانی (و بعدها آمریکایی) (کازیمیر فاجانس) بودند. 1887-1975). این قانون اغلب قانون سودی-فایانس 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» نامید، کوری‌ها آن را «فعالیت القایی» نامیدند، اما برای مدت طولانی هیچ‌کس نمی‌توانست ماهیت این پدیده را توضیح دهد.

رادرفورد در سال 1919 عبور ذرات آلفا از مواد مختلف را مورد مطالعه قرار داد. معلوم شد که وقتی ذرات  سریع به هسته‌های عناصر سبک برخورد می‌کنند، مثلاً نیتروژن، پروتون‌های سریع‌پرواز (هسته‌های هیدروژن) گاهی اوقات می‌توانند از آنها خارج شوند، در حالی که ذره  خود بخشی از هسته می‌شود. ، که شارژ آن را یک بار افزایش می دهد. بنابراین، در نتیجه واکنش +  +، عنصر شیمیایی دیگری از نیتروژن - اکسیژن (ایزوتوپ سنگین آن) تشکیل می شود. 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 یاد گرفت برخی از عناصر را به عناصر دیگر تبدیل کند، اگرچه در زمان رادرفورد هیچ کس انتظار نتیجه عملی از این مهارت را نداشت. در واقع، برای به دست آوردن ذرات α، لازم بود منبع آنها، به عنوان مثال، یک آماده سازی رادیوم باشد. بدتر از آن، به ازای هر میلیون ذره α آزاد شده روی نیتروژن، به طور متوسط تنها 20 اتم اکسیژن به دست آمد.

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 ها که بار و جرم کمتری نسبت به ذرات آلفا دارند، 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 ذره  تجزیه می شود: +  ()  2. اگر یک ایزوتوپ سبک بگیریم. از لیتیوم (در لیتیوم طبیعی 7.5٪ است)، سپس هسته های دو ایزوتوپ هلیوم تشکیل می شود: +  ()  + . هنگامی که با پروتون های اکسیژن بمباران شد، فلوئور به دست آمد: +  + ; هنگام پوست اندازی آلومینیوم – منیزیم: + + .

بسیاری از دگرگونی‌های مختلف با دوترون‌ها، هسته‌های ایزوتوپ هیدروژن سنگین دوتریوم، که به سرعت‌های بالا شتاب می‌گرفتند، انجام شد. بنابراین در طی واکنش +  + برای اولین بار هیدروژن فوق سنگین تریتیوم تولید شد. برخورد دو دوترون می تواند متفاوت باشد: +  +، این فرآیندها برای مطالعه امکان یک واکنش گرما هسته ای کنترل شده مهم هستند. واکنش +  ()  2 مهم است، زیرا قبلاً با انرژی نسبتاً کم دوترون (0.16 مگا ولت) رخ می دهد و با آزاد شدن انرژی عظیم - 22.7 مگا ولت همراه است (به یاد بیاورید که 1 MeV = 106 eV است. و 1 eV = 96.5 کیلوژول بر مول).

واکنشی که هنگام بمباران بریلیم با ذرات  اتفاق می‌افتد، اهمیت عملی زیادی پیدا کرده است: +  ()  +، در سال 1932 منجر به کشف ذره نوترون خنثی شد و منابع نوترونی رادیوم بریلیم بسیار راحت بودند. برای تحقیقات علمی نوترون هایی با انرژی های مختلف نیز می توانند در نتیجه واکنش های +  + ; +  + ; +  + . 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: +  + . این واکنش به طور گسترده در راکتورهای هسته ای برای کنترل واکنش شکافت اورانیوم استفاده می شود: میله ها یا صفحات کادمیوم به داخل دیگ هسته ای فشار داده می شوند تا واکنش را کاهش دهند.

