Transformacije kemijskih elementov pri naravnem radioaktivnem razpadu. Radioaktivne transformacije atomskih jeder učni načrt pri fiziki (9. razred) na temo

odmerek izpostavljenosti
absorbirana doza
enakovredni odmerek
učinkovitega ekvivalentnega odmerka

radioaktivnost

To je sposobnost jeder atomov različnih kemičnih elementov, da se uničijo, spremenijo z emisijo atomskih in subatomskih delcev visokih energij. Med radioaktivnimi transformacijami se v veliki večini primerov atomska jedra (in s tem atomi sami) nekaterih kemičnih elementov pretvorijo v atomska jedra (atome) drugih kemičnih elementov ali pa se en izotop kemičnega elementa pretvori v drugega. izotop istega elementa.

Imenujemo atome, katerih jedra so podvržena radioaktivnemu razpadu ali drugim radioaktivnim transformacijam radioaktivno.

Izotopi

(iz grških besedisos – »enako, enako« intopos - "mesto")

To so nuklidi enega kemičnega elementa, tj. sorte atomov določenega elementa, ki imajo enako atomsko število, vendar različna masna števila.

Izotopi imajo jedra z enakim številom protonov in različnim številom nevtronov ter zavzemajo isto mesto v periodnem sistemu kemijskih elementov. Obstajajo stabilni izotopi, ki obstajajo nespremenjeni neomejeno dolgo, in nestabilni (radioizotopi), ki s časom razpadejo.

Znanopribližno 280 stabilnih inveč kot 2000 radioaktivnih izotopi116 naravnih in umetno pridobljenih elementov .

Nuklid (iz latinščinejedro – »jedro«) je zbirka atomov z določenimi vrednostmi jedrskega naboja in masnega števila.

Nuklidni simboli:, KjeX – črkovna oznaka elementa,Z – število protonov (atomsko število ), A – vsota števila protonov in nevtronov (masno število ).

Tudi prvi in najlažji atom v periodnem sistemu, vodik, ki ima samo en proton v svojem jedru (in en elektron kroži okoli njega), ima tri izotope.

Radioaktivne transformacije

Lahko so naravne, spontane (spontane) in umetne. Spontane radioaktivne transformacije so naključen, statističen proces.

Vse radioaktivne transformacije običajno spremlja sproščanje odvečne energije iz jedra atoma v obliki elektromagnetno sevanje.

Sevanje gama je tok kvantov gama z visoko energijo in prodorno močjo.

Rentgenski žarki so tudi tok fotonov - običajno z nižjo energijo. Samo "rojstni kraj" rentgenskega sevanja ni jedro, temveč elektronske lupine. Glavni tok rentgenskega sevanja nastane v snovi, ko skozi njo prehajajo »radioaktivni delci« (»radioaktivno sevanje« ali »ionizirajoče sevanje«).

Glavne vrste radioaktivnih transformacij:

radioaktivni razpad;
cepitev atomskih jeder.

To je emisija, izmet z ogromnimi hitrostmi iz jeder atomov "elementarnih" (atomskih, subatomskih) delcev, ki jih običajno imenujemo radioaktivno (ionizirajoče) sevanje.

Ko en izotop določenega kemičnega elementa razpade, se spremeni v drug izotop istega elementa.

Za naravno(naravnih) radionuklidov sta glavni vrsti radioaktivnega razpada alfa in beta minus razpad.

Naslovi " alfa"in" beta” je podaril Ernest Rutherford leta 1900 med preučevanjem radioaktivnega sevanja.

Za umetno Za (umetne) radionuklide so poleg tega značilne tudi nevtronske, protonske, pozitronske (beta-plus) in redkejše vrste razpadov in jedrskih transformacij (mezonski, K-zajem, izomerni prehod itd.).

Alfa razpad

To je emisija alfa delca iz jedra atoma, ki je sestavljen iz 2 protonov in 2 nevtronov.

Alfa delec ima maso 4 enote, naboj +2 in je jedro atoma helija (4He).

Kot posledica emisije alfa delca nastane nov element, ki se nahaja v periodnem sistemu 2 celici na levo, saj je število protonov v jedru in s tem naboj jedra in število elementov postalo dve enoti manj. In masa nastalega izotopa se izkaže 4 enote manj.

A alfa – razpad- to je značilna vrsta radioaktivnega razpada za naravne radioaktivne elemente šestega in sedmega obdobja tabele D.I. Mendelejeva (uran, torij in njuni razpadni produkti do vključno bizmuta) in še posebej za umetne - transuranijeve - elemente.

To pomeni, da so posamezni izotopi vseh težkih elementov, začenši z bizmutom, dovzetni za to vrsto razpada.

Tako na primer alfa razpad urana vedno proizvede torij, alfa razpad torija vedno proizvede radij, razpad radija vedno proizvede radon, nato polonij in končno svinec. V tem primeru iz določenega izotopa urana-238 nastane torij-234, nato radij-230, radon-226 itd.

Hitrost alfa delca pri izstopu iz jedra je od 12 do 20 tisoč km/s.

Beta razpad

Beta razpad- najpogostejša vrsta radioaktivnega razpada (in radioaktivnih transformacij nasploh), zlasti med umetnimi radionuklidi.

Vsak kemični element obstaja vsaj en beta-aktiven izotop, ki je predmet beta razpada.

Primer naravnega beta-aktivnega radionuklida je kalij-40 (T1/2=1,3×109 let), naravna mešanica izotopov kalija ga vsebuje le 0,0119 %.

Poleg K-40 so pomembni naravni beta-aktivni radionuklidi tudi vsi razpadni produkti urana in torija, t.j. vsi elementi od talija do urana.

Beta razpad vključuje vrste radioaktivnih transformacij, kot so:

– beta minus razpad;

– beta plus razpad;

– K-capture (elektronski zajem).

Beta minus razpad– to je emisija beta minus delcev iz jedra – elektron , ki je nastala kot posledica spontane transformacije enega izmed nevtronov v proton in elektron.

Hkrati pa delec beta pri hitrostih do 270 tisoč km/s(9/10 svetlobne hitrosti) odleti iz jedra. In ker je v jedru še en proton, se jedro tega elementa spremeni v jedro sosednjega elementa na desni - z višjim številom.

Med beta-minus razpadom se radioaktivni kalij-40 pretvori v stabilni kalcij-40 (v naslednji celici na desni). In radioaktivni kalcij-47 se spremeni v skandij-47 (prav tako radioaktiven) desno od njega, ta pa se prav tako spremeni v stabilni titan-47 z beta-minus razpadom.

Beta plus razpad– emisija beta-plus delcev iz jedra – pozitron (pozitivno nabit »elektron«), ki je nastal kot posledica spontane transformacije enega od protonov v nevtron in pozitron.

Zaradi tega (ker je protonov manj) se ta element spremeni v tistega poleg njega na levi v periodnem sistemu.

Med razpadom beta-plus se na primer radioaktivni izotop magnezija, magnezij-23, spremeni v stabilni izotop natrija (na levi) - natrij-23, radioaktivni izotop evropija - evropij-150 pa v stabilen izotop samarija - samarij-150.

– emisija nevtrona iz jedra atoma. Značilnost nuklidov umetnega izvora.

Ko se odda nevtron, se en izotop določenega kemičnega elementa spremeni v drugega z manjšo težo. Na primer, med razpadom nevtronov se radioaktivni izotop litija, litij-9, spremeni v litij-8, radioaktivni helij-5 v stabilni helij-4.

Če stabilni izotop joda - jod-127 - obsevamo z gama žarki, potem postane radioaktiven, oddaja nevtron in se spremeni v drug, prav tako radioaktiven izotop - jod-126. To je primer umetni razpad nevtronov .

Kot posledica radioaktivnih transformacij lahko nastanejo izotopi drugih kemičnih elementov ali istega elementa, ki so lahko sami radioaktivni elementi.

Tisti. razpad določenega začetnega radioaktivnega izotopa lahko povzroči določeno število zaporednih radioaktivnih transformacij različnih izotopov različnih kemičnih elementov, ki tvorijo t.i. "verige razpadanja".

Na primer, torij-234, ki nastane med alfa razpadom urana-238, se spremeni v protaktinij-234, ta pa nazaj v uran, vendar v drug izotop - uran-234.

Vsi ti alfa in beta minus prehodi se končajo s tvorbo stabilnega svinca-206. In uran-234 je podvržen alfa razpadu - spet v torij (torij-230). Nadalje, torij-230 z alfa razpadom - v radij-226, radij - v radon.

Cepitev atomskih jeder

Ali je spontano ali pod vplivom nevtronov, cepitev jedra atom na 2 približno enaka dela, razdeljen na dva »delca«.

Pri delitvi odletijo 2-3 dodatni nevtroni in presežek energije se sprosti v obliki kvantov gama, veliko večji kot pri radioaktivnem razpadu.

Če je za eno dejanje radioaktivnega razpada običajno en žarek gama, potem je za 1 dejanje cepitve 8 -10 gama kvantov!

Poleg tega imajo leteči drobci visoko kinetično energijo (hitrost), ki se spremeni v toplotno energijo.

Odšel nevtroni lahko povzročijo cepitev dve ali tri podobna jedra, če so v bližini in če nevtroni zadenejo vanje.

Tako postane mogoče izvesti razvejanje, pospeševanje fisijska verižna reakcija atomska jedra, ki sproščajo ogromne količine energije.

Fisijska verižna reakcija

Če pustimo, da se verižna reakcija nenadzorovano razvija, bo prišlo do atomske (jedrske) eksplozije.

