Kaj so radioaktivne transformacije atomskih jeder. Radioaktivne transformacije jeder
Nova alkimija? Leta 1903 je Pierre Curie odkril, da uranove soli neprekinjeno in brez vidnega zmanjšanja skozi čas sproščajo toplotno energijo, ki se je na enoto mase zdela ogromna v primerjavi z energijo najbolj energičnih kemične reakcije. Še več toplote odda radij okoli 107 J na uro na 1 g čiste snovi. Izkazalo se je, da radioaktivni elementi, prisotni v globinah sveta, zadostujejo (v pogojih omejenega odvajanja toplote) za taljenje magme.
Kje je vir te na videz neizčrpne energije? Marie Curie predstavila čisto ob koncu 19. stoletja. dve hipotezi. Eden od njih (delil ga je Lord Kelvin ) je bilo, da radioaktivne snovi zajamejo neke vrste kozmično sevanje in shranijo potrebno energijo. V skladu z drugo hipotezo sevanje spremlja nekaj sprememb v samih atomih, ki v tem primeru izgubijo energijo, ki se oddaja. Obe hipotezi sta se zdeli enako neverjetni, vendar se je postopoma nabralo vedno več podatkov v prid drugi.
Velik prispevek k razumevanju dogajanja z radioaktivnimi snovmi je prispeval g Ernest Rutherford. Davnega leta 1895 je angleški kemik William Ramsay, ki je zaslovel z odkritjem argona v zraku, v mineralu kleveit odkril še en žlahtni plin, helij. Pozneje so znatne količine helija našli v drugih mineralih, a le v tistih, ki so vsebovali uran in torij. Zdelo se je presenetljivo in čudno, od kod lahko pride redek plin v mineralih? Ko je Rutherford začel raziskovati naravo alfa delcev, ki jih oddajajo radioaktivni minerali, je postalo jasno, da je helij produkt radioaktivnega razpada ( cm. RADIOAKTIVNOST). To pomeni, da so nekateri kemični elementi sposobni "generirati" druge - to je v nasprotju z vsemi izkušnjami, ki so jih nabrale več generacij kemikov.
Vendar "pretvorba" urana in torija v helij ni bila omejena. Leta 1899 so v laboratoriju Rutherforda (takrat je delal v Montrealu) opazili še en nenavaden pojav: pripravki elementa torija v zaprti ampuli so ohranili stalno aktivnost, na prostem pa je bila njihova aktivnost odvisna od. Skvoznjakov. Rutherford je hitro ugotovil, da torij oddaja radioaktivni plin (imenovali so ga emanacija torija iz latinske besede emanatio odtok ali thoron), aktivnost tega plina se je zelo hitro zmanjšala: za polovico v približno eni minuti (po sodobnih podatkih v 55,6 s). ). Podobno plinasto "emanacijo" so odkrili tudi pri radiju (njegova aktivnost se je zmanjševala veliko počasneje) poimenovali so jo emanacija radija ali radona. Lastno »emanacijo«, ki izgine v pičlih nekaj sekundah, so našli tudi pri aktiniju, poimenovali so jo emanacija aktinija ali aktinona. Pozneje se je izkazalo, da so vse te "emanacije" izotopi istega kemičnega elementa radona ( cm. KEMIJSKI ELEMENTI).
Po dodelitvi vsakega člana serije enemu od izotopov znanih kemičnih elementov je postalo jasno, da se serija urana začne z uranom-238 ( T 1/2 = 4,47 milijarde let) in se konča s stabilnim svincem-206; ker je eden od članov tega niza zelo pomemben element radij), se ta niz imenuje tudi uranov radijev niz. Tudi aktinijeva serija (drugo ime je aktinouranova serija) izvira iz naravnega urana, vendar iz njegovega drugega izotopa 235 U ( T 1/2 = 794 milijonov let). Torijev niz se začne z nuklidom 232 Th ( T 1/2 = 14 milijard let). Končno se serija neptunija, ki v naravi ni predstavljena, začne z umetno pridobljenim najdlje živim izotopom neptunija: 237 Np
® 233 Pa ® 233 U ® 229 Th ® 225 Ra ® 225 Ac ® 221 Fr ® 217 At ® 213 Bi ® 213 Po ® 209 Pb ® 209 Bi. V tej seriji je tudi "vilica": 213 Bi se lahko spremeni v 209 Tl z verjetnostjo 2%, in že se spremeni v 209 Pb. več zanimiva lastnost serije neptunija je odsotnost plinastih "emanacij", kot tudi končni član serije bizmut namesto svinca. Razpolovna doba prednika tega umetnega niza je "samo" 2,14 milijona let, torej neptunij, tudi če je bil prisoten med nastankom solarni sistem, ni mogel "preživeti" do danes, tk. starost Zemlje je ocenjena na 4,6 milijarde let in v tem času (več kot 2000 razpolovnih dob) od neptunija ne bi ostal niti en atom.Kot primer lahko navedemo zapleten zaplet dogodkov, ki jih je Rutherford razvozlal v verigi pretvorbe radija (radij-226 - šesti član serije radioaktivnega urana-238). Diagram prikazuje tako simbole Rutherfordovega časa kot sodobne oznake nuklidov, pa tudi vrsto razpada in sodobne podatke o razpolovnih dobah; v dani seriji je tudi majhna "vilica": RaC z verjetnostjo 0,04% lahko preide v RaC""(210 Tl), ki se nato spremeni v isti RaD ( T 1/2 = 1,3 min). Ta radioaktivni svinec ima precej dolgo razpolovno dobo, zato med poskusom pogosto zanemarite njegove nadaljnje transformacije.