در سال 1934، همسران آیرن و فردریک ژولیوت کوری به کشف مهمی دست یافتند. پس از بمباران برخی عناصر سبک با ذرات آلفا (پلونیوم آنها را ساطع کرد)، آنها انتظار واکنشی مشابه آنچه قبلاً برای بریلیوم شناخته شده بود، داشتند. از بین بردن نوترون ها، به عنوان مثال:

اگر موضوع محدود به این دگرگونی ها بود، پس از توقف تابش ، شار نوترون باید بلافاصله خشک می شد، بنابراین، با حذف منبع پولونیوم، انتظار توقف همه فعالیت ها را داشتند، اما دریافتند که شمارنده ذرات به پالس هایی را ثبت کنید که به تدریج محو شدند - دقیقا مطابق با قانون نمایی. 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 مشخص شد که با تابش  همه آنها هسته های رادیواکتیو سیلیکون یا آلومینیوم تولید می کنند که تحت واپاشی 227 یا پوزیترون قرار می گیرند:

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. به دلیل تبدیل نوترون "اضافی" به پروتون، یعنی به دلیل تابش 227، می تواند پایدار شود. بسیاری از این واکنش ها شناخته شده است، به عنوان مثال: +   + e. واکنش تشکیل رادیوکربن 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 می‌آید که منبع قدرتمندی از تشعشعات گاما است (از محصول فروپاشی 60 هسته برانگیخته شرکت آزاد می‌شود). 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 در طی  فروپاشی ( تی 1/2 = 23.5 دقیقه) به اولین عنصر ترانس اورانیوم نپتونیوم-239 تبدیل می شود و به نوبه خود نیز از طریق -واپاشی ( 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 در طبیعت تنها هسته پایدار است و جیوه طبیعی مخلوط پیچیده ای از ایزوتوپ ها با آن است 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 اتم‌های جیوه-196 با نوترون‌های کند تابش شوند، به اتم‌های جیوه-197 تبدیل می‌شوند: +  + . 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 رادیواکتیواگر امکان ردیابی یک هسته ناپایدار خاص وجود داشت، پیش بینی زمان فروپاشی آن غیرممکن بود. این یک فرآیند تصادفی است و تنها در موارد خاصی می توان احتمال پوسیدگی را در یک دوره زمانی مشخص ارزیابی کرد. با این حال، حتی کوچکترین ذره غبار، تقریباً نامرئی در زیر میکروسکوپ، حاوی تعداد زیادی اتم است، و اگر این اتم ها رادیواکتیو باشند، فروپاشی آنها از قوانین دقیق ریاضی تبعیت می کند: قوانین آماری مشخصه تعداد بسیار زیادی از اجسام به اجرا در می آیند. . و سپس هر رادیونوکلئید را می توان با یک مقدار بسیار خاص - نیمه عمر ( تی 1/2) 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 عمر است (لازم نیست عدد صحیح باشد). نشان دادن این فرمول آسان است ن = ن 0/2 تی / تی 1/2 معادل فرمول است ن = ن 0e –   تی، که در آن  به اصطلاح ثابت واپاشی است. 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 = –ن(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، دریافت می کنیم که ثابت فروپاشی با نیمه عمر نسبت معکوس دارد:  = ln2/ تی 1/2 = 0,693/تی 1/2. مقدار  = 1/ میانگین طول عمر هسته نامیده می شود. به عنوان مثال، برای 226 Ra تی 1/2 = 1600 سال،  = 1109 سال.

با توجه به فرمول های داده شده، دانستن مقدار تی 1/2 (یا )، محاسبه مقدار رادیونوکلئید پس از هر دوره زمانی آسان است و از روی آنها می توانید نیمه عمر را محاسبه کنید اگر مقدار 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 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.

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!پ 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. ).

این یکی از مهمترین مراحل در توسعه دانش فیزیکی مدرن بود. دانشمندان بلافاصله در مورد ساختار کوچکترین ذرات به نتیجه گیری صحیح نرسیدند. و خیلی بعد، قوانین دیگری کشف شد - به عنوان مثال، قوانین حرکت ریز ذرات، و همچنین ویژگی های تبدیل هسته های اتمی که در طول واپاشی رادیواکتیو رخ می دهد.

آزمایشات رادرفورد

دگرگونی های رادیواکتیو هسته های اتم برای اولین بار توسط محقق انگلیسی رادرفورد مورد مطالعه قرار گرفت. حتی در آن زمان مشخص بود که بخش عمده ای از جرم یک اتم در هسته آن نهفته است، زیرا الکترون ها صدها بار سبک تر از نوکلئون ها هستند. به منظور مطالعه بار مثبت درون هسته، رادرفورد در سال 1906 کاوش اتم را با ذرات آلفا پیشنهاد کرد. چنین ذرات در طی تجزیه رادیوم و همچنین برخی مواد دیگر به وجود آمدند. رادرفورد در طول آزمایشات خود به درک ساختار اتم دست یافت که به آن "مدل سیاره ای" داده شد.