Če držimo verižno reakcijo pod nadzorom, nadzorujemo njen razvoj, ne dovolimo pospeševanja in nenehno umikati sproščeno energijo(toplota), potem ta energija (“ atomska energija") se lahko uporablja za proizvodnjo električne energije. To se izvaja v jedrskih reaktorjih in jedrskih elektrarnah.

Značilnosti radioaktivnih transformacij

Polovično življenje (T1/2 ) – čas, v katerem razpade polovica radioaktivnih atomov in njihovih količina se zmanjša za 2-krat.

Razpolovni časi vseh radionuklidov so različni - od delcev sekunde (kratkoživi radionuklidi) do milijard let (dolgoživi).

dejavnost– to je število razpadov (na splošno radioaktivnih, jedrskih transformacij) na časovno enoto (običajno na sekundo). Enoti aktivnosti sta becquerel in curie.

Bekerel (Bq)– to je en razpad na sekundo (1 razpad/s).

Curie (Ci)– 3,7×1010 Bq (disp./s).

Enota je nastala zgodovinsko: 1 gram radija-226 v ravnovesju s svojimi hčerinskimi produkti razpada ima takšno aktivnost. Prav z radijem-226 sta več let delala Nobelova nagrajenca, francoska znanstvena zakonca Pierre Curie in Marie Sklodowska-Curie.

Zakon radioaktivnega razpada

Sprememba aktivnosti nuklida v viru skozi čas je odvisna od razpolovne dobe danega nuklida po eksponentnem zakonu:

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

Kje Ain(0) – začetna aktivnost nuklida;
Ain(t) – aktivnost po času t;

T1/2 – razpolovna doba nuklida.

Razmerje med maso radionuklid(brez upoštevanja mase neaktivnega izotopa) in njegovo dejavnost se izraža z naslednjim razmerjem:

Kje min– masa radionuklida, g;

T1/2 – razpolovna doba radionuklida, s;

Ain– aktivnost radionuklidov, Bq;

A– atomska masa radionuklida.

Prodorna moč radioaktivnega sevanja.

Razpon delcev alfa je odvisna od začetne energije in se običajno giblje od 3 do 7 (redko do 13) cm v zraku, v gostih medijih pa je stotink mm (v steklu - 0,04 mm).

Alfa sevanje ne prodre skozi list papirja ali človeško kožo. Alfa delci imajo zaradi svoje mase in naboja največjo ionizacijsko sposobnost, uničijo vse na svoji poti, zato so alfa-aktivni radionuklidi ob zaužitju najnevarnejši za ljudi in živali.

Razpon beta delcev v snovi zaradi majhne mase (~ 7000-krat

Manj kot masa alfa delca), sta naboj in velikost veliko večja. V tem primeru pot delca beta v snovi ni linearna. Penetracija je odvisna tudi od energije.

Prodorna sposobnost delcev beta, ki nastanejo med radioaktivnim razpadom, je v zraku doseže 2÷3 m, v vodi in drugih tekočinah se meri v centimetrih, v trdnih snoveh - v delih cm.

Beta sevanje prodre v telesno tkivo do globine 1÷2 cm.

Faktor slabljenja za n- in gama sevanje.

Najbolj prodorni vrsti sevanja sta nevtronsko in gama sevanje. Njihov domet v zraku lahko doseže desetine in stotine metrov(tudi odvisno od energije), vendar z manjšo ionizacijsko močjo.

Kot zaščita pred n- in gama sevanjem se uporabljajo debeli sloji betona, svinca, jekla itd., pri čemer govorimo o faktorju dušenja.

V zvezi z izotopom kobalta-60 (E = 1,17 in 1,33 MeV) je za 10-kratno zmanjšanje sevanja gama potrebna zaščita pred:

svinec debeline približno 5 cm;
beton približno 33 cm;
voda - 70 cm.

Za 100-kratno slabljenje sevanja gama je potreben svinčeni oklop debeline 9,5 cm; beton – 55 cm; voda – 115 cm.

Merske enote v dozimetriji

Odmerek (iz grščine - "delež, delež") obsevanje.

Odmerek izpostavljenosti(za rentgensko in gama sevanje) – določeno z zračno ionizacijo.

merska enota SI – "kulon na kg" (C/kg)- to je odmerek izpostavljenosti rentgenskemu ali gama sevanju, ko nastane v 1 kg suh zrak, nastane naboj ionov istega znaka, enak 1 Cl.

Izvensistemska merska enota je "rentgen".

1 R = 2,58× 10 -4 Kl/kg.

A-prednost 1 rentgen (1P)– to je odmerek izpostavljenosti, ob absorpciji katerega 1 cm3 nastane suh zrak 2,08 × 10 9 ionskih parov.

Razmerje med tema dvema enotama je naslednje:

1 C/kg = 3,68 ·103 R.

Odmerek izpostavljenosti 1Р ustreza absorbirani dozi v zraku 0,88 rad.

Odmerek

Absorbirana doza– energija ionizirajočega sevanja, ki jo absorbira enota mase snovi.

Energijo sevanja, preneseno na snov, razumemo kot razliko med skupno kinetično energijo vseh delcev in fotonov, ki vstopajo v prostornino obravnavane snovi, in skupno kinetično energijo vseh delcev in fotonov, ki zapuščajo to prostornino. Zato absorbirana doza upošteva vso energijo ionizirajočega sevanja, ki je ostala v tem volumnu, ne glede na to, kako se ta energija porabi.

Enote absorbiranega odmerka:

siva (Gr)– enota absorbirane doze v sistemu enot SI. Ustreza 1 J energije sevanja, ki jo absorbira 1 kg snovi.

vesela– ekstrasistemska enota absorbirane doze. Ustreza energiji sevanja 100 erg, ki jo absorbira snov, ki tehta 1 gram.

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

Biološki učinek pri enaki absorbirani dozi je pri različnih vrstah sevanja različen.

Na primer z enako absorbirano dozo alfa sevanje se izkaže veliko bolj nevarno kot fotonsko ali beta sevanje. To je posledica dejstva, da alfa delci na svoji poti v biološkem tkivu ustvarjajo gostejšo ionizacijo in s tem koncentrirajo škodljive učinke na telo v določenem organu. V tem primeru celotno telo doživi veliko večji zaviralni učinek sevanja.

Posledično je za ustvarjanje enakega biološkega učinka pri obsevanju s težkimi nabitimi delci potrebna manjša absorbirana doza kot pri obsevanju z lahkimi delci ali fotoni.

Enakovreden odmerek– zmnožek absorbirane doze in faktorja kakovosti sevanja.

Enakovredne odmerne enote:

sievert(Sv) je merska enota za ekvivalent doze, katero koli vrsto sevanja, ki povzroči enak biološki učinek kot absorbirana doza v 1 Gy

torej 1 Sv = 1 J/kg.

Goli(nesistemska enota) je količina absorbirane energije ionizirajočega sevanja 1 kg biološko tkivo, v katerem opazimo enak biološki učinek kot pri absorbirani dozi 1 rad Rentgensko ali gama sevanje.

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

Ime "rem" je sestavljeno iz prvih črk besedne zveze "biološki ekvivalent rentgenskega žarka".

Do nedavnega je pri izračunu ekvivalentne doze " faktorji kakovosti sevanja » (K) – korekcijski faktorji, ki upoštevajo različne učinke na biološke objekte (različne sposobnosti poškodb telesnih tkiv) različnih sevanj pri enaki absorbirani dozi.

Sedaj se ti koeficienti v Standardih za varnost pred sevanjem (NRB-99) imenujejo »utežni koeficienti za posamezne vrste sevanja pri izračunu ekvivalentne doze (WR)«.

Njihove vrednosti so:

Rentgensko sevanje, gama, beta sevanje, elektroni in pozitroni – 1 ;
protoni z E več kot 2 MeV – 5 ;
nevtroni z E manj kot 10 keV) – 5 ;
nevtroni z E od 10 kev do 100 kev – 10 ;
alfa delci, cepitveni delci, težka jedra – 20 itd.

Učinkovit ekvivalentni odmerek– ekvivalentna doza, izračunana ob upoštevanju različne občutljivosti različnih telesnih tkiv na sevanje; enako enakovredni odmerek, ki jih pridobi določen organ, tkivo (ob upoštevanju njihove teže), pomnoženo z ustrezen " koeficient tveganja sevanja ».

Ti koeficienti se v varstvu pred sevanji uporabljajo za upoštevanje različne občutljivosti različnih organov in tkiv pri pojavu stohastičnih učinkov izpostavljenosti sevanju.

V NRB-99 se imenujejo "tehtalni koeficienti za tkiva in organe pri izračunu efektivne doze."

Za telo kot celoto ta koeficient je enak 1 , za nekatere organe pa ima naslednje pomene:

kostni mozeg (rdeč) - 0,12; spolne žleze (jajčniki, testisi) – 0,20;
ščitnica - 0,05; usnje – 0,01 itd.
pljuča, želodec, debelo črevo – 0,12.

Za oceno polnega učinkovito ekvivalentnega odmerka, ki ga prejme oseba, se navedeni odmerki za vse organe izračunajo in seštejejo.

Za merjenje ekvivalentnih in efektivnih ekvivalentnih doz sistem SI uporablja isto enoto - sievert(Sv).

1 Sv enaka ekvivalentni dozi, pri kateri je produkt absorbirane doze v gr eyah (v biološkem tkivu) po utežnih koeficientih bo enako 1 J/kg.

