§ 40. Радіоактивність. Основний закон радіоактивного розпаду

Алхіміки Середньовіччя мріяли про філософський камінь, який перетворював би всі речовини на золото. «Сучасна алхімія» — так назвав Е. Резерфорд свою книгу про перетворення атомних ядер. Про те, які зміни відбуваються з ядром під час радіоактивного випромінювання, йтиметься в цьому параграфі.

1. Згадуємо історію відкриття радіоактивності

Історія відкриття радіоактивності почалася з відкриття рентгенівського випромінювання. Поштовхом до досліджень стало припущення, що рентгенівське випромінювання може виникати при флуоресценції деяких речовин, опромінених сонячним світлом. Такою речовиною і скористався французький фізик Анрі Антуан Беккерель (1852-1908) у лютому 1896 р. Для досліджень він випадково обрав здатну до флуоресценції маловідому сіль Урану.

Знаючи, що рентгенівські промені, на відміну від світлових, проходять крізь чорний папір, учений поклав на загорнуту в чорний папір фотопластинку крупинки уранової солі й виніс на сонячне світло. Після проявлення на фотопластинці виявилися темні плями саме в тих місцях, де лежала уранова сіль. Таким чином було з’ясовано, що уранова сіль дійсно висилає випромінювання, яке має велику проникну здатність.

Продовжити дослідження Беккерелю завадила хмарна погода, і він поклав готову до досліду фотопластинку з урановою сіллю та мідним хрестом між ними в шухляду стола. Через три дні учений вирішив проявити фотопластинку. Результат був несподіваним: на пластинці з’явився контур хреста. Тож сонячне світло було ні до чого: сіль Урану сама, без впливу зовнішніх факторів, висилає невидиме випромінювання.

Пізніше таке випромінювання назвуть радіоактивним випромінюванням; здатність речовин до радіоактивного випромінювання — радіоактивністю; нукліди, ядра яких мають таку здатність, — радіонуклідами.

Відкриття Радію

Термін радіоактивність був уведений у науку Марією Склодовською-Кюрі (1867-1934). «Чи тільки Уран висилає “промені Беккереля”?» — з пошуку відповіді на це запитання почала вона свою роботу з вивчення радіоактивності. У 1898 р. М. Склодовська-Кюрі та її чоловік П’єр Кюрі (1859-1906) відкрили два нові елементи — Радій і Полоній. Радій виявився в мільйони разів активнішим за уран, але отримати цю речовину в достатній для дослідів кількості виявилося досить складно. Знадобилося ще 4 роки копіткої роботи (майже вручну подружжям було оброблено 11 т руди!), щоб отримати крихітну пробірку радію.

За дослідження радіоактивності подружжя Кюрі разом із А. Беккерелем отримали в 1903 р. Нобелівську премію з фізики, а в 1911 р. Марія Склодовська-Кюрі одержала ще й Нобелівську премію з хімії. За всю історію тільки чотири особи ставали лауреатами Нобелівської премії двічі.

2. Природа радіоактивного випромінювання

Досліди з вивчення природи радіоактивного випромінювання показали, що різні радіонукліди можуть випромінювати промені трьох видів:

• 1) α-випромінювання — позитивно заряджені важкі частинки (ядра атомів Гелію);
• 2) β-випромінювання: β – -випромінювання — негативно заряджені легкі частинки (швидкі електрони), β + -випромінювання — позитивно заряджені легкі частинки (швидкі позитрони);
• 3) γ-випромінювання — високочастотні електромагнітні хвилі.

На рис. 40.1 подано схему одного з таких дослідів: пучок радіоактивного випромінювання потрапляє спочатку в сильне магнітне поле постійного магніту, а потім на фотопластинку. Після проявлення фотопластинки на ній чітко видно три темні плями, які свідчать про те, що урановий зразок висилає промені трьох видів.

Рис. 40.1. Схема досліду з вивчення природи радіоактивного випромінювання: урановий зразок ( 238 ₉₅Ui і 235 ₉₂U у суміші з їх дочірніми радіонуклідами) є джерелом α-, β – -, γ-випромінювань

Як захиститися від радіоактивного випромінювання

Дізнавшись про викид радіоактивних речовин, слід зробити, зокрема, таке.

• 1. Сховатися в будівлі: бетонні й цегляні стіни повністю захищають від α- і β-випромінювання й добре поглинають γ-випромінювання.
• 2. Зачинити всі вікна, двері, вентиляційні ґратки.
• 3. Зняти вуличний одяг, запакувати його в поліетиленовий пакет, прийняти душ.
• 4. Герметично запакувати запас питної води, їжі.
• 5. Намагатися вживати йодомісткі продукти (горіхи, морські водорості тощо), продукти, багаті на клітковину.

3. Правила зміщення

Вивчення радіоактивності показало, що радіоактивне випромінювання є наслідком перетворень ядер атомів. Причому ці перетворення відбуваються довільно (без зовнішніх причин), їх не можна прискорити або сповільнити, вони не залежать від зовнішнього впливу, тобто на них не впливають зміни тиску і температури, дії магнітного й електричного полів, хімічні реакції, зміна освітленості тощо.

Радіоактивність — здатність ядер радіонуклідів довільно перетворюватися на ядра інших елементів із випромінюванням мікрочастинок.

Випромінюючи α- чи β-частинки, вихідне (материнське) ядро перетворюється на ядро атома іншого елемента (дочірнє ядро); α- і β-розпади можуть супроводжуватися γ-випромінюванням. Після низки експериментів було встановлено загальні правила таких перетворень — правила зміщення:

1. Під час α-розпаду кількість нуклонів у ядрі зменшується на 4, протонів — на 2, тому утворюється ядро елемента, порядковий номер якого на 2 одиниці менший від порядкового номера вихідного елемента (рис. 40.2):

Рис. 40.2. Під час α-розпаду материнське ядро спонтанно розпадається на дві частини: α-частинку і дочірнє (нове) ядро

2. Під час β – -розпаду кількість нуклонів у ядрі не змінюється, а кількість протонів збільшується на 1, тому утворюється ядро елемента, порядковий номер якого на одиницю більший за порядковий номер вихідного елемента (рис. 40.3):

3. Під час β + -розпаду кількість нуклонів у ядрі не змінюється, а кількість протонів зменшується на 1, тому утворюється ядро елемента, порядковий номер якого на одиницю менший за порядковий номер вихідного елемента (рис. 40.4):

• Ядро якого елемента утвориться внаслідок β – -розпаду ядра Радію 228 ₈₈Ra?

Зверніть увагу! Під час β-розпаду окрім електрона (або позитрона) з ядра вилітає ще одна частинка — антинейтрино або нейтрино. Через дуже малу масу і відсутність заряду ці частинки дуже слабко взаємодіють із речовиною, і це утруднює їх виявлення в експерименті (див. § 43).

4. Основний закон радіоактивного розпаду

Візьмемо закриту скляну колбу, що містить певну кількість Радону-220, — він є радіоактивним, і його ядра спонтанно розпадаються з випромінюванням α-частинок. А чи можна дізнатися, яке саме ядро розпадеться першим? А яке останнім? Ні, дізнатися про це неможливо: розпад того чи іншого ядра радіонукліда — подія випадкова. Водночас поведінка будь-якої радіоактивної речовини підлягає чітко визначеній закономірності: кожний радіонуклід має власний період піврозпаду (див. таблицю). Так, у наведеному випадку, приблизно за 55,6 с кількість радону в колбі зменшиться вдвічі. Ще через 55,6 с із решти залишиться теж половина і т. д. Таким чином, інтервал часу 55,6 с є періодом піврозпаду Радону-220.

Період піврозпаду деяких радіоактивних нуклідів

Радіонуклід

Період піврозпаду

Techemy

Твердотільні та електрохімічні сонячні батареї

Магніт подвоює вихід водню при електролізі води (відео)

Наногель регулює рівень цукру в крові

Коди біологічної регуляції

Твердий, рідкий, газоподібний

Таємниці хімічних перетворень

Радіоактивність. Ядерні реакції.

радіоактивність – самовільне перетворення нестійкого ізотопу одного хімічного елемента на ізотоп іншого елемента, що супроводжується вивільненням елементарних частинок або ядер.

Основні види радіоактивного розпаду:
α-розпад – ядро атома вивільняє два протони і два нейтрони, пов’язані в ядро атома гелію 4 ₂H; цей розпад призводить до зменшення заряду вихідного радіоактивного ядра на 2, а його масового числа на 4.

β-розпад – один з нейтронів, що входить до складу ядра, перетворюється в протон; виникаючий при цьому електрон вилітає з ядра, позитивний заряд якого зростає на одиницю. Можливо також перетворення протона в нейтрон, що супроводжується виникненням позитрона (позитрон – елементарна частинка з масою рівною масі електрона, але позитивним зарядом, за абсолютною величиною заряд позитрона дорівнює заряду електрона).
Звідси розрізняють два види β-розпаду:
1. електронний β-розпад (β – -розпад)

нейтрон → протон + електрон (+ нейтрино + антинейтрино – не записують в радіоактивних перетворень)
n → p + e –

2. позитронний β-розпад (β + -розпад)

протон → нейтрон + позитрон
p → n + e +

Таким чином, в результаті β-розпаду утворюється атом елемента, заряд якого або більше на одиницю (у разі β – -розпаду) або менше на одиницю (у разі β + -розпаду).

Процес перетворення протона в нейтрон з утворенням позитрона може відбуватися в тих випадках, коли нестійкість ядра викликана надлишковим вмістом в ньому протонів. При цьому, один з протонів, що входить до складу ядра перетворюється в нейтрон – заряд ядра зменшується на одиницю.

Електронне захоплення – вид радіоактивного розпаду, при якому один з електронів атомної електронної оболонки захоплюється ядром; взаємодія захопленого електрона з одним із протонів ядра, призводить до утворення нейтрона:

Електрон найчастіше захоплюється з найближчого до ядра K-шару (K-захоплення), рідше L – або M шарів електронної оболонки.

Спонтанний поділ – вид радіоактивного розпаду, при якому відбувається мимовільний розпад ядер тяжких елементів на два (іноді три або чотири ядра елементів середини Періодичної системи хімічних елементів. Варіанти такого поділу дуже різноманітні і не мають загальних правил зміщення по періодичній системі; найчастіше відбувається розпад вихідного ядра на важкий і легкий осколки, що несуть, відповідно, близько 60 і 40 відсотків заряду і маси вихідного ядра. При спонтанному розподілі розпадається ядро та вивільняє 2-4 нейтрона; утворюються нові ядра які все ще містять надлишок нейтронів (є ізотопами своїх елементів), виявляються нестійкими і тому зазнають послідовний ряд β – -розпадів.

Хімічні елементи розташовані в кінці Періодичної системи (після Бісмуту), не мають стабільних ізотопів. піддаючись радіоактивного розпаду, вони перетворюються в інші елементи. Якщо знову утворився радіоактивний елемент, він теж розпадається, перетворюючись у третій елемент, і так далі до тих пір, поки результатом розпаду не буде атом стійкого ізотопу. Ряд елементів, що утворюються таким чином, один з іншого, називається радіоактивним рядом. Наприклад, радіоактивний ряд урану:

238 U → (α; Т½ = 4.5·10 9 років) → 234 Th → (β – ; Т½ = 24 доби) → 234 Pa → (β – ; Т½ = 1.2 хвилини) → 234 U → (α; Т½ = 2.5·10 5 років) → 230 Th → (α; Т½ = 8·10 4 років) → 226 Ra → (α; Т½ = 1620 років) → 222 Rn → (α; Т½ = 3.85 доби) → 218 Po → (α; Т½ = 3.05 хвилини) → 214 Pb → (β – ; Т½ = 27 хвилин) → 214 Bi→ (α; Т½ = 20 хвилин) → 214 Po → (α; Т½ = 6·10 -4 c) → 210 Pb → (β – ; Т½ = 19 років) → 210 Bi → (β – ; Т½ = 5 діб) → 210 Po → (α; Т½ = 138 діб) → 206 Pb (стійкий)

При β-розпаді масове число ізотопу не змінюється, а при α-розпаді зменшується на 4. Тому можливе існування 4 радіоактивних рядів:
– один з них містить ізотопи, масові числа яких відображені загальною формулою 4n (n – ціле число) – ряд Торію 232 Th → 208 Pb;
– другому відповідає загальна формула масового числа 4n + 1 – ряд Нептунія 237 Np (отриманий штучно) → 209 Bi;
– третій – 4n + 2 – це і є радіоактивний ряд Урану;
– четвертому 4n + 3 – ряд Актинія, що починається з 235 U → 207 Pb.

Свинцевий метод визначення віку. Накопичення свинцю в результаті розпаду радіоактивних елементів які містяться у мінералах дозволяє визначати вік відповідних гірських порід. Знаючи швидкість розпаду 238 U, 232 Th, 235 U і визначивши їх зміст, а також зміст і ізотопний склад свинцю в мінералі, можна обчислити вік мінералу, тобто час, що минув з моменту його утворення.
Гелієвий метод визначення віку. Придатний для мінералів з протонним кристалічним упакуванням, добре зберігає в кристалах гази, вік радіоактивного мінералу встановлюється за кількістю гелію який утворився в ньому в результаті радіоактивних перетворень.
Радіовуглецевий метод визначення віку. Застосовують для порівняно молодих утворень (до 70000 років). Метод заснований на радіоактивному розпаді ізотопу Карбону-14, період напіврозпаду якого дорівнює 5600 років. Цей ізотоп утворюється в атмосфері під дією космічного випромінювання і засвоюється організмами, після загибелі яких його вміст зменшується за законом радіоактивного розпаду. Радіоактивність міститься у викопних рештках вуглецю, які порівнюють з радіоактивністю вуглецю в атмосфері і розраховують геологічний вік.

Штучна радіоактивність.
Була виявлена в 1933 р. Ірен Кюрі і Фредерік Жоліо-Кюрі. Перша штучна ядерна реакція була здійснена в 1919 р. Резерфордом. Впливаючи на атоми азоту потоком альфа-частинок, йому вдалося здійснити наступний процес:

17 N + 4 He → 17 O + p

Для здійснення ядерної реакції, бомбардуюча частка повинна володіти великою енергією, яка досягається шляхом її розгону в прискорювачах елементарних частинок (циклотрони, сінхрофазотроны та ін). В даний час отримані сотні радіоактивних ізотопів хімічних елементів, а також нові хімічні елементи, якими поповнюється Періодична система. Розділ хімії, що вивчає радіоактивні елементи та їх поведінку, називається радіохімія (існує ще радіаційна хімія – розділ хімії який вивчає вплив іонізуючих випромінювань на хімічні процеси).

Перша ядерна реакція, яку застосували для отримання енергії, являє собою поділ ядра урану 235 U під дією нейтрона. При цьому утворюється два нових ядра-осколки майже однакової маси, та вивільняється кілька нейтронів – це вторинні нейтрони, і також вивільняється величезна енергія: при розпаді 1 грама 235 U виділяється 7,5·10 7 кДж, це кількість енергії більше, ніж виділяється при згорянні 2 тонн кам’яного вугілля. Вторинні нейтрони можуть захоплюватися іншими ядрами 235 U, і в свою чергу викликати їх розподіл. Таким чином, кількість окремих актів розпаду прогресивно збільшується, виникає ланцюгова реакція поділу ядер урану – ланцюгова ядерна реакція.
Не всі вторинні нейтрони беруть участь в розвитку цього ланцюгового процесу: деякі з них встигають вилетіти за межі шматка урану, не встигнувши зіткнутися з ядром здатного до поділу ізотопу. Тому в невеличкому шматку урану, розпочавшись, ланцюгова реакція може обірватися. Для її безперервного продовження, маса шматка урану повинна бути досить велика, така маса радіоактивної речовини, при якій виникає ядерна ланцюгова реакція та яка набуває безперервний характер, називається – критична маса радіоактивної речовини. Неконтрольована ланцюгова ядерна реакція, може набути характер вибуху, що і відбувається при вибуху атомної бомби.
Для одержання керованої ядерної реакції ділення необхідно регулювати швидкість процесу, шляхом контролю над кількістю нейтронів які беруть участь в ядерній реакції. Контроль кількості нейтронів, здійснюється шляхом введення в реактор спеціальних стрижнів, виготовлених з матеріалів які інтенсивно поглинають нейтрони (наприклад, кадмій).

Реакції ядерного синтезу, також є джерелом величезної кількості енергії. Так, при утворенні ядра атома гелію з ядер дейтерію і тритію:

2 H + 3 H → 4 He + n

на кожен грам реакційної суміші виділяється 35·10 7 кДж, що майже в 5 разів більше, ніж при розпаді 1 г Урану-235. Для проведення таких реакцій ядерного синтезу, необхідна температура близько 1 мільйона градусів за Цельсієм, тому такі реакції ядерного синтезу отримали назву – реакції термоядерного синтезу або просто термоядерна реакція.
У зв’язку з технологічною складністю отримання такої високої температури, необхідної для ініціації термоядерної реакції, поки вдалося здійснити лише некеровану термоядерну реакцію (воднева бомба), і поодинокі приклади лабораторних експериментів на прискорювачах заряджених частинок.

Радіація – іонізуюче випромінювання.
Іонізуючі випромінювання – це різні види мікрочастинок і фізичних полів, здатні іонізувати речовину.
Існують два типи іонізуючого випромінювання:

Короткохвильове електромагнітне випромінювання

• рентгенівське випромінювання
• гамма-випромінювання

• альфа-частинок
• бета-частинок
• протонів, мюонів, інших іонів
• інші частинки ядра-осколки виникають від ділення ядер

Джерела іонізуючого випромінювання бувають:

• радіоактивний розпад радіонуклідів
• термоядерні реакції на Сонці
• індуковані ядерні реакції виникають в результаті попадання в ядро високоенергетичних частинок при розпаді ядер
• космічні промені

• штучні радіонукліди
• ядерні реактори і випробування ядерної зброї
• прискорювачі елементарних частинок
• Рентгенівський апарат

Побутові дозиметри вимірюють іонізацію за певний час – її потужність. Одиниця виміру — мікрорентген на годину. Саме цей показник найбільш важливий для людини, так як дозволяє оцінити небезпеку того чи іншого джерела радіації.
1 рентген — це доза фотонного випромінювання, що утворює іони, які несуть 1 од. заряду СГСЕ((1/3)·10 -9 кулон) в 1 см 3 повітря при нормальному атмосферному тиску і 0°C. У повітрі в 1см 3 утворюється 2,08·10 9 пар іонів.
Зіверт (позначення: Зв, Sv) — одиниця виміру СІ ефективної та еквівалентної доз іонізуючого випромінювання (використовується з 1979 р.). 1 Зв = 1 Дж / кг
Грей (позначення: Гр, Gy) — одиниця вимірювання поглиненої дози іонізуючого випромінювання в системі СІ. Поглинена доза дорівнює одному грею, якщо в результаті поглинання іонізуючого випромінювання речовина отримала один джоуль енергії в розрахунку на один кілограм маси. 1Гр = 1Дж / кг
1 рентген/годину = 1 Зв