اولین مشاهدات رادیواکتیویته

در سال 1985، محقق انگلیسی W. Ramsay که به دلیل کشف گاز آرگون شناخته شده است، به کشف جالبی دست یافت. او گاز هلیوم را در ماده معدنی به نام kleveite کشف کرد. پس از آن، مقادیر زیادی هلیوم نیز در سایر مواد معدنی یافت شد، اما فقط در آنهایی که حاوی توریم و اورانیوم بودند.

این برای محقق بسیار عجیب به نظر می رسید: گاز از کجا می تواند در مواد معدنی بیاید؟ اما وقتی رادرفورد شروع به مطالعه ماهیت رادیواکتیو کرد، معلوم شد که هلیوم محصول تجزیه رادیواکتیو است. برخی از عناصر شیمیایی با خواص کاملاً جدید، برخی دیگر را به دنیا می آورند. و این واقعیت با تمام تجربیات قبلی شیمیدانان آن زمان در تضاد بود.

مشاهدات فردریک سودی

به همراه رادرفورد، دانشمند فردریک سودی به طور مستقیم در این تحقیق شرکت داشتند. او شیمیدان بود و به همین دلیل تمام کارهای او در رابطه با شناسایی عناصر شیمیایی با توجه به خواص آنها انجام شد. در واقع، دگرگونی های رادیواکتیو هسته های اتم برای اولین بار توسط سودی مورد توجه قرار گرفت. او موفق شد بفهمد که ذرات آلفای که رادرفورد در آزمایشات خود استفاده کرده است، چه هستند. پس از انجام اندازه گیری ها، دانشمندان دریافتند که جرم یک ذره آلفا 4 واحد جرم اتمی است. با جمع آوری تعداد معینی از چنین ذرات آلفا، محققان دریافتند که آنها به یک ماده جدید - هلیوم تبدیل شده اند. خواص این گاز برای سودی کاملاً شناخته شده بود. بنابراین، او استدلال کرد که ذرات آلفا قادر به گرفتن الکترون از خارج و تبدیل به اتم هلیوم خنثی هستند.

تغییرات درون هسته اتم

مطالعات بعدی با هدف شناسایی ویژگی های هسته اتم انجام شد. دانشمندان متوجه شدند که همه تبدیل ها نه با الکترون ها یا پوسته الکترونی، بلکه مستقیماً با خود هسته ها اتفاق می افتد. این دگرگونی های رادیواکتیو هسته های اتم بود که در تبدیل برخی از مواد به مواد دیگر نقش داشت. در آن زمان، ویژگی های این دگرگونی ها هنوز برای دانشمندان ناشناخته بود. اما یک چیز واضح بود: در نتیجه، عناصر شیمیایی جدید به نوعی ظاهر شدند.

برای اولین بار، دانشمندان توانستند چنین زنجیره ای از دگرگونی ها را در فرآیند تبدیل رادیوم به رادون ردیابی کنند. واکنش هایی که منجر به چنین دگرگونی هایی شد که با تشعشعات ویژه همراه بود، توسط محققان هسته ای نامیده شد. دانشمندان پس از اطمینان از اینکه همه این فرآیندها دقیقاً در داخل هسته یک اتم انجام می شود، شروع به مطالعه مواد دیگر و نه فقط رادیوم کردند.

انواع باز تابش

رشته اصلی که ممکن است نیاز به پاسخ به چنین سؤالاتی داشته باشد، فیزیک (پایه 9) است. تحولات رادیواکتیو هسته های اتمی در دوره او گنجانده شده است. رادرفورد در حین انجام آزمایشات بر روی قدرت نفوذ تابش اورانیوم، دو نوع تشعشع یا تبدیل رادیواکتیو را کشف کرد. نوع کم نفوذ تابش آلفا نام داشت. بعداً تابش بتا نیز مورد مطالعه قرار گرفت. تابش گاما برای اولین بار توسط پل ویلارد در سال 1900 مورد مطالعه قرار گرفت. دانشمندان نشان داده اند که پدیده رادیواکتیویته با فروپاشی هسته های اتم مرتبط است. بنابراین، یک ضربه خرد کننده به ایده های غالب قبلی در مورد اتم به عنوان یک ذره تقسیم ناپذیر وارد شد.