Zadnji član te serije, svinec-206 (RaG), je stabilen; v naravnem svincu je 24,1 %. Torijeva serija vodi do stabilnega svinca-208 (njegova vsebnost v "navadnem" svincu je 52,4%), aktinijeva serija vodi do svinca-207 (njegova vsebnost v svincu je 22,1%). Razmerje teh izotopov svinca v sodobnih zemeljska skorja, je seveda povezano tako z razpolovno dobo matičnih nuklidov kot z njihovim začetnim razmerjem v snovi, iz katere je nastala Zemlja. In »navadnega«, neradiogenega, svinca v zemeljski skorji je le 1,4 %. Torej, če ne bi bilo urana in torija na začetku na Zemlji, svinca ne bi bilo 1,6 10 3% (približno enako kot kobalt), ampak 70-krat manj (kot na primer tako redke kovine, kot sta indij in tulij!) . Po drugi strani pa bi namišljeni kemik, ki je priletel na naš planet pred nekaj milijardami let, v njem našel veliko manj svinca in veliko več urana in torija ...Ko je F. Soddy leta 1915 izoliral svinec, ki je nastal med razpadom torija iz cejlonskega minerala torit (ThSiO 4), se je izkazalo, da je njegova atomska masa 207,77, kar je več kot pri »navadnem« svincu (207,2). razlika od "teoretičnega" (208) je razložena z dejstvom, da je bilo v toritu malo urana, ki daje svinec-206. Ko je ameriški kemik Theodore William Richards, avtoriteta za merjenje atomske mase izolirali svinec iz nekaterih uranovih mineralov, ki niso vsebovali torija, se je izkazalo, da je njegova atomska masa skoraj natanko 206. Gostota tega svinca je bila nekoliko manjša in je ustrezala izračunani:
r (Pb) ґ 206/207,2 = 0,994 r (Pb), kjer je r (Pb) \u003d 11,34 g / cm3. Ti rezultati jasno kažejo, zakaj za svinec, pa tudi za številne druge elemente, ni smiselno meriti atomske mase z zelo visoko natančnostjo: vzorci, vzeti v različni kraji, bo dal nekoliko drugačne rezultate ( cm. KARBONSKA ENOTA).V naravi se verige transformacij, prikazane na diagramih, pojavljajo neprekinjeno. Zaradi tega se nekateri kemijski elementi (radioaktivni) pretvarjajo v druge in takšne transformacije so se dogajale skozi celotno obdobje obstoja Zemlje. Začetni člani (imenujejo se starši) radioaktivne serije so najdlje živeči: razpolovna doba urana-238 je 4,47 milijarde let, torija-232 14,05 milijarde let, urana-235 (alias "aktinouran" prednik aktinijeva serija ) 703,8 Ma. Vsi naslednji ("hčerinski") člani te dolge verige živijo veliko manj. V tem primeru pride do stanja, ki ga radiokemiki imenujejo "radioaktivno ravnovesje": hitrost tvorbe vmesnega radionuklida iz matičnega urana, torija ali aktinija (ta hitrost je zelo nizka) je enaka hitrosti razpada tega nuklida. Zaradi enakosti teh stopenj je vsebnost določenega radionuklida konstantna in odvisna le od njegove razpolovne dobe: koncentracija kratkoživih članov radioaktivnega niza je nizka, koncentracija dolgoživih članov pa večji. Ta konstantnost vsebnosti vmesnih razpadnih produktov se ohranja zelo dolgo (ta čas je določen z razpolovno dobo matičnega nuklida in je zelo dolg). Preproste matematične transformacije vodijo do naslednji zaključek: razmerje med številom mater ( n 0) in otroci ( n 1 , n 2 , n 3 ...) so atomi neposredno sorazmerni z njihovimi razpolovnimi dobami: n 0:n 1:n 2:n 3 ... = T 0:T 1:T 2:T 3 ... Torej je razpolovna doba urana-238 4,47 10 9 let, radij-226 1600 let, tako da je razmerje med številom atomov urana-238 in radija-226 v uranovih rudah 4,47 10 9: 1600 , od koder je enostavno izračunati (ob upoštevanju atomskih mas teh elementov), da je za 1 tono urana, ko je doseženo radioaktivno ravnovesje, le 0,34 g radija.
In obratno, če poznamo razmerje med uranom in radijem v rudah ter razpolovno dobo radija, je mogoče določiti razpolovno dobo urana, medtem ko vam za določitev razpolovne dobe radija ni treba počakati več kot tisoč let je dovolj, da izmerimo (s svojo radioaktivnostjo) stopnjo razpada (tj. vrednost d n/d t) majhna znana količina tega elementa (z znanim številom atomov n) in nato po formuli d n/d t =
l N določi velikost l = ln2/ T 1/2 . premikovni zakon. Če člane radioaktivne serije zaporedno nanesemo na periodični sistem elementov, se izkaže, da se radionuklidi v tej seriji ne premikajo gladko od matičnega elementa (uran, torij ali neptunij) do svinca ali bizmuta, ampak "skočijo" zdaj na desno, nato na levo. Tako se v nizu urana dva nestabilna izotopa svinca (element št. 82) pretvorita v izotope bizmuta (element št. 83), nato v izotope polonija (element št. 84) in ti spet v izotope svinca. Posledično se radioaktivni element pogosto vrne nazaj v isto celico v tabeli elementov, vendar pri tem nastane izotop z drugačno maso. Izkazalo se je, da v teh "skokih" obstaja določen vzorec, ki ga je leta 1911 opazil F. Soddy.Zdaj je znano, da pri
a -razpad leti iz jedra a -delec (jedro atoma helija,), zato se jedrski naboj zmanjša za 2 (premik v periodnem sistemu za dve celici v levo), masno število pa se zmanjša za 4, kar omogoča predvidevanje, kateri izotop novega elementa nastane. Lahko služi ilustracija a - razpad radona: ® + . Za b -razpad, nasprotno, število protonov v jedru se poveča za enega, masa jedra pa se ne spremeni ( cm. RADIOAKTIVNOST), tj. pride do premika v tabeli elementov za eno celico v desno. Primer sta dve zaporedni transformaciji polonija, ki nastane iz radona:® ® . Tako je mogoče izračunati, koliko delcev alfa in beta se izpusti, na primer zaradi razpada radija-226 (glej serijo urana), če ne upoštevamo "vilic". matični nuklid, končno . Zmanjšanje mase (oziroma masnega števila, to je skupnega števila protonov in nevtronov v jedru) je 226 206 = 20, torej je bilo izpuščenih 20/4 = 5 alfa delcev. Ti delci s seboj odnesli 10 protonov in če ne bi bilo b -razpadov bi bil jedrski naboj končnega produkta razpada enak 88 10 = 78. V resnici je v končnem produktu 82 protonov, zato so se med transformacijami 4 nevtroni spremenili v protone in 4 b - delci.zelo pogosto po
a -razpad, ki mu sledita dva b -razpad, in tako se nastali element vrne v prvotno celico tabele elementov v obliki lažjega izotopa prvotnega elementa. Ta dejstva so jasno pokazala, da periodični zakon DI Mendelejev odraža razmerje med lastnostmi elementov in nabojem njihovega jedra in ne njihove mase (kot je bilo prvotno formulirano, ko struktura atoma ni bila znana).Zakon radioaktivnega premika je bil dokončno oblikovan leta 1913 kot rezultat mukotrpnega raziskovanja številnih znanstvenikov. Med njimi je treba omeniti Soddyjevega pomočnika Alexandra Flecka, Soddyjevega pripravnika A. S. Russella, madžarskega fizikalnega kemika in radiokemika Györgyja Hevesyja, ki je v letih 1911-1913 delal za Rutherforda na Univerzi v Manchestru, in nemškega (in kasneje ameriškega) fizikalnega kemika Casimirja Fajansa. (1887-1975). Ta zakon se pogosto imenuje zakon Soddy Faience.
