Transformasi inti atom hukum peluruhan radioaktif. Transformasi radioaktif inti atom Transformasi radioaktif inti atom secara singkat fisika

Apa yang terjadi pada materi selama radiasi radioaktif?
Pada awal penelitian radioaktivitas, banyak hal aneh dan tidak biasa ditemukan.

Pertama Yang mengejutkan adalah konsistensi unsur radioaktif uranium, thorium, dan radium yang memancarkan radiasi.
Selama berhari-hari, berbulan-bulan, bahkan bertahun-tahun, intensitas radiasi tidak berubah secara nyata.
Ia tidak terpengaruh oleh pengaruh biasa seperti panas dan peningkatan tekanan.
Reaksi kimia yang memasukkan zat radioaktif juga tidak mempengaruhi intensitas radiasi.

Kedua, segera setelah ditemukannya radioaktivitas, menjadi jelas bahwa radioaktivitas disertai dengan pelepasan energi.
Pierre Curie menempatkan ampul radium klorida dalam kalorimeter.
Sinar α-, β- dan γ diserap di dalamnya, dan karena energinya kalorimeter dipanaskan.
Curie menetapkan bahwa radium seberat 1 g memancarkan energi kira-kira sama dengan 582 J dalam 1 jam.
Dan energi tersebut dilepaskan terus menerus selama bertahun-tahun!

Dari manakah energi itu berasal, yang pelepasannya tidak dipengaruhi oleh semua pengaruh yang diketahui?
Rupanya, selama radioaktivitas, suatu zat mengalami beberapa perubahan besar, yang sangat berbeda dari transformasi kimia biasa.
Diasumsikan bahwa atom-atom itu sendiri mengalami transformasi.
Sekarang pemikiran ini mungkin tidak terlalu mengejutkan, karena seorang anak dapat mendengarnya bahkan sebelum dia belajar membaca.
Namun pada awal abad ke-20. rasanya luar biasa, dan butuh keberanian besar untuk berani mengungkapkannya.
Saat itu, bukti tak terbantahkan tentang keberadaan atom baru saja diperoleh.
Gagasan Democritus tentang struktur atom materi akhirnya berhasil.
Dan segera setelah ini, kekekalan atom dipertanyakan.

Jadi, selama peluruhan radioaktif, terjadi rantai transformasi atom yang berurutan.
Mari kita membahas eksperimen pertama yang dimulai oleh Rutherford dan dilanjutkan olehnya bersama ahli kimia Inggris F. Soddy.

Rutherford menemukan hal itu aktivitas thorium, yang didefinisikan sebagai jumlah partikel alfa yang dipancarkan per satuan waktu, tetap tidak berubah dalam ampul tertutup.
Jika sediaan ditiup bahkan dengan arus udara yang sangat lemah, maka aktivitas thorium akan sangat berkurang.
Ilmuwan menyarankan bahwa, bersamaan dengan partikel α, thorium mengeluarkan sejenis gas radioaktif.

Dengan menyedot udara dari ampul yang mengandung thorium, Rutherford mengisolasi gas radioaktif dan memeriksa kemampuan pengionnya.
Ternyata aktivitas gas ini (berbeda dengan aktivitas thorium, uranium, dan radium) menurun dengan sangat cepat seiring berjalannya waktu.
Setiap menit aktivitasnya berkurang setengahnya, dan setelah sepuluh menit aktivitasnya hampir sama dengan nol.
Soddy mempelajari sifat kimia gas ini dan menemukan bahwa gas tersebut tidak mengalami reaksi apa pun, yaitu gas inert.
Selanjutnya, gas ini disebut radon dan ditempatkan dalam tabel periodik D. I. Mendeleev dengan nomor urut 86.

Unsur radioaktif lainnya juga mengalami transformasi: uranium, aktinium, radium.
Kesimpulan umum yang dibuat para ilmuwan dirumuskan dengan tepat oleh Rutherford: “Atom-atom zat radioaktif dapat mengalami modifikasi spontan.
Setiap saat, sebagian kecil dari jumlah atom menjadi tidak stabil dan hancur secara eksplosif.
Dalam sebagian besar kasus, sebuah fragmen atom - partikel α - dikeluarkan dengan kecepatan luar biasa.
Dalam beberapa kasus lain, ledakan disertai dengan pelepasan elektron yang cepat dan munculnya sinar, yang, seperti sinar-X, memiliki daya tembus yang besar dan disebut radiasi.

Ditemukan bahwa sebagai hasil transformasi atom, jenis zat yang benar-benar baru terbentuk, yang sifat fisik dan kimianya sangat berbeda dari zat aslinya.
Namun zat baru ini juga tidak stabil dan mengalami transformasi dengan emisi radiasi radioaktif yang khas.

Dengan demikian, telah diketahui secara pasti bahwa atom-atom unsur tertentu dapat mengalami peluruhan spontan, yang disertai dengan pelepasan energi dalam jumlah yang sangat besar dibandingkan dengan energi yang dilepaskan selama modifikasi molekuler biasa.”

Setelah inti atom ditemukan, segera menjadi jelas bahwa inti atom inilah yang mengalami perubahan selama transformasi radioaktif.
Lagi pula, tidak ada partikel alfa dalam kulit elektron sama sekali, dan penurunan jumlah elektron kulit sebanyak satu mengubah atom menjadi ion, dan bukan menjadi unsur kimia baru.
Pelepasan elektron dari inti mengubah muatan inti (menambahnya) sebesar satu.

Jadi, radioaktivitas adalah transformasi spontan suatu inti menjadi inti lainnya, disertai dengan emisi berbagai partikel.

Aturan offset

Transformasi nuklir tunduk pada apa yang disebut aturan perpindahan, pertama kali dirumuskan oleh Soddy.

Selama peluruhan α, inti kehilangan muatan positifnya 2e dan massanya M berkurang sekitar empat satuan massa atom.
Akibatnya, unsur tersebut bergeser dua sel ke awal tabel periodik.

Di sini, unsur dilambangkan, seperti dalam kimia, dengan simbol-simbol yang berlaku umum: muatan inti ditulis sebagai indeks di kiri bawah simbol, dan massa atom ditulis sebagai indeks di kiri atas simbol.
Misalnya, hidrogen dilambangkan dengan simbol
Untuk partikel α, yang merupakan inti atom helium, digunakan notasi, dll.
Selama peluruhan beta, sebuah elektron dipancarkan dari inti
Akibatnya, muatan inti bertambah satu, tetapi massanya hampir tidak berubah:

Di sini ia menunjukkan sebuah elektron: indeks 0 di atas berarti massanya sangat kecil dibandingkan dengan satuan massa atom; antineutrino elektron adalah partikel netral dengan massa yang sangat kecil (mungkin nol) yang menghilangkan sebagian energinya. selama peluruhan β.
Pembentukan antineutrino disertai dengan peluruhan β inti mana pun, dan partikel ini sering kali tidak ditunjukkan dalam persamaan reaksi terkait.

Setelah peluruhan β, unsur berpindah satu sel lebih dekat ke akhir tabel periodik..

Radiasi gamma tidak disertai perubahan muatan; perubahan massa inti dapat diabaikan.

Menurut aturan perpindahan, selama peluruhan radioaktif, muatan listrik total kekal dan massa atom relatif inti kira-kira kekal.
Inti baru yang terbentuk selama peluruhan radioaktif juga dapat menjadi radioaktif dan mengalami transformasi lebih lanjut.

Jadi,
Selama peluruhan radioaktif, inti atom berubah.

Apa yang terjadi pada materi selama radiasi radioaktif? Untuk menjawab pertanyaan ini pada awal abad ke-20. itu tidak mudah. Pada awal penelitian radioaktivitas, banyak hal aneh dan tidak biasa ditemukan.

Pertama, konsistensi luar biasa unsur radioaktif uranium, thorium, dan radium memancarkan radiasi. Selama berhari-hari, berbulan-bulan, dan bertahun-tahun, intensitas radiasi tidak berubah secara nyata. Itu tidak terpengaruh oleh pengaruh biasa seperti panas atau peningkatan tekanan.

Reaksi kimia yang memasukkan zat radioaktif juga tidak mempengaruhi intensitas radiasi.

Kedua, segera setelah ditemukannya radioaktivitas, menjadi jelas bahwa radioaktivitas disertai dengan pelepasan energi. Pierre Curie menempatkan ampul radium klorida dalam kalorimeter. Sinar α-, β- dan γ diserap di dalamnya, dan karena energinya kalorimeter dipanaskan. Curie menetapkan bahwa 1 g radium melepaskan 582 J energi dalam 1 jam. Dan energi ini dilepaskan terus menerus selama beberapa tahun.

Dari manakah energi itu berasal, yang pelepasannya tidak dipengaruhi oleh semua pengaruh yang diketahui? Rupanya, selama radioaktivitas, suatu zat mengalami beberapa perubahan besar, yang sangat berbeda dari transformasi kimia biasa. Diasumsikan bahwa atom itu sendiri mengalami transformasi!

Sekarang pemikiran ini mungkin tidak terlalu mengejutkan, karena seorang anak dapat mendengarnya bahkan sebelum dia belajar membaca. Namun pada awal abad ke-20. rasanya luar biasa dan butuh keberanian besar untuk memutuskan mengungkapkannya. Saat itu, bukti tak terbantahkan tentang keberadaan atom baru saja diperoleh. Gagasan Democritus yang berusia berabad-abad tentang struktur atom materi akhirnya menang. Dan segera setelah ini, kekekalan atom dipertanyakan.

Kami tidak akan membicarakan secara rinci tentang eksperimen-eksperimen yang pada akhirnya menghasilkan keyakinan penuh bahwa selama peluruhan radioaktif terjadi rantai transformasi atom yang berurutan. Mari kita membahas eksperimen pertama yang dimulai oleh Rutherford dan dilanjutkan olehnya bersama ahli kimia Inggris F. Soddy (1877-1956).