Z drugimi besedami, to je absorbirani odmerek, pri katerem 1 kg snovi sproščajo energijo v 1 J.

Nesistemska enota je rem.

Razmerje med merskimi enotami:

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

pri K=1(za rentgenske žarke, gama, beta sevanje, elektrone in pozitrone) 1 Sv ustreza absorbirani dozi v 1 Gy:

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

Že v 50-ih letih prejšnjega stoletja je bilo ugotovljeno, da pri odmerku izpostavljenosti 1 rentgenu zrak absorbira približno enako količino energije kot biološko tkivo.

Zato se izkaže, da lahko pri ocenjevanju odmerkov domnevamo (z minimalno napako), da izpostavljenost dozi 1 rentgen za biološko tkivo ustreza(enakovredno) absorbirana doza 1 rad in ekvivalentni odmerek 1 rem(pri K=1), to je, grobo rečeno, 1 R, 1 rad in 1 rem so enake stvari.

Pri ekspozicijski dozi 12 μR/uro letno dobimo dozo 1 mSv.

Poleg tega se za oceno vpliva umetne inteligence uporabljajo naslednji koncepti:

Stopnja odmerka– prejeta doza na časovno enoto (sekunda, ura).

Ozadje– hitrost doze izpostavljenosti ionizirajočemu sevanju na dani lokaciji.

Naravno ozadje– hitrost izpostavljenosti dozi ionizirajočega sevanja, ki jo ustvarjajo vsi naravni viri sevanja.

Viri radionuklidov, ki vstopajo v okolje

1. Naravni radionuklidi, ki so se ohranile do našega časa od trenutka njihovega nastanka (mogoče od časa nastanka sončnega sistema ali vesolja), saj imajo dolge razpolovne dobe, kar pomeni dolgo življenjsko dobo.

2.Radionuklidi fragmentacijskega izvora, ki nastanejo kot posledica cepitve atomskih jeder. Nastajajo v jedrskih reaktorjih, v katerih poteka nadzorovana verižna reakcija, pa tudi pri testiranju jedrskega orožja (nenadzorovana verižna reakcija).

3. Radionuklidi aktivacijskega izvora nastanejo iz navadnih stabilnih izotopov kot posledica aktivacije, to je ko subatomski delec (običajno nevtron) vstopi v jedro stabilnega atoma, zaradi česar stabilni atom postane radioaktiven. Pridobivajo se z aktiviranjem stabilnih izotopov z vstavitvijo v jedro reaktorja ali z obstreljevanjem stabilnega izotopa v pospeševalnikih delcev s protoni, elektroni itd.

Področja uporabe radionuklidnih virov

Viri AI se uporabljajo v industriji, kmetijstvu, znanstvenih raziskavah in medicini. Samo v medicini se uporablja približno sto izotopov za različne medicinske raziskave, diagnostiko, sterilizacijo in radioterapijo.

Po vsem svetu številni laboratoriji uporabljajo radioaktivne materiale za znanstvene raziskave. Termoelektrični generatorji na osnovi radioizotopov se uporabljajo za proizvodnjo električne energije za avtonomno napajanje različne opreme na oddaljenih in težko dostopnih območjih (radijski in svetlobni svetilniki, vremenske postaje).

Povsod v industriji se uporabljajo instrumenti, ki vsebujejo radioaktivne vire, za spremljanje tehnoloških procesov (merilniki gostote, nivoja in debeline), instrumenti za neporušitvene preiskave (defektometri gama) in instrumenti za analizo sestave snovi. Sevanje se uporablja za povečanje velikosti in kakovosti pridelkov.

Vpliv sevanja na človeško telo. Učinki sevanja

Radioaktivni delci, ki imajo ogromno energije in hitrosti, pri prehodu skozi katero koli snov trčijo z atomi in molekulami te snovi in Voditi do njihovo uničenje ionizacija, do tvorbe "vročih" ionov in prostih radikalov.

Od bioloških Človeško tkivo je sestavljeno iz 70 % vode, potem v veliki meri To je voda, ki je podvržena ionizaciji. Ioni in prosti radikali tvorijo telesu škodljive spojine, ki sprožijo celo verigo zaporednih biokemičnih reakcij in postopoma vodijo do uničenja celičnih membran (celične stene in drugih struktur).

Sevanje različno vpliva na ljudi, odvisno od spola in starosti, stanja telesa, njegovega imunskega sistema itd., še posebej močno pa na dojenčke, otroke in mladostnike. Pri izpostavljenosti sevanju skrito (inkubacijsko, latentno) obdobje, to pomeni, da lahko zakasnitev pred nastopom vidnega učinka traja leta ali celo desetletja.

Vpliv sevanja na človeško telo in biološke objekte povzroča tri različne negativne učinke:

genetski učinek za dedne (spolne) celice telesa. Lahko se manifestira in se manifestira le v potomstvu;
genetsko-stohastični učinek, ki se kaže za dedni aparat somatskih celic - telesnih celic. Manifestira se v življenju določene osebe v obliki različnih mutacij in bolezni (vključno z rakom);
somatski učinek, bolje rečeno, imun. To je oslabitev obrambe in imunskega sistema telesa zaradi uničenja celičnih membran in drugih struktur.

Sorodni materiali

Radioaktivne transformacije

Leta 1903 je Pierre Curie odkril, da uranove soli neprekinjeno in brez vidnega upadanja skozi čas sproščajo toplotno energijo, ki se je na enoto mase zdela ogromna v primerjavi z energijo najmočnejših kemičnih reakcij. Radij sprosti še več toplote - približno 107 J na uro na 1 g čiste snovi. Izkazalo se je, da so radioaktivni elementi, ki so na voljo v globinah sveta, zadostovali (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 izmed njih (ki ga deli 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 hkrati izgubljajo energijo, ki se oddaja. Obe hipotezi sta se zdeli enako neverjetni, vendar se je postopoma nabralo vse več dokazov v prid drugi.

Ernest Rutherford je veliko prispeval k razumevanju dogajanja z radioaktivnimi snovmi. 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 odkrili tudi v drugih mineralih – a le v tistih, ki so vsebovali uran in torij. Zdelo se je presenetljivo in nenavadno - 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 na. Leta 1899 so v Rutherfordovem laboratoriju (takrat je delal v Montrealu) opazili še en nenavaden pojav: pripravki elementa torija v zaprti ampuli so ohranjali stalno aktivnost, na prostem pa je bila njihova aktivnost odvisna od njih. Osnutki. Rutherford je hitro spoznal, da torij oddaja radioaktivni plin (imenovali so ga torijeva emanacija - iz latinščine emanatio - odtok ali toron), 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 v radiju (njegova aktivnost se je zmanjševala veliko počasneje) - imenovali so jo radijeva emanacija ali radon. Ugotovljeno je bilo tudi, da ima aktinij lastno "emanacijo", ki izgine v samo nekaj sekundah; poimenovali so jo aktinijeva emanacija ali aktinon. 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 izmed članov tega niza zelo pomemben element radij), se ta niz imenuje tudi uran-radijev niz. Serija aktinija (drugo ime je serija aktinouranija) prav tako 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 niz neptunija, ki ga v naravi ni, 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 2 09 Pb  209 Bi. V tej seriji je tudi "vilica": 213 Bi z 2-odstotno verjetnostjo se lahko spremeni v 209 Tl, ki se že spremeni v 209 Pb. Bolj zanimiva lastnost neptunijeve serije je odsotnost plinastih "emanacij", končni član serije pa je bizmut namesto svinca. Razpolovna doba prednika tega umetnega niza je »samo« 2,14 milijona let, zato neptunij, tudi če bi bil prisoten med nastankom Osončja, ne bi mogel »preživeti« do danes, ker 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 je Rutherford razvozlal zapleteno pletenico dogodkov v verigi transformacije radija (radij-226 je šesti član radioaktivne serije urana-238). Diagram prikazuje tako simbole Rutherfordovega časa kot sodobne simbole za nuklide, kot tudi vrsto razpada in sodobne podatke o razpolovnih dobah; v zgornji seriji je tudi majhna "vilica": RaC z verjetnostjo 0,04% se lahko spremeni 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 lahko med poskusom pogosto zanemarimo 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 sodobni zemeljski skorji je seveda povezano tako z razpolovno dobo matičnih nuklidov kot z njihovim začetnim razmerjem v materialu, iz katerega je nastala Zemlja. In "navadnega", neradiogenega, svinca v zemeljski skorji je le 1,4%. Torej, če na Zemlji sprva ne bi bilo urana in torija, svinec v njem ne bi bil 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 več milijardami let, na njem našel veliko manj svinca in veliko več urana in torija ...

Ko je F. Soddy leta 1915 izoliral svinec, ki je nastal pri razpadu torija iz cejlonskega minerala torit (ThSiO 4), se je izkazalo, da je njegova atomska masa enaka 207,77, to je več kot pri "navadnem" svincu (207,2). Ta razlika od "teoretičnega" (208) je razložena z dejstvom, da je torit vseboval nekaj urana, ki proizvaja svinec-206. Ko je ameriški kemik Theodore William Richards, avtoriteta na področju merjenja atomskih mas, izoliral 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 od in je ustrezala izračunani: ( Pb)  206/207,2 = 0,994(Pb), kjer je (Pb) = 11,34 g/cm 3 . Ti rezultati jasno kažejo, zakaj za svinec, tako kot za številne druge elemente, nima smisla meriti atomske mase z zelo visoko natančnostjo: vzorci, vzeti na različnih mestih, bodo dali nekoliko drugačne rezultate ( cm. OGLJIKOVA ENOTA).