Umetna transformacija elementov in umetna radioaktivnost. Že od Becquerelovih časov se opaža, da najbolj običajne snovi, ki so bile poleg radioaktivnih spojin, tudi same postanejo bolj ali manj radioaktivne. Rutherford je to poimenoval "razburjena aktivnost", zakonca Curiejeva "inducirana aktivnost", a bistva pojava dolgo ni znal razložiti nihče.Leta 1919 je Rutherford preučil odlomek
a -delci skozi različne snovi. Izkazalo se je, da ob udarcu s hitro letečimi a - delci o jedrih lahkih elementov, na primer dušika, lahko iz njih občasno izbijejo hitro leteči protoni (vodikova jedra), medtem ko sam a -delec vstopi v sestavo jedra, kar poveča njegov naboj za ena. Tako kot posledica reakcije+ ® + drugi nastane iz dušika kemični element kisik (njegov težki izotop). To je bila prva umetno izvedena reakcija pretvorbe enega elementa v drugega. Pri tem, kot tudi pri vseh drugih jedrskih procesih, se ohranita tako skupni naboj (podskripti) kot masno število, tj. skupno število protonov in nevtronov (nadpisi).Uresničile so se starodavne sanje alkimistov: človek se je naučil spreminjati nekatere elemente v druge, vendar praktični učinek nihče ni pričakoval te veščine v Rutherfordovem času. Res, dobiti
a -delcev, je bilo treba imeti njihov vir, na primer pripravek radija. Še huje, na milijon "izpuščenega dušika" a -delcev je bilo v povprečju pridobljenih le 20 atomov kisika.Sčasoma so bile uresničene še druge jedrske reakcije in mnoge od njih so dobile praktično uporabo. Aprila 1932 je Rutherford na srečanju Angleške akademije znanosti (Kraljeve družbe) objavil, da je njegov laboratorij uspešno izvedel reakcije cepitve lahkih elementov (na primer litija) s protoni. Da bi to naredili, so bili protoni, pridobljeni iz vodika, razpršeni z uporabo visoke napetosti, enake desetinam ali celo stotisočem voltov. Protoni, ki imajo manj kot
a -delci, naboj in masa, lažje prodrejo v jedro. Proton, ki prodre v jedro litija-7, ga spremeni v jedro berilija-8, ki skoraj v trenutku "izprazni" odvečno energijo, razpade na pol, na dva a-delci: + ® () ® 2 . Če vzamemo lahki izotop litija (v naravnem litiju je 7,5%), potem nastanejo jedra dveh izotopov helija:+ ® () ® + . Ob bombardiranju s protoni kisika je nastal fluor: + ® + ; pri luščenju aluminijevega magnezija:+ ® + .Veliko različnih transformacij je bilo izvedenih z devteroni, jedri težkega vodikovega izotopa devterija, pospešenimi do visokih hitrosti. Torej med reakcijo
+ ® + prvič je bil pridobljen supertežki vodikov tritij. Trk dveh devteronov lahko poteka drugače: + ® + , so ti procesi pomembni za preučevanje možnosti nadzorovane termonuklearne reakcije. Reakcija je bila pomembna+ ® () ® 2 , saj se pojavi že pri relativno nizki energiji devterona (0,16 MeV) in ga spremlja sproščanje ogromne energije 22,7 MeV (spomnimo se, da je 1 MeV = 10 6 eV in 1 eV = 96,5 kJ / mol) .Zelo praktičnega pomena je bila reakcija, ki se pojavi med obstreljevanjem berilija
a - delci: + ® () ® + , je leta 1932 pripeljalo do odkritja nevtralnih delcev nevtronov in izkazalo se je, da so nevtronski viri radij-berilij zelo primerni za znanstvena raziskava. Nevtrone z različnimi energijami lahko dobimo tudi kot rezultat reakcij + ® + ; + ® + ; + ® + . Nevtroni brez naboja še posebej zlahka prodrejo v atomska jedra in povzročijo različne procese, ki so odvisni tako od lupinastega nuklida kot od hitrosti (energije) nevtronov. Torej lahko počasen nevtron preprosto ujame jedro in jedro se sprosti nekaj odvečne energije z oddajanjem gama kvanta, na primer:+ ® + g . Ta reakcija se pogosto uporablja v jedrski reaktorji za uravnavanje reakcije cepitve urana: za upočasnitev reakcije se v jedrski kotel vstavijo kadmijeve palice ali plošče.Leta 1934 sta zakonca Irene in Frederic Joliot-Curie prišel do pomembnega odkritja. bombardiran
a- delci nekaterih lahkih elementov (oddajal jih je polonij), so pričakovali podobno reakcijo, kot jo poznamo že pri beriliju, tj. izbijanje nevtronov, na primer:
Če bi bila zadeva omejena na te transformacije, potem po prenehanju a - obsevanja, bi moral nevtronski tok takoj usahniti, zato so po odstranitvi polonijevega vira pričakovali, da bo prenehala vsaka aktivnost, vendar so ugotovili, da je števec delcev še naprej registriral impulze, ki so postopoma upadali natančno v skladu z eksponentnim zakonom. To bi lahko razlagali le na en način: kot posledica alfa obsevanja so nastali prej neznani radioaktivni elementi z značilno razpolovno dobo 10 minut za dušik-13 in 2,5 minute za fosfor-30. Izkazalo se je, da so ti elementi podvrženi pozitronskemu razpadu:® + e + , ® + e + . Zanimive rezultate so dobili z magnezijem, ki ga predstavljajo trije stabilni naravni izotopi, in izkazalo se je, da ko a - obsevanju, vsi dajejo radioaktivne nuklide silicija ali aluminija, ki se podvržejo 227-
ali pozitronski razpad:
Proizvodnja umetnih radioaktivnih elementov je velikega praktičnega pomena, saj omogoča sintezo radionuklidov z razpolovno dobo, primerno za določen namen, in želeno vrsto sevanja z določeno močjo. Še posebej priročno je uporabljati nevtrone kot "projektile". Zajetje nevtrona v jedro pogosto povzroči tako nestabilnost, da novo jedro postane radioaktivno. Lahko postane stabilen zaradi transformacije "odvečnega" nevtrona v proton, to je zaradi
227- sevanje; Takih reakcij je veliko, npr. + ® ® + e. Reakcija nastajanja radiokarbona, ki poteka v zgornji atmosferi, je zelo pomembna: + ® + (cm. RADIOKARBONSKA ANALIZNA METODA). Z absorpcijo počasnih nevtronov v jedrih litija-6 se sintetizira tritij. Pod delovanjem hitrih nevtronov je mogoče doseči številne jedrske transformacije, na primer: + ® + ; + ® + ; + ® + . Tako z obsevanjem navadnega kobalta z nevtroni dobimo radioaktivni kobalt-60, ki je močan vir sevanja gama (sprošča se z razpadnim produktom 60 Co v vzbujenih jedrih). Z obsevanjem z nevtroni dobimo nekatere transuranove elemente. Na primer, iz naravnega urana-238 najprej nastane nestabilni uran-239, ki ob b -razpad ( T 1/2 = 23,5 min) spremeni v prvo transuro nov element neptunij-239, on pa tudi skozi b -razpad ( T 1/2 = 2,3 dneva) se spremeni v zelo pomemben tako imenovani plutonij-239 za orožje.Ali je mogoče umetno pridobiti zlato z izvedbo potrebne jedrske reakcije in s tem doseči tisto, kar alkimistom ni uspelo? Teoretično za to ni ovir. Poleg tega je bila takšna sinteza že izvedena, vendar ni prinesla bogastva. Najlažji način bi bilo umetno pridobivanje zlata z obsevanjem živega srebra, elementa v periodnem sistemu za zlatom, z nevtronskim tokom. Potem kot posledica reakcije
+ ® + Nevtron bi iz atoma živega srebra izbil proton in ga spremenil v atom zlata. Ta reakcija ne določa specifičnih masnih števil ( A) nuklidi živega srebra in zlata. Zlato je edini stabilen nuklid v naravi., naravno živo srebro pa je kompleksna mešanica izotopov z A= 196 (0,15 %), 198 (9,97 %), 199 (1,87 %), 200 (23,10 %), 201 (13,18 %), 202 (29,86 %) in 204 (6,87 %). Posledično je po zgornji shemi mogoče dobiti samo nestabilno radioaktivno zlato. Dobila ga je skupina ameriških kemikov z univerze Harvard v začetku leta 1941 z obsevanjem živega srebra s tokom hitrih nevtronov. Nekaj dni kasneje so se vsi radioaktivni izotopi zlata, pridobljeni z beta razpadom, spet spremenili v prvotne izotope živega srebra ...Vendar obstaja še en način: če atome živega srebra-196 obsevamo s počasnimi nevtroni, se bodo spremenili v atome živega srebra-197:
+ ® + g . Ti atomi z razpolovno dobo 2,7 dni so podvrženi zajetju elektronov in se končno spremenijo v stabilne atome zlata:+e® . Takšno preobrazbo so leta 1947 izvedli zaposleni v Nacionalnem laboratoriju v Chicagu. Z obsevanjem 100 mg živega srebra s počasnimi nevtroni so dobili 0,035 mg 197Au. Glede na vse živo srebro je izkoristek zelo majhen le 0,035%, glede na 196Hg pa doseže 24%! Vendar je izotop 196 Hg v naravnem živem srebru le najmanjši, poleg tega pa bo sam proces obsevanja in njegovo trajanje (obsevanje bo trajalo več let), izolacija stabilnega "sintetičnega zlata" iz kompleksne mešanice neizmerno draga. več kot pridobivanje zlata iz njegove najrevnejše rude ( Poglej tudi ZLATO). Torej je umetna proizvodnja zlata zgolj teoretičnega pomena.Kvantitativne zakonitosti radioaktivnih transformacij. Če bi bilo mogoče izslediti določeno nestabilno jedro, potem ne bi bilo mogoče napovedati, kdaj bo razpadlo. To je samo naključen proces posamezne primere je mogoče oceniti verjetnost razpada v določenem času. Vendar pa tudi najmanjši delček prahu, skoraj neviden pod mikroskopom, vsebuje ogromno število atomov, in če so ti atomi radioaktivni, potem njihov razpad sledi strogim matematičnim zakonom: statističnim zakonom, ki so značilni za zelo veliko število predmetov. In potem lahko vsak radionuklid označimo z natančno definirano vrednostjo razpolovne dobe ( T 1/2) je čas, v katerem razpade polovica razpoložljivega števila jeder. Če je bilo v začetnem trenutku n 0 jeder, nato čez nekaj časa t = T 1/2 bo ostala n 0/2, pri t = 2T 1/2 ostane n 0 /4 = n 0 /2 2 , pri t = 3T 1/2 n 0 /8 = n 0/2 3 itd. Na splošno, kdaj t = nt 1/2 ostane n 0 /2 n jedra, kjer n = t/T 1/2 števila razpolovnih dob (ni nujno, da je celo število). Enostavno je pokazati, da formula n = n 0 /2 t/T 1/2 je enakovredna formuli n = n 0 e l t, kjer je l tako imenovana konstanta razpada. Formalno je definiran kot sorazmerni koeficient med hitrostjo upada d n/d t in razpoložljivo število jeder: d n/d t = l N (znak minus pomeni, da n se sčasoma zmanjša). Integracija te diferencialne enačbe daje eksponentno časovno odvisnost števila jeder. Zamenjava v tej formuli n = n 0/2 pri t = T 1/2 dobimo, da je konstanta razpada obratno sorazmerna z razpolovno dobo: l = ln2/ T 1/2 = 0,693/T 1/2. Vrednost t = 1/l se imenuje povprečna življenjska doba jedra. Na primer za 226 Ra T 1/2 = 1600 let, t = 1109 let.Glede na zgornje formule, poznavanje vrednosti T 1/2 (oz
l ), je enostavno izračunati količino radionuklida po poljubnem časovnem obdobju, iz njih pa je mogoče izračunati tudi razpolovno dobo, če je količina radionuklida znana v različnih časovnih točkah. Namesto števila jeder lahko v formulo nadomestimo aktivnost sevanja, ki je premo sorazmerna s trenutnim številom jeder. n. Aktivnost običajno ni označena s skupnim številom razpadov v vzorcu, temveč z njim sorazmernim številom impulzov, ki jih zabeleži naprava, ki meri aktivnost. Če obstaja na primer 1 g radioaktivne snovi, potem krajši kot je njen razpolovni čas, bolj aktivna bo snov.Drugi matematični vzorci opisujejo obnašanje majhnega števila radionuklidov. Tukaj lahko govorimo le o verjetnosti dogodka. Naj na primer obstaja en atom (natančneje eno jedro) radionuklida z T 1/2 = 1 min. Verjetnost, da ta atom živi 1 minuto, je 1/2 (50 %), 2 minuti 1/4 (25 %), 3 minute 1/8 (12,5 %), 10 minut (1/2 ) 10 = 1/10 24 (0,1 %), 20 min (1/2) 20 = 1/1048576 (0,00001 %). Za en sam atom je možnost zanemarljiva, ko pa je atomov veliko, na primer več milijard, potem bodo mnogi od njih nedvomno živeli 20 razpolovnih dob in še veliko več. Verjetnost, da bo atom v določenem času razpadel, dobimo tako, da dobljene vrednosti odštejemo od 100. Torej, če je verjetnost, da atom živi 2 minuti, 25 %, potem je verjetnost razpada atoma isti atom v tem času je 100 25 = 75 %, verjetnost razpada v 3 minutah 87,5 %, v 10 minutah 99,9 % itd.
Formula postane bolj zapletena, če obstaja več nestabilnih atomov. V tem primeru je statistična verjetnost dogodka opisana s formulo z binomskimi koeficienti. Če tam n atomov in verjetnost razpada enega od njih v določenem času t je enako str, potem je verjetnost, da v času t od n atomi bodo razpadali n(in bo temu primerno ostalo n n), je enako p = n!p n(1 str) n n/(n n)!n! Podobne formule je treba uporabiti pri sintezi novih nestabilnih elementov, katerih atome pridobivamo dobesedno po kosih (na primer, ko je skupina ameriških znanstvenikov leta 1955 odkrila nov element Mendelevij, so ga dobili v količini le 17 atomov).
Možno je ponazoriti uporabo te formule na konkretnem primeru. Naj, na primer, tam n= 16 atomov z razpolovno dobo 1 uro. Izračunate lahko verjetnost razpada določenega števila atomov, na primer v času t= 4 ure. Verjetnost, da bo en atom živel te 4 ure, je 1/2 4 \u003d 1/16, oziroma verjetnost njegovega razpada v tem času R= 1 1/16 = 15/16. Zamenjava teh začetnih podatkov v formuli daje: R = 16!(15/16) n(1/16) 16 n/(16 n)!n! = 16!15 n/2 64 (16 n)!n! Rezultat nekaterih izračunov je prikazan v tabeli:
| Tabela 1. | |||||||||
| Preostali atomi (16– n) | 16 | 10 | 8 | 6 | 4 | 3 | 2 | 1 | 0 |
| Razpadli atomi n | 0 | 6 | 8 | 10 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 |
| Verjetnost R, % | 5 10 -18 | 5 10 -7 | 1,8 10 -4 | 0,026 | 1,3 | 5,9 | 19,2 | 38,4 | 35,2 |
Številni poskusi, izvedeni od Becquerelovega časa dalje, so pokazali, da niti temperatura, niti tlak niti kemijsko stanje atoma praktično ne vplivata na hitrost radioaktivnega razpada. Izjeme so zelo redke; Tako je v primeru zajetja elektronov količina T 1/2 se nekoliko spremeni, ko se spremeni oksidacijsko stanje elementa. Na primer, razpad 7 BeF 2 je približno 0,1 % počasnejši od razpada 7 BeO ali kovinskega 7 Be.
Skupno število znanih nestabilnih jeder radionuklidov se približuje dva tisoč, njihova življenjska doba pa se spreminja v zelo širokem razponu. Znani kot dolgoživi radionuklidi, katerih razpolovne dobe so v milijonih in celo milijardah let, in kratkoživi, ki popolnoma razpadejo v majhnem delčku sekunde. Razpolovne dobe nekaterih radionuklidov so podane v tabeli.
Lastnosti nekaterih radionuklidov (za Tc, Pm, Po in vse naslednje elemente, ki nimajo stabilnih izotopov, so podani podatki za njihove najdlje živeče izotope).
| Tabela 2. | |||
| Serijska številka | Simbol | Masno število | Polovično življenje |
| 1 | T | 3 | 12.323 let |
| 6 | Z | 14 | 5730 let |
| 15 | R | 32 | 14,3 dni |
| 19 | TO | 40 | 1,28 10 9 let |
| 27 | torej | 60 | 5.272 let |
| 38 | Sr | 90 | 28,5 let |
| 43 | Ts | 98 | 4.2 10 6 let |
| 53 | jaz | 131 | 8.02 dni |
| 61 | Pm | 145 | 17,7 let |
| 84 | Ro | 209 | 102 leti |
| 85 | pri | 210 | 8.1 h |
| 86 | Rn | 222 | 3.825 dni |
| 87 | Fr | 223 | 21,8 min |
| 88 | Ra | 226 | 1600 let |
| 89 | AC | 227 | 21,77 let |
| 90 | Th | 232 | 1.405 10 9 let |
| 91 | Ra | 231 | 32.760 let |
| 92 | U | 238 | 4.468 10 9 let |
| 93 | Np | 237 | 2,14 10 6 let |
| 94 | Pu | 244 | 8,26 10 7 let |
| 95 | Am | 243 | 7370 let |
| 96 | cm | 247 | 1,56 10 7 |
| 97 | pr | 247 | 1380 let |
| 98 | prim | 251 | 898 let |
| 99 | Es | 252 | 471,7 dni |
| 100 | fm | 257 | 100,5 dni |
| 101 | md | 260 | 27,8 dni |
| 102 | št | 259 | 58 min |
| 103 | lr | 262 | 3,6 ure |
| 104 | RF | 261 | 78 s |
| 105 | Db | 262 | 34 s |
| 106 | Sg | 266 | 21 s |
| 107 | bh | 264 | 0,44 s |
| 108 | hs | 269 | 9 s |
| 109 | Mt | 268 | 70 ms |
| 110 | Ds | 271 | 56 ms |
| 111 | – | 272 | 1,5 ms |
| 112 | – | 277 | 0,24 ms |
Enota radioaktivnosti nuklida je bekerel: 1 Bq (Bq) ustreza enemu razpadu na sekundo. Pogosto se uporablja izvensistemska enota curie: 1 Ki (Ci) je enak 37 milijardam razpadov na sekundo ali 3,7 . 10 10 Bq (1 g 226 Ra ima približno enako aktivnost). Nekoč je bila predlagana izvensistemska rutherfordova enota: 1 Rd (Rd) \u003d 10 6 Bq, vendar ni postala razširjena.
LITERATURA Soddy F. Zgodovina atomske energije. M., Atomizdat, 1979Choppin G. et al. jedrska kemija. M., Energoatomizdat, 1984
Hoffman K. Ali je mogoče narediti zlato? L., Kemija, 1984
Kadmensky S.G. Radioaktivnost atomskih jeder: zgodovina, rezultati, najnovejši dosežki. Soros Educational Journal, 1999, št. 11
Glavna značilnost atoma sta 2 številki:
1. masno število (A) - enako vsoti protonov in nevtronov jedra
2. atomsko število (Z) v periodnem sistemu elementov Mendelejeva - enako številu protonov v jedru, tj. ustreza naboju jedra.
Določi se vrsta radioaktivne transformacije Vrsta delcev, ki se sproščajo med razpadom. Proces radioaktivnega razpada je vedno eksotermičen, to pomeni, da poteka s sproščanjem energije. Začetno jedro imenujemo matično jedro (na spodnjih diagramih je označeno s simbolom X), nastalo jedro po razpadu pa podrejeno jedro (na diagramih simbol Y).
Nestabilna jedra so podvržena štirim glavnim vrstam radioaktivnih transformacij:
A) Alfa razpad- sestoji iz dejstva, da težko jedro spontano oddaja alfa delec, tj. To je čisto jedrski pojav. Poznamo več kot 200 alfa-aktivnih jeder, skoraj vsa imajo zaporedno številko nad 83 (Am-241; Ra-226; Rn-222; U-238 in 235; Th-232; Pu-239 in 240) . Energija alfa delcev težkih jeder je največkrat v območju od 4 do 9 MeV.
Primeri alfa razpada:
B) Beta transformacija je intranukleonski proces; v jedru razpade posamezen nukleon, pri tem pride do notranje preureditve jedra in pojavijo se iz jedra emitirani b-delci (elektron, pozitron, nevtrino, antinevtrino). Primeri radionuklidov, ki so podvrženi beta transformaciji: tritij (H-3); C-14; natrijevi radionuklidi (Na-22, Na-24); fosforjevi radionuklidi (P-30, P-32); žveplovi radionuklidi (S-35, S-37); kalijevi radionuklidi (K-40, K-44, K-45); Rb-87; stroncijevi radionuklidi (Sr-89, Sr-90); radionuklidi joda (I-125, I-129, I-131, I-134); cezijevi radionuklidi (Cs-134, Cs-137).
Energija beta delcev se spreminja v širokem območju: od 0 do Emax (skupna energija, sproščena med razpadom) in se meri v keV, MeV. Pri enakih jedrih je energijska porazdelitev oddanih elektronov pravilna in se imenuje Spekter elektronovB-razpad ali beta spekter; energijski spekter beta delcev se lahko uporabi za identifikacijo razpadajočega elementa.
En primer beta transformacije enega nukleona je Razpad prostega nevtrona(razpolovna doba 11,7 min):
Vrste beta transformacije jeder:
1) elektronski razpad: 
.
Primeri elektronskega razpada:,
2) Razpad pozitronov:
Primeri razpada pozitronov:, 
3) Elektronski zajem(K-zajem, ker jedro absorbira enega od elektronov atomske lupine, običajno iz K-lupine): 
Primeri elektronskega zajema: 
, 
IN) Transformacija gama (prehod izomera)- intranuklearni pojav, pri katerem jedro zaradi energije vzbujanja oddaja gama kvant, ki preide v bolj stabilno stanje; medtem ko se masno število in atomsko število ne spremenita. Spekter sevanja gama je vedno diskreten. Žarki gama, ki jih oddajajo jedra, imajo običajno energije od deset keV do več MeV. Primeri radionuklidov, ki so podvrženi gama transformaciji: Rb-81m; Cs-134m; Cs-135m; In-113m; Y-90m.
, kjer indeks "m" pomeni metastabilno stanje jedra.
Primer transformacije gama: 
G) Spontana jedrska cepitev- možno za jedra, začenši z masnim številom 232. Jedro je razdeljeno na 2 po masi primerljiva fragmenta. Spontana cepitev jeder omejuje možnost pridobivanja novih transuranovih elementov. V jedrski energiji se uporablja proces cepitve težkih jeder, ko zajamejo nevtrone:
Kot posledica cepitve nastanejo fragmenti s presežnim številom nevtronov, ki so nato podvrženi več zaporednim transformacijam (pogosteje beta razpadu).
Pretvorbe, pri katerih se jedro enega kemičnega elementa spremeni v jedro drugega elementa z drugačnim atomskim številom, imenujemo radioaktivni razpad. Radioaktivni izotopi nastali in obstajajo v naravne razmere, se imenujejo naravno radioaktivni; isti izotopi, umetno pridobljeni z jedrskimi reakcijami, so umetno radioaktivni. Med naravnimi in umetnimi radioaktivnimi izotopi ni bistvene razlike, saj so lastnosti jeder atomov in samih atomov določene le s sestavo in zgradbo jedra in niso odvisne od načina njihovega nastanka.
Radioaktivnost je leta 1896 odkril A. N. Becquerel, ki je odkril sevanje urana, ki lahko počrni fotografske emulzije in ionizira zrak. Curie-Sklodowska (M. Curie-Sklodowska) je prva izmerila jakost sevanja urana in sočasno z nemškim znanstvenikom Schmidtom (G.S. Schmidt) odkrila radioaktivnost v toriju. Lastnost izotopov, da spontano oddajajo nevidno sevanje, sta Curiejeva poimenovala radioaktivnost. Julija 1898 so objavili odkritje novega radioaktivnega elementa, polonija, v katransko uranovi rudi. Decembra 1898 sta skupaj z G. Bemontom odkrila radij.
Po odkritju radioaktivnih elementov je vrsta avtorjev (Becquerel, Curiejeva, Rutherford in drugi) ugotovila, da lahko ti elementi oddajajo tri vrste žarkov, ki se v magnetnem polju obnašajo različno. Po predlogu Rutherforda (E. Rutherford, 1902) so te žarke poimenovali alfa, beta in gama žarki. Alfa žarke sestavljajo pozitivno nabiti alfa delci (dvojno ionizirani atomi helija He4); beta žarki - iz negativno nabitih delcev majhne mase - elektronov; Žarki gama so po naravi podobni rentgenskim žarkom in so kvanti elektromagnetnega sevanja.
Leta 1902 sta Rutherford in F. Soddy razložila pojav radioaktivnosti s spontanim preoblikovanjem atomov enega elementa v atome drugega elementa, ki poteka po naključnih zakonih in ga spremlja sproščanje energije v obliki alfa, beta in gama žarki.
Leta 1910 je M. Curie-Sklodowska skupaj z A. Debierneom pridobila čisti kovinski radij in raziskala njegove radioaktivne lastnosti, zlasti izmeril razpadno konstanto radija. Kmalu so odkrili še številne druge radioaktivne elemente. Debjorn in F. Giesel sta odkrila morske vetrnice. Gan (O. Halm) je odkril radiotorij in mezotorij, Boltwood (VV Boltwood) ionij, Gan in L. Meitner pa protaktinij. Vsi izotopi teh elementov so radioaktivni. Leta 1903 sta Pierre Curie in C.A. Laborde pokazala, da ima radijev pripravek vedno povišano temperaturo in da 1 g radija s svojimi razpadnimi produkti sprosti približno 140 kcal v 1 uri. Istega leta sta W. Ramsay in Soddy ugotovila, da zaprta radijeva ampula vsebuje plinasti helij. Dela Rutherforda, F. Dorna, Debierna in Gisela so pokazala, da med razpadnimi produkti urana in torija obstajajo hitro razpadajoči radioaktivni plini, imenovani emanacije radija, torija in aktinija (radon, toron, aktinon). Tako je bilo dokazano, da se med razpadom atomi radija spremenijo v atome helija in radona. Zakone radioaktivnih pretvorb enih elementov v druge med alfa in beta razpadi (displacement laws) so prvi oblikovali Soddy, Fajans (K. Fajans) in Russell (W.J. Russell).
Ti zakoni so naslednji. Pri alfa razpadu se iz prvotnega elementa, ki se nahaja v D.I. Mendelejev je dve celici levo od prvotnega elementa (serijska ali atomska številka je za 2 manjša od originalne); pri beta razpadu iz prvotnega elementa vedno dobimo drug element, ki se nahaja v periodnem sistemu eno celico desno od prvotnega elementa (atomsko število je za eno več kot prvotno element).
Proučevanje transformacij radioaktivnih elementov je vodilo do odkritja izotopov, to je atomov, ki imajo enake kemijske lastnosti in atomska števila, vendar se med seboj razlikujejo po masi in fizične lastnosti, zlasti glede na radioaktivne lastnosti (vrsta sevanja, stopnja razpada). Od velikega števila odkritih radioaktivnih snovi so se le radij (Ra), radon (Rn), polonij (Po) in protaktinij (Ra) izkazali za nove elemente, ostalo pa so bili izotopi prej znanih urana (U), torija. (Th), svinec (Pb), talij (Tl) in bizmut (Bi).
Po Rutherfordovem odkritju jedrske strukture atomov in dokazu, da je jedro tisto, ki določa vse lastnosti atoma, zlasti strukturo njegovih elektronskih lupin in njegove kemijske lastnosti (glej Atom, atomsko jedro), je postalo jasno, da so radioaktivne transformacije povezane s transformacijo atomskih jeder. Nadaljnja študija strukture atomskih jeder je omogočila popolno dešifriranje mehanizma radioaktivnih transformacij.
Prvo umetno transformacijo jeder – jedrsko reakcijo – je izvedel Rutherford leta 1919 z obstreljevanjem jeder dušikovih atomov z delci polonija alfa. Hkrati so jedra dušika oddala protone (glej) in se spremenila v jedra kisika O17. Leta 1934 sta F. Joliot-Curie in I. Joliot-Curie (F. Joliot-Curie, I. Joliot-Curie) prva umetno pridobila radioaktivni izotop fosforja z obstreljevanjem atomov Al z alfa delci. Jedra P30 v nasprotju z jedri naravno radioaktivnih izotopov med razpadom niso oddajala elektronov, temveč pozitrone in se spremenila v stabilna jedra silicija Si30. Tako so leta 1934 umetno radioaktivnost in nova vrsta radioaktivni razpad - pozitronski razpad ali +-razpad. Joliot-Curies sta izrazila idejo, da vse hitri delci(protoni, devteroni, nevtroni) povzročajo jedrske reakcije in se lahko uporabljajo za proizvodnjo naravnih radioaktivnih izotopov. Fermi (E. Fermi), ki je bombardiral različne elemente z nevtroni, je prejel radioaktivne izotope skoraj vseh kemičnih elementov. Trenutno so s pomočjo pospešenih nabitih delcev in nevtronov izvedene najrazličnejše jedrske reakcije, zaradi česar je bilo mogoče pridobiti vse radioaktivne izotope.
