Trasformazione dei nuclei atomici, leggi del decadimento radioattivo. Trasformazioni radioattive dei nuclei atomici Trasformazioni radioattive dei nuclei atomici brevemente fisica

Cosa succede alla materia durante la radiazione radioattiva?
Già all'inizio della ricerca sulla radioattività furono scoperte molte cose strane e insolite.

Innanzitutto Ciò che sorprendeva era la consistenza con cui gli elementi radioattivi uranio, torio e radio emettevano radiazioni.
Nel corso di giorni, mesi e persino anni, l’intensità della radiazione non è cambiata in modo significativo.
Non è stato influenzato da influenze usuali come il calore e l'aumento della pressione.
Anche le reazioni chimiche in cui sono entrate le sostanze radioattive non hanno influenzato l'intensità della radiazione.

In secondo luogo, subito dopo la scoperta della radioattività, divenne chiaro che la radioattività è accompagnata dal rilascio di energia.
Pierre Curie mise un'ampolla di cloruro di radio in un calorimetro.
In esso venivano assorbiti i raggi α, β e γ e grazie alla loro energia il calorimetro veniva riscaldato.
Curie determinò che il radio del peso di 1 g emette un'energia approssimativamente pari a 582 J in 1 ora.
E tale energia viene rilasciata continuamente per molti anni!

Da dove viene l'energia, il cui rilascio non è influenzato da tutti gli influssi conosciuti?
Apparentemente, durante la radioattività, una sostanza subisce profondi cambiamenti, completamente diversi dalle normali trasformazioni chimiche.
Si presumeva che gli atomi stessi subissero trasformazioni.
Ora, questo pensiero potrebbe non suscitare molta sorpresa, poiché un bambino può sentirlo anche prima di imparare a leggere.
Ma all'inizio del XX secolo. sembrava fantastico, e ci voleva un grande coraggio per osare esprimerlo.
A quel tempo erano state appena ottenute prove indiscutibili dell’esistenza degli atomi.
Alla fine trionfò l'idea di Democrito della struttura atomica della materia.
E quasi subito dopo viene messa in discussione l'immutabilità degli atomi.

Quindi, durante il decadimento radioattivo, avviene una catena di successive trasformazioni di atomi.
Soffermiamoci sui primissimi esperimenti iniziati da Rutherford e continuati da lui insieme al chimico inglese F. Soddy.

Rutherford lo scoprì attività il torio, definito come il numero di particelle alfa emesse nell'unità di tempo, rimane invariato in un'ampolla chiusa.
Se il preparato viene soffiato con correnti d'aria anche molto deboli, l'attività del torio viene notevolmente ridotta.
Lo scienziato ha suggerito che, contemporaneamente alle particelle α, il torio emette una sorta di gas radioattivo.

Aspirando aria da un'ampolla contenente torio, Rutherford isolò il gas radioattivo e ne esaminò la capacità ionizzante.
Si è scoperto che l'attività di questo gas (a differenza dell'attività del torio, dell'uranio e del radio) diminuisce molto rapidamente nel tempo.
Ogni minuto l'attività diminuisce della metà e dopo dieci minuti diventa quasi pari a zero.
Soddy ha studiato le proprietà chimiche di questo gas e ha scoperto che non entra in alcuna reazione, cioè è un gas inerte.
Successivamente, questo gas fu chiamato radon e inserito nella tavola periodica di D. I. Mendeleev con il numero di serie 86.

Anche altri elementi radioattivi subirono trasformazioni: uranio, attinio, radio.
La conclusione generale a cui sono giunti gli scienziati è stata formulata precisamente da Rutherford: “Gli atomi di una sostanza radioattiva sono soggetti a modificazioni spontanee.
In ogni momento, una piccola parte del numero totale di atomi diventa instabile e si disintegra in modo esplosivo.
Nella stragrande maggioranza dei casi, un frammento di un atomo - una particella α - viene espulso a velocità enorme.
In alcuni altri casi, l'esplosione è accompagnata dall'espulsione di un elettrone veloce e dalla comparsa di raggi che, come i raggi X, hanno un grande potere di penetrazione e sono chiamati radiazioni γ.

Si è scoperto che come risultato della trasformazione atomica si forma un tipo di sostanza completamente nuovo, completamente diverso nelle sue proprietà fisiche e chimiche dalla sostanza originale.
Questa nuova sostanza, però, è anch'essa instabile e subisce una trasformazione con l'emissione di caratteristiche radiazioni radioattive.

Così è stabilito con precisione che gli atomi di alcuni elementi sono soggetti a disintegrazione spontanea, accompagnata dall’emissione di energia in quantità enormi rispetto all’energia liberata durante le ordinarie modificazioni molecolari”.

Dopo la scoperta del nucleo atomico, divenne immediatamente chiaro che era questo nucleo a subire cambiamenti durante le trasformazioni radioattive.
Dopotutto, non ci sono affatto particelle alfa nel guscio elettronico e una diminuzione del numero di elettroni del guscio di uno trasforma l'atomo in uno ione e non in un nuovo elemento chimico.
L'espulsione di un elettrone dal nucleo cambia la carica del nucleo (la aumenta) di uno.

Quindi la radioattività è la trasformazione spontanea di alcuni nuclei in altri, accompagnata dall'emissione di varie particelle.

Regola di compensazione

Le trasformazioni nucleari sono soggette al cosiddetto regola dello spostamento, formulato per la prima volta da Soddy.

Durante il decadimento α, il nucleo perde la carica positiva 2e e la sua massa M diminuisce di circa quattro unità di massa atomica.
Di conseguenza, l'elemento viene spostato di due celle all'inizio della tavola periodica.

Qui l'elemento è indicato, come in chimica, con simboli generalmente accettati: la carica nucleare è scritta come indice in basso a sinistra del simbolo e la massa atomica è scritta come indice in alto a sinistra del simbolo.
Ad esempio, l'idrogeno è rappresentato dal simbolo
Per una particella α, che è il nucleo di un atomo di elio, viene utilizzata la notazione, ecc.
Durante il decadimento beta, un elettrone viene emesso dal nucleo
Di conseguenza, la carica nucleare aumenta di uno, ma la massa rimane pressoché invariata:

Qui denota un elettrone: l'indice 0 in alto significa che la sua massa è molto piccola rispetto all'unità di massa atomica; un antineutrino elettronico è una particella neutra con una massa molto piccola (possibilmente nulla) che porta via parte dell'energia durante il decadimento β.
La formazione di un antineutrino è accompagnata dal decadimento β di qualunque nucleo, e questa particella spesso non è indicata nelle equazioni delle reazioni corrispondenti.

Dopo il decadimento β, l'elemento si sposta di una cella più vicino alla fine della tavola periodica..

La radiazione gamma non è accompagnata da un cambiamento di carica; la massa del nucleo cambia in modo trascurabile.

Secondo la regola dello spostamento, durante il decadimento radioattivo la carica elettrica totale si conserva e la massa atomica relativa dei nuclei è approssimativamente conservata.
Anche i nuovi nuclei formati durante il decadimento radioattivo possono essere radioattivi e subire ulteriori trasformazioni.

COSÌ,
Durante il decadimento radioattivo, i nuclei atomici si trasformano.

Cosa succede alla materia durante la radiazione radioattiva? Per rispondere a questa domanda all'inizio del XX secolo. non è stato molto facile. Già all'inizio della ricerca sulla radioattività furono scoperte molte cose strane e insolite.

Innanzitutto, la sorprendente consistenza con cui gli elementi radioattivi uranio, torio e radio emettono radiazioni. Nel corso di giorni, mesi e anni l’intensità della radiazione non è cambiata in modo evidente. Non è stato influenzato dalle influenze ordinarie come il calore o l'aumento della pressione.

Anche le reazioni chimiche in cui sono entrate le sostanze radioattive non hanno influenzato l'intensità della radiazione.

In secondo luogo, subito dopo la scoperta della radioattività divenne chiaro che la radioattività è accompagnata dal rilascio di energia. Pierre Curie mise un'ampolla di cloruro di radio in un calorimetro. In esso venivano assorbiti i raggi α, β e γ e grazie alla loro energia il calorimetro veniva riscaldato. Curie determinò che 1 g di radio libera 582 J di energia in 1 ora. E questa energia viene rilasciata continuamente per diversi anni.

Da dove viene l'energia, il cui rilascio non è influenzato da tutti gli influssi conosciuti? Apparentemente, durante la radioattività, una sostanza subisce profondi cambiamenti, completamente diversi dalle normali trasformazioni chimiche. Si presumeva che gli atomi stessi subiscono trasformazioni!

Ora, questo pensiero potrebbe non suscitare molta sorpresa, poiché un bambino può sentirlo anche prima di imparare a leggere. Ma all'inizio del XX secolo. sembrava fantastico e ci è voluto un grande coraggio per decidere di esprimerlo. A quel tempo erano state appena ottenute prove indiscutibili dell’esistenza degli atomi. Alla fine trionfò l'idea secolare di Democrito sulla struttura atomica della materia. E quasi subito dopo viene messa in discussione l'immutabilità degli atomi.

Non parleremo in dettaglio di quegli esperimenti che alla fine hanno portato alla completa fiducia che durante il decadimento radioattivo si verifica una catena di successive trasformazioni di atomi. Soffermiamoci solo sui primissimi esperimenti iniziati da Rutherford e da lui continuati insieme al chimico inglese F. Soddy (1877-1956).

Rutherford lo scoprì l'attività del torio, definita come il numero di decadimenti per unità di tempo, rimane invariata in un'ampolla chiusa. Se il preparato viene soffiato con correnti d'aria anche molto deboli, l'attività del torio viene notevolmente ridotta. Rutherford suggerì che, contemporaneamente alle particelle alfa, il torio emette una sorta di gas, anch'esso radioattivo. Lo chiamò gas emanazione. Aspirando aria da un'ampolla contenente torio, Rutherford isolò il gas radioattivo e ne esaminò la capacità ionizzante. Si è scoperto che l'attività di questo gas diminuisce rapidamente con il tempo. Ogni minuto l'attività diminuisce della metà e dopo dieci minuti è praticamente pari a zero. Soddy ha studiato le proprietà chimiche di questo gas e ha scoperto che non entra in alcuna reazione, cioè è un gas inerte. Successivamente il gas venne chiamato radon e inserito nella tavola periodica con il numero di serie 86. Anche altri elementi radioattivi subirono trasformazioni: uranio, attinio, radio. La conclusione generale a cui giunsero gli scienziati fu formulata accuratamente da Rutherford: “Gli atomi di una sostanza radioattiva sono soggetti a modifiche spontanee. In ogni momento, una piccola parte del numero totale di atomi diventa instabile e si disintegra in modo esplosivo. Nella stragrande maggioranza dei casi, un frammento di un atomo - una particella α - viene espulso a velocità enorme. In alcuni altri casi, l'esplosione è accompagnata dall'espulsione di un elettrone veloce e dalla comparsa di raggi che, come i raggi X, hanno un elevato potere di penetrazione e sono chiamati radiazioni γ. Si è scoperto che come risultato della trasformazione atomica si forma un tipo di sostanza completamente nuovo, completamente diverso nelle sue proprietà fisiche e chimiche dalla sostanza originale. Questa nuova sostanza, però, è anch'essa instabile e subisce una trasformazione con l'emissione di caratteristiche radiazioni radioattive.

Così è stabilito con precisione che gli atomi di alcuni elementi sono soggetti a disintegrazione spontanea, accompagnata dall’emissione di energia in quantità enormi rispetto all’energia liberata durante le ordinarie modificazioni molecolari”.

Dopo la scoperta del nucleo atomico, divenne immediatamente chiaro che era questo nucleo a subire cambiamenti durante le trasformazioni radioattive. Dopotutto, non ci sono affatto particelle os nel guscio elettronico e una diminuzione del numero di elettroni del guscio di uno trasforma l'atomo in uno ione e non in un nuovo elemento chimico. L'espulsione di un elettrone dal nucleo cambia la carica del nucleo (la aumenta) di uno. La carica del nucleo determina il numero atomico dell'elemento nella tavola periodica e tutte le sue proprietà chimiche.

Nota

Letteratura

Myakishev G.Ya. Fisica: ottica. La fisica quantistica. 11° grado: educativo. per uno studio approfondito della fisica. - M.: Otarda, 2002. - P. 351-353.

Trasformazioni radioattive

Nel 1903, Pierre Curie scoprì che i sali di uranio rilasciano continuamente e senza diminuzione visibile nel tempo energia termica, che, per unità di massa, sembrava enorme rispetto all'energia delle reazioni chimiche più energetiche. Il radio rilascia ancora più calore: circa 107 J all'ora per 1 g di sostanza pura. Si scoprì che gli elementi radioattivi disponibili nelle profondità del globo erano sufficienti (in condizioni di limitata asportazione di calore) a sciogliere il magma

Dov’è la fonte di questa energia apparentemente inesauribile? Marie Curie propose alla fine del XIX secolo. due ipotesi. Uno di questi (condiviso da Lord Kelvin ) era che le sostanze radioattive catturano qualche tipo di radiazione cosmica, immagazzinando l'energia necessaria. Secondo la seconda ipotesi, la radiazione è accompagnata da alcuni cambiamenti negli atomi stessi, che allo stesso tempo perdono l'energia che viene emessa. Entrambe le ipotesi sembravano ugualmente incredibili, ma gradualmente si accumularono sempre più prove a favore della seconda.

Ernest Rutherford ha dato un grande contributo alla comprensione di cosa succede alle sostanze radioattive. Nel 1895, il chimico inglese William Ramsay, diventato famoso per la scoperta dell'argon nell'aria, scoprì un altro gas nobile nel minerale kleveite: l'elio. Successivamente furono scoperte quantità significative di elio in altri minerali, ma solo in quelli che contenevano uranio e torio. Sembrava sorprendente e strano: da dove potrebbe provenire un gas raro nei minerali? Quando Rutherford iniziò a indagare sulla natura delle particelle alfa emesse dai minerali radioattivi, divenne chiaro che l'elio è un prodotto del decadimento radioattivo ( cm. RADIOATTIVITÀ). Ciò significa che alcuni elementi chimici sono in grado di "generarne" altri - questo contraddice tutta l'esperienza accumulata da diverse generazioni di chimici.

Tuttavia, la “trasformazione” dell’uranio e del torio in elio non si limitò a questo. Nel 1899, nel laboratorio di Rutherford (a quel tempo lavorava a Montreal) fu osservato un altro strano fenomeno: i preparativi dell'elemento torio in un'ampolla chiusa mantenevano un'attività costante, ma all'aria aperta la loro attività dipendeva da essa. Bozze. Rutherford si rese presto conto che il torio emette gas radioattivo (si chiamava emanazione del torio - dal latino emanatio - deflusso, o thoron), l'attività di questo gas diminuì molto rapidamente: della metà in circa un minuto (secondo i dati moderni - in 55,6 s ). Una simile "emanazione" gassosa fu scoperta anche nel radio (la sua attività diminuì molto più lentamente): si chiamava emanazione del radio, o radon. Si scoprì anche che l'attinio aveva una propria "emanazione", che scompariva in pochi secondi; veniva chiamata emanazione di attinio, o actinone. Successivamente, si è scoperto che tutte queste "emanazioni" sono isotopi dello stesso elemento chimico: il radon ( cm. ELEMENTI CHIMICI).

Dopo aver assegnato ciascun membro della serie a uno degli isotopi di elementi chimici conosciuti, è diventato chiaro che la serie dell'uranio inizia con l'uranio-238 ( T 1/2 = 4,47 miliardi di anni) e termina con il piombo-206 stabile; poiché uno dei membri di questa serie è l'importantissimo elemento radio), questa serie è anche chiamata serie uranio-radio. Anche la serie dell'attinio (l'altro nome è la serie dell'attinouranio) ha origine dall'uranio naturale, ma dal suo altro isotopo - 235 U ( T 1/2 = 794 milioni di anni). La serie del torio inizia con il nuclide 232 Th ( T 1/2 = 14 miliardi di anni). Infine, la serie del nettunio, che non è presente in natura, inizia con l'isotopo del nettunio più longevo ottenuto artificialmente: 237 Np 233 Pa 233 U 229 Th 225 Ra 225 Ac 221 Fr 217 At 213 Bi 213 Po 2 09 Pb  209 Bi. C'è anche una “forchetta” in questa serie: 213 Bi con una probabilità del 2% può trasformarsi in 209 Tl, che si trasforma già in 209 Pb. Una caratteristica più interessante della serie del nettunio è l'assenza di “emanazioni” gassose e il membro finale della serie è bismuto invece che piombo. Il tempo di dimezzamento dell'antenato di questa serie artificiale è di “soli” 2,14 milioni di anni, quindi il nettunio, anche se fosse stato presente durante la formazione del sistema solare, non potrebbe “sopravvivere” fino ad oggi, perché L'età della Terra è stimata in 4,6 miliardi di anni e durante questo periodo (più di 2000 emivite) non rimarrebbe un solo atomo di nettunio.

Ad esempio, Rutherford svelò il complesso groviglio di eventi nella catena di trasformazione del radio (il radio-226 è il sesto membro della serie radioattiva dell'uranio-238). Il diagramma mostra sia i simboli dell'epoca di Rutherford che i simboli moderni per i nuclidi, nonché il tipo di decadimento e i dati moderni sui tempi di dimezzamento; nella serie sopra c'è anche una piccola “forchetta”: RaC con una probabilità dello 0,04% può trasformarsi in RaC""(210 Tl), che poi si trasforma nello stesso RaD ( T 1/2 = 1,3 minuti). Questo piombo radioattivo ha un tempo di dimezzamento abbastanza lungo, quindi durante l'esperimento spesso si possono ignorare le sue ulteriori trasformazioni.

L'ultimo membro di questa serie, lead-206 (RaG), è stabile; nel piombo naturale è del 24,1%. La serie del torio porta al piombo stabile-208 (il suo contenuto in piombo “ordinario” è del 52,4%), la serie dell'attinio porta al piombo-207 (il suo contenuto in piombo è del 22,1%). Il rapporto di questi isotopi di piombo nella moderna crosta terrestre è, ovviamente, correlato sia al tempo di dimezzamento dei nuclidi genitori sia al loro rapporto iniziale nel materiale da cui si è formata la Terra. E il piombo “ordinario”, non radiogenico, nella crosta terrestre è solo dell’1,4%. Quindi, se inizialmente non ci fossero uranio e torio sulla Terra, il piombo in esso contenuto non sarebbe 1,6 × 10 –3% (più o meno come il cobalto), ma 70 volte inferiore (come, ad esempio, metalli rari come l'indio e il torio). tulio!) . D'altra parte, un chimico immaginario che volasse sul nostro pianeta diversi miliardi di anni fa vi avrebbe trovato molto meno piombo e molto più uranio e torio...

Quando F. Soddy nel 1915 isolò il piombo formato dal decadimento del torio dal minerale di Ceylon torite (ThSiO 4), la sua massa atomica risultò essere pari a 207,77, cioè superiore a quella del piombo “ordinario” (207,2). Questa differenza rispetto al "teorico" (208) è spiegata dal fatto che la torite conteneva una certa quantità di uranio, che produce piombo-206. Quando il chimico americano Theodore William Richards, un'autorità nel campo della misurazione delle masse atomiche, isolò il piombo da alcuni minerali di uranio che non contenevano torio, la sua massa atomica risultò essere quasi esattamente 206. La densità di questo piombo era leggermente inferiore, e corrispondeva a quello calcolato: ( Pb)  206/207,2 = 0,994(Pb), dove (Pb) = 11,34 g/cm 3 . Questi risultati mostrano chiaramente perché per il piombo, come per una serie di altri elementi, non ha senso misurare la massa atomica con una precisione molto elevata: campioni prelevati in luoghi diversi daranno risultati leggermente diversi ( cm. UNITÀ DI CARBONIO).

In natura le catene di trasformazioni rappresentate nei diagrammi si verificano continuamente. Di conseguenza, alcuni elementi chimici (radioattivi) si trasformano in altri e tali trasformazioni si sono verificate durante l'intero periodo dell'esistenza della Terra. I membri iniziali (sono chiamati madre) delle serie radioattive sono i più longevi: il tempo di dimezzamento dell'uranio-238 è di 4,47 miliardi di anni, il torio-232 è di 14,05 miliardi di anni, l'uranio-235 (noto anche come “attinouranio” è l'antenato della serie dell'attinio) – 703,8 milioni di anni. Tutti i successivi membri (“figlie”) di questa lunga catena vivono vite significativamente più brevi. In questo caso si verifica uno stato che i radiochimici chiamano “equilibrio radioattivo”: la velocità di formazione di un radionuclide intermedio dal genitore uranio, torio o attinio (questa velocità è molto bassa) è uguale alla velocità di decadimento di questo nuclide. Come risultato dell'uguaglianza di questi tassi, il contenuto di un dato radionuclide è costante e dipende solo dalla sua emivita: la concentrazione di membri a vita breve della serie radioattiva è piccola e la concentrazione di membri a vita lunga è maggiore. Questa costanza del contenuto dei prodotti di decadimento intermedi persiste per un tempo molto lungo (questo tempo è determinato dal tempo di dimezzamento del nuclide genitore, che è molto lungo). Semplici trasformazioni matematiche portano alla seguente conclusione: il rapporto tra il numero di materni ( N 0) e bambini ( N 1, N 2, N 3...) gli atomi sono direttamente proporzionali alla loro emivita: N 0:N 1:N 2:N 3... = T 0:T 1:T 2:T 3... Pertanto, l'emivita dell'uranio-238 è 4,47 10 9 anni, il radio 226 è 1600 anni, quindi il rapporto tra il numero di atomi di uranio-238 e radio-226 nei minerali di uranio è 4,47 10 9: 1600 , da cui è facile calcolare (tenendo conto delle masse atomiche di questi elementi) che per 1 tonnellata di uranio, quando viene raggiunto l'equilibrio radioattivo, ci sono solo 0,34 g di radio.

E viceversa, conoscendo il rapporto tra uranio e radio nei minerali, nonché il tempo di dimezzamento del radio, è possibile determinare il tempo di dimezzamento dell'uranio e non è necessario determinare il tempo di dimezzamento del radio attendere più di mille anni: è sufficiente misurare (mediante la sua radioattività) il tasso di decadimento (cioè il valore .d N/D T) una piccola quantità nota di quell'elemento (con un numero noto di atomi N) e poi secondo la formula d N/D T = –N determinare il valore  = ln2/ T 1/2.

Legge dello spostamento. Se i membri di una qualsiasi serie radioattiva vengono tracciati in sequenza sulla tavola periodica degli elementi, si scopre che i radionuclidi di questa serie non si spostano in modo fluido dall’elemento genitore (uranio, torio o nettunio) al piombo o al bismuto, ma “saltano” a destra e poi a sinistra. Così, nella serie dell'uranio, due isotopi instabili del piombo (elemento n. 82) vengono convertiti in isotopi del bismuto (elemento n. 83), poi in isotopi del polonio (elemento n. 84), e poi ancora in isotopi del piombo . Di conseguenza, l'elemento radioattivo ritorna spesso nella stessa cella della tabella degli elementi, ma si forma un isotopo con una massa diversa. Si è scoperto che c'è un certo schema in questi "salti", che F. Soddy notò nel 1911.

È ormai noto che durante il decadimento , una particella  (il nucleo di un atomo di elio) viene emessa dal nucleo, quindi la carica del nucleo diminuisce di 2 (uno spostamento nella tavola periodica di due celle a sinistra) , e il numero di massa diminuisce di 4, il che ci permette di prevedere quale isotopo del nuovo elemento si formerà. Un esempio può essere il decadimento  del radon:  + . Durante il decadimento , al contrario, il numero di protoni nel nucleo aumenta di uno, ma la massa del nucleo non cambia ( cm. RADIOATTIVITÀ), cioè c'è uno spostamento nella tabella degli elementi di una cella a destra. Un esempio sono due trasformazioni successive del polonio formato dal radon:   . Pertanto, è possibile calcolare quante particelle alfa e beta vengono emesse, ad esempio, a seguito del decadimento del radio-226 (vedi serie dell'uranio), se non teniamo conto delle “forchette”. Nuclide iniziale, nuclide finale - . La diminuzione di massa (o meglio del numero di massa, cioè del numero totale di protoni e neutroni nel nucleo) è pari a 226 – 206 = 20, quindi sono state emesse 20/4 = 5 particelle alfa. Queste particelle hanno portato via 10 protoni, e se non ci fossero decadimenti , la carica nucleare del prodotto finale del decadimento sarebbe pari a 88 – 10 = 78. Infatti nel prodotto finale ci sono 82 protoni, quindi durante le trasformazioni , 4 neutroni si sono trasformati in protoni e sono state emesse 4 particelle .

Molto spesso, un decadimento  è seguito da due decadimenti , e quindi l'elemento risultante ritorna nella cella originale della tabella degli elementi - sotto forma di un isotopo più leggero dell'elemento originale. Grazie a questi fatti, è diventato ovvio che la legge periodica di D.I. Mendeleev riflette la relazione tra le proprietà degli elementi e la carica del loro nucleo, e non la loro massa (come era stata originariamente formulata quando la struttura dell'atomo non era nota).

La legge dello spostamento radioattivo fu finalmente formulata nel 1913 come risultato di un'accurata ricerca da parte di molti scienziati. Notevoli tra loro furono l'assistente di Soddy Alexander Fleck, l'apprendista di Soddy A.S. Russell, il chimico fisico e radiochimico ungherese György Hevesy, che lavorò con Rutherford all'Università di Manchester nel 1911-1913, e il chimico fisico tedesco (e successivamente americano) Casimir Fajans ( 1887–1975). ). Questa legge è spesso chiamata legge Soddy-Faience.

Trasformazione artificiale degli elementi e radioattività artificiale. Dai tempi di Becquerel si è notato che le sostanze più comuni che si trovavano in prossimità di composti radioattivi diventano esse stesse più o meno radioattive. Rutherford la chiamava “attività eccitata”, i Curie la chiamavano “attività indotta”, ma per molto tempo nessuno riuscì a spiegare l’essenza del fenomeno.

Nel 1919 Rutherford studiò il passaggio delle particelle alfa attraverso varie sostanze. Si è scoperto che quando le particelle  che volano velocemente colpiscono i nuclei di elementi leggeri, ad esempio l'azoto, i protoni che volano velocemente (nuclei di idrogeno) possono occasionalmente essere eliminati da essi, mentre la particella  stessa diventa parte del nucleo , che aumenta la sua carica di uno. Pertanto, come risultato della reazione +  +, dall'azoto si forma un altro elemento chimico: l'ossigeno (il suo isotopo pesante). Questa è stata la prima reazione effettuata artificialmente per convertire un elemento in un altro. In questo, come in tutti gli altri processi nucleari, si conservano sia la carica totale (pedici) che il numero di massa, cioè numero totale di protoni e neutroni (apice).

Il sogno secolare degli alchimisti si è avverato: l’uomo ha imparato a trasformare alcuni elementi in altri, anche se ai tempi di Rutherford nessuno si aspettava un risultato pratico da questa abilità. Infatti, per ottenere le particelle α era necessario avere la loro fonte, ad esempio, un preparato di radio. Quel che è peggio, per ogni milione di particelle α rilasciate sull’azoto si ottengono in media solo 20 atomi di ossigeno.

Nel corso del tempo furono realizzate altre reazioni nucleari e molte di esse trovarono uso pratico. Nell'aprile 1932, in una riunione dell'Accademia inglese delle scienze (Royal Society), Rutherford annunciò che il suo laboratorio aveva effettuato con successo reazioni di scissione di elementi leggeri (ad esempio il litio) con protoni. Per fare ciò, i protoni ottenuti dall'idrogeno sono stati accelerati utilizzando alte tensioni pari a decine o addirittura centinaia di migliaia di volt. I protoni, avendo carica e massa inferiori rispetto alle particelle alfa, penetrano più facilmente nel nucleo. Introducendosi nel nucleo di litio-7, il protone lo trasforma in un nucleo di berillio-8, che quasi istantaneamente “scarica” l'energia in eccesso, dividendosi in due particelle : +  ()  2. Se prendiamo un isotopo leggero di litio (nel litio naturale è il 7,5%), si formano i nuclei di due isotopi dell'elio: +  ()  + . Bombardato con protoni di ossigeno si ottiene il fluoro: +  + ; durante la sgranatura di alluminio – magnesio: + + .

Molte trasformazioni diverse furono effettuate con i deuteroni, i nuclei dell'isotopo pesante dell'idrogeno deuterio, accelerati ad alte velocità. Così, durante la reazione +  +, venne prodotto per la prima volta l’idrogeno superpesante – trizio. La collisione di due deutoni può procedere diversamente: +  + , questi processi sono importanti per studiare la possibilità di una reazione termonucleare controllata. La reazione +  ()  2 si è rivelata importante, poiché avviene già a un'energia relativamente bassa dei deutoni (0,16 MeV) ed è accompagnata dal rilascio di un'energia colossale - 22,7 MeV (ricorda che 1 MeV = 10 6 eV e 1 eV = 96,5 kJ/mol).

La reazione che avviene quando il berillio viene bombardato con particelle  ha acquisito grande importanza pratica: +  ()  + , ha portato nel 1932 alla scoperta della particella di neutroni neutra, e le sorgenti di neutroni di radio-berillio si sono rivelate molto convenienti per la ricerca scientifica. Neutroni con energie diverse si possono ottenere anche come risultato delle reazioni +  + ; ++; +  + . I neutroni privi di carica penetrano particolarmente facilmente nei nuclei atomici e provocano una serie di processi che dipendono sia dall'emissione del nuclide che dalla velocità (energia) dei neutroni. Pertanto, un neutrone lento può essere semplicemente catturato dal nucleo e il nucleo viene rilasciato da una certa energia in eccesso emettendo un quanto gamma, ad esempio: +  + . Questa reazione è ampiamente utilizzata nei reattori nucleari per controllare la reazione di fissione dell'uranio: barre o piastre di cadmio vengono spinte nella caldaia nucleare per rallentare la reazione.

Nel 1934, i mariti Irene e Frederic Joliot-Curie fecero un'importante scoperta. Avendo bombardato alcuni elementi leggeri con particelle alfa (le emetteva il polonio), si aspettavano una reazione simile a quella già nota per il berillio, cioè eliminando i neutroni, ad esempio:

Se la materia si fosse limitata a queste trasformazioni, allora dopo aver interrotto l'irradiazione , il flusso di neutroni avrebbe dovuto asciugarsi immediatamente, quindi, dopo aver rimosso la fonte di polonio, si aspettavano la cessazione di ogni attività, ma hanno scoperto che il contatore di particelle continuava a funzionare registrare gli impulsi che gradualmente svaniscono, in esatto accordo con la legge esponenziale. Ciò potrebbe essere interpretato in un solo modo: a seguito dell'irradiazione alfa sono comparsi elementi radioattivi precedentemente sconosciuti con un'emivita caratteristica di 10 minuti per l'azoto-13 e di 2,5 minuti per il fosforo-30. Si è scoperto che questi elementi subiscono un decadimento del positrone:  + e + ,  + e + . Risultati interessanti sono stati ottenuti con il magnesio, rappresentato da tre isotopi naturali stabili, e si è scoperto che dopo l'irradiazione  danno tutti nuclidi radioattivi di silicio o alluminio, che subiscono il decadimento 227- o positrone:

La produzione di elementi radioattivi artificiali è di grande importanza pratica, poiché consente la sintesi di radionuclidi con un tempo di dimezzamento conveniente per uno scopo specifico e il tipo di radiazione desiderato con una certa potenza. È particolarmente conveniente usare i neutroni come “proiettili”. La cattura di un neutrone da parte di un nucleo spesso lo rende così instabile che il nuovo nucleo diventa radioattivo. Può diventare stabile a causa della trasformazione del neutrone “extra” in un protone, cioè a causa della radiazione 227; Sono note molte di queste reazioni, ad esempio: +   + e. La reazione di formazione del radiocarbonio che avviene negli strati superiori dell'atmosfera è molto importante: +  + ( cm. METODO DI ANALISI DEL RADIOCARBONE). Il trizio è sintetizzato dall'assorbimento di neutroni lenti da parte dei nuclei di litio-6. Molte trasformazioni nucleari possono essere ottenute sotto l'influenza di neutroni veloci, ad esempio: +  + ; ++; +  + . Pertanto, irradiando il cobalto ordinario con neutroni, si ottiene il cobalto-60 radioattivo, che è una potente fonte di radiazioni gamma (viene rilasciato dal prodotto di decadimento di 60 nuclei eccitati Co). Alcuni elementi transuranici sono prodotti mediante irradiazione con neutroni. Ad esempio, dall'uranio-238 naturale, si forma prima l'uranio-239 instabile, che durante il decadimento  ( T 1/2 = 23,5 min) si trasforma nel primo elemento transuranico, nettunio-239, e anch'esso, a sua volta, attraverso il decadimento  ( T 1/2 = 2,3 giorni) si trasforma nell'importantissimo plutonio-239 per uso militare.

È possibile ottenere artificialmente l'oro effettuando la necessaria reazione nucleare e realizzare così ciò che gli alchimisti non riuscirono a fare? Teoricamente non ci sono ostacoli a questo. Inoltre, tale sintesi è già stata effettuata, ma non ha portato ricchezza. Il modo più semplice per produrre oro artificialmente sarebbe irradiare il mercurio, l’elemento successivo nella tavola periodica dopo l’oro, con un flusso di neutroni. Quindi, come risultato della reazione +  +, un neutrone eliminerebbe un protone dall'atomo di mercurio e lo trasformerebbe in un atomo d'oro. Questa reazione non indica numeri di massa specifici ( UN) nuclidi di mercurio e oro. L'oro in natura è l'unico nuclide stabile e il mercurio naturale è una miscela complessa di isotopi UN= 196 (0,15%), 198 (9,97%), 199 (1,87%), 200 (23,10%), 201 (13,18%), 202 (29,86%) e 204 (6,87%). Di conseguenza, secondo lo schema sopra riportato, è possibile ottenere solo oro radioattivo instabile. Fu ottenuto da un gruppo di chimici americani dell'Università di Harvard all'inizio del 1941, irradiando il mercurio con un flusso di neutroni veloci. Dopo alcuni giorni, tutti gli isotopi radioattivi dell'oro risultanti, attraverso il decadimento beta, si trasformarono nuovamente negli isotopi originali del mercurio...

Ma c'è un altro modo: se gli atomi di mercurio-196 vengono irradiati con neutroni lenti, si trasformeranno in atomi di mercurio-197: +  + . Questi atomi, con un tempo di dimezzamento di 2,7 giorni, subiscono la cattura degli elettroni e infine si trasformano in atomi di oro stabili: + e  . Questa trasformazione fu effettuata nel 1947 dai dipendenti del Laboratorio Nazionale di Chicago. Irradiando 100 mg di mercurio con neutroni lenti, ottennero 0,035 mg di 197Au. Rispetto a tutto il mercurio, la resa è molto piccola: solo lo 0,035%, ma rispetto a 196Hg raggiunge il 24%! Tuttavia, l'isotopo 196 Hg nel mercurio naturale è solo l'ultimo, inoltre, il processo di irradiazione stesso e la sua durata (l'irradiazione richiederà diversi anni) e l'isolamento dell'oro sintetico stabile da una miscela complessa costerà incommensurabilmente di più di l'isolamento dell'oro dal minerale più povero ( Guarda anche ORO). La produzione artificiale dell'oro ha quindi un interesse puramente teorico.

Modelli quantitativi delle trasformazioni radioattive. Se fosse possibile tracciare uno specifico nucleo instabile, sarebbe impossibile prevedere quando decadrà. Si tratta di un processo casuale e solo in alcuni casi è possibile valutare la probabilità di decadimento in un determinato periodo di tempo. Tuttavia, anche il più piccolo granello di polvere, quasi invisibile al microscopio, contiene un numero enorme di atomi e, se questi atomi sono radioattivi, il loro decadimento obbedisce a rigide leggi matematiche: entrano in vigore le leggi statistiche caratteristiche di un numero molto elevato di oggetti . E poi ogni radionuclide può essere caratterizzato da un valore molto specifico: emivita ( T 1/2) è il tempo durante il quale decade la metà del numero disponibile di nuclei. Se nel momento iniziale ci fosse N 0 core, poi dopo un po' T = T Ne rimarranno la metà N 0/2, a T = 2T Rimarrà 1/2 N 0/4 = N 0/2 2 , a T = 3T 1/2 – N 0/8 = N 0/2 3 ecc. In generale, quando T = nT Rimarrà 1/2 N 0/2 N nuclei, dove N = T/T 1/2 è il numero di emivite (non deve essere necessariamente un numero intero). È facile dimostrare che la formula N = N 0/2 T / T 1/2 equivale alla formula N = N 0e –   T, dove  è la cosiddetta costante di decadimento. Formalmente è definito come il coefficiente di proporzionalità tra il tasso di decadimento d N/D T e numero disponibile di nuclei: d N/D T = –N(il segno meno lo indica N diminuisce nel tempo). L'integrazione di questa equazione differenziale fornisce la dipendenza esponenziale del numero di nuclei dal tempo. Sostituendo in questa formula N = N 0/2 a T = T 1/2, otteniamo che la costante di decadimento è inversamente proporzionale al tempo di dimezzamento:  = ln2/ T 1/2 = 0,693/T 1/2. Il valore  = 1/ è chiamato vita media del nucleo. Ad esempio, per 226 Ra T 1/2 = 1600 anni,  = 1109 anni.

Secondo le formule fornite, conoscendo il valore T 1/2 (o ), è facile calcolare la quantità di radionuclide dopo qualsiasi periodo di tempo e da essi è possibile calcolare il tempo di dimezzamento se la quantità di radionuclide è nota in diversi momenti nel tempo. Invece del numero di nuclei, è possibile sostituire nella formula l'attività della radiazione, che è direttamente proporzionale al numero di nuclei disponibili N. L'attività è solitamente caratterizzata non dal numero totale di decadimenti nel campione, ma dal numero di impulsi ad esso proporzionali, che vengono registrati dall'attività di misurazione del dispositivo. Se è presente, ad esempio, 1 g di sostanza radioattiva, quanto più breve è la sua emivita, tanto più attiva sarà la sostanza.

Altre leggi matematiche descrivono il comportamento di un piccolo numero di radionuclidi. Qui possiamo parlare solo della probabilità di un particolare evento. Supponiamo, ad esempio, che ci sia un atomo (più precisamente, un nucleo) di un radionuclide T 1/2 = 1 minuto. La probabilità che questo atomo sopravviva 1 minuto è 1/2 (50%), 2 minuti - 1/4 (25%), 3 minuti - 1/8 (12,5%), 10 minuti - (1/2 ) 10 = 1/10 24 (0,1%), 20 min – (1/2) 20 = 1/1048576 (0,00001%). Per un singolo atomo la possibilità è trascurabile, ma quando ci sono molti atomi, ad esempio diversi miliardi, molti di loro, senza dubbio, vivranno 20 emivite o molto di più. La probabilità che un atomo decade in un certo periodo di tempo si ottiene sottraendo i valori ottenuti da 100. Quindi, se la probabilità che un atomo sopravviva per 2 minuti è del 25%, allora la probabilità che lo stesso atomo decada durante questo il tempo è 100 - 25 = 75%, probabilità di disintegrazione entro 3 minuti - 87,5%, entro 10 minuti - 99,9%, ecc.

La formula diventa più complicata se sono presenti più atomi instabili. In questo caso la probabilità statistica di un evento è descritta da una formula a coefficienti binomiali. Se ci N atomi e la probabilità del decadimento di uno di essi nel tempo T uguale a P, quindi la probabilità che nel tempo T da N gli atomi decadranno N(e rimarrà di conseguenza N – N), è uguale a P = N!P N (1–P) N – N /(N–N)!N! Formule simili devono essere utilizzate nella sintesi di nuovi elementi instabili, i cui atomi sono ottenuti letteralmente individualmente (ad esempio, quando un gruppo di scienziati americani scoprì il nuovo elemento Mendelevio nel 1955, lo ottennero nella quantità di soli 17 atomi ).

Fu una delle fasi più importanti nello sviluppo della moderna conoscenza fisica. Gli scienziati non sono giunti immediatamente alle conclusioni corrette riguardo alla struttura delle particelle più piccole. E molto più tardi furono scoperte altre leggi, ad esempio le leggi del movimento delle microparticelle, nonché le caratteristiche della trasformazione dei nuclei atomici che si verificano durante il decadimento radioattivo.

Gli esperimenti di Rutherford

Le trasformazioni radioattive dei nuclei atomici furono studiate per la prima volta dal ricercatore inglese Rutherford. Già allora era chiaro che la maggior parte della massa di un atomo risiede nel suo nucleo, poiché gli elettroni sono molte centinaia di volte più leggeri dei nucleoni. Per studiare la carica positiva all'interno del nucleo, nel 1906 Rutherford propose di sondare l'atomo con particelle alfa. Tali particelle si sono formate durante il decadimento del radio, così come di alcune altre sostanze. Durante i suoi esperimenti, Rutherford riuscì a comprendere la struttura dell'atomo, a cui fu dato il nome di "modello planetario".

Prime osservazioni di radioattività

Nel 1985, il ricercatore inglese W. Ramsay, noto per la scoperta del gas argon, fece una scoperta interessante. Scoprì il gas elio in un minerale chiamato kleveite. Successivamente grandi quantità di elio furono rinvenute anche in altri minerali, ma solo in quelli contenenti torio e uranio.

Questo sembrava molto strano al ricercatore: da dove potrebbe provenire il gas nei minerali? Ma quando Rutherford iniziò a studiare la natura della radioattività, si scoprì che l'elio era un prodotto del decadimento radioattivo. Alcuni elementi chimici “danno vita” ad altri, con proprietà completamente nuove. E questo fatto contraddiceva tutta la precedente esperienza dei chimici dell'epoca.

L'osservazione di Frederick Soddy

Insieme a Rutherford, lo scienziato Frederick Soddy è stato direttamente coinvolto nella ricerca. Era un chimico e quindi tutto il suo lavoro era svolto in relazione all'identificazione degli elementi chimici in base alle loro proprietà. In effetti, le trasformazioni radioattive dei nuclei atomici furono notate per la prima volta da Soddy. È riuscito a scoprire quali sono le particelle alfa utilizzate da Rutherford nei suoi esperimenti. Dopo aver effettuato le misurazioni, gli scienziati hanno scoperto che la massa di una particella alfa è pari a 4 unità di massa atomica. Avendo accumulato un certo numero di tali particelle alfa, i ricercatori hanno scoperto che si sono trasformate in una nuova sostanza: l'elio. Le proprietà di questo gas erano ben note a Soddy. Pertanto, sosteneva che le particelle alfa erano in grado di catturare elettroni dall'esterno e trasformarsi in atomi di elio neutri.

Cambiamenti all'interno del nucleo di un atomo

Gli studi successivi mirarono a identificare le caratteristiche del nucleo atomico. Gli scienziati si sono resi conto che tutte le trasformazioni non avvengono con gli elettroni o con il guscio elettronico, ma direttamente con i nuclei stessi. Furono le trasformazioni radioattive dei nuclei atomici che contribuirono alla trasformazione di alcune sostanze in altre. A quel tempo, le caratteristiche di queste trasformazioni erano ancora sconosciute agli scienziati. Ma una cosa era chiara: di conseguenza, in qualche modo apparvero nuovi elementi chimici.

Per la prima volta, gli scienziati sono stati in grado di tracciare una tale catena di metamorfosi nel processo di conversione del radio in radon. Le reazioni che hanno portato a tali trasformazioni, accompagnate da radiazioni speciali, sono state chiamate nucleari dai ricercatori. Dopo essersi assicurati che tutti questi processi avvengano proprio all'interno del nucleo di un atomo, gli scienziati hanno iniziato a studiare altre sostanze, non solo il radio.

Tipi aperti di radiazioni

La disciplina principale che può richiedere risposte a tali domande è la fisica (grado 9). Nel suo corso sono incluse le trasformazioni radioattive dei nuclei atomici. Mentre conduceva esperimenti sul potere penetrante delle radiazioni dell'uranio, Rutherford scoprì due tipi di radiazioni, o trasformazioni radioattive. Il tipo meno penetrante era chiamato radiazione alfa. Successivamente è stata studiata anche la radiazione beta. La radiazione gamma fu studiata per la prima volta da Paul Villard nel 1900. Gli scienziati hanno dimostrato che il fenomeno della radioattività è associato al decadimento dei nuclei atomici. Pertanto, è stato inferto un duro colpo alle idee precedentemente prevalenti sull'atomo come particella indivisibile.

Trasformazioni radioattive dei nuclei atomici: principali tipologie

Si ritiene ora che durante il decadimento radioattivo si verifichino tre tipi di trasformazioni: decadimento alfa, decadimento beta e cattura degli elettroni, altrimenti chiamata cattura K. Durante il decadimento alfa, una particella alfa viene emessa dal nucleo, che è il nucleo di un atomo di elio. Il nucleo radioattivo stesso viene trasformato in uno che ha una carica elettrica inferiore. Il decadimento alfa è caratteristico delle sostanze che occupano gli ultimi posti nella tavola periodica. Il decadimento beta è incluso anche nelle trasformazioni radioattive dei nuclei atomici. Con questo tipo cambia anche la composizione del nucleo atomico: perde neutrini o antineutrini, oltre a elettroni e positroni.

Questo tipo di decadimento è accompagnato da radiazione elettromagnetica a onde corte. Nella cattura elettronica, il nucleo di un atomo assorbe uno degli elettroni vicini. In questo caso, il nucleo di berillio può trasformarsi in un nucleo di litio. Questo tipo fu scoperto nel 1938 da un fisico americano di nome Alvarez, che studiò anche le trasformazioni radioattive dei nuclei atomici. Le fotografie in cui i ricercatori hanno cercato di catturare tali processi contengono immagini simili a una nuvola sfocata a causa delle piccole dimensioni delle particelle studiate.

Nel 1900, Rutherford raccontò al radiochimico inglese Frederick Soddy del misterioso thoron. Soddy dimostrò che il thoron era un gas inerte simile all'argon, scoperto diversi anni prima nell'aria; era uno degli isotopi del radon, 220 Rn. L'emanazione del radio, come si è scoperto in seguito, si è rivelata essere un altro isotopo del radon: 222 Rn (emivita T 1/2 = 3,825 giorni), e l'emanazione dell'attinio è un isotopo di breve durata dello stesso elemento: 219 Rn ( T 1/2 = 4 secondi). Inoltre, Rutherford e Soddy isolarono un nuovo elemento non volatile dai prodotti di trasformazione del torio, diverso nelle proprietà dal torio. Si chiamava torio X (successivamente si stabilì che era un isotopo del radio 224 Ra c T 1/2 = 3,66 giorni). Come si è scoperto, l '"emanazione del torio" viene rilasciata proprio dal torio X, e non dal torio originale. Esempi simili si moltiplicarono: nell'uranio o nel torio inizialmente purificati chimicamente, nel tempo apparve una miscela di elementi radioattivi, dai quali, a loro volta, furono ottenuti nuovi elementi radioattivi, compresi quelli gassosi. Pertanto, le particelle a rilasciate da molti farmaci radioattivi si trasformarono in un gas identico all'elio, che fu scoperto alla fine degli anni '60 dell'Ottocento sul Sole (metodo spettrale) e nel 1882 scoperto in alcune rocce.

I risultati del loro lavoro congiunto furono pubblicati da Rutherford e Soddy nel 1902-1903 in una serie di articoli sul Philosophical Magazine. In questi articoli, dopo aver analizzato i risultati ottenuti, gli autori sono giunti alla conclusione che è possibile trasformare alcuni elementi chimici in altri. Scrissero: “La radioattività è un fenomeno atomico, accompagnato da cambiamenti chimici in cui nascono nuovi tipi di materia... La radioattività deve essere considerata come una manifestazione di un processo chimico intraatomico... La radiazione accompagna la trasformazione degli atomi... Come risultato di una trasformazione atomica, si forma un tipo di sostanza completamente nuovo, completamente diverso nelle sue proprietà fisiche e chimiche dalla sostanza originale."

A quel tempo, queste conclusioni erano molto audaci; altri eminenti scienziati, compresi i Curie, sebbene osservassero fenomeni simili, li spiegarono con la presenza di "nuovi" elementi nella sostanza originale fin dall'inizio (ad esempio, Curie isolò il polonio e il radio in esso contenuti dal minerale di uranio). Tuttavia Rutherford e Soddy avevano ragione: la radioattività è accompagnata dalla trasformazione di alcuni elementi in altri

Sembrava che stesse crollando l’incrollabile: l’immutabilità e l’indivisibilità degli atomi, perché fin dai tempi di Boyle e Lavoisier i chimici erano giunti alla conclusione sull’indecomponibilità degli elementi chimici (come si diceva allora, “corpi semplici”, i mattoni dell'universo), sull'impossibilità della loro trasformazione l'uno nell'altro. Ciò che stava accadendo nella mente degli scienziati di quel tempo è chiaramente evidenziato dalle dichiarazioni di D.I. Mendeleev, il quale probabilmente pensava che la possibilità di "trasmutazione" degli elementi, di cui gli alchimisti parlavano da secoli, avrebbe distrutto il sistema armonioso di sostanze chimiche che aveva creato ed era riconosciuto in tutto il mondo. In un libro di testo pubblicato nel 1906 Nozioni di base di chimica scrive: “...non sono affatto propenso (sulla base della dura ma fruttuosa disciplina della conoscenza induttiva) a riconoscere anche l'ipotetica convertibilità di alcuni elementi l'uno nell'altro e non vedo alcuna possibilità dell'origine di argon o sostanze radioattive provenienti dall’uranio o viceversa”.

Il tempo ha dimostrato l’errore delle opinioni di Mendeleev riguardo all’impossibilità di convertire alcuni elementi chimici in altri; allo stesso tempo, ha confermato l'inviolabilità della sua principale scoperta: la legge periodica. Il lavoro successivo di fisici e chimici ha mostrato in quali casi alcuni elementi possono trasformarsi in altri e quali leggi della natura governano queste trasformazioni.

Trasformazioni di elementi. Serie radioattive.

Durante i primi due decenni del XX secolo. Grazie al lavoro di molti fisici e radiochimici furono scoperti molti elementi radioattivi. È diventato gradualmente chiaro che i prodotti della loro trasformazione sono spesso essi stessi radioattivi e subiscono ulteriori trasformazioni, a volte piuttosto complesse. La conoscenza della sequenza con cui un radionuclide si trasforma in un altro ha permesso di costruire le cosiddette serie radioattive naturali (o famiglie radioattive). Ce n'erano tre e venivano chiamati fila dell'uranio, fila dell'attinio e fila del torio. Queste tre serie hanno avuto origine da elementi naturali pesanti: l'uranio, noto fin dal XVIII secolo, e il torio, scoperto nel 1828 (l'attinio instabile non è l'antenato, ma un membro intermedio della serie dell'attinio). Successivamente ad esse si aggiunse la serie del nettunio, a cominciare dal primo elemento transuranico n. 93, ottenuto artificialmente nel 1940, il nettunio. Molti prodotti della loro trasformazione presero anche il nome dagli elementi originali, scrivendo i seguenti schemi:

Serie uranio: UI ® UХ1 ® UХ2 ® UII ® Io (ione) ® Ra ® ... ® RaG.

Serie di anemoni di mare: AcU ® UY ® Pa ® Ac ® AcK ® AcX ® An ® AcA ® AcB ® AcC ® AcC"" ® AcD.

Serie Torio: Th ® MsTh1 ® MsTh2 ® RdTh ® ThХ ® ThEm ® ThA ® ThB ® ThC ® ThC" ® ThD.

Come si è scoperto, queste file non sono sempre catene “diritte”: di tanto in tanto si ramificano. Quindi, UX2 con una probabilità dello 0,15% può trasformarsi in UZ, quindi passare in UII. Allo stesso modo, il ThC può decadere in due modi: la trasformazione di ThC ® ThC" avviene al 66,3%, e contemporaneamente, con una probabilità del 33,7%, avviene il processo ThC ® ThC"" ® ThD. Questi sono i così- chiamate “forchette”, la trasformazione parallela di un radionuclide in prodotti diversi. La difficoltà di stabilire la sequenza corretta delle trasformazioni radioattive in questa serie era anche associata alla vita molto breve di molti dei suoi membri, soprattutto quelli beta-attivi.

C'era una volta, ogni nuovo membro della serie radioattiva era considerato un nuovo elemento radioattivo, e fisici e radiochimici introdussero le proprie designazioni per esso: ionio Io, mesotorio-1 MsTh1, attinouranio AcU, emanazione di torio ThEm, ecc. e così via. Queste designazioni sono macchinose e scomode; non hanno un sistema chiaro. Tuttavia, alcuni di essi sono ancora talvolta tradizionalmente utilizzati nella letteratura specializzata. Nel corso del tempo, è diventato chiaro che tutti questi simboli si riferiscono a varietà instabili di atomi (più precisamente nuclei) di elementi chimici ordinari: i radionuclidi. Per distinguere tra elementi chimicamente inseparabili, ma diversi per emivita (e spesso per tipo di decadimento), F. Soddy nel 1913 propose di chiamarli isotopi

Dopo aver assegnato ciascun membro della serie a uno degli isotopi di elementi chimici conosciuti, è diventato chiaro che la serie dell'uranio inizia con l'uranio-238 ( T 1/2 = 4,47 miliardi di anni) e termina con il piombo-206 stabile; poiché uno dei membri di questa serie è l'importantissimo elemento radio), questa serie è anche chiamata serie uranio-radio. Anche la serie dell'attinio (l'altro nome è la serie dell'attinouranio) ha origine dall'uranio naturale, ma dal suo altro isotopo - 235 U ( T 1/2 = 794 milioni di anni). La serie del torio inizia con il nuclide 232 Th ( T 1/2 = 14 miliardi di anni). Infine, la serie del nettunio, che non è presente in natura, inizia con l'isotopo del nettunio più longevo ottenuto artificialmente: 237 Np ® 233 Pa ® 233 U ® 229 Th ® 225 Ra ® 225 Ac ® 221 Fr ® 217 At ® 213 Bi® 213 Po® 209 Pb® 209 Bi. C'è anche una “forchetta” in questa serie: 213 Bi con una probabilità del 2% può trasformarsi in 209 Tl, che si trasforma già in 209 Pb. Una caratteristica più interessante della serie del nettunio è l'assenza di "emanazioni" gassose, così come il membro finale della serie: bismuto invece di piombo. Il tempo di dimezzamento dell'antenato di questa serie artificiale è di “soli” 2,14 milioni di anni, quindi il nettunio, anche se fosse stato presente durante la formazione del sistema solare, non potrebbe “sopravvivere” fino ad oggi, perché L'età della Terra è stimata in 4,6 miliardi di anni e durante questo periodo (più di 2000 emivite) non rimarrebbe un solo atomo di nettunio.

Ad esempio, Rutherford svelò il complesso groviglio di eventi nella catena di trasformazione del radio (il radio-226 è il sesto membro della serie radioattiva dell'uranio-238). Il diagramma mostra sia i simboli dell'epoca di Rutherford che i simboli moderni per i nuclidi, nonché il tipo di decadimento e i dati moderni sui tempi di dimezzamento; nella serie sopra c'è anche una piccola “forchetta”: RaC con una probabilità dello 0,04% può trasformarsi in RaC""(210 Tl), che poi si trasforma nello stesso RaD ( T 1/2 = 1,3 minuti). Questo piombo radioattivo ha un tempo di dimezzamento abbastanza lungo, quindi durante l'esperimento spesso si possono ignorare le sue ulteriori trasformazioni.

L'ultimo membro di questa serie, lead-206 (RaG), è stabile; nel piombo naturale è del 24,1%. La serie del torio porta al piombo stabile-208 (il suo contenuto in piombo “ordinario” è del 52,4%), la serie dell'attinio porta al piombo-207 (il suo contenuto in piombo è del 22,1%). Il rapporto di questi isotopi di piombo nella moderna crosta terrestre è, ovviamente, correlato sia al tempo di dimezzamento dei nuclidi genitori sia al loro rapporto iniziale nel materiale da cui si è formata la Terra. E il piombo “ordinario”, non radiogenico, nella crosta terrestre è solo dell’1,4%. Quindi, se inizialmente non ci fossero uranio e torio sulla Terra, il piombo in esso contenuto non sarebbe 1,6 × 10 –3% (più o meno come il cobalto), ma 70 volte inferiore (come, ad esempio, metalli rari come l'indio e il torio). tulio!) . D'altra parte, un chimico immaginario che volasse sul nostro pianeta diversi miliardi di anni fa vi avrebbe trovato molto meno piombo e molto più uranio e torio...

Quando F. Soddy nel 1915 isolò il piombo formato dal decadimento del torio dal minerale di Ceylon torite (ThSiO 4), la sua massa atomica risultò essere pari a 207,77, cioè superiore a quella del piombo “ordinario” (207,2). Questa differenza rispetto al "teorico" (208) è spiegata dal fatto che la torite conteneva una certa quantità di uranio, che produce piombo-206. Quando il chimico americano Theodore William Richards, un'autorità nel campo della misurazione delle masse atomiche, isolò il piombo da alcuni minerali di uranio che non contenevano torio, la sua massa atomica risultò essere quasi esattamente 206. Anche la densità di questo piombo era leggermente inferiore , e corrispondeva a quello calcolato: r (Pb) ̑ 206/207,2 = 0,994r (Pb), dove r (Pb) = 11,34 g/cm3. Questi risultati mostrano chiaramente perché per il piombo, come per una serie di altri elementi, non ha senso misurare la massa atomica con una precisione molto elevata: campioni prelevati in luoghi diversi daranno risultati leggermente diversi ( cm. UNITÀ DI CARBONIO).

In natura le catene di trasformazioni rappresentate nei diagrammi si verificano continuamente. Di conseguenza, alcuni elementi chimici (radioattivi) si trasformano in altri e tali trasformazioni si sono verificate durante l'intero periodo dell'esistenza della Terra. I membri iniziali (sono chiamati madre) delle serie radioattive sono i più longevi: il tempo di dimezzamento dell'uranio-238 è di 4,47 miliardi di anni, il torio-232 è di 14,05 miliardi di anni, l'uranio-235 (noto anche come “attinouranio” è l'antenato della serie dell'attinio) – 703,8 milioni di anni. Tutti i successivi membri (“figlie”) di questa lunga catena vivono vite significativamente più brevi. In questo caso si verifica uno stato che i radiochimici chiamano “equilibrio radioattivo”: la velocità di formazione di un radionuclide intermedio dal genitore uranio, torio o attinio (questa velocità è molto bassa) è uguale alla velocità di decadimento di questo nuclide. Come risultato dell'uguaglianza di questi tassi, il contenuto di un dato radionuclide è costante e dipende solo dalla sua emivita: la concentrazione di membri a vita breve della serie radioattiva è piccola e la concentrazione di membri a vita lunga è maggiore. Questa costanza del contenuto dei prodotti di decadimento intermedi persiste per un tempo molto lungo (questo tempo è determinato dal tempo di dimezzamento del nuclide genitore, che è molto lungo). Semplici trasformazioni matematiche portano alla seguente conclusione: il rapporto tra il numero di materni ( N 0) e bambini ( N 1, N 2, N 3...) gli atomi sono direttamente proporzionali alla loro emivita: N 0:N 1:N 2:N 3... = T 0:T 1:T 2:T 3... Pertanto, l'emivita dell'uranio-238 è 4,47 10 9 anni, il radio 226 è 1600 anni, quindi il rapporto tra il numero di atomi di uranio-238 e radio-226 nei minerali di uranio è 4,47 10 9: 1600 , da cui è facile calcolare (tenendo conto delle masse atomiche di questi elementi) che per 1 tonnellata di uranio, quando viene raggiunto l'equilibrio radioattivo, ci sono solo 0,34 g di radio.

E viceversa, conoscendo il rapporto tra uranio e radio nei minerali, nonché il tempo di dimezzamento del radio, è possibile determinare il tempo di dimezzamento dell'uranio e non è necessario determinare il tempo di dimezzamento del radio attendere più di mille anni: è sufficiente misurare (mediante la sua radioattività) il tasso di decadimento (cioè il valore .d N/D T) una piccola quantità nota di quell'elemento (con un numero noto di atomi N) e poi secondo la formula d N/D T= –l N determinare il valore l = ln2/ T 1/2.

Legge dello spostamento.

Se i membri di una qualsiasi serie radioattiva vengono tracciati in sequenza sulla tavola periodica degli elementi, si scopre che i radionuclidi di questa serie non si spostano in modo fluido dall’elemento genitore (uranio, torio o nettunio) al piombo o al bismuto, ma “saltano” a destra e poi a sinistra. Così, nella serie dell'uranio, due isotopi instabili del piombo (elemento n. 82) vengono convertiti in isotopi del bismuto (elemento n. 83), poi in isotopi del polonio (elemento n. 84), e poi ancora in isotopi del piombo . Di conseguenza, l'elemento radioattivo ritorna spesso nella stessa cella della tabella degli elementi, ma si forma un isotopo con una massa diversa. Si è scoperto che c'è un certo schema in questi "salti", che F. Soddy notò nel 1911.

È ormai noto che durante un decadimento, una particella a (il nucleo di un atomo di elio) viene emessa dal nucleo, quindi la carica del nucleo diminuisce di 2 (uno spostamento nella tavola periodica di due celle verso a sinistra) e il numero di massa diminuisce di 4, il che ci permette di prevedere quale isotopo del nuovo elemento si formerà. Un esempio è il decadimento a del radon: ® + . Con il decadimento b, al contrario, il numero di protoni nel nucleo aumenta di uno, ma la massa del nucleo non cambia ( cm. RADIOATTIVITÀ), cioè c'è uno spostamento nella tabella degli elementi di una cella a destra. Un esempio sono le due trasformazioni successive del polonio formato dal radon: ® ® . Pertanto, è possibile calcolare quante particelle alfa e beta vengono emesse, ad esempio, a seguito del decadimento del radio-226 (vedi serie dell'uranio), se non teniamo conto delle “forchette”. Nuclide iniziale, nuclide finale - . La diminuzione di massa (o meglio del numero di massa, cioè del numero totale di protoni e neutroni nel nucleo) è pari a 226 – 206 = 20, quindi sono state emesse 20/4 = 5 particelle alfa. Queste particelle hanno portato via 10 protoni e se non ci fossero decadimenti b la carica nucleare del prodotto finale del decadimento sarebbe pari a 88 - 10 = 78. Infatti nel prodotto finale ci sono 82 protoni, quindi durante il trasformazioni, 4 neutroni si sono trasformati in protoni e sono state emesse 4 particelle b.

Molto spesso, un decadimento a è seguito da due decadimenti b, e quindi l'elemento risultante ritorna alla cella originale della tabella degli elementi - sotto forma di un isotopo più leggero dell'elemento originale. Grazie a questi fatti, è diventato ovvio che la legge periodica di D.I. Mendeleev riflette la relazione tra le proprietà degli elementi e la carica del loro nucleo, e non la loro massa (come era stata originariamente formulata quando la struttura dell'atomo non era nota).

La legge dello spostamento radioattivo fu finalmente formulata nel 1913 come risultato di un'accurata ricerca da parte di molti scienziati. Notevoli tra loro furono l'assistente di Soddy Alexander Fleck, l'apprendista di Soddy A.S. Russell, il chimico fisico e radiochimico ungherese György Hevesy, che lavorò con Rutherford all'Università di Manchester nel 1911-1913, e il chimico fisico tedesco (e successivamente americano) Casimir Fajans ( 1887–1975). Questa legge è spesso chiamata legge Soddy-Faience.

Trasformazione artificiale degli elementi e radioattività artificiale.

Molte trasformazioni diverse furono effettuate con i deuteroni, i nuclei dell'isotopo pesante dell'idrogeno deuterio, accelerati ad alte velocità. Così, durante la reazione + ® +, fu prodotto per la prima volta idrogeno superpesante: il trizio. La collisione di due deutoni può procedere diversamente: + ® + , questi processi sono importanti per studiare la possibilità di una reazione termonucleare controllata. La reazione + ® () ® 2 si è rivelata importante, poiché avviene già a un'energia relativamente bassa di deutoni (0,16 MeV) ed è accompagnata dal rilascio di un'energia colossale - 22,7 MeV (ricorda che 1 MeV = 10 6 eV e 1 eV = 96,5 kJ/mol).

La reazione che avviene bombardando il berillio con particelle a ha acquisito una grande importanza pratica: + ® () ® + , portò nel 1932 alla scoperta della particella neutronica neutra, e le sorgenti di neutroni radio-berillio si rivelarono molto convenienti per la ricerca scientifica. Come risultato delle reazioni + ® + si possono ottenere anche neutroni con energie diverse; +®+; +®+ . I neutroni privi di carica penetrano particolarmente facilmente nei nuclei atomici e provocano una serie di processi che dipendono sia dall'emissione del nuclide che dalla velocità (energia) dei neutroni. Pertanto, un neutrone lento può essere semplicemente catturato dal nucleo e il nucleo viene rilasciato da una certa energia in eccesso emettendo un quanto gamma, ad esempio: + ® + g. Questa reazione è ampiamente utilizzata nei reattori nucleari per controllare la reazione di fissione dell'uranio: barre o piastre di cadmio vengono spinte nella caldaia nucleare per rallentare la reazione.

Se la questione fosse limitata a queste trasformazioni, dopo la cessazione dell'irradiazione il flusso di neutroni avrebbe dovuto asciugarsi immediatamente, quindi, dopo aver rimosso la fonte di polonio, si aspettavano la cessazione di ogni attività, ma hanno scoperto che il contatore di particelle continuava a funzionare registrano gli impulsi che gradualmente si estinguono, in perfetto accordo con la legge esponenziale. Ciò potrebbe essere interpretato in un solo modo: a seguito dell'irradiazione alfa sono comparsi elementi radioattivi precedentemente sconosciuti con un'emivita caratteristica di 10 minuti per l'azoto-13 e di 2,5 minuti per il fosforo-30. Si è scoperto che questi elementi subiscono un decadimento dei positroni: ® + e + , ® + e + . Risultati interessanti sono stati ottenuti con il magnesio, rappresentato da tre isotopi naturali stabili, e si è scoperto che dopo l'irradiazione a producono tutti nuclidi radioattivi di silicio o alluminio, che subiscono il decadimento 227- o positrone:

La produzione di elementi radioattivi artificiali è di grande importanza pratica, poiché consente la sintesi di radionuclidi con un tempo di dimezzamento conveniente per uno scopo specifico e il tipo di radiazione desiderato con una certa potenza. È particolarmente conveniente usare i neutroni come “proiettili”. La cattura di un neutrone da parte di un nucleo spesso lo rende così instabile che il nuovo nucleo diventa radioattivo. Può diventare stabile a causa della trasformazione del neutrone “extra” in un protone, cioè a causa della radiazione 227; Sono note molte di queste reazioni, ad esempio: + ® ® + e. La reazione di formazione del radiocarbonio che avviene negli strati superiori dell'atmosfera è molto importante: + ® + ( cm. METODO DI ANALISI DEL RADIOCARBONE). Il trizio è sintetizzato dall'assorbimento di neutroni lenti da parte dei nuclei di litio-6. Molte trasformazioni nucleari possono essere ottenute sotto l'influenza di neutroni veloci, ad esempio: + ® + ; +®+; +®+ . Pertanto, irradiando il cobalto ordinario con neutroni, si ottiene il cobalto-60 radioattivo, che è una potente fonte di radiazioni gamma (viene rilasciato dal prodotto di decadimento di 60 nuclei eccitati Co). Alcuni elementi transuranici sono prodotti mediante irradiazione con neutroni. Ad esempio, dall'uranio-238 naturale si forma prima l'uranio-239 instabile che, durante il decadimento b ( T 1/2 = 23,5 min) si trasforma nel primo elemento transuranico, nettunio-239, e anch'esso, a sua volta, attraverso il decadimento b ( T 1/2 = 2,3 giorni) si trasforma nell'importantissimo plutonio-239 per uso militare.

È possibile ottenere artificialmente l'oro effettuando la necessaria reazione nucleare e realizzare così ciò che gli alchimisti non riuscirono a fare? Teoricamente non ci sono ostacoli a questo. Inoltre, tale sintesi è già stata effettuata, ma non ha portato ricchezza. Il modo più semplice per produrre oro artificialmente sarebbe irradiare l’elemento accanto all’oro nella tavola periodica con un flusso di neutroni. Quindi, come risultato della reazione + ® +, un neutrone eliminerebbe un protone dall'atomo di mercurio e lo trasformerebbe in un atomo di oro. Questa reazione non indica numeri di massa specifici ( UN) nuclidi di mercurio e oro. L'oro in natura è l'unico nuclide stabile e il mercurio naturale è una miscela complessa di isotopi UN= 196 (0,15%), 198 (9,97%), 199 (1,87%), 200 (23,10%), 201 (13,18%), 202 (29,86%) e 204 (6,87%). Di conseguenza, secondo lo schema sopra riportato, è possibile ottenere solo oro radioattivo instabile. Fu ottenuto da un gruppo di chimici americani dell'Università di Harvard all'inizio del 1941, irradiando il mercurio con un flusso di neutroni veloci. Dopo alcuni giorni, tutti gli isotopi radioattivi dell'oro risultanti, attraverso il decadimento beta, si trasformarono nuovamente negli isotopi originali del mercurio...

Ma c'è un altro modo: se gli atomi di mercurio-196 vengono irradiati con neutroni lenti, si trasformeranno in atomi di mercurio-197: + ® + g. Questi atomi, con un tempo di dimezzamento di 2,7 giorni, subiscono la cattura degli elettroni e infine si trasformano in atomi di oro stabili: + e ® . Questa trasformazione fu effettuata nel 1947 dai dipendenti del Laboratorio Nazionale di Chicago. Irradiando 100 mg di mercurio con neutroni lenti, ottennero 0,035 mg di 197Au. Rispetto a tutto il mercurio, la resa è molto piccola: solo lo 0,035%, ma rispetto a 196Hg raggiunge il 24%! Tuttavia, l'isotopo 196 Hg nel mercurio naturale è solo l'ultimo, inoltre, il processo di irradiazione stesso e la sua durata (l'irradiazione richiederà diversi anni) e l'isolamento dell'oro sintetico stabile da una miscela complessa costerà incommensurabilmente di più di l'isolamento dell'oro dal minerale più povero(). La produzione artificiale dell'oro ha quindi un interesse puramente teorico.

Modelli quantitativi delle trasformazioni radioattive.

Se fosse possibile tracciare uno specifico nucleo instabile, sarebbe impossibile prevedere quando decadrà. Si tratta di un processo casuale e solo in alcuni casi è possibile valutare la probabilità di decadimento in un determinato periodo di tempo. Tuttavia, anche il più piccolo granello di polvere, quasi invisibile al microscopio, contiene un numero enorme di atomi e, se questi atomi sono radioattivi, il loro decadimento obbedisce a rigide leggi matematiche: entrano in vigore le leggi statistiche caratteristiche di un numero molto elevato di oggetti . E poi ogni radionuclide può essere caratterizzato da un valore molto specifico: emivita ( T 1/2) è il tempo durante il quale decade la metà del numero disponibile di nuclei. Se nel momento iniziale ci fosse N 0 core, poi dopo un po' T = T Ne rimarranno la metà N 0/2, a T = 2T Rimarrà 1/2 N 0/4 = N 0/2 2 , a T = 3T 1/2 – N 0/8 = N 0/2 3 ecc. In generale, quando T = nT Rimarrà 1/2 N 0/2 N nuclei, dove N = T/T 1/2 è il numero di emivite (non deve essere necessariamente un numero intero). È facile dimostrare che la formula N = N 0/2 T/T 1/2 equivale alla formula N = N 0e – l T, dove l è la cosiddetta costante di decadimento. Formalmente è definito come il coefficiente di proporzionalità tra il tasso di decadimento d N/D T e numero disponibile di nuclei: d N/D T= – l N(il segno meno lo indica N diminuisce nel tempo). L'integrazione di questa equazione differenziale fornisce la dipendenza esponenziale del numero di nuclei dal tempo. Sostituendo in questa formula N = N 0/2 a T = T 1/2, otteniamo che la costante di decadimento è inversamente proporzionale al tempo di dimezzamento: l = ln2/ T 1/2 = 0,693/T 1/2. Il valore t = 1/ l è chiamato vita media del nucleo. Ad esempio, per 226 Ra T 1/2 = 1600 anni, t = 1109 anni.

Secondo le formule fornite, conoscendo il valore T 1/2 (o l), è facile calcolare la quantità di radionuclide dopo qualsiasi periodo di tempo e puoi anche usarli per calcolare l'emivita se la quantità di radionuclide è nota in momenti diversi. Invece del numero di nuclei, è possibile sostituire nella formula l'attività della radiazione, che è direttamente proporzionale al numero di nuclei disponibili N. L'attività è solitamente caratterizzata non dal numero totale di decadimenti nel campione, ma dal numero di impulsi ad esso proporzionali, che vengono registrati dall'attività di misurazione del dispositivo. Se è presente, ad esempio, 1 g di sostanza radioattiva, quanto più breve è la sua emivita, tanto più attiva sarà la sostanza.

Altre leggi matematiche descrivono il comportamento di un piccolo numero di radionuclidi. Qui possiamo parlare solo della probabilità di un particolare evento. Supponiamo, ad esempio, che ci sia un atomo (più precisamente, un nucleo) di un radionuclide T 1/2 = 1 minuto. La probabilità che questo atomo sopravviva 1 minuto è 1/2 (50%), 2 minuti - 1/4 (25%), 3 minuti - 1/8 (12,5%), 10 minuti - (1/2 ) 10 = 1/10 24 (0,1%), 20 min – (1/2) 20 = 1/1048576 (0,00001%). Per un singolo atomo la possibilità è trascurabile, ma quando ci sono molti atomi, ad esempio diversi miliardi, molti di loro, senza dubbio, vivranno 20 emivite o molto di più. La probabilità che un atomo decade in un certo periodo di tempo si ottiene sottraendo i valori ottenuti da 100. Quindi, se la probabilità che un atomo sopravviva per 2 minuti è del 25%, allora la probabilità che lo stesso atomo decada durante questo il tempo è 100 - 25 = 75%, probabilità di disintegrazione entro 3 minuti - 87,5%, entro 10 minuti - 99,9%, ecc.

La formula diventa più complicata se sono presenti più atomi instabili. In questo caso la probabilità statistica di un evento è descritta da una formula a coefficienti binomiali. Se ci N atomi e la probabilità del decadimento di uno di essi nel tempo T uguale a P, quindi la probabilità che nel tempo T da N gli atomi decadranno N(e rimarrà di conseguenza N – N), è uguale a P = N!pn(1–P) N–N /(N–N)!N! Formule simili devono essere utilizzate nella sintesi di nuovi elementi instabili, i cui atomi sono ottenuti letteralmente individualmente (ad esempio, quando un gruppo di scienziati americani scoprì il nuovo elemento Mendelevio nel 1955, lo ottennero nella quantità di soli 17 atomi ).

L'applicazione di questa formula può essere illustrata in un caso specifico. Lasciamo, per esempio, che ci sia N= 16 atomi con un'emivita di 1 ora. Puoi calcolare la probabilità del decadimento di un certo numero di atomi, ad esempio nel tempo T= 4 ore. La probabilità che un atomo sopravviva a queste 4 ore è 1/2 4 = 1/16, rispettivamente, la probabilità del suo decadimento durante questo periodo R= 1 – 1/16 = 15/16. Sostituendo questi dati iniziali nella formula si ottiene: R = 16!(15/16) N (1/16) 16–N /(16–N)!N! = 16!15 N /2 64 (16–N)!N! I risultati di alcuni calcoli sono mostrati nella tabella:

Pertanto, su 16 atomi dopo 4 ore (4 emivite), non ne rimarrà più nessuno, come si potrebbe supporre: la probabilità di questo evento è solo del 38,4%, sebbene sia maggiore della probabilità di qualsiasi altro risultato. Come si può vedere dalla tabella, anche la probabilità che tutti i 16 atomi (35,2%) o solo 14 decadano è molto alta. Ma la probabilità che dopo 4 emivite tutti gli atomi rimangano “vivi” (nessuno sia decaduto) è trascurabile. È chiaro che se non ci sono 16 atomi, ma, diciamo, 10 20, allora possiamo dire con quasi il 100% di sicurezza che dopo 1 ora rimarrà la metà, dopo 2 ore - un quarto, ecc. Cioè, più atomi ci sono, più accuratamente il loro decadimento corrisponde alla legge esponenziale.

Numerosi esperimenti condotti dai tempi di Becquerel hanno dimostrato che la velocità di decadimento radioattivo non è praticamente influenzata dalla temperatura, dalla pressione o dallo stato chimico dell'atomo. Le eccezioni sono molto rare; Pertanto, nel caso della cattura di elettroni, il valore T 1/2 cambia leggermente al variare dello stato di ossidazione dell'elemento. Ad esempio, il decadimento di 7 BeF 2 avviene circa lo 0,1% più lentamente rispetto a 7 BeO o 7 Be metallico.

Il numero totale di nuclei instabili conosciuti - radionuclidi - si avvicina a duemila, la loro durata varia entro limiti molto ampi. Sono noti sia radionuclidi a vita lunga, i cui tempi di dimezzamento ammontano a milioni e persino miliardi di anni, sia radionuclidi a vita breve, che decadono completamente in minuscole frazioni di secondo. Nella tabella sono riportati i tempi di dimezzamento di alcuni radionuclidi.

Proprietà di alcuni radionuclidi (per Tc, Pm, Po e tutti gli elementi successivi che non hanno isotopi stabili, i dati sono forniti per i loro isotopi con la vita più lunga).

Il nuclide dalla vita più breve conosciuto è 5 Li: la sua vita media è 4,4·10 –22 s). Durante questo periodo anche la luce percorrerà solo 10–11 cm, cioè una distanza solo diverse decine di volte maggiore del diametro del nucleo e significativamente inferiore alla dimensione di qualsiasi atomo. Il più longevo è il 128 Te (contenuto nel tellurio naturale in misura del 31,7%) con un tempo di dimezzamento di otto settilioni (8·10 24) di anni - difficilmente può nemmeno essere definito radioattivo; per fare un confronto, si stima che il nostro Universo abbia “solo” 10 10 anni.

L'unità di radioattività di un nuclide è il becquerel: 1 Bq (Bq) corrisponde ad un decadimento al secondo. Viene spesso utilizzata l'unità curie fuori sistema: 1 Ci (Ci) è pari a 37 miliardi di disintegrazioni al secondo o 3,7 . 10 10 Bq (1 g di 226 Ra ha circa questa attività). Un tempo fu proposta un'unità fuori sistema del rutherford: 1 Рд (Rd) = 10 6 Bq, ma non era molto diffusa.

Letteratura:

Soddy F. Storia dell'energia atomica. M., Atomizdat, 1979
Choppin G. et al. Chimica nucleare. M., Energoatomizdat, 1984
Hoffmann K. È possibile produrre l'oro? L., Chimica, 1984
Kadmensky S.G. Radioattività dei nuclei atomici: storia, risultati, ultime conquiste. "Giornale educativo Soros", 1999, n. 11

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