Rutherford menemukan hal itu aktivitas torium, yang didefinisikan sebagai jumlah peluruhan per satuan waktu, tetap tidak berubah dalam ampul tertutup. Jika sediaan ditiup dengan arus udara yang sangat lemah sekalipun, maka aktivitas thorium akan sangat berkurang. Rutherford mengemukakan bahwa, bersamaan dengan partikel alfa, torium mengeluarkan sejenis gas, yang juga bersifat radioaktif. Dia menyebut gas ini emanasi. Dengan menyedot udara dari ampul yang mengandung thorium, Rutherford mengisolasi gas radioaktif dan memeriksa kemampuan pengionnya. Ternyata aktivitas gas ini menurun dengan cepat seiring berjalannya waktu. Setiap menit aktivitasnya berkurang setengahnya, dan setelah sepuluh menit praktis sama dengan nol. Soddy mempelajari sifat kimia gas ini dan menemukan bahwa gas tersebut tidak mengalami reaksi apa pun, yaitu gas inert. Selanjutnya, gas tersebut diberi nama radon dan ditempatkan dalam tabel periodik dengan nomor urut 86. Unsur radioaktif lainnya juga mengalami transformasi: uranium, aktinium, radium. Kesimpulan umum yang diperoleh para ilmuwan dirumuskan secara akurat oleh Rutherford: “Atom-atom zat radioaktif dapat mengalami modifikasi spontan. Setiap saat, sebagian kecil dari jumlah atom menjadi tidak stabil dan hancur secara eksplosif. Dalam sebagian besar kasus, sebuah fragmen atom - partikel α - dikeluarkan dengan kecepatan luar biasa. Dalam beberapa kasus lain, ledakan disertai dengan pelepasan elektron yang cepat dan munculnya sinar, yang, seperti sinar-X, memiliki daya tembus yang tinggi dan disebut radiasi. Ditemukan bahwa sebagai hasil transformasi atom, jenis zat yang benar-benar baru terbentuk, yang sifat fisik dan kimianya sangat berbeda dari zat aslinya. Namun zat baru ini juga tidak stabil dan mengalami transformasi dengan emisi radiasi radioaktif yang khas.

Dengan demikian, telah diketahui secara pasti bahwa atom-atom unsur tertentu dapat mengalami peluruhan spontan, yang disertai dengan pelepasan energi dalam jumlah yang sangat besar dibandingkan dengan energi yang dilepaskan selama modifikasi molekuler biasa.”

Setelah inti atom ditemukan, segera menjadi jelas bahwa inti atom inilah yang mengalami perubahan selama transformasi radioaktif. Lagi pula, tidak ada partikel os di kulit elektron sama sekali, dan penurunan jumlah elektron kulit sebanyak satu mengubah atom menjadi ion, dan bukan menjadi unsur kimia baru. Pelepasan elektron dari inti mengubah muatan inti (menambahnya) sebesar satu. Muatan inti menentukan nomor atom suatu unsur dalam tabel periodik dan semua sifat kimianya.

Catatan

literatur

Myakishev G.Ya. Fisika: Optik. Fisika kuantum. kelas 11: Pendidikan. untuk studi fisika yang mendalam. - M.: Bustard, 2002. - Hal.351-353.

Transformasi radioaktif

Pada tahun 1903, Pierre Curie menemukan bahwa garam uranium secara terus menerus dan tanpa penurunan yang terlihat dari waktu ke waktu melepaskan energi panas, yang, per satuan massa, tampak sangat besar dibandingkan dengan energi reaksi kimia yang paling energik. Radium melepaskan lebih banyak panas - sekitar 107 J per jam per 1 g zat murni. Ternyata unsur radioaktif yang ada di kedalaman bumi cukup (dalam kondisi pembuangan panas terbatas) untuk melelehkan magma.

Di manakah sumber energi yang tampaknya tidak ada habisnya ini? Marie Curie dikemukakan pada akhir abad ke-19. dua hipotesis. Salah satunya (dibagikan oleh Lord Kelvin ) adalah zat radioaktif menangkap semacam radiasi kosmik, menyimpan energi yang diperlukan. Sesuai dengan hipotesis kedua, radiasi disertai dengan beberapa perubahan pada atom itu sendiri, yang pada saat yang sama kehilangan energi yang dipancarkannya. Kedua hipotesis tersebut tampak sama-sama luar biasa, tetapi lambat laun semakin banyak bukti yang mendukung hipotesis kedua.

Ernest Rutherford memberikan kontribusi besar dalam memahami apa yang terjadi pada zat radioaktif. Pada tahun 1895, ahli kimia Inggris William Ramsay, yang menjadi terkenal karena penemuan argon di udara, menemukan gas mulia lain dalam mineral kleveite - helium. Selanjutnya, sejumlah besar helium ditemukan di mineral lain - tetapi hanya mineral yang mengandung uranium dan thorium. Tampaknya mengejutkan dan aneh - dari mana asal gas langka dalam mineral? Ketika Rutherford mulai menyelidiki sifat partikel alfa yang dipancarkan mineral radioaktif, menjadi jelas bahwa helium adalah produk peluruhan radioaktif ( cm. RADIOAKTIVITAS). Ini berarti bahwa beberapa unsur kimia mampu “menghasilkan” unsur lain - hal ini bertentangan dengan semua pengalaman yang dikumpulkan oleh beberapa generasi ahli kimia.

Namun, “transformasi” uranium dan thorium menjadi helium tidak terbatas pada itu. Pada tahun 1899, fenomena aneh lainnya diamati di laboratorium Rutherford (saat itu ia bekerja di Montreal): sediaan unsur thorium dalam ampul tertutup mempertahankan aktivitas konstan, tetapi di udara terbuka aktivitasnya bergantung. Draf. Rutherford segera menyadari bahwa thorium mengeluarkan gas radioaktif (disebut emanasi thorium - dari bahasa Latin emanatio - aliran keluar, atau thoron), aktivitas gas ini menurun dengan sangat cepat: setengahnya dalam waktu sekitar satu menit (menurut data modern - dalam 55,6 detik ). “Emanasi” gas serupa juga ditemukan di radium (aktivitasnya menurun jauh lebih lambat) - disebut emanasi radium, atau radon. Aktinium juga ditemukan memiliki “emanasi” sendiri, yang menghilang hanya dalam beberapa detik; ini disebut emanasi aktinium, atau aktinon. Selanjutnya, ternyata semua “emanasi” ini adalah isotop dari unsur kimia yang sama - radon ( cm. UNSUR KIMIA).

Setelah menetapkan setiap anggota deret tersebut ke salah satu isotop unsur kimia yang diketahui, menjadi jelas bahwa deret uranium dimulai dengan uranium-238 ( T 1/2 = 4,47 miliar tahun) dan diakhiri dengan timah stabil-206; karena salah satu anggota deret ini adalah unsur radium yang sangat penting), deret ini disebut juga deret uranium-radium. Deret aktinium (nama lainnya adalah deret aktinouranium) juga berasal dari uranium alam, tetapi dari isotop lainnya - 235 U ( T 1/2 = 794 juta tahun). Deret torium dimulai dengan nuklida 232 Th ( T 1/2 = 14 miliar tahun). Yang terakhir, rangkaian neptunium, yang tidak ada di alam, dimulai dengan isotop neptunium berumur terpanjang yang diperoleh secara artifisial: 237 Np 233 Pa 233 U 229 Th 225 Ra 225 Ac 221 Fr 217 At 213 Bi 213 Po 2 09 Pb  209 Dua. Ada juga “garpu” di rangkaian ini: 213 Bi dengan probabilitas 2% bisa berubah menjadi 209 Tl, yang sudah berubah menjadi 209 Pb. Fitur yang lebih menarik dari rangkaian neptunium adalah tidak adanya “emanasi” gas, dan anggota akhir rangkaian ini adalah bismut, bukan timbal. Waktu paruh nenek moyang rangkaian buatan ini “hanya” 2,14 juta tahun, sehingga neptunium, meskipun sudah ada pada masa pembentukan tata surya, tidak dapat “bertahan” hingga saat ini, karena Usia bumi diperkirakan 4,6 miliar tahun, dan selama waktu ini (lebih dari 2000 waktu paruh) tidak ada satu atom pun yang tersisa dari neptunium.

Sebagai contoh, Rutherford mengungkap jalinan peristiwa yang rumit dalam rantai transformasi radium (radium-226 adalah anggota keenam dari rangkaian radioaktif uranium-238). Diagram menunjukkan simbol zaman Rutherford dan simbol modern untuk nuklida, serta jenis peluruhan dan data modern tentang waktu paruh; pada rangkaian di atas juga terdapat “garpu” kecil: RaC dengan probabilitas 0,04% dapat berubah menjadi RaC""(210 Tl), yang kemudian berubah menjadi RaD yang sama ( T 1/2 = 1,3 menit). Timbal radioaktif ini memiliki waktu paruh yang cukup lama, sehingga transformasi selanjutnya sering kali diabaikan selama percobaan.

Anggota terakhir seri ini, lead-206 (RaG), stabil; dalam timbal alami jumlahnya 24,1%. Deret thorium menghasilkan timbal-208 yang stabil (kandungannya pada timbal “biasa” adalah 52,4%), deret aktinium menghasilkan timbal-207 (kandungannya dalam timbal adalah 22,1%). Rasio isotop timbal dalam kerak bumi modern, tentu saja, terkait dengan waktu paruh nuklida induknya dan rasio awalnya pada bahan pembentuk bumi. Dan timbal “biasa”, non-radiogenik, di kerak bumi hanya 1,4%. Jadi, jika awalnya tidak ada uranium dan thorium di Bumi, timbal di dalamnya tidak akan menjadi 1,6 × 10 –3% (hampir sama dengan kobalt), tetapi 70 kali lebih sedikit (seperti, misalnya, logam langka seperti indium dan thulium!) . Di sisi lain, seorang ahli kimia khayalan yang terbang ke planet kita beberapa miliar tahun yang lalu akan menemukan lebih sedikit timbal dan lebih banyak uranium dan thorium di dalamnya...

Ketika F. Soddy pada tahun 1915 mengisolasi timbal yang terbentuk dari peluruhan torium dari mineral thorit Ceylon (ThSiO 4), massa atomnya ternyata sama dengan 207,77, lebih besar dari massa atom timbal “biasa” (207.2). Perbedaan ini dari “teoretis” (208) dijelaskan oleh fakta bahwa thorit mengandung sejumlah uranium, yang menghasilkan timbal-206. Ketika ahli kimia Amerika Theodore William Richards, seorang ahli di bidang pengukuran massa atom, mengisolasi timbal dari beberapa mineral uranium yang tidak mengandung torium, massa atomnya ternyata hampir persis 206. Kepadatan timbal ini sedikit lebih kecil, dan sesuai dengan perhitungan: ( Pb)  206/207.2 = 0.994(Pb), dimana (Pb) = 11.34 g/cm 3 . Hasil ini dengan jelas menunjukkan mengapa timbal, seperti sejumlah unsur lainnya, tidak ada gunanya mengukur massa atom dengan akurasi yang sangat tinggi: sampel yang diambil di tempat berbeda akan memberikan hasil yang sedikit berbeda ( cm. UNIT KARBON).

Di alam, rantai transformasi yang ditunjukkan pada diagram terus menerus terjadi. Akibatnya, beberapa unsur kimia (radioaktif) diubah menjadi unsur lain, dan transformasi tersebut terjadi sepanjang masa keberadaan bumi. Anggota awal (disebut induk) rangkaian radioaktif adalah yang berumur paling panjang: waktu paruh uranium-238 adalah 4,47 miliar tahun, thorium-232 adalah 14,05 miliar tahun, uranium-235 (juga dikenal sebagai “actinouranium” adalah nenek moyang deret aktinium ) – 703,8 juta tahun. Semua anggota berikutnya (“anak”) dari rantai panjang ini mempunyai umur yang jauh lebih pendek. Dalam hal ini, terjadi keadaan yang oleh ahli radiokimia disebut sebagai “kesetimbangan radioaktif”: laju pembentukan radionuklida perantara dari uranium, torium, atau aktinium induk (laju ini sangat rendah) sama dengan laju peluruhan nuklida tersebut. Akibat persamaan laju ini, kandungan radionuklida tertentu adalah konstan dan hanya bergantung pada waktu paruhnya: konsentrasi anggota deret radioaktif yang berumur pendek kecil, dan konsentrasi anggota deret radioaktif yang berumur panjang adalah kecil. lebih besar. Keteguhan kandungan produk peluruhan antara ini bertahan untuk waktu yang sangat lama (waktu ini ditentukan oleh waktu paruh nuklida induk, yang sangat lama). Transformasi matematis sederhana menghasilkan kesimpulan sebagai berikut: rasio jumlah ibu ( N 0) dan anak-anak ( N 1, N 2, N 3...) atom berbanding lurus dengan waktu paruhnya: N 0:N 1:N 2:N 3... = T 0:T 1:T 2:T 3... Jadi, waktu paruh uranium-238 adalah 4,47 10 9 tahun, radium 226 adalah 1600 tahun, jadi perbandingan jumlah atom uranium-238 dan radium-226 pada bijih uranium adalah 4,47 10 9: 1600 , yang darinya mudah untuk menghitung (dengan mempertimbangkan massa atom unsur-unsur ini) bahwa untuk 1 ton uranium, ketika kesetimbangan radioaktif tercapai, hanya terdapat 0,34 g radium.

Begitu pula sebaliknya, dengan mengetahui perbandingan uranium dan radium dalam bijih, serta waktu paruh radium, maka kita dapat menentukan waktu paruh uranium, dan untuk menentukan waktu paruh radium tidak perlu. tunggu lebih dari seribu tahun - cukup untuk mengukur (berdasarkan radioaktivitasnya) laju peluruhan (yaitu nilai .d N/D T) sejumlah kecil unsur yang diketahui (dengan jumlah atom yang diketahui N) dan kemudian menurut rumus d N/D T = –N tentukan nilai  = ln2/ T 1/2.

Hukum perpindahan. Jika anggota suatu deret radioaktif diplot secara berurutan pada tabel periodik unsur, ternyata radionuklida dalam deret tersebut tidak berpindah secara mulus dari unsur induknya (uranium, thorium, atau neptunium) ke timbal atau bismut, melainkan “melompat” ke kanan lalu ke kiri. Jadi, dalam deret uranium, dua isotop timbal yang tidak stabil (elemen No. 82) diubah menjadi isotop bismut (elemen No. 83), kemudian menjadi isotop polonium (elemen No. 84), dan kemudian lagi menjadi isotop timbal. . Akibatnya, unsur radioaktif sering kali kembali ke sel yang sama dalam tabel unsur, tetapi terbentuk isotop dengan massa berbeda. Ternyata ada pola tertentu dalam “lompatan” tersebut, yang diperhatikan F. Soddy pada tahun 1911.

Diketahui bahwa pada peluruhan , partikel  (inti atom helium) dipancarkan dari inti, sehingga muatan inti berkurang 2 (pergeseran tabel periodik sebanyak dua sel ke kiri) , dan nomor massa berkurang 4, yang memungkinkan kita memprediksi isotop unsur baru mana yang terbentuk. Ilustrasinya adalah peluruhan  radon:  + . Sebaliknya, selama peluruhan , jumlah proton dalam inti bertambah satu, tetapi massa inti tidak berubah ( cm. RADIOAKTIFITAS), yaitu terjadi pergeseran tabel unsur sebanyak satu sel ke kanan. Contohnya adalah dua transformasi polonium berturut-turut yang terbentuk dari radon:   . Dengan demikian, kita dapat menghitung berapa banyak partikel alfa dan beta yang dipancarkan, misalnya, akibat peluruhan radium-226 (lihat seri uranium), jika kita tidak memperhitungkan “garpu”. Nuklida awal, nuklida akhir - . Penurunan massa (atau lebih tepatnya, nomor massa, yaitu jumlah total proton dan neutron dalam inti) sama dengan 226 – 206 = 20, oleh karena itu, 20/4 = 5 partikel alfa yang dipancarkan. Partikel-partikel ini membawa 10 proton, dan jika tidak ada peluruhan , muatan inti produk peluruhan akhir akan sama dengan 88 – 10 = 78. Faktanya, terdapat 82 proton pada produk akhir, oleh karena itu, selama transformasi , 4 neutron berubah menjadi proton dan 4 partikel  dipancarkan.

Seringkali, peluruhan  diikuti oleh dua peluruhan , dan dengan demikian unsur yang dihasilkan kembali ke sel asli tabel unsur - dalam bentuk isotop yang lebih ringan dari unsur aslinya. Berkat fakta-fakta ini, menjadi jelas bahwa hukum periodik D.I.Mendeleev mencerminkan hubungan antara sifat-sifat unsur dan muatan intinya, dan bukan massanya (seperti yang awalnya dirumuskan ketika struktur atom tidak diketahui).

Hukum perpindahan radioaktif akhirnya dirumuskan pada tahun 1913 sebagai hasil penelitian yang sungguh-sungguh oleh banyak ilmuwan. Yang menonjol di antara mereka adalah asisten Soddy Alexander Fleck, peserta pelatihan Soddy A.S. Russell, ahli kimia fisik dan radiokimia Hongaria György Hevesy, yang bekerja dengan Rutherford di Universitas Manchester pada tahun 1911–1913, dan ahli kimia fisik Jerman (dan kemudian Amerika) Casimir Fajans ( 1887–1975). ). Hukum ini sering disebut hukum Soddy – Faience.

Transformasi unsur buatan dan radioaktivitas buatan. Sejak zaman Becquerel, telah diketahui bahwa zat paling biasa yang berada di dekat senyawa radioaktif menjadi kurang lebih radioaktif. Rutherford menyebutnya “aktivitas yang menggairahkan”, keluarga Curie menyebutnya “aktivitas yang diinduksi”, tetapi untuk waktu yang lama tidak ada yang bisa menjelaskan inti dari fenomena tersebut.

Pada tahun 1919, Rutherford mempelajari perjalanan partikel alfa melalui berbagai zat. Ternyata ketika partikel  yang terbang cepat menghantam inti unsur ringan, misalnya nitrogen, proton yang terbang cepat (inti hidrogen) kadang-kadang dapat tersingkir, sedangkan partikel  itu sendiri menjadi bagian dari inti. , yang meningkatkan muatannya sebesar satu. Jadi, sebagai hasil reaksi +  +, unsur kimia lain terbentuk dari nitrogen - oksigen (isotop beratnya). Ini adalah reaksi artifisial pertama yang mengubah satu unsur menjadi unsur lain. Dalam hal ini, serta semua proses nuklir lainnya, baik muatan total (subskrip) maupun nomor massanya kekal, yaitu jumlah total proton dan neutron (superskrip).

Impian kuno para alkemis menjadi kenyataan: manusia belajar mengubah beberapa elemen menjadi elemen lain, meskipun pada masa Rutherford, tidak ada yang mengharapkan hasil praktis dari keterampilan ini. Memang untuk memperoleh partikel α diperlukan sumbernya, misalnya preparat radium. Parahnya, untuk setiap juta partikel α yang dilepaskan pada nitrogen, rata-rata hanya diperoleh 20 atom oksigen.

Seiring waktu, reaksi nuklir lainnya terwujud, dan banyak di antaranya dapat digunakan secara praktis. Pada bulan April 1932, pada pertemuan Akademi Ilmu Pengetahuan Inggris (Royal Society), Rutherford mengumumkan bahwa laboratoriumnya telah berhasil melakukan reaksi pemisahan unsur ringan (misalnya litium) dengan proton. Untuk melakukan ini, proton yang diperoleh dari hidrogen dipercepat menggunakan tegangan tinggi yang setara dengan puluhan bahkan ratusan ribu volt. Proton, yang memiliki muatan dan massa lebih kecil daripada partikel alfa, lebih mudah menembus inti. Memasukkan dirinya ke dalam inti litium-7, proton mengubahnya menjadi inti berilium-8, yang hampir seketika “membuang” kelebihan energi, terurai menjadi dua partikel : +  ()  2. Jika kita mengambil isotop ringan litium (dalam litium alami adalah 7,5%), maka inti dari dua isotop helium terbentuk: +  ()  + . Ketika dibombardir dengan proton oksigen, fluor diperoleh: +  + ; saat mengupas aluminium – magnesium: + + .

Banyak transformasi berbeda dilakukan dengan deuteron, inti deuterium isotop hidrogen berat, yang dipercepat hingga kecepatan tinggi. Jadi, selama reaksi +  +, hidrogen superberat – tritium – diproduksi untuk pertama kalinya. Tumbukan dua deuteron dapat berlangsung secara berbeda: +  + , proses ini penting untuk mempelajari kemungkinan reaksi termonuklir terkendali. Reaksi +  ()  2 ternyata penting, karena sudah terjadi pada energi deuteron yang relatif rendah (0,16 MeV) dan disertai dengan pelepasan energi yang sangat besar - 22,7 MeV (ingat bahwa 1 MeV = 10 6 eV , dan 1 eV = 96,5 kJ/mol).

Reaksi yang terjadi ketika berilium dibombardir dengan partikel  menjadi sangat penting secara praktis: +  ()  + , hal ini menyebabkan penemuan partikel neutron netral pada tahun 1932, dan sumber neutron radium-berilium ternyata sangat mudah digunakan untuk penelitian ilmiah. Neutron dengan energi berbeda juga dapat diperoleh dari reaksi +  + ; +  + ; +  + . Neutron yang tidak bermuatan sangat mudah menembus inti atom dan menyebabkan berbagai proses yang bergantung pada nuklida yang ditembakkan dan kecepatan (energi) neutron. Jadi, neutron lambat dapat dengan mudah ditangkap oleh inti, dan inti dilepaskan dari sejumlah energi berlebih dengan memancarkan kuantum gamma, misalnya: +  + . Reaksi ini banyak digunakan dalam reaktor nuklir untuk mengendalikan reaksi fisi uranium: batang atau pelat kadmium didorong ke dalam ketel nuklir untuk memperlambat reaksi.