تبدیلات رادیواکتیو هسته های اتمی: انواع اصلی

در حال حاضر اعتقاد بر این است که در طول واپاشی رادیواکتیو سه نوع تبدیل رخ می دهد: واپاشی آلفا، واپاشی بتا، و جذب الکترون، که در غیر این صورت K-capture نامیده می شود. در طی واپاشی آلفا، یک ذره آلفا از هسته که هسته اتم هلیوم است، ساطع می شود. خود هسته رادیواکتیو به هسته ای تبدیل می شود که بار الکتریکی کمتری دارد. واپاشی آلفا مشخصه موادی است که آخرین مکان ها را در جدول تناوبی اشغال می کنند. واپاشی بتا نیز در دگرگونی های رادیواکتیو هسته های اتم گنجانده شده است. ترکیب هسته اتم با این نوع نیز تغییر می کند: نوترینوها یا پادنوترینوها و همچنین الکترون ها و پوزیترون ها را از دست می دهد.

این نوع فروپاشی با تشعشعات الکترومغناطیسی موج کوتاه همراه است. در گرفتن الکترون، هسته یک اتم یکی از الکترون های نزدیک را جذب می کند. در این حالت، هسته بریلیوم می تواند به هسته لیتیوم تبدیل شود. این نوع در سال 1938 توسط یک فیزیکدان آمریکایی به نام آلوارز کشف شد که تحولات رادیواکتیو هسته اتم را نیز مورد مطالعه قرار داد. عکس هایی که در آن محققان سعی کردند چنین فرآیندهایی را ثبت کنند حاوی تصاویری شبیه به یک ابر تار به دلیل اندازه کوچک ذرات مورد مطالعه است.

در سال 1900، رادرفورد به رادیو شیمیدان انگلیسی فردریک سودی در مورد تورون مرموز گفت. سودی ثابت کرد که تورون گازی بی اثر شبیه به آرگون است که چندین سال قبل در هوا کشف شده بود. این یکی از ایزوتوپ های رادون، 220 Rn بود. انتشار رادیوم، همانطور که بعدا معلوم شد، ایزوتوپ دیگری از رادون است - 222 Rn (نیمه عمر تی 1/2 = 3.825 روز)، و انتشار اکتینیم ایزوتوپ کوتاه مدت همان عنصر است: 219 Rn ( تی 1/2 = 4 ثانیه). علاوه بر این، رادرفورد و سودی یک عنصر غیرفرار جدید را از محصولات تبدیل توریم جدا کردند که از نظر خواص متفاوت از توریم بود. توریم X نامیده شد (بعدها مشخص شد که ایزوتوپ رادیوم 224 Rac است. تی 1/2 = 3.66 روز). همانطور که مشخص شد، "توریوم emanation" دقیقاً از توریم X آزاد می شود و نه از توریوم اصلی. نمونه‌های مشابه چند برابر شد: در اورانیوم یا توریم که در ابتدا از نظر شیمیایی کاملاً خالص شده بود، با گذشت زمان ترکیبی از عناصر رادیواکتیو ظاهر شد، که به نوبه خود، عناصر رادیواکتیو جدید از جمله عناصر گازی به دست آمد. بنابراین، ذرات a آزاد شده از بسیاری از داروهای رادیواکتیو به گازی مشابه هلیوم تبدیل شدند که در اواخر دهه 1860 روی خورشید (روش طیفی) کشف شد و در سال 1882 در برخی از سنگ ها کشف شد.

نتایج کار مشترک آنها توسط رادرفورد و سودی در سالهای 1902-1903 در تعدادی از مقالات در مجله فیلسوفیک منتشر شد. در این مقالات، پس از تجزیه و تحلیل نتایج به دست آمده، نویسندگان به این نتیجه رسیدند که امکان تبدیل برخی از عناصر شیمیایی به برخی دیگر وجود دارد. آنها نوشتند: «رادیواکتیویته یک پدیده اتمی است که با تغییرات شیمیایی همراه است که در آن انواع جدیدی از مواد متولد می‌شوند... رادیواکتیویته را باید مظهر یک فرآیند شیمیایی درون اتمی دانست... تشعشع با تبدیل اتم‌ها همراه است. در نتیجه یک دگرگونی اتمی، نوع کاملاً جدیدی از ماده تشکیل می‌شود که از نظر خواص فیزیکی و شیمیایی کاملاً متفاوت از ماده اصلی است.»

در آن زمان، این نتایج بسیار جسورانه بود. دانشمندان برجسته دیگر، از جمله کوری، اگرچه پدیده های مشابهی را مشاهده کردند، اما از همان ابتدا آنها را با وجود عناصر "جدید" در ماده اصلی توضیح دادند (به عنوان مثال، کوری پولونیوم و رادیوم موجود در آن را از سنگ معدن اورانیوم جدا کرد). با این وجود، رادرفورد و سودی درست می‌گویند: رادیواکتیویته با تبدیل برخی از عناصر به عناصر دیگر همراه است.

به نظر می رسید که تزلزل ناپذیر در حال فروپاشی است: تغییر ناپذیری و تقسیم ناپذیری اتم ها، زیرا از زمان بویل و لاووازیه، شیمی دانان در مورد تجزیه ناپذیری عناصر شیمیایی (همانطور که در آن زمان می گفتند، "جسم های ساده"، اجزای سازنده، به این نتیجه رسیده بودند. جهان هستی)، در مورد عدم امکان تبدیل آنها به یکدیگر. آنچه در ذهن دانشمندان آن زمان می گذشت به وضوح توسط اظهارات D.I. مندلیف اثبات می شود ، که احتمالاً فکر می کرد امکان "تغییر" عناصر ، که کیمیاگران قرن ها در مورد آن صحبت می کردند ، سیستم هماهنگ را از بین می برد. مواد شیمیایی که او ایجاد کرده بود و در سراسر جهان شناخته شده بود. در یک کتاب درسی که در سال 1906 منتشر شد مبانی شیمیاو نوشت: «... من اصلاً تمایلی ندارم (براساس انضباط خشن اما پربار دانش استقرایی) حتی تبدیل پذیری فرضی برخی از عناصر به یکدیگر را تشخیص دهم و هیچ امکانی برای منشأ آن نمی بینم. آرگون یا مواد رادیواکتیو از اورانیوم یا بالعکس.

زمان مغالطه نظرات مندلیف را در مورد عدم امکان تبدیل برخی عناصر شیمیایی به عناصر دیگر نشان داده است. در همان زمان، مصونیت کشف اصلی او - قانون دوره ای - را تأیید کرد. کار بعدی فیزیکدانان و شیمیدانان نشان داد که در چه مواردی برخی از عناصر می توانند به عناصر دیگر تبدیل شوند و چه قوانین طبیعت بر این دگرگونی ها حاکم است.

دگرگونی عناصر سریال رادیواکتیو

در طول دو دهه اول قرن بیستم. از طریق کار بسیاری از فیزیکدانان و رادیو شیمیدانان، بسیاری از عناصر رادیواکتیو کشف شد. به تدریج مشخص شد که محصولات تبدیل آنها اغلب خود رادیواکتیو هستند و دچار دگرگونی های بیشتری می شوند، گاهی اوقات کاملاً پیچیده. دانستن توالی ای که در آن یک رادیونوکلئید به دیگری تبدیل می شود، ساخت سری به اصطلاح رادیواکتیو طبیعی (یا خانواده های رادیواکتیو) را ممکن ساخته است. آنها سه نفر بودند و به آنها ردیف اورانیوم، ردیف اکتینیم و ردیف توریم می گفتند. این سه سری از عناصر طبیعی سنگین - اورانیوم، شناخته شده از قرن 18، و توریم، که در سال 1828 کشف شد، سرچشمه می گیرند (اکتینیوم ناپایدار اجداد نیست، بلکه عضو واسط سری اکتینیم است). بعداً سری نپتونیوم به آنها اضافه شد که با اولین عنصر ترانس اورانیوم شماره 93 که به طور مصنوعی در سال 1940 به دست آمد، نپتونیوم شروع شد. بسیاری از محصولات تبدیل آنها نیز به نام عناصر اصلی نامگذاری شدند و طرح های زیر را نوشتند:

سری اورانیوم: UI ® UХ1 ® UХ2 ® UII ® Io (یون) ® Ra ® ... ® RaG.

سری شقایق دریایی: AcU ® UY ® Pa ® Ac ® AcK ® AcX ® An ® AcA ® AcB ® AcC ® AcC "" ® AcD.

سری توریوم: Th ® MsTh1 ® MsTh2 ® RdTh ® ThХ ® ThEm ® ThA ® ThB ® ThC ® ThC» ® ThD.

همانطور که معلوم شد، این ردیف ها همیشه زنجیره های "مستقیم" نیستند: هر از گاهی آنها منشعب می شوند. بنابراین، UX2 با احتمال 0.15٪ می تواند به UZ تبدیل شود، سپس به UII می رود. به طور مشابه، ThC می تواند به دو صورت تجزیه شود: تبدیل ThC ® ThC در 66.3٪ رخ می دهد، و در همان زمان، با احتمال 33.7٪، فرآیند ThC ® ThC""" ® ThD رخ می دهد. به نام "چنگال"، تبدیل موازی یک رادیونوکلئید به محصولات مختلف مشکل در ایجاد توالی صحیح تبدیلات رادیواکتیو در این سری نیز با طول عمر بسیار کوتاه بسیاری از اعضای آن، به ویژه اعضای بتا فعال همراه بود.

روزی روزگاری، هر یک از اعضای جدید سری رادیواکتیو به عنوان یک عنصر رادیواکتیو جدید در نظر گرفته می‌شد و فیزیکدانان و رادیوشیمی‌دانان نام‌های خود را برای آن معرفی کردند: یونیوم Io، مزوتوریوم-1 MsTh1، اکتین‌اورانیوم AcU، تابش توریم ThEm و غیره. و غیره این نام گذاری ها دست و پا گیر و ناخوشایند هستند؛ آنها سیستم مشخصی ندارند. با این حال، برخی از آنها هنوز هم گاهی اوقات به طور سنتی در ادبیات تخصصی استفاده می شود. با گذشت زمان، مشخص شد که همه این نمادها به انواع ناپایدار اتم ها (به طور دقیق تر، هسته ها) عناصر شیمیایی معمولی - رادیونوکلئیدها اشاره دارد. برای تمایز بین عناصر شیمیایی غیرقابل تفکیک، اما در نیمه عمر (و اغلب در نوع فروپاشی) عناصر متفاوت، F. Soddy در سال 1913 پیشنهاد کرد که آنها را ایزوتوپ نامید.

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 اورانیوم-رادیوم نیز می گویند. سری اکتینیوم (نام دیگر آن سری اکتینورانیوم است) نیز از اورانیوم طبیعی منشأ 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 به‌دست‌آمده به‌طور مصنوعی آغاز می‌شود: 237 Np® 233 Pa® 233 U® 229 Th® 225 Ra® 225 Ac® 221 Fr® 2217 At®. Bi ® 213 Po ® 209 Pb ® 209 Bi. 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. یکی از ویژگی‌های جالب‌تر سری نپتونیوم عدم وجود "نشات‌های گازی" و همچنین عضو نهایی سری - بیسموت به جای سرب است. نیمه عمر جد این سری مصنوعی "تنها" 2.14 میلیون سال است، بنابراین نپتونیم، حتی اگر در زمان شکل گیری منظومه شمسی وجود داشته باشد، تا به امروز نمی تواند "بقا" داشته باشد، 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.

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 زمینه اندازه گیری جرم اتمی، سرب را از برخی از مواد معدنی اورانیوم که حاوی توریم نبودند جدا کرد، جرم اتمی آن تقریباً دقیقاً 206 بود. چگالی این سرب نیز کمی کمتر بود. ، و با محاسبه شده مطابقت دارد: r (Pb) ґ 206/207.2 = 0.994r (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 مکان های مختلف نتایج کمی متفاوت خواهند داشت. سانتی متر.واحد کربن).

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= –l نمقدار l = ln2/ را تعیین کنید 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 در حین واپاشی، یک ذره (هسته اتم هلیوم) از هسته ساطع می شود، بنابراین، بار هسته 2 کاهش می یابد (تغییر در جدول تناوبی توسط دو سلول به سمت هسته سمت چپ)، و عدد جرمی 4 کاهش می یابد، که به ما امکان می دهد پیش بینی کنیم که چه ایزوتوپی از عنصر جدید تشکیل می شود. یک مثال، واپاشی رادون است: ® + . با واپاشی b، 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. به عنوان مثال دو تبدیل متوالی پلونیوم از رادون تشکیل شده است: ® ® . بنابراین، اگر "چنگال ها" 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 اولیه، هسته نهایی - . کاهش جرم (یا بهتر است بگوییم تعداد جرم، یعنی تعداد کل پروتون ها و نوترون های 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 واپاشی b وجود نداشت، 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 تبدیل به پروتون و 4 ذره b منتشر شد.

اغلب، یک واپاشی a با دو فروپاشی b دنبال می‌شود و بنابراین عنصر حاصل به سلول اصلی جدول عناصر - به شکل ایزوتوپ سبک‌تر از عنصر اصلی، باز می‌گردد. با تشکر از این حقایق، آشکار شد که قانون تناوبی D.I. مندلیف منعکس کننده رابطه بین خواص عناصر و بار هسته آنها است، و نه جرم آنها (همانطور که در ابتدا زمانی که ساختار اتم مشخص نبود، فرموله شد).

تبدیل مصنوعی عناصر و رادیواکتیویته مصنوعی.

بسیاری از دگرگونی‌های مختلف با دوترون‌ها، هسته‌های ایزوتوپ هیدروژن سنگین دوتریوم، که به سرعت‌های بالا شتاب می‌گرفتند، انجام شد. بنابراین، در طی واکنش + ® +، هیدروژن فوق سنگین برای اولین بار تولید شد - تریتیوم. برخورد دو دوترون می تواند متفاوت باشد: + ® +، این فرآیندها برای مطالعه امکان یک واکنش گرما هسته ای کنترل شده مهم هستند. واکنش + ® () ® 2 مهم است، زیرا قبلاً با انرژی نسبتاً کم دوترون (0.16 مگا ولت) رخ می دهد و با آزاد شدن انرژی عظیم - 22.7 مگا ولت همراه است (به یاد بیاورید که 1 مگا ولت = 106 eV است. و 1 eV = 96.5 کیلوژول بر مول).

واکنشی که هنگام بمباران بریلیم با ذرات a رخ می دهد، اهمیت عملی زیادی پیدا کرده است: + ® () ® +، در سال 1932 منجر به کشف ذره نوترون خنثی شد و معلوم شد که منابع نوترونی رادیوم-بریلیم بسیار راحت هستند. برای تحقیقات علمی نوترون هایی با انرژی های مختلف را نیز می توان در نتیجه واکنش ها به دست آورد + ® + ; + ® + ; + ® + . 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 در راکتورهای هسته ای برای کنترل واکنش شکافت اورانیوم استفاده می شود: میله ها یا صفحات کادمیوم به داخل دیگ هسته ای فشار داده می شوند تا واکنش را کاهش دهند.

اگر موضوع محدود به این دگرگونی ها بود، پس از توقف تابش a، شار نوترون باید بلافاصله خشک می شد، بنابراین، با حذف منبع پولونیوم، انتظار توقف همه فعالیت ها را داشتند، اما دریافتند که شمارنده ذرات به پالس هایی را که به تدریج از بین رفتند ثبت کنید - دقیقاً مطابق با قانون نمایی. 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 مشخص شد که با تابش a همگی هسته‌های رادیواکتیو سیلیکون یا آلومینیوم تولید می‌کنند که تحت واپاشی 227 یا پوزیترون قرار می‌گیرند:

