Doğal radyoaktif bozunma sırasında kimyasal elementlerin dönüşümleri. Konuyla ilgili fizikte atom çekirdeği ders planının radyoaktif dönüşümleri (9. sınıf)

maruz kalma dozu
emilen doz
eşdeğer doz
etkili eşdeğer doz

Radyoaktivite

Bu, çeşitli kimyasal elementlerin atom çekirdeklerinin, yüksek enerjili atomik ve atom altı parçacıkların emisyonu ile değiştirilme, yok edilme yeteneğidir. Radyoaktif dönüşümler sırasında, vakaların büyük çoğunluğunda, bazı kimyasal elementlerin atom çekirdekleri (ve dolayısıyla atomların kendisi), diğer kimyasal elementlerin atom çekirdeklerine (atomlarına) dönüştürülür veya bir kimyasal elementin bir izotopu diğerine dönüştürülür. aynı elementin izotopu.

Çekirdekleri radyoaktif bozunmaya veya diğer radyoaktif dönüşümlere maruz kalan atomlara denir. radyoaktif.

İzotoplar

(Yunanca kelimelerdenISO'lar – “eşit, aynı” vetopo - "yer")

Bunlar bir kimyasal elementin nüklidleridir; Belirli bir elementin atom çeşitleri atom numarası aynı fakat kütle numaraları farklı.

İzotoplar aynı sayıda proton ve farklı sayıda nötron içeren çekirdeklere sahiptir ve kimyasal elementlerin periyodik tablosunda aynı yeri işgal eder. Süresiz olarak değişmeden var olan kararlı izotoplar ve zamanla bozunan kararsız (radyoizotoplar) vardır.

Bilinenyaklaşık 280 kararlı Ve2000'den fazla radyoaktif izotoplar116 doğal ve yapay olarak elde edilen elementler .

Nüklit (Latince'dençekirdek – “çekirdek”) belirli nükleer yük ve kütle numarası değerlerine sahip bir atom topluluğudur.

Nüklit sembolleri:, NeredeX – elemanın harf tanımı,Z – proton sayısı (atomik numara ), A – proton ve nötron sayısının toplamı (kütle Numarası ).

Periyodik tablonun ilk ve en hafif atomu olan ve çekirdeğinde yalnızca bir proton bulunan (ve onun etrafında dönen bir elektron) hidrojenin bile üç izotopu vardır.

Radyoaktif dönüşümler

Doğal, kendiliğinden (kendiliğinden) ve yapay olabilirler. Kendiliğinden radyoaktif dönüşümler rastgele, istatistiksel bir süreçtir.

Tüm radyoaktif dönüşümlere genellikle aşırı enerjinin atomun çekirdeğinden şu şekilde salınması eşlik eder: Elektromanyetik radyasyon.

Gama radyasyonu, yüksek enerjiye ve nüfuz etme gücüne sahip bir gama kuantum akışıdır.

X-ışınları aynı zamanda genellikle daha düşük enerjili bir foton akışıdır. X-ışını radyasyonunun yalnızca “doğum yeri” çekirdek değil, elektron kabuklarıdır. X-ışını radyasyonunun ana akışı, bir maddede “radyoaktif parçacıklar” (“radyoaktif radyasyon” veya “iyonlaştırıcı radyasyon”) geçtiğinde meydana gelir.

Başlıca radyoaktif dönüşüm türleri:

radyoaktif bozunma;
atom çekirdeğinin bölünmesi.

Bu, yaygın olarak adlandırılan "temel" (atomik, atom altı) parçacıkların atomlarının çekirdeklerinden muazzam hızlarda emisyon, fırlatmadır. radyoaktif (iyonlaştırıcı) radyasyon.

Belirli bir kimyasal elementin bir izotopu bozunduğunda, aynı elementin başka bir izotopuna dönüşür.

Doğal için(Doğal) radyonüklidlerin ana türleri, radyoaktif bozunmanın ana türleri alfa ve beta eksi bozunmadır.

Başlıklar " alfa" Ve " beta” Ernest Rutherford tarafından 1900 yılında radyoaktif radyasyon üzerine çalışırken verildi.

Yapay için(insan yapımı) radyonüklidler ayrıca nötron, proton, pozitron (beta-artı) ve daha nadir bozunma türleri ve nükleer dönüşümler (mezonik, K-yakalama, izomerik geçiş vb.) ile de karakterize edilir.

Alfa bozunması

Bu, 2 proton ve 2 nötrondan oluşan bir atomun çekirdeğinden bir alfa parçacığının emisyonudur.

Bir alfa parçacığı 4 birimlik bir kütleye ve +2 yüke sahiptir ve bir helyum atomunun (4He) çekirdeğidir.

Bir alfa parçacığının emisyonu sonucunda periyodik tabloda yer alan yeni bir element oluşur. 2 hücre solaÇünkü çekirdekteki proton sayısı ve dolayısıyla çekirdeğin yükü ve element sayısı iki birim azaldı. Ve ortaya çıkan izotopun kütlesi şu şekilde çıkıyor: 4 birim daha az.

A alfa – çürümek- bu, D.I. tablosunun altıncı ve yedinci periyotlarının doğal radyoaktif elementleri için karakteristik bir radyoaktif bozunma türüdür. Mendeleev (uranyum, toryum ve bizmut dahil bunların bozunma ürünleri) ve özellikle yapay - uranyum ötesi - elementler için.

Yani bizmuttan başlayarak tüm ağır elementlerin bireysel izotopları bu tür bozunmaya karşı hassastır.

Örneğin, uranyumun alfa bozunması her zaman toryum üretir, toryumun alfa bozunması her zaman radyum üretir, radyumun bozunması her zaman radon, sonra polonyum ve son olarak da kurşun üretir. Bu durumda, uranyum-238'in belirli bir izotopundan toryum-234, ardından radyum-230, radon-226 vb. oluşur.

Alfa parçacığının çekirdeği terk etme hızı 12 ila 20 bin km/sn arasındadır.

Beta bozunması

Beta bozunması- özellikle yapay radyonüklidler arasında en yaygın radyoaktif bozunma türü (ve genel olarak radyoaktif dönüşümler).

Her bir kimyasal element beta bozunmasına tabi olan en az bir beta-aktif izotop vardır.

Doğal beta-aktif radyonüklidin bir örneği potasyum-40'tır (T1/2=1,3×109 yıl), potasyum izotoplarının doğal karışımı yalnızca %0,0119 içerir.

K-40'a ek olarak, önemli doğal beta-aktif radyonüklitlerin tümü de uranyum ve toryumun bozunma ürünleridir; Talyumdan uranyuma kadar tüm elementler.

Beta bozunması içerir aşağıdaki gibi radyoaktif dönüşüm türleri:

– beta eksi bozunma;

– beta artı bozunma;

– K-yakalama (elektronik yakalama).

Beta eksi bozunma– bu, çekirdekten bir beta eksi parçacığının emisyonudur – elektron Nötronlardan birinin kendiliğinden proton ve elektrona dönüşmesi sonucu oluşmuştur.

Aynı zamanda beta parçacığı 270 bin km/sn'ye varan hızlarda(ışık hızının 9/10'u) çekirdekten dışarı uçar. Ve çekirdekte bir proton daha olduğu için, bu elementin çekirdeği sağdaki komşu elementin çekirdeğine daha yüksek bir sayıyla dönüşür.

Beta-eksi bozunması sırasında radyoaktif potasyum-40, stabil kalsiyum-40'a (sağdaki bir sonraki hücrede) dönüştürülür. Ve sağında radyoaktif kalsiyum-47, skandiyum-47'ye (aynı zamanda radyoaktif) dönüşür ve bu da beta-eksi bozunması yoluyla stabil titanyum-47'ye dönüşür.

Beta artı bozunma– çekirdekten beta-artı parçacıkların emisyonu – pozitron (pozitif yüklü bir “elektron”), protonlardan birinin kendiliğinden bir nötrona ve bir pozitrona dönüşmesi sonucu oluşmuştur.

Bunun sonucunda (proton sayısı daha az olduğundan) bu element periyodik tabloda sol tarafta yanındaki elemente dönüşür.

Örneğin, beta-artı bozunması sırasında, magnezyumun radyoaktif izotopu olan magnezyum-23, stabil bir sodyum izotopuna (solda) - sodyum-23'e dönüşür ve europium'un radyoaktif izotopu - europium-150, stabil bir izotopa dönüşür. samaryum izotopu - samaryum-150.

– Bir atomun çekirdeğinden bir nötronun emisyonu. Yapay kökenli nüklidlerin karakteristiği.

Bir nötron yayıldığında, belirli bir kimyasal elementin bir izotopu daha az ağırlığa sahip bir diğerine dönüşür. Örneğin, nötron bozunması sırasında, lityumun radyoaktif izotopu lityum-9, lityum-8'e, radyoaktif helyum-5, stabil helyum-4'e dönüşür.

İyotun kararlı bir izotopu - iyot-127 - gama ışınlarıyla ışınlanırsa, radyoaktif hale gelir, bir nötron yayar ve başka bir radyoaktif izotop - iyot-126'ya dönüşür. Bu bir örnek yapay nötron bozunması .

Radyoaktif dönüşümlerin bir sonucu olarak oluşabilirler. diğer kimyasal elementlerin veya aynı elementin izotopları, Hangi kendileri radyoaktif olabilir elementler.

Onlar. Belirli bir başlangıç radyoaktif izotopunun bozunması, farklı kimyasal elementlerin çeşitli izotoplarının belirli sayıda ardışık radyoaktif dönüşümüne yol açarak sözde oluşumuna yol açabilir. "çürüme zincirleri".

Örneğin, uranyum-238'in alfa bozunması sırasında oluşan toryum-234, protaktinyum-234'e dönüşür ve bu da tekrar uranyuma, ancak farklı bir izotop olan uranyum-234'e dönüşür.

Tüm bu alfa ve beta eksi geçişler, kararlı kurşun-206'nın oluşmasıyla sona erer. Ve uranyum-234 alfa bozunmasına uğrayarak tekrar toryuma (toryum-230) dönüşür. Ayrıca, toryum-230 alfa bozunması ile - radyum-226'ya, radyum - radona.

Atom çekirdeğinin bölünmesi

Kendiliğinden mi yoksa nötronların etkisi altında mı? çekirdek bölünmesi atom yaklaşık 2 eşit parçaya, iki "parçaya" bölünür.

Bölündükçe uçup gidiyorlar 2-3 ekstra nötron ve gama kuantumu formunda, radyoaktif bozunma sırasında olduğundan çok daha fazla miktarda enerji açığa çıkar.

Bir radyoaktif bozunma eylemi için genellikle bir gama ışını varsa, o zaman 1 fizyon eylemi için 8-10 gama kuantumu vardır!

Ayrıca uçan parçalar yüksek kinetik enerjiye (hız) sahiptir ve bu da termal enerjiye dönüşür.

Ayrıldı nötronlar fisyona neden olabilir iki veya üç benzer çekirdek, eğer yakındalarsa ve nötronlar onlara çarpıyorsa.

Böylece dallanmayı hızlandıran bir uygulama mümkün hale gelir. fisyon zincirleme reaksiyonu Atom çekirdeği muazzam miktarda enerji açığa çıkarıyor.

Fisyon zincir reaksiyonu

Zincirleme reaksiyonun kontrolsüz bir şekilde gelişmesine izin verilirse atomik (nükleer) bir patlama meydana gelecektir.

Zincirleme reaksiyon kontrol altında tutulursa gelişimi kontrol altına alınır, hızlanmasına izin verilmez ve sürekli geri çekilmek açığa çıkan enerji(ısı), o zaman bu enerji (“ atomik Enerji") elektrik üretmek için kullanılabilir. Bu nükleer reaktörlerde ve nükleer santrallerde yapılır.

Radyoaktif dönüşümlerin özellikleri

Yarı ömür (T1/2 ) – radyoaktif atomların yarısının bozunduğu süre ve bunların bozunması miktar 2 kat azaltıldı.

Tüm radyonüklidlerin yarı ömürleri farklıdır; bir saniyenin kesirlerinden (kısa ömürlü radyonüklidler) milyarlarca yıla (uzun ömürlü) kadar.

Aktivite– bu, birim zaman başına (genellikle saniyede) bozunma olaylarının (genel olarak radyoaktif eylemler, nükleer dönüşümler) sayısıdır. Faaliyet birimleri becquerel ve curie'dir.

Becquerel (Bq)– bu saniyede bir bozunum olayıdır (1 parçalanma/sn).

Curie (Ci)– 3,7×1010 Bq (ekran/sn).

Birim tarihsel olarak ortaya çıkmıştır: 1 gram radyum-226, yavru bozunma ürünleriyle dengedeyken böyle bir aktiviteye sahiptir. Nobel Ödülü sahibi Fransız bilim eşleri Pierre Curie ve Marie Sklodowska-Curie, radyum-226 ile uzun yıllar çalıştı.

Radyoaktif Bozunma Yasası

Bir kaynaktaki bir nüklidin aktivitesinde zaman içinde meydana gelen değişiklik, üstel bir yasaya göre belirli bir nüklidin yarı ömrüne bağlıdır:

AVe(t) = BirVe (0) × tecrübe(-0,693 ton/ton1/2 ),

Nerede AVe(0) – nüklidin başlangıç aktivitesi;
AVe(t) – t zamanından sonraki aktivite;

T1/2 – nüklidin yarı ömrü.

Kütle arasındaki ilişki radyonüklit(aktif olmayan izotopun kütlesi dikkate alınmadan) ve onun faaliyeti aşağıdaki ilişki ile ifade edilir:

Nerede MVe– radyonüklid kütlesi, g;

T1/2 – radyonüklidin yarı ömrü, s;

AVe– radyonüklid aktivitesi, Bq;

A– radyonüklidin atom kütlesi.

Radyoaktif radyasyonun nüfuz etme gücü.

Alfa parçacık aralığı başlangıç enerjisine bağlıdır ve genellikle havada 3 ila 7 (nadiren 13'e kadar) cm arasında değişir ve yoğun ortamda mm'nin yüzde biri kadardır (camda - 0,04 mm).

Alfa radyasyonu bir kağıt yaprağına veya insan derisine nüfuz etmez. Kütleleri ve yükleri nedeniyle alfa parçacıkları en yüksek iyonizasyon yeteneğine sahiptir; yollarına çıkan her şeyi yok ederler, bu nedenle alfa aktif radyonüklidler yutulduğunda insanlar ve hayvanlar için en tehlikeli olanlardır.

Beta parçacık aralığı düşük kütlesi nedeniyle maddede (~ 7000 kat)

Alfa parçacığının kütlesinden daha az), yükü ve boyutu çok daha büyüktür. Bu durumda beta parçacığının madde içindeki yolu doğrusal değildir. Penetrasyon aynı zamanda enerjiye de bağlıdır.

Radyoaktif bozunma sırasında oluşan beta parçacıklarının nüfuz etme yeteneği havada 2÷3 m'ye ulaşır, suda ve diğer sıvılarda santimetre cinsinden, katılarda - cm'nin kesirleri halinde ölçülür.

Beta radyasyonu vücut dokusuna 1-2 cm derinliğe kadar nüfuz eder.

N- ve gama radyasyonu için zayıflama faktörü.

En nüfuz edici radyasyon türleri nötron ve gama radyasyonudur. Havadaki menzilleri ulaşabilir onlarca ve yüzlerce metre(ayrıca enerjiye de bağlıdır), ancak daha az iyonizasyon gücüyle.

N- ve gama radyasyonuna karşı koruma olarak kalın beton, kurşun, çelik vb. katmanlar kullanılır ve zayıflama faktöründen bahsediyoruz.

Kobalt-60 izotopuna (E = 1,17 ve 1,33 MeV) ilişkin olarak, gama radyasyonunun 10 kat zayıflatılması için şunlardan koruma gerekir:

yaklaşık 5 cm kalınlığında kurşun;
yaklaşık 33 cm beton;
su – 70 cm.

Gama radyasyonunun 100 kat zayıflatılması için 9,5 cm kalınlığında kurşun zırhlama gereklidir; beton – 55 cm; su – 115 cm.

Dozimetride ölçü birimleri

Doz (Yunancadan - “paylaş, porsiyon”) ışınlama.

Maruz kalma dozu(X-ışını ve gama radyasyonu için) – hava iyonizasyonuyla belirlenir.

SI ölçü birimi – “kg başına coulomb” (C/kg)- bu, x-ışını veya gama radyasyonunun, oluşturulduğunda maruz kalma dozudur. 1 kg kuru havada, aynı işarete sahip iyonların yükü oluşur; 1 Cl.

Sistem dışı ölçü birimi "röntgen".

1R = 2,58× 10 -4 Kl/kg.

A-tarikatı 1 röntgen (1P)– bu, emilim sonrasında maruz kalma dozudur; 1 cm3 kuru hava oluşur 2,08 × 10 9 iyon çiftleri.

Bu iki birim arasındaki ilişki aşağıdaki gibidir:

1 C/kg = 3,68 ·103 R.

Maruz kalma dozu 1Р havadaki absorbe edilen doza karşılık gelir 0,88 rad.

Doz

Emilen doz- Birim madde kütlesi tarafından emilen iyonlaştırıcı radyasyonun enerjisi.

Bir maddeye aktarılan radyasyon enerjisi, söz konusu maddenin hacmine giren tüm parçacıkların ve fotonların toplam kinetik enerjisi ile bu hacimden ayrılan tüm parçacıkların ve fotonların toplam kinetik enerjisi arasındaki fark olarak anlaşılmaktadır. Bu nedenle emilen doz, enerjinin nasıl harcandığına bakılmaksızın, o hacim içinde kalan tüm iyonlaştırıcı radyasyon enerjisini hesaba katar.

Emilen doz birimleri:

Gri (Gr)– SI birim sisteminde emilen dozun birimi. 1 kg madde tarafından emilen 1 J radyasyon enerjisine karşılık gelir.

Memnun– emilen dozun ekstra sistemik birimi. 1 gram ağırlığındaki bir madde tarafından emilen 100 erg'lik radyasyon enerjisine karşılık gelir.

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

Aynı soğurulan dozdaki biyolojik etki, farklı radyasyon türleri için farklıdır.

Örneğin, aynı emilen dozla alfa radyasyonuçıkıyor foton veya beta radyasyonundan çok daha tehlikeli. Bunun nedeni, alfa parçacıklarının biyolojik dokudaki yolları boyunca daha yoğun iyonizasyon oluşturması ve böylece vücut üzerindeki zararlı etkilerin belirli bir organda yoğunlaşmasıdır. Bu durumda tüm vücut radyasyonun çok daha büyük bir engelleyici etkisine maruz kalır.

Sonuç olarak, ağır yüklü parçacıklarla ışınlandığında aynı biyolojik etkiyi yaratmak için, hafif parçacıklar veya fotonlarla ışınlandığındakinden daha düşük bir soğurulan doz gerekir.

Eşdeğer doz– absorbe edilen doz ile radyasyon kalite faktörünün çarpımı.

Eşdeğer doz birimleri:

sievert(Sv) Doz eşdeğeri için bir ölçüm birimidir; absorbe edilen dozla aynı biyolojik etkiyi üreten her türlü radyasyondur. 1 Gy

Buradan, 1 Sv = 1 J/kg.

Çıplak(sistemik olmayan birim) emilen iyonlaştırıcı radyasyonun enerji miktarıdır 1 kg absorbe edilen dozla aynı biyolojik etkinin gözlendiği biyolojik doku 1 rad X-ışını veya gama radyasyonu.

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

“Rem” ismi “röntgen filminin biyolojik eşdeğeri” ifadesinin baş harflerinden oluşmuştur.

Yakın zamana kadar eşdeğer doz hesaplanırken “ radyasyon kalitesi faktörleri » (K) – aynı emilen dozda farklı radyasyonların biyolojik nesneler üzerindeki farklı etkilerini (vücut dokularına zarar verme konusunda farklı yetenekler) dikkate alan düzeltme faktörleri.

Artık Radyasyon Güvenliği Standartlarındaki (NRB-99) bu katsayılara "eşdeğer dozun (WR) hesaplanmasında bireysel radyasyon türleri için ağırlıklandırma katsayıları" adı verilmektedir.

Değerleri sırasıyla:

X-ışını, gama, beta radyasyonu, elektronlar ve pozitronlar – 1 ;
E değeri 2 MeV'den fazla olan protonlar – 5 ;
E değeri 10 keV'den az olan nötronlar) – 5 ;
10 kev'den 100 kev'e kadar E'li nötronlar - 10 ;
alfa parçacıkları, fisyon parçaları, ağır çekirdekler – 20 vesaire.

Etkili eşdeğer doz- farklı vücut dokularının radyasyona karşı farklı duyarlılığı dikkate alınarak hesaplanan eşdeğer doz; eşittir eşdeğer doz belirli bir organ, doku tarafından elde edilen (ağırlıkları dikkate alınarak), çarpılır karşılık gelen " radyasyon risk katsayısı ».

Bu katsayılar, radyasyona maruz kalmadan kaynaklanan stokastik etkilerin ortaya çıkmasında farklı organ ve dokuların farklı hassasiyetini hesaba katmak için radyasyondan korunmada kullanılır.

NRB-99'da bunlara "etkili dozun hesaplanmasında doku ve organların tartım katsayıları" adı verilmektedir.

Bir bütün olarak vücut için bu katsayı şuna eşit alınır: 1 ve bazı organlar için aşağıdaki anlamlara sahiptir:

kemik iliği (kırmızı) – 0,12; gonadlar (yumurtalıklar, testisler) – 0,20;
tiroid bezi – 0,05; deri – 0,01, vb.
akciğerler, mide, kalın bağırsak - 0,12.

Tamamını değerlendirmek için etkili Bir kişinin aldığı eşdeğer doz, tüm organlar için belirtilen dozlar hesaplanır ve toplanır.

Eşdeğer ve etkili eşdeğer dozları ölçmek için SI sistemi aynı birimi kullanır: sievert(Sv).

1 Sv emilen dozun çarpımının elde edildiği eşdeğer doza eşittir. gr eyah (biyolojik dokuda) ağırlık katsayılarına göre şuna eşit olacaktır: 1J/kg.

Başka bir deyişle bu, absorbe edilen dozdur. 1 kg maddeler enerji açığa çıkarır 1J.

Sistemik olmayan birim rem'dir.

Ölçü birimleri arasındaki ilişki:

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

Şu tarihte: k=1(x-ışınları, gama, beta radyasyonu, elektronlar ve pozitronlar için) 1 Sv emilen doza karşılık gelir 1 Gy:

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

50'li yıllarda, 1 röntgen maruz kalma dozunda havanın biyolojik doku ile yaklaşık olarak aynı miktarda enerjiyi emdiği tespit edildi.

Bu nedenle, dozları tahmin ederken (minimum hatayla) şunu varsayabileceğimiz ortaya çıktı: 1 röntgen maruz kalma dozu biyolojik doku için karşılık gelir(eş değer) 1 rad absorbe edilen doz Ve 1 rem eşdeğer dozu(K=1'de), yani kabaca konuşursak, 1 R, 1 rad ve 1 rem aynı şeydir.

Yılda 12 μR/saat maruz kalma dozuyla 1 mSv doz alıyoruz.

Ayrıca yapay zekanın etkisini değerlendirmek için aşağıdaki kavramlar kullanılır:

Doz oranı– birim zaman başına alınan doz (saniye, saat).

Arka plan– belirli bir konumdaki iyonlaştırıcı radyasyona maruz kalma doz oranı.

Doğal arka plan– Tüm doğal radyasyon kaynaklarının oluşturduğu iyonlaştırıcı radyasyona maruz kalma doz oranı.

Çevreye giren radyonüklid kaynakları

1. Doğal radyonüklidler Oluştukları andan itibaren (muhtemelen güneş sisteminin veya Evrenin oluştuğu andan itibaren) günümüze kadar ulaşmış olan, yarı ömürleri uzun olduğundan, yani uzun bir ömür anlamına gelir.

2.Parçalanma kökenli radyonüklidler Atom çekirdeğinin bölünmesi sonucu oluşanlar. Kontrollü bir zincirleme reaksiyonun meydana geldiği nükleer reaktörlerde ve ayrıca nükleer silahların test edilmesi sırasında (kontrolsüz zincirleme reaksiyon) oluşurlar.

3. Aktivasyon kökenli radyonüklidler aktivasyonun bir sonucu olarak sıradan kararlı izotoplardan oluşur, yani atom altı bir parçacık (genellikle bir nötron) kararlı bir atomun çekirdeğine girdiğinde, bunun sonucunda kararlı atom radyoaktif hale gelir. Kararlı izotopların reaktör çekirdeğine yerleştirilerek etkinleştirilmesiyle veya parçacık hızlandırıcılardaki kararlı bir izotopun proton, elektron vb. ile bombardıman edilmesiyle elde edilirler.

Radyonüklid kaynakların uygulama alanları

Yapay zeka kaynakları endüstride, tarımda, bilimsel araştırmada ve tıpta uygulama alanı bulur. Yalnızca tıpta çeşitli tıbbi araştırmalar, teşhis, sterilizasyon ve radyoterapi amacıyla yüze yakın izotop kullanılmaktadır.

Dünya çapında birçok laboratuvar bilimsel araştırmalar için radyoaktif materyaller kullanıyor. Radyoizotoplara dayalı termoelektrik jeneratörler, uzak ve ulaşılması zor alanlardaki (radyo ve ışıklı işaret lambaları, hava istasyonları) çeşitli ekipmanların otonom güç kaynağı için elektrik üretmek için kullanılır.

Endüstrinin her yerinde, teknolojik süreçleri (yoğunluk, seviye ve kalınlık ölçerler) izlemek için radyoaktif kaynaklar içeren cihazlar, tahribatsız muayene cihazları (gamma kusur dedektörleri) ve maddenin bileşimini analiz etmek için cihazlar kullanılır. Radyasyon, mahsulün boyutunu ve kalitesini artırmak için kullanılır.

Radyasyonun insan vücudu üzerindeki etkisi. Radyasyonun etkileri

Radyoaktif parçacıklar Muazzam bir enerjiye ve hıza sahip olan herhangi bir maddeden geçerken bu maddenin atomları ve molekülleri ile çarpışırlar ve yol açmak onların yok edilmesi iyonlaşma"sıcak" iyonların ve serbest radikallerin oluşumuna neden olur.

Biyolojik olduğundan İnsan dokusunun %70'i sudur sonra büyük ölçüde İyonlaşmaya uğrayan sudur. İyonlar ve serbest radikaller vücuda zararlı bileşikler oluşturur, bunlar ardışık biyokimyasal reaksiyonların tüm zincirini tetikler ve yavaş yavaş hücre zarlarının (hücre duvarları ve diğer yapılar) tahrip olmasına yol açar.

Radyasyon insanları cinsiyete ve yaşa, vücudun durumuna, bağışıklık sistemine vb. bağlı olarak farklı şekillerde etkiler, ancak özellikle bebekleri, çocukları ve ergenleri güçlü bir şekilde etkiler. Radyasyona maruz kaldığında gizli (kuluçka, gizli) dönem yani gözle görülür bir etkinin ortaya çıkmasından önceki gecikme süresi yıllar hatta on yıllar sürebilir.

Radyasyonun insan vücudu ve biyolojik nesneler üzerindeki etkisi üç farklı olumsuz etkiye neden olur:

genetik etki Vücudun kalıtsal (cinsiyet) hücreleri için. Kendini yalnızca gelecek nesillerde gösterebilir ve gösterir;
genetik-stokastik etki, somatik hücrelerin - vücut hücrelerinin kalıtsal aparatı için tezahür etti. Belirli bir kişinin yaşamı boyunca çeşitli mutasyonlar ve hastalıklar (kanser dahil) şeklinde kendini gösterir;
somatik etki daha doğrusu bağışık. Bu, hücre zarlarının ve diğer yapıların tahrip olması nedeniyle vücudun savunmasının ve bağışıklık sisteminin zayıflamasıdır.

İlgili malzemeler

Radyoaktif dönüşümler

1903 yılında Pierre Curie, uranyum tuzlarının sürekli olarak ve zamanla gözle görülür bir azalma olmaksızın, birim kütle başına en enerjik kimyasal reaksiyonların enerjisine kıyasla çok büyük görünen termal enerji açığa çıkardığını keşfetti. Radyum daha da fazla ısı açığa çıkarır - 1 g saf madde başına saatte yaklaşık 107 J. Yerkürenin derinliklerinde bulunan radyoaktif elementlerin (sınırlı ısı giderme koşulları altında) magmayı eritmeye yeterli olduğu ortaya çıktı.

Bu tükenmez gibi görünen enerjinin kaynağı nerede? Marie Curie 19. yüzyılın sonlarında ortaya atıldı. iki hipotez. Bunlardan biri (Lord Kelvin tarafından paylaşıldı) ) radyoaktif maddelerin bir tür kozmik radyasyonu yakalayıp gerekli enerjiyi depolamasıydı. İkinci hipoteze göre radyasyona, atomların kendisinde bazı değişiklikler eşlik eder ve aynı zamanda yayılan enerji de kaybolur. Her iki hipotez de eşit derecede inanılmaz görünüyordu, ancak giderek ikincisinin lehine daha fazla kanıt birikmeye başladı.

Ernest Rutherford, radyoaktif maddelere ne olduğunun anlaşılmasına büyük katkı sağladı. 1895 yılında, havadaki argonun keşfiyle ünlenen İngiliz kimyager William Ramsay, kleveit mineralinde başka bir soy gaz olan helyum keşfetti. Daha sonra diğer minerallerde de önemli miktarda helyum keşfedildi; ancak yalnızca uranyum ve toryum içerenler. Şaşırtıcı ve tuhaf görünüyordu - minerallerdeki nadir bir gaz nereden gelebilirdi? Rutherford radyoaktif mineraller tarafından yayılan alfa parçacıklarının doğasını araştırmaya başladığında helyumun radyoaktif bozunmanın bir ürünü olduğu ortaya çıktı ( santimetre. RADYOAKTİVİTE). Bu, bazı kimyasal elementlerin diğerlerini "üretebildiği" anlamına gelir; bu, birkaç kuşak kimyagerin biriktirdiği tüm deneyimlerle çelişiyordu.

Ancak uranyum ve toryumun helyuma “dönüşümü” bununla sınırlı değildi. 1899'da Rutherford'un laboratuvarında başka bir tuhaf olay daha gözlemlendi (o sırada Montreal'de çalışıyordu): toryum elementinin kapalı bir ampuldeki preparatları sürekli aktiviteyi sürdürüyordu, ancak açık havada aktiviteleri buna bağlıydı. Taslaklar. Rutherford, toryumun radyoaktif gaz yaydığını hemen fark etti (buna Latince emanatio çıkışından veya torondan toryum yayılımı deniyordu), bu gazın aktivitesi çok hızlı bir şekilde azaldı: yaklaşık bir dakikada yarı yarıya (modern verilere göre - 55,6 saniyede) ). Radyumda da benzer bir gaz "yayılım" keşfedildi (aktivitesi çok daha yavaş azaldı) - buna radyum yayılımı veya radon adı verildi. Aktinyumun ayrıca sadece birkaç saniye içinde kaybolan kendi "yayılımına" sahip olduğu da keşfedildi; buna aktinyum yayılımı veya aktinon adı verildi. Daha sonra, tüm bu "yayılmaların" aynı kimyasal elementin - radonun izotopları olduğu ortaya çıktı ( santimetre. KİMYASAL ELEMENTLER).

Serinin her bir üyesini bilinen kimyasal elementlerin izotoplarından birine atadıktan sonra, uranyum serisinin uranyum-238 ile başladığı anlaşıldı ( T 1/2 = 4,47 milyar yıl) ve kararlı kurşun-206 ile biter; Bu serinin üyelerinden biri çok önemli bir element olan radyum olduğundan bu seriye uranyum-radyum serisi de denir. Aktinyum serisi (diğer adı aktinouranyum serisidir) de doğal uranyumdan kaynaklanır, ancak diğer izotopundan - 235 U ( T 1/2 = 794 milyon yıl). Toryum serisi 232 Th nüklidi ile başlar ( T 1/2 = 14 milyar yıl). Son olarak, doğada bulunmayan neptunyum serisi, yapay olarak elde edilen en uzun ömürlü neptunyum izotopuyla başlar: 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. Bu seride bir de “çatal” var: 213 Bi %2 olasılıkla 209 Tl’ye dönüşebiliyor ki o da zaten 209 Pb’ye dönüşüyor. Neptunyum serisinin daha ilginç bir özelliği gaz halindeki “yayılmaların” bulunmamasıdır ve serinin son üyesi kurşun yerine bizmuttur. Bu yapay serinin atasının yarı ömrü "sadece" 2,14 milyon yıldır, dolayısıyla neptunyum, Güneş sisteminin oluşumu sırasında mevcut olsaydı bile bugüne kadar "hayatta kalamazdı" çünkü Dünyanın yaşının 4,6 milyar yıl olduğu tahmin ediliyor ve bu süre zarfında (2000'den fazla yarı ömür) neptunyumdan tek bir atom bile kalmayacaktı.

Örnek olarak Rutherford, radyum dönüşüm zincirindeki karmaşık olaylar düğümünü çözdü (radyum-226, radyoaktif uranyum-238 serisinin altıncı üyesidir). Diyagram, hem Rutherford zamanının sembollerini hem de nüklidlere ilişkin modern sembollerin yanı sıra bozunma türünü ve yarı ömürlere ilişkin modern verileri göstermektedir; Yukarıdaki seride ayrıca küçük bir "çatal" vardır: %0,04 olasılıkla RaC, RaC""(210 Tl)'ye dönüşebilir ve bu daha sonra aynı RaD'ye dönüşür ( T 1/2 = 1,3 dakika). Bu radyoaktif kurşunun yarı ömrü oldukça uzun olduğundan, deney sırasında onun daha sonraki dönüşümleri sıklıkla göz ardı edilebilir.

Bu serinin son üyesi kurşun-206 (RaG) stabildir; doğal kurşunda ise %24,1'dir. Toryum serisi stabil kurşun-208'e yol açar ("sıradan" kurşun içeriği %52,4'tür), aktinyum serisi kurşun-207'ye yol açar ("kurşun içeriği %22,1'dir). Bu kurşun izotoplarının modern yer kabuğundaki oranı elbette hem ana nüklidlerin yarı ömrüne hem de bunların Dünya'nın oluştuğu malzemedeki başlangıç oranlarına bağlıdır. Ve yer kabuğundaki "sıradan", radyojenik olmayan kurşun yalnızca %1,4'tür. Dolayısıyla, başlangıçta Dünya'da uranyum ve toryum olmasaydı, içindeki kurşun% 1,6 × 10 –3 (kobalt ile hemen hemen aynı) değil, 70 kat daha az (örneğin, indiyum ve gibi nadir metaller gibi) olurdu. tulyum!). Öte yandan, birkaç milyar yıl önce gezegenimize uçan hayali bir kimyager, gezegende çok daha az kurşun, çok daha fazla uranyum ve toryum bulurdu...

1915'te F. Soddy, Seylan minerali toritinden (ThSiO 4) toryumun çürümesinden oluşan kurşunu izole ettiğinde, atom kütlesinin 207.77'ye eşit olduğu, yani "sıradan" kurşununkinden (207.2) daha fazla olduğu ortaya çıktı. Bu, “teorik” (208)'den farklılığı, toritin kurşun-206 üreten bir miktar uranyum içermesiyle açıklanmaktadır. Atom kütlelerinin ölçümü alanında otorite olan Amerikalı kimyager Theodore William Richards, toryum içermeyen bazı uranyum minerallerinden kurşunu izole ettiğinde atom kütlesinin neredeyse tam olarak 206 olduğu ortaya çıktı. Bu kurşunun yoğunluğu biraz daha azdı, ve hesaplanana karşılık geldi: ( Pb)  206/207,2 = 0,994(Pb), burada (Pb) = 11,34 g/cm3 . Bu sonuçlar, diğer bazı elementler gibi kurşun için de atom kütlesini çok yüksek doğrulukla ölçmenin neden bir anlamı olmadığını açıkça göstermektedir: farklı yerlerden alınan numuneler biraz farklı sonuçlar verecektir ( santimetre. KARBON BİRİMİ).

Doğada diyagramlarda gösterilen dönüşüm zincirleri sürekli olarak meydana gelir. Sonuç olarak, bazı kimyasal elementler (radyoaktif) diğerlerine dönüşür ve bu tür dönüşümler, Dünya'nın var olduğu süre boyunca meydana gelir. Radyoaktif serilerin ilk üyeleri (bunlara ebeveyn denir) en uzun ömürlü olanlardır: Uranyum-238'in yarı ömrü 4,47 milyar yıl, toryum-232 14,05 milyar yıldır, uranyum-235 ("aktinouranyum" olarak da bilinir) aktinyum serisinin atası) – 703,8 milyon yıl. Bu uzun zincirin sonraki tüm (“kız”) üyeleri önemli ölçüde daha kısa ömürler yaşarlar. Bu durumda, radyokimyacıların "radyoaktif denge" adını verdiği bir durum ortaya çıkar: ana uranyum, toryum veya aktinyumdan bir ara radyonüklidin oluşma hızı (bu oran çok düşüktür), bu çekirdeğin bozunma hızına eşittir. Bu oranların eşitliğinin bir sonucu olarak, belirli bir radyonüklidin içeriği sabittir ve yalnızca yarı ömrüne bağlıdır: radyoaktif serinin kısa ömürlü üyelerinin konsantrasyonu küçüktür ve uzun ömürlü üyelerin konsantrasyonu daha büyük. Ara bozunma ürünlerinin içeriğindeki bu sabitlik çok uzun bir süre devam eder (bu süre, çok uzun olan ana çekirdeğin yarı ömrü tarafından belirlenir). Basit matematiksel dönüşümler şu sonuca yol açar: anne sayısının oranı ( N 0) ve çocuklar ( N 1, N 2, N 3...) atomlar yarı ömürleriyle doğru orantılıdır: N 0:N 1:N 2:N 3... = T 0:T 1:T 2:T 3... Böylece uranyum-238'in yarı ömrü 4,47 10 9 yıl, radyum 226 ise 1600 yıldır, dolayısıyla uranyum cevherlerindeki uranyum-238 ve radyum-226 atom sayısının oranı 4,47 10 9'dur: 1600 , buradan (bu elementlerin atom kütleleri dikkate alınarak) 1 ton uranyum için radyoaktif dengeye ulaşıldığında yalnızca 0,34 g radyum bulunduğunu hesaplamak kolaydır.

Ve tam tersi, cevherlerdeki uranyum ve radyum oranının yanı sıra radyumun yarı ömrünü bilerek, uranyumun yarı ömrünü belirlemek mümkündür ve radyumun yarı ömrünü belirlemenize gerek yoktur. bin yıldan fazla bekleyin - bozunma oranını (yani .d değerini) ölçmek (radyoaktivitesi ile) yeterlidir N/D T) o elementin bilinen küçük bir miktarı (bilinen sayıda atomla) N) ve sonra d formülüne göre N/D T = –N değerini belirleyin  = ln2/ T 1/2.

Yer değiştirme kanunu. Herhangi bir radyoaktif serinin üyeleri periyodik element tablosu üzerinde sıralı olarak işaretlenirse, bu serideki radyonüklitlerin ana elementten (uranyum, toryum veya neptunyum) kurşun veya bizmut'a düzgün bir şekilde geçmediği, ancak "sıçradığı" ortaya çıkar. sağa ve sonra sola. Böylece, uranyum serisinde, iki kararsız kurşun izotopu (element No. 82), bizmut izotoplarına (element No. 83), sonra polonyum izotoplarına (element No. 84) ve sonra tekrar kurşun izotoplarına dönüştürülür. . Sonuç olarak, radyoaktif element sıklıkla element tablosunun aynı hücresine geri döner, ancak farklı kütleye sahip bir izotop oluşur. F. Soddy'nin 1911'de fark ettiği bu "sıçramalarda" belli bir model olduğu ortaya çıktı.

Artık  bozunması sırasında çekirdekten bir  parçacığının (bir helyum atomunun çekirdeği) yayıldığı, bu nedenle çekirdeğin yükünün 2 azaldığı (periyodik tabloda iki hücre sola kayma) bilinmektedir. ve kütle numarası 4 azalıyor, bu da yeni elementin hangi izotopunun oluştuğunu tahmin etmemizi sağlıyor. Bir örnek, radonun -bozunması olabilir:  + .  bozunması sırasında ise tam tersine çekirdekteki proton sayısı bir artar ancak çekirdeğin kütlesi değişmez ( santimetre. RADYOAKTİVİTE), yani. element tablosunda bir hücre sağa doğru kayma vardır. Radondan oluşan polonyumun birbirini takip eden iki dönüşümü buna bir örnektir:   . Böylece, eğer "çatalları" hesaba katmazsak, örneğin radyum-226'nın bozunması sonucu kaç tane alfa ve beta parçacığının yayıldığını hesaplamak mümkündür (bkz. uranyum serisi). İlk nüklid, son nüklid - . Kütledeki azalma (daha doğrusu kütle numarası yani çekirdekteki proton ve nötronların toplam sayısı) 226 – 206 = 20'ye eşit olduğundan 20/4 = 5 alfa parçacığı yayıldı. Bu parçacıklar 10 proton taşıyordu ve eğer  bozunması olmasaydı, son bozunma ürününün nükleer yükü 88 - 10 = 78'e eşit olurdu. Aslında, son üründe 82 proton var, dolayısıyla dönüşümler sırasında 4 nötron protona dönüştü ve 4  parçacığı yayıldı.

Çoğu zaman, bir -bozunmasını iki -bozunumu takip eder ve böylece ortaya çıkan element, orijinal elementin daha hafif bir izotopu formunda elementler tablosunun orijinal hücresine geri döner. Bu gerçekler sayesinde, D.I. Mendeleev'in periyodik yasasının, elementlerin özellikleri ile çekirdeklerinin yükü arasındaki ilişkiyi yansıttığı ve kütlelerini değil (ilk olarak atomun yapısı bilinmediğinde formüle edildiği gibi) ortaya çıktı.

Radyoaktif yer değiştirme yasası nihayet 1913'te birçok bilim adamının özenli araştırmaları sonucunda formüle edildi. Bunların arasında Soddy'nin asistanı Alexander Fleck, Soddy'nin stajyeri A.S. Russell, 1911-1913'te Manchester Üniversitesi'nde Rutherford'la birlikte çalışan Macar fiziksel kimyager ve radyokimyacı György Hevesy ve Alman (ve daha sonra Amerikalı) fiziksel kimyager Casimir Fajans vardı. 1887–1975). Bu yasaya genellikle Soddy-Faience yasası denir.

Elementlerin yapay dönüşümü ve yapay radyoaktivite. Becquerel'in zamanından bu yana, radyoaktif bileşiklerin yakınında bulunan en sıradan maddelerin az çok radyoaktif hale geldiği fark edildi. Rutherford buna "uyarılmış aktivite" adını verdi, Curie'ler ise buna "uyarılmış aktivite" adını verdi, ancak uzun bir süre kimse bu olgunun özünü açıklayamadı.

1919'da Rutherford, alfa parçacıklarının çeşitli maddelerden geçişini inceledi. Hızlı uçan  parçacıkları hafif elementlerin çekirdeklerine çarptığında, örneğin nitrojen, hızlı uçan protonların (hidrojen çekirdekleri) ara sıra bunlardan dışarı atılabileceği,  parçacığının kendisinin ise çekirdeğin bir parçası haline geldiği ortaya çıktı. , bu da yükünü bir kat artırır. Böylece +  + reaksiyonunun bir sonucu olarak, nitrojen - oksijenden (ağır izotopu) başka bir kimyasal element oluşur. Bu, bir elementin diğerine dönüştürülmesinin yapay olarak gerçekleştirilen ilk reaksiyonuydu. Diğer tüm nükleer süreçlerde olduğu gibi bunda da hem toplam yük (abonelikler) hem de kütle numarası korunur; toplam proton ve nötron sayısı (üst simgeler).

Simyacıların asırlık rüyası gerçek oldu: Rutherford'un zamanında kimse bu beceriden pratik bir sonuç beklemese de insan bazı elementleri diğerlerine dönüştürmeyi öğrendi. Aslında, a-parçacıklarını elde etmek için bunların kaynağına, örneğin bir radyum preparatına sahip olmak gerekiyordu. Daha da kötüsü, nitrojene salınan her milyon α parçacığına karşılık ortalama olarak yalnızca 20 oksijen atomu elde ediliyordu.

Zamanla başka nükleer reaksiyonlar da gerçekleştirildi ve birçoğu pratik kullanım alanı buldu. Nisan 1932'de İngiliz Bilimler Akademisi'nin (Kraliyet Topluluğu) bir toplantısında Rutherford, laboratuvarının hafif elementlerin (örneğin lityum) protonlarla bölünmesi reaksiyonlarını başarıyla gerçekleştirdiğini duyurdu. Bunun için hidrojenden elde edilen protonlar, onlarca, hatta yüzbinlerce volta eşit yüksek voltajlar kullanılarak hızlandırıldı. Alfa parçacıklarına göre daha küçük yük ve kütleye sahip olan protonlar çekirdeğe daha kolay nüfuz eder. Kendini lityum-7 çekirdeğine sokan proton, onu bir berilyum-8 çekirdeğine dönüştürür, bu da neredeyse anında aşırı enerjiyi "boşaltır" ve iki  parçacığına ayrılır: +  ()  2. Hafif bir izotop alırsak lityum (doğal lityumda% 7,5'tir), daha sonra iki helyum izotopunun çekirdeği oluşur: +  ()  + . Oksijen protonlarıyla bombardıman edildiğinde flor elde edildi: +  +; alüminyum – magnezyum bombardımanı sırasında: + + .

Ağır hidrojen izotopu döteryumun çekirdeği olan döteryumların yüksek hızlara hızlandırılmasıyla birçok farklı dönüşüm gerçekleştirildi. Böylece +  + reaksiyonu sırasında ilk kez süper ağır hidrojen – trityum – üretildi. İki döteronun çarpışması farklı şekilde ilerleyebilir: +  +, bu süreçler kontrollü bir termonükleer reaksiyon olasılığını incelemek için önemlidir. +  ()  2 reaksiyonunun önemli olduğu ortaya çıktı, çünkü zaten nispeten düşük bir döteron enerjisinde (0,16 MeV) meydana geliyor ve buna devasa bir enerji - 22,7 MeV salınımı eşlik ediyor (1 MeV = 10 6 eV'yi hatırlayın) ve 1 eV = 96,5 kJ/mol).

Berilyumun -parçacıkları ile bombardımanı sırasında oluşan reaksiyon büyük pratik önem kazanmıştır: +  ()  +, 1932'de nötr nötron parçacığının keşfine yol açmıştır ve radyum-berilyum nötron kaynaklarının çok uygun olduğu ortaya çıkmıştır. bilimsel araştırma için. +  + reaksiyonları sonucunda farklı enerjilere sahip nötronlar da elde edilebilir; +  + ; +  + . Yüksüz nötronlar özellikle atom çekirdeğine kolayca nüfuz eder ve hem ateşlenen nüklide hem de nötronların hızına (enerjisine) bağlı olarak çeşitli işlemlere neden olur. Böylece, yavaş bir nötron basitçe çekirdek tarafından yakalanabilir ve çekirdek, bir gama kuantumu yayarak aşırı enerjinin bir kısmını serbest bırakır, örneğin: +  + . Bu reaksiyon, uranyumun fisyon reaksiyonunu kontrol etmek için nükleer reaktörlerde yaygın olarak kullanılır: reaksiyonu yavaşlatmak için kadmiyum çubukları veya plakaları nükleer kazanın içine itilir.

1934'te eşler Irene ve Frederic Joliot-Curie önemli bir keşifte bulundular. Bazı hafif elementleri alfa parçacıklarıyla bombaladıktan sonra (polonyum bunları yaydı), berilyum için zaten bilinene benzer bir reaksiyon beklediler; nötronları yok etmek, örneğin:

Eğer konu bu dönüşümlerle sınırlı olsaydı, -ışınlaması durdurulduktan sonra nötron akışının hemen kuruması gerekirdi, dolayısıyla polonyum kaynağını ortadan kaldırdıktan sonra tüm aktivitenin durmasını beklediler, ancak parçacık sayacının devam ettiğini buldular. Üstel yasaya tam olarak uygun olarak, yavaş yavaş sönen darbeleri kaydedin. Bu sadece tek bir şekilde yorumlanabilir: alfa ışınımının bir sonucu olarak, nitrojen-13 için 10 dakikalık ve fosfor-30 için 2,5 dakikalık karakteristik yarı ömre sahip, önceden bilinmeyen radyoaktif elementler ortaya çıktı. Bu elementlerin pozitron bozunumuna uğradığı ortaya çıktı:  + e + ,  + e + . Üç kararlı doğal izotopla temsil edilen magnezyum ile ilginç sonuçlar elde edildi ve -ışınlaması üzerine hepsinin, 227- veya pozitron bozunmasına uğrayan radyoaktif silikon veya alüminyum nüklidleri ürettiği ortaya çıktı:

Yapay radyoaktif elementlerin üretimi, belirli bir amaca uygun yarı ömre sahip radyonüklidlerin ve belirli bir güçte istenilen radyasyon tipinin sentezine olanak tanıdığından büyük pratik öneme sahiptir. Nötronları “mermi” olarak kullanmak özellikle uygundur. Bir nötronun bir çekirdek tarafından yakalanması çoğu zaman onu o kadar kararsız hale getirir ki, yeni çekirdek radyoaktif hale gelir. “Fazladan” nötronun protona dönüşmesi yani 227 radyasyonu sayesinde kararlı hale gelebilir; Bu tür pek çok reaksiyon bilinmektedir, örneğin: +   + e. Atmosferin üst katmanlarında meydana gelen radyokarbon oluşumunun reaksiyonu çok önemlidir: +  + ( santimetre. RADYOKARBON ANALİZ YÖNTEMİ). Trityum, yavaş nötronların lityum-6 çekirdekleri tarafından emilmesiyle sentezlenir. Hızlı nötronların etkisi altında birçok nükleer dönüşüm gerçekleştirilebilir, örneğin: +  + ; +  + ; +  + . Böylece, sıradan kobaltın nötronlarla ışınlanmasıyla, güçlü bir gama radyasyonu kaynağı olan radyoaktif kobalt-60 elde edilir (60 Co - uyarılmış çekirdeğin bozunma ürünü tarafından salınır). Bazı transuranyum elementleri nötronlarla ışınlama yoluyla üretilir. Örneğin, doğal uranyum-238'den ilk önce kararsız uranyum-239 oluşur ve bu  bozunması sırasında ( T 1/2 = 23,5 dak) ilk transuranyum elementi neptunyum-239'a dönüşür ve o da -bozunması yoluyla ( T 1/2 = 2,3 gün) çok önemli, silah kalitesinde plütonyum-239'a dönüşüyor.

Gerekli nükleer reaksiyonu gerçekleştirerek yapay olarak altın elde etmek ve böylece simyacıların yapamadığını başarmak mümkün müdür? Teorik olarak bunun önünde hiçbir engel yoktur. Üstelik böyle bir sentez zaten yapılmış ama zenginlik getirmemiş. Yapay olarak altın üretmenin en kolay yolu, periyodik tabloda altından sonra gelen element olan cıvayı nötron akışıyla ışınlamak olacaktır. Daha sonra +  + reaksiyonu sonucunda bir nötron, cıva atomundan bir protonu çıkararak onu altın atomuna dönüştürecektir. Bu reaksiyon belirli kütle numaralarını göstermez ( A) cıva ve altın nüklidleri. Doğadaki altın tek kararlı nükliddir ve doğal cıva da izotopların karmaşık bir karışımıdır. A= 196 (%0,15), 198 (%9,97), 199 (%1,87), 200 (%23,10), 201 (%13,18), 202 (%29,86) ve 204 (%6,87). Sonuç olarak, yukarıdaki şemaya göre yalnızca kararsız radyoaktif altın elde edilebilir. 1941'in başlarında Harvard Üniversitesi'nden bir grup Amerikalı kimyager tarafından, hızlı nötron akışıyla cıva ışınlanarak elde edildi. Birkaç gün sonra, ortaya çıkan tüm radyoaktif altının izotopları, beta bozunması yoluyla yeniden cıvanın orijinal izotoplarına dönüştü...

Ancak başka bir yol daha var: Cıva-196 atomları yavaş nötronlarla ışınlanırsa cıva-197 atomlarına dönüşeceklerdir: +  + . Yarı ömrü 2,7 gün olan bu atomlar, elektron yakalamaya uğrar ve sonunda kararlı altın atomlarına dönüşür: + e  . Bu dönüşüm 1947'de Chicago'daki Ulusal Laboratuvar çalışanları tarafından gerçekleştirildi. 100 mg cıvayı yavaş nötronlarla ışınlayarak 0,035 mg 197Au elde ettiler. Tüm cıvaya göre verim çok küçüktür - yalnızca %0,035, ancak 196Hg'ye göre %24'e ulaşır! Bununla birlikte, doğal cıvadaki 196 Hg izotop en azıdır, ayrıca ışınlama işleminin kendisi ve süresi (ışınlama birkaç yıl sürecektir) ve karmaşık bir karışımdan stabil "sentetik altının" izolasyonu, çok daha pahalıya mal olacaktır. altının en fakir cevherden izolasyonu ( Ayrıca bakınız ALTIN). Dolayısıyla altının yapay üretimi yalnızca teorik açıdan ilgi çekicidir.

Radyoaktif dönüşümlerin niceliksel modelleri. Belirli bir kararsız çekirdeğin izini sürmek mümkün olsaydı, onun ne zaman bozunacağını tahmin etmek imkânsız olurdu. Bu rastgele bir süreçtir ve yalnızca belirli durumlarda, belirli bir süre boyunca bozulma olasılığı değerlendirilebilir. Bununla birlikte, mikroskop altında neredeyse görülemeyen en küçük toz zerresi bile çok sayıda atom içerir ve eğer bu atomlar radyoaktifse, o zaman onların bozunması katı matematik yasalarına uyar: çok sayıda nesnenin karakteristik istatistiksel yasaları yürürlüğe girer. . Ve sonra her radyonüklid çok özel bir değerle karakterize edilebilir - yarı ömür ( T 1/2), mevcut çekirdek sayısının yarısının bozunduğu süredir. Eğer ilk anda olsaydı N 0 çekirdek, ardından bir süre sonra T = T 1/2'si kalacak N 0/2, saat T = 2T 1/2 kalacak N 0/4 = N 0/2 2 , saat T = 3T 1/2 – N 0/8 = N 0/2 3 vb. Genel olarak ne zaman T = hayır 1/2 kalacak N 0/2 Nçekirdekler, nerede N = T/T 1/2 yarı ömürlerin sayısıdır (tam sayı olması gerekmez). Formülün olduğunu göstermek kolaydır N = N 0/2 T / T 1/2 formüle eşdeğerdir N = N 0e –   T, burada  bozunum sabiti olarak adlandırılır. Resmi olarak, bozunma oranı d arasındaki orantılılık katsayısı olarak tanımlanır. N/D T ve mevcut çekirdek sayısı: d N/D T = –N(eksi işareti şunu gösterir: N zamanla azalır). Bu diferansiyel denklemin entegrasyonu, çekirdek sayısının zamana göre üstel bağımlılığını verir. Bu formülde yerine koyma N = N 0/2 saat T = T 1/2, bozunum sabitinin yarı ömürle ters orantılı olduğunu elde ederiz:  = ln2/ T 1/2 = 0,693/T 1/2.  = 1/ değerine çekirdeğin ortalama ömrü denir. Örneğin 226 Ra için T 1/2 = 1600 yıl,  = 1109 yıl.

Verilen formüllere göre değerini bilmek T 1/2 (veya ), herhangi bir süre sonra radyonüklid miktarını hesaplamak kolaydır ve radyonüklid miktarı zamanın farklı noktalarında biliniyorsa, bunlardan yarı ömrü hesaplayabilirsiniz. Çekirdek sayısı yerine, formülde mevcut çekirdek sayısıyla doğru orantılı olan radyasyon aktivitesini kullanabilirsiniz. N. Etkinlik genellikle numunedeki toplam bozulma sayısıyla değil, cihaz ölçüm etkinliği tarafından kaydedilen, bununla orantılı darbe sayısıyla karakterize edilir. Örneğin 1 gram radyoaktif madde varsa yarı ömrü ne kadar kısa olursa madde o kadar aktif olur.

Diğer matematik yasaları az sayıda radyonüklitlerin davranışını tanımlar. Burada yalnızca belirli bir olayın olasılığından bahsedebiliriz. Örneğin, bir radyonüklidin bir atomu (daha kesin olarak bir çekirdeği) olsun. T 1/2 = 1 dk. Bu atomun 1 dakika yaşama olasılığı 1/2 (%50), 2 dakika - 1/4 (%25), 3 dakika - 1/8 (%12,5), 10 dakika - (1/2) 10 = 1/10 24 (%0,1), 20 dk – (1/2) 20 = 1/1048576 (%0,00001). Tek bir atom için bu şans ihmal edilebilir düzeydedir, ancak çok sayıda atom (örneğin birkaç milyar) olduğunda, bunların çoğu şüphesiz 20 yarılanma ömrüne veya daha fazlasına sahip olacaktır. Bir atomun belirli bir süre içinde bozunma olasılığı, elde edilen değerlerin 100'den çıkarılmasıyla elde edilir. Yani bir atomun 2 dakika hayatta kalma olasılığı %25 ise, aynı atomun bu süre içinde bozunma olasılığı da %25'tir. süre 100 - 25 = %75, 3 dakika içinde parçalanma olasılığı - %87,5, 10 dakika içinde - %99,9 vb.

Birkaç kararsız atom varsa formül daha karmaşık hale gelir. Bu durumda bir olayın istatistiksel olasılığı binom katsayılı bir formülle tanımlanır. eğer oradaysa N atomlar ve bunlardan birinin zamanla bozunma olasılığı T eşittir P, o zaman bu zaman zarfındaki olasılık T itibaren N atomlar çürüyecek N(ve buna göre kalacak N – N), eşittir P = N!P N (1–P) N – N /(N–N)!N! Atomları kelimenin tam anlamıyla ayrı ayrı elde edilen yeni kararsız elementlerin sentezinde de benzer formüllerin kullanılması gerekir (örneğin, bir grup Amerikalı bilim adamı 1955'te yeni Mendelevyum elementini keşfettiğinde, onu yalnızca 17 atom miktarında elde ettiler) ).

Modern fiziksel bilginin gelişimindeki en önemli aşamalardan biriydi. Bilim adamları en küçük parçacıkların yapısına ilişkin doğru sonuçlara hemen varamadılar. Ve çok daha sonra başka yasalar keşfedildi - örneğin, mikropartiküllerin hareket yasaları ve ayrıca radyoaktif bozunma sırasında meydana gelen atom çekirdeklerinin dönüşümünün özellikleri.

Rutherford'un deneyleri

Atom çekirdeğinin radyoaktif dönüşümleri ilk olarak İngiliz araştırmacı Rutherford tarafından incelenmiştir. O zaman bile, elektronların nükleonlardan yüzlerce kat daha hafif olması nedeniyle atomun kütlesinin büyük kısmının çekirdeğinde olduğu açıktı. Rutherford, 1906'da çekirdeğin içindeki pozitif yükü incelemek için atomu alfa parçacıklarıyla incelemeyi önerdi. Bu tür parçacıklar, radyumun ve diğer bazı maddelerin bozunması sırasında ortaya çıktı. Rutherford, deneyleri sırasında atomun yapısını anladı ve buna "gezegen modeli" adı verildi.

Radyoaktivitenin ilk gözlemleri

1985 yılında argon gazını keşfiyle tanınan İngiliz araştırmacı W. Ramsay ilginç bir keşifte bulundu. Kleveit adı verilen bir mineralde helyum gazını keşfetti. Daha sonra diğer minerallerde de büyük miktarlarda helyum bulundu, ancak yalnızca toryum ve uranyum içerenlerde.

Bu araştırmacıya çok tuhaf geldi: Minerallerdeki gaz nereden gelebilir? Ancak Rutherford radyoaktivitenin doğasını incelemeye başladığında helyumun radyoaktif bozunmanın bir ürünü olduğu ortaya çıktı. Bazı kimyasal elementler tamamen yeni özelliklere sahip diğerlerini “doğurur”. Ve bu gerçek, o zamanın kimyagerlerinin önceki tüm deneyimleriyle çelişiyordu.

Frederick Soddy'nin gözlemi

Bilim adamı Frederick Soddy, Rutherford'la birlikte araştırmaya doğrudan dahil oldu. Kendisi bir kimyagerdi ve bu nedenle tüm çalışmaları kimyasal elementlerin özelliklerine göre tanımlanmasıyla ilgiliydi. Aslında atom çekirdeklerinin radyoaktif dönüşümleri ilk kez Soddy tarafından fark edilmiştir. Rutherford'un deneylerinde kullandığı alfa parçacıklarının ne olduğunu bulmayı başardı. Bilim adamları ölçümler yaptıktan sonra bir alfa parçacığının kütlesinin 4 atomik kütle birimi olduğunu buldular. Belirli sayıda alfa parçacığını biriktiren araştırmacılar, bunların yeni bir maddeye, helyuma dönüştüğünü keşfettiler. Bu gazın özellikleri Soddy tarafından iyi biliniyordu. Dolayısıyla alfa parçacıklarının dışarıdan elektronları yakalayıp nötr helyum atomlarına dönüşebildiğini savundu.

Atom çekirdeğindeki değişiklikler

Daha sonraki çalışmalar atom çekirdeğinin özelliklerini tanımlamayı amaçladı. Bilim adamları, tüm dönüşümlerin elektronlarla veya elektron kabuğuyla değil, doğrudan çekirdeklerle gerçekleştiğini fark etti. Bazı maddelerin diğerlerine dönüşümüne katkıda bulunan atom çekirdeklerinin radyoaktif dönüşümleriydi. O zamanlar bu dönüşümlerin özellikleri bilim adamları tarafından hâlâ bilinmiyordu. Ancak bir şey açıktı: Sonuç olarak, bir şekilde yeni kimyasal elementler ortaya çıktı.

Bilim adamları ilk kez radyumun radona dönüştürülmesi sürecinde böyle bir metamorfoz zincirinin izini sürmeyi başardılar. Özel radyasyonun eşlik ettiği bu tür dönüşümlerle sonuçlanan reaksiyonlara araştırmacılar tarafından nükleer adı verildi. Tüm bu süreçlerin tam olarak atomun çekirdeğinde gerçekleştiğinden emin olan bilim adamları, yalnızca radyumun yanı sıra diğer maddeleri de incelemeye başladılar.

Açık radyasyon türleri

Bu tür soruların cevaplarını gerektirebilecek ana disiplin fiziktir (9. sınıf). Atom çekirdeğinin radyoaktif dönüşümleri dersine dahildir. Rutherford, uranyum radyasyonunun nüfuz etme gücü üzerine deneyler yaparken iki tür radyasyon veya radyoaktif dönüşüm keşfetti. Daha az nüfuz eden türe alfa radyasyonu adı verildi. Daha sonra beta radyasyonu da araştırıldı. Gama radyasyonu ilk olarak 1900 yılında Paul Villard tarafından incelenmiştir. Bilim adamları radyoaktivite olgusunun atom çekirdeğinin bozunması ile ilişkili olduğunu gösterdi. Böylece atomun bölünmez bir parçacık olduğu yönündeki daha önce hakim olan fikirlere ezici bir darbe indirildi.

Atom çekirdeğinin radyoaktif dönüşümleri: ana tipler

Artık radyoaktif bozunma sırasında üç tür dönüşümün meydana geldiğine inanılmaktadır: alfa bozunması, beta bozunması ve elektron yakalama, diğer adıyla K-yakalama. Alfa bozunması sırasında, helyum atomunun çekirdeği olan çekirdekten bir alfa parçacığı yayılır. Radyoaktif çekirdeğin kendisi daha düşük elektrik yüküne sahip olana dönüştürülür. Alfa bozunması, periyodik tablonun son sıralarında yer alan maddelerin karakteristiğidir. Beta bozunması aynı zamanda atom çekirdeğinin radyoaktif dönüşümlerine de dahildir. Bu tip atom çekirdeğinin bileşimi de değişir: nötrinoları veya antinötrinoları, elektronları ve pozitronları kaybeder.

Bu tür bozulmaya kısa dalga elektromanyetik radyasyon eşlik eder. Elektron yakalamada, bir atomun çekirdeği yakındaki elektronlardan birini emer. Bu durumda berilyum çekirdeği lityum çekirdeğine dönüşebilir. Bu tür, 1938'de atom çekirdeklerinin radyoaktif dönüşümlerini de inceleyen Alvarez adlı Amerikalı bir fizikçi tarafından keşfedildi. Araştırmacıların bu tür süreçleri yakalamaya çalıştığı fotoğraflar, incelenen parçacıkların boyutunun küçük olması nedeniyle bulanık buluta benzer görüntüler içeriyor.

1900 yılında Rutherford, İngiliz radyokimyacı Frederick Soddy'ye gizemli Thoron'dan bahsetti. Soddy, toron'un birkaç yıl önce havada keşfedilen argona benzer bir inert gaz olduğunu kanıtladı; radonun izotoplarından biriydi, 220 Rn. Daha sonra ortaya çıktığı gibi, radyumun yayılması, radonun başka bir izotopu olduğu ortaya çıktı - 222 Rn (yarı ömür) T 1/2 = 3,825 gün) ve aktinyumun yayılması aynı elementin kısa ömürlü bir izotopudur: 219 Rn ( T 1/2 = 4 sn). Dahası, Rutherford ve Soddy, toryumun dönüşüm ürünlerinden özellikleri bakımından toryumdan farklı, uçucu olmayan yeni bir element izole etti. Toryum X olarak adlandırıldı (daha sonra radyum 224 Ra c'nin bir izotopu olduğu tespit edildi) T 1/2 = 3,66 gün). Anlaşıldığı üzere, "toryum yayılımı" orijinal toryumdan değil, tam olarak toryum X'ten salınıyor. Benzer örnekler çoğaldı: Başlangıçta kimyasal olarak iyice saflaştırılmış uranyum veya toryumda, zamanla radyoaktif elementlerin bir karışımı ortaya çıktı ve bundan gazlı olanlar da dahil olmak üzere yeni radyoaktif elementler elde edildi. Böylece birçok radyoaktif ilaçtan salınan a-partikülleri, 1860'ların sonunda Güneş'te (spektral yöntem) keşfedilen ve 1882'de bazı kayalarda keşfedilen helyuma benzer bir gaza dönüştü.

Ortak çalışmalarının sonuçları Rutherford ve Soddy tarafından 1902-1903'te Philosophical Magazine'deki bir dizi makalede yayınlandı. Bu makalelerde, elde edilen sonuçları analiz eden yazarlar, bazı kimyasal elementleri diğerlerine dönüştürmenin mümkün olduğu sonucuna varmışlardır. Şöyle yazdılar: “Radyoaktivite, yeni madde türlerinin doğduğu kimyasal değişikliklerin eşlik ettiği atomik bir olgudur... Radyoaktivite, atom içi kimyasal bir sürecin bir tezahürü olarak düşünülmelidir... Radyasyon, atomların dönüşümüne eşlik eder.. Atomik dönüşüm sonucunda, fiziksel ve kimyasal özellikleri orijinal maddeden tamamen farklı, tamamen yeni bir madde türü oluşur."

O zamanlar bu sonuçlar çok cesurdu; Curie'ler de dahil olmak üzere diğer önde gelen bilim adamları, benzer olayları gözlemlemiş olsalar da, bunları en başından beri orijinal maddede "yeni" elementlerin varlığıyla açıkladılar (örneğin, Curie, içerdiği polonyum ve radyumu uranyum cevherinden izole etti). Yine de Rutherford ve Soddy haklı çıktı: radyoaktiviteye bazı elementlerin diğerlerine dönüşümü eşlik ediyor

Sarsılmaz olan çöküyormuş gibi görünüyordu: Atomların değişmezliği ve bölünemezliği, çünkü Boyle ve Lavoisier'nin zamanından beri kimyagerler kimyasal elementlerin (o zamanlar dedikleri gibi "basit cisimler", yapı taşları) ayrıştırılamaz olduğu sonucuna varmışlardı. evrenin), birbirlerine dönüşmelerinin imkansızlığı hakkında. O zamanın bilim adamlarının kafasında neler olup bittiği, muhtemelen simyacıların yüzyıllardır bahsettiği elementlerin "dönüştürülmesi" olasılığının uyumlu sistemi yok edeceğini düşünen D.I. Mendeleev'in ifadeleriyle açıkça kanıtlanıyor. yarattığı ve dünya çapında tanınan kimyasal elementler. 1906'da yayınlanan bir ders kitabında Kimyanın Temellerişöyle yazdı: “... (tümevarımsal bilginin sert ama verimli disiplini temelinde) bazı öğelerin varsayımsal olarak birbirine dönüştürülebilirliğini bile kabul etmeye hiç meyilli değilim ve uranyumdan argon veya radyoaktif maddeler veya tam tersi.

Mendeleev'in bazı kimyasal elementleri diğerlerine dönüştürmenin imkansızlığı konusundaki görüşlerinin yanlışlığını zaman gösterdi; aynı zamanda ana keşfinin - periyodik yasanın - dokunulmazlığını da doğruladı. Fizikçilerin ve kimyagerlerin daha sonraki çalışmaları, hangi durumlarda bazı elementlerin diğerlerine dönüşebildiğini ve bu dönüşümleri hangi doğa yasalarının yönettiğini gösterdi.

Elementlerin dönüşümleri. Radyoaktif seri.

20. yüzyılın ilk yirmi yılı boyunca. Birçok fizikçinin ve radyokimyacının çalışmaları sayesinde birçok radyoaktif element keşfedildi. Dönüşümlerinin ürünlerinin çoğunlukla radyoaktif olduğu ve bazen oldukça karmaşık başka dönüşümlere uğradığı yavaş yavaş ortaya çıktı. Bir radyonüklidin diğerine dönüşme sırasının bilinmesi, doğal radyoaktif serilerin (veya radyoaktif ailelerin) oluşturulmasını mümkün kılmıştır. Bunlardan üç tane vardı ve bunlara uranyum sırası, aktinyum sırası ve toryum sırası deniyordu. Bu üç seri, ağır doğal elementlerden kaynaklanmıştır - 18. yüzyıldan beri bilinen uranyum ve 1828'de keşfedilen toryum (kararsız aktinyum, aktinyum serisinin atası değil, ara üyesidir). Daha sonra, 1940 yılında yapay olarak elde edilen 93 numaralı ilk transuranyum elementi olan neptunyumdan başlayarak, bunlara neptunyum serisi eklendi. Dönüşümlerinin birçok ürünü aynı zamanda orijinal unsurların adını aldı ve aşağıdaki şemalar yazıldı:

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

Deniz anemonu serisi: AcU ® UY ® Pa ® Ac ® AcK ® AcX ® An ® AcA ® AcB ® AcC ® AcC"" ® AcD.

Toryum serisi: Th ® MsTh1 ® MsTh2 ® RdTh ® ThХ ® Them ® ThA ® ThB ® ThC ® ThC" ® ThD.

Anlaşıldığı üzere, bu sıralar her zaman "düz" zincirler değildir: zaman zaman dallara ayrılırlar. Yani %0,15 olasılıkla UX2 UZ'a dönüşebilir, daha sonra UII'ye geçer. Benzer şekilde, ThC iki şekilde bozunabilir: ThC ® ThC" dönüşümü %66,3 oranında gerçekleşir ve aynı zamanda %33,7 olasılıkla ThC ® ThC"" ® ThD süreci de meydana gelir. Bunlar, "çatal" olarak adlandırılan, bir radyonüklidin farklı ürünlere paralel dönüşümü Bu serideki radyoaktif dönüşümlerin doğru sırasını oluşturmanın zorluğu, aynı zamanda birçok üyesinin, özellikle de beta-aktif olanların ömrünün çok kısa olmasıyla da ilişkilendirildi.

Bir zamanlar, radyoaktif serinin her yeni üyesi yeni bir radyoaktif element olarak kabul ediliyordu ve fizikçiler ve radyokimyacılar buna kendi isimlerini verdiler: iyonyum Io, mezotoryum-1 MsTh1, aktinouranyum AcU, toryum yayılımı Them, vb. ve benzeri. Bu tanımlamalar hantal ve sakıncalıdır; net bir sistemleri yoktur. Ancak bunlardan bazıları hala bazen geleneksel olarak özel literatürde kullanılmaktadır. Zamanla, tüm bu sembollerin sıradan kimyasal elementlerin - radyonüklitlerin kararsız atom çeşitlerine (daha doğrusu çekirdeklere) atıfta bulunduğu ortaya çıktı. Kimyasal olarak ayrılamayan, ancak yarı ömürleri (ve genellikle bozunma türleri) bakımından farklı olan elementleri ayırt etmek için, 1913'te F. Soddy onlara izotop adını vermeyi önerdi.

Serinin her bir üyesini bilinen kimyasal elementlerin izotoplarından birine atadıktan sonra, uranyum serisinin uranyum-238 ile başladığı anlaşıldı ( T 1/2 = 4,47 milyar yıl) ve kararlı kurşun-206 ile biter; Bu serinin üyelerinden biri çok önemli bir element olan radyum olduğundan bu seriye uranyum-radyum serisi de denir. Aktinyum serisi (diğer adı aktinouranyum serisidir) de doğal uranyumdan kaynaklanır, ancak diğer izotopundan - 235 U ( T 1/2 = 794 milyon yıl). Toryum serisi 232 Th nüklidi ile başlar ( T 1/2 = 14 milyar yıl). Son olarak, doğada bulunmayan neptunyum serisi, yapay olarak elde edilen en uzun ömürlü neptunyum izotopuyla başlar: 237 Np ® 233 Pa ® 233 U ® 229 Th ® 225 Ra ® 225 Ac ® 221 Fr ® 217 At ® 213 Bi ® 213 Po ® 209 Pb ® 209 Bi. Bu seride bir de “çatal” var: 213 Bi %2 olasılıkla 209 Tl’ye dönüşebiliyor ki o da zaten 209 Pb’ye dönüşüyor. Neptunyum serisinin daha ilginç bir özelliği, gaz halindeki "yayılmaların" olmaması ve serinin son üyesi olan kurşun yerine bizmuttur. Bu yapay serinin atasının yarı ömrü "sadece" 2,14 milyon yıldır, dolayısıyla neptunyum, Güneş sisteminin oluşumu sırasında mevcut olsaydı bile bugüne kadar "hayatta kalamazdı" çünkü Dünyanın yaşının 4,6 milyar yıl olduğu tahmin ediliyor ve bu süre zarfında (2000'den fazla yarı ömür) neptunyumdan tek bir atom bile kalmayacaktı.

1915'te F. Soddy, Seylan minerali toritinden (ThSiO 4) toryumun çürümesinden oluşan kurşunu izole ettiğinde, atom kütlesinin 207.77'ye eşit olduğu, yani "sıradan" kurşununkinden (207.2) daha fazla olduğu ortaya çıktı. Bu, “teorik” (208)'den farklılığı, toritin kurşun-206 üreten bir miktar uranyum içermesiyle açıklanmaktadır. Atom kütlelerinin ölçümü alanında otorite olan Amerikalı kimyager Theodore William Richards, toryum içermeyen bazı uranyum minerallerinden kurşunu izole ettiğinde atom kütlesinin neredeyse tam olarak 206 olduğu ortaya çıktı. Bu kurşunun yoğunluğu da biraz daha azdı. ve hesaplanana karşılık geldi: r ( Pb) ґ 206/207,2 = 0,994r (Pb), burada r (Pb) = 11,34 g/cm3. Bu sonuçlar, diğer bazı elementler gibi kurşun için de atom kütlesini çok yüksek doğrulukla ölçmenin neden bir anlamı olmadığını açıkça göstermektedir: farklı yerlerden alınan numuneler biraz farklı sonuçlar verecektir ( santimetre. KARBON BİRİMİ).

Yer değiştirme kanunu.

Herhangi bir radyoaktif serinin üyeleri periyodik element tablosu üzerinde sıralı olarak işaretlenirse, bu serideki radyonüklitlerin ana elementten (uranyum, toryum veya neptunyum) kurşun veya bizmut'a düzgün bir şekilde geçmediği, ancak "sıçradığı" ortaya çıkar. sağa ve sonra sola. Böylece, uranyum serisinde, iki kararsız kurşun izotopu (element No. 82), bizmut izotoplarına (element No. 83), sonra polonyum izotoplarına (element No. 84) ve sonra tekrar kurşun izotoplarına dönüştürülür. . Sonuç olarak, radyoaktif element sıklıkla element tablosunun aynı hücresine geri döner, ancak farklı kütleye sahip bir izotop oluşur. F. Soddy'nin 1911'de fark ettiği bu "sıçramalarda" belli bir model olduğu ortaya çıktı.

Artık bir bozunma sırasında çekirdekten bir a parçacığının (bir helyum atomunun çekirdeği) yayıldığı, dolayısıyla çekirdeğin yükünün 2 azaldığı (periyodik tablodaki iki hücrenin solda) ve kütle numarası 4 azalıyor, bu da yeni elementin hangi izotopunun oluştuğunu tahmin etmemizi sağlıyor. Radonun bozunumu buna bir örnektir: ® + . B-bozunmasında ise tam tersine çekirdekteki proton sayısı bir artar ancak çekirdeğin kütlesi değişmez ( santimetre. RADYOAKTİVİTE), yani. element tablosunda bir hücre sağa doğru kayma vardır. Bir örnek, radondan oluşan polonyumun birbirini takip eden iki dönüşümüdür: ® ®. Böylece, eğer "çatalları" hesaba katmazsak, örneğin radyum-226'nın bozunması sonucu kaç tane alfa ve beta parçacığının yayıldığını hesaplamak mümkündür (bkz. uranyum serisi). İlk nüklid, son nüklid - . Kütledeki azalma (daha doğrusu kütle numarası yani çekirdekteki proton ve nötronların toplam sayısı) 226 – 206 = 20'ye eşit olduğundan 20/4 = 5 alfa parçacığı yayıldı. Bu parçacıklar 10 proton taşıyordu ve eğer b-bozunması olmasaydı, son bozunma ürününün nükleer yükü 88 - 10 = 78'e eşit olurdu. Aslında, son üründe 82 proton var, dolayısıyla bozunma sırasında Dönüşümler sonucunda 4 nötron protona dönüştü ve 4 b parçacığı yayıldı.

Çoğu zaman, bir a-bozunmasını iki b-bozunumu takip eder ve böylece ortaya çıkan element, orijinal elementin daha hafif bir izotopu formunda elementler tablosunun orijinal hücresine geri döner. Bu gerçekler sayesinde, D.I. Mendeleev'in periyodik yasasının, elementlerin özellikleri ile çekirdeklerinin yükü arasındaki ilişkiyi yansıttığı ve kütlelerini değil (ilk olarak atomun yapısı bilinmediğinde formüle edildiği gibi) ortaya çıktı.

Elementlerin yapay dönüşümü ve yapay radyoaktivite.

Ağır hidrojen izotopu döteryumun çekirdeği olan döteryumların yüksek hızlara hızlandırılmasıyla birçok farklı dönüşüm gerçekleştirildi. Böylece + ® + reaksiyonu sırasında ilk kez süper ağır hidrojen - trityum üretildi. İki döteronun çarpışması farklı şekilde ilerleyebilir: + ® +, bu süreçler kontrollü bir termonükleer reaksiyon olasılığını incelemek için önemlidir. + ® () ® 2 reaksiyonunun önemli olduğu ortaya çıktı, çünkü zaten nispeten düşük bir döteron enerjisinde (0,16 MeV) meydana geliyor ve buna devasa bir enerji - 22,7 MeV salınımı eşlik ediyor (1 MeV = 10 6 eV'yi hatırlayın) ve 1 eV = 96,5 kJ/mol).

Berilyumun a-partikülleri ile bombardımanı sırasında oluşan reaksiyon büyük pratik önem kazanmıştır: + ® () ® +, 1932'de nötr nötron parçacığının keşfine yol açmış ve radyum-berilyum nötron kaynaklarının çok uygun olduğu ortaya çıkmıştır. bilimsel araştırma için. + ® + reaksiyonları sonucunda farklı enerjilere sahip nötronlar da elde edilebilir; + ® + ; + ® + . Yüksüz nötronlar özellikle atom çekirdeğine kolayca nüfuz eder ve hem ateşlenen nüklide hem de nötronların hızına (enerjisine) bağlı olarak çeşitli işlemlere neden olur. Böylece, yavaş bir nötron basitçe çekirdek tarafından yakalanabilir ve çekirdek, bir gama kuantumu yayarak aşırı enerjinin bir kısmını serbest bırakır, örneğin: + ® + g. Bu reaksiyon, uranyumun fisyon reaksiyonunu kontrol etmek için nükleer reaktörlerde yaygın olarak kullanılır: reaksiyonu yavaşlatmak için kadmiyum çubukları veya plakaları nükleer kazanın içine itilir.

Eğer mesele bu dönüşümlerle sınırlı olsaydı, o zaman radyasyonun kesilmesinden sonra nötron akışının hemen kuruması gerekirdi, dolayısıyla polonyum kaynağının ortadan kaldırılmasıyla tüm aktivitenin durmasını beklediler, ancak parçacık sayacının devam ettiğini buldular. Üstel yasaya tam olarak uygun olarak, yavaş yavaş sönen darbeleri kaydedin. Bu sadece tek bir şekilde yorumlanabilir: alfa ışınımının bir sonucu olarak, nitrojen-13 için 10 dakikalık ve fosfor-30 için 2,5 dakikalık karakteristik yarı ömre sahip, önceden bilinmeyen radyoaktif elementler ortaya çıktı. Bu elementlerin pozitron bozunumuna uğradığı ortaya çıktı: ® + e + , ® + e + . Üç kararlı doğal izotopla temsil edilen magnezyum ile ilginç sonuçlar elde edildi ve ışınlama üzerine hepsinin, 227- veya pozitron bozunmasına uğrayan radyoaktif silikon veya alüminyum nüklidleri ürettiği ortaya çıktı:

Yapay radyoaktif elementlerin üretimi, belirli bir amaca uygun yarı ömre sahip radyonüklidlerin ve belirli bir güçte istenilen radyasyon tipinin sentezine olanak tanıdığından büyük pratik öneme sahiptir. Nötronları “mermi” olarak kullanmak özellikle uygundur. Bir nötronun bir çekirdek tarafından yakalanması çoğu zaman onu o kadar kararsız hale getirir ki, yeni çekirdek radyoaktif hale gelir. “Fazladan” nötronun protona dönüşmesi yani 227 radyasyonu sayesinde kararlı hale gelebilir; Bu tür pek çok reaksiyon bilinmektedir, örneğin: + ® ® + e. Atmosferin üst katmanlarında meydana gelen radyokarbon oluşumunun reaksiyonu çok önemlidir: + ® + ( santimetre. RADYOKARBON ANALİZ YÖNTEMİ). Trityum, yavaş nötronların lityum-6 çekirdekleri tarafından emilmesiyle sentezlenir. Hızlı nötronların etkisi altında birçok nükleer dönüşüm gerçekleştirilebilir, örneğin: + ® + ; + ® + ; + ® + . Böylece, sıradan kobaltın nötronlarla ışınlanmasıyla, güçlü bir gama radyasyonu kaynağı olan radyoaktif kobalt-60 elde edilir (60 Co - uyarılmış çekirdeğin bozunma ürünü tarafından salınır). Bazı transuranyum elementleri nötronlarla ışınlama yoluyla üretilir. Örneğin, doğal uranyum-238'den ilk önce kararsız uranyum-239 oluşur ve bu, b-bozunması sırasında ( T 1/2 = 23,5 dak) ilk transuranyum elementi neptunyum-239'a dönüşür ve o da b-bozunması yoluyla ( T 1/2 = 2,3 gün) çok önemli, silah kalitesinde plütonyum-239'a dönüşüyor.

Gerekli nükleer reaksiyonu gerçekleştirerek yapay olarak altın elde etmek ve böylece simyacıların yapamadığını başarmak mümkün müdür? Teorik olarak bunun önünde hiçbir engel yoktur. Üstelik böyle bir sentez zaten yapılmış ama zenginlik getirmemiş. Yapay olarak altın üretmenin en kolay yolu, periyodik tabloda altının yanında bulunan elementi nötron akışıyla ışınlamak olacaktır. Daha sonra + ® + reaksiyonu sonucunda bir nötron, cıva atomundan bir protonu çıkararak onu altın atomuna dönüştürecektir. Bu reaksiyon belirli kütle numaralarını göstermez ( A) cıva ve altın nüklidleri. Doğadaki altın tek kararlı nükliddir ve doğal cıva da izotopların karmaşık bir karışımıdır. A= 196 (%0,15), 198 (%9,97), 199 (%1,87), 200 (%23,10), 201 (%13,18), 202 (%29,86) ve 204 (%6,87). Sonuç olarak, yukarıdaki şemaya göre yalnızca kararsız radyoaktif altın elde edilebilir. 1941'in başlarında Harvard Üniversitesi'nden bir grup Amerikalı kimyager tarafından, hızlı nötron akışıyla cıva ışınlanarak elde edildi. Birkaç gün sonra, ortaya çıkan tüm radyoaktif altının izotopları, beta bozunması yoluyla yeniden cıvanın orijinal izotoplarına dönüştü...

Ancak başka bir yol daha var: Cıva-196 atomları yavaş nötronlarla ışınlanırsa cıva-197 atomlarına dönüşeceklerdir: + ® + g. Yarılanma ömrü 2,7 gün olan bu atomlar, elektron yakalamaya uğrar ve sonunda kararlı altın atomlarına dönüşür: +e®. Bu dönüşüm 1947'de Chicago'daki Ulusal Laboratuvar çalışanları tarafından gerçekleştirildi. 100 mg cıvayı yavaş nötronlarla ışınlayarak 0,035 mg 197Au elde ettiler. Tüm cıvaya göre verim çok küçüktür - yalnızca %0,035, ancak 196Hg'ye göre %24'e ulaşır! Bununla birlikte, doğal cıvadaki 196 Hg izotop en azıdır, ayrıca ışınlama işleminin kendisi ve süresi (ışınlama birkaç yıl sürecektir) ve karmaşık bir karışımdan stabil "sentetik altının" izolasyonu, çok daha pahalıya mal olacaktır. altının en fakir cevherden izolasyonu(). Dolayısıyla altının yapay üretimi yalnızca teorik açıdan ilgi çekicidir.

Radyoaktif dönüşümlerin niceliksel modelleri.

Belirli bir kararsız çekirdeğin izini sürmek mümkün olsaydı, onun ne zaman bozunacağını tahmin etmek imkânsız olurdu. Bu rastgele bir süreçtir ve yalnızca belirli durumlarda, belirli bir süre boyunca bozulma olasılığı değerlendirilebilir. Bununla birlikte, mikroskop altında neredeyse görülemeyen en küçük toz zerresi bile çok sayıda atom içerir ve eğer bu atomlar radyoaktifse, o zaman onların bozunması katı matematik yasalarına uyar: çok sayıda nesnenin karakteristik istatistiksel yasaları yürürlüğe girer. . Ve sonra her radyonüklid çok özel bir değerle karakterize edilebilir - yarı ömür ( T 1/2), mevcut çekirdek sayısının yarısının bozunduğu süredir. Eğer ilk anda olsaydı N 0 çekirdek, ardından bir süre sonra T = T 1/2'si kalacak N 0/2, saat T = 2T 1/2 kalacak N 0/4 = N 0/2 2 , saat T = 3T 1/2 – N 0/8 = N 0/2 3 vb. Genel olarak ne zaman T = hayır 1/2 kalacak N 0/2 Nçekirdekler, nerede N = T/T 1/2 yarı ömürlerin sayısıdır (tam sayı olması gerekmez). Formülün olduğunu göstermek kolaydır N = N 0/2 T/T 1/2 formüle eşdeğerdir N = N 0e – ben T burada l bozunma sabiti olarak adlandırılan değerdir. Resmi olarak, bozunma oranı d arasındaki orantılılık katsayısı olarak tanımlanır. N/D T ve mevcut çekirdek sayısı: d N/D T= – ben N(eksi işareti şunu gösterir: N zamanla azalır). Bu diferansiyel denklemin entegrasyonu, çekirdek sayısının zamana göre üstel bağımlılığını verir. Bu formülde yerine koyma N = N 0/2 saat T = T 1/2, bozunum sabitinin yarı ömürle ters orantılı olduğunu elde ederiz: l = ln2/ T 1/2 = 0,693/T 1/2. t=1/l değerine çekirdeğin ortalama ömrü denir. Örneğin 226 Ra için T 1/2 = 1600 yıl, t = 1109 yıl.

Verilen formüllere göre değerini bilmek T 1/2 (veya l), herhangi bir süre sonra radyonüklid miktarını hesaplamak kolaydır ve radyonüklid miktarı zamanın farklı noktalarında biliniyorsa, bunlardan yarı ömrü hesaplayabilirsiniz. Çekirdek sayısı yerine, formülde mevcut çekirdek sayısıyla doğru orantılı olan radyasyon aktivitesini kullanabilirsiniz. N. Etkinlik genellikle numunedeki toplam bozulma sayısıyla değil, cihaz ölçüm etkinliği tarafından kaydedilen, bununla orantılı darbe sayısıyla karakterize edilir. Örneğin 1 gram radyoaktif madde varsa yarı ömrü ne kadar kısa olursa madde o kadar aktif olur.

Birkaç kararsız atom varsa formül daha karmaşık hale gelir. Bu durumda bir olayın istatistiksel olasılığı binom katsayılı bir formülle tanımlanır. eğer oradaysa N atomlar ve bunlardan birinin zamanla bozunma olasılığı T eşittir P, o zaman bu zaman zarfındaki olasılık T itibaren N atomlar çürüyecek N(ve buna göre kalacak N – N), eşittir P = N!pn(1–P) N–N /(N–N)!N! Atomları kelimenin tam anlamıyla ayrı ayrı elde edilen yeni kararsız elementlerin sentezinde de benzer formüllerin kullanılması gerekir (örneğin, bir grup Amerikalı bilim adamı 1955'te yeni Mendelevyum elementini keşfettiğinde, onu yalnızca 17 atom miktarında elde ettiler) ).

Bu formülün uygulanması belirli bir durumda gösterilebilir. Mesela şöyle olsun N= 1 saatlik yarı ömre sahip 16 atom. Belirli sayıda atomun örneğin zamanla bozunma olasılığını hesaplayabilirsiniz. T= 4 saat. Bir atomun bu 4 saatte hayatta kalma olasılığı sırasıyla 1/2 4 = 1/16, bu süre içinde bozunma olasılığı ise R= 1 – 1/16 = 15/16. Bu ilk verileri formülde değiştirmek şunu sağlar: R = 16!(15/16) N (1/16) 16–N /(16–N)!N! = 16!15 N /2 64 (16–N)!N! Bazı hesaplamaların sonuçları tabloda gösterilmektedir:

Tablo 1.
Kalan atomlar (16– N)	16	10	8	6	4	3	2	1	0
Atomlar çürümüş N	0	6	8	10	12	13	14	15	16
Olasılık R, %	5.10 –18	5.10 –7	1,8·10 –4	0,026	1,3	5,9	19,2	38,4	35,2

Böylece, 4 saat (4 yarı ömür) sonunda 16 atomdan, tahmin edilebileceği gibi tek bir atom bile kalmayacaktır: Bu olayın olasılığı yalnızca %38,4'tür, ancak bu, diğer herhangi bir sonucun olasılığından daha yüksektir. Tablodan da görülebileceği gibi 16 atomun tamamının (%35,2) ya da yalnızca 14 tanesinin bozunma olasılığı da oldukça yüksektir. Ancak 4 yarılanma ömründen sonra tüm atomların “canlı” kalması (hiçbirinin bozunmaması) olasılığı ihmal edilebilir. Açıktır ki, eğer 16 atom yoksa, diyelim ki, 10 20 varsa, o zaman neredeyse% 100 güvenle, 1 saat sonra sayılarının yarısının, 2 saat sonra - dörtte biri vb. kalacağını söyleyebiliriz. Yani, ne kadar çok atom varsa, onların bozunması da o kadar doğru bir şekilde üstel yasaya karşılık gelir.

Becquerel'in zamanından bu yana yapılan çok sayıda deney, radyoaktif bozunma hızının pratikte sıcaklıktan, basınçtan veya atomun kimyasal durumundan etkilenmediğini göstermiştir. İstisnalar çok nadirdir; Böylece elektron yakalama durumunda değer T Elementin oksidasyon durumu değiştikçe 1/2 biraz değişir. Örneğin, 7 BeF2'nin bozunması, 7 BeO veya metalik 7 Be'den yaklaşık %0,1 daha yavaş gerçekleşir.

Bilinen kararsız çekirdeklerin (radyonüklidlerin) toplam sayısı iki bine yaklaşıyor, ömürleri çok geniş sınırlar içinde değişiyor. Hem yarı ömürleri milyonlarca, hatta milyarlarca yıl olan uzun ömürlü radyonüklidler hem de saniyenin çok küçük kesirleri içinde tamamen bozunan kısa ömürlü olanlar bilinmektedir. Bazı radyonüklitlerin yarı ömürleri tabloda verilmiştir.

Bazı radyonüklidlerin özellikleri (Tc, Pm, Po ve kararlı izotoplara sahip olmayan sonraki tüm elementler için veriler, bunların en uzun ömürlü izotopları için verilmiştir).

Tablo 2.
Seri numarası	Sembol	Kütle Numarası	Yarı ömür
1	T	3	12.323 yıl
6	İLE	14	5730 yıl
15	R	32	14,3 gün
19	İLE	40	1,28 10 9 yıl
27	ortak	60	5.272 yıl
38	efendim	90	28,5 yıl
43	TS	98	4,2 10 6 yıl
53	BEN	131	8.02 gün
61	Öğleden sonra	145	17,7 yıl
84	Ro	209	102 yaşında
85	Şu tarihte:	210	8,1 saat
86	Rn	222	3.825 gün
87	Fr	223	21,8 dakika
88	ra	226	1600 yıl
89	AC	227	21,77 yıl
90	Bu	232	1.405 10 9 yıl
91	ra	231	32.760 yıl
92	sen	238	4.468 10 9 yıl
93	Np	237	2,14 10 6 yıl
94	Pu	244	8,26 10 7 yıl
95	Ben	243	7370 yıl
96	Santimetre	247	1,56 10 7
97	Bk	247	1380 yıl
98	bkz.	251	898 yıl
99	Es	252	471,7 gün
100	FM	257	100,5 gün
101	MD	260	27,8 gün
102	HAYIR	259	58 dakika
103	LR	262	3,6 saat
104	RF	261	78 sn
105	Veritabanı	262	34 saniye
106	Çavuş	266	21 saniye
107	Bh	264	0,44 sn
108	Hs	269	9 saniye
109	Dağ	268	70 ms
110	DS	271	56 ms
111	–	272	1,5 ms
112	–	277	0,24 ms

Bilinen en kısa ömürlü nüklid 5 Li'dir: ömrü 4,4·10 –22 s'dir). Bu süre zarfında ışık bile yalnızca 10-11 cm yol alacaktır. çekirdeğin çapından yalnızca birkaç on kat daha büyük ve herhangi bir atomun boyutundan önemli ölçüde daha küçük bir mesafe. En uzun ömürlü olanı 128 Te'dir (%31,7 oranında doğal tellürde bulunur) ve yarı ömrü sekiz septilyon (8·10 24) yıldır - buna radyoaktif bile denilemez; Karşılaştırma için, Evrenimizin "sadece" 10 10 yaşında olduğu tahmin ediliyor.

Bir nüklidin radyoaktivite birimi bekereldir: 1 Bq (Bq), saniyede bir bozunuma karşılık gelir. Sistem dışı birim curie sıklıkla kullanılır: 1 Ci (Ci), saniyede 37 milyar parçalanmaya veya 3,7 milyar parçalanmaya eşittir. . 10 10 Bq (1 g 226 Ra yaklaşık olarak bu aktiviteye sahiptir). Bir zamanlar Rutherford'un sistem dışı bir birimi önerildi: 1 Рд (Rd) = 10 6 Bq, ancak yaygın değildi.

Edebiyat:

Soddy F. Atom enerjisinin tarihi. M., Atomizdat, 1979
Choppin G. ve ark. Nükleer kimya. M., Energoatomizdat, 1984
Hoffmann K. Altın yapmak mümkün mü? L., Kimya, 1984
Kadmensky S.G. Atom çekirdeğinin radyoaktivitesi: tarihçe, sonuçlar, son başarılar. "Soros Eğitim Dergisi", 1999, Sayı 11

Bir kimyasal elementin çekirdeğinin, farklı atom numarasına sahip başka bir elementin çekirdeğine dönüştüğü dönüşümlere radyoaktif bozunma denir. Doğal koşullarda oluşan ve mevcut olan radyoaktif izotoplara doğal olarak radyoaktif denir; nükleer reaksiyonlar yoluyla yapay olarak elde edilen aynı izotoplar yapay olarak radyoaktiftir. Doğal ve yapay radyoaktif izotoplar arasında temel bir fark yoktur, çünkü atom çekirdeklerinin ve atomların özellikleri yalnızca çekirdeğin bileşimi ve yapısı tarafından belirlenir ve oluşum yöntemine bağlı değildir.

Radyoaktivite, 1896 yılında uranyumdan gelen, fotoğrafik emülsiyonun kararmasına neden olabilecek ve havayı iyonize edebilecek radyasyonu keşfeden A.N. Becquerel tarafından keşfedildi. Curie-Sklodowska, uranyumun radyasyon yoğunluğunu ölçen ilk kişiydi ve Alman bilim adamı G.S. Schmidt ile eş zamanlı olarak toryumdaki radyoaktiviteyi keşfetti. İzotopların kendiliğinden görünmez radyasyon yayma özelliğine Curie'ler tarafından radyoaktivite adı verildi. Temmuz 1898'de uranyum reçine cevherinde yeni bir radyoaktif element olan polonyumu keşfettiklerini bildirdiler. Aralık 1898'de G. Bemont ile birlikte radyumu keşfettiler.

Radyoaktif elementlerin keşfinden sonra bazı yazarlar (Becquerel, Curies, Rutherford, vb.), bu elementlerin manyetik alanda farklı davranan üç tür ışın yayabildiğini tespit etti. Rutherford'un (E. Rutherford, 1902) önerisi üzerine bu ışınlara alfa, beta ve gama ışınları adı verildi. Alfa ışınları pozitif yüklü alfa parçacıklarından (çift iyonize helyum atomları He4) oluşur; beta ışınları - düşük kütleli elektronların negatif yüklü parçacıklarından; Gama ışınları, doğası gereği X ışınlarına benzer ve elektromanyetik radyasyonun kuantumlarıdır.

1902'de Rutherford ve F. Soddy, radyoaktivite olgusunu, bir elementin atomlarının başka bir elementin atomlarına kendiliğinden dönüşmesiyle, şans yasalarına göre meydana gelen ve alfa, beta ve enerji salınımının eşlik ettiği şekilde açıkladılar. Gama ışınları.

1910 yılında M. Curie-Sklodowska, A. Debierne ile birlikte saf metalik radyum elde etti ve radyoaktif özelliklerini inceledi, özellikle radyumun bozunma sabitini ölçtü. Kısa süre sonra bir dizi başka radyoaktif element keşfedildi. Debierne ve F. Giesel deniz anemonunu keşfetti. Hahn (O. Halm) radyotoryum ve mezotoryumu keşfetti, Boltwood (V.V. Boltwood) iyonyumu keşfetti, Hahn ve Meitner (L. Meitner) protaktinyumu keşfetti. Bu elementlerin tüm izotopları radyoaktiftir. 1903 yılında Pierre Curie ve S.A. Laborde, bir radyum preparatının her zaman yüksek bir sıcaklığa sahip olduğunu ve 1 g radyumun bozunma ürünleriyle birlikte 1 saatte yaklaşık 140 kcal açığa çıkardığını gösterdi. Aynı yıl W. Ramsay ve Soddy, kapalı bir radyum ampulünün helyum gazı içerdiğini keşfettiler. Rutherford, F. Dorn, Debierne ve Giesel'in çalışması, uranyum ve toryumun bozunma ürünleri arasında, radyum, toryum ve aktinyum (radon, toron, aktinon) yayılımları adı verilen, hızla bozunan radyoaktif gazların bulunduğunu gösterdi. Böylece bozunma sırasında radyum atomlarının helyum ve radon atomlarına dönüştüğü kanıtlandı. Alfa ve beta bozunmaları sırasında bazı elementlerin diğerlerine radyoaktif dönüşüm yasaları (yer değiştirme yasaları) ilk olarak Soddy, K. Fajans ve W.J. Russell tarafından formüle edildi.

Bu yasalar aşağıdaki gibidir. Alfa bozunması sırasında, orijinal element her zaman periyodik tablo D.I'de bulunan başka bir element üretir. Mendeleev orijinal elementin solundaki iki hücre (sıra veya atom numarası orijinalden 2 azdır); beta bozunması sırasında, orijinal element her zaman periyodik tabloda orijinal elementin bir hücre sağında bulunan başka bir element üretir (atom numarası orijinal elementinkinden bir büyüktür).

Radyoaktif elementlerin dönüşümlerinin incelenmesi izotopların, yani aynı kimyasal özelliklere ve atom numaralarına sahip olan ancak kütle ve fiziksel özellikler, özellikle de radyoaktif özellikler (radyasyon türü, bozunma hızı) bakımından birbirinden farklı olan atomların keşfedilmesine yol açtı. ). Keşfedilen çok sayıda radyoaktif maddeden yalnızca radyum (Ra), radon (Rn), polonyum (Po) ve protaktinyumun (Pa) yeni elementler olduğu ortaya çıktı ve geri kalanı daha önce bilinen uranyum (U), toryumun izotoplarıydı. (Th), kurşun (Pb), talyum (Tl) ve bizmut (Bi).

Rutherford atomların nükleer yapısını keşfettikten ve atomun tüm özelliklerini, özellikle de elektronik kabuklarının yapısını ve kimyasal özelliklerini (bkz. Atom, Atom Çekirdeği) belirleyen şeyin çekirdek olduğunu kanıtladıktan sonra, radyoaktif dönüşümlerin olduğu açıkça ortaya çıktı. atom çekirdeğinin dönüşümü ile ilişkilidir. Atom çekirdeğinin yapısının daha fazla incelenmesi, radyoaktif dönüşümlerin mekanizmasının tamamen deşifre edilmesini mümkün kıldı.

Çekirdeklerin ilk yapay dönüşümü - nükleer reaksiyon - 1919'da Rutherford tarafından nitrojen atomlarının çekirdeklerinin polonyum alfa parçacıklarıyla bombardıman edilmesiyle gerçekleştirildi. Aynı zamanda nitrojen çekirdekleri de proton yayarak (bkz.) O17 oksijen çekirdeğine dönüştü. 1934 yılında F. Joliot-Curie ve I. Joliot-Curie, Al atomlarını alfa parçacıklarıyla bombardıman ederek yapay olarak radyoaktif bir fosfor izotopu elde eden ilk kişilerdi. P30 çekirdekleri, doğal olarak radyoaktif izotopların çekirdeklerinden farklı olarak, bozunma sırasında elektronlar değil, pozitronlar yaydı ve kararlı silikon çekirdekleri Si30'a dönüştü. Böylece, 1934'te yapay radyoaktivite ve yeni bir tür radyoaktif bozunma - pozitron bozunması veya b+ bozunumu - aynı anda keşfedildi. Joliot-Curies, tüm hızlı parçacıkların (protonlar, döteronlar, nötronlar) nükleer reaksiyonlara neden olduğu ve doğal olarak radyoaktif izotoplar elde etmek için kullanılabileceği fikrini ortaya attı. Fermi (E. Fermi) çeşitli elementleri nötronlarla bombaladı ve neredeyse tüm kimyasal elementlerin radyoaktif izotoplarını elde etti. Şu anda, hızlandırılmış yüklü parçacıklar ve nötronların yardımıyla çok çeşitli nükleer reaksiyonlar gerçekleştirilmiş ve bunun sonucunda herhangi bir radyoaktif izotop elde etmek mümkün hale gelmiştir.

1937'de L. Alvarez yeni bir radyoaktif dönüşüm türü keşfetti: elektron yakalama. Elektron yakalamada, bir atomun çekirdeği, atomun kabuğundan bir elektronu yakalar ve başka bir elementin çekirdeğine dönüşür. 1939'da Hahn ve F. Strassmann, nötronlarla bombardıman edildiğinde uranyum çekirdeğinin daha hafif çekirdeklere (bölünme parçaları) bölündüğünü keşfettiler. Aynı yıl Flerov ve Pietrzak, uranyum çekirdeğinin fisyon sürecinin dış etki olmadan kendiliğinden gerçekleştiğini gösterdi. Böylece yeni bir radyoaktif dönüşüm türü keşfettiler: ağır çekirdeklerin kendiliğinden bölünmesi.

Şu anda, yalnızca atom çekirdeğinin yapısı tarafından belirlenen iç nedenlerden dolayı, kendiliğinden, dış etkiler olmadan meydana gelen aşağıdaki radyoaktif dönüşüm türleri bilinmektedir.

Okumak faydalı olabilir: