Перетворення хімічних елементів за природного радіоактивного розпаду. Радіоактивні перетворення атомних ядер план-конспект уроку з фізики (9 клас) на тему

• експозиційна доза
• поглинена доза
• еквівалентна доза
• ефективна еквівалентна доза

Радіоактивність

Це здатність ядер атомів різних хімічних елементів руйнуватися, видозмінюватися з випромінюванням атомних та субатомних частинок високих енергій. При радіоактивних перетвореннях, у переважній більшості випадків, ядра атомів (а отже, і самі атоми) одних хімічних елементів перетворюються на ядра атомів (в атоми) інших хімічних елементів, або один ізотоп хімічного елемента перетворюється на інший ізотоп того самого елемента.

Атоми, ядра яких схильні до радіоактивного розпаду або інших радіоактивних перетворень, називаються радіоактивними.

Ізотопи

(Від грецьких слівisos – «рівний, однаковий» таtopos - "Місце")

Це нукліди одного хімічного елемента, тобто. різновиди атомів певного елемента, що мають однаковий атомний номер, але різноманітні масові числа.

Ізотопи мають ядри з однаковим числом протонів і різним числом нейтронів і займають те саме місце в періодичній системі хімічних елементів. Розрізняють стабільні ізотопи, які існують у незмінному вигляді невизначено довго, та нестабільні (радіоізотопи), які згодом розпадаються.

Відомоблизько 280 стабільних іпонад 2000 радіоактивних ізотопіву 116 природних та штучно отриманих елементів .

Нуклід (від латинськогоNucleus – «ядро») – сукупність атомів із певними значеннями заряду ядра та масового числа.

Умовні позначення нукліду:, деX – буквене позначення елемента,Z – число протонів (атомний номер ), A – сума числа протонів та нейтронів (масове число ).

Навіть у першого в таблиці Менделєєва і найлегшого атома – водню, в ядрі якого лише один протон (а навколо нього обертається один електрон), є три ізотопи.

Радіоактивні перетворення

Можуть бути природними, мимовільними (спонтанними) та штучними. Спонтанні радіоактивні перетворення – випадковий, статистичний процес.

Усі радіоактивні перетворення супроводжуються, зазвичай, виділенням з ядра атома надлишку енергії як електромагнітного випромінювання.

Гамма-випромінювання – це потік гамма-квантів, що мають велику енергію і проникаючу здатність.

Рентгенівське випромінювання – це потік фотонів – зазвичай із меншою енергією. Тільки "місце народження" рентгенівського випромінювання не ядро, а електронні оболонки. Основний потік рентгенівського випромінювання виникає у речовині під час проходження крізь нього «радіоактивних частинок» («радіоактивного випромінювання» чи «іонізуючого випромінювання»).

Основні різновиди радіоактивних перетворень:

• радіоактивний розпад;
• розподіл ядер атомів.

Це випромінювання, викидання з величезними швидкостями ядер атомів «елементарних» (атомних, субатомних) частинок, які прийнято називати радіоактивним (іонізуючим) випромінюванням.

При розпаді один ізотоп даного хімічного елемента перетворюється на інший ізотоп того самого елемента.

Для природних(природних) радіонуклідів основними видами радіоактивного розпаду є альфа- та бета-мінус-розпад.

Назви « альфа» та « бета» були дані Ернестом Резерфордом у 1900 році при вивченні радіоактивних випромінювань.

Для штучних(техногенних) радіонуклідів, крім цього, характерні також нейтронний, протонний, позитронний (бета-плюс) та більш рідкісні види розпаду та ядерних перетворень (мезонний, К-захоплення, ізомерний перехід та ін.).

Альфа-розпад

Це випромінювання з ядра атома альфа-частинки, що складається з 2 протонів та 2 нейтронів.

Альфа-частка має масу 4 одиниці, заряд +2 і є ядром атома гелію (4He).

Внаслідок випромінювання альфа-частинки утворюється новий елемент, який у таблиці Менделєєва розташований на 2 клітини ліворучТак як кількість протонів в ядрі, а значить, і заряд ядра, і номер елемента стали на дві одиниці менше. А маса ізотопу, що утворився, виявляється на 4 одиниці менше.

А льфа – розпад- Це характерний вид радіоактивного розпаду для природних радіоактивних елементів шостого та сьомого періодів таблиці Д.І. Менделєєва (уран, торій та продукти їхнього розпаду до вісмуту включно) і особливо для штучних – трансуранових – елементів.

Тобто до цього виду розпаду схильні окремі ізотопи всіх важких елементів, починаючи з вісмуту.

Так, наприклад, при альфа-розпаді урану завжди утворюється торій, при альфа-розпаді торію – радій, при розпаді радію – радон, потім полоній і нарешті – свинець. При цьому з конкретного ізотопу урану-238 утворюється торій-234, потім радій-230, радон-226 і т.д.

Швидкість альфа-частинки при вильоті із ядра від 12 до 20 тис. км/сек.

Бета-розпад

Бета-розпад– найпоширеніший вид радіоактивного розпаду (і взагалі радіоактивних перетворень), особливо серед штучних радіонуклідів.

Кожен хімічний елемент є, принаймні, один бета-активний, тобто схильний до бета-розпаду ізотоп.

Приклад природного бета-активного радіонукліду – калій-40 (Т1/2=1,3×109 років), у природній суміші ізотопів калію його міститься лише 0,0119%.

Крім К-40, значущими природними бета-активними радіонуклідами є і всі продукти розпаду урану і торію, тобто. всі елементи від талію до урану.

Бета-розпад включає в себе такі види радіоактивних перетворень, як:

- бета-мінус розпад;

- бета-плюс розпад;

- К-захоплення (електронне захоплення).

Бета-мінус розпад– це випромінювання з ядра бета-мінус частки – електрона , який утворився в результаті мимовільного перетворення одного з нейтронів на протон та електрон.

При цьому бета-частка зі швидкістю до 270 тис. км/сек(9/10 швидкості світла) вилітає з ядра. І оскільки протонів в ядрі стало більше, то ядро ​​даного елемента перетворюється на ядро ​​сусіднього елемента справа – з великим номером.

При бета-мінус розпаді радіоактивний калій-40 перетворюється на стабільний кальцій-40 (стоячий у сусідній клітці праворуч). А радіоактивний кальцій-47 – у скандій-47 (теж радіоактивний), що стоїть праворуч від нього, який, у свою чергу, також шляхом бета-мінус розпаду перетворюється на стабільний титан-47.

Бета-плюс розпад- Випускання з ядра бета-плюс частки - позитрон (позитивно зарядженого «електрона»), який утворився внаслідок мимовільного перетворення одного з протонів на нейтрон і позитрон.

В результаті цього (оскільки протонів стало менше) даний елемент перетворюється на сусідній зліва в таблиці Менделєєва.

Наприклад, при бета-плюс розпаді радіоактивний ізотоп магнію-23 перетворюється на стабільний ізотоп натрію (що стоїть зліва) - натрій-23, а радіоактивний ізотоп європія - європій-150 перетворюється на стабільний ізотоп самарія - самарій-150.

- Випускання з ядра атома нейтрона. Характерний для нуклідів штучного походження.

При випромінюванні нейтрона один ізотоп даного хімічного елемента перетворюється на інший, з меншою вагою. Так, наприклад, при нейтронному розпаді радіоактивний ізотоп літію – літій-9 перетворюється на літій-8, радіоактивний гелій-5 – на стабільний гелій-4.

Якщо стабільний ізотоп йоду – йод-127 опромінювати гамма-квантами, він стає радіоактивним, викидає нейтрон і перетворюється на інший, теж радіоактивний ізотоп – йод-126. Це приклад штучного нейтронного розпаду .

В результаті радіоактивних перетворень можуть утворюватися ізотопи інших хімічних елементів або того ж елемента, які самі можуть бути радіоактивнимиелементами.

Тобто. розпад якогось вихідного радіоактивного ізотопу може призвести до деякої кількості послідовних радіоактивних перетворень різних ізотопів різних хімічних елементів, утворюючи т.з. "ланцюжка розпаду".

Наприклад, торій-234, що утворюється при альфа-розпаді урану-238, перетворюється на протактиній-234, який у свою чергу знову на уран, але вже в інший ізотоп – уран-234.

Закінчуються всі ці альфа і бета-мінус переходи утворенням стабільного свинцю-206. А уран-234 альфа-розпадом – знову до торію (торій-230). Далі торій-230 шляхом альфа-розпаду - радій-226, радій - радон.

Розподіл ядер атомів

Це мимовільне, або під дією нейтронів, розколювання ядраатома на 2 приблизно рівні частини, на два «уламки».

При розподілі вилітають 2-3 зайві нейтрониі виділяється надлишок енергії у вигляді гамма-квантів, набагато більший, ніж за радіоактивного розпаду.

Якщо один акт радіоактивного розпаду зазвичай припадає один гамма-квант, то 1 акт поділу припадає 8 -10 гамма-квантов!

Крім того, осколки, що розлітаються, володіють великою кінетичною енергією (швидкістю), яка переходить в теплову.

Вилетіли нейтрони можуть викликати поділдвох-трьох аналогічних ядер, якщо ті опиняться поблизу і якщо нейтрони потраплять у них.

Таким чином, з'являється можливість здійснення розгалужується, прискорюється ланцюгової реакції поділуядер атомів із величезної кількості енергії.

Ланцюгова реакція поділу

Якщо дозволити ланцюгову реакцію розвиватися безконтрольно, то станеться атомний (ядерний) вибух.

Якщо ланцюгову реакцію контролювати, керувати її розвитком, не давати прискорюватися і постійно відводити енергію, що виділяється(тепло), то цю енергію (« атомну енергію») можна використовувати для отримання електроенергії. Це в атомних реакторах, на атомних електростанціях.

Характеристики радіоактивних перетворень

Період напіврозпаду (T1/2 ) – час, протягом якого половина радіоактивних атомів розпадається та їх кількість зменшується у 2 рази.

Періоди напіврозпаду у всіх радіонуклідів різні - від часток секунди (короткоживучі радіонукліди) до мільярдів років (довгоживучі).

Активність– це кількість актів розпаду (загалом актів радіоактивних, ядерних перетворень) за одиницю часу (зазвичай, за секунду). Одиницями вимірювання активності є беккерель та кюрі.

Бекерель (Бк)– це один акт розпаду за секунду (1 розп./сек).

Кюрі (Кі)- 3,7 × 1010 Бк (розп./сек).

Одиниця виникла історично: таку активність має 1 грам радію-226 у рівновазі з дочірніми продуктами розпаду. Саме з радієм-226 довгі роки працювали лауреати Нобелівської премії французькі вчені подружжя П'єр Кюрі та Марія Склодовська-Кюрі.

Закон радіоактивного розпаду

Зміна активності нукліду у джерелі з часом залежить від періоду напіврозпаду даного нукліду за експоненційним законом:

Aі(t) = Aі (0) × exp(-0,693 t/T1/2 ),

де Aі(0) – вихідна активність нукліду;
Aі(t) - активність через час t;

T1/2 - Період напіврозпаду нукліду.

Залежність між масою радіонукліда(без урахування маси неактивного ізотопу) та його активністювиражається наступним співвідношенням:

де mі- Маса радіонукліду, г;

T1/2 - Період напіврозпаду радіонукліду, с;

Aі- Активність радіонукліду, Бк;

А- Атомна маса радіонукліду.

Проникаюча здатність радіоактивного випромінювання.

Пробіг альфа-частокзалежить від початкової енергії і зазвичай коливається в межах від 3-х до 7 (рідко до 13) см у повітрі, а в щільних середовищах становить соті частки мм (у склі – 0,04 мм).

Альфа-випромінювання не пробиває аркуш паперу та шкіру людини. Через свою масу і заряд альфа-частинки мають найбільшу іонізуючу здатність, вони руйнують все на своєму шляху, тому альфа-активні радіонукліди є найбільш небезпечними для людини і тварин при потраплянні всередину.

Пробіг бета-частокв речовині через малу масу (~ у 7000 разів

Менше маси альфа-частинки), заряду та розмірів значно більше. При цьому шлях бета-частинки в речовині не прямолінійний. Проникаюча здатність також залежить від енергії.

Проникаюча здатність бета-часток, що утворилися при радіоактивному розпаді, у повітрі досягає 2÷3 м, у воді та інших рідинах вимірюється сантиметрами, у твердих тілах – частками див.

У тканині організму бета-випромінювання проникає на глибину 1÷2 см.

Кратність ослаблення n- та гамма-випромінювань.

Найбільш проникаючими видами випромінювання є нейтронне та гамма-випромінювання. Їх пробіг у повітрі може досягати десятків та сотень метрів(також залежно від енергії), але при меншій іонізуючій здатності.

Як захист від n-і гамма-випромінювання застосовують товсті шари з бетону, свинцю, сталі і т. п. і мова вже ведеться про кратність ослаблення.

По відношенню до ізотопу кобальту-60 (Е = 1,17 і 1,33 МеВ) для 10-кратного ослаблення гамма-випромінювання потрібен захист з:

• свинцю товщиною близько 5 см;
• бетону близько 33 см;
• води – 70 см.

Для 100-кратного ослаблення гамма-випромінювання потрібен захист зі свинцю завтовшки 9,5 см; бетону – 55 см; води – 115 см.

Одиниці виміру в дозиметрії

Доза (від грецької – «частка, порція») опромінення.

Експозиційна доза(Для рентгенівського та гамма-випромінювання) – визначається по іонізації повітря.

Одиниця виміру у системі СІ – «Кулон на кг» (Кл/кг)- це така експозиційна доза рентгенівського або гамма-випромінювання, при створенні якої в 1 кгсухого повітря утворюється заряд іонів одного знака, що дорівнює 1 Кл.

Позасистемною одиницею виміру є рентген.

1 Р = 2,58× 10 -4 Кл/кг.

За визначенням 1 рентген (1Р)– це така експозиційна доза при поглинанні якої в 1 см3 сухого повітря утворюється 2,08 × 10 9 пар іонів.

Зв'язок між двома цими одиницями наступний:

1 Кл/кг = 3,68 · 103 Р.

Експозиційна доза 1Рвідповідає поглинена доза у повітрі 0,88 рад.

Доза

Поглинена доза- Енергія іонізуючого випромінювання, поглинена одиничною масою речовини.

Під енергією випромінювання, переданої речовині, розуміється різниця між сумарною кінетичною енергією всіх частинок і фотонів, що потрапили в аналізований обсяг речовини, і сумарною кінетичною енергією всіх частинок і фотонів, що залишають цей обсяг. Отже, поглинена доза враховує всю енергію іонізуючого випромінювання, залишену в межах цього обсягу, незалежно від того, на що ця енергія витрачена.

Одиниці вимірювання поглиненої дози:

Грей (Гр)– одиниця поглиненої дози у системі одиниць СІ. Відповідає енергії випромінювання 1 Дж, поглиненої 1 кг речовини.

Радий- Позасистемна одиниця поглиненої дози. Відповідає енергії випромінювання 100 ерг, поглиненої речовиною масою 1 грам.

1 рад = 100 ерг/г = 0,01 Дж/кг = 0,01 Гр.

Біологічний ефект при однаковій поглиненій дозі виявляється різним для різних видів випромінювання.

Наприклад, при однаковій поглиненій дозі альфа-випромінюваннявиявляється набагато небезпечніше, ніж фотонне або бета-випромінювання. Це пов'язано з тим, що альфа-частинки створюють на шляху свого пробігу в біологічній тканині щільнішу іонізацію, концентруючи таким чином шкідливий вплив на організм у певному органі. При цьому весь організм відчуває на собі значно більшу пригнічуючу дію випромінювання.

Отже, для створення однакового біологічного ефекту при опроміненні важкими зарядженими частинками необхідна менша доза поглинена, ніж при легкими частинками або фотонами.

Еквівалентна доза– добуток поглиненої дози на коефіцієнт якості випромінювання.

Одиниці виміру еквівалентної дози:

Зіверт(Зв)– це одиниця виміру еквівалентної дози, будь-якого виду випромінювання, що створює такий же біологічний ефект, як і поглинена доза в 1 Гр

Отже, 1 Зв = 1 Дж/кг.

Бер(позасистемна одиниця) – це така кількість енергії іонізуючого випромінювання, поглинена 1 кгбіологічної тканини, при якому спостерігається той же біологічний ефект, що і при поглиненій дозі 1 радийрентгенівського чи гамма-випромінювання.

1 бер = 0,01 Зв = 100 ерг/р.

Найменування "бер" утворено за першими буквами словосполучення "біологічний еквівалент рентгена".

Донедавна при розрахунку еквівалентної дози використовувалися коефіцієнти якості випромінювання » (К) - поправочні коефіцієнти, що враховують різний вплив на біологічні об'єкти (різну здатність пошкоджувати тканини організму) різних випромінювань при одній і тій же дозі, що поглинена.

Зараз ці коефіцієнти в Нормах радіаційної безпеки (НРБ-99) назвали – «зважувальні коефіцієнти окремих видів випромінювання при розрахунку еквівалентної дози (WR)».

Їх значення становлять відповідно:

• рентгенівське, гама, бета-випромінювання, електрони та позитрони – 1 ;
• протони з Е більше 2 Мев - 5 ;
• нейтрони з Е менше 10 кев) - 5 ;
• нейтрони з Е від 10 кев до 100 кев – 10 ;
• альфа-частинки, уламки поділу, важкі ядра – 20 і т.д.

Ефективна еквівалентна доза- еквівалентна доза, розрахована з урахуванням різної чутливості різних тканин організму до опромінення; дорівнює еквівалентної дози, отриманої конкретним органом, тканиною (з урахуванням їх ваги), помноженою навідповідний « коефіцієнт радіаційного ризику ».

Ці коефіцієнти використовуються в радіаційному захисті для врахування різної чутливості різних органів та тканин у виникненні стохастичних ефектів від впливу випромінювання.

У НРБ-99 їх називають «зважуючими коефіцієнтами для тканин та органів при розрахунку ефективної дози».

Для організму в ціломуцей коефіцієнт прийнято рівним 1 , Для деяких органів має такі значення:

• кістковий мозок (червоний) – 0,12; гонади (яєчники, сім'яники) - 0,20;
• щитовидна залоза – 0,05; Шкіра - 0,01 і т.д.
• легені, шлунок, товстий кишечник – 0,12.

Для оцінки повної ефективноюеквівалентної дози, отриманої людиною, розраховують та підсумовують зазначені дози для всіх органів.

Для вимірювання еквівалентної та ефективної еквівалентної доз у системі СІ використовується та сама одиниця – Зіверт(Зв).

1 Звдорівнює еквівалентній дозі, при якій добуток величини поглиненої дози в Греях (в біологічній тканині) на зважувальні коефіцієнти буде рівно 1 Дж/кг.

Іншими словами, це така поглинена доза, при якій у 1 кгречовини виділяється енергія в 1 Дж.

Позасистемна одиниця – Бер.

Взаємозв'язок між одиницями виміру:

1 Зв = 1 Гр * До = 1 Дж/кг * До = 100 рад * До = 100 бер

При К=1(для рентгенівського, гамма-, бета-випромінювань, електронів та позитронів) 1 Зввідповідає поглиненій дозі в 1 Гр:

1 Зв = 1 Гр = 1 Дж/кг = 100 рад = 100 бер.

Ще в 50-х роках було встановлено, що якщо при експозиційній дозі один рентген повітря поглинає приблизно стільки ж енергії, що і біологічна тканина.

Тому виявляється, що при оцінці доз можна вважати (з мінімальною похибкою), що експозиційна доза в 1 рентгендля біологічної тканини відповідає(еквівалентна) поглиненої дози в 1 раді еквівалентної дози в 1 бер(При К = 1), тобто, грубо кажучи, що 1 Р, 1 рад і 1 бер - це те саме.

При експозиційній дозі 12 мкР/годину за рік отримуємо дозу 1 мЗв.

Крім того, для оцінки впливу ІІ використовують поняття:

Потужність дози- Доза, отримана за одиницю часу (сек., Година).

Фон- Потужність експозиційної дози іонізуючого випромінювання в цьому місці.

Природний фон- Потужність експозиційної дози іонізуючого випромінювання, створювана всіма природними джерелами ІІ.

Джерела надходження радіонуклідів у довкілля

1. Природні радіонукліди, які збереглися до нашого часу з моменту їх утворення (можливо, з часу утворення сонячної системи або Всесвіту), оскільки у них великі періоди напіврозпаду, а отже, великий час життя.

2.Радіонукліди осколкового походження, які утворюються в результаті поділу ядер атомів. Утворюються у ядерних реакторах, у яких здійснюється керована ланцюгова реакція, і навіть під час випробувань ядерної зброї (некерована ланцюгова реакція).

3. Радіонукліди активаційного походженняутворюються із звичайних стабільних ізотопів в результаті активації, тобто при попаданні в ядро ​​стабільного атома субатомної частинки (частіше нейтрону), внаслідок чого стабільний атом стає радіоактивним. Отримують активацією стабільних ізотопів, поміщаючи в активну зону реактора, або бомбардуванням стабільного ізотопу в прискорювачах елементарних частинок протонами, електронами тощо.

Області застосування радіонуклідних джерел

Джерела ІІ знаходять застосування у промисловості, сільському господарстві, наукових дослідженнях та медицині. Тільки в медицині використовуються приблизно сто ізотопів для різних медичних досліджень, постановки діагнозу, стерилізації та радіотерапії.

У всьому світі у багатьох лабораторіях використовуються радіоактивні матеріали для наукових досліджень. Термоелектричні генератори на радіоізотопах застосовуються для виробництва електроенергії для автономного енергоживлення різної апаратури у віддалених та важкодоступних районах (радіо- та світлові маяки, метеостанції).

Повсюдно в промисловості використовуються прилади, що містять радіоактивні джерела для контролю технологічних процесів (щільно-, рівні-і товщиноміри), прилади неруйнівного контролю (гамма-дефектоскопи), прилади для аналізу складу речовини. Випромінювання використовується для підвищення розміру та якості врожаю.

Вплив випромінювання організму людини. Ефекти радіації

Радіоактивні частки, володіючи величезною енергією та швидкістю, при проходженні через будь-яку речовину стикаються з атомами та молекулами цієї речовини та приводять доїх руйнування, іонізації, до утворення «гарячих» іонів та вільних радикалів

Оскільки біологічні тканини людини на 70% складаються із води, то великою мірою іонізації піддається саме вода. З іонів та вільних радикалів утворюються шкідливі для організму сполуки, які запускають цілий ланцюг послідовних біохімічних реакцій та поступово призводять до руйнування клітинних мембран (стінок клітин та інших структур).

Радіація по-різному діє на людей залежно від статі та віку, стану організму, його імунної системи тощо, але особливо сильно – на немовлят, дітей та підлітків. При дії радіації прихований (інкубаційний, латентний) період, тобто час затримки до настання видимого ефекту може тривати роками і навіть десятиліттями.

Вплив радіації на організм людини та біологічні об'єкти викликає три різні негативні ефекти:

• генетичний ефектдля спадкових (статевих) клітин організму Він може виявитися і проявляється лише у потомстві;
• генетико-стохастичний ефект, що проявляється для спадкового апарату соматичних клітин – клітин тіла Він проявляється за життя конкретної людини у вигляді різних мутацій та захворювань (у тому числі ракових);
• соматичний ефект, А точніше - імунний. Це послаблення захисних сил, імунної системи організму рахунок руйнації клітинних мембран та інших структур.

Матеріали на тему

Радіоактивні перетворення

У 1903 році П'єр Кюрі виявив, що солі урану безперервно і без видимого зменшення згодом виділяють теплову енергію, яка в розрахунку на одиницю маси представлялася величезною в порівнянні з енергією найенергійніших хімічних реакцій. Ще більше теплоти виділяє радій – близько 107 Дж на годину для 1 г чистої речовини. Виходило, що радіоактивних елементів, що є в глибинах земної кулі, достатньо (в умовах обмеженого тепловідведення) щоб розплавити магму

Де ж джерело цієї, здавалося б, невичерпної енергії? Марія Кюрі висунула наприкінці 19 ст. дві гіпотези. Одна з них (її поділяв лорд Кельвін ) полягала в тому, що радіоактивні речовини вловлюють якесь космічне випромінювання, запасаючи необхідну енергію. Відповідно до другої гіпотези випромінювання супроводжується якимись змінами в самих атомах, які при цьому втрачають енергію, яка і випромінюється. Обидві гіпотези здавалися однаково неймовірними, але поступово накопичувалося все більше даних на користь другої.

Великий внесок у розуміння того, що ж відбувається з радіоактивними речовинами, зробив Ернест Резерфорд. Ще в 1895 англійський хімік Вільям Рамзай, який прославився відкриттям у повітрі аргону, виявив у мінералі клепові інший благородний газ – гелій. Згодом значні кількості гелію були виявлені і в інших мінералах – але тільки тих, що містили уран та торій. Це здавалося дивним та дивним – звідки в мінералах міг узятися рідкісний газ? Коли Резерфорд почав досліджувати природу альфа-часток, які випромінюють радіоактивні мінерали, зрозуміли, що гелій є продуктом радіоактивного розпаду ( див.РАДІОАКТИВНІСТЬ). Отже, одні хімічно елементи здатні «породжувати» інші – це суперечило всьому досвіду, накопиченому кількома поколіннями хіміків.

Однак «перетворенням» урану та торію на гелій не обмежилося. У 1899 в лабораторії Резерфорда (тоді він працював у Монреалі) спостерігали ще одне дивне явище: препарати елемента торію в закритій ампулі зберігали постійну активність, а на відкритому повітрі їхня активність залежала від. Протягів. Резерфорд швидко зрозумів, що торій випускає радіоактивний газ (його назвали еманацією торію – від лат. emanatio – закінчення, або тороном), активність цього газу дуже швидко зменшувалася: удвічі приблизно за одну хвилину (за сучасними даними – за 55,6 с). Подібна газоподібна «еманація» була відкрита також у радію (її активність зменшувалася значно повільніше) – її назвали еманацією радію, або радоном. Своя "еманація", що зникає всього за кілька секунд, виявилася і в актинія, її назвали еманацією актинія, або актиноном. Згодом з'ясувалося, що всі ці «еманації» є ізотопами того самого хімічного елемента – радону ( див.ЕЛЕМЕНТИ ХІМІЧНІ).

Після співвіднесення кожного члена ряду одному з ізотопів відомих хімічних елементів стало ясно, що ряд урану починається з урану-238 ( T 1/2 = 4,47 млрд. років) і закінчується стабільним свинцем-206; оскільки одним із членів цього ряду є дуже важливий елемент радій), цей ряд називають також рядом урану – радію. Ряд актинія (інша його назва – ряд актиноурану) теж бере свій початок від природного урану, але від іншого його ізотопу – 235 U ( Т 1/2 = 794 млн. Років). Ряд торію починається з нукліду 232 Th ( T 1/2 = 14 млрд. Років). Нарешті, не представлений у природі ряд нептунія починається зі штучно отриманого найдовгоживучого ізотопу нептунія: 237 Np 233 Pa 233 U 229 Th 225 Ra 2 Po  209 Pb  209 Bi. У цьому ряду також є «вилка»: 213 Bi з ймовірністю 2% може перетворитися на 209 Tl, а той уже переходить на 209 Pb. Цікавішою особливістю ряду нептунія є відсутність газоподібних «еманацій», а також кінцевий член ряду – вісмут замість свинцю. Період напіврозпаду родоначальника цього штучного ряду дорівнює "всього" 2,14 млн. років, тому нептуній, навіть якби він був присутній при формуванні Сонячної системи, не зміг би "дожити" до наших днів, т.к. вік Землі оцінюється в 4,6 млрд. років, і за цей час (понад 2000 періодів напіврозпаду) від нептунія не залишилося б жодного атома.

Як приклад можна навести розплутаний Резерфордом складний клубок подій у ланцюзі перетворення радію (радій-226 – шостий член радіоактивного ряду урану-238). На схемі наведено як символи часів Резерфорда, так і сучасні позначення нуклідів, а також тип розпаду та сучасні дані про періоди напіврозпаду; у наведеному ряду також існує невелика «вилка»: RaC з ймовірністю 0,04% може перейти в RaC"(210 Tl), який потім перетворюється на той же RaD ( T 1/2 = 1,3 хв). У цього радіоактивного свинцю досить великий період напіврозпаду, тому за час експерименту часто можна не зважати на його подальші перетворення.

Останній член цього ряду, свинець-206 (RaG), стабільний; у природному свинці його 24,1%. Ряд торію призводить до стабільного свинцю-208 (вміст його у «звичайному» свинці 52,4%), ряд актинія – до свинцю-207 (вміст у свинці 22,1%). Співвідношення цих ізотопів свинцю в сучасній земній корі, звичайно, пов'язане як з періодом напіврозпаду материнських нуклідів, так і з їх вихідним співвідношенням у речовині, з якої утворилася Земля. А «звичайного», нерадіогенного свинцю в земній корі всього 1,4%. Так що якби не було вихідно на Землі урану і торію, свинцю в ній було б не 1,6·10 –3 % (приблизно як кобальту), а в 70 разів менше (як, наприклад, таких рідкісних металів як індій та тулій!) . З іншого боку, уявний хімік, який прилетів на нашу планету кілька мільярдів років тому, знайшов би в ній значно менше свинцю і набагато більше урану і торію.

Коли Ф.Содді в 1915 виділив з цейлонського мінералу ториту (ThSiO 4) свинець, що утворився при розпаді торію, його атомна маса виявилася рівною 207,77, тобто більше, ніж у «звичайного» свинцю (207,2) Ця відмінність від «теоретичного »(208) пояснюється тим, що в торит було трохи урану, який дає свинець-206. Коли американський хімік Теодор Вільям Річардс, авторитет у галузі вимірювання атомних мас, виділив свинець з деяких уранових мінералів, що не містять торію, його атомна маса виявилася рівною майже точно 206. Трохи меншою була й щільність цього свинцю, причому вона відповідала розрахунковій: ( Pb)  206/207,2 = 0,994(Pb), де (Pb) = 11,34 г/см 3 . Ці результати наочно показують, чому для свинцю, як і для інших елементів, немає сенсу вимірювати атомну масу з дуже високою точністю: зразки, взяті в різних місцях, дадуть трохи різні результати ( див.Вуглецева одиниця).

У природі безперервно відбуваються наведені на схемах ланцюжки перетворень. В результаті одні хімічні елементи (радіоактивні) перетворюються на інші, і такі перетворення відбувалися протягом усього періоду існування Землі. Початкові члени (їх називають материнськими) радіоактивних рядів - довгоживучі: період напіврозпаду урану-238 дорівнює 4,47 млрд. років, торію-232 - 14,05 млрд. років, урану-235 (він же «актиноуран» - родоначальник ряду актинія ) - 703,8 млн. років. Усі наступні («дочірні») члени цього довгого ланцюжка живуть значно менше. У такому разі настає стан, який радіохіміки називають «радіоактивною рівновагою»: швидкість утворення проміжного радіонукліда з материнського урану, торію або актинія (ця швидкість дуже мала) дорівнює швидкості розпаду цього нукліду. Через війну рівності цих швидкостей зміст даного радионуклида завжди і залежить від періоду його напіврозпаду: концентрація короткоживучих членів радіоактивних рядів мала, довгоживучих членів – більше. Така сталість вмісту проміжних продуктів розпаду зберігається протягом дуже тривалого часу (цей час визначається періодом напіврозпаду материнського нукліду, а воно дуже велике). Прості математичні перетворення призводять до такого висновку: відношення числа материнських ( N 0) та дочірніх ( N 1, N 2, N 3...) атомів прямо пропорційно їх періодам напіврозпаду: N 0:N 1:N 2:N 3... = T 0:T 1:T 2:T 3... Так, період напіврозпаду урану-238 становить 4,47·10 9 років, радію-226 – 1600 років, тому відношення числа атомів урану-238 і радію-226 в уранових рудах дорівнює 4,47·10 9:1600 , Звідки легко підрахувати (з урахуванням атомних мас цих елементів), що на 1 т урану при досягненні радіоактивної рівноваги припадає всього 0,34 г радію.

І навпаки, знаючи співвідношення в рудах урану та радію, а також період напіврозпаду радію, можна визначити період напіврозпаду урану, при цьому для визначення періоду напіврозпаду радію не потрібно чекати більше тисячі років – достатньо виміряти (за його радіоактивністю) швидкість розпаду (тобто величину d N/d t) невеликої відомої кількості цього елемента (з відомим числом атомів N) і потім за формулою d N/d t = –Nвизначити величину  = ln2/ T 1/2.

Закон усунення.Якщо на періодичну таблицю елементів нанести послідовно члени будь-якого радіоактивного ряду, то виявиться, що радіонукліди у цьому ряду не зміщуються плавно від материнського елемента (урану, торію чи нептунія) до свинцю чи вісмуту, а «стрибають» то вправо, то вліво. Так, у ряді урану два нестабільні ізотопи свинцю (елемент № 82) перетворюються на ізотопи вісмуту (елемент № 83), потім – на ізотопи полонію (елемент № 84), а ті – знову на ізотопи свинцю. В результаті радіоактивний елемент часто повертається назад - в ту ж клітину таблиці елементів, однак утворюється ізотоп з іншою масою. Виявилося, що в цих «стрибках» існує певна закономірність, яку в 1911 відмітив Ф.Содді.

Зараз відомо, що при -розпаді з ядра вилітає -частка (ядро атома гелію, ), отже, заряд ядра зменшується на 2 (зміщення в періодичній таблиці на дві клітини вліво), а масове число зменшується на 4, що дозволяє передбачити, який саме ізотоп нового елемента утворюється. Ілюстрацією може бути -розпад радону:  + . При -розпаді, навпаки, кількість протонів у ядрі збільшується на одиницю, а маса ядра не змінюється ( див.РАДІОАКТИВНІСТЬ), тобто. відбувається зміщення у таблиці елементів одну клітину вправо. Прикладом можуть бути два послідовні перетворення утвореного з радону полонію:   . Таким чином, можна підрахувати, скільки всього альфа-і бета-часток випускається, наприклад, в результаті розпаду радію-226 (див. ряд урану), якщо не враховувати «вилки». Вихідний нуклід, кінцевий -. Зменшення маси (вірніше, масового числа, тобто сумарного числа протонів і нейтронів в ядрі) дорівнює 226 - 206 = 20, отже, було випущено 20/4 = 5 альфа-часток. Ці частинки забрали з собою 10 протонів, і якби не було -розпадів, заряд ядра кінцевого продукту розпаду дорівнював 88 - 10 = 78. Насправді в кінцевому продукті 82 протона, отже, в ході перетворень 4 нейтрони перетворилися на протони і було випущено 4 -частинки.

Дуже часто після -розпаду слідують два -розпаду, і таким чином утворюється елемент повертається у вихідну клітину таблиці елементів – у вигляді легшого ізотопу вихідного елемента. Завдяки цим фактам стало очевидним, що періодичний закон Д. І. Менделєєва відбиває зв'язок між властивостями елементів і зарядом їх ядра, а не їх масою (як це було сформульовано спочатку, коли будова атома не була відома).

Остаточно закон радіоактивного зміщення був сформульований в 1913 в результаті ретельних досліджень багатьох вчених. Серед них слід відзначити асистента Содді Олександра Флека, стажера Содді А.С. ). Цей закон часто називають законом Содді - Фаянса.

Штучне перетворення елементів та штучна радіоактивність.Ще з часів Беккереля було помічено, що звичайні речовини, що побували поруч із радіоактивними сполуками, самі стають більшою чи меншою мірою радіоактивними. Резерфорд називав це «збудженою активністю», подружжя Кюрі - «наведеною активністю», але суть явища довго ніхто не міг пояснити.

У 1919 р. Резерфорд вивчав проходження -частинок через різні речовини. Виявилося, що при ударі часток -часток про ядра легких елементів, наприклад, азоту, з них зрідка можуть вибиватися швидко протони, що швидко летять (ядра водню), при цьому сама -частка входить до складу ядра, яке збільшує свій заряд на одиницю. Таким чином, внаслідок реакції +  + з азоту утворюється інший хімічний елемент – кисень (важкий його ізотоп). Це була перша штучно проведена реакція перетворення одного елемента на інший. У цьому, і навіть інших ядерних процесах зберігається як сумарний заряд (нижні індекси), і масове число, тобто. сумарне число протонів та нейтронів (верхні індекси).

Збулася вікова мрія алхіміків: людина навчилася перетворювати одні елементи на інші, щоправда, практичного виходу від цього вміння за часів Резерфорда ніхто не очікував. Справді, для отримання -часток, потрібно було мати їхнє джерело, наприклад, препарат радію. Гірше того, на мільйон «випущених по азоту» -часток у середньому виходило лише 20 атомів кисню.

Згодом було реалізовано й інші ядерні реакції, і з них отримали практичне застосування. У квітні 1932 року на засіданні англійської Академії наук (Королівського товариства) Резерфорд оголосив, що в його лабораторії успішно здійснено реакції розщеплення легких елементів (наприклад, літію) протонами. Для цього протони, отримані з водню, розганяли за допомогою високої напруги, що дорівнює десяткам або навіть сотням тисяч вольт. Протони, маючи менший, ніж -частинки, заряд та масу, легше проникають у ядро. Впроваджуючи в ядро ​​літію-7, протон перетворює його на ядро ​​берилію-8, яке практично миттєво «скидає» надлишок енергії, розвалюючись навпіл, на дві -частки: + ()  2. Якщо ж взяти легкий ізотоп літію (у природу літії його 7,5%), то утворюються ядра двох ізотопів гелію: +  ()  + . При обстрілі протонами кисню було отримано фтор: +  + ; під час обстрілу алюмінію – магній: + + .

Безліч різноманітних перетворень було з розігнаними до високих швидкостей дейтронами – ядрами важкого ізотопу водню дейтерію. Так, у ході реакції +  + вперше було отримано надважкий водень – тритій. Зіткнення двох дейтронів може йти інакше: +  + ці процеси важливі для вивчення можливості керованої термоядерної реакції. Важливою виявилася реакція +  ()  2, оскільки вона йде вже за порівняно невеликої енергії дейтронів (0,16 МеВ) і супроводжується при цьому виділенням колосальної енергії – 22,7 МеВ (нагадаємо, що 1 МеВ = 10 6 еВ, а 1 еВ = 96,5 кДж/моль).

Велике практичне значення набула реакція, що йде при обстрілі берилію -частинками: +  ()  + , вона привела в 1932 до відкриття нейтральної частки нейтрону, а радій-берилієві джерела нейтронів виявилися дуже зручними для наукових досліджень. Нейтрони з різною енергією можна отримувати і в результаті реакцій +  +; +  +; +  +. Нейтрони, що не мають заряду, особливо легко проникають в атомні ядра і викликають різноманітні процеси, які залежать як від обстрілюваного нукліду, так і від швидкості (енергії) нейтронів. Так, повільний нейтрон може бути просто захоплений ядром, а від деякого надлишку енергії ядро ​​звільняється шляхом випромінювання гамма-кванту, наприклад: +  + . Ця реакція широко використовується в ядерних реакторах для регулювання реакції розподілу урану: для уповільнення реакції в ядерний котел всуваються кадмієві стрижні або пластини.

У 1934 році подружжя Ірен і Фредерік Жоліо-Кюрі зробили важливе відкриття. Піддавши бомбардування -частинками деякі легкі елементи (їх випускав полоній), вони очікували реакції, подібної до вже відомої для берилію, тобто. вибивання нейтронів, наприклад:

Якби справа обмежувалася цими перетвореннями, то після припинення -опромінення нейтронний потік мав би негайно вичерпатися, так що, прибравши полонієве джерело, вони очікували на припинення будь-якої активності, але виявили, що лічильник частинок продовжує реєструвати імпульси, які поступово згасали – в точному із експоненційним законом. Це можна було інтерпретувати єдиним способом: внаслідок альфа-опромінення виникали не відомі раніше радіоактивні елементи з характерним періодом напіврозпаду – 10 хв для азоту-13 та 2,5 хв для фосфору-30. Виявилося, що ці елементи зазнають позитронного розпаду:  + e + ,  + e + . Цікаві результати вийшли з магнієм, представленим трьома стабільними природними ізотопами, і виявилося, що при -опроміненні вони всі дають радіоактивні нукліди кремнію або алюмінію, які зазнають 227- або позитронний розпад:

Отримання штучних радіоактивних елементів має велике практичне значення, оскільки дозволяє синтезувати радіонукліди зі зручним для конкретної мети періодом напіврозпаду та потрібним видом випромінювання з певною потужністю. Особливо зручно використовувати як «снаряди» нейтрони. Захоплення нейтрона ядром часто робить його настільки нестабільним, що нове ядро ​​стає радіоактивним. Стійким воно може стати за рахунок перетворення «зайвого» нейтрона на протон, тобто за рахунок 227-випромінювання; таких реакцій відомо дуже багато, наприклад: +   + e. Дуже важлива реакція утворення радіовуглецю, що протікає у верхніх шарах атмосфери: +  + ( див.РАДІОВУГЛЕРОДНИЙ МЕТОД АНАЛІЗУ). Шляхом поглинання повільних нейтронів ядрами літію-6 синтезують тритій. Багато ядерних перетворень можна отримати під дією швидких нейтронів, наприклад: +  + ; +  +; +  +. Так, опромінюючи нейтронами стандартний кобальт, отримують радіоактивний кобальт-60, що є сильним джерелом гамма-випромінювання (воно виділяється препаратом розпаду 60 С - збудженими ядрами). Шляхом опромінення нейтронами одержують деякі трансуранові елементи. Наприклад, з природного урану-238 утворюється спочатку нестійкий уран-239, який при -розпаді ( Т 1/2 = 23,5 хв) перетворюється на перший трансурановий елемент нептуній-239, а він, у свою чергу, також шляхом -розпаду ( Т 1/2 = 2,3 сут) перетворюється на дуже важливий так званий збройовий плутоній-239.

Чи можна штучним шляхом, провівши потрібну ядерну реакцію, здобути золото і таким чином здійснити те, що не вдалося алхімікам? Теоретично для цього немає перешкод. Понад те, такий синтез вже було проведено, проте багатство не приніс. Найпростіше було б для штучного отримання золота опромінювати потоком нейтронів ртуть – елемент, що у періодичної таблиці за золотом. Тоді в результаті реакції +  + нейтрон вибив би з атома ртуті протон і перетворив його на атом золота. У цій реакції не вказано конкретні значення масових чисел ( А) нуклідів ртуті та золота. Золото в природі представлено єдиним стабільним нуклідом, а природна ртуть - це складна суміш ізотопів А= 196 (0,15%), 198 (9,97%), 199 (1,87%), 200 (23,10%), 201 (13,18%), 202 (29,86%) та 204 (6,87%). Отже, за наведеною схемою можна отримати лише нестійке радіоактивне золото. Його і отримала група американських хіміків з Гарвардського університету ще на початку 1941 року, опромінюючи ртуть потоком швидких нейтронів. Через кілька днів усі отримані радіоактивні ізотопи золота шляхом бета-розпаду знову перетворилися на вихідні ізотопи ртуті.

Але є й інший шлях: якщо атоми ртуті-196 опромінюватимуть повільними нейтронами, то вони перетворяться на атоми ртуті-197: +  + . Ці атоми з періодом напіврозпаду 2,7 діб зазнають електронного захоплення і перетворюються, нарешті, на стабільні атоми золота: + e  . Таке перетворення здійснили 1947 року співробітники Національної лабораторії в Чикаго. Опромінюючи 100 мг ртуті повільними нейтронами, вони отримали 0,035 мг 197Au. По відношенню до всієї ртуті вихід дуже малий - всього 0,035%, але щодо 196Hg він досягає 24%! Однак ізотопу 196 Hg в природній ртуті якраз найменше, крім того, і сам процес опромінення та його тривалість (опромінювати потрібно кілька років), і виділення стабільного «синтетичного золота» зі складної суміші обійдеться незмірно дорожче, ніж виділення золота з найбідніших його руд ( Див. такожЗОЛОТО). Тож штучне отримання золота має лише суто теоретичний інтерес.

Кількісні закономірності радіоактивних перетворень.Якби можна було простежити за конкретним нестабільним ядром, то передбачити, коли він розпадеться, не вдалося б. Це випадковий процес і лише окремих випадках можна оцінити ймовірність розпаду протягом певного часу. Однак навіть у найдрібнішій порошинці, майже не видимої в мікроскоп, міститься величезна кількість атомів, і якщо ці атоми радіоактивні, то їхній розпад підпорядковується суворим математичним закономірностям: набувають чинності статистичні закони, характерні для дуже великої кількості об'єктів. І тоді кожен радіонуклід можна охарактеризувати цілком певною величиною – періодом напіврозпаду ( T 1/2) – це час, протягом якого розпадається половина наявного числа ядер. Якщо у початковий момент було N 0 ядер, то через час t = T 1/2 їх залишиться N 0/2, при t = 2T 1/2 залишиться N 0/4 = N 0/2 2 , при t = 3T 1/2 – N 0/8 = N 0/2 3 і т.д. У загальному випадку при t = nT 1/2 залишиться N 0/2 nядер, де n = t/T 1/2 - число періодів напіврозпаду (воно не обов'язково має бути цілим). Легко показати, що формула N = N 0/2 t / T 1/2 еквівалентна формулі N = N 0e –   t, де  – так звана стала розпаду. Формально вона визначається як коефіцієнт пропорційності між швидкістю розпаду d N/d tта наявним числом ядер: d N/d t = –N(Знак мінус показує, що Nзменшується з часом). Інтегрування цього диференціального рівняння дає експоненційну залежність від часу числа ядер. Підставляючи у цю формулу N = N 0/2 при t = T 1/2, отримують що стала розпаду назад пропорційна періоду напіврозпаду:  = ln2/ T 1/2 = 0,693/T 1/2. Розмір  = 1/ називається середнім часом життя ядра. Наприклад, для 226 Ra T 1/2 = 1600 років,  = 1109 років.

За наведеними формулами, знаючи величину T 1/2 (або ), легко розрахувати кількість радіонукліду через будь-який проміжок часу, за ними ж можна розрахувати період напіврозпаду, якщо відома кількість радіонукліду у різні моменти часу. Замість числа ядер можна підставити у формулу активність випромінювання, яка прямо пропорційна готівковій кількості ядер N. Активність зазвичай характеризують не загальним числом розпадів у зразку, а пропорційним числом імпульсів, які реєструє прилад, що вимірює активність. Якщо є, наприклад, 1 г радіоактивної речовини, то чим менше період його напіврозпаду, тим більшою активністю матиме речовина.

Інші математичні закономірності описують поведінку малої кількості радіонуклідів. Тут можна говорити лише про ймовірність тієї чи іншої події. Нехай, наприклад, є один атом (точніше, одне ядро) радіонукліду з T 1/2 = 1 хв. Імовірність того, що цей атом проживе 1 хвилину, дорівнює 1/2 (50%), 2 хвилини – 1/4 (25%), 3 хвилини – 1/8 (12,5%), 10 хвилин – (1/2 ) 10 = 1/10 24 (0,1%), 20 хв - (1/2) 20 = 1/1048576 (0,00001%). Для єдиного атома шанс мізерний, але коли атомів дуже багато, наприклад, кілька мільярдів, багато з них, без сумніву, проживуть і 20 періодів піврозпаду і набагато більше. Імовірність того, що атом розпадеться за деякий проміжок часу, виходить відніманням отриманих значень зі 100. Так, якщо ймовірність атома прожити 2 хвилини дорівнює 25%, то ймовірність розпаду того ж атома протягом цього часу дорівнює 100 – 25 = 75%, ймовірність розпаду протягом 3 хвилин – 87,5%, протягом 10 хвилин – 99,9% тощо.

Формула ускладнюється, якщо кілька нестабільних атомів. І тут статистична ймовірність тієї чи іншої події описується формулою з биномиальными коефіцієнтами. Якщо є Nатомів, і ймовірність розпаду одного з них за час tдорівнює p, то ймовірність того, що за час tз Nатомів розпадеться n(і залишиться відповідно N – n), дорівнює P = N!p n (1–p) N – n /(N–n)!n! Подібні формули доводиться використовувати при синтезі нових нестабільних елементів, атоми яких отримують буквально поштучно (наприклад, коли група американських учених у 1955 р. відкрила новий елемент Менделєвій, вони отримали його в кількості всього 17 атомів).

Було одним із найважливіших етапів у розвитку сучасного фізичного знання. Вчені дійшли правильних висновків щодо структури найдрібніших частинок не відразу. І набагато пізніше були відкриті інші закономірності - наприклад, закони руху мікрочастинок, і навіть особливості перетворення атомних ядер, які відбуваються при радіоактивному розпаді.

Досліди Резерфорда

Вперше радіоактивні перетворення атомних ядер вивчали англійський дослідник Резерфорд. Вже тоді було зрозуміло, що переважна більшість атома посідає його ядро, оскільки електрони у багато сотень разів легше, ніж нуклоны. Для того щоб дослідити позитивний заряд усередині ядра, в 1906 Резерфорд запропонував дослідити атом за допомогою зондування альфа-частинками. Такі частки виникали при розпаді радію, а також деяких інших речовин. У ході своїх дослідів Резерфорд отримав уявлення про будову атома, якому було надано назву «планетарної моделі».

Перші спостереження радіоактивності

Ще 1985 року англійський дослідник У. Рамзай, відомий своїм відкриттям газу аргону, зробив цікаве відкриття. У мінералі під назвою наклеп він виявив газ гелій. Згодом велику кількість гелію було знайдено також і в інших мінералах, але лише в тих, до складу яких входять торій та уран.

Досліднику це здавалося дуже дивним: звідки міг взятися в мінералах газ? Але коли Резерфорд почав вивчати природу радіоактивності, то виявилося, що гелій є продуктом радіоактивного розпаду. Одні хімічні елементи породжують інші, з абсолютно новими властивостями. І цей факт суперечив усьому попередньому досвіду хіміків того часу.

Спостереження Фредеріка Соді

Разом із Резерфордом у дослідженнях брав безпосередню участь вчений Фредерік Содді. Він був хіміком, і тому вся його робота проводилася щодо ототожнення хімічних елементів відповідно до їх властивостей. Насправді радіоактивні перетворення атомних ядер вперше помітили Содді. Він зумів з'ясувати, що є альфа-частинки, якими користувався у своїх дослідах Резерфорд. Зробивши вимірювання, вчені з'ясували, що маса однієї альфа-частинки становить 4 атомні одиниці маси. Нагромадивши певну кількість таких альфа-часток, дослідники виявили, що вони перетворилися на нову речовину – гелій. Властивості цього газу добре відомі Содді. Тому він стверджував, що альфа-частинки зуміли захопити електрони ззовні та перетворитися на нейтральні атоми гелію.

Зміни усередині ядра атома

Наступні дослідження було спрямовано виявлення особливостей атомного ядра. Вчені зрозуміли, що це перетворення відбуваються не з електронами або електронною оболонкою, а безпосередньо з самими ядрами. Саме радіоактивні перетворення атомних ядер сприяли перетворенню одних речовин на інші. Тоді ще особливості цих перетворень вченим були невідомі. Але зрозуміло було одне: у результаті якимось чином з'являються нові хімічні елементи.

Вперше такий ланцюжок метаморфоз вченим вдалося простежити у процесі перетворення радію на радон. Реакції, у яких відбувалися такі перетворення, що супроводжувалися особливим випромінюванням, дослідники назвали ядерними. Переконавшись, що ці процеси протікають саме всередині ядра атома, вчені почали досліджувати й інші речовини, як радій.

Відкриті види випромінювань

Основна дисципліна, яка може вимагати відповіді на такі питання - це фізика (9 клас). Радіоактивні перетворення атомних ядер входять до її курсу. Проводячи досліди над проникаючою здатністю уранового випромінювання, Резерфорд відкрив два види випромінювань або радіоактивних перетворень. Менш проникаючий тип був названий альфа-випромінюванням. Пізніше було досліджено і бета-випромінювання. Гамма-випромінювання вперше було вивчено Полем Віллардом у 1900 році. Вчені показали, що радіоактивності пов'язані з розпадом атомних ядер. Таким чином, за панівними до того часу уявленнями про атом як про неподільну частинку було завдано нищівного удару.

Радіоактивні перетворення атомних ядер: основні типи

Зараз вважається, що під час радіоактивного розпаду відбувається три види перетворень: альфа-розпад, бета-розпад, електронне захоплення, інакше зване К-захопленням. При альфа-розпаді відбувається випромінювання з ядра альфа-частинки, яка є ядром атома гелію. Саме радіоактивне ядро ​​при цьому перетворюється на таке, що має менший електричний заряд. Альфа-розпад властивий речовинам, які займають останні місця у таблиці Менделєєва. Бета-розпад також входить у радіоактивні перетворення атомних ядер. Склад атомного ядра у своїй типі також змінюється: воно втрачає нейтрино чи антинейтрино, і навіть електрони і позитрони.

Цей тип розпаду супроводжується короткохвильовим електромагнітним випромінюванням. При електронному захопленні ядро ​​атома поглинає одне із найближчих електронів. При цьому ядро ​​берилію може перетворитися на ядро ​​літію. Цей тип було виявлено у 1938 році фізиком з Америки на прізвище Альварес, який також вивчав радіоактивні перетворення атомних ядер. Фото, на яких дослідники намагалися сфотографувати такі процеси, містять зображення, схожі на розмиту хмару, внаслідок малих величин досліджуваних частинок.

У 1900 Резерфорд розповів про таємничу торону англійському радіохіміку Фредеріку Содді. Содді довів, що торон – інертний газ, подібний до аргону, відкритого за кілька років до цього в повітрі; це був один з ізотопів радону, 220 Rn. Еманація радію, як з'ясувалося згодом, виявилася іншим ізотопом радону – 222 Rn (період напіврозпаду) Т 1/2 = 3,825 діб), а еманація актинія - короткоживучим ізотопом того ж елемента: 219 Rn ( Т 1/2 = 4 с). Більше того, Резерфорд та Содді виділили з продуктів перетворення торію новий нелетючий елемент, відмінний за властивостями від торію. Його назвали торієм Х (згодом встановили, що це був ізотоп радію 224 Ra c Т 1/2 = 3,66 діб). Як з'ясувалося, «еманація торію» виділяється саме з торію Х, а не з вихідного торію. Подібні приклади множилися: спочатку хімічно ретельно очищених урані або торії з часом виявлялася домішка радіоактивних елементів, з яких, у свою чергу, виходили нові радіоактивні елементи, в тому числі і газоподібні. Так, що виділяються з багатьох радіоактивних препаратів a-частинки перетворювалися на газ, ідентичний гелію, який був відкритий наприкінці 1860-х на Сонці (спектральним методом), а в 1882 виявлений у деяких гірських породах.

Результати спільної роботи Резерфорд і Содді опублікували в 1902-1903 у ряді статей у "Philosophical Magazine" - "Філософському журналі". У цих статтях, проаналізувавши отримані результати, автори дійшли висновку про можливість перетворення одних хімічних елементів на інші. Вони писали: «Радіоактивність - це атомне явище, що супроводжується хімічними змінами, в яких народжуються нові види речовини... Радіоактивність потрібно розглядати як прояв внутрішньоатомного хімічного процесу... Радіація супроводжує перетворення атомів... , повністю відмінне за своїми фізичними та хімічними властивостями від первісної речовини».

У ті часи ці висновки були дуже сміливими; інші видатні вчені, серед яких були і подружжя Кюрі, хоча й спостерігали аналогічні явища, пояснювали їх присутністю «нових» елементів у вихідній речовині від самого початку (наприклад, з уранової руди Кюрі виділила полоній і радій, що міститься в ній). Проте, мають рацію Резерфорд і Содді: радіоактивність супроводжується перетворенням одних елементів на інші

Здавалося, що руйнується непорушне: незмінність і неподільність атомів, адже ще з часів Бойля і Лавуазьє хіміки дійшли висновку про нерозкладність хімічних елементів (як тоді казали, «простих тіл», цегли світобудови), про неможливість їхнього перетворення один на одного. Про те, що діялося в умах вчених того часу, яскраво свідчать висловлювання Д.І. елементів. У виданому у 1906 підручнику Основи хіміївін писав: «...я зовсім не схильний (на підставі суворої, але плідної дисципліни індуктивних знань) визнавати навіть гіпотетичну перетворюваність одних елементів один в одного і не бачу жодної можливості походження аргонових чи радіоактивних речовин із урану чи назад.»

Час показав помилковість поглядів Менделєєва щодо неможливості перетворення одних хімічних елементів на інші; водночас він підтвердив непорушність його головного відкриття – періодичного закону. Наступні роботи фізиків і хіміків показали, у яких одні елементи можуть перетворюватися на інші і які закони природи керують цими перетвореннями.

Перетворення елементів. Радіоактивні лави.

Протягом двох десятиліть 20 в. працями багатьох фізиків та радіохіміків було відкрито безліч радіоактивних елементів. Поступово з'ясувалося, що продукти їхнього перетворення часто самі є радіоактивними і зазнають подальших перетворень, іноді досить заплутаних. Знання того, в якій послідовності один радіонуклід перетворюється на інший, дозволило побудувати так звані природні радіоактивні ряди (або радіоактивні сімейства). Їх виявилося три, і назвали їх поряд урану, поряд актинія та поряд торію. Свій початок ці три ряди брали від важких природних елементів - урану, відомого з 18 ст., І торію, відкритого в 1828 (нестійкий актиній не родоначальник, а проміжний член ряду актинія). Пізніше до них додався ряд нептунія, що починається зі штучно отриманого в 1940 першого трансуранового елемента № 93 - нептунія. За вихідними елементами називали і багато продуктів їх перетворення, записуючи такі схеми:

Ряд урану: UI ® UХ1 ® UХ2 ® UII ® Io (іоній) ® Ra ® ... ® RaG.

Ряд актинія: AcU ® UY ® Pa ® Ac ® AcK ® AcX ® An ® AcA ® AcB ® AcC ® AcC"" ® AcD.

Ряд торію: Th ® MsTh1 ® MsTh2 ® RdTh ® Thh ® ThEm ® ThA ® ThB ® ThC ® ThC" ® ThD.

Як з'ясувалося, ці ряди не завжди є «прямими» ланцюжками: іноді вони розгалужуються. Так, UX2 з ймовірністю 0,15% може перетворитися на UZ, він далі перетворюється на UII. Аналогічно ThC може розпадатися двома шляхами: перетворення ThC® ThC" йде на 66,3%, і одночасно з ймовірністю 33,7% йде процес ThC® ThC""® ThD. Це так звані «вилки», паралельне перетворення одного радіонукліду в різні продукти.Трудність у встановленні правильної послідовності радіоактивних перетворень у цьому ряду була пов'язана і з дуже малим часом життя багатьох його членів, особливо бета-активних.

Колись кожен новий член радіоактивного ряду розглядався як новий радіоактивний елемент, і для нього фізики та радіохімії вводили свої позначення: іоній Io, мезоторій-1 MsTh1, актиноуран AcU, еманація торію ThEm тощо. і т.п. Ці позначення громіздкі і незручні, вони не мають чіткої системи. Тим не менш, деякі з них досі іноді традиційно використовуються в спеціальній літературі. Згодом з'ясувалося, що ці символи ставляться до нестійких різновидів атомів (точніше, ядер) звичайних хімічних елементів – радионуклидам. Щоб розрізнити хімічно невіддільні, але відрізняються за періодом напіврозпаду (а часто й за типом розпаду) елементи, Ф.Содді в 1913 запропонував називати їх ізотопами

Після співвіднесення кожного члена ряду одному з ізотопів відомих хімічних елементів стало ясно, що ряд урану починається з урану-238 ( T 1/2 = 4,47 млрд. років) і закінчується стабільним свинцем-206; оскільки одним із членів цього ряду є дуже важливий елемент радій), цей ряд називають також рядом урану – радію. Ряд актинія (інша його назва – ряд актиноурану) теж бере свій початок від природного урану, але від іншого його ізотопу – 235 U ( Т 1/2 = 794 млн. Років). Ряд торію починається з нукліду 232 Th ( T 1/2 = 14 млрд. Років). Нарешті, не представлений у природі ряд нептунія починається зі штучно отриманого самого довгоживучого ізотопу нептунія: 237 Np ® 233 Pa ® 233 U ® 229 Th ® 225 209 Bi. У цьому ряду також є «вилка»: 213 Bi з ймовірністю 2% може перетворитися на 209 Tl, а той уже переходить на 209 Pb. Цікавішою особливістю ряду нептунія є відсутність газоподібних «еманацій», а також кінцевий член ряду – вісмут замість свинцю. Період напіврозпаду родоначальника цього штучного ряду дорівнює "всього" 2,14 млн. років, тому нептуній, навіть якби він був присутній при формуванні Сонячної системи, не зміг би "дожити" до наших днів, т.к. вік Землі оцінюється в 4,6 млрд. років, і за цей час (понад 2000 періодів напіврозпаду) від нептунія не залишилося б жодного атома.

Як приклад можна навести розплутаний Резерфордом складний клубок подій у ланцюзі перетворення радію (радій-226 – шостий член радіоактивного ряду урану-238). На схемі наведено як символи часів Резерфорда, так і сучасні позначення нуклідів, а також тип розпаду та сучасні дані про періоди напіврозпаду; у наведеному ряду також існує невелика «вилка»: RaC з ймовірністю 0,04% може перейти в RaC"(210 Tl), який потім перетворюється на той же RaD ( T 1/2 = 1,3 хв). У цього радіоактивного свинцю досить великий період напіврозпаду, тому за час експерименту часто можна не зважати на його подальші перетворення.

Останній член цього ряду, свинець-206 (RaG), стабільний; у природному свинці його 24,1%. Ряд торію призводить до стабільного свинцю-208 (вміст його у «звичайному» свинці 52,4%), ряд актинія – до свинцю-207 (вміст у свинці 22,1%). Співвідношення цих ізотопів свинцю в сучасній земній корі, звичайно, пов'язане як з періодом напіврозпаду материнських нуклідів, так і з їх вихідним співвідношенням у речовині, з якої утворилася Земля. А «звичайного», нерадіогенного свинцю в земній корі всього 1,4%. Так що якби не було вихідно на Землі урану і торію, свинцю в ній було б не 1,6·10 –3 % (приблизно як кобальту), а в 70 разів менше (як, наприклад, таких рідкісних металів як індій та тулій!) . З іншого боку, уявний хімік, який прилетів на нашу планету кілька мільярдів років тому, знайшов би в ній значно менше свинцю і набагато більше урану і торію.

Коли Ф.Содді в 1915 виділив з цейлонського мінералу ториту (ThSiO 4) свинець, що утворився при розпаді торію, його атомна маса виявилася рівною 207,77, тобто більше, ніж у «звичайного» свинцю (207,2) Ця відмінність від «теоретичного »(208) пояснюється тим, що в торит було трохи урану, який дає свинець-206. Коли американський хімік Теодор Вільям Річардс, авторитет у галузі вимірювання атомних мас, виділив свинець з деяких уранових мінералів, що не містять торію, його атомна маса виявилася рівною майже точно 206. Трохи меншою була і щільність цього свинцю, причому вона відповідала розрахунковій: r ( Pb) ґ 206/207,2 = 0,994 r (Pb), де r (Pb) = 11,34 г/см 3 . Ці результати наочно показують, чому для свинцю, як і для інших елементів, немає сенсу вимірювати атомну масу з дуже високою точністю: зразки, взяті в різних місцях, дадуть трохи різні результати ( див.Вуглецева одиниця).

У природі безперервно відбуваються наведені на схемах ланцюжки перетворень. В результаті одні хімічні елементи (радіоактивні) перетворюються на інші, і такі перетворення відбувалися протягом усього періоду існування Землі. Початкові члени (їх називають материнськими) радіоактивних рядів - довгоживучі: період напіврозпаду урану-238 дорівнює 4,47 млрд. років, торію-232 - 14,05 млрд. років, урану-235 (він же «актиноуран» - родоначальник ряду актинія ) - 703,8 млн. років. Усі наступні («дочірні») члени цього довгого ланцюжка живуть значно менше. У такому разі настає стан, який радіохіміки називають «радіоактивною рівновагою»: швидкість утворення проміжного радіонукліда з материнського урану, торію або актинія (ця швидкість дуже мала) дорівнює швидкості розпаду цього нукліду. Через війну рівності цих швидкостей зміст даного радионуклида завжди і залежить від періоду його напіврозпаду: концентрація короткоживучих членів радіоактивних рядів мала, довгоживучих членів – більше. Така сталість вмісту проміжних продуктів розпаду зберігається протягом дуже тривалого часу (цей час визначається періодом напіврозпаду материнського нукліду, а воно дуже велике). Прості математичні перетворення призводять до такого висновку: відношення числа материнських ( N 0) та дочірніх ( N 1, N 2, N 3...) атомів прямо пропорційно їх періодам напіврозпаду: N 0:N 1:N 2:N 3... = T 0:T 1:T 2:T 3... Так, період напіврозпаду урану-238 становить 4,47·10 9 років, радію-226 – 1600 років, тому відношення числа атомів урану-238 і радію-226 в уранових рудах дорівнює 4,47·10 9:1600 , Звідки легко підрахувати (з урахуванням атомних мас цих елементів), що на 1 т урану при досягненні радіоактивної рівноваги припадає всього 0,34 г радію.

І навпаки, знаючи співвідношення в рудах урану та радію, а також період напіврозпаду радію, можна визначити період напіврозпаду урану, при цьому для визначення періоду напіврозпаду радію не потрібно чекати більше тисячі років – достатньо виміряти (за його радіоактивністю) швидкість розпаду (тобто величину d N/d t) невеликої відомої кількості цього елемента (з відомим числом атомів N) і потім за формулою d N/d t= -l Nвизначити величину l = ln2/ T 1/2.

Закон усунення.

Якщо на періодичну таблицю елементів нанести послідовно члени будь-якого радіоактивного ряду, то виявиться, що радіонукліди у цьому ряду не зміщуються плавно від материнського елемента (урану, торію чи нептунія) до свинцю чи вісмуту, а «стрибають» то вправо, то вліво. Так, у ряді урану два нестабільні ізотопи свинцю (елемент № 82) перетворюються на ізотопи вісмуту (елемент № 83), потім – на ізотопи полонію (елемент № 84), а ті – знову на ізотопи свинцю. В результаті радіоактивний елемент часто повертається назад - в ту ж клітину таблиці елементів, однак утворюється ізотоп з іншою масою. Виявилося, що в цих «стрибках» існує певна закономірність, яку в 1911 відмітив Ф.Содді.

Зараз відомо, що при a-розпаді з ядра вилітає a-частка (ядро атома гелію, ), отже, заряд ядра зменшується на 2 (зміщення в періодичній таблиці на дві клітини вліво), а масове число зменшується на 4, що дозволяє передбачити, який саме ізотоп нового елемента утворюється. Ілюстрацією може бути a -розпад радону: ® + . При b-розпаді, навпаки, кількість протонів в ядрі збільшується на одиницю, а маса ядра не змінюється ( див.РАДІОАКТИВНІСТЬ), тобто. відбувається зміщення у таблиці елементів одну клітину вправо. Прикладом можуть бути два послідовні перетворення утвореного з радону полонію : ® ® . Таким чином, можна підрахувати, скільки всього альфа-і бета-часток випускається, наприклад, в результаті розпаду радію-226 (див. ряд урану), якщо не враховувати «вилки». Вихідний нуклід, кінцевий -. Зменшення маси (вірніше, масового числа, тобто сумарного числа протонів і нейтронів в ядрі) дорівнює 226 - 206 = 20, отже, було випущено 20/4 = 5 альфа-часток. Ці частинки забрали з собою 10 протонів, і якби не було b-розпадів, заряд ядра кінцевого продукту розпаду дорівнював би 88 - 10 = 78. Насправді в кінцевому продукті 82 протона, отже, в ході перетворень 4 нейтрону перетворилися на протони і було випущено 4 b-частинки.

Дуже часто після a-розпаду слідують два b-розпаду, і таким чином утворюється елемент повертається у вихідну клітину таблиці елементів - у вигляді легшого ізотопу вихідного елемента. Завдяки цим фактам стало очевидним, що періодичний закон Д. І. Менделєєва відбиває зв'язок між властивостями елементів і зарядом їх ядра, а не їх масою (як це було сформульовано спочатку, коли будова атома не була відома).

Остаточно закон радіоактивного зміщення був сформульований в 1913 в результаті ретельних досліджень багатьох вчених. Серед них слід відзначити асистента Содді Олександра Флека, стажера Содді А.С. ). Цей закон часто називають законом Содді - Фаянса.

Штучне перетворення елементів та штучна радіоактивність.

Безліч різноманітних перетворень було з розігнаними до високих швидкостей дейтронами – ядрами важкого ізотопу водню дейтерію. Так, у ході реакції + ® + вперше було отримано надважкий водень – тритій. Зіткнення двох дейтронів може йти інакше: + ® + ці процеси важливі для вивчення можливості керованої термоядерної реакції. Важливою виявилася реакція + ® () ® 2 , оскільки вона йде вже за порівняно невеликої енергії дейтронів (0,16 МеВ) і супроводжується при цьому виділенням колосальної енергії – 22,7 МеВ (нагадаємо, що 1 МеВ = 10 6 еВ, а 1 еВ = 96,5 кДж/моль).

Велике практичне значення набула реакція, що йде при обстрілі берилію a-частинками: + ® () ® + , вона привела в 1932 до відкриття нейтральної частки нейтрону, а радій-берилієві джерела нейтронів виявилися дуже зручними для наукових досліджень. Нейтрони з різною енергією можна отримувати і в результаті реакцій + ® +; + ® +; + ® + . Нейтрони, що не мають заряду, особливо легко проникають в атомні ядра і викликають різноманітні процеси, які залежать як від обстрілюваного нукліду, так і від швидкості (енергії) нейтронів. Так, повільний нейтрон може бути просто захоплений ядром, а від деякого надлишку енергії ядро ​​звільняється шляхом випромінювання гамма-кванту, наприклад: + ® + g . Ця реакція широко використовується в ядерних реакторах для регулювання реакції розподілу урану: для уповільнення реакції в ядерний котел всуваються кадмієві стрижні або пластини.

Якби справа обмежувалася цими перетвореннями, то після припинення a-опромінення нейтронний потік мав би негайно вичерпатися, так що, прибравши полонієве джерело, вони очікували припинення будь-якої активності, але виявили, що лічильник частинок продовжує реєструвати імпульси, які поступово згасали – у точній відповідності із експоненційним законом. Це можна було інтерпретувати єдиним способом: внаслідок альфа-опромінення виникали не відомі раніше радіоактивні елементи з характерним періодом напіврозпаду – 10 хв для азоту-13 та 2,5 хв для фосфору-30. Виявилося, що ці елементи зазнають позитронний розпад: + e + , + e + . Цікаві результати вийшли з магнієм, представленим трьома стабільними природними ізотопами, і виявилося, що при a-опроміненні вони всі дають радіоактивні нукліди кремнію або алюмінію, які зазнають 227- або позитронний розпад:

Отримання штучних радіоактивних елементів має велике практичне значення, оскільки дозволяє синтезувати радіонукліди зі зручним для конкретної мети періодом напіврозпаду та потрібним видом випромінювання з певною потужністю. Особливо зручно використовувати як «снаряди» нейтрони. Захоплення нейтрона ядром часто робить його настільки нестабільним, що нове ядро ​​стає радіоактивним. Стійким воно може стати за рахунок перетворення «зайвого» нейтрона на протон, тобто за рахунок 227-випромінювання; таких реакцій відомо дуже багато, наприклад: + ® ® + e. Дуже важлива реакція утворення радіовуглецю, що протікає у верхніх шарах атмосфери: + ® + ( див.РАДІОВУГЛЕРОДНИЙ МЕТОД АНАЛІЗУ). Шляхом поглинання повільних нейтронів ядрами літію-6 синтезують тритій. Багато ядерні перетворення можна отримати під дією швидких нейтронів, наприклад: + ® +; + ® +; + ® + . Так, опромінюючи нейтронами стандартний кобальт, отримують радіоактивний кобальт-60, що є сильним джерелом гамма-випромінювання (воно виділяється препаратом розпаду 60 С - збудженими ядрами). Шляхом опромінення нейтронами одержують деякі трансуранові елементи. Наприклад, з природного урану-238 утворюється спочатку нестійкий уран-239, який при b-розпаді ( Т 1/2 = 23,5 хв) перетворюється на перший трансурановий елемент нептуній-239, а він, у свою чергу, також шляхом b-розпаду ( Т 1/2 = 2,3 сут) перетворюється на дуже важливий так званий збройовий плутоній-239.

Чи можна штучним шляхом, провівши потрібну ядерну реакцію, здобути золото і таким чином здійснити те, що не вдалося алхімікам? Теоретично для цього немає перешкод. Понад те, такий синтез вже було проведено, проте багатство не приніс. Найпростіше було б для штучного отримання золота опромінювати потоком нейтронів – елемент, що у періодичної таблиці за золотом. Тоді в результаті реакції + ® + нейтрон вибив би з атома ртуті протон і перетворив його на атом золота. У цій реакції не вказано конкретні значення масових чисел ( А) нуклідів ртуті та золота. Золото в природі представлено єдиним стабільним нуклідом, а природна ртуть - це складна суміш ізотопів А= 196 (0,15%), 198 (9,97%), 199 (1,87%), 200 (23,10%), 201 (13,18%), 202 (29,86%) та 204 (6,87%). Отже, за наведеною схемою можна отримати лише нестійке радіоактивне золото. Його і отримала група американських хіміків з Гарвардського університету ще на початку 1941 року, опромінюючи ртуть потоком швидких нейтронів. Через кілька днів усі отримані радіоактивні ізотопи золота шляхом бета-розпаду знову перетворилися на вихідні ізотопи ртуті.

Але є й інший шлях: якщо атоми ртуті-196 опромінюватимуть повільними нейтронами, то вони перетворяться на атоми ртуті-197: + ® + g . Ці атоми з періодом напіврозпаду 2,7 діб зазнають електронного захоплення і перетворюються, нарешті, на стабільні атоми золота: + e ® . Таке перетворення здійснили 1947 року співробітники Національної лабораторії в Чикаго. Опромінюючи 100 мг ртуті повільними нейтронами, вони отримали 0,035 мг 197Au. По відношенню до всієї ртуті вихід дуже малий - всього 0,035%, але щодо 196Hg він досягає 24%! Однак ізотопу 196 Hg в природній ртуті якраз найменше, крім того, і сам процес опромінення та його тривалість (опромінювати потрібно кілька років), і виділення стабільного «синтетичного золота» зі складної суміші обійдеться незмірно дорожче, ніж виділення золота з найбідніших його руд (). Тож штучне отримання золота має лише суто теоретичний інтерес.

Кількісні закономірності радіоактивних перетворень.

Якби можна було простежити за конкретним нестабільним ядром, то передбачити, коли він розпадеться, не вдалося б. Це випадковий процес і лише окремих випадках можна оцінити ймовірність розпаду протягом певного часу. Однак навіть у найдрібнішій порошинці, майже не видимої в мікроскоп, міститься величезна кількість атомів, і якщо ці атоми радіоактивні, то їхній розпад підпорядковується суворим математичним закономірностям: набувають чинності статистичні закони, характерні для дуже великої кількості об'єктів. І тоді кожен радіонуклід можна охарактеризувати цілком певною величиною – періодом напіврозпаду ( T 1/2) – це час, протягом якого розпадається половина наявного числа ядер. Якщо у початковий момент було N 0 ядер, то через час t = T 1/2 їх залишиться N 0/2, при t = 2T 1/2 залишиться N 0/4 = N 0/2 2 , при t = 3T 1/2 – N 0/8 = N 0/2 3 і т.д. У загальному випадку при t = nT 1/2 залишиться N 0/2 nядер, де n = t/T 1/2 - число періодів напіврозпаду (воно не обов'язково має бути цілим). Легко показати, що формула N = N 0/2 t/T 1/2 еквівалентна формулі N = N 0e – l tде l – так звана постійна розпаду. Формально вона визначається як коефіцієнт пропорційності між швидкістю розпаду d N/d tта наявним числом ядер: d N/d t= - l N(Знак мінус показує, що Nзменшується з часом). Інтегрування цього диференціального рівняння дає експоненційну залежність від часу числа ядер. Підставляючи у цю формулу N = N 0/2 при t = T 1/2, отримують що стала розпаду назад пропорційна періоду напіврозпаду: l = ln2/ T 1/2 = 0,693/T 1/2. Розмір t = 1/l називається середнім часом життя ядра. Наприклад, для 226 Ra T 1/2 = 1600 років, t = 1109 років.

За наведеними формулами, знаючи величину T 1/2 (або l ), ​​легко розрахувати кількість радіонукліду через будь-який проміжок часу, за ними ж можна розрахувати період напіврозпаду, якщо відома кількість радіонукліду у різні моменти часу. Замість числа ядер можна підставити у формулу активність випромінювання, яка прямо пропорційна готівковій кількості ядер N. Активність зазвичай характеризують не загальним числом розпадів у зразку, а пропорційним числом імпульсів, які реєструє прилад, що вимірює активність. Якщо є, наприклад, 1 г радіоактивної речовини, то чим менше період його напіврозпаду, тим більшою активністю матиме речовина.

Інші математичні закономірності описують поведінку малої кількості радіонуклідів. Тут можна говорити лише про ймовірність тієї чи іншої події. Нехай, наприклад, є один атом (точніше, одне ядро) радіонукліду з T 1/2 = 1 хв. Імовірність того, що цей атом проживе 1 хвилину, дорівнює 1/2 (50%), 2 хвилини – 1/4 (25%), 3 хвилини – 1/8 (12,5%), 10 хвилин – (1/2 ) 10 = 1/10 24 (0,1%), 20 хв - (1/2) 20 = 1/1048576 (0,00001%). Для єдиного атома шанс мізерний, але коли атомів дуже багато, наприклад, кілька мільярдів, багато з них, без сумніву, проживуть і 20 періодів піврозпаду і набагато більше. Імовірність того, що атом розпадеться за деякий проміжок часу, виходить відніманням отриманих значень зі 100. Так, якщо ймовірність атома прожити 2 хвилини дорівнює 25%, то ймовірність розпаду того ж атома протягом цього часу дорівнює 100 – 25 = 75%, ймовірність розпаду протягом 3 хвилин – 87,5%, протягом 10 хвилин – 99,9% тощо.

Формула ускладнюється, якщо кілька нестабільних атомів. І тут статистична ймовірність тієї чи іншої події описується формулою з биномиальными коефіцієнтами. Якщо є Nатомів, і ймовірність розпаду одного з них за час tдорівнює p, то ймовірність того, що за час tз Nатомів розпадеться n(і залишиться відповідно N – n), дорівнює P = N!p n(1–p) N–n /(N–n)!n! Подібні формули доводиться використовувати при синтезі нових нестабільних елементів, атоми яких отримують буквально поштучно (наприклад, коли група американських учених у 1955 р. відкрила новий елемент Менделєвій, вони отримали його в кількості всього 17 атомів).

Можна проілюструвати застосування цієї формули для конкретного випадку. Нехай, наприклад, є N= 16 атомів із періодом напіврозпаду 1 год. Можна розрахувати, ймовірність розпаду певної кількості атомів, наприклад за час t= 4:00. Імовірність того, що один атом проживе ці 4 години, дорівнює 1/24 = 1/16, відповідно, ймовірність його розпаду за цей час р= 1 - 1/16 = 15/16. Підстановка цих вихідних даних у формулу дає: Р = 16!(15/16) n (1/16) 16–n /(16–n)!n! = 16!15 n /2 64 (16–n)!n! Результат деяких розрахунків наведено у таблиці:

Таблиця 1.
Залишилось атомів (16– n)	16	10	8	6	4	3	2	1	0
Розпалося атомів n	0	6	8	10	12	13	14	15	16
Ймовірність Р, %	5 · 10 -18	5 · 10 -7	1,8 · 10 -4	0,026	1,3	5,9	19,2	38,4	35,2

Таким чином, з 16 атомів через 4 години (4 періоди напіврозпаду) залишиться зовсім не один, як це можна було б припустити: ймовірність цієї події дорівнює всього 38,4%, хоча вона і більша за ймовірність будь-якого іншого результату. Як видно з таблиці, дуже висока ймовірність того, що розпадуться всі 16 атомів (35,2%) або тільки 14 з них. А ось ймовірність, що за 4 періоди напіврозпаду всі атоми залишаться живими (жоден не розпався), мізерно мала. Зрозуміло, що й атомів не 16, а, припустимо, 10 20 , можна практично зі 100%-ной впевненістю говорити, що за 1 год залишиться половина їх числа, через 2 год – чверть тощо. Тобто чим більше атомів, тим точніше їхній розпад відповідає експоненційному закону.

Численні експерименти, що проводилися з часів Беккереля, показали, що швидкість радіоактивного розпаду практично впливають ні температура, ні тиск, ні хімічний стан атома. Винятки дуже рідкісні; так, у разі електронного захоплення величина T 1/2 трохи змінюється за зміни ступеня окислення елемента. Наприклад, розпад 7 BeF 2 відбувається приблизно на 0,1% повільніше, ніж 7 BeO або металевого 7 Ве.

Загальна кількість відомих нестабільних ядер – радіонуклідів наближається до двох тисяч, час їхнього життя змінюється у дуже широких межах. Відомі як радіонукліди-довгожителі, для яких періоди напіврозпаду обчислюються мільйонами і навіть мільярдами років, так і короткоживучі, що повністю розпадаються за нікчемні частки секунди. Періоди напіврозпаду деяких радіонуклідів наведено у таблиці.

Властивості деяких радіонуклідів (для Тс, Pm, Ро і всіх наступних елементів, які не мають стабільних ізотопів, наведені дані для їх довгоживучих ізотопів).

Таблиця 2.
Порядковий номер	Символ	Масове число	Період напіврозпаду
1	T	3	12,323 роки
6	З	14	5730 років
15	Р	32	14,3 діб
19	До	40	1,28·10 9 років
27	З	60	5,272 роки
38	Sr	90	28,5 років
43	Тс	98	4,2·10 6 років
53	I	131	8,02 діб
61	Pm	145	17,7 роки
84	Ро	209	102 роки
85	At	210	8,1 год
86	Rn	222	3,825 діб
87	Fr	223	21,8 хв
88	Ra	226	1600 років
89	Ac	227	21,77 роки
90	Th	232	1,405·10 9 років
91	Ра	231	32 760 років
92	U	238	4,468·10 9 років
93	Np	237	2,14·10 6 років
94	Pu	244	8,26·10 7 років
95	Am	243	7370 років
96	Cm	247	1,56·10 7
97	Bk	247	1380 років
98	Cf	251	898 років
99	Es	252	471,7 діб
100	Fm	257	100,5 діб
101	Md	260	27,8 діб
102	No	259	58 хв
103	Lr	262	3,6 год
104	Rf	261	78 с
105	Db	262	34 с
106	Sg	266	21 с
107	Bh	264	0,44 с
108	Hs	269	9 с
109	Mt	268	70 мс
110	Ds	271	56 мс
111	–	272	1,5 мс
112	–	277	0,24 мс

Найкоротший з відомих нуклідів - 5 Li: час його життя становить 4,4 · 10 -22 с). Упродовж цього терміну навіть світло пройде лише 10 –11 див, тобто. відстань, лише кілька десятків разів перевищує діаметр ядра і значно менше розміру будь-якого атома. Найдовгоживучий – 128 Te (міститься у природному телурі у кількості 31,7%) з періодом піврозпаду вісім септилліонів (8.10 24) років – його навіть важко назвати радіоактивним; для порівняння – нашого Всесвіту за оцінками «всього» 10 10 років.

Одиницею радіоактивності нукліду є беккерель: 1 Бк (Bq) відповідає одному розпаду на секунду. Часто використовується позасистемна одиниця кюрі: 1 Кі (Ci) дорівнює 37 мільярдам розпадів на секунду або 3,7 . 10 10 Бк (приблизно таку активність має 1 г 226 Ra). Свого часу було запропоновано позасистемна одиниця резерфорд: 1 Рд (Rd) = 10 6 Бк, але вона отримала поширення.

Література:

Содді Ф. Історія атомної енергії. М., Атоміздат, 1979
Чоппін Р. та ін. Ядерна хімія. М., Вища школа, 1984
Гофман До. Чи можна зробити золото? Л., Хімія, 1984
Кадменський С.Г. Радіоактивність атомних ядер: історія, результати, новітні досягнення. «Соросівський освітній журнал», 1999 № 11



Перетворення, у яких ядро ​​одного хімічного елемента перетворюється на ядро ​​іншого елемента з іншим значенням атомного номера, називають радіоактивним розпадом. Радіоактивні ізотопи, що утворилися та існують у природних умовах, називають природно радіоактивними; такі ж ізотопи, отримані штучним шляхом за допомогою ядерних реакцій, штучно радіоактивними. Між природно і штучно радіоактивними ізотопами немає важливої ​​різниці, оскільки якості ядер атомів і самих атомів визначаються лише складом і структурою ядра і залежить від методу їх освіти.

Радіоактивність була відкрита в 1896 р. Беккерелем (А.Н. Becquerel), який виявив випромінювання урану, здатне викликати почорніння фотоемульсії та іонізувати повітря. Кюрі-Склодовська (М. Curie-Sklodowska) перша виміряла інтенсивність випромінювання урану і одночасно з німецьким ученим Шмідтом (G.С. Schmidt) виявила радіоактивність біля торію. Властивість ізотопів мимоволі випускати невидиме випромінювання дружини Кюрі назвали радіоактивністю. У липні 1898 р. вони повідомили про відкриття ними в урановій смоляній руді нового радіоактивного елемента полонія. У грудні 1898 р. разом із Бемоном (G. Bemont) вони відкрили радій.

Після відкриття радіоактивних елементів ряд авторів (Беккерель, подружжя Кюрі, Резерфорд та ін.) встановив, що ці елементи можуть випускати три види променів, які по-різному поводяться в магнітному полі. На пропозицію Резерфорда (Е. Rutherford, 1902) ці промені були названі альфа, бета-і гамма-променями. Альфа-промені складаються з позитивно заряджених альфа-часток (двічі іонізованих атомів гелію Не4); бета-промені з негативно заряджених частинок малої маси - електронів; гамма-промені за природою аналогічні рентгеновим променям і є кванти електромагнітного випромінювання.

У 1902 р. Резерфорд і Содді (F. Soddy) пояснили явище радіоактивності мимовільним перетворенням атомів одного елемента на атоми іншого елемента, що відбувається за законами випадковості і супроводжується виділенням енергії у вигляді альфа-, бета-і гамма-променів.

У 1910 р. М. Кюрі-Склодовська разом із Деб'єрном (A. Debierne) отримала чистий металевий радій та досліджувала його радіоактивні властивості, зокрема виміряла постійну розпаду радію. Незабаром було відкрито низку інших радіоактивних елементів. Деб'єрн та Гізель (F. Giesel) відкрили актиній. Ган (О. Halm) відкрив радіоторій та мезоторій, Болтвуд (В.В. Boltwood) відкрив іоній, Ган та Майтнер (L. Meitner) відкрили протактіній. Усі ізотопи цих елементів радіоактивні. У 1903 р. П'єр Кюрі та Лаборд (С.A. Laborde) показали, що препарат радію має завжди підвищену температуру і що 1 г радію з продуктами його розпаду за 1 годину виділяє близько 140 ккал. Цього ж року Рамзай (W. Ramsay) та Содді встановили, що в запаяній ампулі з радієм міститься газоподібний гелій. Роботами Резерфорда, Дорна (F. Dorn), Деб'єрна і Гізеля було показано, що серед продуктів розпаду урану і торію є радіоактивні гази, що швидко розпадаються, названі еманаціями радію, торію і актинію (радон, торон, актинон). Таким чином, було доведено, що при розпаді атоми радію перетворюються на атоми гелію та радону. Закони радіоактивних перетворень одних елементів на інші при альфа- і бета-розпадах (закони усунення) були вперше сформульовані Содді, Фаянсом (К. Fajans) і Расселлом (W.J. Russell).

Ці закони полягають у наступному. При альфа-розпаді завжди з вихідного елемента виходить інший, який розташований у періодичній системі Д.І. Менделєєва на дві клітини лівіше вихідного елемента (порядковий або атомний номер на 2 менше від вихідного); при бета-розпаді завжди з вихідного елемента виходить інший елемент, який розташований в періодичній системі на одну клітинку правіше вихідного елемента (атомний номер на одиницю більше, ніж у вихідного елемента).

Вивчення перетворень радіоактивних елементів призвело до відкриття ізотопів, тобто атомів, які мають однакові хімічні властивості та атомні номери, але відрізняються один від одного за масою та за фізичними властивостями, зокрема за радіоактивними властивостями (типу випромінювання, швидкості розпаду). З великої кількості відкритих радіоактивних речовин новими елементами виявилися лише радій (Ra), радон (Rn), полоній (Ро) та протактиній (Ра), а решта - ізотопами раніше відомих урану (U), торію (Th), свинцю (Pb ), талію (Tl) та вісмуту (Bi).

Після відкриття Резерфордом ядерної структури атомів та доказу, що саме ядро ​​визначає всі властивості атома, зокрема структуру його електронних оболонок та його хімічні властивості (див. Атом, Ядро атомне), стало зрозуміло, що радіоактивні перетворення пов'язані з перетворенням атомних ядер. Подальше вивчення будови атомних ядер дозволило повністю розшифрувати механізм радіоактивних перетворень.

Перше штучне перетворення ядер - ядерна реакція - було здійснено Резерфордом в 1919 шляхом бомбардування ядер атомів азоту альфа-частинками полонію. При цьому ядра азоту випускали протони (див.) і перетворювалися на ядра кисню О17. У 1934 р. Ф. Жоліо-Кюрі та І. Жоліо-Кюрі (F. Joliot-Curie, I. Joliot-Curie) вперше отримали штучним шляхом радіоактивний ізотоп фосфору бомбардуючи альфа-частинками атоми Al. Ядра P30 на відміну ядер природно радіоактивних ізотопів, при розпаді випускали не електрони, а позитрони і перетворювалися на стабільні ядра кремнію Si30. Таким чином, в 1934 р. були одночасно відкриті штучна радіоактивність і новий вид радіоактивного розпаду - позитронний розпад, або +-розпад. Подружжя Жоліо-Кюрі висловило думку про те, що всі швидкі частинки (протони, дейтони, нейтрони) викликають ядерні реакції і можуть бути використані для отримання природно радіоактивних ізотопів. Фермі (Е. Fermi), бомбардуючи нейтронами різні елементи, отримав радіоактивні ізотопи майже всіх хімічних елементів. В даний час за допомогою прискорених заряджених частинок і нейтронів здійснено велику різноманітність ядерних реакцій, внаслідок яких стало можливим отримувати будь-які радіоактивні ізотопи.

У 1937 р. Альварес (L. Alvarez) відкрив новий вид радіоактивного перетворення - електронне захоплення. При електронному захопленні ядро ​​атома захоплює електрон з оболонки атома і перетворюється на ядро ​​іншого елемента. У 1939 р. Ган і Штрассманн (F. Strassmann) відкрили поділ ядра урану на легші ядра (уламки поділу) під час бомбардування його нейтронами. У тому ж році Флеров і Петржак показали, що процес розподілу ядер урану здійснюється і без зовнішнього впливу мимоволі. Тим самим вони відкрили новий вид радіоактивного перетворення - мимовільне розподіл важких ядер.

В даний час відомі наступні види радіоактивних перетворень, що здійснюються без зовнішніх впливів, мимоволі з огляду на внутрішні причини, зумовлені структурою атомних ядер.

 

Можливо, буде корисно почитати:

• Радіоактивні перетворення атомних ядер план-конспект уроку з фізики (9 клас) на тему;
• Неокантіанство - це напрямок у німецькій філософії другої половини XIX -;
• Закон радіоактивного розпаду;
• Всі книги ірене као За все кохання;
• Заняття на тему "Професія шахтар";
• Як скласти резюме: наші поради претендентам Тлумачне резюме;
• Професія – випускаючий редактор;
• Основні дійові особи на товарних біржах;