V naravi se verige transformacij, prikazane na diagramih, pojavljajo neprekinjeno. Posledično se nekateri kemični elementi (radioaktivni) pretvorijo v druge in takšne transformacije so se zgodile skozi celotno obdobje obstoja Zemlje. Začetni člani (imenujejo se mati) radioaktivnih nizov so najdlje živi: razpolovna doba urana-238 je 4,47 milijarde let, torija-232 je 14,05 milijarde let, uran-235 (znan tudi kot "aktinuranij") je prednik aktinijeve serije ) – 703,8 milijona let. Vsi naslednji (»hčerinski«) členi te dolge verige živijo bistveno krajše. V tem primeru se pojavi stanje, 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 majhna, koncentracija dolgoživih članov pa večji. Ta konstantnost vsebnosti vmesnih razpadnih produktov traja zelo dolgo (ta čas je določen z razpolovno dobo matičnega nuklida, ki je zelo dolga). Preproste matematične transformacije vodijo do naslednjega sklepa: razmerje med številom materinskih ( 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... Tako je razpolovna doba urana-238 4,47 10 9 let, radija 226 je 1600 let, zato je razmerje med številom atomov urana-238 in radija-226 v uranovih rudah 4,47 10 9: 1600 , iz katerega 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 in za določitev razpolovne dobe radija vam ni treba počakati več kot tisoč let - dovolj je, 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 = –n določite vrednost  = ln2/ T 1/2.

Zakon premika.Če so člani katere koli radioaktivne serije zaporedno narisani na periodnem sistemu elementov, se izkaže, da radionuklidi v tej seriji ne prehajajo gladko od matičnega elementa (uran, torij ali neptunij) do svinca ali bizmuta, ampak "skočijo" v desno in nato v 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 nato spet v izotope svinca. . Zaradi tega se radioaktivni element pogosto vrne nazaj v isto celico tabele elementov, vendar 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 se med  razpadom  delec (jedro atoma helija) izpusti iz jedra, zato se naboj jedra zmanjša za 2 (premik v periodnem sistemu za dve celici v levo) , masno število pa se zmanjša za 4, kar nam omogoča napovedati, kateri izotop novega elementa nastane. Ponazoritev je lahko -razpad radona:  + . Med razpadom  se nasprotno število protonov v jedru poveča za enega, vendar se masa jedra 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". Začetni nuklid, končni nuklid - . Zmanjšanje mase (ali bolje rečeno masnega števila, to je skupnega števila protonov in nevtronov v jedru) je enako 226 – 206 = 20, torej je bilo izpuščenih 20/4 = 5 alfa delcev. Ti delci so odnesli 10 protonov in če ne bi bilo  razpadov, bi bil jedrski naboj končnega produkta razpada enak 88 - 10 = 78. Dejansko je v končnem produktu 82 protonov, torej med transformacijami , 4 nevtroni so se spremenili v protone in izpustili so 4  delce.

Zelo pogosto -razpadu sledita dva -razpada in tako se nastali element vrne v prvotno celico tabele elementov – v obliki lažjega izotopa prvotnega elementa. Zahvaljujoč tem dejstvom je postalo očitno, da periodični zakon D. I. Mendelejeva odraža razmerje med lastnostmi elementov in nabojem njihovega jedra in ne njihove mase (kot je bilo prvotno oblikovano, ko struktura atoma ni bila znana).

Zakon radioaktivnega premika je bil dokončno oblikovan leta 1913 kot rezultat mukotrpnega raziskovanja številnih znanstvenikov. Med njimi so bili pomembni Soddyjev pomočnik Alexander Fleck, Soddyjev pripravnik A.S. Russell, madžarski fizikalni kemik in radiokemik György Hevesy, ki je delal z Rutherfordom na univerzi v Manchestru v letih 1911–1913, in nemški (in kasneje ameriški) fizikalni kemik Casimir Fajans ( 1887–1975). Ta zakon se pogosto imenuje Soddy-Faienceov zakon.

Umetna transformacija elementov in umetna radioaktivnost.Že od Becquerelovih časov je bilo opaženo, da najbolj običajne snovi, ki so bile v bližini radioaktivnih spojin, same postanejo bolj ali manj radioaktivne. Rutherford je to imenoval »vzburjena aktivnost«, zakonca Curiejeva sta to imenovala »inducirana aktivnost«, vendar dolgo časa nihče ni znal razložiti bistva pojava.

Leta 1919 je Rutherford proučeval prehod alfa delcev skozi različne snovi. Izkazalo se je, da ko hitro leteči -delci zadenejo jedra lahkih elementov, na primer dušika, lahko iz njih občasno izbijejo hitro leteči protoni (vodikova jedra), sam -delec pa postane del jedra. , kar poveča njegov naboj za eno. Tako kot rezultat reakcije +  + nastane iz dušika še en kemični element - kisik (njegov težki izotop). To je bila prva umetno izvedena reakcija pretvarjanja 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, čeprav v Rutherfordovem času nihče ni pričakoval praktičnega rezultata te veščine. Dejansko je bilo za pridobitev α-delcev potrebno imeti njihov vir, na primer pripravek radija. Še huje, za vsak milijon α-delcev, sproščenih na dušiku, je bilo v povprečju pridobljenih samo 20 atomov kisika.

Sčasoma so bile uresničene druge jedrske reakcije in mnoge od njih so našle praktično uporabo. Aprila 1932 je Rutherford na srečanju Angleške akademije znanosti (Royal Society) objavil, da je njegov laboratorij uspešno izvedel reakcije cepitve lahkih elementov (na primer litija) s protoni. Da bi to naredili, so protone, pridobljene iz vodika, pospešili z uporabo visokih napetosti, enakih desetinam ali celo stotisočem voltov. Protoni, ki imajo manjši naboj in maso kot alfa delci, lažje prodrejo v jedro. Ko se vnese v jedro litija-7, ga proton pretvori v jedro berilija-8, ki skoraj v trenutku "odloži" odvečno energijo in razpade na dva -delca: +  ()  2. Če vzamemo lahki izotop litija (v naravnem litiju je 7,5 %), potem nastanejo jedra dveh izotopov helija: +  ()  + . Pri obstreljevanju s kisikovimi protoni je nastal fluor: +  + ; pri luščenju aluminija – magnezija: + + .

Veliko različnih transformacij je bilo izvedenih z devteroni, jedri težkega vodikovega izotopa devterija, pospešenimi do visokih hitrosti. Tako je pri reakciji +  + prvič nastal super težki vodik – tritij. Trk dveh devteronov lahko poteka različno: +  + , ti procesi so pomembni za proučevanje možnosti nadzorovane termonuklearne reakcije. Reakcija +  ()  2 se je izkazala za pomembno, saj se pojavi že pri relativno nizki energiji devteronov (0,16 MeV) in jo spremlja sproščanje ogromne energije - 22,7 MeV (spomnimo se, da je 1 MeV = 10 6 eV in 1 eV = 96,5 kJ/mol).

Reakcija, ki se zgodi, ko je berilij obstreljen z -delci, je pridobila velik praktični pomen: +  ()  + , leta 1932 je pripeljala do odkritja nevtralnega nevtronskega delca, viri radij-berilij nevtronov pa so se izkazali za zelo priročne za znanstveno raziskovanje. Nevtrone z različnimi energijami lahko dobimo tudi kot rezultat reakcij +  + ; +  + ; +  + . Nevtroni, ki nimajo naboja, še posebej zlahka prodrejo v atomska jedra in povzročijo različne procese, ki so odvisni tako od sproženega nuklida kot od hitrosti (energije) nevtronov. Tako lahko jedro preprosto ujame počasen nevtron, jedro pa se z oddajanjem kvanta gama sprosti nekaj odvečne energije, na primer: +  + . Ta reakcija se pogosto uporablja v jedrskih reaktorjih za nadzor cepitvene reakcije urana: kadmijeve palice ali plošče se potisnejo v jedrski kotel, da upočasnijo reakcijo.

Leta 1934 sta moža Irene in Frederic Joliot-Curie prišla do pomembnega odkritja. Ker so nekatere lahke elemente obstreljevali z alfa delci (polonij jih je oddajal), so pričakovali podobno reakcijo, kot jo poznamo že pri beriliju, tj. izbijanje nevtronov, na primer:

Če bi bila zadeva omejena na te transformacije, bi moral po prenehanju -obsevanja nevtronski tok takoj usahniti, zato so po odstranitvi vira polonija pričakovali prenehanje vseh aktivnosti, vendar so ugotovili, da števec delcev še naprej deluje. registrira impulze, ki postopoma zbledijo – natančno v skladu z eksponentnim zakonom. To bi lahko razlagali samo na en način: kot posledica alfa obsevanja so se pojavili 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 smo dobili pri magneziju, ki ga predstavljajo trije stabilni naravni izotopi, in izkazalo se je, da ob -obsevanju vsi dajejo radioaktivne nuklide silicija ali aluminija, ki so podvrženi 227- ali pozitronskemu razpadu:

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 pretvorbe "odvečnega" nevtrona v proton, to je zaradi 227 sevanja; Poznamo veliko takih reakcij, npr.: +   + e. Zelo pomembna je reakcija nastajanja radioaktivnega ogljika v zgornjih plasteh atmosfere: +  + ( cm. RADIOKARBONSKA ANALIZNA METODA). Tritij se sintetizira z absorpcijo počasnih nevtronov v jedrih litija-6. Pod vplivom hitrih nevtronov lahko dosežemo številne jedrske transformacije, npr.: +  + ; +  + ; +  + . Tako z obsevanjem navadnega kobalta z nevtroni dobimo radioaktivni kobalt-60, ki je močan vir sevanja gama (sprošča se pri razpadnem produktu 60 Co - vzbujenih jeder). Nekateri transuranovi elementi se proizvajajo z obsevanjem z nevtroni. Na primer, iz naravnega urana-238 najprej nastane nestabilni uran-239, ki med  razpadom ( T 1/2 = 23,5 min) spremeni v prvi transuranov element neptunij-239, ta pa tudi z -razpadom ( T 1/2 = 2,3 dni) spremeni v zelo pomemben tako imenovani plutonij-239, ki je primeren 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 nobenih ovir. Poleg tega je bila takšna sinteza že izvedena, vendar ni prinesla bogastva. Najlažji način za umetno proizvodnjo zlata bi bil obsevanje živega srebra, elementa v periodnem sistemu za zlatom, s tokom nevtronov. Nato bi zaradi reakcije +  + nevtron izbil proton iz atoma živega srebra in ga spremenil v atom zlata. Ta reakcija ne kaže specifičnih masnih števil ( A) nuklidi živega srebra in zlata. Zlato v naravi je edini stabilen nuklid, 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. Pridobila ga je skupina ameriških kemikov z univerze Harvard v začetku leta 1941 z obsevanjem živega srebra s tokom hitrih nevtronov. Po nekaj dneh so se vsi nastali radioaktivni izotopi zlata 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: +  + . Ti atomi z razpolovno dobo 2,7 dni so podvrženi zajetju elektronov in se končno preoblikujejo v stabilne atome zlata: + e  . To 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. V primerjavi z vsem živim srebrom je izkoristek zelo majhen - le 0,035%, glede na 196Hg pa doseže 24%! Vendar je izotop 196 Hg v naravnem živem srebru le najmanj, poleg tega pa bo sam proces obsevanja in njegovo trajanje (obsevanje bo trajalo več let), izolacija stabilnega »sintetičnega zlata« iz kompleksne mešanice stala neizmerno več kot izolacija zlata iz najrevnejše rude ( Poglej tudi ZLATO). Tako je umetna proizvodnja zlata zgolj teoretičnega pomena.

Kvantitativni vzorci radioaktivnih transformacij.Če bi bilo mogoče slediti specifičnemu nestabilnemu jedru, bi bilo nemogoče napovedati, kdaj bo razpadlo. To je naključen proces in samo v določenih primerih je mogoče oceniti verjetnost razpada v določenem časovnem obdobju. 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: statistični zakoni, značilni za zelo veliko število predmetov, začnejo veljati. . In potem je vsak radionuklid lahko označen z zelo specifično vrednostjo - razpolovno dobo ( T 1/2) je čas, v katerem razpade polovica razpoložljivega števila jeder. Če je v začetnem trenutku obstajalo n 0 jeder, nato čez nekaj časa t = T 1/2 jih bo ostalo 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 je število 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 0e –   t, kjer je  tako imenovana konstanta razpada. Formalno je definiran kot sorazmernostni koeficient med hitrostjo upada d n/d t in razpoložljivo število jeder: d n/d t = –n(znak minus to pomeni n se sčasoma zmanjša). Integracija te diferencialne enačbe daje eksponentno odvisnost števila jeder od časa. Zamenjava v tej formuli n = n 0/2 pri t = T 1/2, dobimo, da je razpadna konstanta obratno sorazmerna z razpolovno dobo:  = ln2/ T 1/2 = 0,693/T 1/2. Vrednost  = 1/ imenujemo povprečna življenjska doba jedra. Na primer za 226 Ra T 1/2 = 1600 let,  = 1109 let.

Glede na dane formule, poznavanje vrednosti T 1/2 (ali ), je enostavno izračunati količino radionuklida po katerem koli časovnem obdobju, iz njih pa lahko izračunate razpolovni čas, če je količina radionuklida znana v različnih časovnih točkah. Namesto števila jeder lahko v formulo nadomestite aktivnost sevanja, ki je premosorazmerna z razpoložljivim številom jeder. n. Aktivnost običajno ni označena s skupnim številom razpadov v vzorcu, temveč z njim sorazmernim številom impulzov, ki jih zabeleži naprava za merjenje aktivnosti. Če obstaja na primer 1 g radioaktivne snovi, potem krajši kot je njen razpolovni čas, bolj aktivna bo snov.

Drugi matematični zakoni opisujejo obnašanje majhnega števila radionuklidov. Tu lahko govorimo le o verjetnosti določenega dogodka. Naj obstaja na primer en atom (natančneje eno jedro) radionuklida z T 1/2 = 1 min. Verjetnost, da bo ta atom živel 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 ali veliko več. Verjetnost, da bo atom razpadel v določenem časovnem obdobju, dobimo tako, da dobljene vrednosti odštejemo od 100. Torej, če je verjetnost, da atom preživi 2 minuti, 25 %, potem je verjetnost, da isti atom razpade v tem času. čas 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 skozi čas t enako str, potem je verjetnost, da med časom t od n atomi bodo razpadali n(in bo temu primerno ostalo n – n), je enako p = n!str n (1–str) n – n /(n–n)!n! Podobne formule je treba uporabiti pri sintezi novih nestabilnih elementov, katerih atome pridobivamo dobesedno posamezno (na primer, ko je skupina ameriških znanstvenikov leta 1955 odkrila nov element Mendelevij, so ga dobili v količini samo 17 atomov). ).

To je bila ena najpomembnejših stopenj v razvoju sodobnega fizikalnega znanja. Znanstveniki niso takoj prišli do pravilnih zaključkov glede zgradbe najmanjših delcev. In veliko kasneje so bili odkriti drugi zakoni - na primer zakoni gibanja mikrodelcev, pa tudi značilnosti transformacije atomskih jeder, ki se pojavijo med radioaktivnim razpadom.

Rutherfordovi poskusi

Radioaktivne transformacije atomskih jeder je prvi proučeval angleški raziskovalec Rutherford. Že takrat je bilo jasno, da je glavnina mase atoma v njegovem jedru, saj so elektroni več stokrat lažji od nukleonov. Za preučevanje pozitivnega naboja v jedru je Rutherford leta 1906 predlagal sondiranje atoma z alfa delci. Takšni delci so nastali med razpadom radija, pa tudi nekaterih drugih snovi. Med svojimi poskusi je Rutherford pridobil razumevanje strukture atoma, ki je dobilo ime "planetarni model".

Prva opažanja radioaktivnosti

Leta 1985 je angleški raziskovalec W. Ramsay, ki je znan po odkritju plina argona, prišel do zanimivega odkritja. Odkril je plin helij v mineralu, imenovanem kleveit. Pozneje so bile velike količine helija najdene tudi v drugih mineralih, a le v tistih, ki vsebujejo torij in uran.

To se je raziskovalcu zdelo zelo nenavadno: od kod lahko pride plin v mineralih? Ko pa je Rutherford začel preučevati naravo radioaktivnosti, se je izkazalo, da je helij produkt radioaktivnega razpada. Nekateri kemični elementi "rodijo" druge, s popolnoma novimi lastnostmi. In to dejstvo je bilo v nasprotju z vsemi prejšnjimi izkušnjami kemikov tistega časa.

Opazovanje Fredericka Soddyja

Skupaj z Rutherfordom je v raziskavo neposredno sodeloval znanstvenik Frederick Soddy. Bil je kemik, zato je vse njegovo delo potekalo v zvezi z identifikacijo kemičnih elementov glede na njihove lastnosti. Pravzaprav je radioaktivne transformacije atomskih jeder prvi opazil Soddy. Uspelo mu je ugotoviti, kaj so alfa delci, ki jih je Rutherford uporabljal v svojih poskusih. Po meritvah so znanstveniki ugotovili, da je masa enega alfa delca 4 atomske masne enote. Ko so nabrali določeno število takšnih alfa delcev, so raziskovalci odkrili, da so se spremenili v novo snov - helij. Lastnosti tega plina je Soddy dobro poznal. Zato je trdil, da so delci alfa sposobni ujeti elektrone od zunaj in se spremeniti v nevtralne atome helija.

Spremembe v jedru atoma

Kasnejše študije so bile namenjene prepoznavanju značilnosti atomskega jedra. Znanstveniki so ugotovili, da se vse transformacije ne dogajajo z elektroni ali elektronsko lupino, temveč neposredno s samimi jedri. Prav radioaktivne transformacije atomskih jeder so prispevale k pretvorbi nekaterih snovi v druge. Takrat so bile značilnosti teh transformacij znanstvenikom še neznane. Toda eno je bilo jasno: posledično so se nekako pojavili novi kemični elementi.

Znanstveniki so prvič lahko izsledili takšno verigo metamorfoz v procesu pretvorbe radija v radon. Reakcije, ki so povzročile takšne transformacije, ki jih spremlja posebno sevanje, so raziskovalci poimenovali jedrske. Ko so se prepričali, da vsi ti procesi potekajo ravno v jedru atoma, so znanstveniki začeli preučevati tudi druge snovi, ne le radij.

Odprte vrste sevanja

Glavna disciplina, ki lahko zahteva odgovore na takšna vprašanja, je fizika (9. razred). V njen predmet so vključene radioaktivne transformacije atomskih jeder. Med izvajanjem poskusov o prodorni moči uranovega sevanja je Rutherford odkril dve vrsti sevanja ali radioaktivne transformacije. Manj prodorno vrsto so imenovali alfa sevanje. Kasneje so preučevali tudi beta sevanje. Gama sevanje je prvi proučeval Paul Villard leta 1900. Znanstveniki so dokazali, da je pojav radioaktivnosti povezan z razpadom atomskih jeder. Tako je bil zadan uničujoč udarec prej prevladujočim idejam o atomu kot nedeljivem delcu.

Radioaktivne transformacije atomskih jeder: glavne vrste

Zdaj se verjame, da se med radioaktivnim razpadom pojavijo tri vrste transformacij: alfa razpad, beta razpad in zajem elektronov, sicer imenovan K-zajem. Med razpadom alfa se iz jedra, ki je jedro atoma helija, oddaja delec alfa. Samo radioaktivno jedro se spremeni v tisto, ki ima manjši električni naboj. Alfa razpad je značilen za snovi, ki zasedajo zadnja mesta v periodnem sistemu. Med radioaktivne transformacije atomskih jeder sodi tudi beta razpad. Tudi sestava atomskega jedra s to vrsto se spremeni: izgubi nevtrine ali antinevtrine, pa tudi elektrone in pozitrone.

To vrsto razpada spremlja kratkovalovno elektromagnetno sevanje. Pri zajetju elektronov jedro atoma absorbira enega od bližnjih elektronov. V tem primeru se jedro berilija lahko spremeni v jedro litija. To vrsto je leta 1938 odkril ameriški fizik Alvarez, ki je preučeval tudi radioaktivne transformacije atomskih jeder. Fotografije, na katerih so raziskovalci poskušali ujeti takšne procese, vsebujejo slike, ki so zaradi majhnosti proučevanih delcev podobne zamegljenemu oblaku.

Leta 1900 je Rutherford angleškemu radiokemiku Fredericku Soddyju povedal za skrivnostni thoron. Soddy je dokazal, da je toron inertni plin, podoben argonu, ki so ga odkrili nekaj let prej v zraku; bil je eden od izotopov radona, 220 Rn. Emanacija radija, kot se je izkazalo kasneje, se je izkazala za drug izotop radona - 222 Rn (razpolovna doba T 1/2 = 3,825 dni), emanacija aktinija pa je kratkoživi izotop istega elementa: 219 Rn ( T 1/2 = 4 s). Poleg tega sta Rutherford in Soddy iz produktov transformacije torija izolirala nov nehlapen element, ki se po lastnostih razlikuje od torija. Imenovali so ga torij X (kasneje so ugotovili, da gre za izotop radija 224 Ra c T 1/2 = 3,66 dni). Izkazalo se je, da se "emanacija torija" sprošča ravno iz torija X in ne iz prvotnega torija. Podobni primeri so se množili: v sprva kemično temeljito prečiščenem uranu ali toriju se je sčasoma pojavila primes radioaktivnih elementov, iz katerih pa so nastajali novi radioaktivni elementi, tudi plinasti. Tako so se a-delci, sproščeni iz mnogih radioaktivnih zdravil, spremenili v plin, enak heliju, ki so ga odkrili v poznih šestdesetih letih 19. stoletja na Soncu (spektralna metoda), leta 1882 pa v nekaterih kamninah.

Rezultate skupnega dela sta Rutherford in Soddy v letih 1902–1903 objavila v številnih člankih v Philosophical Magazine. V teh člankih so avtorji po analizi dobljenih rezultatov prišli do zaključka, da je mogoče nekatere kemične elemente pretvoriti v druge. Zapisali so: »Radioaktivnost je atomski pojav, ki ga spremljajo kemične spremembe, v katerih se rojevajo nove vrste snovi ... Radioaktivnost je treba obravnavati kot manifestacijo znotrajatomskega kemijskega procesa ... Sevanje spremlja transformacijo atomov.. . Kot rezultat atomske transformacije nastane popolnoma nova vrsta snovi, ki se po svojih fizikalnih in kemijskih lastnostih popolnoma razlikuje od prvotne snovi."

Takrat so bili ti sklepi zelo drzni; drugi ugledni znanstveniki, vključno z zakoncema Curie, čeprav so opazili podobne pojave, so jih razlagali s prisotnostjo "novih" elementov v prvotni snovi že od samega začetka (na primer, Curie je iz uranove rude izoliral polonij in radij, ki ju vsebuje). Kljub temu sta se Rutherford in Soddy izkazala za prav: radioaktivnost spremlja pretvorba nekaterih elementov v druge

Zdelo se je, da se ruši neomajno: nespremenljivost in nedeljivost atomov, saj so kemiki že od časov Boyla in Lavoisiera prihajali do zaključka o nerazgradljivosti kemičnih elementov (kot so takrat rekli »preprosta telesa«, gradniki). vesolja), o nezmožnosti njihove transformacije drug v drugega. O tem, kaj se je dogajalo v glavah znanstvenikov tistega časa, jasno pričajo izjave D. I. Mendelejeva, ki je verjetno mislil, da bo možnost »transmutacije« elementov, o kateri so alkimisti govorili že stoletja, porušila harmoničen sistem kemikalije, ki jih je ustvaril in je bil priznan po vsem svetu. V učbeniku, ki je izšel leta 1906 Osnove kemije je zapisal: »...sploh nisem nagnjen (na podlagi ostre, a plodne discipline induktivnega znanja) k priznavanju niti hipotetične pretvorljivosti nekaterih elementov drug v drugega in ne vidim nobene možnosti izvora argon ali radioaktivne snovi iz urana ali obratno.

Čas je pokazal zmotnost Mendelejevih pogledov na nezmožnost pretvorbe nekaterih kemičnih elementov v druge; hkrati pa je potrdila nedotakljivost njegovega glavnega odkritja - periodičnega zakona. Poznejše delo fizikov in kemikov je pokazalo, v katerih primerih se lahko nekateri elementi spremenijo v druge in kateri naravni zakoni urejajo te transformacije.

Transformacije elementov. Radioaktivna serija.

V prvih dveh desetletjih 20. st. Z delom mnogih fizikov in radiokemikov je bilo odkritih veliko radioaktivnih elementov. Postopoma je postalo jasno, da so produkti njihove transformacije pogosto sami radioaktivni in so podvrženi nadaljnjim transformacijam, včasih precej zapletenim. Poznavanje zaporedja pretvorbe enega radionuklida v drugega je omogočilo sestavo tako imenovanih naravnih radioaktivnih serij (ali radioaktivnih družin). Bili so trije in so se imenovali uranova vrsta, aktinijeva vrsta in torijeva vrsta. Ti trije nizi izvirajo iz težkih naravnih elementov - urana, znanega iz 18. stoletja, in torija, odkritega leta 1828 (nestabilni aktinij ni prednik, ampak vmesni član serije aktinija). Kasneje so jim dodali vrsto neptunija, začenši s prvim transuranovim elementom št. 93, umetno pridobljenim leta 1940, neptunijem. Številni produkti njihove preobrazbe so bili poimenovani tudi po prvotnih elementih in zapisali naslednje sheme:

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

Serija morskih vetrnic: AcU ® UY ® Pa ® Ac ® AcK ® AcX ® An ® AcA ® AcB ® AcC ® AcC"" ® AcD.

Torijeve serije: Th ® MsTh1 ® MsTh2 ® RdTh ® ThХ ® ThEm ® ThA ® ThB ® ThC ® ThC" ® ThD.

Kot se je izkazalo, te vrstice niso vedno "ravne" verige: od časa do časa se razvejajo. Torej, UX2 z verjetnostjo 0,15% se lahko spremeni v UZ, nato gre v UII. Podobno lahko ThC razpade na dva načina: do transformacije ThC ® ThC" pride pri 66,3 %, hkrati pa z verjetnostjo 33,7 % pride do procesa ThC ® ThC"" ® ThD. To so t.i. imenovane »vilice«, vzporedna transformacija enega radionuklida v različne produkte. Težave pri vzpostavitvi pravilnega zaporedja radioaktivnih transformacij v tej seriji so bile povezane tudi z zelo kratko življenjsko dobo mnogih njenih članov, zlasti beta-aktivnih.

Nekoč so vsakega novega člana radioaktivnega niza obravnavali kot nov radioaktivni element, fiziki in radiokemiki pa so zanj uvedli svoje oznake: ionij Io, mezotorij-1 MsTh1, aktinouran AcU, torijeva emanacija ThEm itd. in tako naprej. Te oznake so okorne in neprijetne, nimajo jasnega sistema. Vendar se nekateri od njih še vedno včasih tradicionalno uporabljajo v strokovni literaturi. Sčasoma je postalo jasno, da se vsi ti simboli nanašajo na nestabilne sorte atomov (natančneje, jedra) navadnih kemičnih elementov - radionuklidov. Za razlikovanje med kemično neločljivimi elementi, ki pa se razlikujejo po razpolovni dobi (in pogosto po vrsti razpada), je F. Soddy leta 1913 predlagal, da bi jih imenovali izotopi

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 izmed članov tega niza zelo pomemben element radij), se ta niz imenuje tudi uran-radijev niz. Serija aktinija (drugo ime je serija aktinouranija) prav tako 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 niz neptunija, ki ga v naravi ni, 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 z 2-odstotno verjetnostjo se lahko spremeni v 209 Tl, ki se že spremeni v 209 Pb. Bolj zanimiva značilnost neptunijeve serije je odsotnost plinastih "emanacij", pa tudi končnega člana serije - bizmuta namesto svinca. Razpolovna doba prednika tega umetnega niza je »samo« 2,14 milijona let, zato neptunij, tudi če bi bil prisoten med nastankom Osončja, ne bi mogel »preživeti« do danes, ker 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.

Ko je F. Soddy leta 1915 izoliral svinec, ki je nastal pri razpadu torija iz cejlonskega minerala torit (ThSiO 4), se je izkazalo, da je njegova atomska masa enaka 207,77, to je več kot pri "navadnem" svincu (207,2). Ta razlika od "teoretičnega" (208) je razložena z dejstvom, da je torit vseboval nekaj urana, ki proizvaja svinec-206. Ko je ameriški kemik Theodore William Richards, avtoriteta na področju merjenja atomskih mas, izoliral svinec iz nekaterih uranovih mineralov, ki niso vsebovali torija, se je izkazalo, da je njegova atomska masa skoraj natanko 206. Tudi gostota tega svinca je bila nekoliko manjša , in je ustrezal izračunanemu: r ( Pb) ґ 206/207,2 = 0,994r (Pb), kjer je r (Pb) = 11,34 g/cm3. Ti rezultati jasno kažejo, zakaj za svinec, tako kot za številne druge elemente, nima smisla meriti atomske mase z zelo visoko natančnostjo: vzorci, vzeti na različnih mestih, bodo dali nekoliko drugačne rezultate ( cm. OGLJIKOVA ENOTA).

Zakon premika.

Če so člani katere koli radioaktivne serije zaporedno narisani na periodnem sistemu elementov, se izkaže, da radionuklidi v tej seriji ne prehajajo gladko od matičnega elementa (uran, torij ali neptunij) do svinca ali bizmuta, ampak "skočijo" v desno in nato v 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 nato spet v izotope svinca. . Zaradi tega se radioaktivni element pogosto vrne nazaj v isto celico tabele elementov, vendar 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 se med -razpadom a -delec (jedro atoma helija) izpusti iz jedra, zato se naboj jedra zmanjša za 2 (premik v periodnem sistemu za dve celici na levo), masno število pa se zmanjša za 4, kar nam omogoča napovedati, kateri izotop novega elementa nastane. Ilustracija je a -razpad radona: ® + . Pri b-razpadu se nasprotno število protonov v jedru poveča za enega, vendar se masa jedra 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". Začetni nuklid, končni nuklid - . Zmanjšanje mase (ali bolje rečeno masnega števila, to je skupnega števila protonov in nevtronov v jedru) je enako 226 – 206 = 20, torej je bilo izpuščenih 20/4 = 5 alfa delcev. Ti delci so odnesli 10 protonov in če ne bi bilo b-razpadov, bi bil jedrski naboj končnega produkta razpada enak 88 - 10 = 78. Dejansko je v končnem produktu 82 protonov, torej med transformacije so se 4 nevtroni spremenili v protone in izpustili 4 delce b.

Zelo pogosto a-razpadu sledita dva b-razpada in tako se nastali element vrne v prvotno celico tabele elementov – v obliki lažjega izotopa prvotnega elementa. Zahvaljujoč tem dejstvom je postalo očitno, da periodični zakon D. I. Mendelejeva odraža razmerje med lastnostmi elementov in nabojem njihovega jedra in ne njihove mase (kot je bilo prvotno oblikovano, ko struktura atoma ni bila znana).

Umetna transformacija elementov in umetna radioaktivnost.

Veliko različnih transformacij je bilo izvedenih z devteroni, jedri težkega vodikovega izotopa devterija, pospešenimi do visokih hitrosti. Tako je med reakcijo + ® + prvič nastal super težki vodik - tritij. Trk dveh devteronov lahko poteka različno: + ® + , ti procesi so pomembni za proučevanje možnosti nadzorovane termonuklearne reakcije. Reakcija + ® () ® 2 se je izkazala za pomembno, saj se pojavi že pri relativno nizki energiji devteronov (0,16 MeV) in jo spremlja sproščanje ogromne energije - 22,7 MeV (spomnimo se, da je 1 MeV = 10 6 eV in 1 eV = 96,5 kJ/mol).

Reakcija, ki se zgodi, ko je berilij obstreljen z a-delci, je pridobila velik praktični pomen: + ® () ® + , je leta 1932 pripeljala do odkritja nevtralnega nevtronskega delca, viri radij-berilij nevtronov pa so se izkazali za zelo priročne za znanstveno raziskovanje. Nevtrone z različnimi energijami lahko dobimo tudi kot rezultat reakcij + ® + ; + ® + ; + ® + . Nevtroni, ki nimajo naboja, še posebej zlahka prodrejo v atomska jedra in povzročijo različne procese, ki so odvisni tako od sproženega nuklida kot od hitrosti (energije) nevtronov. Tako lahko jedro preprosto ujame počasen nevtron, jedro pa se z oddajanjem gama kvanta sprosti nekaj odvečne energije, na primer: + ® + g. Ta reakcija se pogosto uporablja v jedrskih reaktorjih za nadzor cepitvene reakcije urana: kadmijeve palice ali plošče se potisnejo v jedrski kotel, da upočasnijo reakcijo.

Če bi bila zadeva omejena na te transformacije, bi moral po prenehanju a-obsevanja nevtronski tok takoj usahniti, zato so po odstranitvi vira polonija pričakovali prenehanje vseh aktivnosti, vendar so ugotovili, da števec delcev še naprej deluje. registrirati impulze, ki so postopoma zamrli – natančno v skladu z eksponentnim zakonom. To bi lahko razlagali samo na en način: kot posledica alfa obsevanja so se pojavili 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 smo dobili pri magneziju, ki ga predstavljajo trije stabilni naravni izotopi, in izkazalo se je, da vsi ob a-sevanju proizvajajo radioaktivne nuklide silicija ali aluminija, ki so podvrženi 227- ali pozitronskemu razpadu:

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 pretvorbe "odvečnega" nevtrona v proton, to je zaradi 227 sevanja; Poznamo veliko takih reakcij, npr.: + ® ® + e. Reakcija nastajanja radioaktivnega ogljika, ki se pojavlja v zgornjih plasteh atmosfere, je zelo pomembna: + ® + ( cm. RADIOKARBONSKA ANALIZNA METODA). Tritij se sintetizira z absorpcijo počasnih nevtronov v jedrih litija-6. Pod vplivom 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 pri razpadnem produktu 60 Co - vzbujenih jeder). Nekateri transuranovi elementi se proizvajajo z obsevanjem z nevtroni. Na primer, iz naravnega urana-238 najprej nastane nestabilni uran-239, ki med b-razpadom ( T 1/2 = 23,5 min) spremeni v prvi transuranov element neptunij-239, ta pa tudi z b-razpadom ( T 1/2 = 2,3 dni) spremeni v zelo pomemben tako imenovani plutonij-239, ki je primeren 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 nobenih ovir. Poleg tega je bila takšna sinteza že izvedena, vendar ni prinesla bogastva. Najlažji način za umetno proizvodnjo zlata bi bil obsevanje elementa poleg zlata v periodnem sistemu s tokom nevtronov. Nato bi kot rezultat + ® + reakcije nevtron izbil proton iz atoma živega srebra in ga spremenil v atom zlata. Ta reakcija ne kaže specifičnih masnih števil ( A) nuklidi živega srebra in zlata. Zlato v naravi je edini stabilen nuklid, 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. Pridobila ga je skupina ameriških kemikov z univerze Harvard v začetku leta 1941 z obsevanjem živega srebra s tokom hitrih nevtronov. Po nekaj dneh so se vsi nastali radioaktivni izotopi zlata 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 preoblikujejo v stabilne atome zlata: + e ® . To 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. V primerjavi z vsem živim srebrom je izkoristek zelo majhen - le 0,035%, glede na 196Hg pa doseže 24%! Vendar je izotop 196 Hg v naravnem živem srebru le najmanj, poleg tega pa bo sam proces obsevanja in njegovo trajanje (obsevanje bo trajalo več let), izolacija stabilnega »sintetičnega zlata« iz kompleksne mešanice stala neizmerno več kot izolacija zlata iz najrevnejše rude(). Tako je umetna proizvodnja zlata zgolj teoretičnega pomena.

Kvantitativni vzorci radioaktivnih transformacij.

Če bi bilo mogoče slediti specifičnemu nestabilnemu jedru, bi bilo nemogoče napovedati, kdaj bo razpadlo. To je naključen proces in samo v določenih primerih je mogoče oceniti verjetnost razpada v določenem časovnem obdobju. 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: statistični zakoni, značilni za zelo veliko število predmetov, začnejo veljati. . In potem je vsak radionuklid lahko označen z zelo specifično vrednostjo - razpolovno dobo ( T 1/2) je čas, v katerem razpade polovica razpoložljivega števila jeder. Če je v začetnem trenutku obstajalo n 0 jeder, nato čez nekaj časa t = T 1/2 jih bo ostalo 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 je število 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 0e – l t, kjer je l tako imenovana konstanta razpada. Formalno je definiran kot sorazmernostni koeficient med hitrostjo upada d n/d t in razpoložljivo število jeder: d n/d t= – l n(znak minus to pomeni n se sčasoma zmanjša). Integracija te diferencialne enačbe daje eksponentno odvisnost števila jeder od časa. Zamenjava v tej formuli n = n 0/2 pri t = T 1/2, dobimo, da je razpadna konstanta obratno sorazmerna z razpolovno dobo: l = ln2/ T 1/2 = 0,693/T 1/2. Vrednost t = 1/l imenujemo povprečna življenjska doba jedra. Na primer za 226 Ra T 1/2 = 1600 let, t = 1109 let.

Glede na dane formule, poznavanje vrednosti T 1/2 (ali l), je enostavno izračunati količino radionuklida po katerem koli časovnem obdobju, iz njih pa lahko izračunate razpolovni čas, če je količina radionuklida znana v različnih časovnih točkah. Namesto števila jeder lahko v formulo nadomestite aktivnost sevanja, ki je premosorazmerna z razpoložljivim številom jeder. n. Aktivnost običajno ni označena s skupnim številom razpadov v vzorcu, temveč z njim sorazmernim številom impulzov, ki jih zabeleži naprava za merjenje aktivnosti. Če obstaja na primer 1 g radioaktivne snovi, potem krajši kot je njen razpolovni čas, bolj aktivna bo snov.

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 skozi čas t enako str, potem je verjetnost, da med časom 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 posamezno (na primer, ko je skupina ameriških znanstvenikov leta 1955 odkrila nov element Mendelevij, so ga dobili v količini samo 17 atomov). ).

Uporabo te formule lahko ponazorimo na konkretnem primeru. Naj bo na primer n= 16 atomov z razpolovno dobo 1 uro. Lahko izračunate verjetnost razpada določenega števila atomov, na primer v času t= 4 ure. Verjetnost, da bo en atom preživel te 4 ure, je 1/2 4 = 1/16, oziroma verjetnost njegovega razpada v tem času R= 1 – 1/16 = 15/16. Zamenjava teh začetnih podatkov v formulo daje: R = 16!(15/16) n (1/16) 16–n /(16–n)!n! = 16!15 n /2 64 (16–n)!n! Rezultati nekaterih izračunov so prikazani v tabeli:

Tabela 1.
Atomi levo (16– n)	16	10	8	6	4	3	2	1	0
Atomi so razpadli 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

Tako od 16 atomov po 4 urah (4 razpolovne dobe) ne bo ostal niti eden, kot bi lahko domnevali: verjetnost tega dogodka je le 38,4 %, čeprav je večja od verjetnosti katerega koli drugega izida. Kot je razvidno iz tabele, je zelo velika tudi verjetnost, da bo razpadlo vseh 16 atomov (35,2%) ali le 14 izmed njih. Toda verjetnost, da bodo po 4 razpolovnih dobah vsi atomi ostali "živi" (noben ni razpadel), je zanemarljiva. Jasno je, da če ni 16 atomov, ampak, recimo, 10 20, potem lahko s skoraj 100-odstotno gotovostjo rečemo, da bo po 1 uri ostalo polovica njihovega števila, po 2 urah - četrtina itd. To pomeni, da več kot je atomov, bolj natančno njihov razpad ustreza eksponentnemu zakonu.

Številni poskusi, izvedeni od Becquerelovega časa, so pokazali, da temperatura, tlak ali kemijsko stanje atoma praktično ne vplivajo na hitrost radioaktivnega razpada. Izjeme so zelo redke; Tako je v primeru zajetja elektronov vrednost T 1/2 se nekoliko spremeni, ko se spremeni oksidacijsko stanje elementa. Na primer, razpad 7 BeF 2 poteka približno 0,1 % počasneje kot 7 BeO ali kovinski 7 Be.

Skupno število znanih nestabilnih jeder - radionuklidov - se približuje dva tisoč, njihova življenjska doba se giblje v zelo širokih mejah. Znani so tako dolgoživi radionuklidi, katerih razpolovne dobe znašajo milijone in celo milijarde let, kot kratkoživi, ki popolnoma razpadejo v drobnih delčkih 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	Co	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	kk	247	1380 let
98	Cf	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

Najkrajše živi znani nuklid je 5 Li: njegova življenjska doba je 4,4·10 –22 s). V tem času bo enakomerna svetloba potovala le 10–11 cm, tj. razdalja, ki je le nekaj desetkrat večja od premera jedra in bistveno manjša od velikosti katerega koli atoma. Najdlje živi je 128 Te (vsebuje ga naravni telur v količini 31,7 %) z razpolovno dobo osem septilijonov (8·10 24) let - komajda ga lahko imenujemo tudi radioaktiven; za primerjavo, naše vesolje naj bi bilo staro »le« 10 10 let.

Enota radioaktivnosti nuklida je bekerel: 1 Bq (Bq) ustreza enemu razpadu na sekundo. Pogosto se uporablja izvensistemska enota curie: 1 Ci (Ci) je enak 37 milijardam razpadov na sekundo ali 3,7 . 10 10 Bq (1 g 226 Ra ima približno to aktivnost). Nekoč je bila predlagana zunajsistemska enota Rutherford: 1 Рд (Rd) = 10 6 Bq, vendar ni bila razširjena.

Literatura:

Soddy F. Zgodovina atomske energije. M., Atomizdat, 1979
Choppin 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

Pretvorbe, pri katerih se jedro enega kemičnega elementa spremeni v jedro drugega elementa z drugačnim atomskim številom, imenujemo radioaktivni razpad. Radioaktivni izotopi, ki nastanejo in obstajajo v naravnih razmerah, se imenujejo naravno radioaktivni; isti izotopi, pridobljeni umetno z jedrskimi reakcijami, so umetno radioaktivni. Med naravnimi in umetnimi radioaktivnimi izotopi ni bistvene razlike, saj so lastnosti atomskih jeder 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 povzroči črnjenje fotografske emulzije in ionizira zrak. Curie-Sklodowska je prva izmerila jakost sevanja urana in sočasno z nemškim znanstvenikom G. S. Schmidtom odkrila radioaktivnost v toriju. Lastnost izotopov, da spontano oddajajo nevidno sevanje, sta Curiejeva poimenovala radioaktivnost. Julija 1898 so poročali o svojem odkritju novega radioaktivnega elementa, polonija, v rudi uranove smole. Decembra 1898 sta skupaj z G. Bemontom odkrila radij.

Po odkritju radioaktivnih elementov je vrsta avtorjev (Becquerel, Curiejeva, Rutherford itd.) 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. Debierne pridobila čisti kovinski radij in preučevala njegove radioaktivne lastnosti, zlasti je izmerila razpadno konstanto radija. Kmalu so odkrili še številne druge radioaktivne elemente. Debierne in F. Giesel sta odkrila morsko vetrnico. Hahn (O. Halm) je odkril radiotorij in mezotorij, Boltwood (V.V. Boltwood) ionij, Hahn in Meitner (L. Meitner) pa protaktinij. Vsi izotopi teh elementov so radioaktivni. Leta 1903 sta Pierre Curie in S.A. Laborde dokazala, 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 odkrila, da zaprta radijeva ampula vsebuje plin helij. Delo Rutherforda, F. Dorna, Debierna in Giesla je pokazalo, 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 transformacij enih elementov v druge med alfa in beta razpadi (displacement laws) so prvi oblikovali Soddy, K. Fajans in W.J. Russell.

Ti zakoni so naslednji. Med razpadom alfa izvirni element vedno proizvede drug element, ki se nahaja v periodnem sistemu D.I. Mendelejev dve celici levo od prvotnega elementa (vrstno ali atomsko število je za 2 manjše od prvotnega); med beta razpadom prvotni element vedno proizvede drug element, ki se nahaja v periodnem sistemu eno celico desno od prvotnega elementa (atomsko število je za eno večje od tistega prvotnega elementa).

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 fizikalnih lastnostih, zlasti po radioaktivnih lastnostih (vrsta sevanja, stopnja razpadanja). ). Od velikega števila odkritih radioaktivnih snovi so se le radij (Ra), radon (Rn), polonij (Po) in protaktinij (Pa) izkazali za nove elemente, ostali pa so bili izotopi prej znanih urana (U), torija. (Th), svinec (Pb), talij (Tl) in bizmut (Bi).

Potem ko je Rutherford odkril jedrsko strukturo atomov in dokazal, 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 radioaktivne transformacije so povezani 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 prva z obstreljevanjem atomov Al z alfa delci umetno pridobila radioaktivni izotop fosforja. Jedra P30, za razliko od jeder naravno radioaktivnih izotopov, med razpadom ne oddajajo elektronov, ampak pozitrone in se spremenijo v stabilna silicijeva jedra Si30. Tako so leta 1934 hkrati odkrili umetno radioaktivnost in novo vrsto radioaktivnega razpada - pozitronski razpad ali b+ razpad. Zakonca Joliot-Curies sta izrazila idejo, da vsi hitri delci (protoni, devteroni, nevtroni) povzročajo jedrske reakcije in jih je mogoče uporabiti za pridobivanje naravno radioaktivnih izotopov. Fermi (E. Fermi) je z nevtroni obstreljeval različne elemente in pridobil radioaktivne izotope skoraj vseh kemijskih 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 L. Alvarez odkril novo vrsto radioaktivne transformacije - zajem elektronov. 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 Pietrzak pokazala, da se proces cepitve uranovih jeder odvija spontano brez zunanjega vpliva. Tako so odkrili novo vrsto radioaktivne transformacije – spontano cepitev težkih jeder.

Trenutno so znane naslednje vrste radioaktivnih transformacij, ki se pojavljajo brez zunanjih vplivov, spontano, samo zaradi notranjih razlogov, ki jih določa struktura atomskih jeder.

Morda bi bilo koristno prebrati: