Transformácia atómových jadier zákony rádioaktívneho rozpadu. Rádioaktívne premeny atómových jadier Rádioaktívne premeny atómových jadier stručne fyzika

Čo sa deje s hmotou počas rádioaktívneho žiarenia?
Už na samom začiatku výskumu rádioaktivity bolo objavených veľa zvláštnych a nezvyčajných vecí.

Po prvé Prekvapivá bola konzistencia, s akou rádioaktívne prvky urán, tórium a rádium emitovali žiarenie.
V priebehu dní, mesiacov a dokonca rokov sa intenzita žiarenia výrazne nemenila.
Neovplyvňovali ho také obvyklé vplyvy ako teplo a zvýšený tlak.
Chemické reakcie, do ktorých rádioaktívne látky vstupovali, tiež neovplyvnili intenzitu žiarenia.

Po druhé, veľmi skoro po objavení rádioaktivity sa ukázalo, že rádioaktivita je sprevádzaná uvoľňovaním energie.
Pierre Curie umiestnil ampulku chloridu rádia do kalorimetra.
Absorbovali sa v ňom α-, β- a γ-lúče a vďaka ich energii sa kalorimeter zahrieval.
Curie zistil, že rádium s hmotnosťou 1 g vyžaruje energiu približne rovnajúcu sa 582 J za 1 hodinu.
A takáto energia sa uvoľňuje nepretržite dlhé roky!

Odkiaľ pochádza energia, ktorej uvoľňovanie neovplyvňujú všetky známe vplyvy?
Zdá sa, že počas rádioaktivity látka prechádza niekoľkými hlbokými zmenami, úplne odlišnými od bežných chemických premien.
Predpokladalo sa, že samotné atómy podliehajú transformáciám.
Teraz táto myšlienka nemusí spôsobiť veľké prekvapenie, pretože dieťa o nej môže počuť ešte skôr, ako sa naučí čítať.
Ale na začiatku 20. stor. zdalo sa to fantastické a odvážiť sa to vyjadriť vyžadovalo veľkú odvahu.
V tom čase boli práve získané nespochybniteľné dôkazy o existencii atómov.
Demokritova myšlienka o atómovej štruktúre hmoty nakoniec zvíťazila.
A takmer okamžite po tomto je nemennosť atómov spochybnená.

Takže počas rádioaktívneho rozpadu dochádza k reťazcu postupných transformácií atómov.
Zastavme sa pri úplne prvých experimentoch, ktoré začal Rutherford a v ktorých pokračoval spolu s anglickým chemikom F. Soddym.

Rutherford to zistil činnosť tórium, definované ako počet alfa častíc emitovaných za jednotku času, zostáva nezmenené v uzavretej ampulke.
Ak je prípravok fúkaný aj veľmi slabými prúdmi vzduchu, potom je aktivita tória značne znížená.
Vedec navrhol, že súčasne s α-časticami tórium emituje nejaký druh rádioaktívneho plynu.

Nasávaním vzduchu z ampulky obsahujúcej tórium Rutherford izoloval rádioaktívny plyn a skúmal jeho ionizačnú schopnosť.
Ukázalo sa, že aktivita tohto plynu (na rozdiel od aktivity tória, uránu a rádia) s časom veľmi rýchlo klesá.
Každú minútu sa aktivita zníži na polovicu a po desiatich minútach sa takmer rovná nule.
Soddy študoval chemické vlastnosti tohto plynu a zistil, že nevstupuje do žiadnych reakcií, t.j. je to inertný plyn.
Následne bol tento plyn nazvaný radón a zaradený do periodickej tabuľky D. I. Mendelejeva pod poradovým číslom 86.

Premeny zaznamenali aj ďalšie rádioaktívne prvky: urán, aktínium, rádium.
Všeobecný záver, ktorý vedci urobili, presne formuloval Rutherford: „Atómy rádioaktívnej látky podliehajú spontánnym modifikáciám.
V každom okamihu sa malá časť z celkového počtu atómov stáva nestabilnou a explozívne sa rozpadá.
V drvivej väčšine prípadov je fragment atómu - α-častica - vymrštený obrovskou rýchlosťou.
V niektorých iných prípadoch je výbuch sprevádzaný výronom rýchleho elektrónu a objavením sa lúčov, ktoré majú podobne ako röntgenové lúče veľkú prenikavú silu a nazývajú sa γ-žiarenie.

Zistilo sa, že v dôsledku atómovej premeny vzniká úplne nový typ látky, úplne odlišný svojimi fyzikálnymi a chemickými vlastnosťami od pôvodnej látky.
Táto nová látka je však sama o sebe tiež nestabilná a prechádza transformáciou s emisiou charakteristického rádioaktívneho žiarenia.

Je teda presne stanovené, že atómy určitých prvkov podliehajú spontánnemu rozpadu sprevádzanému emisiou energie v obrovských množstvách v porovnaní s energiou uvoľnenou pri bežných molekulárnych modifikáciách.

Po objavení atómového jadra sa okamžite ukázalo, že práve toto jadro prešlo zmenami počas rádioaktívnych premien.
Koniec koncov, v elektrónovom obale nie sú vôbec žiadne častice alfa a zníženie počtu elektrónov obalu o jeden premení atóm na ión, a nie na nový chemický prvok.
Vymrštením elektrónu z jadra sa zmení náboj jadra (zvýši ho) o jeden.

Rádioaktivita je teda spontánna premena niektorých jadier na iné, sprevádzaná emisiou rôznych častíc.

Pravidlo posunu

Jadrové premeny podliehajú tzv posunové pravidlo, ktorý prvýkrát sformuloval Soddy.

Pri rozpade α jadro stráca kladný náboj 2e a jeho hmotnosť M sa znižuje približne o štyri atómové hmotnostné jednotky.
V dôsledku toho sa prvok posunie o dve bunky na začiatok periodickej tabuľky.

Tu je prvok označený, ako v chémii, všeobecne akceptovanými symbolmi: jadrový náboj je napísaný ako index v ľavej dolnej časti symbolu a atómová hmotnosť je napísaná ako index v ľavej hornej časti symbolu.
Napríklad vodík je znázornený symbolom
Pre časticu α, ktorá je jadrom atómu hélia, sa používa označenie atď.
Počas beta rozpadu sa z jadra uvoľní elektrón
V dôsledku toho sa jadrový náboj zvýši o jednu, ale hmotnosť zostáva takmer nezmenená:

Tu označuje elektrón: index 0 hore znamená, že jeho hmotnosť je veľmi malá v porovnaní s atómovou jednotkou hmotnosti; elektrónové antineutríno je neutrálna častica s veľmi malou (možno nulovou) hmotnosťou, ktorá odnáša časť energie. počas β-rozpadu.
Tvorba antineutrína je sprevádzaná β-rozpadom akéhokoľvek jadra a táto častica často nie je uvedená v rovniciach zodpovedajúcich reakcií.

Po rozpade β sa prvok posunie o jednu bunku bližšie ku koncu periodickej tabuľky..

Gama žiarenie nie je sprevádzané zmenou náboja; hmotnosť jadra sa zanedbateľne mení.

Podľa pravidla posunu sa počas rádioaktívneho rozpadu zachová celkový elektrický náboj a približne sa zachová relatívna atómová hmotnosť jadier.
Nové jadrá vznikajúce pri rádioaktívnom rozpade môžu byť tiež rádioaktívne a podliehajú ďalším premenám.

takže,
Počas rádioaktívneho rozpadu sa atómové jadrá transformujú.

Čo sa deje s hmotou počas rádioaktívneho žiarenia? Odpovedať na túto otázku na začiatku 20. storočia. nebolo to veľmi ľahké. Už na samom začiatku výskumu rádioaktivity bolo objavených veľa zvláštnych a nezvyčajných vecí.

Po prvé, úžasná konzistencia, s akou rádioaktívne prvky urán, tórium a rádium vyžarujú žiarenie. V priebehu dní, mesiacov a rokov sa intenzita žiarenia výrazne nemenila. Neovplyvňovali ho bežné vplyvy ako teplo alebo zvýšený tlak.

Chemické reakcie, do ktorých rádioaktívne látky vstupovali, tiež neovplyvnili intenzitu žiarenia.

Po druhé, veľmi skoro po objavení rádioaktivity sa ukázalo, že rádioaktivita je sprevádzaná uvoľňovaním energie. Pierre Curie umiestnil ampulku chloridu rádia do kalorimetra. Absorbovali sa v ňom α-, β- a γ-lúče a vďaka ich energii sa kalorimeter zahrieval. Curie zistil, že 1 g rádia uvoľní 582 J energie za 1 hodinu. A táto energia sa uvoľňuje nepretržite niekoľko rokov.

Odkiaľ pochádza energia, ktorej uvoľňovanie neovplyvňujú všetky známe vplyvy? Zdá sa, že počas rádioaktivity látka prechádza niekoľkými hlbokými zmenami, úplne odlišnými od bežných chemických premien. Predpokladalo sa, že samotné atómy prechádzajú transformáciou!

Teraz táto myšlienka nemusí spôsobiť veľké prekvapenie, pretože dieťa o nej môže počuť ešte skôr, ako sa naučí čítať. Ale na začiatku 20. stor. zdalo sa to fantastické a chcelo to veľkú odvahu rozhodnúť sa to vyjadriť. V tom čase boli práve získané nespochybniteľné dôkazy o existencii atómov. Storočná myšlienka Democritusa o atómovej štruktúre hmoty nakoniec zvíťazila. A takmer okamžite po tomto je nemennosť atómov spochybnená.

Nebudeme podrobne hovoriť o tých experimentoch, ktoré nakoniec viedli k úplnej dôvere, že počas rádioaktívneho rozpadu dochádza k reťazcu postupných transformácií atómov. Zastavme sa len pri úplne prvých experimentoch, ktoré začal Rutherford a pokračoval v nich spolu s anglickým chemikom F. Soddym (1877-1956).

Rutherford to zistil aktivita tória, definovaná ako počet rozpadov za jednotku času, zostáva nezmenená v uzavretej ampulke. Ak je prípravok fúkaný aj veľmi slabými prúdmi vzduchu, potom je aktivita tória značne znížená. Rutherford navrhol, že súčasne s časticami alfa tórium emituje nejaký druh plynu, ktorý je tiež rádioaktívny. Nazval to plyn vyžarovanie. Nasávaním vzduchu z ampulky obsahujúcej tórium Rutherford izoloval rádioaktívny plyn a skúmal jeho ionizačnú schopnosť. Ukázalo sa, že aktivita tohto plynu s časom rýchlo klesá. Každou minútou sa aktivita zníži o polovicu a po desiatich minútach sa prakticky rovná nule. Soddy študoval chemické vlastnosti tohto plynu a zistil, že nevstupuje do žiadnych reakcií, t.j. je to inertný plyn. Následne bol plyn pomenovaný radón a zaradený do periodickej tabuľky pod poradovým číslom 86. Premeny zaznamenali aj ďalšie rádioaktívne prvky: urán, aktínium, rádium. Všeobecný záver, ku ktorému vedci prišli, presne sformuloval Rutherford: „Atómy rádioaktívnej látky podliehajú spontánnym modifikáciám. V každom okamihu sa malá časť z celkového počtu atómov stáva nestabilnou a explozívne sa rozpadá. V drvivej väčšine prípadov je fragment atómu - α-častica - vymrštený obrovskou rýchlosťou. V niektorých iných prípadoch je výbuch sprevádzaný vyvrhnutím rýchleho elektrónu a objavením sa lúčov, ktoré majú podobne ako röntgenové lúče vysokú penetračnú silu a nazývajú sa γ-žiarenie. Zistilo sa, že v dôsledku atómovej premeny vzniká úplne nový typ látky, úplne odlišný svojimi fyzikálnymi a chemickými vlastnosťami od pôvodnej látky. Táto nová látka je však sama o sebe tiež nestabilná a prechádza transformáciou s emisiou charakteristického rádioaktívneho žiarenia.

Je teda presne stanovené, že atómy určitých prvkov podliehajú spontánnemu rozpadu sprevádzanému emisiou energie v obrovských množstvách v porovnaní s energiou uvoľnenou pri bežných molekulárnych modifikáciách.

Po objavení atómového jadra sa okamžite ukázalo, že práve toto jadro prešlo zmenami počas rádioaktívnych premien. Koniec koncov, v elektrónovom obale nie sú vôbec žiadne častice os a zníženie počtu elektrónov obalu o jeden premení atóm na ión, a nie na nový chemický prvok. Vymrštením elektrónu z jadra sa zmení náboj jadra (zvýši ho) o jeden. Náboj jadra určuje atómové číslo prvku v periodickej tabuľke a všetky jeho chemické vlastnosti.

Poznámka

Literatúra

Myakishev G.Ya. Fyzika: Optika. Kvantová fyzika. 11. ročník: Výchovný. na hĺbkové štúdium fyziky. - M.: Drop, 2002. - S. 351-353.

Rádioaktívne premeny

V roku 1903 Pierre Curie zistil, že uránové soli nepretržite a bez viditeľného poklesu v priebehu času uvoľňujú tepelnú energiu, ktorá sa na jednotku hmotnosti zdala obrovská v porovnaní s energiou najúspornejších chemických reakcií. Rádio uvoľňuje ešte viac tepla – asi 107 J za hodinu na 1 g čistej látky. Ukázalo sa, že rádioaktívne prvky dostupné v hlbinách zemegule boli dostatočné (v podmienkach obmedzeného odvodu tepla) na roztavenie magmy.

Kde je zdroj tejto zdanlivo nevyčerpateľnej energie? Marie Curie predložila na samom konci 19. storočia. dve hypotézy. Jeden z nich (zdieľaný lordom Kelvinom ) spočívalo v tom, že rádioaktívne látky zachytávajú nejaký druh kozmického žiarenia a ukladajú potrebnú energiu. V súlade s druhou hypotézou je žiarenie sprevádzané niektorými zmenami v samotných atómoch, ktoré zároveň strácajú energiu, ktorá je emitovaná. Obe hypotézy sa zdali rovnako neuveriteľné, ale postupne sa hromadilo viac a viac dôkazov v prospech druhej.

Ernest Rutherford výrazne prispel k pochopeniu toho, čo sa deje s rádioaktívnymi látkami. Ešte v roku 1895 anglický chemik William Ramsay, ktorý sa preslávil objavom argónu vo vzduchu, objavil v mineráli kleveit ďalší vzácny plyn – hélium. Následne bolo objavené značné množstvo hélia v iných mineráloch – ale len v tých, ktoré obsahovali urán a tórium. Zdalo sa to prekvapujúce a zvláštne – odkiaľ by sa v mineráloch mohol vziať vzácny plyn? Keď Rutherford začal skúmať povahu častíc alfa, ktoré sú emitované rádioaktívnymi minerálmi, bolo jasné, že hélium je produktom rádioaktívneho rozpadu ( cm. RÁDIOAKTIVITA). To znamená, že niektoré chemické prvky sú schopné „generovať“ iné - to je v rozpore so všetkými skúsenosťami nahromadenými niekoľkými generáciami chemikov.

„Transformácia“ uránu a tória na hélium však nebola obmedzená. V roku 1899 bol v Rutherfordovom laboratóriu (v tom čase pracoval v Montreale) pozorovaný ďalší zvláštny jav: prípravky tóriového prvku v uzavretej ampulke udržiavali konštantnú aktivitu, ale na voľnom priestranstve závisela ich aktivita. Koncepty. Rutherford si rýchlo uvedomil, že tórium vyžaruje rádioaktívny plyn (nazývalo sa to thorium emanation - z latinského emanatio - výtok, alebo thoron), aktivita tohto plynu sa veľmi rýchlo znížila: o polovicu asi za jednu minútu (podľa moderných údajov - za 55,6 s ). Podobná plynná „emanácia“ bola objavená aj v rádiu (jeho aktivita klesala oveľa pomalšie) – nazývala sa rádiová emanácia alebo radón. Zistilo sa tiež, že aktinium má svoju vlastnú „emanáciu“, ktorá zmizne v priebehu niekoľkých sekúnd; nazývalo sa to aktinium emanácia alebo aktinón. Následne sa ukázalo, že všetky tieto „emanácie“ sú izotopy toho istého chemického prvku - radónu ( cm. CHEMICKÉ PRVKY).

Po priradení každého člena radu k jednému z izotopov známych chemických prvkov sa ukázalo, že uránový rad začína uránom-238 ( T 1/2 = 4,47 miliardy rokov) a končí stabilným olovom-206; keďže jedným z členov tohto radu je veľmi dôležitý prvok rádium), tento rad sa nazýva aj uránovo-rádiový rad. Aktiniová séria (jej iný názov je aktinouraniová séria) tiež pochádza z prírodného uránu, ale z jeho ďalšieho izotopu - 235 U ( T 1/2 = 794 miliónov rokov). Séria tórií začína nuklidom 232 Th ( T 1/2 = 14 miliárd rokov). Nakoniec neptuniová séria, ktorá sa v prírode nevyskytuje, začína umelo získaným izotopom neptúnia s najdlhšou životnosťou: 237 Np  233 Pa  233 U  229 Th  225 Ra  225 Ac  221 Fr  221 Fr Bi  213 Po  2 09 Pb  209 Bi. V tejto sérii je tiež „vidlička“: 213 Bi sa s 2% pravdepodobnosťou môže zmeniť na 209 Tl, ktoré sa už zmení na 209 Pb. Zaujímavejšou črtou série neptúnií je absencia plynných „emanácií“ a koncovým členom série je bizmut namiesto olova. Polčas rozpadu predchodcu tejto umelej série je „len“ 2,14 milióna rokov, takže neptúnium, aj keby bolo prítomné pri formovaní Slnečnej sústavy, by dodnes nemohlo „prežiť“, pretože Vek Zeme sa odhaduje na 4,6 miliardy rokov a počas tejto doby (viac ako 2000 polčasov rozpadu) by z neptúnia nezostal ani jeden atóm.

Napríklad Rutherford rozlúštil zložitú spleť udalostí v reťazci transformácie rádia (rádium-226 je šiestym členom rádioaktívnej série uránu-238). Diagram ukazuje symboly Rutherfordovej doby a moderné symboly pre nuklidy, ako aj typ rozpadu a moderné údaje o polčasoch rozpadu; vo vyššie uvedenej sérii je tiež malá „vidlička“: RaC s pravdepodobnosťou 0,04% sa môže premeniť na RaC""(210 Tl), ktorý sa potom zmení na rovnaký RaD ( T 1/2 = 1,3 min). Toto rádioaktívne olovo má pomerne dlhý polčas rozpadu, takže počas experimentu možno často ignorovať jeho ďalšie premeny.

Posledný člen tejto série, olovo-206 (RaG), je stabilný; v prírodnom olove je to 24,1 %. Tóriová séria vedie k stabilnému olovu-208 (jeho obsah v „obyčajnom“ olove je 52,4%), aktíniová séria vedie k olovu-207 (jeho obsah olova je 22,1%). Pomer týchto izotopov olova v súčasnej zemskej kôre samozrejme súvisí tak s polčasom rozpadu materských nuklidov, ako aj s ich počiatočným pomerom v materiáli, z ktorého vznikla Zem. A „obyčajného“, nerádiogénneho olova v zemskej kôre je len 1,4 %. Ak by teda na Zemi pôvodne nebol urán a tórium, olova v nej by nebolo 1,6 × 10 – 3 % (asi ako kobalt), ale 70-krát menej (ako napríklad také vzácne kovy ako indium a thulium!). Na druhej strane, imaginárny chemik, ktorý priletel na našu planétu pred niekoľkými miliardami rokov, by v nej našiel oveľa menej olova a oveľa viac uránu a tória...

Keď F. Soddy v roku 1915 izoloval olovo vzniknuté rozpadom tória z cejlonského minerálu thoritu (ThSiO 4), jeho atómová hmotnosť sa rovnala 207,77, teda viac ako má „obyčajné“ olovo (207,2). Toto je rozdiel od „teoretického“ (208) vysvetlený skutočnosťou, že thorit obsahoval určité množstvo uránu, ktorý produkuje olovo-206. Keď americký chemik Theodore William Richards, odborník v oblasti merania atómových hmotností, izoloval olovo z niektorých uránových minerálov, ktoré neobsahovali tórium, ukázalo sa, že jeho atómová hmotnosť je takmer presne 206. Hustota tohto olova bola o niečo menšia, a zodpovedalo vypočítanému: ( Pb)  206/207,2 = 0,994(Pb), kde (Pb) = 11,34 g/cm 3 . Tieto výsledky jasne ukazujú, prečo pre olovo, rovnako ako pre množstvo iných prvkov, nemá zmysel merať atómovú hmotnosť s veľmi vysokou presnosťou: vzorky odobraté na rôznych miestach poskytnú mierne odlišné výsledky ( cm. UHLÍKOVÁ JEDNOTKA).

V prírode sa reťazce transformácií znázornené na diagramoch vyskytujú nepretržite. V dôsledku toho sa niektoré chemické prvky (rádioaktívne) premieňajú na iné a k takýmto premenám dochádzalo počas celého obdobia existencie Zeme. Počiatočné členy (nazývajú sa matka) rádioaktívnych sérií majú najdlhšiu životnosť: polčas rozpadu uránu-238 je 4,47 miliardy rokov, tória-232 je 14,05 miliardy rokov, uránu-235 (známeho aj ako „aktinouránium“) je predchodca aktiniovej série) – 703,8 miliónov rokov. Všetky nasledujúce („dcérske“) členovia tohto dlhého reťazca žijú podstatne kratšie. V tomto prípade nastáva stav, ktorý rádiochemici nazývajú „rádioaktívna rovnováha“: rýchlosť tvorby intermediárneho rádionuklidu z materského uránu, tória alebo aktínia (táto rýchlosť je veľmi nízka) sa rovná rýchlosti rozpadu tohto nuklidu. V dôsledku rovnosti týchto rýchlostí je obsah daného rádionuklidu konštantný a závisí len od jeho polčasu rozpadu: koncentrácia krátkodobých členov rádioaktívnej série je malá a koncentrácia dlhovekých členov je nízka. väčší. Táto stálosť obsahu medziproduktov rozpadu pretrváva veľmi dlho (tento čas je určený polčasom rozpadu materského nuklidu, ktorý je veľmi dlhý). Jednoduché matematické transformácie vedú k tomuto záveru: pomer počtu materských ( N 0) a deti ( N 1, N 2, N 3...) atómy sú priamo úmerné ich polčasom rozpadu: N 0:N 1:N 2:N 3... = T 0:T 1:T 2:T 3... Polčas rozpadu uránu-238 je teda 4,47 10 9 rokov, rádia 226 je 1600 rokov, preto je pomer počtu atómov uránu-238 a rádia-226 v uránových rudách 4,47 10 9: 1600 , z ktorého je ľahké vypočítať (s prihliadnutím na atómové hmotnosti týchto prvkov), že na 1 tonu uránu pri dosiahnutí rádioaktívnej rovnováhy pripadá len 0,34 g rádia.

A naopak, ak poznáme pomer uránu a rádia v rudách, ako aj polčas rozpadu rádia, je možné určiť polčas rozpadu uránu a na určenie polčasu rozpadu rádia nie je potrebné počkať viac ako tisíc rokov - stačí zmerať (podľa jeho rádioaktivity) rýchlosť rozpadu (t.j. hodnotu .d N/d t) malé známe množstvo tohto prvku (so známym počtom atómov N) a potom podľa vzorca d N/d t = –N určiť hodnotu  = ln2/ T 1/2.

Zákon posunutia. Ak sú členy akéhokoľvek rádioaktívneho radu vynesené postupne do periodickej tabuľky prvkov, ukáže sa, že rádionuklidy v tomto rade neprechádzajú plynule z materského prvku (urán, tórium alebo neptúnium) na olovo alebo bizmut, ale „skočia“ doprava a potom doľava. V uránovej sérii sa teda dva nestabilné izotopy olova (prvok č. 82) premenia na izotopy bizmutu (prvok č. 83), potom na izotopy polónia (prvok č. 84) a potom opäť na izotopy olova. . V dôsledku toho sa rádioaktívny prvok často vracia späť do tej istej bunky tabuľky prvkov, ale vzniká izotop s inou hmotnosťou. Ukázalo sa, že v týchto „skokoch“ je istý vzor, ​​ktorý si v roku 1911 všimol F. Soddy.

Teraz je známe, že počas rozpadu  sa z jadra vyžaruje častica  (jadro atómu hélia), preto sa náboj jadra zníži o 2 (posun v periodickej tabuľke o dve bunky doľava) a hmotnostné číslo sa zníži o 4, čo nám umožňuje predpovedať, aký izotop nového prvku sa vytvorí. Ilustráciou môže byť -rozpad radónu:  + . Pri  rozpade sa naopak počet protónov v jadre zvýši o jeden, ale hmotnosť jadra sa nemení ( cm. RÁDIOAKTIVITA), t.j. dochádza k posunu v tabuľke prvkov o jednu bunku doprava. Príkladom sú dve po sebe nasledujúce premeny polónia vytvoreného z radónu:   . Je teda možné vypočítať, koľko častíc alfa a beta sa uvoľní napríklad v dôsledku rozpadu rádia-226 (pozri sériu uránu), ak neberieme do úvahy „vidličky“. Počiatočný nuklid, konečný nuklid - . Pokles hmotnosti (alebo skôr hmotnostného čísla, teda celkového počtu protónov a neutrónov v jadre) sa rovná 226 – 206 = 20, teda bolo emitovaných 20/4 = 5 alfa častíc. Tieto častice odniesli 10 protónov a ak by nedošlo k rozpadu , jadrový náboj konečného produktu rozpadu by sa rovnal 88 – 10 = 78. V skutočnosti je v konečnom produkte 82 protónov, preto pri premenách 4 neutróny sa zmenili na protóny a emitovali sa 4 častice .

Veľmi často po -rozpade nasledujú dva -rozpady a tak sa výsledný prvok vráti do pôvodnej bunky tabuľky prvkov - vo forme ľahšieho izotopu pôvodného prvku. Vďaka týmto skutočnostiam sa ukázalo, že periodický zákon D.I. Mendelejeva odráža vzťah medzi vlastnosťami prvkov a nábojom ich jadra, a nie ich hmotnosťou (ako to bolo pôvodne formulované, keď nebola známa štruktúra atómu).

Zákon rádioaktívneho vytesnenia bol nakoniec sformulovaný v roku 1913 ako výsledok usilovného výskumu mnohých vedcov. Medzi nimi boli pozoruhodní Soddyho asistent Alexander Fleck, Soddyho praktikant A.S. Russell, maďarský fyzikálny chemik a rádiochemik György Hevesy, ktorý v rokoch 1911–1913 spolupracoval s Rutherfordom na univerzite v Manchestri, a nemecký (a neskôr americký) fyzikálny chemik Casimir Fajans ( 1887 – 1975). Tento zákon sa často nazýva Soddy-Faienceov zákon.

Umelá premena prvkov a umelá rádioaktivita. Od čias Becquerela sa zistilo, že najbežnejšie látky, ktoré boli v blízkosti rádioaktívnych zlúčenín, sa stávajú viac-menej rádioaktívnymi. Rutherford to nazval „vzrušenou aktivitou“, Curiesovci to nazvali „vyvolanou aktivitou“, ale dlho nikto nedokázal vysvetliť podstatu tohto javu.

V roku 1919 Rutherford študoval prechod častíc alfa cez rôzne látky. Ukázalo sa, že keď rýchlo letiace -častice narážajú na jadrá ľahkých prvkov, napríklad dusíka, môžu sa z nich občas vyraziť rýchlo letiace protóny (jadrá vodíka), pričom samotná -častica sa stáva súčasťou jadra. , čo zvýši jeho náboj o jednu. Z dusíka teda v dôsledku reakcie +  + vzniká ďalší chemický prvok – kyslík (jeho ťažký izotop). Bola to prvá umelo vykonaná reakcia premeny jedného prvku na iný. Pri tomto, ako aj pri všetkých ostatných jadrových procesoch sa zachováva celkový náboj (dolné indexy) aj hmotnostné číslo, t.j. celkový počet protónov a neutrónov (horné indexy).

Splnil sa odveký sen alchymistov: človek sa naučil premieňať niektoré prvky na iné, hoci v Rutherfordových časoch nikto neočakával praktický výsledok tejto zručnosti. Na získanie α-častíc bolo skutočne potrebné mať ich zdroj, napríklad prípravok rádia. Horšie je, že na každý milión α-častíc uvoľnených na dusíku sa získalo v priemere iba 20 atómov kyslíka.

Postupom času sa realizovali ďalšie jadrové reakcie a mnohé z nich našli praktické využitie. V apríli 1932 na stretnutí Anglickej akadémie vied (Royal Society) Rutherford oznámil, že jeho laboratórium úspešne uskutočnilo reakcie štiepenia ľahkých prvkov (napríklad lítia) s protónmi. Na tento účel sa protóny získané z vodíka urýchľovali pomocou vysokého napätia, ktoré sa rovnalo desiatkam alebo dokonca stovkám tisíc voltov. Protóny, ktoré majú menší náboj a hmotnosť ako častice alfa, prenikajú do jadra ľahšie. Po zavedení do jadra lítium-7 ho protón premení na jadro berýlia-8, ktoré takmer okamžite „odhodí“ prebytočnú energiu a rozpadne sa na dve -častice: +  ()  2. Ak vezmeme izotop svetla lítia (v prírodnom lítiu je 7,5 %), potom vznikajú jadrá dvoch izotopov hélia: +  ()  + . Pri bombardovaní protónmi kyslíka sa získal fluór: +  + ; pri lúštení hliník – horčík: + + .

Uskutočnilo sa mnoho rôznych transformácií s deuterónmi, jadrami ťažkého izotopu vodíka deutéria, zrýchlenými na vysoké rýchlosti. Počas reakcie +  + tak prvýkrát vznikol superťažký vodík – trícium. Zrážka dvoch deuterónov môže prebiehať rôzne: +  + , tieto procesy sú dôležité pre štúdium možnosti riadenej termonukleárnej reakcie. Reakcia +  ()  2 sa ukázala ako dôležitá, pretože prebieha už pri relatívne nízkej energii deuterónov (0,16 MeV) a je sprevádzaná uvoľnením kolosálnej energie - 22,7 MeV (pripomeňme, že 1 MeV = 10 6 eV a 1 eV = 96,5 kJ/mol).

Reakcia, ktorá nastáva, keď je berýlium bombardované -časticami, získala veľký praktický význam: +  ()  + viedla v roku 1932 k objavu neutrálnej neutrónovej častice a rádium-berýliové neutrónové zdroje sa ukázali ako veľmi vhodné pre vedecký výskum. Neutróny s rôznymi energiami možno získať aj ako výsledok reakcií +  + ; +  + ; +  + . Neutróny, ktoré nemajú náboj, obzvlášť ľahko prenikajú do atómových jadier a spôsobujú rôzne procesy, ktoré závisia od spaľovaného nuklidu a od rýchlosti (energie) neutrónov. Pomalý neutrón teda môže jednoducho zachytiť jadro a jadro sa uvoľní z nejakej prebytočnej energie vyžiarením gama kvanta, napríklad: +  + . Táto reakcia je široko používaná v jadrových reaktoroch na riadenie štiepnej reakcie uránu: do jadrového kotla sa vtláčajú kadmiové tyče alebo platne, aby sa reakcia spomalila.

V roku 1934 manželia Irene a Frederic Joliot-Curieovci urobili dôležitý objav. Po bombardovaní niektorých ľahkých prvkov alfa časticami (polónium ich emitovalo) očakávali reakciu podobnú tej, ktorá je už známa pre berýlium, t.j. vyraďovanie neutrónov, napr.

Ak by sa záležitosť obmedzila na tieto premeny, potom po zastavení -žiarenia by tok neutrónov mal okamžite vyschnúť, takže po odstránení zdroja polónia očakávali zastavenie všetkej aktivity, ale zistili, že počítadlo častíc pokračuje. registrovať impulzy, ktoré postupne slabli – presne v súlade s exponenciálnym zákonom. Dalo by sa to interpretovať iba jedným spôsobom: v dôsledku ožiarenia alfa sa objavili predtým neznáme rádioaktívne prvky s charakteristickým polčasom rozpadu 10 minút pre dusík-13 a 2,5 minúty pre fosfor-30. Ukázalo sa, že tieto prvky podliehajú rozpadu pozitrónov:  + e + ,  + e + . Zaujímavé výsledky boli získané s horčíkom, reprezentovaným tromi stabilnými prírodnými izotopmi, a ukázalo sa, že po -žiarení všetky poskytujú rádioaktívne nuklidy kremíka alebo hliníka, ktoré podliehajú 227- alebo pozitrónovému rozpadu:

Výroba umelých rádioaktívnych prvkov má veľký praktický význam, pretože umožňuje syntézu rádionuklidov s polčasom rozpadu vhodným pre konkrétny účel a požadovaný typ žiarenia s určitým výkonom. Obzvlášť vhodné je použiť neutróny ako „projektily“. Zachytenie neutrónu jadrom ho často robí tak nestabilným, že nové jadro sa stáva rádioaktívnym. Môže sa stať stabilným v dôsledku premeny „extra“ neutrónu na protón, to znamená v dôsledku žiarenia 227; Takýchto reakcií je známych veľa, napr.: +   + e. Veľmi dôležitá je reakcia tvorby rádioaktívneho uhlíka v horných vrstvách atmosféry: +  + ( cm. METÓDA RÁDIOkarbónovej analýzy). Trícium sa syntetizuje absorpciou pomalých neutrónov jadrami lítia-6. Mnohé jadrové premeny možno dosiahnuť vplyvom rýchlych neutrónov, napríklad: +  + ; +  + ; +  + . Ožiarením obyčajného kobaltu neutrónmi sa teda získa rádioaktívny kobalt-60, ktorý je silným zdrojom gama žiarenia (uvoľňuje sa produktom rozpadu 60 Co - excitovaných jadier). Niektoré transuránové prvky sa vyrábajú ožarovaním neutrónmi. Napríklad z prírodného uránu-238 najskôr vzniká nestabilný urán-239, ktorý sa pri  rozpadu ( T 1/2 = 23,5 min) sa premení na prvý transuránový prvok neptunium-239 a ten zase aj prostredníctvom -rozpadu ( T 1/2 = 2,3 dňa) sa zmení na veľmi dôležité takzvané zbraňové plutónium-239.

Je možné umelo získať zlato vykonaním potrebnej jadrovej reakcie a dosiahnuť tak to, čo sa nepodarilo alchymisti? Teoreticky tomu nebránia žiadne prekážky. Navyše, takáto syntéza už bola vykonaná, ale nepriniesla bohatstvo. Najjednoduchší spôsob, ako umelo vyrobiť zlato, by bolo ožarovať ortuť, prvok v periodickej tabuľke po zlate, prúdom neutrónov. Potom by v dôsledku reakcie +  + neutrón vyrazil protón z atómu ortuti a zmenil ho na atóm zlata. Táto reakcia neuvádza konkrétne hmotnostné čísla ( A) nuklidy ortuti a zlata. Zlato v prírode je jediným stabilným nuklidom a prírodná ortuť je komplexná zmes izotopov A= 196 (0,15 %), 198 (9,97 %), 199 (1,87 %), 200 (23,10 %), 201 (13,18 %), 202 (29,86 %) a 204 (6,87 %). V dôsledku toho je možné podľa vyššie uvedenej schémy získať iba nestabilné rádioaktívne zlato. Získala ho skupina amerických chemikov z Harvardskej univerzity začiatkom roku 1941 ožarovaním ortuti prúdom rýchlych neutrónov. Po niekoľkých dňoch sa všetky výsledné rádioaktívne izotopy zlata prostredníctvom beta rozpadu opäť zmenili na pôvodné izotopy ortuti...

Existuje však aj iný spôsob: ak sú atómy ortuti-196 ožiarené pomalými neutrónmi, premenia sa na atómy ortuti-197: +  + . Tieto atómy s polčasom rozpadu 2,7 dňa podliehajú záchytu elektrónov a nakoniec sa transformujú na stabilné atómy zlata: + e  . Túto transformáciu vykonali v roku 1947 zamestnanci Národného laboratória v Chicagu. Ožiarením 100 mg ortuti pomalými neutrónmi získali 0,035 mg 197Au. V pomere k všetkej ortuti je výťažok veľmi malý - iba 0,035%, ale v pomere k 196Hg dosahuje 24%! Izotop 196 Hg v prírodnej ortuti je však práve najmenej, navyše samotný proces ožarovania a jeho trvanie (ožarovanie si vyžiada niekoľko rokov) a izolácia stabilného „syntetického zlata“ z komplexnej zmesi bude stáť neúmerne viac ako izolácia zlata od najchudobnejšej rudy ( pozri tiež ZLATO). Takže umelá produkcia zlata má len čisto teoretický význam.

Kvantitatívne vzorce rádioaktívnych premien. Ak by bolo možné sledovať konkrétne nestabilné jadro, nebolo by možné predpovedať, kedy sa rozpadne. Ide o náhodný proces a iba v určitých prípadoch možno posúdiť pravdepodobnosť rozpadu za určité časové obdobie. Avšak aj to najmenšie zrnko prachu, takmer neviditeľné pod mikroskopom, obsahuje obrovské množstvo atómov, a ak sú tieto atómy rádioaktívne, potom sa ich rozpad riadi prísnymi matematickými zákonmi: vstupujú do platnosti štatistické zákony charakteristické pre veľmi veľký počet objektov. . A potom môže byť každý rádionuklid charakterizovaný veľmi špecifickou hodnotou - polčasom rozpadu ( T 1/2) je čas, počas ktorého sa rozpadne polovica dostupného počtu jadier. Ak v počiatočnom momente existoval N 0 jadier, potom po chvíli t = T 1/2 z nich zostane N 0/2, o t = 2T 1/2 zostane N 0/4 = N 0/2 2, o t = 3T 1/2 – N 0/8 = N 0/2 3 atď. Vo všeobecnosti, kedy t = nT 1/2 zostane N 0/2 n jadrá, kde n = t/T 1/2 je počet polčasov (nemusí to byť celé číslo). Je ľahké ukázať, že vzorec N = N 0/2 t / T 1/2 je ekvivalentná vzorcu N = N 0e –   t, kde  je takzvaná rozpadová konštanta. Formálne je definovaný ako koeficient úmernosti medzi mierou rozpadu d N/d t a dostupný počet jadier: d N/d t = –N(znamienko mínus to naznačuje Nčasom klesá). Integrácia tejto diferenciálnej rovnice dáva exponenciálnu závislosť počtu jadier od času. Nahradenie do tohto vzorca N = N 0/2 o t = T 1/2, dostaneme, že rozpadová konštanta je nepriamo úmerná polčasu rozpadu:  = ln2/ T 1/2 = 0,693/T 1/2. Hodnota  = 1/ sa nazýva priemerná doba života jadra. Napríklad pre 226 Ra T 1/2 = 1600 rokov,  = 1109 rokov.

Podľa daných vzorcov, poznať hodnotu T 1/2 (alebo ), je ľahké vypočítať množstvo rádionuklidu po akomkoľvek časovom období a z nich môžete vypočítať polčas rozpadu, ak je množstvo rádionuklidu známe v rôznych časových bodoch. Namiesto počtu jadier môžete do vzorca dosadiť radiačnú aktivitu, ktorá je priamo úmerná dostupnému počtu jadier N. Aktivita je zvyčajne charakterizovaná nie celkovým počtom rozpadov vo vzorke, ale jemu úmerným počtom impulzov, ktoré sú zaznamenané prístrojom na meranie aktivity. Ak je tam napríklad 1 g rádioaktívnej látky, tak čím kratší je jej polčas, tým bude látka aktívnejšia.

Iné matematické zákony popisujú správanie malého počtu rádionuklidov. Tu môžeme hovoriť len o pravdepodobnosti konkrétnej udalosti. Nech je napríklad jeden atóm (presnejšie jedno jadro) rádionuklidu s T 1/2 = 1 min. Pravdepodobnosť, že tento atóm bude žiť 1 minútu, je 1/2 (50 %), 2 minúty – 1/4 (25 %), 3 minúty – 1/8 (12,5 %), 10 minút – (1/2) 10 = 1/10 24 (0,1 %), 20 min – (1/2) 20 = 1/1048576 (0,00001 %). Pre jeden atóm je šanca zanedbateľná, ale keď je atómov veľa, napríklad niekoľko miliárd, potom mnohé z nich nepochybne prežijú 20 polčasov rozpadu alebo oveľa viac. Pravdepodobnosť, že sa atóm za určitý čas rozpadne, sa získa odpočítaním získaných hodnôt od 100. Ak je teda pravdepodobnosť, že atóm prežije 2 minúty, 25 %, potom pravdepodobnosť, že sa ten istý atóm rozpadne počas tohto obdobia čas je 100 - 25 = 75%, pravdepodobnosť rozpadu do 3 minút - 87,5%, do 10 minút - 99,9% atď.

Vzorec sa stáva komplikovanejším, ak existuje niekoľko nestabilných atómov. V tomto prípade je štatistická pravdepodobnosť udalosti opísaná vzorcom s binomickými koeficientmi. Ak tu N atómov a pravdepodobnosť rozpadu jedného z nich v priebehu času t rovná p, potom pravdepodobnosť, že počas doby t od N atómy sa rozpadnú n(a podľa toho aj zostane N – n), rovná sa P = N!p n (1–p) N – n /(N–n)!n! Podobné vzorce sa musia používať pri syntéze nových nestabilných prvkov, ktorých atómy sa získavajú doslova jednotlivo (napr. keď skupina amerických vedcov v roku 1955 objavila nový prvok Mendelevium, získali ho v množstve iba 17 atómov ).

Bola to jedna z najdôležitejších etáp vo vývoji moderného fyzikálneho poznania. Vedci okamžite nedospeli k správnym záverom o štruktúre najmenších častíc. A oveľa neskôr boli objavené ďalšie zákony - napríklad zákony pohybu mikročastíc, ako aj znaky transformácie atómových jadier, ktoré sa vyskytujú počas rádioaktívneho rozpadu.

Rutherfordove experimenty

Rádioaktívne premeny atómových jadier prvýkrát študoval anglický výskumník Rutherford. Už vtedy bolo jasné, že prevažná časť hmotnosti atómu leží v jeho jadre, pretože elektróny sú stokrát ľahšie ako nukleóny. Aby bolo možné študovať kladný náboj vo vnútri jadra, v roku 1906 Rutherford navrhol sondovať atóm pomocou častíc alfa. Takéto častice vznikli pri rozpade rádia, ale aj niektorých ďalších látok. Počas svojich experimentov Rutherford pochopil štruktúru atómu, ktorý dostal názov „planetárny model“.

Prvé pozorovania rádioaktivity

Ešte v roku 1985 urobil anglický výskumník W. Ramsay, ktorý je známy objavom argónového plynu, zaujímavý objav. Objavil plyn hélium v ​​minerále zvanom kleveit. Následne sa veľké množstvo hélia našlo aj v iných mineráloch, ale len v tých, ktoré obsahovali tórium a urán.

Výskumníkovi sa to zdalo veľmi zvláštne: odkiaľ by sa v mineráloch mohol vziať plyn? Ale keď Rutherford začal študovať povahu rádioaktivity, ukázalo sa, že hélium je produktom rádioaktívneho rozpadu. Niektoré chemické prvky „rodia“ iné s úplne novými vlastnosťami. A táto skutočnosť odporovala všetkým doterajším skúsenostiam vtedajších chemikov.

Postreh Fredericka Soddyho

Spolu s Rutherfordom sa do výskumu priamo zapojil aj vedec Frederick Soddy. Bol chemikom, a preto sa všetka jeho práca vykonávala v súvislosti s identifikáciou chemických prvkov podľa ich vlastností. V skutočnosti si rádioaktívne premeny atómových jadier prvýkrát všimol Soddy. Podarilo sa mu zistiť, aké sú alfa častice, ktoré Rutherford používal pri svojich experimentoch. Po vykonaní meraní vedci zistili, že hmotnosť jednej častice alfa sú 4 atómové hmotnostné jednotky. Po nahromadení určitého počtu takýchto alfa častíc vedci zistili, že sa zmenili na novú látku - hélium. Vlastnosti tohto plynu boli Soddymu dobre známe. Preto tvrdil, že častice alfa sú schopné zachytiť elektróny zvonku a premeniť sa na neutrálne atómy hélia.

Zmeny vo vnútri jadra atómu

Nasledujúce štúdie boli zamerané na identifikáciu znakov atómového jadra. Vedci si uvedomili, že všetky transformácie sa nevyskytujú s elektrónmi alebo elektrónovým obalom, ale priamo so samotnými jadrami. Práve rádioaktívne premeny atómových jadier prispeli k premene niektorých látok na iné. V tom čase boli rysy týchto premien pre vedcov ešte neznáme. Jedna vec však bola jasná: v dôsledku toho sa nejakým spôsobom objavili nové chemické prvky.

Vedci boli prvýkrát schopní vysledovať takýto reťazec metamorfóz v procese premeny rádia na radón. Reakcie, ktoré mali za následok takéto premeny sprevádzané špeciálnym žiarením, vedci nazvali jadrové. Vedci, ktorí sa uistili, že všetky tieto procesy prebiehajú presne vo vnútri jadra atómu, začali študovať aj iné látky, nielen rádium.

Otvorené typy žiarenia

Hlavnou disciplínou, ktorá môže vyžadovať odpovede na takéto otázky, je fyzika (9. ročník). V jej priebehu sú zahrnuté rádioaktívne premeny atómových jadier. Počas experimentov s prenikavou silou uránového žiarenia Rutherford objavil dva typy žiarenia alebo rádioaktívne premeny. Menej prenikavý typ sa nazýval alfa žiarenie. Neskôr sa skúmalo aj beta žiarenie. Gama žiarenie prvýkrát študoval Paul Villard v roku 1900. Vedci dokázali, že fenomén rádioaktivity súvisí s rozpadom atómových jadier. Doterajšie prevládajúce predstavy o atóme ako nedeliteľnej častici tak dostali zdrvujúci úder.

Rádioaktívne premeny atómových jadier: hlavné typy

Teraz sa verí, že počas rádioaktívneho rozpadu dochádza k trom typom transformácií: alfa rozpad, beta rozpad a záchyt elektrónov, inak nazývaný K-záchyt. Počas rozpadu alfa sa z jadra, ktoré je jadrom atómu hélia, uvoľňuje alfa častica. Samotné rádioaktívne jadro sa premení na jadro, ktoré má nižší elektrický náboj. Alfa rozpad je charakteristický pre látky, ktoré zaberajú posledné miesta v periodickej tabuľke. Beta rozpad je tiež zahrnutý do rádioaktívnych premien atómových jadier. Zloženie atómového jadra s týmto typom sa tiež mení: stráca neutrína alebo antineutrína, ako aj elektróny a pozitróny.

Tento typ rozpadu je sprevádzaný krátkovlnným elektromagnetickým žiarením. Pri zachytávaní elektrónov jadro atómu absorbuje jeden z blízkych elektrónov. V tomto prípade sa jadro berýlia môže zmeniť na jadro lítia. Tento typ objavil v roku 1938 americký fyzik Alvarez, ktorý tiež študoval rádioaktívne premeny atómových jadier. Fotografie, na ktorých sa vedci snažili zachytiť takéto procesy, obsahujú obrázky podobné rozmazanému oblaku kvôli malej veľkosti skúmaných častíc.

V roku 1900 povedal Rutherford anglickému rádiochemikovi Frederickovi Soddymu o záhadnom thoróne. Soddy dokázal, že thoron bol inertný plyn podobný argónu, objavený pred niekoľkými rokmi vo vzduchu; bol to jeden z izotopov radónu, 220 Rn. Emanácia rádia, ako sa neskôr ukázalo, sa ukázala byť ďalším izotopom radónu - 222 Rn (polčas rozpadu T 1/2 = 3,825 dňa) a emanácia aktínia je krátkodobý izotop toho istého prvku: 219 Rn ( T 1/2 = 4 s). Okrem toho Rutherford a Soddy izolovali nový neprchavý prvok z produktov transformácie tória, ktorý sa svojimi vlastnosťami líši od tória. Nazývalo sa tórium X (neskôr sa zistilo, že išlo o izotop rádia 224 Ra c T 1/2 = 3,66 dňa). Ako sa ukázalo, „emanácia tória“ sa uvoľňuje práve z tória X a nie z pôvodného tória. Podobné príklady sa množili: v pôvodne chemicky dôkladne vyčistenom uráne alebo tóriu sa časom objavila prímes rádioaktívnych prvkov, z ktorých sa zase získavali nové rádioaktívne prvky, vrátane plynných. A-častice uvoľnené z mnohých rádioaktívnych liečiv sa tak zmenili na plyn identický s héliom, ktorý bol objavený koncom 60. rokov 19. storočia na Slnku (spektrálna metóda) a v roku 1882 objavený v niektorých horninách.

Výsledky ich spoločnej práce publikovali Rutherford a Soddy v rokoch 1902–1903 v množstve článkov vo Philosophical Magazine. V týchto článkoch po analýze získaných výsledkov autori dospeli k záveru, že je možné transformovať niektoré chemické prvky na iné. Napísali: „Rádioaktivita je atómový jav, sprevádzaný chemickými zmenami, pri ktorých sa rodia nové druhy hmoty... Rádioaktivitu treba považovať za prejav vnútroatómového chemického procesu... Žiarenie sprevádza premenu atómov.. V dôsledku atómovej premeny vzniká úplne nový typ látky, úplne odlišný svojimi fyzikálnymi a chemickými vlastnosťami od pôvodnej látky."

V tom čase boli tieto závery veľmi odvážne; iní významní vedci vrátane Curieovcov, hoci pozorovali podobné javy, ich vysvetľovali prítomnosťou „nových“ prvkov v pôvodnej látke od samého začiatku (napr. Curie izoloval z uránovej rudy v nej obsiahnuté polónium a rádium). Napriek tomu sa ukázalo, že Rutherford a Soddy mali pravdu: rádioaktivita je sprevádzaná premenou niektorých prvkov na iné

Zdalo sa, že sa rúca neotrasiteľné: nemennosť a nedeliteľnosť atómov, pretože od čias Boyla a Lavoisiera chemici dospeli k záveru o nerozložiteľnosti chemických prvkov (ako vtedy povedali „jednoduché telesá“, stavebné kamene vesmíru), o nemožnosti ich vzájomnej premeny. O tom, čo sa odohrávalo v hlavách vtedajších vedcov, jasne svedčia výroky D. I. Mendelejeva, ktorý si pravdepodobne myslel, že možnosť „transmutácie“ prvkov, o ktorej alchymisti hovorili už stáročia, zničí harmonický systém chemikálie, ktoré vytvoril a boli uznávané po celom svete.prvky. V učebnici vydanej v roku 1906 Základy chémie napísal: „... nie som vôbec naklonený (na základe tvrdej, ale plodnej disciplíny induktívneho poznania) uznávať čo i len hypotetickú konvertibilitu niektorých prvkov do seba a nevidím žiadnu možnosť vzniku argón alebo rádioaktívne látky z uránu alebo naopak.“

Čas ukázal klam Mendelejevových názorov na nemožnosť premeny niektorých chemických prvkov na iné; zároveň potvrdila nedotknuteľnosť jeho hlavného objavu – periodického zákona. Následné práce fyzikov a chemikov ukázali, v ktorých prípadoch sa niektoré prvky môžu premeniť na iné a aké prírodné zákony tieto premeny riadia.

Transformácie prvkov. Rádioaktívna séria.

Počas prvých dvoch desaťročí 20. storočia. Vďaka práci mnohých fyzikov a rádiochemikov bolo objavených veľa rádioaktívnych prvkov. Postupne sa ukázalo, že produkty ich premeny sú často samy o sebe rádioaktívne a podliehajú ďalším premenám, niekedy dosť zložitým. Poznanie poradia, v ktorom sa jeden rádionuklid transformuje na iný, umožnilo zostaviť takzvané prirodzené rádioaktívne série (alebo rádioaktívne rodiny). Boli tri a nazývali sa uránový rad, aktínový rad a tóriový rad. Tieto tri rady vznikli z ťažkých prírodných prvkov – uránu, známeho od 18. storočia, a tória objaveného v roku 1828 (nestabilné aktínium nie je predchodcom, ale medzičlánkom aktiniového radu). Neskôr k nim pribudla neptuniová séria, počnúc prvým transuránovým prvkom č.93, umelo získaným v roku 1940, neptúniom. Mnohé produkty ich premeny boli tiež pomenované podľa pôvodných prvkov a napísali tieto schémy:

Uránová séria: UI ® UХ1 ® UХ2 ® UII ® Io (ion) ® Ra ® ... ® RaG.

Séria morských sasaniek: AcU ® UY ® Pa ® Ac ® AcK ® AcX ® An ® AcA ® AcB ® AcC ® AcC"" ® AcD.

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

Ako sa ukázalo, tieto riadky nie sú vždy „priame“ reťazce: z času na čas sa vetvia. Takže UX2 s pravdepodobnosťou 0,15% sa môže zmeniť na UZ, potom ide do UII. Podobne aj ThC sa môže rozkladať dvoma spôsobmi: transformácia ThC ® ThC" nastáva pri 66,3 % a súčasne s pravdepodobnosťou 33,7 % nastáva proces ThC ® ThC"" ® ThD. Ide o tzv. tzv. „forks“, paralelná premena jedného rádionuklidu na rôzne produkty Ťažkosti so stanovením správnej postupnosti rádioaktívnych premien v tejto sérii súviseli aj s veľmi krátkou životnosťou mnohých jej členov, najmä beta-aktívnych.

Kedysi sa každý nový člen rádioaktívneho radu považoval za nový rádioaktívny prvok a fyzici a rádiochemici preň zaviedli svoje vlastné označenia: iónium Io, mezotórium-1 MsTh1, aktinouránium AcU, tóriová emanácia ThEm atď. a tak ďalej. Tieto označenia sú ťažkopádne a nepohodlné, nemajú jasný systém. Niektoré z nich sa však stále niekedy tradične používajú v odbornej literatúre. Postupom času sa ukázalo, že všetky tieto symboly označujú nestabilné odrody atómov (presnejšie jadier) bežných chemických prvkov - rádionuklidov. Na rozlíšenie medzi chemicky neoddeliteľnými prvkami, ktoré sa líšia polčasom rozpadu (a často aj typom rozpadu), prvky F. Soddy v roku 1913 navrhol nazývať ich izotopmi.

Po priradení každého člena radu k jednému z izotopov známych chemických prvkov sa ukázalo, že uránový rad začína uránom-238 ( T 1/2 = 4,47 miliardy rokov) a končí stabilným olovom-206; keďže jedným z členov tohto radu je veľmi dôležitý prvok rádium), tento rad sa nazýva aj uránovo-rádiový rad. Aktiniová séria (jej iný názov je aktinouraniová séria) tiež pochádza z prírodného uránu, ale z jeho ďalšieho izotopu - 235 U ( T 1/2 = 794 miliónov rokov). Séria tórií začína nuklidom 232 Th ( T 1/2 = 14 miliárd rokov). Nakoniec neptuniová séria, ktorá sa v prírode nevyskytuje, začína umelo získaným izotopom neptúnia s najdlhšou životnosťou: 237 Np ® 233 Pa ® 233 U ® 229 Th ® 225 Ra ® 225 Ac ® 221 Fr ® 217 At ® 213 Bi® 213 Po® 209 Pb® 209 Bi. V tejto sérii je tiež „vidlička“: 213 Bi sa s 2% pravdepodobnosťou môže zmeniť na 209 Tl, ktoré sa už zmení na 209 Pb. Zaujímavejšou vlastnosťou série neptuniových je absencia plynných „emanácií“, ako aj koncový člen série – bizmut namiesto olova. Polčas rozpadu predchodcu tejto umelej série je „len“ 2,14 milióna rokov, takže neptúnium, aj keby bolo prítomné pri formovaní Slnečnej sústavy, by dodnes nemohlo „prežiť“, pretože Vek Zeme sa odhaduje na 4,6 miliardy rokov a počas tejto doby (viac ako 2000 polčasov rozpadu) by z neptúnia nezostal ani jeden atóm.

Napríklad Rutherford rozlúštil zložitú spleť udalostí v reťazci transformácie rádia (rádium-226 je šiestym členom rádioaktívnej série uránu-238). Diagram ukazuje symboly Rutherfordovej doby a moderné symboly pre nuklidy, ako aj typ rozpadu a moderné údaje o polčasoch rozpadu; vo vyššie uvedenej sérii je tiež malá „vidlička“: RaC s pravdepodobnosťou 0,04% sa môže premeniť na RaC""(210 Tl), ktorý sa potom zmení na rovnaký RaD ( T 1/2 = 1,3 min). Toto rádioaktívne olovo má pomerne dlhý polčas rozpadu, takže počas experimentu možno často ignorovať jeho ďalšie premeny.

Posledný člen tejto série, olovo-206 (RaG), je stabilný; v prírodnom olove je to 24,1 %. Tóriová séria vedie k stabilnému olovu-208 (jeho obsah v „obyčajnom“ olove je 52,4%), aktíniová séria vedie k olovu-207 (jeho obsah olova je 22,1%). Pomer týchto izotopov olova v súčasnej zemskej kôre samozrejme súvisí tak s polčasom rozpadu materských nuklidov, ako aj s ich počiatočným pomerom v materiáli, z ktorého vznikla Zem. A „obyčajného“, nerádiogénneho olova v zemskej kôre je len 1,4 %. Ak by teda na Zemi pôvodne nebol urán a tórium, olova v nej by nebolo 1,6 × 10 – 3 % (asi ako kobalt), ale 70-krát menej (ako napríklad také vzácne kovy ako indium a thulium!). Na druhej strane, imaginárny chemik, ktorý priletel na našu planétu pred niekoľkými miliardami rokov, by v nej našiel oveľa menej olova a oveľa viac uránu a tória...

Keď F. Soddy v roku 1915 izoloval olovo vzniknuté rozpadom tória z cejlonského minerálu thoritu (ThSiO 4), jeho atómová hmotnosť sa rovnala 207,77, teda viac ako má „obyčajné“ olovo (207,2). Toto je rozdiel od „teoretického“ (208) vysvetlený skutočnosťou, že thorit obsahoval určité množstvo uránu, ktorý produkuje olovo-206. Keď americký chemik Theodore William Richards, odborník v oblasti merania atómových hmotností, izoloval olovo z niektorých uránových minerálov, ktoré neobsahovali tórium, ukázalo sa, že jeho atómová hmotnosť je takmer presne 206. Hustota tohto olova bola tiež o niečo menšia. , a zodpovedalo vypočítanému: r ( Pb) ґ 206/207,2 = 0,994r (Pb), kde r (Pb) = 11,34 g/cm3. Tieto výsledky jasne ukazujú, prečo pre olovo, rovnako ako pre množstvo iných prvkov, nemá zmysel merať atómovú hmotnosť s veľmi vysokou presnosťou: vzorky odobraté na rôznych miestach poskytnú mierne odlišné výsledky ( cm. UHLÍKOVÁ JEDNOTKA).

V prírode sa reťazce transformácií znázornené na diagramoch vyskytujú nepretržite. V dôsledku toho sa niektoré chemické prvky (rádioaktívne) premieňajú na iné a k takýmto premenám dochádzalo počas celého obdobia existencie Zeme. Počiatočné členy (nazývajú sa matka) rádioaktívnych sérií majú najdlhšiu životnosť: polčas rozpadu uránu-238 je 4,47 miliardy rokov, tória-232 je 14,05 miliardy rokov, uránu-235 (známeho aj ako „aktinouránium“) je predchodca aktiniovej série) – 703,8 miliónov rokov. Všetky nasledujúce („dcérske“) členovia tohto dlhého reťazca žijú podstatne kratšie. V tomto prípade nastáva stav, ktorý rádiochemici nazývajú „rádioaktívna rovnováha“: rýchlosť tvorby intermediárneho rádionuklidu z materského uránu, tória alebo aktínia (táto rýchlosť je veľmi nízka) sa rovná rýchlosti rozpadu tohto nuklidu. V dôsledku rovnosti týchto rýchlostí je obsah daného rádionuklidu konštantný a závisí len od jeho polčasu rozpadu: koncentrácia krátkodobých členov rádioaktívnej série je malá a koncentrácia dlhovekých členov je nízka. väčší. Táto stálosť obsahu medziproduktov rozpadu pretrváva veľmi dlho (tento čas je určený polčasom rozpadu materského nuklidu, ktorý je veľmi dlhý). Jednoduché matematické transformácie vedú k tomuto záveru: pomer počtu materských ( N 0) a deti ( N 1, N 2, N 3...) atómy sú priamo úmerné ich polčasom rozpadu: N 0:N 1:N 2:N 3... = T 0:T 1:T 2:T 3... Polčas rozpadu uránu-238 je teda 4,47 10 9 rokov, rádia 226 je 1600 rokov, preto je pomer počtu atómov uránu-238 a rádia-226 v uránových rudách 4,47 10 9: 1600 , z ktorého je ľahké vypočítať (s prihliadnutím na atómové hmotnosti týchto prvkov), že na 1 tonu uránu pri dosiahnutí rádioaktívnej rovnováhy pripadá len 0,34 g rádia.

A naopak, ak poznáme pomer uránu a rádia v rudách, ako aj polčas rozpadu rádia, je možné určiť polčas rozpadu uránu a na určenie polčasu rozpadu rádia nie je potrebné počkať viac ako tisíc rokov - stačí zmerať (podľa jeho rádioaktivity) rýchlosť rozpadu (t.j. hodnotu .d N/d t) malé známe množstvo tohto prvku (so známym počtom atómov N) a potom podľa vzorca d N/d t= –l N určiť hodnotu l = ln2/ T 1/2.

Zákon posunutia.

Ak sú členy akéhokoľvek rádioaktívneho radu vynesené postupne do periodickej tabuľky prvkov, ukáže sa, že rádionuklidy v tomto rade neprechádzajú plynule z materského prvku (urán, tórium alebo neptúnium) na olovo alebo bizmut, ale „skočia“ doprava a potom doľava. V uránovej sérii sa teda dva nestabilné izotopy olova (prvok č. 82) premenia na izotopy bizmutu (prvok č. 83), potom na izotopy polónia (prvok č. 84) a potom opäť na izotopy olova. . V dôsledku toho sa rádioaktívny prvok často vracia späť do tej istej bunky tabuľky prvkov, ale vzniká izotop s inou hmotnosťou. Ukázalo sa, že v týchto „skokoch“ je istý vzor, ​​ktorý si v roku 1911 všimol F. Soddy.

Dnes je známe, že pri -rozpade sa z jadra uvoľňuje a -častica (jadro atómu hélia), preto sa náboj jadra zníži o 2 (posun v periodickej tabuľke o dve bunky na vľavo) a hmotnostné číslo sa zníži o 4, čo nám umožňuje predpovedať, aký izotop nového prvku sa vytvorí. Ilustráciou je a -rozpad radónu: ® + . Pri b-rozpade sa naopak počet protónov v jadre zvýši o jeden, ale hmotnosť jadra sa nemení ( cm. RÁDIOAKTIVITA), t.j. dochádza k posunu v tabuľke prvkov o jednu bunku doprava. Príkladom sú dve po sebe nasledujúce premeny polónia vytvoreného z radónu: ® ® . Je teda možné vypočítať, koľko častíc alfa a beta sa uvoľní napríklad v dôsledku rozpadu rádia-226 (pozri sériu uránu), ak neberieme do úvahy „vidličky“. Počiatočný nuklid, konečný nuklid - . Pokles hmotnosti (alebo skôr hmotnostného čísla, teda celkového počtu protónov a neutrónov v jadre) sa rovná 226 – 206 = 20, teda bolo emitovaných 20/4 = 5 alfa častíc. Tieto častice odniesli 10 protónov a ak by nedošlo k rozpadu b, jadrový náboj konečného produktu rozpadu by sa rovnal 88 - 10 = 78. V skutočnosti je v konečnom produkte 82 protónov, preto počas transformácií sa 4 neutróny zmenili na protóny a emitovali sa 4 b častice.

Veľmi často po a-rozpade nasledujú dva b-rozpady a tým sa výsledný prvok vráti do pôvodnej bunky tabuľky prvkov - vo forme ľahšieho izotopu pôvodného prvku. Vďaka týmto skutočnostiam sa ukázalo, že periodický zákon D.I. Mendelejeva odráža vzťah medzi vlastnosťami prvkov a nábojom ich jadra, a nie ich hmotnosťou (ako to bolo pôvodne formulované, keď nebola známa štruktúra atómu).

Zákon rádioaktívneho vytesnenia bol nakoniec sformulovaný v roku 1913 ako výsledok usilovného výskumu mnohých vedcov. Medzi nimi boli pozoruhodní Soddyho asistent Alexander Fleck, Soddyho praktikant A.S. Russell, maďarský fyzikálny chemik a rádiochemik György Hevesy, ktorý v rokoch 1911–1913 spolupracoval s Rutherfordom na univerzite v Manchestri, a nemecký (a neskôr americký) fyzikálny chemik Casimir Fajans ( 1887–1975). Tento zákon sa často nazýva Soddy-Faienceov zákon.

Umelá premena prvkov a umelá rádioaktivita.

Uskutočnilo sa mnoho rôznych transformácií s deuterónmi, jadrami ťažkého izotopu vodíka deutéria, zrýchlenými na vysoké rýchlosti. Pri reakcii + ® + sa teda po prvý raz vyrobil superťažký vodík – trícium. Zrážka dvoch deuterónov môže prebiehať rôzne: + ® + , tieto procesy sú dôležité pre štúdium možnosti riadenej termonukleárnej reakcie. Reakcia + ® () ® 2 sa ukázala ako dôležitá, pretože prebieha už pri relatívne nízkej energii deuterónov (0,16 MeV) a je sprevádzaná uvoľnením kolosálnej energie - 22,7 MeV (pripomeňme, že 1 MeV = 10 6 eV a 1 eV = 96,5 kJ/mol).

Reakcia, ku ktorej dochádza pri bombardovaní berýlia a-časticami, získala veľký praktický význam: + ® () ® + viedla v roku 1932 k objavu neutrálnej neutrónovej častice a rádium-berýliové neutrónové zdroje sa ukázali ako veľmi vhodné pre vedecký výskum. Neutróny s rôznymi energiami možno získať aj ako výsledok reakcií + ® + ; +®+; + ® + . Neutróny, ktoré nemajú náboj, obzvlášť ľahko prenikajú do atómových jadier a spôsobujú rôzne procesy, ktoré závisia od spaľovaného nuklidu a od rýchlosti (energie) neutrónov. Pomalý neutrón teda môže jednoducho zachytiť jadro a jadro sa uvoľní z nejakej prebytočnej energie vyžarovaním gama kvanta, napríklad: + ® + g. Táto reakcia je široko používaná v jadrových reaktoroch na riadenie štiepnej reakcie uránu: do jadrového kotla sa vtláčajú kadmiové tyče alebo platne, aby sa reakcia spomalila.

Ak sa záležitosť obmedzila na tieto premeny, potom by po ukončení ožarovania mal neutrónový tok okamžite vyschnúť, takže po odstránení zdroja polónia očakávali zastavenie všetkej aktivity, ale zistili, že počítadlo častíc pokračovalo. registrovať impulzy, ktoré postupne vyhasli – presne v súlade s exponenciálnym zákonom. Dalo by sa to interpretovať iba jedným spôsobom: v dôsledku ožiarenia alfa sa objavili predtým neznáme rádioaktívne prvky s charakteristickým polčasom rozpadu 10 minút pre dusík-13 a 2,5 minúty pre fosfor-30. Ukázalo sa, že tieto prvky podliehajú rozpadu pozitrónov: ® + e + , ® + e + . Zaujímavé výsledky boli dosiahnuté s horčíkom reprezentovaným tromi stabilnými prírodnými izotopmi a ukázalo sa, že všetky po a-žiarení produkujú rádioaktívne nuklidy kremíka alebo hliníka, ktoré podliehajú 227- alebo pozitrónovému rozpadu:

Výroba umelých rádioaktívnych prvkov má veľký praktický význam, pretože umožňuje syntézu rádionuklidov s polčasom rozpadu vhodným pre konkrétny účel a požadovaný typ žiarenia s určitým výkonom. Obzvlášť vhodné je použiť neutróny ako „projektily“. Zachytenie neutrónu jadrom ho často robí tak nestabilným, že nové jadro sa stáva rádioaktívnym. Môže sa stať stabilným v dôsledku premeny „extra“ neutrónu na protón, to znamená v dôsledku žiarenia 227; Je známych veľa takýchto reakcií, napríklad: + ® ® + e. Veľmi dôležitá je reakcia tvorby rádioaktívneho uhlíka v horných vrstvách atmosféry: + ® + ( cm. METÓDA RÁDIOkarbónovej analýzy). Trícium sa syntetizuje absorpciou pomalých neutrónov jadrami lítia-6. Mnohé jadrové premeny možno dosiahnuť vplyvom rýchlych neutrónov, napríklad: + ® + ; +®+; + ® + . Ožiarením obyčajného kobaltu neutrónmi sa teda získa rádioaktívny kobalt-60, ktorý je silným zdrojom gama žiarenia (uvoľňuje sa produktom rozpadu 60 Co - excitovaných jadier). Niektoré transuránové prvky sa vyrábajú ožarovaním neutrónmi. Napríklad z prírodného uránu-238 sa najskôr vytvorí nestabilný urán-239, ktorý pri rozpade b ( T 1/2 = 23,5 min) sa premení na prvý transuránový prvok neptunium-239 a ten zase tiež prostredníctvom b-rozpadu ( T 1/2 = 2,3 dňa) sa zmení na veľmi dôležité takzvané zbraňové plutónium-239.

Je možné umelo získať zlato vykonaním potrebnej jadrovej reakcie a dosiahnuť tak to, čo sa nepodarilo alchymisti? Teoreticky tomu nebránia žiadne prekážky. Navyše, takáto syntéza už bola vykonaná, ale nepriniesla bohatstvo. Najjednoduchším spôsobom umelej výroby zlata by bolo ožiarenie prvku vedľa zlata v periodickej tabuľke prúdom neutrónov. Potom v dôsledku reakcie + ® + neutrón vyradí protón z atómu ortuti a zmení ho na atóm zlata. Táto reakcia neuvádza konkrétne hmotnostné čísla ( A) nuklidy ortuti a zlata. Zlato v prírode je jediným stabilným nuklidom a prírodná ortuť je komplexná zmes izotopov A= 196 (0,15 %), 198 (9,97 %), 199 (1,87 %), 200 (23,10 %), 201 (13,18 %), 202 (29,86 %) a 204 (6,87 %). V dôsledku toho je možné podľa vyššie uvedenej schémy získať iba nestabilné rádioaktívne zlato. Získala ho skupina amerických chemikov z Harvardskej univerzity začiatkom roku 1941 ožarovaním ortuti prúdom rýchlych neutrónov. Po niekoľkých dňoch sa všetky výsledné rádioaktívne izotopy zlata prostredníctvom beta rozpadu opäť zmenili na pôvodné izotopy ortuti...

Existuje však aj iný spôsob: ak sú atómy ortuti-196 ožiarené pomalými neutrónmi, premenia sa na atómy ortuti-197: + ® + g. Tieto atómy s polčasom rozpadu 2,7 dňa podliehajú záchytu elektrónov a nakoniec sa transformujú na stabilné atómy zlata: + e ® . Túto transformáciu vykonali v roku 1947 zamestnanci Národného laboratória v Chicagu. Ožiarením 100 mg ortuti pomalými neutrónmi získali 0,035 mg 197Au. V pomere k všetkej ortuti je výťažok veľmi malý - iba 0,035%, ale v pomere k 196Hg dosahuje 24%! Izotop 196 Hg v prírodnej ortuti je však práve najmenej, navyše samotný proces ožarovania a jeho trvanie (ožarovanie si vyžiada niekoľko rokov) a izolácia stabilného „syntetického zlata“ z komplexnej zmesi bude stáť neúmerne viac ako izolácia zlata od najchudobnejšej rudy(). Takže umelá produkcia zlata má len čisto teoretický význam.

Kvantitatívne vzorce rádioaktívnych premien.

Ak by bolo možné sledovať konkrétne nestabilné jadro, nebolo by možné predpovedať, kedy sa rozpadne. Ide o náhodný proces a iba v určitých prípadoch možno posúdiť pravdepodobnosť rozpadu za určité časové obdobie. Avšak aj to najmenšie zrnko prachu, takmer neviditeľné pod mikroskopom, obsahuje obrovské množstvo atómov, a ak sú tieto atómy rádioaktívne, potom sa ich rozpad riadi prísnymi matematickými zákonmi: vstupujú do platnosti štatistické zákony charakteristické pre veľmi veľký počet objektov. . A potom môže byť každý rádionuklid charakterizovaný veľmi špecifickou hodnotou - polčasom rozpadu ( T 1/2) je čas, počas ktorého sa rozpadne polovica dostupného počtu jadier. Ak v počiatočnom momente existoval N 0 jadier, potom po chvíli t = T 1/2 z nich zostane N 0/2, o t = 2T 1/2 zostane N 0/4 = N 0/2 2, o t = 3T 1/2 – N 0/8 = N 0/2 3 atď. Vo všeobecnosti, kedy t = nT 1/2 zostane N 0/2 n jadrá, kde n = t/T 1/2 je počet polčasov (nemusí to byť celé číslo). Je ľahké ukázať, že vzorec N = N 0/2 t/T 1/2 je ekvivalentná vzorcu N = N 0e – l t, kde l je takzvaná rozpadová konštanta. Formálne je definovaný ako koeficient úmernosti medzi mierou rozpadu d N/d t a dostupný počet jadier: d N/d t= – l N(znamienko mínus to naznačuje Nčasom klesá). Integrácia tejto diferenciálnej rovnice dáva exponenciálnu závislosť počtu jadier od času. Nahradenie do tohto vzorca N = N 0/2 o t = T 1/2, dostaneme, že rozpadová konštanta je nepriamo úmerná polčasu rozpadu: l = ln2/ T 1/2 = 0,693/T 1/2. Hodnota t = 1/ l sa nazýva priemerná doba života jadra. Napríklad pre 226 Ra T 1/2 = 1600 rokov, t = 1109 rokov.

Podľa daných vzorcov, poznať hodnotu T 1/2 (alebo l), je ľahké vypočítať množstvo rádionuklidu po akomkoľvek časovom období a môžete ich použiť aj na výpočet polčasu rozpadu, ak je množstvo rádionuklidu známe v rôznych časoch. Namiesto počtu jadier môžete do vzorca dosadiť radiačnú aktivitu, ktorá je priamo úmerná dostupnému počtu jadier N. Aktivita je zvyčajne charakterizovaná nie celkovým počtom rozpadov vo vzorke, ale jemu úmerným počtom impulzov, ktoré sú zaznamenané prístrojom na meranie aktivity. Ak je tam napríklad 1 g rádioaktívnej látky, tak čím kratší je jej polčas, tým bude látka aktívnejšia.

Iné matematické zákony popisujú správanie malého počtu rádionuklidov. Tu môžeme hovoriť len o pravdepodobnosti konkrétnej udalosti. Nech je napríklad jeden atóm (presnejšie jedno jadro) rádionuklidu s T 1/2 = 1 min. Pravdepodobnosť, že tento atóm bude žiť 1 minútu, je 1/2 (50 %), 2 minúty – 1/4 (25 %), 3 minúty – 1/8 (12,5 %), 10 minút – (1/2) 10 = 1/10 24 (0,1 %), 20 min – (1/2) 20 = 1/1048576 (0,00001 %). Pre jeden atóm je šanca zanedbateľná, ale keď je atómov veľa, napríklad niekoľko miliárd, potom mnohé z nich nepochybne prežijú 20 polčasov rozpadu alebo oveľa viac. Pravdepodobnosť, že sa atóm za určitý čas rozpadne, sa získa odpočítaním získaných hodnôt od 100. Ak je teda pravdepodobnosť, že atóm prežije 2 minúty, 25 %, potom pravdepodobnosť, že sa ten istý atóm rozpadne počas tohto obdobia čas je 100 - 25 = 75%, pravdepodobnosť rozpadu do 3 minút - 87,5%, do 10 minút - 99,9% atď.

Vzorec sa stáva komplikovanejším, ak existuje niekoľko nestabilných atómov. V tomto prípade je štatistická pravdepodobnosť udalosti opísaná vzorcom s binomickými koeficientmi. Ak tu N atómov a pravdepodobnosť rozpadu jedného z nich v priebehu času t rovná p, potom pravdepodobnosť, že počas doby t od N atómy sa rozpadnú n(a podľa toho aj zostane N – n), rovná sa P = N!p n(1–p) N–n /(N–n)!n! Podobné vzorce sa musia používať pri syntéze nových nestabilných prvkov, ktorých atómy sa získavajú doslova jednotlivo (napr. keď skupina amerických vedcov v roku 1955 objavila nový prvok Mendelevium, získali ho v množstve iba 17 atómov ).

Použitie tohto vzorca možno ilustrovať na konkrétnom prípade. Nech je napr N= 16 atómov s polčasom rozpadu 1 hodina. Môžete vypočítať pravdepodobnosť rozpadu určitého počtu atómov, napríklad v čase t= 4 hodiny. Pravdepodobnosť, že jeden atóm prežije tieto 4 hodiny, je 1/2 4 = 1/16, respektíve pravdepodobnosť jeho rozpadu počas tejto doby R= 1 – 1/16 = 15/16. Nahradením týchto počiatočných údajov do vzorca získate: R = 16!(15/16) n (1/16) 16–n /(16–n)!n! = 16!15 n /2 64 (16–n)!n! Výsledky niektorých výpočtov sú uvedené v tabuľke:

Zo 16 atómov po 4 hodinách (4 polčasy rozpadu) teda nezostane ani jeden, ako by sa dalo predpokladať: pravdepodobnosť tejto udalosti je len 38,4 %, hoci je väčšia ako pravdepodobnosť akéhokoľvek iného výsledku. Ako vidno z tabuľky, pravdepodobnosť, že sa rozpadne všetkých 16 atómov (35,2 %) alebo len 14 z nich, je tiež veľmi vysoká. Pravdepodobnosť, že po 4 polčasoch rozpadu zostanú všetky atómy „živé“ (ani jeden sa nerozpadol), je však zanedbateľná. Je jasné, že ak nie je 16 atómov, ale povedzme 10 20, potom môžeme s takmer 100% istotou povedať, že po 1 hodine zostane polovica ich počtu, po 2 hodinách štvrtina atď. To znamená, že čím viac atómov je, tým presnejšie ich rozpad zodpovedá exponenciálnemu zákonu.

Početné experimenty uskutočnené od čias Becquerela ukázali, že rýchlosť rádioaktívneho rozpadu prakticky nie je ovplyvnená teplotou, tlakom alebo chemickým stavom atómu. Výnimky sú veľmi zriedkavé; V prípade záchytu elektrónov teda hodnota T 1/2 sa mierne mení, keď sa mení oxidačný stav prvku. Napríklad rozpad 7 BeF 2 nastáva približne o 0,1 % pomalšie ako 7 BeO alebo kovový 7 Be.

Celkový počet známych nestabilných jadier – rádionuklidov – sa blíži k dvom tisíckam, ich životnosť sa pohybuje vo veľmi širokých medziach. Sú známe rádionuklidy s dlhou životnosťou, ktorých polčasy sú milióny a dokonca miliardy rokov, ako aj rádionuklidy s krátkou životnosťou, ktoré sa úplne rozpadajú v nepatrných zlomkoch sekundy. Polčasy rozpadu niektorých rádionuklidov sú uvedené v tabuľke.

Vlastnosti niektorých rádionuklidov (pre Tc, Pm, Po a všetky nasledujúce prvky, ktoré nemajú stabilné izotopy, sú uvedené údaje pre ich izotopy s najdlhšou životnosťou).

Najkratší známy nuklid je 5 Li: jeho životnosť je 4,4·10 –22 s). Počas tejto doby prejde rovnomerné svetlo len 10–11 cm, t.j. vzdialenosť len niekoľko desiatok krát väčšia ako priemer jadra a výrazne menšia ako veľkosť ktoréhokoľvek atómu. Najdlhšie sa dožíva 128 Te (obsiahnutý v prírodnom telúru v množstve 31,7 %) s polčasom rozpadu osem septiliónov (8·10 24) rokov – sotva ho možno nazvať rádioaktívnym; pre porovnanie, náš vesmír sa odhaduje na „iba“ 10 10 rokov.

Jednotkou rádioaktivity nuklidu je becquerel: 1 Bq (Bq) zodpovedá jednému rozpadu za sekundu. Často sa používa mimosystémová jednotka curie: 1 Ci (Ci) sa rovná 37 miliardám rozpadov za sekundu alebo 3,7 . 10 10 Bq (1 g 226 Ra má približne túto aktivitu). Kedysi bola navrhnutá mimosystémová jednotka rutherford: 1 Рд (Rd) = 10 6 Bq, ale nebola rozšírená.

Literatúra:

Soddy F. História atómovej energie. M., Atomizdat, 1979
Choppin G. a kol. Jadrová chémia. M., Energoatomizdat, 1984
Hoffman K. Je možné vyrobiť zlato? L., Chémia, 1984
Kadmenský S.G. Rádioaktivita atómových jadier: história, výsledky, najnovšie úspechy. "Sorosov vzdelávací časopis", 1999, č. 11

Odporúčame prečítať

Pokyny pre systém Windows

Kto je archon v Aténach

Pokyny pre Android

Prečo Mesiac priťahuje (ťahá) iba vodu?

Pokyny pre Android

Náklady na konzerváciu: účtovníctvo a dane (Antanenkova E

Smartfóny

Aké sú hlavné typy civilizácií V dôsledku toho sa objavuje civilizácia

Pokyny pre systém Windows

Energeticko-informačné čistenie rodokmeňa Meditácia na liečenie karmy celej rodiny

Smartfóny

Čo znamená sen o ohni?