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. به دلیل تبدیل نوترون "اضافی" به پروتون، یعنی به دلیل تابش 227، می تواند پایدار شود. بسیاری از این واکنش ها شناخته شده است، به عنوان مثال: + ® ® + e. واکنش تشکیل رادیوکربن 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 می‌آید که منبع قدرتمندی از تشعشعات گاما است (از محصول فروپاشی 60 هسته برانگیخته شرکت آزاد می‌شود). 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 در طی فروپاشی b ( تی 1/2 = 23.5 دقیقه) به اولین عنصر ماوراء اورانیوم نپتونیوم-239 تبدیل می شود و آن نیز به نوبه خود از طریق فروپاشی b ( 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 عنصر کنار طلا در جدول تناوبی 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 در طبیعت تنها هسته پایدار است و جیوه طبیعی مخلوط پیچیده ای از ایزوتوپ ها با آن است 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 (). 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 تنها در موارد خاصی می توان احتمال پوسیدگی را در یک دوره زمانی مشخص ارزیابی کرد. با این حال، حتی کوچکترین ذره غبار، تقریباً نامرئی در زیر میکروسکوپ، حاوی تعداد زیادی اتم است، و اگر این اتم ها رادیواکتیو باشند، فروپاشی آنها از قوانین دقیق ریاضی تبعیت می کند: قوانین آماری مشخصه تعداد بسیار زیادی از اجسام به اجرا در می آیند. . و سپس هر رادیونوکلئید را می توان با یک مقدار بسیار خاص - نیمه عمر ( تی 1/2) 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 عمر است (لازم نیست عدد صحیح باشد). نشان دادن این فرمول آسان است ن = ن 0/2 تی/تی 1/2 معادل فرمول است ن = ن 0e - ل تی، جایی که l به اصطلاح ثابت واپاشی است. 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 ن(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، دریافت می کنیم که ثابت فروپاشی با نیمه عمر نسبت معکوس دارد: l = ln2/ تی 1/2 = 0,693/تی 1/2. مقدار t = 1/l را میانگین طول عمر هسته می گویند. به عنوان مثال، برای 226 Ra تی 1/2 = 1600 سال، t = 1109 سال.

با توجه به فرمول های داده شده، دانستن مقدار تی 1/2 (یا l)، به راحتی می توان مقدار رادیونوکلئید را پس از هر دوره زمانی محاسبه کرد و از روی آنها می توانید نیمه عمر را محاسبه کنید اگر مقدار 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.

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

بنابراین، از 16 اتم پس از 4 ساعت (4 نیمه عمر)، هیچ یک به هیچ وجه باقی نمی ماند، همانطور که ممکن است فرض شود: احتمال این رویداد تنها 38.4٪ است، اگرچه بیشتر از احتمال هر نتیجه دیگری است. همانطور که از جدول مشخص است، احتمال واپاشی تمام 16 اتم (35.2٪) یا تنها 14 اتم نیز بسیار زیاد است. اما احتمال اینکه بعد از 4 نیمه عمر همه اتم ها "زنده" بمانند (هیچ یک از آنها تجزیه نشده است) ناچیز است. واضح است که اگر 16 اتم وجود نداشته باشد، اما، فرض کنید، 10 20 اتم وجود داشته باشد، تقریباً با اطمینان 100٪ می توانیم بگوییم که بعد از 1 ساعت نیمی از تعداد آنها باقی خواهد ماند، پس از 2 ساعت - یک چهارم و غیره. یعنی هر چه تعداد اتم ها بیشتر باشد، واپاشی آنها با قانون نمایی مطابقت دارد.

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 هسته های ناپایدار شناخته شده - رادیونوکلئیدها - به دو هزار نزدیک می شود، 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

کوتاه ترین نوکلید شناخته شده 5 Li است: طول عمر آن 4.4·10-22 ثانیه است. در این مدت، حتی نور فقط 10 تا 11 سانتی متر حرکت می کند، یعنی. فاصله ای که تنها چند ده برابر بیشتر از قطر هسته و به طور قابل توجهی کوچکتر از اندازه هر اتمی است. طولانی ترین 128 Te (حاوی در تلوریوم طبیعی به میزان 31.7٪) با نیمه عمر هشت سپتیلیون (8·10 24) سال است - حتی به سختی می توان آن را رادیواکتیو نامید. برای مقایسه، جهان ما "فقط" 10 10 سال تخمین زده می شود.

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، 1358
Choppin 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

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 موجود در 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 G. Bemont 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 خواص فیزیکی، به ویژه در خواص رادیواکتیو (نوع تابش، سرعت واپاشی) با یکدیگر متفاوت هستند. ). 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 جدیدی از واپاشی رادیواکتیو - واپاشی پوزیترون، یا فروپاشی b+ - به طور همزمان کشف شد. Joliot-Curies این ایده را بیان کرد که همه ذرات سریع (پروتون، دوترون، نوترون) باعث واکنش‌های هسته‌ای می‌شوند و می‌توان از آنها برای به دست آوردن ایزوتوپ‌های 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.

شاید خواندن آن مفید باشد: