5850 авторів і 31 редактор відповіли на 28952 питання,
розмістивши 29771 посилання на 8900 сайтів, приєднуйтесь!

Радіоактивність

РедагуватиУ обранеДрук

Радіоактивність - це здатність атомів деяких ізотопів спонтанно розпадатися, випускаючи випромінювання. Вперше таке випромінювання, що випускається ураном, виявив Беккерель, тому спочатку радіоактивні випромінювання називали променями Беккереля. Основний вид радіоактивного розпаду - викидання з ядра атома альфа-частинки - альфа-розпад (див. Альфа-випромінювання) або бета-частинки - бета-розпад (див. Бета-випромінювання).

При радіоактивному розпаді вихідний атом перетворюється в атом іншого елемента. В результаті викидання з ядра атома альфа-частинки, що представляє собою сукупність двох протонів і двох нейтронів, масове число утворюється атома (див.) Зменшується на чотири одиниці, і він опиняється зрушеним в таблиці Д. І. Менделєєва на дві клітини вліво, так як порядковий номер елемента в таблиці дорівнює числу протонів в ядрі атома. При викиданні бета-частинки (електрон) відбувається перетворення в ядрі одного нейтрона в протон, внаслідок чого утворюється атом виявляється зрушеним в таблиці Д. І. Менделєєва на одну клітку вправо. Маса його при цьому майже не змінюється. Викидання бета-частинки пов'язане зазвичай з гамма-випромінюванням  (Див.).

Розпад будь-якого радіоактивного ізотопу відбувається за наступним законом: число розпадаються в одиницю часу атомів (n) пропорційно числу атомів (N), наявних в даний момент часу, т. Е. N =? N- коефіцієнт?, Називається постійної радіоактивного розпаду і пов'язаний з періодом напіврозпаду ізотопу (Т) співвідношенням? = 0,693 / T. Зазначений закон розпаду призводить до того, що за кожен відрізок часу, рівний періоду напіврозпаду Т, кількість ізотопу зменшується вдвічі. Якщо утворюються в результаті радіоактивного розпаду атоми виявляються теж радіоактивними, то відбувається їх поступове накопичення, поки не встановиться радіоактивне рівновагу між материнським і дочірнім ізотопамі- при цьому число атомів дочірнього ізотопу, що утворюються в одиницю часу, дорівнює кількості атомів, що розпадаються за той же час.

Відомо понад 40 природних радіоактивних ізотопів. Більша частина їх розташована в трьох радіоактивних рядах (сімействах): урану-радію, торію і актинія. Всі зазначені радіоактивні ізотопи широко поширені в природі. Присутність їх в гірських породах, водах, атмосфері, рослинних і живих організмах обумовлює природну або природну радіоактивність.

Крім природних радіоактивних ізотопів, зараз відомо близько тисячі штучно радіоактивних. Отримують їх шляхом ядерних реакцій, в основному в ядерних реакторах (див. Реактори ядерні). Багато природні і штучно радіоактивні ізотопи широко використовуються в медицині для лікування (див. Променева терапія) і особливо для діагностики захворювань (див. Радіоізотопна діагностика). Див. Також Випромінювання іонізуюче.

Радіоактивність (від лат. Radius - промінь і activus - дієвий) - здатність нестійких ядер атомів мимовільно перетворюватися на інші, більш стійкі або стабільні ядра. Такі перетворення ядер називаються радіоактивними, а самі ядра або відповідні атоми - радіоактивними ядрами (атомами). При радіоактивних перетвореннях ядра випускають енергію або у вигляді заряджених частинок, або у вигляді гамма-квантів електромагнітного випромінювання або гамма-випромінювання.

Перетворення, при яких ядро одного хімічного елемента перетворюється на ядро іншого елемента з іншим значенням атомного номера, називають радіоактивним розпадом. Радіоактивні ізотопи (див.), Що утворилися й існуючі в природних умовах, називають природно радіоактівнимі- такі ж ізотопи, отримані штучним шляхом за допомогою ядерних реакцій, - штучно радіоактивними. Між природно і штучно радіоактивними ізотопами немає принципової різниці, так як властивості ядер атомів і самих атомів визначаються тільки складом і структурою ядра і не залежать від способу їх утворення.

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

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. За пропозицією Резерфорда (Е. Rutherford, 1902) ці промені були названі альфа- (див. Альфа-випромінювання), бета- (див. Бета-випромінювання) і гамма-променями (див. Гамма-випромінювання). Альфа-промені складаються з позитивно заряджених альфа-частинок (двічі іонізованих атомів гелію Не4) - бета-лучі- з негативно заряджених частинок малої маси - електронов- гамма-промені за природою аналогічні рентгенових променів і являють собою кванти електромагнітного випромінювання.

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

У 1910 р М. Кюрі-Склодовська разом з Дебьерном (A. Debierne) отримала чистий металевий радій і досліджувала його радіоактивні властивості, зокрема виміряла постійну розпаду радію. Незабаром було відкрито ряд інших радіоактивних елементів. Дебьерн і Гізель (F. Giesel) відкрили актиній. Ган (О. Halm) відкрив радіоторій і мезоторий, Болтвуд (В. В. Boltwood) відкрив ізотоп, Ган і Майтнер (L. Meitner) відкрили протактиний. Всі ізотопи цих елементів радіоактивні. У 1903 р П'єр Кюрі і 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. У цьому ж році Рамзай (W. Ramsay) і Содді встановили, що в запаяній ампулі з радієм міститься газоподібний гелій. Роботами Резерфорда, Дорна (F. Dorn), Дебьерном і Гізеля було показано, що серед продуктів розпаду урану і торію є бистрораспадающіхся радіоактивні гази, названі еманаціями радію, торію і актинія (радон, торон, актинон). Таким чином, було доведено, що при розпаді атоми радію перетворюються в атоми гелію і радону. Закони радіоактивних перетворень одних елементів в інші при альфа- і бета-розпади (закони зсуву) були вперше сформульовані Содди, фаянсу (К. Fajans) і Расселом (WJ Russell).

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

Вивчення перетворень радіоактивних елементів привело до відкриття ізотопів, т. Е. Атомів, які мають однакові хімічними властивостями та атомними номерами, але відрізняються один від одного за масою і за фізичними властивостями, зокрема по радіоактивним властивостям (типу випромінювання, швидкості розпаду). З великої кількості відкритих радіоактивних речовин новими елементами виявилися тільки радій (Ra), радон (Rn), полоній (Ро) і протактиний (Ра), а решта - ізотопами раніше відомих урану (U), торію (Th), свинцю (Pb) , талію (Tl) і вісмуту (Bi).

Після відкриття Резерфордом ядерної структури атомів і докази, що саме ядро визначає всі властивості атома, зокрема структуру його електронних оболонок і його хімічні властивості (див. Атом, Ядро атомне), стало ясно, 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 (див.) - Було здійснено Резерфордом в 1919 р шляхом бомбардування ядер атомів азоту альфа-частками полонію. При цьому ядра азоту випускали протони (див.) І перетворювалися на ядра кисню О17. У 1934 р Ф. Жоліо-Кюрі і І. Жоліо-Кюрі (F. Joliot-Curie, I. Joliot-Curie) вперше отримали штучним шляхом радіоактивний ізотоп фосфору бомбардуючи альфа-частками атоми Al. Ядра P30 на відміну від ядер природно радіоактивних ізотопів, при розпаді випускається не електрони, а позитрони (див. Космічне випромінювання) 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 висловили думку про те, що всі швидкі частинки (протони, Дейтон, нейтрони) викликають ядерні реакції і можуть бути використані для отримання природно радіоактивних ізотопів. Фермі (Е. Fermi) з співр., Бомбардуючи нейтронами різні елементи, отримав радіоактивні ізотопи майже всіх хімічних елементів. В даний час за допомогою прискорених заряджених частинок (див. Прискорювачі заряджених частинок) і нейтронів здійснено велику різноманітність ядерних реакцій, в результаті яких стало можливим отримувати будь радіоактивні ізотопи.



У 1937 р Альварес (L. Alvarez) відкрив новий вид радіоактивного перетворення - електронний захоплення. При електронному захопленні ядро атома захоплює електрон з оболонки атома і перетворюється в ядро іншого елемента. У 1939 р Ган і Штрассманом (F. Strassmann) відкрили поділ ядра урану на більш легкі ядра (осколки поділу) при бомбардуванні його нейтронами. У тому ж році Флерів і Петржак показали, що процес ділення ядер урану здійснюється і без зовнішнього впливу, мимовільно. Тим самим вони відкрили новий вид радіоактивного перетворення - мимовільне ділення важких ядер.

В даний час відомі наступні види радіоактивних перетворень, що відбуваються без зовнішніх впливів, мимовільно, в силу тільки внутрішніх причин, обумовлених структурою атомних ядер.

1.       Альфа-розпад. Ядро з атомним номером Z і масовим числом А випускає альфа-частинку - ядро гелію Не4- і перетворюється в інше ядро з Z меншим на 2 одиниці і А меншим на 4 одиниці, ніж у вихідного ядра. У загальному вигляді альфа-розпад записується таким чином:

де X - вихідне ядро, Y-ядро продукту розпаду.

2.       Бета-розпад буває двох типів: електронний та позитронний, або?-- і?+-розпад (див. Бета-випромінювання). При електронному розпаді з ядра вилітають електрон і нейтрино і утворюється нове ядро з тим же масовим числом А, але з атомним номером Z на одиницю більшим, нім у вихідного ядра:

При позитронному розпаді ядро випускає позитрон і нейтрино і утворюється нове ядро з тим же масовим числом, але з Z на одиницю меншим, ніж у вихідного ядра:



При бета-розпаді в середньому 2/3 енергії ядра несеться частинками нейтрино (нейтральними частинками дуже малої маси, дуже слабо взаємодіють з речовиною).

3.       Електронний захоплення (Колишня назва К-захват). Ядро захоплює електрон з однією з оболонок атома, найчастіше з К-оболонки, випускає нейтрино і перетворюється на нове ядро з тим же масовим числом А, але з атомним номером Z менше на 1, ніж у вихідного ядра.

Перетворення ядер при електронному захопленні і позитронному розпаді однакове, тому ці два види розпаду спостерігаються одночасно для одних і тих же ядер, т. Е. Є конкуруючими. Так як після захоплення електрона з внутрішньої оболонки атома на його місце переходить електрон з однією з більш віддалених від ядра орбіт, то електронне захоплення супроводжується завжди випусканням рентгенівського характеристичного випромінювання.

4.      Ізомерний перехід. Після випускання альфа- чи бета-частинки деякі типи ядер перебувають у збудженому стані (стані з надлишковою енергією) і випускають енергію збудження у вигляді гамма-квантів (см.Гамма-випромінювання). У цьому випадку при радіоактивному розпаді ядро, крім альфа- або бета-частинок, випускає також гамма-кванти. Так, ядра ізотопу Sr90 випускають тільки? -Частинки, Ядра Na24 випускають, крім? -Частинок, Також гамма-кванти. Більшість ядер знаходиться в збудженому стані дуже малі проміжки часу, що не піддаються вимірюванню (менше 10-9 сек.). Однак лише відносно невелике число ядер може перебувати у збудженому стані порівняно великі проміжки часу - до декількох місяців. Такі ядра називаються ізомерами, а відповідні переходи їх із збудженого стану в нормальний, що супроводжуються випусканням тільки гамма-квантів, - ізомерними. При ізомерних переходах А і Z ядра не змінюються. Радіоактивні ядра, що випускають тільки альфа- чи бета-частинки, називаються чистими альфа- або бета-випромінювачами. Ядра, у яких альфа- або бета-розпад супроводжується випусканням гамма-квантів, називаються гамма-випромінювачами. Чистими гамма-випромінювачами є тільки ядра, що знаходяться тривалий час у збудженому стані, т. Е. Претерпевающие ізомерні переходи.

5.       Мимовільне ділення ядер. В результаті поділу з одного ядра утворюється два легших ядра - осколки поділу. Так як однакові ядра можуть ділитися різним чином на два ядра, то в процесі поділу утворюється багато різних пар більш легких ядер з різними Z і А. При розподілі звільняються нейтрони, в середньому 2-3 нейтрона на один акт поділу ядра, і гамма-кванти. Все що утворюються при діленні оскільки є нестійкими і зазнають?--розпад. Імовірність поділу є дуже малою для урану, але зростає зі збільшенням Z. Цим пояснюється відсутність на Землі більш важких, ніж уран, ядер. У стабільних ядрах існує певне співвідношення між числом протонів і нейтронів, при якому ядро володіє найбільшою стійкістю, тобто найбільшою енергією зв'язку частинок в ядрі. Для легких і середніх ядер найбільшою їх стійкості відповідає приблизно рівне зміст протонів і нейтронів. Для більш важких ядер спостерігається відносне збільшення числа нейтронів в стійких ядрах. При надлишку в ядрі протонів або нейтронів ядра із середнім значенням А є нестійкими і зазнають?-- або?+-розпади, при яких відбувається взаємне перетворення нейтрона і протона. При надлишку нейтронів (важкі ізотопи) відбувається перетворення одного з нейтронів в протон з випусканням електрона і нейтрино:

При надлишку протонів (легкі ізотопи) відбувається перетворення одного з протонів в нейтрон з випусканням або позитрона і нейтрино (?+-розпад), або тільки нейтрино (електронне захоплення):

Всі важкі ядра з атомним номером більше, чому Pb82, є нестійкими внаслідок значної кількості протонів, відразливих один одного. Ланцюжки послідовних альфа- і бета-розпадів в цих ядрах відбуваються до тих пір, поки не утворюються стійкі ядра ізотопів свинцю. З поліпшенням експериментальної техніки у все більшої кількості ядер, які вважалися раніше стабільними, виявляють дуже повільний радіоактивний розпад. В даний час відомо 20 радіоактивних ізотопів з Z менше 82.

В результаті будь-яких радіоактивних перетворень кількість атомів даного ізотопу безперервно зменшується. Закон убування з часом кількості активних атомів (закон радіоактивного розпаду) є загальним для всіх видів перетворень і всіх ізотопів. Він носить статистичний характер (застосовується тільки для великої кількості радіоактивних атомів) і полягає в наступному. Кількість активних атомів даного ізотопу, що розпадаються за одиницю часу? N /? T, пропорційно кількості активних атомів N, т. Е. За одиницю часу розпадається завжди одна і та ж частка до активних атомів даного ізотопу незалежно від їх кількості. Величина до називається постійної радіоактивного розпаду і являє собою частку активних атомів, що розпадаються за одиницю часу, або відносну швидкість розпаду. до вимірюється в одиницях, зворотних одиницях виміру часу, т. е. в сек.-1 (1 / сек.), доба-1, рік-1 і т. п., для кожного радіоактивного ізотопу має своє певне значення, яке змінюється в дуже широких межах для різних ізотопів. Величина, що характеризує абсолютну швидкість розпаду, називається активністю даного ізотопу або препарату. Активність 1 г речовини називається питомою активністю речовини.

Із закону радіоактивного розпаду випливає, що спадання кількості активних атомів N спочатку відбувається швидко, а потім все повільніше. Час, протягом якого кількість активних атомів або активність даного ізотопу зменшується в два рази, називається періодом напіврозпаду (Т) даного ізотопу. Закон убування N від часу t є експоненціальним і має наступне аналітичний вираз: N = N0e-? T, де N0 - число активних атомів в момент початку відліку часу (г = 0), N - кількість активних атомів через час t, е - основа натуральних логарифмів (число, рівне 2,718 ...). Між постійної розпаду до і періодом напіврозпаду? існує наступне співвідношення:? Т-0,693. Звідси

Періоди напіврозпаду вимірюються в сек., Хв. і т. п. і для різних ізотопів змінюються в дуже широких межах від малих часток секунди до 10 + 21 років. Ізотопи, що володіють великими? і малими Т, називаються короткоживущими, ізотопи Смаль? і великими Т називаються довгоживучими. Якщо активна речовина складається з декількох радіоактивних ізотопів з різними періодами напіврозпаду, генетично не пов'язаних між собою, то з плином часу активність речовини також буде безперервно зменшуватися і ізотопний склад препарату буде весь час змінюватися: зменшуватиметься частка короткоживучих ізотопів і зростати частка довгоживучих ізотопів. Через досить великий проміжок часу практично в препараті залишиться тільки самий долгоживущий ізотоп. По кривим розпаду радіоактивних речовин, що складаються з одного або суміші ізотопів, можна визначити періоди напіврозпаду окремих ізотопів і їх відносні активності для будь-якого моменту часу.

Закони зміни активності генетично пов'язаних ізотопів якісно інші-вони залежать від співвідношення періодів їхнього напіврозпаду. Для двох генетично пов'язаних ізотопів з періодом Т1 для вихідного ізотопу і Т2 - продукту розпаду ці закони мають найбільш просту форму. При T1gt; T2 активність вихідного ізотопу Q1 весь час зменшується за експоненціальним законом з періодом напіврозпаду Т1. Завдяки розпаду ядер вихідного ізотопу будуть утворюватися ядра кінцевого ізотопу і його активність Q2 буде зростати. Через певний час швидкість розпаду ядер другого ізотопу (стане близькою до швидкості утворення ядер цього ізотопу з вихідного (швидкість розпаду вихідного ізотопу Q1) і ці швидкості будуть знаходитися в певному і постійному співвідношенні весь подальший час - настає радіоактивне рівновагу.

Активність вихідного ізотопу безперервно зменшується з періодом Т1, тому після досягнення радіоактивного рівноваги активність кінцевого ізотопу Q2 і сумарна активність двох ізотопів Q1 + Q2 будуть також спадати з періодом напіврозпаду вихідного ізотопу Т1. При Т1gt; Т2 Q2 = Q1. Якщо з вихідного долгоживущего ізотопу утворюється послідовно кілька короткоживучих ізотопів, як це має місце в радіоактивному ряду урану і радію, то після досягнення рівноваги активності кожного короткоживучого ізотопу стають практично рівними активності вихідного ізотопу. При цьому загальна активність дорівнює сумі активностей всіх короткоживучих продуктів розпаду і убуває з періодом: напіврозпаду вихідного долгоживущего ізотопу, як і активність всіх ізотопів, що знаходяться в рівновазі.

Радіоактивне рівновага досягається практично за час, що дорівнює 5-10 періодам напіврозпаду того ізотопу з продуктів розпаду, який має найбільший період напіврозпаду. Якщо T1

До числа природно радіоактивних ізотопів відноситься близько 40 ізотопів періодичної системи елементів з Z більше 82, які утворюють три послідовних ряду радіоактивних перетворень: ряд урану (рис. 1), ряд торію (рис. 2) і ряд актиния (рис. 3). Шляхом послідовних альфа- і бета-розпадів з вихідних ізотопів ряду виходять кінцеві стійкі ізотопи свинцю.

ряд урану

Рис. 1. Ряд урану.

ряд торію

Рис. 2. Ряд торію.

ряд актиния

Рис. 3. Ряд актинія.



РедагуватиУ обранеДрук


Увага, тільки СЬОГОДНІ!
» » Радіоактивність