Pada tahun 1934, suami Irene dan Frederic Joliot-Curie membuat penemuan penting. Setelah membombardir beberapa elemen ringan dengan partikel alfa (polonium memancarkannya), mereka mengharapkan reaksi serupa dengan yang telah diketahui pada berilium, yaitu. melumpuhkan neutron, misalnya:

Jika masalahnya terbatas pada transformasi ini, maka setelah penghentian iradiasi , fluks neutron seharusnya segera mengering, jadi, setelah menghilangkan sumber polonium, mereka mengharapkan penghentian semua aktivitas, tetapi menemukan bahwa penghitung partikel terus berlanjut. daftarkan pulsa yang berangsur-angsur memudar - sesuai dengan hukum eksponensial. Hal ini hanya dapat ditafsirkan dalam satu cara: sebagai akibat dari iradiasi alfa, unsur radioaktif yang sebelumnya tidak diketahui muncul dengan karakteristik waktu paruh 10 menit untuk nitrogen-13 dan 2,5 menit untuk fosfor-30. Ternyata unsur-unsur berikut mengalami peluruhan positron:  + e + ,  + e + . Hasil menarik diperoleh dengan magnesium, diwakili oleh tiga isotop alami yang stabil, dan ternyata ketika diiradiasi  semuanya menghasilkan nuklida radioaktif silikon atau aluminium, yang mengalami peluruhan 227 atau positron:

Produksi unsur radioaktif buatan sangat penting secara praktis, karena memungkinkan sintesis radionuklida dengan waktu paruh yang sesuai untuk tujuan tertentu dan jenis radiasi yang diinginkan dengan kekuatan tertentu. Sangat mudah untuk menggunakan neutron sebagai “proyektil”. Penangkapan neutron oleh sebuah inti sering kali membuatnya menjadi sangat tidak stabil sehingga inti baru menjadi radioaktif. Ia dapat menjadi stabil karena transformasi neutron “ekstra” menjadi proton, yaitu karena radiasi 227; Ada banyak sekali reaksi yang diketahui, misalnya: +   + e. Reaksi pembentukan radiokarbon yang terjadi di lapisan atas atmosfer sangatlah penting: +  + ( cm. METODE ANALISIS RADIOKARBON). Tritium disintesis melalui penyerapan neutron lambat oleh inti litium-6. Banyak transformasi nuklir yang dapat dicapai di bawah pengaruh neutron cepat, misalnya: +  + ; +  + ; +  + . Jadi, dengan menyinari kobalt biasa dengan neutron, diperoleh kobalt-60 radioaktif, yang merupakan sumber radiasi gamma yang kuat (dilepaskan oleh produk peluruhan 60 inti Co-tereksitasi). Beberapa unsur transuranium dihasilkan melalui iradiasi dengan neutron. Misalnya, dari uranium-238 alam, uranium-239 yang tidak stabil pertama kali terbentuk, yang selama peluruhan  ( T 1/2 = 23,5 menit) berubah menjadi elemen transuranium pertama neptunium-239, dan, pada gilirannya, juga melalui peluruhan  ( T 1/2 = 2,3 hari) berubah menjadi plutonium-239 tingkat senjata yang sangat penting.

Mungkinkah memperoleh emas secara artifisial dengan melakukan reaksi nuklir yang diperlukan dan dengan demikian mencapai apa yang gagal dilakukan oleh para alkemis? Secara teoritis, tidak ada kendala dalam hal ini. Apalagi sintesis seperti itu sudah dilakukan, tetapi tidak mendatangkan kekayaan. Cara termudah untuk memproduksi emas secara artifisial adalah dengan menyinari merkuri, unsur berikutnya dalam tabel periodik setelah emas, dengan aliran neutron. Kemudian, sebagai hasil reaksi +  +, sebuah neutron akan mengeluarkan proton dari atom merkuri dan mengubahnya menjadi atom emas. Reaksi ini tidak menunjukkan nomor massa tertentu ( A) nuklida merkuri dan emas. Emas di alam adalah satu-satunya nuklida yang stabil, dan merkuri alami adalah campuran isotop yang kompleks A= 196 (0,15%), 198 (9,97%), 199 (1,87%), 200 (23,10%), 201 (13,18%), 202 (29,86%) dan 204 (6,87%). Oleh karena itu, menurut skema di atas, hanya emas radioaktif yang tidak stabil yang dapat diperoleh. Itu diperoleh oleh sekelompok ahli kimia Amerika dari Universitas Harvard pada awal tahun 1941, dengan menyinari merkuri dengan aliran neutron cepat. Setelah beberapa hari, semua isotop radioaktif emas yang dihasilkan, melalui peluruhan beta, kembali berubah menjadi isotop asli merkuri...

Namun ada cara lain: jika atom merkuri-196 disinari dengan neutron lambat, atom tersebut akan berubah menjadi atom merkuri-197: +  + . Atom-atom ini, dengan waktu paruh 2,7 hari, mengalami penangkapan elektron dan akhirnya berubah menjadi atom emas yang stabil: + e  . Transformasi ini dilakukan pada tahun 1947 oleh pegawai Laboratorium Nasional di Chicago. Dengan menyinari 100 mg merkuri dengan neutron lambat, mereka memperoleh 0,035 mg 197Au. Sehubungan dengan semua merkuri, hasilnya sangat kecil - hanya 0,035%, tetapi relatif terhadap 196Hg mencapai 24%! Namun, isotop 196 Hg dalam merkuri alami hanyalah yang terkecil, selain itu, proses iradiasi itu sendiri dan durasinya (iradiasi akan memakan waktu beberapa tahun), dan isolasi “emas sintetis” yang stabil dari campuran kompleks akan memakan biaya yang jauh lebih mahal. isolasi emas dari bijih termiskin ( Lihat juga EMAS). Jadi produksi emas buatan hanyalah kepentingan teoritis belaka.

Pola kuantitatif transformasi radioaktif. Jika inti tertentu yang tidak stabil dapat dilacak, mustahil memprediksi kapan inti tersebut akan meluruh. Ini adalah proses acak dan hanya dalam kasus tertentu kemungkinan peluruhan dapat dinilai dalam jangka waktu tertentu. Namun, bahkan setitik debu terkecil pun, yang hampir tidak terlihat di bawah mikroskop, mengandung sejumlah besar atom, dan jika atom-atom ini bersifat radioaktif, maka peluruhannya mematuhi hukum matematika yang ketat: hukum statistik yang menjadi karakteristik sejumlah besar benda mulai berlaku. . Dan kemudian setiap radionuklida dapat dicirikan oleh nilai yang sangat spesifik - waktu paruh ( T 1/2) adalah waktu di mana setengah dari jumlah inti yang tersedia meluruh. Jika pada saat awal ada N 0 core, lalu setelah beberapa saat T = T 1/2 darinya akan tetap ada N 0/2, pada T = 2T 1/2 akan tetap ada N 0/4 = N 0/2 2 , pada T = 3T 1/2 – N 0/8 = N 0/2 3 dst. Secara umum, kapan T = tidak 1/2 akan tetap ada N 0/2 N inti, di mana N = T/T 1/2 adalah jumlah waktu paruh (tidak harus bilangan bulat). Sangat mudah untuk menunjukkan rumus itu N = N 0/2 T / T 1/2 setara dengan rumus N = N 0e –   T, di mana  adalah konstanta peluruhan. Secara formal, ini didefinisikan sebagai koefisien proporsionalitas antara laju peluruhan d N/D T dan jumlah core yang tersedia: d N/D T = –N(tanda minus menunjukkan hal itu N menurun seiring waktu). Mengintegrasikan persamaan diferensial ini memberikan ketergantungan eksponensial jumlah inti terhadap waktu. Mengganti ke dalam rumus ini N = N 0/2 jam T = T 1/2, kita mendapatkan bahwa konstanta peluruhan berbanding terbalik dengan waktu paruh:  = ln2/ T 1/2 = 0,693/T 1/2. Nilai  = 1/ disebut rata-rata umur inti. Misalnya untuk 226 Ra T 1/2 = 1600 tahun,  = 1109 tahun.

Menurut rumus yang diberikan, mengetahui nilainya T 1/2 (atau ), mudah untuk menghitung jumlah radionuklida setelah periode waktu tertentu, dan darinya Anda dapat menghitung waktu paruh jika jumlah radionuklida diketahui pada titik waktu yang berbeda. Alih-alih jumlah inti, Anda dapat mengganti aktivitas radiasi ke dalam rumus, yang berbanding lurus dengan jumlah inti yang tersedia N. Aktivitas biasanya dicirikan bukan oleh jumlah total peluruhan dalam sampel, tetapi oleh jumlah pulsa yang sebanding dengannya, yang dicatat oleh alat yang mengukur aktivitas. Jika misalnya terdapat 1 g suatu zat radioaktif, maka semakin pendek waktu paruhnya maka semakin aktif zat tersebut.

Hukum matematika lainnya menggambarkan perilaku sejumlah kecil radionuklida. Di sini kita hanya dapat berbicara tentang kemungkinan suatu peristiwa tertentu. Misalkan, ada satu atom (lebih tepatnya, satu inti) dari radionuklida dengan T 1/2 = 1 menit. Peluang atom ini hidup 1 menit adalah 1/2 (50%), 2 menit - 1/4 (25%), 3 menit - 1/8 (12,5%), 10 menit - (1/2 ) 10 = 1/10 24 (0,1%), 20 menit – (1/2) 20 = 1/1048576 (0,00001%). Untuk satu atom, peluangnya dapat diabaikan, tetapi jika terdapat banyak atom, misalnya beberapa miliar, maka banyak dari atom tersebut, tidak diragukan lagi, akan memiliki 20 waktu paruh atau lebih. Peluang suatu atom akan meluruh dalam jangka waktu tertentu diperoleh dengan mengurangkan nilai yang diperoleh dari 100. Jadi, jika peluang suatu atom bertahan dalam 2 menit adalah 25%, maka peluang atom yang sama meluruh selama ini. waktu adalah 100 - 25 = 75%, kemungkinan disintegrasi dalam 3 menit - 87,5%, dalam 10 menit - 99,9%, dst.

Rumusnya menjadi lebih rumit jika terdapat beberapa atom yang tidak stabil. Dalam hal ini, probabilitas statistik suatu peristiwa dijelaskan dengan rumus dengan koefisien binomial. Jika ada N atom, dan kemungkinan peluruhan salah satunya seiring waktu T sama dengan P, maka probabilitas bahwa selama ini T dari N atom akan membusuk N(dan akan tetap demikian N – N), adalah sama dengan P = N!P N (1–P) N – N /(N–N)!N! Rumus serupa harus digunakan dalam sintesis unsur-unsur baru yang tidak stabil, yang atom-atomnya diperoleh secara individual (misalnya, ketika sekelompok ilmuwan Amerika menemukan unsur baru Mendelevium pada tahun 1955, mereka memperolehnya dalam jumlah hanya 17 atom. ).

Itu adalah salah satu tahapan terpenting dalam perkembangan pengetahuan fisika modern. Para ilmuwan tidak segera sampai pada kesimpulan yang benar mengenai struktur partikel terkecil. Dan kemudian, hukum-hukum lain ditemukan - misalnya, hukum gerak mikropartikel, serta ciri-ciri transformasi inti atom yang terjadi selama peluruhan radioaktif.

Eksperimen Rutherford

Transformasi radioaktif inti atom pertama kali dipelajari oleh peneliti Inggris Rutherford. Meski begitu, sudah jelas bahwa sebagian besar massa atom terletak pada intinya, karena elektron ratusan kali lebih ringan daripada nukleon. Untuk mempelajari muatan positif di dalam inti atom, pada tahun 1906 Rutherford mengusulkan untuk menyelidiki atom dengan partikel alfa. Partikel-partikel tersebut muncul selama peluruhan radium, serta beberapa zat lainnya. Selama eksperimennya, Rutherford memperoleh pemahaman tentang struktur atom, yang diberi nama “model planet”.

Pengamatan pertama radioaktivitas

Pada tahun 1985, peneliti Inggris W. Ramsay, yang terkenal dengan penemuan gas argon, membuat penemuan menarik. Ia menemukan gas helium dalam mineral yang disebut kleveite. Selanjutnya, helium dalam jumlah besar juga ditemukan pada mineral lain, tetapi hanya pada mineral yang mengandung thorium dan uranium.

Hal ini tampak sangat aneh bagi peneliti: dari mana asal gas dalam mineral? Namun ketika Rutherford mulai mempelajari sifat radioaktivitas, ternyata helium merupakan produk peluruhan radioaktif. Beberapa unsur kimia “melahirkan” unsur lain, dengan sifat yang benar-benar baru. Dan fakta ini bertentangan dengan seluruh pengalaman ahli kimia sebelumnya pada waktu itu.

pengamatan Frederick Soddy

Bersama Rutherford, ilmuwan Frederick Soddy terlibat langsung dalam penelitian tersebut. Dia adalah seorang ahli kimia, dan oleh karena itu semua karyanya dilakukan sehubungan dengan identifikasi unsur-unsur kimia menurut sifat-sifatnya. Faktanya, transformasi radioaktif inti atom pertama kali diketahui oleh Soddy. Ia berhasil mengetahui apa saja partikel alfa yang digunakan Rutherford dalam eksperimennya. Setelah melakukan pengukuran, para ilmuwan menemukan bahwa massa satu partikel alfa adalah 4 satuan massa atom. Setelah mengumpulkan sejumlah partikel alfa, para peneliti menemukan bahwa mereka berubah menjadi zat baru - helium. Sifat-sifat gas ini sudah diketahui Soddy. Oleh karena itu, ia berpendapat bahwa partikel alfa mampu menangkap elektron dari luar dan berubah menjadi atom helium netral.

Perubahan di dalam inti atom

Penelitian selanjutnya ditujukan untuk mengidentifikasi ciri-ciri inti atom. Para ilmuwan menyadari bahwa semua transformasi tidak terjadi pada elektron atau kulit elektron, tetapi langsung pada inti itu sendiri. Transformasi radioaktif inti atomlah yang berkontribusi pada transformasi beberapa zat menjadi zat lain. Pada saat itu, ciri-ciri transformasi ini masih belum diketahui oleh para ilmuwan. Tapi satu hal yang jelas: sebagai hasilnya, unsur kimia baru muncul.

Untuk pertama kalinya, para ilmuwan mampu menelusuri rantai metamorfosis dalam proses mengubah radium menjadi radon. Reaksi yang mengakibatkan transformasi tersebut, disertai dengan radiasi khusus, oleh para peneliti disebut nuklir. Setelah memastikan bahwa semua proses ini terjadi tepat di dalam inti atom, para ilmuwan mulai mempelajari zat lain, bukan hanya radium.

Jenis radiasi terbuka

Disiplin utama yang mungkin memerlukan jawaban atas pertanyaan-pertanyaan tersebut adalah fisika (kelas 9). Transformasi radioaktif inti atom termasuk dalam mata kuliahnya. Saat melakukan eksperimen tentang daya tembus radiasi uranium, Rutherford menemukan dua jenis radiasi, atau transformasi radioaktif. Jenis yang kurang tembus disebut radiasi alfa. Belakangan, radiasi beta juga dipelajari. Radiasi gamma pertama kali dipelajari oleh Paul Villard pada tahun 1900. Para ilmuwan telah menunjukkan bahwa fenomena radioaktivitas berhubungan dengan peluruhan inti atom. Dengan demikian, pukulan telak diberikan terhadap gagasan yang berlaku sebelumnya tentang atom sebagai partikel yang tidak dapat dibagi.

Transformasi radioaktif inti atom: tipe utama

Sekarang diyakini bahwa selama peluruhan radioaktif terjadi tiga jenis transformasi: peluruhan alfa, peluruhan beta, dan penangkapan elektron, atau disebut penangkapan K. Selama peluruhan alfa, partikel alfa dipancarkan dari inti, yang merupakan inti atom helium. Inti radioaktif itu sendiri diubah menjadi inti yang memiliki muatan listrik lebih rendah. Peluruhan alfa merupakan ciri zat yang menempati tempat terakhir dalam tabel periodik. Peluruhan beta juga termasuk dalam transformasi radioaktif inti atom. Komposisi inti atom jenis ini juga berubah: kehilangan neutrino atau antineutrino, serta elektron dan positron.

Jenis peluruhan ini disertai dengan radiasi elektromagnetik gelombang pendek. Dalam penangkapan elektron, inti atom menyerap salah satu elektron di dekatnya. Dalam hal ini, inti berilium dapat berubah menjadi inti litium. Jenis ini ditemukan pada tahun 1938 oleh seorang fisikawan Amerika bernama Alvarez, yang juga mempelajari transformasi radioaktif inti atom. Foto-foto yang digunakan para peneliti untuk menangkap proses tersebut berisi gambar yang mirip dengan awan buram karena ukuran kecil partikel yang diteliti.

Pada tahun 1900, Rutherford memberi tahu ahli radiokimia Inggris Frederick Soddy tentang thoron yang misterius. Soddy membuktikan bahwa thoron adalah gas inert yang mirip dengan argon, ditemukan beberapa tahun sebelumnya di udara; itu adalah salah satu isotop radon, 220 Rn. Emanasi radium, ternyata kemudian, ternyata merupakan isotop radon lainnya - 222 Rn (waktu paruh T 1/2 = 3,825 hari), dan emanasi aktinium adalah isotop berumur pendek dari unsur yang sama: 219 Rn ( T 1/2 = 4 detik). Selain itu, Rutherford dan Soddy mengisolasi unsur non-volatil baru dari produk transformasi thorium, yang sifatnya berbeda dari thorium. Itu disebut thorium X (kemudian diketahui bahwa itu adalah isotop radium 224 Ra c T 1/2 = 3,66 hari). Ternyata, “emanasi thorium” justru dilepaskan dari thorium X, dan bukan dari thorium aslinya. Contoh serupa berlipat ganda: pada awalnya uranium atau thorium yang dimurnikan secara kimiawi, seiring waktu muncul campuran unsur radioaktif, yang kemudian diperoleh unsur radioaktif baru, termasuk unsur gas. Jadi, partikel a yang dilepaskan dari banyak obat radioaktif berubah menjadi gas yang identik dengan helium, yang ditemukan pada akhir tahun 1860-an di Matahari (metode spektral), dan pada tahun 1882 ditemukan di beberapa batuan.

Hasil kerja sama mereka diterbitkan oleh Rutherford dan Soddy pada tahun 1902–1903 dalam sejumlah artikel di Philosophical Magazine. Dalam artikel-artikel ini, setelah menganalisis hasil yang diperoleh, penulis sampai pada kesimpulan bahwa beberapa unsur kimia dapat diubah menjadi unsur kimia lainnya. Mereka menulis: “Radioaktivitas adalah fenomena atom, disertai dengan perubahan kimia yang melahirkan jenis materi baru... Radioaktivitas harus dianggap sebagai manifestasi dari proses kimia intra-atom... Radiasi menyertai transformasi atom.. . Sebagai hasil transformasi atom, terbentuklah jenis zat yang benar-benar baru, yang sifat fisik dan kimianya sangat berbeda dari zat aslinya."

Pada saat itu, kesimpulan-kesimpulan ini sangat berani; ilmuwan terkemuka lainnya, termasuk Curie, meskipun mereka mengamati fenomena serupa, menjelaskannya dengan adanya unsur “baru” dalam zat aslinya sejak awal (misalnya, Curie mengisolasi polonium dan radium yang terkandung di dalamnya dari bijih uranium). Namun demikian, Rutherford dan Soddy ternyata benar: radioaktivitas disertai dengan transformasi beberapa unsur menjadi unsur lain

Tampaknya hal yang tak tergoyahkan sedang runtuh: kekekalan dan ketidakterpisahan atom, karena sejak zaman Boyle dan Lavoisier, para ahli kimia telah sampai pada kesimpulan bahwa unsur-unsur kimia tidak dapat terurai (seperti yang mereka katakan saat itu, “benda sederhana”, bahan penyusunnya. alam semesta), tentang ketidakmungkinan transformasi mereka menjadi satu sama lain. Apa yang ada di benak para ilmuwan pada masa itu dibuktikan dengan jelas oleh pernyataan DI Mendeleev, yang mungkin berpikir bahwa kemungkinan “transmutasi” unsur-unsur, yang telah dibicarakan oleh para alkemis selama berabad-abad, akan menghancurkan sistem harmonis kehidupan. bahan kimia yang telah ia ciptakan dan dikenal di seluruh dunia. Dalam buku teks yang diterbitkan pada tahun 1906 Dasar-dasar Kimia dia menulis: “... Saya sama sekali tidak cenderung (berdasarkan disiplin pengetahuan induktif yang keras namun bermanfaat) untuk mengakui bahkan konvertibilitas hipotetis dari beberapa elemen menjadi satu sama lain dan saya tidak melihat kemungkinan asal usulnya. argon atau zat radioaktif dari uranium atau sebaliknya.”

Waktu telah menunjukkan kekeliruan pandangan Mendeleev mengenai ketidakmungkinan mengubah beberapa unsur kimia menjadi unsur lain; pada saat yang sama, hal itu menegaskan penemuan utamanya - hukum periodik - tidak dapat diganggu gugat. Karya selanjutnya yang dilakukan oleh fisikawan dan kimiawan menunjukkan dalam kasus apa beberapa unsur dapat berubah menjadi unsur lain dan hukum alam apa yang mengatur transformasi ini.

Transformasi elemen. Seri radioaktif.

Selama dua dekade pertama abad ke-20. Melalui karya banyak fisikawan dan ahli radiokimia, banyak unsur radioaktif ditemukan. Lambat laun menjadi jelas bahwa produk transformasinya seringkali bersifat radioaktif dan mengalami transformasi lebih lanjut, terkadang cukup rumit. Mengetahui urutan transformasi satu radionuklida menjadi radionuklida lain memungkinkan untuk menyusun apa yang disebut deret radioaktif alami (atau keluarga radioaktif). Ada tiga di antaranya, dan disebut deret uranium, deret aktinium, dan deret torium. Ketiga deret ini berasal dari unsur alam berat - uranium, yang dikenal sejak abad ke-18, dan torium, ditemukan pada tahun 1828 (aktinium yang tidak stabil bukanlah nenek moyangnya, tetapi anggota perantara dari deret aktinium). Kemudian, seri neptunium ditambahkan ke dalamnya, dimulai dengan unsur transuranium pertama No. 93, yang diperoleh secara artifisial pada tahun 1940, neptunium. Banyak produk transformasinya juga diberi nama menurut unsur aslinya, dengan menuliskan skema berikut:

Seri uranium: UI ® UХ1 ® UХ2 ® UII ® Io (ion) ® Ra ® ... ® RaG.

Seri anemon laut: AcU ® UY ® Pa ® Ac ® AcK ® AcX ® An ® AcA ® AcB ® AcC ® AcC"" ® AcD.

Seri Thorium: Th ® MsTh1 ® MsTh2 ® RdTh ® ThХ ® ThEm ® ThA ® ThB ® ThC ® ThC" ® ThD.

Ternyata, baris-baris ini tidak selalu berupa rantai “lurus”: dari waktu ke waktu mereka bercabang. Jadi, UX2 dengan probabilitas 0,15% bisa berubah menjadi UZ, lalu masuk ke UII. Demikian pula, ThC dapat meluruh dalam dua cara: transformasi ThC ® ThC" terjadi pada 66,3%, dan pada saat yang sama, dengan probabilitas 33,7%, proses ThC ® ThC"" ® ThD terjadi. Inilah yang terjadi disebut “garpu”, transformasi paralel dari satu radionuklida menjadi produk yang berbeda. Kesulitan dalam menentukan urutan transformasi radioaktif yang benar dalam rangkaian ini juga disebabkan oleh umur yang sangat singkat dari banyak anggotanya, terutama anggota beta-aktif.

Dahulu kala, setiap anggota baru deret radioaktif dianggap sebagai unsur radioaktif baru, dan fisikawan serta ahli radiokimia memperkenalkan sebutan mereka sendiri untuk unsur tersebut: ionium Io, mesothorium-1 MsTh1, actinouranium AcU, thorium emanation ThEm, dll. dan seterusnya. Sebutan ini rumit dan tidak nyaman; tidak memiliki sistem yang jelas. Namun, beberapa di antaranya terkadang masih digunakan secara tradisional dalam literatur khusus. Seiring waktu, menjadi jelas bahwa semua simbol ini mengacu pada jenis atom yang tidak stabil (lebih tepatnya, inti) dari unsur kimia biasa - radionuklida. Untuk membedakan unsur-unsur yang tidak dapat dipisahkan secara kimia, tetapi berbeda dalam waktu paruh (dan seringkali dalam jenis peluruhan), F. Soddy pada tahun 1913 mengusulkan untuk menamakannya isotop.

Setelah menetapkan setiap anggota deret tersebut ke salah satu isotop unsur kimia yang diketahui, menjadi jelas bahwa deret uranium dimulai dengan uranium-238 ( T 1/2 = 4,47 miliar tahun) dan diakhiri dengan timah stabil-206; karena salah satu anggota deret ini adalah unsur radium yang sangat penting), deret ini disebut juga deret uranium-radium. Deret aktinium (nama lainnya adalah deret aktinouranium) juga berasal dari uranium alam, tetapi dari isotop lainnya - 235 U ( T 1/2 = 794 juta tahun). Deret torium dimulai dengan nuklida 232 Th ( T 1/2 = 14 miliar tahun). Terakhir, rangkaian neptunium, yang tidak ada di alam, dimulai dengan isotop neptunium berumur terpanjang yang diperoleh secara artifisial: 237 Np ® 233 Pa ® 233 U ® 229 Th ® 225 Ra ® 225 Ac ® 221 Fr ® 217 At ® 213 Bi ® 213 Po ® 209 Pb ® 209 Bi. Ada juga “garpu” di rangkaian ini: 213 Bi dengan probabilitas 2% bisa berubah menjadi 209 Tl, yang sudah berubah menjadi 209 Pb. Fitur yang lebih menarik dari deret neptunium adalah tidak adanya "emanasi" gas, serta anggota akhir deret tersebut - bismut, bukan timbal. Waktu paruh nenek moyang rangkaian buatan ini “hanya” 2,14 juta tahun, sehingga neptunium, meskipun sudah ada pada masa pembentukan tata surya, tidak dapat “bertahan” hingga saat ini, karena Usia bumi diperkirakan 4,6 miliar tahun, dan selama waktu ini (lebih dari 2000 waktu paruh) tidak ada satu atom pun yang tersisa dari neptunium.

Sebagai contoh, Rutherford mengungkap jalinan peristiwa yang rumit dalam rantai transformasi radium (radium-226 adalah anggota keenam dari rangkaian radioaktif uranium-238). Diagram menunjukkan simbol zaman Rutherford dan simbol modern untuk nuklida, serta jenis peluruhan dan data modern tentang waktu paruh; pada rangkaian di atas juga terdapat “garpu” kecil: RaC dengan probabilitas 0,04% dapat berubah menjadi RaC""(210 Tl), yang kemudian berubah menjadi RaD yang sama ( T 1/2 = 1,3 menit). Timbal radioaktif ini memiliki waktu paruh yang cukup lama, sehingga transformasi selanjutnya sering kali diabaikan selama percobaan.

Anggota terakhir seri ini, lead-206 (RaG), stabil; dalam timbal alami jumlahnya 24,1%. Deret thorium menghasilkan timbal-208 yang stabil (kandungannya pada timbal “biasa” adalah 52,4%), deret aktinium menghasilkan timbal-207 (kandungannya dalam timbal adalah 22,1%). Rasio isotop timbal dalam kerak bumi modern, tentu saja, terkait dengan waktu paruh nuklida induknya dan rasio awalnya pada bahan pembentuk bumi. Dan timbal “biasa”, non-radiogenik, di kerak bumi hanya 1,4%. Jadi, jika awalnya tidak ada uranium dan thorium di Bumi, timbal di dalamnya tidak akan menjadi 1,6 × 10 –3% (hampir sama dengan kobalt), tetapi 70 kali lebih sedikit (seperti, misalnya, logam langka seperti indium dan thulium!) . Di sisi lain, seorang ahli kimia khayalan yang terbang ke planet kita beberapa miliar tahun yang lalu akan menemukan lebih sedikit timbal dan lebih banyak uranium dan thorium di dalamnya...

Ketika F. Soddy pada tahun 1915 mengisolasi timbal yang terbentuk dari peluruhan torium dari mineral thorit Ceylon (ThSiO 4), massa atomnya ternyata sama dengan 207,77, lebih besar dari massa atom timbal “biasa” (207.2). Perbedaan ini dari “teoretis” (208) dijelaskan oleh fakta bahwa thorit mengandung sejumlah uranium, yang menghasilkan timbal-206. Ketika ahli kimia Amerika Theodore William Richards, seorang ahli di bidang pengukuran massa atom, mengisolasi timbal dari beberapa mineral uranium yang tidak mengandung torium, massa atomnya ternyata hampir persis 206. Kepadatan timbal ini juga sedikit lebih kecil. , dan sesuai dengan perhitungan: r ( Pb) ֑ 206/207,2 = 0,994r (Pb), di mana r (Pb) = 11,34 g/cm3. Hasil ini dengan jelas menunjukkan mengapa timbal, seperti sejumlah unsur lainnya, tidak ada gunanya mengukur massa atom dengan akurasi yang sangat tinggi: sampel yang diambil di tempat berbeda akan memberikan hasil yang sedikit berbeda ( cm. UNIT KARBON).

Di alam, rantai transformasi yang ditunjukkan pada diagram terus menerus terjadi. Akibatnya, beberapa unsur kimia (radioaktif) diubah menjadi unsur lain, dan transformasi tersebut terjadi sepanjang masa keberadaan bumi. Anggota awal (disebut induk) rangkaian radioaktif adalah yang berumur paling panjang: waktu paruh uranium-238 adalah 4,47 miliar tahun, thorium-232 adalah 14,05 miliar tahun, uranium-235 (juga dikenal sebagai “actinouranium” adalah nenek moyang deret aktinium ) – 703,8 juta tahun. Semua anggota berikutnya (“anak”) dari rantai panjang ini mempunyai umur yang jauh lebih pendek. Dalam hal ini, terjadi keadaan yang oleh ahli radiokimia disebut sebagai “kesetimbangan radioaktif”: laju pembentukan radionuklida perantara dari uranium, torium, atau aktinium induk (laju ini sangat rendah) sama dengan laju peluruhan nuklida tersebut. Akibat persamaan laju ini, kandungan radionuklida tertentu adalah konstan dan hanya bergantung pada waktu paruhnya: konsentrasi anggota deret radioaktif yang berumur pendek kecil, dan konsentrasi anggota deret radioaktif yang berumur panjang adalah kecil. lebih besar. Keteguhan kandungan produk peluruhan antara ini bertahan untuk waktu yang sangat lama (waktu ini ditentukan oleh waktu paruh nuklida induk, yang sangat lama). Transformasi matematis sederhana menghasilkan kesimpulan sebagai berikut: rasio jumlah ibu ( N 0) dan anak-anak ( N 1, N 2, N 3...) atom berbanding lurus dengan waktu paruhnya: N 0:N 1:N 2:N 3... = T 0:T 1:T 2:T 3... Jadi, waktu paruh uranium-238 adalah 4,47 10 9 tahun, radium 226 adalah 1600 tahun, jadi perbandingan jumlah atom uranium-238 dan radium-226 pada bijih uranium adalah 4,47 10 9: 1600 , yang darinya mudah untuk menghitung (dengan mempertimbangkan massa atom unsur-unsur ini) bahwa untuk 1 ton uranium, ketika kesetimbangan radioaktif tercapai, hanya terdapat 0,34 g radium.

Begitu pula sebaliknya, dengan mengetahui perbandingan uranium dan radium dalam bijih, serta waktu paruh radium, maka kita dapat menentukan waktu paruh uranium, dan untuk menentukan waktu paruh radium tidak perlu. tunggu lebih dari seribu tahun - cukup untuk mengukur (berdasarkan radioaktivitasnya) laju peluruhan (yaitu nilai .d N/D T) sejumlah kecil unsur yang diketahui (dengan jumlah atom yang diketahui N) dan kemudian menurut rumus d N/D T= –l N tentukan nilai l = ln2/ T 1/2.

Hukum perpindahan.

Jika anggota suatu deret radioaktif diplot secara berurutan pada tabel periodik unsur, ternyata radionuklida dalam deret tersebut tidak berpindah secara mulus dari unsur induknya (uranium, thorium, atau neptunium) ke timbal atau bismut, melainkan “melompat” ke kanan lalu ke kiri. Jadi, dalam deret uranium, dua isotop timbal yang tidak stabil (elemen No. 82) diubah menjadi isotop bismut (elemen No. 83), kemudian menjadi isotop polonium (elemen No. 84), dan kemudian lagi menjadi isotop timbal. . Akibatnya, unsur radioaktif sering kali kembali ke sel yang sama dalam tabel unsur, tetapi terbentuk isotop dengan massa berbeda. Ternyata ada pola tertentu dalam “lompatan” tersebut, yang diperhatikan F. Soddy pada tahun 1911.

Sekarang diketahui bahwa selama peluruhan -, partikel a (inti atom helium) dipancarkan dari inti, oleh karena itu, muatan inti berkurang 2 (pergeseran tabel periodik sebanyak dua sel ke kiri), dan nomor massa berkurang 4, yang memungkinkan kita memperkirakan isotop unsur baru yang terbentuk. Ilustrasinya adalah peluruhan radon: ® + . Sebaliknya dengan peluruhan b, jumlah proton dalam inti bertambah satu, tetapi massa inti tidak berubah ( cm. RADIOAKTIFITAS), yaitu terjadi pergeseran tabel unsur sebanyak satu sel ke kanan. Contohnya adalah dua transformasi polonium berturut-turut yang terbentuk dari radon: ® ® . Dengan demikian, kita dapat menghitung berapa banyak partikel alfa dan beta yang dipancarkan, misalnya, akibat peluruhan radium-226 (lihat seri uranium), jika kita tidak memperhitungkan “garpu”. Nuklida awal, nuklida akhir - . Penurunan massa (atau lebih tepatnya, nomor massa, yaitu jumlah total proton dan neutron dalam inti) sama dengan 226 – 206 = 20, oleh karena itu, 20/4 = 5 partikel alfa yang dipancarkan. Partikel-partikel ini membawa 10 proton, dan jika tidak ada peluruhan b, muatan inti produk peluruhan akhir akan sama dengan 88 - 10 = 78. Faktanya, terdapat 82 proton dalam produk akhir, oleh karena itu, selama transformasi, 4 neutron berubah menjadi proton dan 4 partikel b dipancarkan.

Seringkali, peluruhan a diikuti oleh dua peluruhan b, dan dengan demikian unsur yang dihasilkan kembali ke sel asli tabel unsur - dalam bentuk isotop yang lebih ringan dari unsur aslinya. Berkat fakta-fakta ini, menjadi jelas bahwa hukum periodik D.I.Mendeleev mencerminkan hubungan antara sifat-sifat unsur dan muatan intinya, dan bukan massanya (seperti yang awalnya dirumuskan ketika struktur atom tidak diketahui).

Hukum perpindahan radioaktif akhirnya dirumuskan pada tahun 1913 sebagai hasil penelitian yang sungguh-sungguh oleh banyak ilmuwan. Yang menonjol di antara mereka adalah asisten Soddy Alexander Fleck, peserta pelatihan Soddy A.S. Russell, ahli kimia fisik dan radiokimia Hongaria György Hevesy, yang bekerja dengan Rutherford di Universitas Manchester pada tahun 1911–1913, dan ahli kimia fisik Jerman (dan kemudian Amerika) Casimir Fajans ( 1887–1975). Hukum ini sering disebut hukum Soddy – Faience.

Transformasi unsur buatan dan radioaktivitas buatan.

Banyak transformasi berbeda dilakukan dengan deuteron, inti deuterium isotop hidrogen berat, yang dipercepat hingga kecepatan tinggi. Jadi, selama reaksi + ® +, hidrogen superberat - tritium - pertama kali dihasilkan. Tumbukan dua deuteron dapat berlangsung secara berbeda: + ® + , proses ini penting untuk mempelajari kemungkinan reaksi termonuklir terkendali. Reaksi + ® () ® 2 ternyata penting, karena sudah terjadi pada energi deuteron yang relatif rendah (0,16 MeV) dan disertai dengan pelepasan energi yang sangat besar - 22,7 MeV (ingat bahwa 1 MeV = 10 6 eV , dan 1 eV = 96,5 kJ/mol).

Reaksi yang terjadi ketika berilium dibombardir dengan partikel a telah menjadi sangat penting secara praktis: + ® () ® + , hal ini menyebabkan penemuan partikel neutron netral pada tahun 1932, dan sumber neutron radium-berilium ternyata sangat mudah digunakan untuk penelitian ilmiah. Neutron dengan energi berbeda juga dapat diperoleh dari reaksi + ® + ; + ® + ; + ® + . Neutron yang tidak bermuatan sangat mudah menembus inti atom dan menyebabkan berbagai proses yang bergantung pada nuklida yang ditembakkan dan kecepatan (energi) neutron. Jadi, neutron lambat dapat dengan mudah ditangkap oleh inti, dan inti dilepaskan dari sejumlah energi berlebih dengan memancarkan kuantum gamma, misalnya: + ® + g. Reaksi ini banyak digunakan dalam reaktor nuklir untuk mengendalikan reaksi fisi uranium: batang atau pelat kadmium didorong ke dalam ketel nuklir untuk memperlambat reaksi.

Jika masalahnya terbatas pada transformasi ini, maka setelah penghentian iradiasi-a, fluks neutron seharusnya segera mengering, jadi, setelah menghilangkan sumber polonium, mereka mengharapkan penghentian semua aktivitas, tetapi menemukan bahwa penghitung partikel terus berlanjut. daftarkan pulsa yang berangsur-angsur padam - sesuai dengan hukum eksponensial. Hal ini hanya dapat ditafsirkan dalam satu cara: sebagai akibat dari iradiasi alfa, unsur radioaktif yang sebelumnya tidak diketahui muncul dengan karakteristik waktu paruh 10 menit untuk nitrogen-13 dan 2,5 menit untuk fosfor-30. Ternyata unsur-unsur ini mengalami peluruhan positron: ® + e + , ® + e + . Hasil menarik diperoleh dengan magnesium, yang diwakili oleh tiga isotop alami yang stabil, dan ternyata ketika diiradiasi, semuanya menghasilkan nuklida radioaktif dari silikon atau aluminium, yang mengalami peluruhan 227 atau positron:

Produksi unsur radioaktif buatan sangat penting secara praktis, karena memungkinkan sintesis radionuklida dengan waktu paruh yang sesuai untuk tujuan tertentu dan jenis radiasi yang diinginkan dengan kekuatan tertentu. Sangat mudah untuk menggunakan neutron sebagai “proyektil”. Penangkapan neutron oleh sebuah inti sering kali membuatnya menjadi sangat tidak stabil sehingga inti baru menjadi radioaktif. Ia dapat menjadi stabil karena transformasi neutron “ekstra” menjadi proton, yaitu karena radiasi 227; Ada banyak sekali reaksi yang diketahui, misalnya: + ® ® + e. Reaksi pembentukan radiokarbon yang terjadi di lapisan atas atmosfer sangatlah penting: + ® + ( cm. METODE ANALISIS RADIOKARBON). Tritium disintesis melalui penyerapan neutron lambat oleh inti litium-6. Banyak transformasi nuklir yang dapat dicapai di bawah pengaruh neutron cepat, misalnya: + ® + ; + ® + ; + ® + . Jadi, dengan menyinari kobalt biasa dengan neutron, diperoleh kobalt-60 radioaktif, yang merupakan sumber radiasi gamma yang kuat (dilepaskan oleh produk peluruhan 60 inti Co-tereksitasi). Beberapa unsur transuranium dihasilkan melalui iradiasi dengan neutron. Misalnya, dari uranium-238 alam, uranium-239 yang tidak stabil pertama kali terbentuk, yang selama peluruhan b ( T 1/2 = 23,5 menit) berubah menjadi elemen transuranium pertama neptunium-239, dan, pada gilirannya, juga melalui peluruhan b ( T 1/2 = 2,3 hari) berubah menjadi plutonium-239 tingkat senjata yang sangat penting.

Mungkinkah memperoleh emas secara artifisial dengan melakukan reaksi nuklir yang diperlukan dan dengan demikian mencapai apa yang gagal dilakukan oleh para alkemis? Secara teoritis, tidak ada kendala dalam hal ini. Apalagi sintesis seperti itu sudah dilakukan, tetapi tidak mendatangkan kekayaan. Cara termudah untuk memproduksi emas secara artifisial adalah dengan menyinari unsur di sebelah emas dalam tabel periodik dengan aliran neutron. Kemudian, sebagai akibat dari reaksi + ® +, sebuah neutron akan melumpuhkan proton dari atom merkuri dan mengubahnya menjadi atom emas. Reaksi ini tidak menunjukkan nomor massa tertentu ( A) nuklida merkuri dan emas. Emas di alam adalah satu-satunya nuklida yang stabil, dan merkuri alami adalah campuran isotop yang kompleks A= 196 (0,15%), 198 (9,97%), 199 (1,87%), 200 (23,10%), 201 (13,18%), 202 (29,86%) dan 204 (6,87%). Oleh karena itu, menurut skema di atas, hanya emas radioaktif yang tidak stabil yang dapat diperoleh. Itu diperoleh oleh sekelompok ahli kimia Amerika dari Universitas Harvard pada awal tahun 1941, dengan menyinari merkuri dengan aliran neutron cepat. Setelah beberapa hari, semua isotop radioaktif emas yang dihasilkan, melalui peluruhan beta, kembali berubah menjadi isotop asli merkuri...

Namun ada cara lain: jika atom merkuri-196 disinari dengan neutron lambat, atom tersebut akan berubah menjadi atom merkuri-197: + ® + g. Atom-atom ini, dengan waktu paruh 2,7 hari, mengalami penangkapan elektron dan akhirnya berubah menjadi atom emas yang stabil: + e ® . Transformasi ini dilakukan pada tahun 1947 oleh pegawai Laboratorium Nasional di Chicago. Dengan menyinari 100 mg merkuri dengan neutron lambat, mereka memperoleh 0,035 mg 197Au. Sehubungan dengan semua merkuri, hasilnya sangat kecil - hanya 0,035%, tetapi relatif terhadap 196Hg mencapai 24%! Namun, isotop 196 Hg dalam merkuri alami hanyalah yang terkecil, selain itu, proses iradiasi itu sendiri dan durasinya (iradiasi akan memakan waktu beberapa tahun), dan isolasi “emas sintetis” yang stabil dari campuran kompleks akan memakan biaya yang jauh lebih mahal. isolasi emas dari bijih termiskin(). Jadi produksi emas buatan hanyalah kepentingan teoritis belaka.

Pola kuantitatif transformasi radioaktif.

Jika inti tertentu yang tidak stabil dapat dilacak, mustahil memprediksi kapan inti tersebut akan meluruh. Ini adalah proses acak dan hanya dalam kasus tertentu kemungkinan peluruhan dapat dinilai dalam jangka waktu tertentu. Namun, bahkan setitik debu terkecil pun, yang hampir tidak terlihat di bawah mikroskop, mengandung sejumlah besar atom, dan jika atom-atom ini bersifat radioaktif, maka peluruhannya mematuhi hukum matematika yang ketat: hukum statistik yang menjadi karakteristik sejumlah besar benda mulai berlaku. . Dan kemudian setiap radionuklida dapat dicirikan oleh nilai yang sangat spesifik - waktu paruh ( T 1/2) adalah waktu di mana setengah dari jumlah inti yang tersedia meluruh. Jika pada saat awal ada N 0 core, lalu setelah beberapa saat T = T 1/2 darinya akan tetap ada N 0/2, pada T = 2T 1/2 akan tetap ada N 0/4 = N 0/2 2 , pada T = 3T 1/2 – N 0/8 = N 0/2 3 dst. Secara umum, kapan T = tidak 1/2 akan tetap ada N 0/2 N inti, di mana N = T/T 1/2 adalah jumlah waktu paruh (tidak harus bilangan bulat). Sangat mudah untuk menunjukkan rumus itu N = N 0/2 T/T 1/2 setara dengan rumus N = N 0e – aku T, di mana l adalah konstanta peluruhan. Secara formal, ini didefinisikan sebagai koefisien proporsionalitas antara laju peluruhan d N/D T dan jumlah core yang tersedia: d N/D T= – aku N(tanda minus menunjukkan hal itu N menurun seiring waktu). Mengintegrasikan persamaan diferensial ini memberikan ketergantungan eksponensial jumlah inti terhadap waktu. Mengganti ke dalam rumus ini N = N 0/2 jam T = T 1/2, kita mendapatkan bahwa konstanta peluruhan berbanding terbalik dengan waktu paruh: l = ln2/ T 1/2 = 0,693/T 1/2. Nilai t = 1/ l disebut rata-rata umur inti. Misalnya untuk 226 Ra T 1/2 = 1600 tahun, t = 1109 tahun.

Menurut rumus yang diberikan, mengetahui nilainya T 1/2 (atau l), mudah untuk menghitung jumlah radionuklida setelah periode waktu tertentu, dan Anda juga dapat menggunakannya untuk menghitung waktu paruh jika jumlah radionuklida diketahui pada waktu yang berbeda. Alih-alih jumlah inti, Anda dapat mengganti aktivitas radiasi ke dalam rumus, yang berbanding lurus dengan jumlah inti yang tersedia N. Aktivitas biasanya dicirikan bukan oleh jumlah total peluruhan dalam sampel, tetapi oleh jumlah pulsa yang sebanding dengannya, yang dicatat oleh alat yang mengukur aktivitas. Jika misalnya terdapat 1 g suatu zat radioaktif, maka semakin pendek waktu paruhnya maka semakin aktif zat tersebut.

Hukum matematika lainnya menggambarkan perilaku sejumlah kecil radionuklida. Di sini kita hanya dapat berbicara tentang kemungkinan suatu peristiwa tertentu. Misalkan, ada satu atom (lebih tepatnya, satu inti) dari radionuklida dengan T 1/2 = 1 menit. Peluang atom ini hidup 1 menit adalah 1/2 (50%), 2 menit - 1/4 (25%), 3 menit - 1/8 (12,5%), 10 menit - (1/2 ) 10 = 1/10 24 (0,1%), 20 menit – (1/2) 20 = 1/1048576 (0,00001%). Untuk satu atom, peluangnya dapat diabaikan, tetapi jika terdapat banyak atom, misalnya beberapa miliar, maka banyak dari atom tersebut, tidak diragukan lagi, akan memiliki 20 waktu paruh atau lebih. Peluang suatu atom akan meluruh dalam jangka waktu tertentu diperoleh dengan mengurangkan nilai yang diperoleh dari 100. Jadi, jika peluang suatu atom bertahan dalam 2 menit adalah 25%, maka peluang atom yang sama meluruh selama ini. waktu adalah 100 - 25 = 75%, kemungkinan disintegrasi dalam 3 menit - 87,5%, dalam 10 menit - 99,9%, dst.

Rumusnya menjadi lebih rumit jika terdapat beberapa atom yang tidak stabil. Dalam hal ini, probabilitas statistik suatu peristiwa dijelaskan dengan rumus dengan koefisien binomial. Jika ada N atom, dan kemungkinan peluruhan salah satunya seiring waktu T sama dengan P, maka probabilitas bahwa selama ini T dari N atom akan membusuk N(dan akan tetap demikian N – N), adalah sama dengan P = N!hal(1–P) N–N /(N–N)!N! Rumus serupa harus digunakan dalam sintesis unsur-unsur baru yang tidak stabil, yang atom-atomnya diperoleh secara individual (misalnya, ketika sekelompok ilmuwan Amerika menemukan unsur baru Mendelevium pada tahun 1955, mereka memperolehnya dalam jumlah hanya 17 atom. ).

Penerapan rumus ini dapat diilustrasikan dalam kasus tertentu. Misalnya saja, ada N= 16 atom dengan waktu paruh 1 jam. Anda dapat menghitung kemungkinan peluruhan sejumlah atom tertentu, misalnya dalam waktu T= 4 jam. Peluang satu atom akan bertahan selama 4 jam tersebut adalah 1/2 4 = 1/16, peluang peluruhannya selama waktu tersebut R= 1 – 1/16 = 15/16. Mengganti data awal ini ke dalam rumus menghasilkan: R = 16!(15/16) N (1/16) 16–N /(16–N)!N! = 16!15 N /2 64 (16–N)!N! Hasil beberapa perhitungan ditunjukkan pada tabel:

Jadi, dari 16 atom setelah 4 jam (4 waktu paruh), tidak ada satu pun yang tersisa, seperti yang diasumsikan: kemungkinan kejadian ini hanya 38,4%, meskipun lebih besar daripada kemungkinan hasil lainnya. Terlihat dari tabel, kemungkinan seluruh 16 atom (35,2%) atau hanya 14 atom saja yang akan meluruh juga sangat tinggi. Namun kemungkinan bahwa setelah 4 waktu paruh semua atom akan tetap “hidup” (tidak ada satupun yang meluruh) dapat diabaikan. Jelas bahwa jika tidak ada 16 atom, tetapi, katakanlah, 10 20, maka kita dapat mengatakan dengan keyakinan hampir 100% bahwa setelah 1 jam setengah dari jumlah mereka akan tetap ada, setelah 2 jam – seperempat, dll. Artinya, semakin banyak atom, semakin akurat peluruhannya sesuai dengan hukum eksponensial.

Sejumlah percobaan yang dilakukan sejak zaman Becquerel telah menunjukkan bahwa laju peluruhan radioaktif praktis tidak dipengaruhi oleh suhu, tekanan, atau keadaan kimiawi atom. Pengecualian sangat jarang terjadi; Jadi, dalam kasus penangkapan elektron, nilainya T 1/2 berubah sedikit seiring dengan perubahan bilangan oksidasi unsur. Misalnya, peluruhan 7 BeF 2 terjadi sekitar 0,1% lebih lambat dibandingkan 7 BeO atau logam 7 Be.

Jumlah total inti tidak stabil yang diketahui - radionuklida - mendekati dua ribu, masa hidupnya sangat bervariasi. Diketahui radionuklida berumur panjang, yang waktu paruhnya mencapai jutaan atau bahkan miliaran tahun, dan radionuklida berumur pendek, yang meluruh sempurna dalam sepersekian detik. Waktu paruh beberapa radionuklida diberikan dalam tabel.

Sifat-sifat beberapa radionuklida (untuk Tc, Pm, Po dan semua unsur berikutnya yang tidak memiliki isotop stabil, data diberikan untuk isotop yang berumur paling panjang).

Nuklida dengan umur terpendek yang diketahui adalah 5 Li: umurnya 4,4·10 –22 s). Selama waktu ini, cahaya pun hanya akan merambat sejauh 10–11 cm, yaitu. jaraknya hanya beberapa puluh kali lebih besar dari diameter inti dan secara signifikan lebih kecil dari ukuran atom mana pun. Yang paling lama berumur adalah 128 Te (terkandung dalam telurium alami sebanyak 31,7%) dengan waktu paruh delapan septillion (8·10 24) tahun - bahkan hampir tidak bisa disebut radioaktif; sebagai perbandingan, Alam Semesta kita diperkirakan “hanya” berumur 10 10 tahun.

Satuan radioaktivitas nuklida adalah becquerel: 1 Bq (Bq) sama dengan satu peluruhan per detik. Satuan curie di luar sistem yang sering digunakan: 1 Ci (Ci) sama dengan 37 miliar peluruhan per detik atau 3,7 . 10 10 Bq (1 g dari 226 Ra mempunyai aktivitas kira-kira seperti ini). Pada suatu waktu, unit rutherford di luar sistem diusulkan: 1 Рд (Rd) = 10 6 Bq, tetapi tidak tersebar luas.

Literatur:

Soddy F. Sejarah energi atom. M., Atomizdat, 1979
Choppin G.dkk. Kimia nuklir. M., Energoatomizdat, 1984
Hoffman K. Apakah mungkin menghasilkan emas? L., Kimia, 1984
Kadmensky S.G. Radioaktivitas inti atom: sejarah, hasil, pencapaian terkini. “Jurnal Pendidikan Soros”, 1999, No.11

Kami merekomendasikan membaca

instruksi Windows

Siapa archon di Athena

instruksi Android

Mengapa Bulan hanya menarik (menarik) air saja?

instruksi Android

Biaya konservasi: akuntansi dan perpajakan (Antanenkova E

Ponsel pintar

Apa saja jenis-jenis utama peradaban? Akibatnya, muncullah peradaban

instruksi Windows

Pembersihan informasi energi dari silsilah keluarga Meditasi untuk penyembuhan karma seluruh keluarga

Ponsel pintar

Apakah arti dari mimpi melihat kebakaran?