Transformacija atomskih jezgri zakoni radioaktivnog raspada. Radioaktivne transformacije atomskih jezgri Radioaktivne transformacije atomskih jezgri ukratko fizika

Što se događa s materijom tijekom radioaktivnog zračenja?
Već na samom početku istraživanja radioaktivnosti otkrivene su mnoge čudne i neobične stvari.

Prvo Ono što je bilo iznenađujuće je dosljednost kojom su radioaktivni elementi uran, torij i radij emitirali zračenje.
Tijekom dana, mjeseci pa čak i godina intenzitet zračenja nije se značajno mijenjao.
Na njega nisu utjecali uobičajeni utjecaji poput topline i povećanog tlaka.
Kemijske reakcije u koje su ulazile radioaktivne tvari također nisu utjecale na intenzitet zračenja.

Drugo, vrlo brzo nakon otkrića radioaktivnosti postalo je jasno da radioaktivnost prati oslobađanje energije.
Pierre Curie stavio je ampulu radij klorida u kalorimetar.
U njemu su se apsorbirale α-, β- i γ-zrake, a zbog njihove energije kalorimetar se zagrijavao.
Curie je utvrdio da radij težine 1 g emitira energiju približno jednaku 582 J u 1 satu.
I takva se energija oslobađa neprekidno dugi niz godina!

Odakle dolazi energija na čije oslobađanje ne utječu svi poznati utjecaji?
Očigledno, tijekom radioaktivnosti, tvar doživljava neke duboke promjene, potpuno različite od uobičajenih kemijskih transformacija.
Pretpostavljalo se da sami atomi prolaze kroz transformacije.
Sada ova misao možda neće izazvati veliko iznenađenje, budući da dijete može čuti o tome čak i prije nego što nauči čitati.
Ali početkom 20.st. činilo se fantastično, i bila je potrebna velika hrabrost da se to usuđuje izraziti.
U to vrijeme tek su dobiveni nepobitni dokazi o postojanju atoma.
Demokritova ideja o atomskoj strukturi materije konačno je trijumfirala.
I gotovo odmah nakon toga dovodi se u pitanje nepromjenjivost atoma.

Dakle, tijekom radioaktivnog raspada događa se lanac uzastopnih transformacija atoma.
Zadržimo se na prvim eksperimentima koje je započeo Rutherford i nastavio zajedno s engleskim kemičarom F. Soddyjem.

Rutherford je to otkrio aktivnost torij, definiran kao broj alfa čestica emitiranih po jedinici vremena, ostaje nepromijenjen u zatvorenoj ampuli.
Ako se preparat propuhuje čak i vrlo slabim zračnim strujama, tada se aktivnost torija jako smanjuje.
Znanstvenik je sugerirao da, istovremeno s α-česticama, torij emitira neku vrstu radioaktivnog plina.

Isisavanjem zraka iz ampule koja je sadržavala torij, Rutherford je izolirao radioaktivni plin i ispitao njegovu ionizirajuću sposobnost.
Pokazalo se da aktivnost ovog plina (za razliku od aktivnosti torija, urana i radija) vrlo brzo opada s vremenom.
Svake minute aktivnost se smanjuje za pola, a nakon deset minuta postaje gotovo jednaka nuli.
Soddy je proučavao kemijska svojstva ovog plina i otkrio da ne stupa u nikakve reakcije, odnosno da je inertan plin.
Kasnije je ovaj plin nazvan radon i stavljen u periodni sustav D. I. Mendeljejeva pod rednim brojem 86.

Ostali radioaktivni elementi također su doživjeli transformacije: uran, aktinij, radij.
Opći zaključak do kojeg su znanstvenici došli precizno je formulirao Rutherford: „Atomi radioaktivne tvari podložni su spontanim modifikacijama.
U svakom trenutku mali dio ukupnog broja atoma postaje nestabilan i eksplozivno se raspada.
U velikoj većini slučajeva fragment atoma - α-čestica - izbacuje se ogromnom brzinom.
U nekim drugim slučajevima eksplozija je popraćena izbacivanjem brzog elektrona i pojavom zraka koje, kao i X-zrake, imaju veliku prodornu moć i nazivaju se γ-zračenje.

Otkriveno je da kao rezultat transformacije atoma nastaje potpuno nova vrsta tvari, potpuno drugačija po svojim fizikalnim i kemijskim svojstvima od izvorne tvari.
Ova nova tvar, međutim, sama je također nestabilna i prolazi kroz transformaciju uz emisiju karakterističnog radioaktivnog zračenja.

Dakle, točno je utvrđeno da su atomi pojedinih elemenata podložni spontanoj dezintegraciji, popraćenoj emisijom energije u ogromnim količinama u usporedbi s energijom koja se oslobađa tijekom uobičajenih molekularnih modifikacija.”

Nakon što je otkrivena atomska jezgra, odmah je postalo jasno da je upravo ta jezgra doživjela promjene tijekom radioaktivnih transformacija.
Uostalom, u elektronskoj ljusci uopće nema alfa čestica, a smanjenje broja elektrona ljuske za jedan pretvara atom u ion, a ne u novi kemijski element.
Izbacivanje elektrona iz jezgre mijenja naboj jezgre (povećava ga) za jedan.

Dakle, radioaktivnost je spontana transformacija jednih jezgri u druge, praćena emisijom raznih čestica.

Pravilo ofseta

Nuklearne transformacije podliježu tzv pravilo pomaka, koji je prvi formulirao Soddy.

Tijekom α raspada jezgra gubi svoj pozitivni naboj 2e i njezina se masa M smanjuje za otprilike četiri jedinice atomske mase.
Kao rezultat toga, element se pomiče za dvije ćelije na početak periodnog sustava.

Ovdje je element označen, kao i u kemiji, općeprihvaćenim simbolima: nuklearni naboj je napisan kao indeks u donjem lijevom kutu simbola, a atomska masa je napisana kao indeks u gornjem lijevom kutu simbola.
Na primjer, vodik je predstavljen simbolom
Za α česticu, koja je jezgra atoma helija, koristi se oznaka itd.
Tijekom beta raspada, iz jezgre se emitira elektron
Kao rezultat toga, nuklearni naboj se povećava za jedan, ali masa ostaje gotovo nepromijenjena:

Ovdje označava elektron: indeks 0 na vrhu znači da je njegova masa vrlo mala u usporedbi s atomskom jedinicom mase; elektronski antineutrino je neutralna čestica vrlo male (moguće nula) mase koja odnosi dio energije tijekom β-raspada.
Stvaranje antineutrina prati β-raspad bilo koje jezgre, a ta čestica često nije naznačena u jednadžbama odgovarajućih reakcija.

Nakon β raspada, element se pomiče jednu ćeliju bliže kraju periodnog sustava elemenata..

Gama zračenje nije popraćeno promjenom naboja; masa jezgre se zanemarivo mijenja.

Prema pravilu pomaka, tijekom radioaktivnog raspada ukupni električni naboj je očuvan, a relativna atomska masa jezgri je približno očuvana.
Nove jezgre nastale tijekom radioaktivnog raspada također mogu biti radioaktivne i podvrgavati se daljnjim transformacijama.

Tako,
Tijekom radioaktivnog raspada atomske jezgre se transformiraju.

Što se događa s materijom tijekom radioaktivnog zračenja? Za odgovor na ovo pitanje početkom 20.st. nije bilo baš lako. Već na samom početku istraživanja radioaktivnosti otkrivene su mnoge čudne i neobične stvari.

Prvo, nevjerojatna dosljednost kojom radioaktivni elementi uran, torij i radij emitiraju zračenje. Tijekom dana, mjeseci i godina intenzitet zračenja nije se osjetno mijenjao. Na njega nisu utjecali uobičajeni utjecaji poput topline ili povećanog tlaka.

Kemijske reakcije u koje su ulazile radioaktivne tvari također nisu utjecale na intenzitet zračenja.

Drugo, vrlo brzo nakon otkrića radioaktivnosti postalo je jasno da radioaktivnost prati oslobađanje energije. Pierre Curie stavio je ampulu radij klorida u kalorimetar. U njemu su se apsorbirale α-, β- i γ-zrake, a zbog njihove energije kalorimetar se zagrijavao. Curie je utvrdio da 1 g radija oslobodi 582 J energije u 1 satu. I ta se energija neprekidno oslobađa tijekom niza godina.

Odakle dolazi energija na čije oslobađanje ne utječu svi poznati utjecaji? Očigledno, tijekom radioaktivnosti, tvar doživljava neke duboke promjene, potpuno različite od uobičajenih kemijskih transformacija. Pretpostavljalo se da sami atomi prolaze kroz transformacije!

Sada ova misao možda neće izazvati veliko iznenađenje, budući da dijete može čuti o tome čak i prije nego što nauči čitati. Ali početkom 20.st. činilo se fantastičnim i bila je potrebna velika hrabrost odlučiti se to izraziti. U to vrijeme tek su dobiveni nepobitni dokazi o postojanju atoma. Stoljetna ideja Demokrita o atomskoj strukturi materije konačno je trijumfirala. I gotovo odmah nakon toga dovodi se u pitanje nepromjenjivost atoma.

Nećemo detaljno govoriti o onim eksperimentima koji su na kraju doveli do potpunog uvjerenja da se tijekom radioaktivnog raspada događa lanac uzastopnih transformacija atoma. Zadržimo se samo na prvim eksperimentima koje je započeo Rutherford i nastavio zajedno s engleskim kemičarom F. Soddyjem (1877.-1956.).

Rutherford je to otkrio aktivnost torija, definirana kao broj raspada po jedinici vremena, ostaje nepromijenjena u zatvorenoj ampuli. Ako se preparat propuhuje čak i vrlo slabim zračnim strujama, tada se aktivnost torija jako smanjuje. Rutherford je sugerirao da, istovremeno s alfa česticama, torij emitira neku vrstu plina, koji je također radioaktivan. On je to nazvao plinom emanacija. Isisavanjem zraka iz ampule koja je sadržavala torij, Rutherford je izolirao radioaktivni plin i ispitao njegovu ionizirajuću sposobnost. Pokazalo se da aktivnost ovog plina brzo opada s vremenom. Svake minute aktivnost se smanjuje za pola, a nakon deset minuta praktički je jednaka nuli. Soddy je proučavao kemijska svojstva ovog plina i otkrio da ne stupa u nikakve reakcije, odnosno da je inertan plin. Kasnije je plin nazvan radon i stavljen u periodni sustav pod rednim brojem 86. Ostali radioaktivni elementi također su doživjeli transformacije: uran, aktinij, radij. Opći zaključak do kojeg su znanstvenici došli precizno je formulirao Rutherford: „Atomi radioaktivne tvari podložni su spontanim modifikacijama. U svakom trenutku mali dio ukupnog broja atoma postaje nestabilan i eksplozivno se raspada. U velikoj većini slučajeva fragment atoma - α-čestica - izbacuje se ogromnom brzinom. U nekim drugim slučajevima eksplozija je popraćena izbacivanjem brzog elektrona i pojavom zraka koje, poput X-zraka, imaju veliku prodornu moć i nazivaju se γ-zračenje. Otkriveno je da kao rezultat transformacije atoma nastaje potpuno nova vrsta tvari, potpuno drugačija po svojim fizikalnim i kemijskim svojstvima od izvorne tvari. Ova nova tvar, međutim, sama je također nestabilna i prolazi kroz transformaciju uz emisiju karakterističnog radioaktivnog zračenja.

Dakle, točno je utvrđeno da su atomi pojedinih elemenata podložni spontanoj dezintegraciji, popraćenoj emisijom energije u ogromnim količinama u usporedbi s energijom koja se oslobađa tijekom uobičajenih molekularnih modifikacija.”

Nakon što je otkrivena atomska jezgra, odmah je postalo jasno da je upravo ta jezgra doživjela promjene tijekom radioaktivnih transformacija. Uostalom, u elektronskoj ljusci uopće nema os-čestica, a smanjenje broja elektrona ljuske za jedan pretvara atom u ion, a ne u novi kemijski element. Izbacivanje elektrona iz jezgre mijenja naboj jezgre (povećava ga) za jedan. Naboj jezgre određuje atomski broj elementa u periodnom sustavu i sva njegova kemijska svojstva.

Bilješka

Književnost

Myakishev G.Ya. Fizika: Optika. Kvantna fizika. 11. razred: Obrazovni. za produbljeni studij fizike. - M.: Bustard, 2002. - P. 351-353.

Radioaktivne transformacije

Godine 1903. Pierre Curie je otkrio da uranove soli kontinuirano i bez vidljivog smanjenja tijekom vremena oslobađaju toplinsku energiju, koja se po jedinici mase činila golemom u usporedbi s energijom najenergičnijih kemijskih reakcija. Radij oslobađa još više topline - oko 107 J na sat po 1 g čiste tvari. Ispostavilo se da su radioaktivni elementi dostupni u dubinama zemaljske kugle dovoljni (u uvjetima ograničenog odvođenja topline) da otope magmu

Gdje je izvor te naizgled neiscrpne energije? Marie Curie iznijela je na samom kraju 19. stoljeća. dvije hipoteze. Jedan od njih (dijeli Lord Kelvin ) je da radioaktivne tvari hvataju neku vrstu kozmičkog zračenja, pohranjujući potrebnu energiju. U skladu s drugom hipotezom, zračenje je popraćeno nekim promjenama u samim atomima, koji pritom gube energiju, koja se emitira. Obje hipoteze činile su se jednako nevjerojatnima, ali postupno se skupljalo sve više dokaza u korist druge.

Ernest Rutherford dao je velik doprinos razumijevanju onoga što se događa s radioaktivnim tvarima. Davne 1895. godine engleski kemičar William Ramsay, koji se proslavio otkrićem argona u zraku, otkrio je još jedan plemeniti plin u mineralu kleveit - helij. Kasnije su značajne količine helija otkrivene u drugim mineralima - ali samo onima koji su sadržavali uran i torij. Činilo se iznenađujućim i čudnim - odakle bi rijetki plin mogao doći u mineralima? Kada je Rutherford počeo istraživati ​​prirodu alfa čestica koje emitiraju radioaktivni minerali, postalo je jasno da je helij proizvod radioaktivnog raspada ( cm. RADIOAKTIVNOST). To znači da su neki kemijski elementi sposobni "generirati" druge - to je u suprotnosti sa svim iskustvom koje je skupilo nekoliko generacija kemičara.

Međutim, "transformacija" urana i torija u helij nije bila ograničena na. Godine 1899. u Rutherfordovom laboratoriju (tada je radio u Montrealu) primijećen je još jedan čudan fenomen: pripravci elementa torija u zatvorenoj ampuli održavali su konstantnu aktivnost, ali na otvorenom je njihova aktivnost ovisila o tome. Nacrti. Rutherford je brzo shvatio da torij emitira radioaktivni plin (nazvano je emanacija torija - od latinskog emanatio - odljev, ili toron), aktivnost ovog plina smanjila se vrlo brzo: prepolovljena za oko jednu minutu (prema suvremenim podacima - za 55,6 s ). Slična plinovita "emanacija" također je otkrivena u radiju (njegova se aktivnost znatno sporije smanjivala) - nazvana je radijeva emanacija ili radon. Utvrđeno je da aktinij ima i vlastitu "emanaciju", koja nestaje u samo nekoliko sekundi; nazvana je aktinijeva emanacija ili aktinon. Naknadno se pokazalo da su sve te "emanacije" izotopi istog kemijskog elementa - radona ( cm. KEMIJSKI ELEMENTI).

Nakon što je svaki član niza pripisan jednom od izotopa poznatih kemijskih elemenata, postalo je jasno da niz urana počinje s uranom-238 ( T 1/2 = 4,47 milijardi godina) i završava sa stabilnim olovom-206; budući da je jedan od članova ovog niza vrlo važan element radij), ovaj se niz naziva i uran-radijev niz. Serija aktinija (drugo ime je serija aktinouranija) također potječe od prirodnog urana, ali od njegovog drugog izotopa - 235 U ( T 1/2 = 794 milijuna godina). Torijev niz počinje nuklidom 232 Th ( T 1/2 = 14 milijardi godina). Konačno, serija neptunija, koja nije prisutna u prirodi, započinje umjetno dobivenim najdugovječnijim izotopom neptunija: 237 Np 233 Pa 233 U 229 Th 225 Ra 225 Ac 221 Fr 217 At 213 Bi 213 Po 2 09 Pb  209 Dvo. U ovoj seriji postoji i "vilica": 213 Bi s vjerojatnošću od 2% može se pretvoriti u 209 Tl, koji se već pretvara u 209 Pb. Zanimljivija značajka niza neptunija je odsutnost plinovitih "emanacija", a krajnji član niza je bizmut umjesto olova. Vrijeme poluraspada pretka ovog umjetnog niza je “samo” 2,14 milijuna godina, pa neptunij, čak i da je bio prisutan tijekom nastanka Sunčevog sustava, ne bi mogao “preživjeti” do danas, jer Starost Zemlje procjenjuje se na 4,6 milijardi godina, a za to vrijeme (više od 2000 poluraspada) od neptunija ne bi ostao niti jedan atom.

Kao primjer, Rutherford je razotkrio složeno klupko događaja u lancu transformacije radija (radij-226 je šesti član radioaktivnog niza urana-238). Dijagram prikazuje i simbole Rutherfordovog vremena i moderne simbole za nuklide, kao i vrstu raspada i moderne podatke o poluživotima; u gornjem nizu također postoji mala "vilica": RaC s vjerojatnošću od 0,04% može se transformirati u RaC""(210 Tl), koji se zatim pretvara u isti RaD ( T 1/2 = 1,3 min). Ovo radioaktivno olovo ima prilično dugo vrijeme poluraspada, pa se tijekom eksperimenta često mogu zanemariti njegove daljnje transformacije.

Posljednji član ove serije, olovo-206 (RaG), je stabilan; u prirodnom olovu iznosi 24,1%. Torijeva serija dovodi do stabilnog olova-208 (njegov sadržaj u "običnom" olovu je 52,4%), aktinijeva serija dovodi do olova-207 (njegov sadržaj u olovu je 22,1%). Omjer ovih izotopa olova u modernoj zemljinoj kori povezan je, naravno, i s vremenom poluraspada matičnih nuklida i s njihovim početnim omjerom u materijalu od kojeg je Zemlja nastala. A “običnog”, neradiogenog, olova u zemljinoj kori ima samo 1,4%. Dakle, da u početku nije bilo urana i torija na Zemlji, olovo u njemu ne bi bilo 1,6 × 10 –3% (otprilike isto kao kobalt), već 70 puta manje (kao, na primjer, tako rijetki metali kao što su indij i tulij!) . S druge strane, zamišljeni kemičar koji je prije nekoliko milijardi godina doletio na naš planet našao bi na njemu mnogo manje olova, a mnogo više urana i torija...

Kada je F. Soddy 1915. godine izolirao olovo nastalo raspadom torija iz cejlonskog minerala torit (ThSiO 4), ispostavilo se da je njegova atomska masa jednaka 207,77, odnosno više od mase "običnog" olova (207,2). Ova razlika od "teorijske" (208) objašnjava se činjenicom da je torit sadržavao nešto urana, koji proizvodi olovo-206. Kada je američki kemičar Theodore William Richards, autoritet na području mjerenja atomskih masa, izolirao olovo iz nekih minerala urana koji nisu sadržavali torij, ispostavilo se da je njegova atomska masa gotovo točno 206. Gustoća ovog olova bila je nešto manja od i odgovarala je izračunatoj: ( Pb)  206/207,2 = 0,994(Pb), gdje je (Pb) = 11,34 g/cm 3 . Ovi rezultati jasno pokazuju zašto za olovo, kao i za niz drugih elemenata, nema smisla mjeriti atomsku masu s vrlo visokom točnošću: uzorci uzeti na različitim mjestima dat će malo drugačije rezultate ( cm. UGLJIČNA JEDINICA).

U prirodi se kontinuirano događaju lanci transformacija prikazani na dijagramima. Kao rezultat toga, neki kemijski elementi (radioaktivni) se transformiraju u druge, a takve transformacije su se događale tijekom cijelog razdoblja postojanja Zemlje. Početni članovi (oni se nazivaju majkama) radioaktivnih serija su najdugovječniji: vrijeme poluraspada urana-238 je 4,47 milijardi godina, torija-232 je 14,05 milijardi godina, urana-235 (također poznat kao "aktinuranij" je predak aktinijeve serije ) – 703,8 milijuna godina. Svi sljedeći ("kćeri") članovi ovog dugog lanca žive znatno kraće. U tom slučaju dolazi do stanja koje radiokemičari nazivaju "radioaktivna ravnoteža": brzina stvaranja intermedijarnog radionuklida iz matičnog urana, torija ili aktinija (ova je brzina vrlo niska) jednaka je brzini raspada tog nuklida. Kao rezultat jednakosti ovih brzina, sadržaj određenog radionuklida je konstantan i ovisi samo o njegovom vremenu poluraspada: koncentracija kratkoživućih članova radioaktivnog niza je mala, a koncentracija dugoživućih članova je veća. Ova postojanost sadržaja međuproizvoda raspada traje vrlo dugo (ovo vrijeme je određeno poluživotom matičnog nuklida, koji je vrlo dug). Jednostavne matematičke transformacije dovode do sljedećeg zaključka: omjer broja materinskih ( N 0) i djeca ( N 1, N 2, N 3...) atomi su izravno proporcionalni svojim poluživotima: N 0:N 1:N 2:N 3... = T 0:T 1:T 2:T 3... Dakle, vrijeme poluraspada urana-238 je 4,47 10 9 godina, radija 226 je 1600 godina, stoga je omjer broja atoma urana-238 i radija-226 u uranovim rudama 4,47 10 9: 1600 , iz čega je lako izračunati (uzimajući u obzir atomske mase ovih elemenata) da za 1 tonu urana, kada se postigne radioaktivna ravnoteža, postoji samo 0,34 g radija.

I obrnuto, znajući omjer urana i radija u rudama, kao i vrijeme poluraspada radija, moguće je odrediti vrijeme poluraspada urana, a za određivanje vremena poluraspada radija ne trebate čekati više od tisuću godina - dovoljno je izmjeriti (prema njegovoj radioaktivnosti) brzinu raspada (tj. .d vrijednost N/d t) mala poznata količina tog elementa (s poznatim brojem atoma N), a zatim prema formuli d N/d t = –N odredite vrijednost  = ln2/ T 1/2.

Zakon pomaka. Ako se članovi bilo kojeg radioaktivnog niza redom ucrtaju u periodni sustav elemenata, ispada da radionuklidi u tom nizu ne prelaze glatko s matičnog elementa (uran, torij ili neptunij) na olovo ili bizmut, već "skaču" udesno pa ulijevo. Tako se u nizu urana dva nestabilna izotopa olova (element br. 82) pretvaraju u izotope bizmuta (element br. 83), zatim u izotope polonija (element br. 84), pa opet u izotope olova . Zbog toga se radioaktivni element često vraća natrag u istu ćeliju tablice elemenata, ali nastaje izotop različite mase. Pokazalo se da u tim “skokovima” postoji određeni obrazac koji je F. Soddy primijetio 1911. godine.

Danas je poznato da se tijekom  raspada  čestica (jezgra atoma helija) emitira iz jezgre, stoga se naboj jezgre smanjuje za 2 (pomak u periodnom sustavu za dvije ćelije ulijevo) , a maseni broj se smanjuje za 4, što nam omogućuje predviđanje koji izotop novog elementa nastaje. Ilustracija može biti -raspad radona:  + . Tijekom  raspada, naprotiv, broj protona u jezgri se povećava za jedan, ali se masa jezgre ne mijenja ( cm. RADIOAKTIVNOST), tj. dolazi do pomaka u tablici elemenata za jednu ćeliju udesno. Primjer su dvije uzastopne transformacije polonija nastale iz radona:   . Dakle, moguće je izračunati koliko alfa i beta čestica se emitira, na primjer, kao rezultat raspada radija-226 (vidi seriju urana), ako ne uzmemo u obzir "rašlje". Inicijalni nuklid, završni nuklid - . Smanjenje mase (odnosno masenog broja, odnosno ukupnog broja protona i neutrona u jezgri) je jednako 226 – 206 = 20, dakle, emitirano je 20/4 = 5 alfa čestica. Te su čestice odnijele 10 protona, a da nije bilo  raspada, nuklearni naboj konačnog proizvoda raspada bio bi jednak 88 – 10 = 78. Zapravo, u konačnom proizvodu ima 82 protona, dakle, tijekom transformacija , 4 neutrona su se pretvorila u protone i emitirane su 4  čestice.

Vrlo često nakon -raspada slijede dva -raspada, pa se nastali element vraća u izvornu ćeliju tablice elemenata – u obliku lakšeg izotopa izvornog elementa. Zahvaljujući tim činjenicama, postalo je očito da periodički zakon D. I. Mendeljejeva odražava odnos između svojstava elemenata i naboja njihove jezgre, a ne njihove mase (kako je izvorno formuliran kada struktura atoma nije bila poznata).

Zakon radioaktivnog pomaka konačno je formuliran 1913. kao rezultat mukotrpnog istraživanja mnogih znanstvenika. Značajni među njima bili su Soddyjev pomoćnik Alexander Fleck, Soddyjev pripravnik A.S. Russell, mađarski fizikalni kemičar i radiokemičar György Hevesy, koji je radio s Rutherfordom na Sveučilištu u Manchesteru 1911.–1913., te njemački (i kasnije američki) fizikalni kemičar Casimir Fajans ( 1887–1975). Ovaj zakon se često naziva Soddy-Faienceov zakon.

Umjetna transformacija elemenata i umjetna radioaktivnost. Još od vremena Becquerela uočeno je da najobičnije tvari koje su bile u blizini radioaktivnih spojeva i same postaju više ili manje radioaktivne. Rutherford je to nazvao "pobuđena aktivnost", Curiejevi su to nazvali "inducirana aktivnost", ali dugo nitko nije mogao objasniti bit fenomena.

Godine 1919. Rutherford je proučavao prolazak alfa čestica kroz različite tvari. Pokazalo se da kada brzoleteće -čestice udare u jezgre lakih elemenata, na primjer dušika, brzoleteći protoni (jezgre vodika) mogu povremeno biti izbačeni iz njih, dok sama -čestica postaje dio jezgre , što povećava njegov naboj za jedan. Dakle, kao rezultat reakcije +  + iz dušika nastaje još jedan kemijski element - kisik (njegov teški izotop). To je bila prva umjetno izvedena reakcija pretvaranja jednog elementa u drugi. U ovom, kao iu svim drugim nuklearnim procesima, očuvani su i ukupni naboj (indeksi) i maseni broj, tj. ukupni broj protona i neutrona (superskripti).

Prastari san alkemičara se ostvario: čovjek je naučio transformirati neke elemente u druge, iako nitko nije očekivao praktičan ishod ove vještine u Rutherfordovo vrijeme. Doista, za dobivanje α-čestica bilo je potrebno imati njihov izvor, na primjer, radijev pripravak. Još gore, za svaki milijun α-čestica otpuštenih na dušiku, u prosjeku je dobiveno samo 20 atoma kisika.

S vremenom su se realizirale i druge nuklearne reakcije, a mnoge od njih našle su praktičnu primjenu. U travnju 1932., na sastanku Engleske akademije znanosti (Kraljevsko društvo), Rutherford je objavio da je njegov laboratorij uspješno izveo reakcije cijepanja lakih elemenata (primjerice litija) s protonima. Da bi se to postiglo, protoni dobiveni iz vodika ubrzani su korištenjem visokih napona jednakih desecima ili čak stotinama tisuća volti. Protoni, koji imaju manji naboj i masu od alfa čestica, lakše prodiru u jezgru. Uvodeći se u jezgru litija-7, proton je transformira u jezgru berilija-8, koja gotovo trenutno “odbacuje” višak energije, raspadajući se na dvije -čestice: +  ()  2. Ako uzmemo lagani izotop litija (u prirodnom litija ima 7,5%), tada nastaju jezgre dvaju izotopa helija: +  ()  + . Pri bombardiranju protona kisika dobiven je fluor: +  + ; kod ljuštenja aluminij – magnezij: + + .

Mnoge različite transformacije provedene su s deuteronima, jezgrama teškog vodikovog izotopa deuterija, ubrzanim do velikih brzina. Tako je tijekom reakcije +  + prvi put nastao superteški vodik – tricij. Sudar dvaju deuterona može teći različito: +  + , ti su procesi važni za proučavanje mogućnosti kontrolirane termonuklearne reakcije. Reakcija +  ()  2 pokazala se važnom, budući da se događa već pri relativno niskoj energiji deuterona (0,16 MeV) i praćena je oslobađanjem kolosalne energije - 22,7 MeV (podsjetimo se da je 1 MeV = 10 6 eV , i 1 eV = 96,5 kJ/mol).

Reakcija koja se događa kada se berilij bombardira -česticama dobila je veliku praktičnu važnost: +  ()  + , dovela je 1932. do otkrića neutralne čestice neutrona, a radij-berilij izvori neutrona pokazali su se vrlo prikladnim za znanstvena istraživanja. Neutroni s različitim energijama također se mogu dobiti kao rezultat reakcija +  + ; +  + ; +  + . Neutroni koji nemaju naboj posebno lako prodiru u atomske jezgre i uzrokuju niz procesa koji ovise i o nuklidu koji se ispaljuje i o brzini (energiji) neutrona. Dakle, spori neutron može jednostavno biti zarobljen od strane jezgre, a jezgra se oslobađa nekog viška energije emitiranjem gama kvanta, na primjer: +  + . Ova se reakcija naširoko koristi u nuklearnim reaktorima za kontrolu reakcije fisije urana: kadmijeve šipke ili ploče guraju se u nuklearni kotao kako bi se reakcija usporila.

Godine 1934. muževi Irene i Frederic Joliot-Curie došli su do važnog otkrića. Bombardirajući neke lake elemente alfa česticama (emitirao ih je polonij), očekivali su reakciju sličnu onoj već poznatoj za berilij, tj. izbacivanje neutrona, na primjer:

Ako je stvar bila ograničena na ove transformacije, onda je nakon zaustavljanja -zračenja tok neutrona trebao odmah presušiti, pa su, nakon uklanjanja izvora polonija, očekivali prestanak svih aktivnosti, ali su otkrili da je brojač čestica nastavio registrirati impulse koji postupno blijede - u točnom skladu s eksponencijalnim zakonom. To se može protumačiti samo na jedan način: kao rezultat alfa zračenja pojavili su se ranije nepoznati radioaktivni elementi s karakterističnim vremenom poluraspada od 10 minuta za dušik-13 i 2,5 minute za fosfor-30. Ispostavilo se da ovi elementi prolaze kroz pozitronski raspad:  + e + ,  + e + . Zanimljivi su rezultati dobiveni s magnezijem, predstavljenim s tri stabilna prirodna izotopa, a pokazalo se da svi oni pri -zračenju daju radioaktivne nuklide silicija ili aluminija, koji prolaze 227- ili pozitronski raspad:

Proizvodnja umjetnih radioaktivnih elemenata od velike je praktične važnosti, jer omogućuje sintezu radionuklida s vremenom poluraspada pogodnim za određenu namjenu i željenom vrstom zračenja s određenom snagom. Posebno je pogodno koristiti neutrone kao "projektile". Hvatanje neutrona od strane jezgre često ga čini toliko nestabilnim da nova jezgra postaje radioaktivna. Može postati stabilan zbog transformacije "viška" neutrona u proton, odnosno zbog 227 zračenja; Poznato je mnogo takvih reakcija, na primjer: +   + e. Vrlo je važna reakcija stvaranja radioaktivnog ugljika koja se odvija u gornjim slojevima atmosfere: +  + ( cm. RADIOKARBONSKA ANALIZA METODA). Tricij se sintetizira apsorpcijom sporih neutrona od strane jezgre litija-6. Pod utjecajem brzih neutrona mogu se ostvariti mnoge nuklearne transformacije, npr.: +  + ; +  + ; +  + . Tako se ozračivanjem običnog kobalta neutronima dobiva radioaktivni kobalt-60 koji je snažan izvor gama zračenja (oslobađa se produktom raspada 60 Co - pobuđenih jezgri). Neki transuranijevi elementi nastaju zračenjem neutronima. Na primjer, iz prirodnog urana-238 prvo nastaje nestabilni uran-239 koji se tijekom  raspada ( T 1/2 = 23,5 min) pretvara u prvi transuranski element neptunij-239, a on zauzvrat također kroz -raspad ( T 1/2 = 2,3 dana) pretvara u vrlo važan takozvani plutonij-239 za oružje.

Je li moguće umjetno dobiti zlato provođenjem potrebne nuklearne reakcije i tako postići ono što alkemičarima nije uspjelo? Teoretski, za to nema nikakvih prepreka. Štoviše, takva je sinteza već provedena, ali nije donijela bogatstvo. Najlakši način za umjetnu proizvodnju zlata bio bi ozračivanje žive, elementa koji je sljedeći u periodnom sustavu nakon zlata, strujom neutrona. Tada bi, kao rezultat reakcije +  +, neutron izbacio proton iz atoma žive i pretvorio ga u atom zlata. Ova reakcija ne ukazuje na specifične masene brojeve ( A) nuklidi žive i zlata. Zlato u prirodi je jedini stabilni nuklid, a prirodna živa je složena mješavina izotopa s A= 196 (0,15%), 198 (9,97%), 199 (1,87%), 200 (23,10%), 201 (13,18%), 202 (29,86%) i 204 (6,87%). Posljedično, prema gornjoj shemi, može se dobiti samo nestabilno radioaktivno zlato. Dobila ga je skupina američkih kemičara sa Sveučilišta Harvard još početkom 1941. godine, ozračujući živu strujom brzih neutrona. Nakon nekoliko dana, svi nastali radioaktivni izotopi zlata, kroz beta raspad, ponovno su se pretvorili u izvorne izotope žive...

Ali postoji i drugi način: ako se atomi žive-196 ozrače sporim neutronima, oni će se pretvoriti u atome žive-197: +  + . Ovi atomi, s vremenom poluraspada od 2,7 dana, prolaze kroz hvatanje elektrona i konačno se pretvaraju u stabilne atome zlata: + e  . Ovu transformaciju izveli su 1947. godine zaposlenici Nacionalnog laboratorija u Chicagu. Ozračivanjem 100 mg žive sporim neutronima dobili su 0,035 mg 197Au. U odnosu na svu živu, iskorištenje je vrlo malo - samo 0,035%, ali u odnosu na 196Hg doseže 24%! No, izotop 196 Hg u prirodnoj živi je tek najmanji, osim toga sam proces ozračivanja i njegovo trajanje (za ozračivanje će biti potrebno nekoliko godina), a izdvajanje stabilnog “sintetskog zlata” iz složene smjese koštat će nemjerljivo više od izolacija zlata iz najsiromašnije rude ( vidi također ZLATO). Stoga je umjetna proizvodnja zlata od čisto teorijskog interesa.

Kvantitativni obrasci radioaktivnih transformacija. Kad bi bilo moguće pratiti određenu nestabilnu jezgru, bilo bi nemoguće predvidjeti kada će se ona raspasti. Ovo je slučajan proces i samo u određenim slučajevima može se procijeniti vjerojatnost propadanja tijekom određenog vremenskog razdoblja. Međutim, čak i najmanja čestica prašine, gotovo nevidljiva pod mikroskopom, sadrži ogroman broj atoma, a ako su ti atomi radioaktivni, tada se njihov raspad pokorava strogim matematičkim zakonima: stupaju na snagu statistički zakoni karakteristični za vrlo velik broj objekata. . I tada se svaki radionuklid može okarakterizirati vrlo specifičnom vrijednošću - vremenom poluraspada ( T 1/2) je vrijeme tijekom kojeg se raspadne polovica raspoloživog broja jezgri. Ako je u početnom trenutku bilo N 0 jezgri, zatim nakon nekog vremena t = T Ostat će ih 1/2 N 0/2, na t = 2T 1/2 će ostati N 0/4 = N 0/2 2 , na t = 3T 1/2 – N 0/8 = N 0/2 3 itd. Općenito, kada t = nT 1/2 će ostati N 0/2 n jezgre, gdje n = t/T 1/2 je broj poluživota (ne mora biti cijeli broj). Lako je pokazati da formula N = N 0/2 t / T 1/2 je ekvivalent formule N = N 0e –   t, gdje je  takozvana konstanta raspada. Formalno se definira kao koeficijent proporcionalnosti između stope raspada d N/d t i raspoloživi broj jezgri: d N/d t = –N(znak minus to označava N smanjuje se tijekom vremena). Integracija ove diferencijalne jednadžbe daje eksponencijalnu ovisnost broja jezgri o vremenu. Zamjenom u ovu formulu N = N 0/2 at t = T 1/2, dobivamo da je konstanta raspada obrnuto proporcionalna vremenu poluraspada:  = ln2/ T 1/2 = 0,693/T 1/2. Vrijednost  = 1/ naziva se prosječnim životnim vijekom jezgre. Na primjer, za 226 Ra T 1/2 = 1600 godina,  = 1109 godina.

Prema zadanim formulama, znajući vrijednost T 1/2 (ili ), lako je izračunati količinu radionuklida nakon bilo kojeg vremenskog razdoblja, a iz njih možete izračunati poluživot ako je količina radionuklida poznata u različitim vremenskim točkama. Umjesto broja jezgri, u formulu možete zamijeniti aktivnost zračenja koja je izravno proporcionalna raspoloživom broju jezgri N. Aktivnost se obično ne karakterizira ukupnim brojem raspada u uzorku, već njemu proporcionalnim brojem impulsa koje bilježi uređaj za mjerenje aktivnosti. Ako postoji, na primjer, 1 g radioaktivne tvari, tada će tvar biti aktivnija što je njezin poluživot kraći.

Drugi matematički zakoni opisuju ponašanje malog broja radionuklida. Ovdje možemo govoriti samo o vjerojatnosti određenog događaja. Neka, na primjer, postoji jedan atom (točnije jedna jezgra) radionuklida s T 1/2 = 1 min. Vjerojatnost da će ovaj atom živjeti 1 minutu je 1/2 (50%), 2 minute - 1/4 (25%), 3 minute - 1/8 (12,5%), 10 minuta - (1/2 ) 10 = 1/10 24 (0,1%), 20 min – (1/2) 20 = 1/1048576 (0,00001%). Za jedan atom ta je šansa zanemariva, ali kada atoma ima mnogo, na primjer nekoliko milijardi, onda će mnogi od njih, bez sumnje, živjeti 20 poluraspada ili mnogo više. Vjerojatnost da će se atom raspasti tijekom određenog vremenskog razdoblja dobiva se oduzimanjem dobivenih vrijednosti od 100. Dakle, ako je vjerojatnost da će atom preživjeti 2 minute 25%, tada je vjerojatnost da će se isti atom raspasti tijekom ovog razdoblja. vrijeme je 100 - 25 = 75%, vjerojatnost dezintegracije unutar 3 minute - 87,5%, unutar 10 minuta - 99,9% itd.

Formula postaje kompliciranija ako postoji nekoliko nestabilnih atoma. U ovom slučaju statistička vjerojatnost događaja opisuje se formulom s binomnim koeficijentima. Ako postoji N atoma, te vjerojatnosti raspada jednog od njih tijekom vremena t jednak str, zatim vjerojatnost da tijekom vremena t iz N atomi će se raspasti n(i ostat će u skladu s tim N – n), jednako je P = N!str n (1–str) N – n /(N–n)!n! Slične formule moraju se koristiti u sintezi novih nestabilnih elemenata, čiji se atomi dobivaju doslovno pojedinačno (na primjer, kada je skupina američkih znanstvenika 1955. otkrila novi element Mendelevij, dobili su ga u količini od samo 17 atoma ).

Bila je to jedna od najvažnijih faza u razvoju modernog fizikalnog znanja. Znanstvenici nisu odmah došli do točnih zaključaka o strukturi najmanjih čestica. I mnogo kasnije otkriveni su drugi zakoni - na primjer, zakoni gibanja mikročestica, kao i značajke transformacije atomskih jezgri koje se javljaju tijekom radioaktivnog raspada.

Rutherfordovi pokusi

Radioaktivne transformacije atomskih jezgri prvi je proučavao engleski istraživač Rutherford. Već je tada bilo jasno da najveći dio mase atoma leži u njegovoj jezgri, jer su elektroni mnogo stotina puta lakši od nukleona. Kako bi se proučavao pozitivni naboj unutar jezgre, 1906. Rutherford je predložio ispitivanje atoma alfa česticama. Takve su čestice nastale raspadom radija, ali i nekih drugih tvari. Tijekom svojih pokusa, Rutherford je stekao razumijevanje strukture atoma, što je dobilo naziv "planetarni model".

Prva opažanja radioaktivnosti

Davne 1985. godine engleski istraživač W. Ramsay, poznat po svom otkriću plina argona, došao je do zanimljivog otkrića. Otkrio je plin helij u mineralu zvanom kleveit. Kasnije su velike količine helija pronađene iu drugim mineralima, ali samo u onima koji sadrže torij i uran.

Ovo se istraživaču činilo vrlo čudnim: odakle može doći plin u mineralima? Ali kada je Rutherford počeo proučavati prirodu radioaktivnosti, pokazalo se da je helij proizvod radioaktivnog raspada. Neki kemijski elementi “rađaju” druge, s potpuno novim svojstvima. I ta je činjenica proturječila svim dosadašnjim iskustvima kemičara tog vremena.

Zapažanje Fredericka Soddyja

Zajedno s Rutherfordom u istraživanje je izravno sudjelovao znanstvenik Frederick Soddy. Bio je kemičar, pa se sav njegov rad odnosio na identifikaciju kemijskih elemenata prema njihovim svojstvima. Zapravo, radioaktivne transformacije atomskih jezgri prvi je primijetio Soddy. Uspio je saznati koje su alfa čestice koje je Rutherford koristio u svojim eksperimentima. Nakon mjerenja znanstvenici su otkrili da je masa jedne alfa čestice 4 jedinice atomske mase. Nakon što su nakupili određeni broj takvih alfa čestica, istraživači su otkrili da su se pretvorile u novu tvar - helij. Svojstva ovog plina bila su dobro poznata Soddyju. Stoga je tvrdio da su alfa čestice sposobne uhvatiti elektrone izvana i pretvoriti se u neutralne atome helija.

Promjene unutar jezgre atoma

Naknadna istraživanja bila su usmjerena na utvrđivanje značajki atomske jezgre. Znanstvenici su shvatili da se sve transformacije ne događaju s elektronima ili elektronskom ljuskom, već izravno sa samim jezgrama. Upravo su radioaktivne transformacije atomskih jezgri pridonijele transformaciji jednih tvari u druge. U to su vrijeme značajke tih transformacija još uvijek bile nepoznate znanstvenicima. Ali jedno je bilo jasno: kao rezultat, nekako su se pojavili novi kemijski elementi.

Znanstvenici su prvi put uspjeli pratiti takav lanac metamorfoza u procesu pretvaranja radija u radon. Reakcije koje su rezultirale takvim transformacijama, praćene posebnim zračenjem, istraživači su nazvali nuklearnim. Uvjerivši se da se svi ti procesi odvijaju upravo unutar jezgre atoma, znanstvenici su počeli proučavati i druge tvari, a ne samo radij.

Otvorene vrste zračenja

Glavna disciplina koja može zahtijevati odgovore na takva pitanja je fizika (9. razred). Radioaktivne transformacije atomskih jezgri uključene su u njen tečaj. Provodeći pokuse prodorne moći uranovog zračenja, Rutherford je otkrio dvije vrste zračenja, odnosno radioaktivne transformacije. Manje prodorna vrsta zvala se alfa zračenje. Kasnije se proučavalo i beta zračenje. Gama zračenje prvi je proučavao Paul Villard 1900. godine. Znanstvenici su pokazali da je fenomen radioaktivnosti povezan s raspadom atomskih jezgri. Time je zadan razoran udarac dotad prevladavajućim idejama o atomu kao nedjeljivoj čestici.

Radioaktivne transformacije atomskih jezgri: glavne vrste

Danas se vjeruje da se tijekom radioaktivnog raspada događaju tri vrste transformacija: alfa raspad, beta raspad i zarobljavanje elektrona, inače nazvano K-zahvat. Tijekom alfa raspada, alfa čestica se emitira iz jezgre, koja je jezgra atoma helija. Sama radioaktivna jezgra transformira se u onu koja ima manji električni naboj. Alfa raspad karakterističan je za tvari koje zauzimaju posljednja mjesta u periodnom sustavu. U radioaktivne transformacije atomskih jezgri ubraja se i beta raspad. Sastav atomske jezgre s ovom vrstom također se mijenja: gubi neutrine ili antineutrine, kao i elektrone i pozitrone.

Ovu vrstu raspada prati kratkovalno elektromagnetsko zračenje. U hvatanju elektrona, jezgra atoma apsorbira jedan od obližnjih elektrona. U tom slučaju jezgra berilija može se pretvoriti u jezgru litija. Ovaj tip je 1938. godine otkrio američki fizičar po imenu Alvarez, koji je također proučavao radioaktivne transformacije atomskih jezgri. Fotografije na kojima su istraživači pokušali uhvatiti takve procese sadrže slike slične mutnom oblaku zbog male veličine čestica koje se proučavaju.

Godine 1900. Rutherford je engleskom radiokemičaru Fredericku Soddyju ispričao o tajanstvenom toronu. Soddy je dokazao da je toron inertni plin sličan argonu, otkriven nekoliko godina ranije u zraku; bio je to jedan od izotopa radona, 220 Rn. Emanacija radija, kako se kasnije pokazalo, pokazala se kao drugi izotop radona - 222 Rn (vrijeme poluraspada T 1/2 = 3,825 dana), a emanacija aktinija je kratkotrajni izotop istog elementa: 219 Rn ( T 1/2 = 4 s). Štoviše, Rutherford i Soddy izolirali su novi nehlapljivi element iz produkata transformacije torija, drugačijih svojstava od torija. Nazvan je torij X (kasnije je utvrđeno da je izotop radija 224 Ra c T 1/2 = 3,66 dana). Kako se pokazalo, "emanacija torija" oslobađa se upravo iz torija X, a ne iz izvornog torija. Slični primjeri su se množili: u prvotno kemijski temeljito pročišćenom uranu ili toriju s vremenom se pojavila primjesa radioaktivnih elemenata iz kojih su se pak dobivali novi radioaktivni elementi, uključujući i plinovite. Tako su se a-čestice oslobođene iz mnogih radioaktivnih lijekova pretvorile u plin identičan heliju, koji je otkriven kasnih 1860-ih na Suncu (spektralna metoda), a 1882. otkriven u nekim stijenama.

Rezultate zajedničkog rada Rutherford i Soddy objavili su 1902.–1903. u nizu članaka u Philosophical Magazine. U tim člancima, nakon analize dobivenih rezultata, autori su došli do zaključka da je moguće transformirati neke kemijske elemente u druge. Napisali su: “Radioaktivnost je atomski fenomen, praćen kemijskim promjenama u kojima se rađaju nove vrste materije... Radioaktivnost se mora smatrati manifestacijom unutaratomskog kemijskog procesa... Zračenje prati transformaciju atoma.. . Kao rezultat atomske transformacije, nastaje potpuno nova vrsta tvari, potpuno drugačija po svojim fizičkim i kemijskim svojstvima od izvorne tvari."

U to su vrijeme ti zaključci bili vrlo hrabri; drugi istaknuti znanstvenici, među kojima i supružnici Curie, iako su promatrali slične pojave, objašnjavali su ih prisutnošću „novih“ elemenata u izvornoj tvari od samog početka (primjerice, Curie je iz uranove rude izolirao polonij i radij sadržane u njoj). Ipak, pokazalo se da su Rutherford i Soddy bili u pravu: radioaktivnost prati transformacija jednih elemenata u druge

Činilo se da se ruši ono nepokolebljivo: nepromjenjivost i nedjeljivost atoma, jer su još od vremena Boylea i Lavoisiera kemičari dolazili do zaključka o nerazgradljivosti kemijskih elemenata (kako se tada govorilo, “jednostavnih tijela”, građevnih blokova). svemira), o nemogućnosti njihove transformacije jedne u druge. O tome što se događalo u glavama znanstvenika tog vremena jasno svjedoče izjave D. I. Mendeljejeva, koji je vjerojatno mislio da će mogućnost “transmutacije” elemenata, o kojoj su alkemičari stoljećima govorili, uništiti skladan sustav kemikalije koje je on stvorio i prepoznate u cijelom svijetu.elementi. U udžbeniku objavljenom 1906 Osnove kemije napisao je: “... uopće nisam sklon (na temelju oštre, ali plodonosne discipline induktivnog znanja) prepoznati čak ni hipotetičku konvertibilnost nekih elemenata jednih u druge i ne vidim nikakvu mogućnost podrijetla argona ili radioaktivnih tvari iz urana ili obrnuto.”

Vrijeme je pokazalo pogrešnost Mendeljejevljevih pogleda o nemogućnosti pretvaranja jednih kemijskih elemenata u druge; ujedno je potvrdio nepovredivost njegovog glavnog otkrića - periodičkog zakona. Kasniji rad fizičara i kemičara pokazao je u kojim se slučajevima neki elementi mogu transformirati u druge i koji zakoni prirode upravljaju tim transformacijama.

Transformacije elemenata. Radioaktivne serije.

Tijekom prva dva desetljeća 20.st. Radovima brojnih fizičara i radiokemičara otkriveni su mnogi radioaktivni elementi. Postupno je postalo jasno da su proizvodi njihove transformacije često i sami radioaktivni i podliježu daljnjim transformacijama, ponekad prilično zamršenim. Poznavanje slijeda u kojem se jedan radionuklid transformira u drugi omogućilo je konstruiranje takozvanih prirodnih radioaktivnih serija (ili radioaktivnih obitelji). Bilo ih je tri, a zvali su se uranov red, aktinijev red i torijev red. Ova tri niza potječu od teških prirodnih elemenata - urana, poznatog od 18. stoljeća, i torija, otkrivenog 1828. (nestabilni aktinij nije predak, već srednji član niza aktinija). Kasnije im je pridodan niz neptunija, počevši od prvog transuranijevog elementa br. 93, umjetno dobivenog 1940. godine, neptunija. Mnogi proizvodi njihove transformacije također su nazvani prema izvornim elementima, ispisujući sljedeće sheme:

Niz urana: UI ® UH1 ® UH2 ® UII ® Io (ion) ® Ra ® ... ® RaG.

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

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

Kako se pokazalo, ovi redovi nisu uvijek "ravni" lanci: s vremena na vrijeme se granaju. Dakle, UX2 s vjerojatnošću od 0,15% može se pretvoriti u UZ, zatim ide u UII. Slično, ThC se može raspasti na dva načina: transformacija ThC ® ThC" događa se na 66,3%, au isto vrijeme, s vjerojatnošću od 33,7%, događa se proces ThC ® ThC"" ® ThD. To su tzv. nazvane "rašlje", paralelna transformacija jednog radionuklida u različite produkte. Poteškoće u uspostavljanju točnog slijeda radioaktivnih transformacija u ovom nizu bile su također povezane s vrlo kratkim životnim vijekom mnogih njegovih članova, posebno beta-aktivnih.

Nekoć se svaki novi član radioaktivnog niza smatrao novim radioaktivnim elementom, a fizičari i radiokemičari uvodili su svoje oznake za njega: ionij Io, mezotorij-1 MsTh1, aktinouranij AcU, emanacija torija ThEm itd. i tako dalje. Ove oznake su glomazne i nezgodne; nemaju jasan sustav. Međutim, neki od njih još uvijek se ponekad tradicionalno koriste u stručnoj literaturi. S vremenom je postalo jasno da se svi ti simboli odnose na nestabilne varijante atoma (točnije jezgri) običnih kemijskih elemenata - radionuklida. Kako bi razlikovao elemente koji se kemijski ne mogu odvojiti, ali se razlikuju po vremenu poluraspada (a često i po vrsti raspada), F. Soddy je 1913. predložio da se nazovu izotopi

Nakon što je svaki član niza pripisan jednom od izotopa poznatih kemijskih elemenata, postalo je jasno da niz urana počinje s uranom-238 ( T 1/2 = 4,47 milijardi godina) i završava sa stabilnim olovom-206; budući da je jedan od članova ovog niza vrlo važan element radij), ovaj se niz naziva i uran-radijev niz. Serija aktinija (drugo ime je serija aktinouranija) također potječe od prirodnog urana, ali od njegovog drugog izotopa - 235 U ( T 1/2 = 794 milijuna godina). Torijev niz počinje nuklidom 232 Th ( T 1/2 = 14 milijardi godina). Konačno, serija neptunija, koja nije prisutna u prirodi, započinje umjetno dobivenim najdugovječnijim izotopom neptunija: 237 Np ® 233 Pa ® 233 U ® 229 Th ® 225 Ra ® 225 Ac ® 221 Fr ® 217 At ® 213 Bi® 213 Po® 209 Pb® 209 Bi. U ovoj seriji postoji i "vilica": 213 Bi s vjerojatnošću od 2% može se pretvoriti u 209 Tl, koji se već pretvara u 209 Pb. Zanimljivija značajka neptunijeve serije je odsutnost plinovitih "emanacija", kao i krajnjeg člana serije - bizmuta umjesto olova. Vrijeme poluraspada pretka ovog umjetnog niza je “samo” 2,14 milijuna godina, pa neptunij, čak i da je bio prisutan tijekom nastanka Sunčevog sustava, ne bi mogao “preživjeti” do danas, jer Starost Zemlje procjenjuje se na 4,6 milijardi godina, a za to vrijeme (više od 2000 poluraspada) od neptunija ne bi ostao niti jedan atom.

Kao primjer, Rutherford je razotkrio složeno klupko događaja u lancu transformacije radija (radij-226 je šesti član radioaktivnog niza urana-238). Dijagram prikazuje i simbole Rutherfordovog vremena i moderne simbole za nuklide, kao i vrstu raspada i moderne podatke o poluživotima; u gornjem nizu također postoji mala "vilica": RaC s vjerojatnošću od 0,04% može se transformirati u RaC""(210 Tl), koji se zatim pretvara u isti RaD ( T 1/2 = 1,3 min). Ovo radioaktivno olovo ima prilično dugo vrijeme poluraspada, pa se tijekom eksperimenta često mogu zanemariti njegove daljnje transformacije.

Posljednji član ove serije, olovo-206 (RaG), je stabilan; u prirodnom olovu iznosi 24,1%. Torijeva serija dovodi do stabilnog olova-208 (njegov sadržaj u "običnom" olovu je 52,4%), aktinijeva serija dovodi do olova-207 (njegov sadržaj u olovu je 22,1%). Omjer ovih izotopa olova u modernoj zemljinoj kori povezan je, naravno, i s vremenom poluraspada matičnih nuklida i s njihovim početnim omjerom u materijalu od kojeg je Zemlja nastala. A “običnog”, neradiogenog, olova u zemljinoj kori ima samo 1,4%. Dakle, da u početku nije bilo urana i torija na Zemlji, olovo u njemu ne bi bilo 1,6 × 10 –3% (otprilike isto kao kobalt), već 70 puta manje (kao, na primjer, tako rijetki metali kao što su indij i tulij!) . S druge strane, zamišljeni kemičar koji je prije nekoliko milijardi godina doletio na naš planet našao bi na njemu mnogo manje olova, a mnogo više urana i torija...

Kada je F. Soddy 1915. godine izolirao olovo nastalo raspadom torija iz cejlonskog minerala torit (ThSiO 4), ispostavilo se da je njegova atomska masa jednaka 207,77, odnosno više od mase "običnog" olova (207,2). Ova razlika od "teorijske" (208) objašnjava se činjenicom da je torit sadržavao nešto urana, koji proizvodi olovo-206. Kada je američki kemičar Theodore William Richards, autoritet na području mjerenja atomskih masa, izolirao olovo iz nekih minerala urana koji nisu sadržavali torij, pokazalo se da je njegova atomska masa gotovo točno 206. Gustoća ovog olova također je bila nešto manja , a odgovarao je izračunatom: r ( Pb) ´ 206/207,2 = 0,994r (Pb), gdje je r (Pb) = 11,34 g/cm3. Ovi rezultati jasno pokazuju zašto za olovo, kao i za niz drugih elemenata, nema smisla mjeriti atomsku masu s vrlo visokom točnošću: uzorci uzeti na različitim mjestima dat će malo drugačije rezultate ( cm. UGLJIČNA JEDINICA).

U prirodi se kontinuirano događaju lanci transformacija prikazani na dijagramima. Kao rezultat toga, neki kemijski elementi (radioaktivni) se transformiraju u druge, a takve transformacije su se događale tijekom cijelog razdoblja postojanja Zemlje. Početni članovi (oni se nazivaju majkama) radioaktivnih serija su najdugovječniji: vrijeme poluraspada urana-238 je 4,47 milijardi godina, torija-232 je 14,05 milijardi godina, urana-235 (također poznat kao "aktinuranij" je predak aktinijeve serije ) – 703,8 milijuna godina. Svi sljedeći ("kćeri") članovi ovog dugog lanca žive znatno kraće. U tom slučaju dolazi do stanja koje radiokemičari nazivaju "radioaktivna ravnoteža": brzina stvaranja intermedijarnog radionuklida iz matičnog urana, torija ili aktinija (ova je brzina vrlo niska) jednaka je brzini raspada tog nuklida. Kao rezultat jednakosti ovih brzina, sadržaj određenog radionuklida je konstantan i ovisi samo o njegovom vremenu poluraspada: koncentracija kratkoživućih članova radioaktivnog niza je mala, a koncentracija dugoživućih članova je veća. Ova postojanost sadržaja međuproizvoda raspada traje vrlo dugo (ovo vrijeme je određeno poluživotom matičnog nuklida, koji je vrlo dug). Jednostavne matematičke transformacije dovode do sljedećeg zaključka: omjer broja materinskih ( N 0) i djeca ( N 1, N 2, N 3...) atomi su izravno proporcionalni svojim poluživotima: N 0:N 1:N 2:N 3... = T 0:T 1:T 2:T 3... Dakle, vrijeme poluraspada urana-238 je 4,47 10 9 godina, radija 226 je 1600 godina, stoga je omjer broja atoma urana-238 i radija-226 u uranovim rudama 4,47 10 9: 1600 , iz čega je lako izračunati (uzimajući u obzir atomske mase ovih elemenata) da za 1 tonu urana, kada se postigne radioaktivna ravnoteža, postoji samo 0,34 g radija.

I obrnuto, znajući omjer urana i radija u rudama, kao i vrijeme poluraspada radija, moguće je odrediti vrijeme poluraspada urana, a za određivanje vremena poluraspada radija ne trebate čekati više od tisuću godina - dovoljno je izmjeriti (prema njegovoj radioaktivnosti) brzinu raspada (tj. .d vrijednost N/d t) mala poznata količina tog elementa (s poznatim brojem atoma N), a zatim prema formuli d N/d t= –l N odredite vrijednost l = ln2/ T 1/2.

Zakon pomaka.

Ako se članovi bilo kojeg radioaktivnog niza redom ucrtaju u periodni sustav elemenata, ispada da radionuklidi u tom nizu ne prelaze glatko s matičnog elementa (uran, torij ili neptunij) na olovo ili bizmut, već "skaču" udesno pa ulijevo. Tako se u nizu urana dva nestabilna izotopa olova (element br. 82) pretvaraju u izotope bizmuta (element br. 83), zatim u izotope polonija (element br. 84), pa opet u izotope olova . Zbog toga se radioaktivni element često vraća natrag u istu ćeliju tablice elemenata, ali nastaje izotop različite mase. Pokazalo se da u tim “skokovima” postoji određeni obrazac koji je F. Soddy primijetio 1911. godine.

Sada je poznato da se tijekom -raspada, a -čestica (jezgra atoma helija) emitira iz jezgre, stoga se naboj jezgre smanjuje za 2 (pomak u periodnom sustavu za dvije ćelije na lijevo), a maseni broj se smanjuje za 4, što nam omogućuje predviđanje koji izotop novog elementa nastaje. Ilustracija je a -raspad radona: ® + . Sa b-raspadom, naprotiv, broj protona u jezgri se povećava za jedan, ali se masa jezgre ne mijenja ( cm. RADIOAKTIVNOST), tj. dolazi do pomaka u tablici elemenata za jednu ćeliju udesno. Primjer su dvije uzastopne transformacije polonija nastalog iz radona: ® ® . Dakle, moguće je izračunati koliko alfa i beta čestica se emitira, na primjer, kao rezultat raspada radija-226 (vidi seriju urana), ako ne uzmemo u obzir "rašlje". Inicijalni nuklid, završni nuklid - . Smanjenje mase (odnosno masenog broja, odnosno ukupnog broja protona i neutrona u jezgri) je jednako 226 – 206 = 20, dakle, emitirano je 20/4 = 5 alfa čestica. Te su čestice odnijele 10 protona, a da nije bilo b-raspada, nuklearni naboj konačnog proizvoda raspada bio bi jednak 88 - 10 = 78. Zapravo, u konačnom proizvodu ima 82 protona, dakle, tijekom transformacije, 4 neutrona su se pretvorila u protone i emitirane su 4 b čestice.

Vrlo često nakon a-raspada slijede dva b-raspada, pa se nastali element vraća u izvornu ćeliju tablice elemenata - u obliku lakšeg izotopa izvornog elementa. Zahvaljujući tim činjenicama, postalo je očito da periodički zakon D. I. Mendeljejeva odražava odnos između svojstava elemenata i naboja njihove jezgre, a ne njihove mase (kako je izvorno formuliran kada struktura atoma nije bila poznata).

Zakon radioaktivnog pomaka konačno je formuliran 1913. kao rezultat mukotrpnog istraživanja mnogih znanstvenika. Značajni među njima bili su Soddyjev pomoćnik Alexander Fleck, Soddyjev pripravnik A.S. Russell, mađarski fizikalni kemičar i radiokemičar György Hevesy, koji je radio s Rutherfordom na Sveučilištu u Manchesteru 1911.–1913., te njemački (i kasnije američki) fizikalni kemičar Casimir Fajans ( 1887–1975). Ovaj zakon se često naziva Soddy-Faienceov zakon.

Umjetna transformacija elemenata i umjetna radioaktivnost.

Mnoge različite transformacije provedene su s deuteronima, jezgrama teškog vodikovog izotopa deuterija, ubrzanim do velikih brzina. Tako je tijekom reakcije + ® + prvi put nastao superteški vodik – tricij. Sudar dvaju deuterona može teći različito: + ® + , ti su procesi važni za proučavanje mogućnosti kontrolirane termonuklearne reakcije. Reakcija + ® () ® 2 pokazala se važnom, budući da se događa već pri relativno niskoj energiji deuterona (0,16 MeV) i praćena je oslobađanjem kolosalne energije - 22,7 MeV (podsjetimo se da je 1 MeV = 10 6 eV , i 1 eV = 96,5 kJ/mol).

Reakcija koja se događa kada se berilij bombardira a-česticama dobila je veliku praktičnu važnost: + ® () ® + , dovela je 1932. do otkrića neutralne čestice neutrona, a radij-berilij izvori neutrona pokazali su se vrlo prikladnim za znanstvena istraživanja. Neutroni s različitim energijama također se mogu dobiti kao rezultat reakcija + ® + ; + ® + ; + ® + . Neutroni koji nemaju naboj posebno lako prodiru u atomske jezgre i uzrokuju niz procesa koji ovise i o nuklidu koji se ispaljuje i o brzini (energiji) neutrona. Dakle, spori neutron može jednostavno biti zarobljen od strane jezgre, a jezgra se oslobađa nekog viška energije emitiranjem gama kvanta, na primjer: + ® + g. Ova se reakcija naširoko koristi u nuklearnim reaktorima za kontrolu reakcije fisije urana: kadmijeve šipke ili ploče guraju se u nuklearni kotao kako bi se reakcija usporila.

Ako je stvar bila ograničena na ove transformacije, onda je nakon prestanka a-zračenja tok neutrona trebao odmah presušiti, pa su, nakon uklanjanja izvora polonija, očekivali prestanak svih aktivnosti, ali su otkrili da je brojač čestica nastavio registrirati impulse koji su postupno izumrli - točno u skladu s eksponencijalnim zakonom. To se može protumačiti samo na jedan način: kao rezultat alfa zračenja pojavili su se ranije nepoznati radioaktivni elementi s karakterističnim vremenom poluraspada od 10 minuta za dušik-13 i 2,5 minute za fosfor-30. Ispostavilo se da ovi elementi prolaze kroz pozitronski raspad: ® + e + , ® + e + . Zanimljivi rezultati dobiveni su s magnezijem, predstavljenim s tri stabilna prirodna izotopa, a pokazalo se da svi nakon a-zračenja proizvode radioaktivne nuklide silicija ili aluminija koji prolaze 227- ili pozitronski raspad:

Proizvodnja umjetnih radioaktivnih elemenata od velike je praktične važnosti, jer omogućuje sintezu radionuklida s vremenom poluraspada pogodnim za određenu namjenu i željenom vrstom zračenja s određenom snagom. Posebno je pogodno koristiti neutrone kao "projektile". Hvatanje neutrona od strane jezgre često ga čini toliko nestabilnim da nova jezgra postaje radioaktivna. Može postati stabilan zbog transformacije "viška" neutrona u proton, odnosno zbog 227 zračenja; Poznato je puno takvih reakcija, na primjer: + ® ® + e. Reakcija stvaranja radioaktivnog ugljika koja se odvija u gornjim slojevima atmosfere vrlo je važna: + ® + ( cm. RADIOKARBONSKA ANALIZA METODA). Tricij se sintetizira apsorpcijom sporih neutrona od strane jezgre litija-6. Pod utjecajem brzih neutrona mogu se ostvariti mnoge nuklearne transformacije, npr.: + ® + ; + ® + ; + ® + . Tako se ozračivanjem običnog kobalta neutronima dobiva radioaktivni kobalt-60 koji je snažan izvor gama zračenja (oslobađa se produktom raspada 60 Co - pobuđenih jezgri). Neki transuranijevi elementi nastaju zračenjem neutronima. Na primjer, iz prirodnog urana-238 prvo nastaje nestabilni uran-239, koji se tijekom b-raspada ( T 1/2 = 23,5 min) pretvara u prvi transuranski element neptunij-239, a on zauzvrat također putem b-raspada ( T 1/2 = 2,3 dana) pretvara u vrlo važan takozvani plutonij-239 za oružje.

Je li moguće umjetno dobiti zlato provođenjem potrebne nuklearne reakcije i tako postići ono što alkemičarima nije uspjelo? Teoretski, za to nema nikakvih prepreka. Štoviše, takva je sinteza već provedena, ali nije donijela bogatstvo. Najlakši način za umjetnu proizvodnju zlata bio bi ozračivanje elementa pored zlata u periodnom sustavu strujom neutrona. Tada bi, kao rezultat + ® + reakcije, neutron izbacio proton iz atoma žive i pretvorio ga u atom zlata. Ova reakcija ne ukazuje na specifične masene brojeve ( A) nuklidi žive i zlata. Zlato u prirodi je jedini stabilni nuklid, a prirodna živa je složena mješavina izotopa s A= 196 (0,15%), 198 (9,97%), 199 (1,87%), 200 (23,10%), 201 (13,18%), 202 (29,86%) i 204 (6,87%). Posljedično, prema gornjoj shemi, može se dobiti samo nestabilno radioaktivno zlato. Dobila ga je skupina američkih kemičara sa Sveučilišta Harvard još početkom 1941. godine, ozračujući živu strujom brzih neutrona. Nakon nekoliko dana, svi nastali radioaktivni izotopi zlata, kroz beta raspad, ponovno su se pretvorili u izvorne izotope žive...

Ali postoji još jedan način: ako se atomi žive-196 ozrače sporim neutronima, oni će se pretvoriti u atome žive-197: + ® + g. Ovi atomi, s vremenom poluraspada od 2,7 dana, prolaze kroz hvatanje elektrona i konačno se transformiraju u stabilne atome zlata: + e ® . Ovu transformaciju izveli su 1947. godine zaposlenici Nacionalnog laboratorija u Chicagu. Ozračivanjem 100 mg žive sporim neutronima dobili su 0,035 mg 197Au. U odnosu na svu živu, iskorištenje je vrlo malo - samo 0,035%, ali u odnosu na 196Hg doseže 24%! No, izotop 196 Hg u prirodnoj živi je tek najmanji, osim toga sam proces ozračivanja i njegovo trajanje (za ozračivanje će biti potrebno nekoliko godina), a izdvajanje stabilnog “sintetskog zlata” iz složene smjese koštat će nemjerljivo više od izolacija zlata iz najsiromašnije rude(). Stoga je umjetna proizvodnja zlata od čisto teorijskog interesa.

Kvantitativni obrasci radioaktivnih transformacija.

Kad bi bilo moguće pratiti određenu nestabilnu jezgru, bilo bi nemoguće predvidjeti kada će se ona raspasti. Ovo je slučajan proces i samo u određenim slučajevima može se procijeniti vjerojatnost propadanja tijekom određenog vremenskog razdoblja. Međutim, čak i najmanja čestica prašine, gotovo nevidljiva pod mikroskopom, sadrži ogroman broj atoma, a ako su ti atomi radioaktivni, tada se njihov raspad pokorava strogim matematičkim zakonima: stupaju na snagu statistički zakoni karakteristični za vrlo velik broj objekata. . I tada se svaki radionuklid može okarakterizirati vrlo specifičnom vrijednošću - vremenom poluraspada ( T 1/2) je vrijeme tijekom kojeg se raspadne polovica raspoloživog broja jezgri. Ako je u početnom trenutku bilo N 0 jezgri, zatim nakon nekog vremena t = T Ostat će ih 1/2 N 0/2, na t = 2T 1/2 će ostati N 0/4 = N 0/2 2 , na t = 3T 1/2 – N 0/8 = N 0/2 3 itd. Općenito, kada t = nT 1/2 će ostati N 0/2 n jezgre, gdje n = t/T 1/2 je broj poluživota (ne mora biti cijeli broj). Lako je pokazati da formula N = N 0/2 t/T 1/2 je ekvivalent formule N = N 0e – l t, gdje je l takozvana konstanta raspada. Formalno se definira kao koeficijent proporcionalnosti između stope raspada d N/d t i raspoloživi broj jezgri: d N/d t= – l N(znak minus to označava N smanjuje se tijekom vremena). Integracija ove diferencijalne jednadžbe daje eksponencijalnu ovisnost broja jezgri o vremenu. Zamjenom u ovu formulu N = N 0/2 at t = T 1/2, dobivamo da je konstanta raspada obrnuto proporcionalna vremenu poluraspada: l = ln2/ T 1/2 = 0,693/T 1/2. Vrijednost t = 1/ l naziva se prosječnim životnim vijekom jezgre. Na primjer, za 226 Ra T 1/2 = 1600 godina, t = 1109 godina.

Prema zadanim formulama, znajući vrijednost T 1/2 (ili l), lako je izračunati količinu radionuklida nakon bilo kojeg vremenskog razdoblja, a možete ih koristiti i za izračunavanje poluživota ako je količina radionuklida poznata u različitim vremenima. Umjesto broja jezgri, u formulu možete zamijeniti aktivnost zračenja koja je izravno proporcionalna raspoloživom broju jezgri N. Aktivnost se obično ne karakterizira ukupnim brojem raspada u uzorku, već njemu proporcionalnim brojem impulsa koje bilježi uređaj za mjerenje aktivnosti. Ako postoji, na primjer, 1 g radioaktivne tvari, tada će tvar biti aktivnija što je njezin poluživot kraći.

Drugi matematički zakoni opisuju ponašanje malog broja radionuklida. Ovdje možemo govoriti samo o vjerojatnosti određenog događaja. Neka, na primjer, postoji jedan atom (točnije jedna jezgra) radionuklida s T 1/2 = 1 min. Vjerojatnost da će ovaj atom živjeti 1 minutu je 1/2 (50%), 2 minute - 1/4 (25%), 3 minute - 1/8 (12,5%), 10 minuta - (1/2 ) 10 = 1/10 24 (0,1%), 20 min – (1/2) 20 = 1/1048576 (0,00001%). Za jedan atom ta je šansa zanemariva, ali kada atoma ima mnogo, na primjer nekoliko milijardi, onda će mnogi od njih, bez sumnje, živjeti 20 poluraspada ili mnogo više. Vjerojatnost da će se atom raspasti tijekom određenog vremenskog razdoblja dobiva se oduzimanjem dobivenih vrijednosti od 100. Dakle, ako je vjerojatnost da će atom preživjeti 2 minute 25%, tada je vjerojatnost da će se isti atom raspasti tijekom ovog razdoblja. vrijeme je 100 - 25 = 75%, vjerojatnost dezintegracije unutar 3 minute - 87,5%, unutar 10 minuta - 99,9% itd.

Formula postaje kompliciranija ako postoji nekoliko nestabilnih atoma. U ovom slučaju statistička vjerojatnost događaja opisuje se formulom s binomnim koeficijentima. Ako postoji N atoma, te vjerojatnosti raspada jednog od njih tijekom vremena t jednak str, zatim vjerojatnost da tijekom vremena t iz N atomi će se raspasti n(i ostat će u skladu s tim N – n), jednako je P = N!p n(1–str) N–n /(N–n)!n! Slične formule moraju se koristiti u sintezi novih nestabilnih elemenata, čiji se atomi dobivaju doslovno pojedinačno (na primjer, kada je skupina američkih znanstvenika 1955. otkrila novi element Mendelevij, dobili su ga u količini od samo 17 atoma ).

Primjena ove formule može se ilustrirati na konkretnom slučaju. Neka, na primjer, postoji N= 16 atoma s vremenom poluraspada od 1 sata. Možete izračunati vjerojatnost raspada određenog broja atoma, primjerice u vremenu t= 4 sata. Vjerojatnost da će jedan atom preživjeti ta 4 sata je 1/2 4 = 1/16, odnosno vjerojatnost njegovog raspada za to vrijeme R= 1 – 1/16 = 15/16. Zamjenom ovih početnih podataka u formulu dobiva se: R = 16!(15/16) n (1/16) 16–n /(16–n)!n! = 16!15 n /2 64 (16–n)!n! Rezultati nekih izračuna prikazani su u tablici:

Dakle, od 16 atoma nakon 4 sata (4 poluživota) neće ostati niti jedan, kako bi se moglo pretpostaviti: vjerojatnost ovog događaja je samo 38,4%, iako je veća od vjerojatnosti bilo kojeg drugog ishoda. Kao što je vidljivo iz tablice, vrlo je velika i vjerojatnost da će se raspasti svih 16 atoma (35,2%) ili samo njih 14. Ali vjerojatnost da će nakon 4 poluraspada svi atomi ostati "živi" (ni jedan se nije raspao) je zanemariva. Jasno je da ako nema 16 atoma, već, recimo, 10 20, tada možemo reći s gotovo 100% pouzdanošću da će nakon 1 sata ostati polovica njihovog broja, nakon 2 sata - četvrtina, itd. Odnosno, što je više atoma, njihov raspad točnije odgovara eksponencijalnom zakonu.

Brojni eksperimenti provedeni od vremena Becquerela pokazali su da na brzinu radioaktivnog raspada praktički ne utječu temperatura, tlak ili kemijsko stanje atoma. Izuzeci su vrlo rijetki; Dakle, u slučaju zarobljavanja elektrona, vrijednost T 1/2 se lagano mijenja kako se mijenja oksidacijsko stanje elementa. Na primjer, raspad 7 BeF 2 događa se približno 0,1% sporije od raspada 7 BeO ili metalnog 7 Be.

Ukupan broj poznatih nestabilnih jezgri - radionuklida - približava se dvije tisuće, njihov životni vijek varira u vrlo širokim granicama. Poznati su i dugoživući radionuklidi, čija vremena poluraspada iznose milijune, pa čak i milijarde godina, i kratkoživući, koji se potpuno raspadaju u sitnim djelićima sekunde. Poluživoti nekih radionuklida dati su u tablici.

Svojstva nekih radionuklida (za Tc, Pm, Po i sve slijedeće elemente koji nemaju stabilne izotope dani su podaci za njihove najdugovječnije izotope).

Najkraće živući poznati nuklid je 5 Li: njegovo vrijeme života je 4,4·10 –22 s). Za to vrijeme ravnomjerna svjetlost će putovati samo 10-11 cm, tj. udaljenost samo nekoliko desetaka puta veća od promjera jezgre i znatno manja od veličine bilo kojeg atoma. Najdugovječniji je 128 Te (sadržan u prirodnom teluru u količini od 31,7%) s vremenom poluraspada od osam septilijuna (8·10 24) godina - teško da se može nazvati i radioaktivnim; za usporedbu, procjenjuje se da je naš Svemir star "samo" 10 10 godina.

Jedinica radioaktivnosti nuklida je bekerel: 1 Bq (Bq) odgovara jednom raspadu u sekundi. Često se koristi izvansistemska jedinica curie: 1 Ci (Ci) jednak je 37 milijardi dezintegracija u sekundi ili 3,7 . 10 10 Bq (1 g 226 Ra ima približno ovu aktivnost). Jedno vrijeme je predložena rutherfordova jedinica izvan sustava: 1 Rd (Rd) = 10 6 Bq, ali nije bila raširena.

Književnost:

Soddy F. Povijest atomske energije. M., Atomizdat, 1979
Choppin G. i sur. Nuklearna kemija. M., Energoatomizdat, 1984
Hoffman K. Je li moguće napraviti zlato? L., Kemija, 1984
Kadmensky S.G. Radioaktivnost atomskih jezgri: povijest, rezultati, najnovija dostignuća. "Soros Educational Journal", 1999., br. 11

Preporučamo čitanje

Windows upute

Tko je arhont u Ateni

Android upute

Zašto Mjesec privlači (vuče za sobom) samo vodu?

Android upute

Troškovi konzervacije: računovodstvo i porez (Antanenkova E

pametni telefoni

Koje su glavne vrste civilizacija?Kao rezultat toga nastaje civilizacija

Windows upute

Energetsko-informacijsko čišćenje obiteljskog stabla Meditacija za iscjeljenje karme cijele obitelji

pametni telefoni

Što znači san o vatri?