Leta 1937 je Alvarez (L. Alvarez) odkril novo vrsto radioaktivne transformacije - elektronski zajem. Pri zajemu elektronov jedro atoma zajame elektron iz lupine atoma in se spremeni v jedro drugega elementa. Leta 1939 sta Hahn in F. Strassmann odkrila cepitev uranovega jedra na lažja jedra (cepitvene drobce) ob obstreljevanju z nevtroni. Istega leta sta Flerov in Petrzhak pokazala, da se proces cepitve uranovih jeder izvaja spontano brez zunanjega vpliva. Tako so odkrili novo vrsto radioaktivne transformacije – spontano cepitev težkih jeder.
Trenutno so znane naslednje vrste radioaktivnih transformacij, ki nastanejo brez zunanjih vplivov, spontano, samo zaradi notranjih vzrokov zaradi strukture atomskih jeder.
Kaj se zgodi s snovjo, ko je izpostavljena sevanju? Na to vprašanje odgovorite na začetku 20. stoletja. ni bilo zelo enostavno. Že na samem začetku raziskovanja radioaktivnosti so odkrili marsikaj čudnega in nenavadnega.
Prvič, neverjetna konstantnost, s katero radioaktivni elementi uran, torij in radij oddajajo sevanje. Čez dan, mesece in leta se jakost sevanja ni opazneje spreminjala. Nanj niso vplivali običajni vplivi, kot sta segrevanje ali naraščajoči tlak.
Tudi kemične reakcije, v katere so vstopile radioaktivne snovi, niso vplivale na jakost sevanja.
Drugič, zelo kmalu po odkritju radioaktivnosti je postalo jasno, da radioaktivnost spremlja sproščanje energije. Pierre Curie je v kalorimeter postavil ampulo radijevega klorida. Absorbiral je α-, β- in γ-žarke, zaradi njihove energije pa se je kalorimeter segreval. Curie je ugotovil, da 1 g radija sprosti 582 J energije v 1 uri. In ta energija se sprošča neprekinjeno več let.
Od kod prihaja energija, na katere sproščanje ne vplivajo vsi znani vplivi? Očitno je med radioaktivnostjo snov podvržena globokim spremembam, ki so popolnoma drugačne od običajnih kemičnih transformacij. Predpostavka je bila narejena Sami atomi se spreminjajo!
Zdaj ta ideja ne more povzročiti veliko presenečenja, saj lahko otrok sliši o njej, še preden se nauči brati. Toda na začetku XX. zdelo se je fantastično in potreben je bil velik pogum, da sem si to upal izraziti. Takrat so bili pravkar pridobljeni neizpodbitni dokazi o obstoju atomov. Stoletja stara ideja Demokrita o atomistični strukturi snovi je končno zmagala. In skoraj takoj za tem je nespremenljivost atomov postavljena pod vprašaj.
Ne bomo se spuščali v podrobnosti o tistih poskusih, ki so sčasoma privedli do popolnega zaupanja, da se med radioaktivnim razpadom pojavi veriga zaporednih transformacij atomov. Zadržimo se le na prvih poskusih, ki jih je začel Rutherford in nadaljeval skupaj z angleškim kemikom F. Soddyjem (1877-1956).
Rutherford je to odkril aktivnost torija, definirana kot število razpadov na enoto časa, ostane v zaprti ampuli nespremenjena. Če preparat pihamo tudi z zelo šibkimi zračnimi tokovi, se aktivnost torija močno zmanjša. Rutherford je predlagal, da hkrati z α-delci torij oddaja nekakšen plin, ki je tudi radioaktiven. Temu je rekel plin emanacija. Rutherford je s sesanjem zraka iz ampule, ki je vsebovala torij, izoliral radioaktivni plin in raziskal njegovo ionizirajočo sposobnost. Izkazalo se je, da aktivnost tega plina s časom hitro upada. Vsako minuto se aktivnost zmanjša za polovico, po desetih minutah pa je praktično enaka nič. Soddy je raziskal kemijske lastnosti tega plina in ugotovil, da ne vstopa v nobene reakcije, to je, da je inerten plin. Kasneje so plin poimenovali radon in ga v periodnem sistemu umestili pod zaporedno številko 86. Preoblikovali so se tudi drugi radioaktivni elementi: uran, aktinij, radij. Splošno ugotovitev, do katere so prišli znanstveniki, je natančno formuliral Rutherford: »Atomi radioaktivne snovi so predmet spontanih sprememb. V vsakem trenutku majhen delček skupno število atomi postanejo nestabilni in eksplozivno razpadejo. V veliki večini primerov se delček atoma, α-delec, izvrže z veliko hitrostjo. V nekaterih drugih primerih eksplozijo spremlja izmet hitrega elektrona in pojav žarkov, ki imajo tako kot rentgenski žarki veliko prodorno moč in se imenujejo γ-sevanje. Ugotovljeno je bilo, da kot posledica atomske transformacije nastane popolnoma nova vrsta snovi, popolnoma drugačna po svojih fizikalnih in kemijske lastnosti iz prvotne snovi. Ta nova snov pa je tudi sama po sebi nestabilna in se transformira z oddajanjem značilnega radioaktivnega sevanja.
Tako je dobro ugotovljeno, da so atomi nekaterih elementov podvrženi spontanemu razpadu, ki ga spremlja emisija energije v ogromnih količinah v primerjavi z energijo, ki se sprosti med običajnimi molekularnimi spremembami.
Po odkritju atomskega jedra je takoj postalo jasno, da se med radioaktivnimi transformacijami spreminja prav to. Navsezadnje v elektronski lupini sploh ni os-delcev in zmanjšanje števila elektronov lupine za eno spremeni atom v ion in ne v nov kemični element. Izmet elektrona iz jedra spremeni naboj jedra (ga poveča) za ena. Naboj jedra določa zaporedno številko elementa v periodnem sistemu in vse njegove kemijske lastnosti.
Opomba
Literatura
Myakishev G.Ya. Fizika: Optika. Kvantna fizika. 11. razred: Uč. za poglobljen študij fizike. - M.: Bustard, 2002. - S. 351-353.
Morda bi bilo koristno prebrati:
- Hadis z navodili preroka Mohameda na temo družine;
- Sura pred poškodbami in očmi. Recitacija due za otroke. Molitve za različne priložnosti pri Tatarih;
- Video o postu v mesecu ramadanu;
- Seznam uporabljene literature;
- Katere prednosti je treba navesti v življenjepisu?;
- Metode za diagnosticiranje osebnostne motivacije;
- Kaj morajo vedeti podrejeni?;
- Verbaliziranje svojih občutkov;