Radyoaktif bozunmanın atom çekirdeği yasalarının dönüşümü. Atom çekirdeğinin radyoaktif dönüşümleri Atom çekirdeğinin radyoaktif dönüşümleri kısaca fizik

Radyoaktif radyasyon sırasında maddeye ne olur?
Zaten radyoaktivite araştırmalarının en başında birçok tuhaf ve olağandışı şey keşfedildi.

İlk önceŞaşırtıcı olan, radyoaktif elementler uranyum, toryum ve radyumun radyasyon yaymasındaki tutarlılıktı.
Günler, aylar ve hatta yıllar geçtikçe radyasyon yoğunluğu gözle görülür bir şekilde değişmedi.
Isı ve artan basınç gibi olağan etkilerden etkilenmedi.
Radyoaktif maddelerin girdiği kimyasal reaksiyonlar da radyasyonun yoğunluğunu etkilemedi.

ikinci olarak Radyoaktivitenin keşfinden çok kısa bir süre sonra, radyoaktiviteye enerji salınımının eşlik ettiği anlaşıldı.
Pierre Curie bir kalorimetreye bir ampul radyum klorür yerleştirdi.
İçinde α-, β- ve γ ışınları emildi ve enerjileri nedeniyle kalorimetre ısıtıldı.
Curie, 1 gram ağırlığındaki radyumun 1 saatte yaklaşık 582 J'ye eşit enerji yaydığını tespit etti.
Ve böyle bir enerji uzun yıllar boyunca sürekli olarak açığa çıkar!

Serbest bırakılması bilinen tüm etkilerden etkilenmeyen enerji nereden geliyor?
Görünüşe göre, radyoaktivite sırasında bir madde, sıradan kimyasal dönüşümlerden tamamen farklı, bazı derin değişikliklere uğrar.
Atomların kendilerinin dönüşüme uğradığı varsayılmıştır.
Şimdi bu düşünce çok fazla sürpriz yaratmayabilir çünkü çocuk okumayı öğrenmeden önce bile bunu duyabilir.
Ancak 20. yüzyılın başında. fantastik görünüyordu ve bunu ifade etmeye cesaret etmek büyük cesaret gerektiriyordu.
O dönemde atomun varlığına dair tartışılmaz deliller henüz yeni elde edilmişti.
Demokritos'un maddenin atomik yapısı hakkındaki fikri nihayet zafer kazandı.
Ve bunun hemen ardından atomların değişmezliği sorgulanmaya başlandı.

Böylece, radyoaktif bozunma sırasında, atomların ardışık dönüşümleri zinciri meydana gelir.
Rutherford'un başlattığı ve İngiliz kimyager F. Soddy ile birlikte sürdürdüğü ilk deneyler üzerinde duralım.

Rutherford bunu keşfetti aktivite Birim zamanda yayılan alfa parçacıklarının sayısı olarak tanımlanan toryum, kapalı bir ampulde değişmeden kalır.
Preparat çok zayıf hava akımlarıyla bile üflenirse toryumun aktivitesi büyük ölçüde azalır.
Bilim adamı, toryumun α parçacıklarıyla eş zamanlı olarak bir tür radyoaktif gaz yaydığını öne sürdü.

Rutherford, toryum içeren bir ampulden hava emerek radyoaktif gazı izole etti ve iyonlaşma yeteneğini inceledi.
Bu gazın aktivitesinin (toryum, uranyum ve radyumun aktivitesinden farklı olarak) zamanla çok hızlı bir şekilde azaldığı ortaya çıktı.
Aktivite her dakika yarı yarıya azalır ve on dakika sonra neredeyse sıfıra eşit olur.
Soddy bu gazın kimyasal özelliklerini inceledi ve herhangi bir reaksiyona girmediğini, yani inert bir gaz olduğunu buldu.
Daha sonra bu gaza radon adı verildi ve D. I. Mendeleev'in periyodik tablosuna 86 seri numarasıyla yerleştirildi.

Diğer radyoaktif elementler de dönüşüm yaşadı: uranyum, aktinyum, radyum.
Bilim adamlarının vardığı genel sonuç Rutherford tarafından tam olarak formüle edildi: “Radyoaktif bir maddenin atomları kendiliğinden değişikliklere tabidir.
Her an toplam atom sayısının küçük bir kısmı kararsız hale gelir ve patlayarak parçalanır.
Vakaların büyük çoğunluğunda, bir atomun bir parçası (bir α parçacığı) muazzam bir hızla dışarı atılır.
Diğer bazı durumlarda, patlamaya hızlı bir elektronun fırlatılması ve X ışınları gibi büyük nüfuz gücüne sahip olan ve γ radyasyonu adı verilen ışınların ortaya çıkması eşlik eder.

Atomik dönüşümün bir sonucu olarak, fiziksel ve kimyasal özellikleri bakımından orijinal maddeden tamamen farklı, tamamen yeni bir madde türünün oluştuğu keşfedildi.
Ancak bu yeni maddenin kendisi de kararsızdır ve karakteristik radyoaktif radyasyonun yayılmasıyla bir dönüşüme uğrar.

Böylece, belirli elementlerin atomlarının, sıradan moleküler modifikasyonlar sırasında açığa çıkan enerjiyle karşılaştırıldığında çok büyük miktarlarda enerji emisyonuyla birlikte kendiliğinden parçalanmaya maruz kaldığı kesin olarak tespit edilmiştir."

Atom çekirdeği keşfedildikten sonra, radyoaktif dönüşümler sırasında değişikliklere uğrayanın bu çekirdek olduğu hemen anlaşıldı.
Sonuçta, elektron kabuğunda hiç alfa parçacığı yoktur ve kabuk elektronlarının sayısındaki bir azalma, atomu yeni bir kimyasal elemente değil, bir iyona dönüştürür.
Bir elektronun çekirdekten fırlatılması, çekirdeğin yükünü bir oranında değiştirir (artırır).

Yani radyoaktivite, çeşitli parçacıkların emisyonuyla birlikte bazı çekirdeklerin kendiliğinden diğerlerine dönüşümüdür.

Ofset kuralı

Nükleer dönüşümler sözde tabidir yer değiştirme kuralı ilk kez Soddy tarafından formüle edilmiştir.

α bozunması sırasında çekirdek pozitif yükünü 2e kaybeder ve M kütlesi yaklaşık dört atomik kütle birimi kadar azalır.
Sonuç olarak element, periyodik tablonun başına iki hücre kaydırılır.

Burada element, kimyada olduğu gibi genel kabul görmüş sembollerle gösterilir: nükleer yük, sembolün sol alt kısmına bir indeks olarak yazılır ve atom kütlesi, sembolün sol üst kısmına bir indeks olarak yazılır.
Örneğin hidrojen şu sembolle temsil edilir:
Bir helyum atomunun çekirdeği olan bir α parçacığı için notasyon vb. kullanılır.
Beta bozunması sırasında çekirdekten bir elektron yayılır.
Sonuç olarak, nükleer yük bir artar, ancak kütle neredeyse değişmeden kalır:

Burada bir elektronu belirtir: üstteki 0 endeksi, kütlesinin atomik kütle birimiyle karşılaştırıldığında çok küçük olduğu anlamına gelir; elektron antinötrinosu, enerjinin bir kısmını taşıyan çok küçük (muhtemelen sıfır) kütleye sahip nötr bir parçacıktır. β-bozunması sırasında.
Bir antinötrino oluşumuna herhangi bir çekirdeğin β-bozunması eşlik eder ve bu parçacık genellikle karşılık gelen reaksiyonların denklemlerinde belirtilmez.

β bozunmasından sonra element periyodik tablonun sonuna bir hücre daha yaklaşır..

Gama radyasyonuna yükte bir değişiklik eşlik etmez; Çekirdeğin kütlesi ihmal edilebilecek kadar değişir.

Yer değiştirme kuralına göre, radyoaktif bozunma sırasında toplam elektrik yükü korunur ve çekirdeğin bağıl atom kütlesi yaklaşık olarak korunur.
Radyoaktif bozunma sırasında oluşan yeni çekirdekler de radyoaktif olabilir ve daha fazla dönüşüme uğrayabilir.

Bu yüzden,
Radyoaktif bozunma sırasında atom çekirdeği dönüşür.

Radyoaktif radyasyon sırasında maddeye ne olur? Bu soruyu 20. yüzyılın başında cevaplamak için. pek kolay olmadı. Zaten radyoaktivite araştırmalarının en başında birçok tuhaf ve olağandışı şey keşfedildi.

Birincisi, radyoaktif elementler uranyum, toryum ve radyumun inanılmaz tutarlılıkta radyasyon yaymasıdır. Günler, aylar ve yıllar boyunca radyasyon yoğunluğu gözle görülür bir şekilde değişmedi. Isı veya artan basınç gibi sıradan etkilerden etkilenmedi.

Radyoaktif maddelerin girdiği kimyasal reaksiyonlar da radyasyonun yoğunluğunu etkilemedi.

İkincisi, radyoaktivitenin keşfinden çok kısa bir süre sonra, radyoaktiviteye enerji salınımının eşlik ettiği anlaşıldı. Pierre Curie bir kalorimetreye bir ampul radyum klorür yerleştirdi. İçinde α-, β- ve γ ışınları emildi ve enerjileri nedeniyle kalorimetre ısıtıldı. Curie, 1 gram radyumun 1 saatte 582 J enerji açığa çıkardığını tespit etti. Ve bu enerji birkaç yıl boyunca sürekli olarak açığa çıkar.

Serbest bırakılması bilinen tüm etkilerden etkilenmeyen enerji nereden geliyor? Görünüşe göre, radyoaktivite sırasında bir madde, sıradan kimyasal dönüşümlerden tamamen farklı, bazı derin değişikliklere uğrar. Öyle varsayılmıştı atomların kendisi de dönüşüme uğrar!

Şimdi bu düşünce çok fazla sürpriz yaratmayabilir çünkü çocuk okumayı öğrenmeden önce bile bunu duyabilir. Ancak 20. yüzyılın başında. fantastik görünüyordu ve bunu ifade etmeye karar vermek büyük cesaret gerektirdi. O dönemde atomun varlığına dair tartışılmaz deliller henüz yeni elde edilmişti. Demokritos'un maddenin atomik yapısı hakkındaki asırlık fikri nihayet zafer kazandı. Ve bunun hemen ardından atomların değişmezliği sorgulanmaya başlandı.

Nihayetinde radyoaktif bozunma sırasında atomların ardışık dönüşüm zincirinin meydana geldiğine dair tam bir güvene yol açan deneyler hakkında ayrıntılı olarak konuşmayacağız. Sadece Rutherford'un başlattığı ve İngiliz kimyager F. Soddy (1877-1956) ile birlikte sürdürdüğü ilk deneyler üzerinde duralım.

Rutherford bunu keşfetti Birim zamandaki bozunma sayısı olarak tanımlanan toryum aktivitesi kapalı bir ampulde değişmeden kalır. Preparat çok zayıf hava akımlarıyla bile üflenirse toryumun aktivitesi büyük ölçüde azalır. Rutherford, toryumun alfa parçacıklarıyla aynı anda radyoaktif olan bir tür gaz yaydığını öne sürdü. Bu gazı aradı yayılma. Rutherford, toryum içeren bir ampulden hava emerek radyoaktif gazı izole etti ve iyonlaşma yeteneğini inceledi. Bu gazın aktivitesinin zamanla hızla azaldığı ortaya çıktı. Aktivite her dakika yarı yarıya azalır ve on dakika sonra neredeyse sıfıra eşit olur. Soddy bu gazın kimyasal özelliklerini inceledi ve herhangi bir reaksiyona girmediğini, yani inert bir gaz olduğunu buldu. Daha sonra gaza radon adı verildi ve 86 seri numarasıyla periyodik tabloya yerleştirildi. Diğer radyoaktif elementler de dönüşümlere uğradı: uranyum, aktinyum, radyum. Bilim adamlarının vardığı genel sonuç Rutherford tarafından doğru bir şekilde formüle edildi: “Radyoaktif bir maddenin atomları kendiliğinden değişikliklere maruz kalır. Her an toplam atom sayısının küçük bir kısmı kararsız hale gelir ve patlayarak parçalanır. Vakaların büyük çoğunluğunda, bir atomun bir parçası (bir α parçacığı) muazzam bir hızla dışarı atılır. Diğer bazı durumlarda, patlamaya hızlı bir elektronun fırlatılması ve X ışınları gibi yüksek nüfuz gücüne sahip olan ve γ radyasyonu adı verilen ışınların ortaya çıkması eşlik eder. Atomik dönüşümün bir sonucu olarak, fiziksel ve kimyasal özellikleri bakımından orijinal maddeden tamamen farklı, tamamen yeni bir madde türünün oluştuğu keşfedildi. Ancak bu yeni maddenin kendisi de kararsızdır ve karakteristik radyoaktif radyasyonun yayılmasıyla bir dönüşüme uğrar.

Böylece, belirli elementlerin atomlarının, sıradan moleküler modifikasyonlar sırasında açığa çıkan enerjiyle karşılaştırıldığında çok büyük miktarlarda enerji emisyonuyla birlikte kendiliğinden parçalanmaya maruz kaldığı kesin olarak tespit edilmiştir."

Atom çekirdeği keşfedildikten sonra, radyoaktif dönüşümler sırasında değişikliklere uğrayanın bu çekirdek olduğu hemen anlaşıldı. Sonuçta, elektron kabuğunda hiç os parçacığı yoktur ve kabuk elektronlarının sayısındaki bir azalma, atomu yeni bir kimyasal elemente değil, bir iyona dönüştürür. Bir elektronun çekirdekten fırlatılması, çekirdeğin yükünü bir oranında değiştirir (artırır). Çekirdeğin yükü, periyodik tablodaki elementin atom numarasını ve tüm kimyasal özelliklerini belirler.

Not

Edebiyat

Myakishev G.Ya. Fizik: Optik. Kuantum fiziği. 11. sınıf: Eğitici. derinlemesine fizik çalışması için. - M .: Bustard, 2002. - S. 351-353.

Radyoaktif dönüşümler

1903 yılında Pierre Curie, uranyum tuzlarının sürekli olarak ve zamanla gözle görülür bir azalma olmaksızın, birim kütle başına en enerjik kimyasal reaksiyonların enerjisine kıyasla çok büyük görünen termal enerji açığa çıkardığını keşfetti. Radyum daha da fazla ısı açığa çıkarır - 1 g saf madde başına saatte yaklaşık 107 J. Yerkürenin derinliklerinde bulunan radyoaktif elementlerin (sınırlı ısı giderme koşulları altında) magmayı eritmeye yeterli olduğu ortaya çıktı.

Bu tükenmez gibi görünen enerjinin kaynağı nerede? Marie Curie 19. yüzyılın sonlarında ortaya atıldı. iki hipotez. Bunlardan biri (Lord Kelvin tarafından paylaşıldı) ) radyoaktif maddelerin bir tür kozmik radyasyonu yakalayıp gerekli enerjiyi depolamasıydı. İkinci hipoteze göre radyasyona, atomların kendisinde bazı değişiklikler eşlik eder ve aynı zamanda yayılan enerji de kaybolur. Her iki hipotez de eşit derecede inanılmaz görünüyordu, ancak giderek ikincisinin lehine daha fazla kanıt birikmeye başladı.

Ernest Rutherford, radyoaktif maddelere ne olduğunun anlaşılmasına büyük katkı sağladı. 1895 yılında, havadaki argonun keşfiyle ünlenen İngiliz kimyager William Ramsay, kleveit mineralinde başka bir soy gaz olan helyum keşfetti. Daha sonra diğer minerallerde de önemli miktarda helyum keşfedildi; ancak yalnızca uranyum ve toryum içerenler. Şaşırtıcı ve tuhaf görünüyordu - minerallerdeki nadir bir gaz nereden gelebilirdi? Rutherford radyoaktif mineraller tarafından yayılan alfa parçacıklarının doğasını araştırmaya başladığında helyumun radyoaktif bozunmanın bir ürünü olduğu ortaya çıktı ( santimetre. RADYOAKTİVİTE). Bu, bazı kimyasal elementlerin diğerlerini "üretebildiği" anlamına gelir; bu, birkaç kuşak kimyagerin biriktirdiği tüm deneyimlerle çelişiyordu.

Ancak uranyum ve toryumun helyuma “dönüşümü” bununla sınırlı değildi. 1899'da Rutherford'un laboratuvarında başka bir tuhaf olay daha gözlemlendi (o sırada Montreal'de çalışıyordu): toryum elementinin kapalı bir ampuldeki preparatları sürekli aktiviteyi sürdürüyordu, ancak açık havada aktiviteleri buna bağlıydı. Taslaklar. Rutherford, toryumun radyoaktif gaz yaydığını hemen fark etti (buna Latince emanatio çıkışından veya torondan toryum yayılımı deniyordu), bu gazın aktivitesi çok hızlı bir şekilde azaldı: yaklaşık bir dakikada yarı yarıya (modern verilere göre - 55,6 saniyede) ). Radyumda da benzer bir gaz "yayılım" keşfedildi (aktivitesi çok daha yavaş azaldı) - buna radyum yayılımı veya radon adı verildi. Aktinyumun ayrıca sadece birkaç saniye içinde kaybolan kendi "yayılımına" sahip olduğu da keşfedildi; buna aktinyum yayılımı veya aktinon adı verildi. Daha sonra, tüm bu "yayılmaların" aynı kimyasal elementin - radonun izotopları olduğu ortaya çıktı ( santimetre. KİMYASAL ELEMENTLER).

Serinin her bir üyesini bilinen kimyasal elementlerin izotoplarından birine atadıktan sonra, uranyum serisinin uranyum-238 ile başladığı anlaşıldı ( T 1/2 = 4,47 milyar yıl) ve kararlı kurşun-206 ile biter; Bu serinin üyelerinden biri çok önemli bir element olan radyum olduğundan bu seriye uranyum-radyum serisi de denir. Aktinyum serisi (diğer adı aktinouranyum serisidir) de doğal uranyumdan kaynaklanır, ancak diğer izotopundan - 235 U ( T 1/2 = 794 milyon yıl). Toryum serisi 232 Th nüklidi ile başlar ( T 1/2 = 14 milyar yıl). Son olarak, doğada bulunmayan neptunyum serisi, yapay olarak elde edilen en uzun ömürlü neptunyum izotopuyla başlar: 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. Bu seride bir de “çatal” var: 213 Bi %2 olasılıkla 209 Tl’ye dönüşebiliyor ki o da zaten 209 Pb’ye dönüşüyor. Neptunyum serisinin daha ilginç bir özelliği gaz halindeki “yayılmaların” bulunmamasıdır ve serinin son üyesi kurşun yerine bizmuttur. Bu yapay serinin atasının yarı ömrü "sadece" 2,14 milyon yıldır, dolayısıyla neptunyum, Güneş sisteminin oluşumu sırasında mevcut olsaydı bile bugüne kadar "hayatta kalamazdı" çünkü Dünyanın yaşının 4,6 milyar yıl olduğu tahmin ediliyor ve bu süre zarfında (2000'den fazla yarı ömür) neptunyumdan tek bir atom bile kalmayacaktı.

Örnek olarak Rutherford, radyum dönüşüm zincirindeki karmaşık olaylar düğümünü çözdü (radyum-226, radyoaktif uranyum-238 serisinin altıncı üyesidir). Diyagram, hem Rutherford zamanının sembollerini hem de nüklidlere ilişkin modern sembollerin yanı sıra bozunma türünü ve yarı ömürlere ilişkin modern verileri göstermektedir; Yukarıdaki seride ayrıca küçük bir "çatal" vardır: %0,04 olasılıkla RaC, RaC""(210 Tl)'ye dönüşebilir ve bu daha sonra aynı RaD'ye dönüşür ( T 1/2 = 1,3 dakika). Bu radyoaktif kurşunun yarı ömrü oldukça uzun olduğundan, deney sırasında onun daha sonraki dönüşümleri sıklıkla göz ardı edilebilir.

Bu serinin son üyesi kurşun-206 (RaG) stabildir; doğal kurşunda ise %24,1'dir. Toryum serisi stabil kurşun-208'e yol açar ("sıradan" kurşun içeriği %52,4'tür), aktinyum serisi kurşun-207'ye yol açar ("kurşun içeriği %22,1'dir). Bu kurşun izotoplarının modern yer kabuğundaki oranı elbette hem ana nüklidlerin yarı ömrüne hem de bunların Dünya'nın oluştuğu malzemedeki başlangıç ​​oranlarına bağlıdır. Ve yer kabuğundaki "sıradan", radyojenik olmayan kurşun yalnızca %1,4'tür. Dolayısıyla, başlangıçta Dünya'da uranyum ve toryum olmasaydı, içindeki kurşun% 1,6 × 10 –3 (kobalt ile hemen hemen aynı) değil, 70 kat daha az (örneğin, indiyum ve gibi nadir metaller gibi) olurdu. tulyum!). Öte yandan, birkaç milyar yıl önce gezegenimize uçan hayali bir kimyager, gezegende çok daha az kurşun, çok daha fazla uranyum ve toryum bulurdu...

1915'te F. Soddy, Seylan minerali toritinden (ThSiO 4) toryumun çürümesinden oluşan kurşunu izole ettiğinde, atom kütlesinin 207.77'ye eşit olduğu, yani "sıradan" kurşununkinden (207.2) daha fazla olduğu ortaya çıktı. Bu, “teorik” (208)'den farklılığı, toritin kurşun-206 üreten bir miktar uranyum içermesiyle açıklanmaktadır. Atom kütlelerinin ölçümü alanında otorite olan Amerikalı kimyager Theodore William Richards, toryum içermeyen bazı uranyum minerallerinden kurşunu izole ettiğinde atom kütlesinin neredeyse tam olarak 206 olduğu ortaya çıktı. Bu kurşunun yoğunluğu biraz daha azdı, ve hesaplanana karşılık geldi: ( Pb)  206/207,2 = 0,994(Pb), burada (Pb) = 11,34 g/cm3 . Bu sonuçlar, diğer bazı elementler gibi kurşun için de atom kütlesini çok yüksek doğrulukla ölçmenin neden bir anlamı olmadığını açıkça göstermektedir: farklı yerlerden alınan numuneler biraz farklı sonuçlar verecektir ( santimetre. KARBON BİRİMİ).

Doğada diyagramlarda gösterilen dönüşüm zincirleri sürekli olarak meydana gelir. Sonuç olarak, bazı kimyasal elementler (radyoaktif) diğerlerine dönüşür ve bu tür dönüşümler, Dünya'nın var olduğu süre boyunca meydana gelir. Radyoaktif serinin ilk üyeleri (bunlara ana denir) en uzun ömürlü olanlardır: Uranyum-238'in yarı ömrü 4,47 milyar yıl, toryum-232'nin yarı ömrü 14,05 milyar yıldır, uranyum-235 ("aktinouranyum" olarak da bilinir) aktinyum serisinin atası) – 703,8 milyon yıl. Bu uzun zincirin sonraki tüm (“kız”) üyeleri önemli ölçüde daha kısa ömürler yaşarlar. Bu durumda, radyokimyacıların "radyoaktif denge" adını verdiği bir durum ortaya çıkar: ana uranyum, toryum veya aktinyumdan bir ara radyonüklidin oluşma hızı (bu oran çok düşüktür), bu çekirdeğin bozunma hızına eşittir. Bu oranların eşitliğinin bir sonucu olarak, belirli bir radyonüklidin içeriği sabittir ve yalnızca yarı ömrüne bağlıdır: radyoaktif serinin kısa ömürlü üyelerinin konsantrasyonu küçüktür ve uzun ömürlü üyelerin konsantrasyonu daha büyük. Ara bozunma ürünlerinin içeriğindeki bu sabitlik çok uzun bir süre devam eder (bu süre, çok uzun olan ana çekirdeğin yarı ömrü tarafından belirlenir). Basit matematiksel dönüşümler şu sonuca yol açar: anne sayısının oranı ( N 0) ve çocuklar ( N 1, N 2, N 3...) atomlar yarı ömürleriyle doğru orantılıdır: N 0:N 1:N 2:N 3... = T 0:T 1:T 2:T 3... Böylece uranyum-238'in yarı ömrü 4,47 10 9 yıl, radyum 226 ise 1600 yıldır, dolayısıyla uranyum cevherlerindeki uranyum-238 ve radyum-226 atom sayısının oranı 4,47 10 9'dur: 1600 , buradan (bu elementlerin atom kütleleri dikkate alınarak) 1 ton uranyum için radyoaktif dengeye ulaşıldığında yalnızca 0,34 g radyum bulunduğunu hesaplamak kolaydır.

Ve tam tersi, cevherlerdeki uranyum ve radyum oranının yanı sıra radyumun yarı ömrünü bilerek, uranyumun yarı ömrünü belirlemek mümkündür ve radyumun yarı ömrünü belirlemenize gerek yoktur. bin yıldan fazla bekleyin - bozunma oranını (yani .d değerini) ölçmek (radyoaktivitesi ile) yeterlidir N/D T) o elementin bilinen küçük bir miktarı (bilinen sayıda atomla) N) ve sonra d formülüne göre N/D T = –N değerini belirleyin  = ln2/ T 1/2.

Yer değiştirme kanunu. Herhangi bir radyoaktif serinin üyeleri periyodik element tablosu üzerinde sıralı olarak işaretlenirse, bu serideki radyonüklitlerin ana elementten (uranyum, toryum veya neptunyum) kurşun veya bizmut'a düzgün bir şekilde geçmediği, ancak "sıçradığı" ortaya çıkar. sağa ve sonra sola. Böylece, uranyum serisinde, iki kararsız kurşun izotopu (element No. 82), bizmut izotoplarına (element No. 83), sonra polonyum izotoplarına (element No. 84) ve sonra tekrar kurşun izotoplarına dönüştürülür. . Sonuç olarak, radyoaktif element sıklıkla element tablosunun aynı hücresine geri döner, ancak farklı kütleye sahip bir izotop oluşur. F. Soddy'nin 1911'de fark ettiği bu "sıçramalarda" belli bir model olduğu ortaya çıktı.

Artık  bozunması sırasında çekirdekten bir  parçacığının (bir helyum atomunun çekirdeği) yayıldığı, bu nedenle çekirdeğin yükünün 2 azaldığı (periyodik tabloda iki hücre sola kayma) bilinmektedir. ve kütle numarası 4 azalıyor, bu da yeni elementin hangi izotopunun oluştuğunu tahmin etmemizi sağlıyor. Bir örnek, radonun -bozunması olabilir:  + .  bozunması sırasında ise tam tersine çekirdekteki proton sayısı bir artar ancak çekirdeğin kütlesi değişmez ( santimetre. RADYOAKTİVİTE), yani. element tablosunda bir hücre sağa doğru kayma vardır. Radondan oluşan polonyumun birbirini takip eden iki dönüşümü buna bir örnektir:   . Böylece, eğer "çatalları" hesaba katmazsak, örneğin radyum-226'nın bozunması sonucu kaç tane alfa ve beta parçacığının yayıldığını hesaplamak mümkündür (bkz. uranyum serisi). İlk nüklid, son nüklid - . Kütledeki azalma (daha doğrusu kütle numarası yani çekirdekteki proton ve nötronların toplam sayısı) 226 – 206 = 20'ye eşit olduğundan 20/4 = 5 alfa parçacığı yayıldı. Bu parçacıklar 10 proton taşıyordu ve eğer  bozunması olmasaydı, son bozunma ürününün nükleer yükü 88 – 10 = 78 olurdu. Aslında son üründe 82 proton var, dolayısıyla dönüşümler sırasında. 4 nötron protona dönüştü ve 4  parçacığı yayıldı.

Çoğu zaman, bir -bozunmasını iki -bozunumu takip eder ve böylece ortaya çıkan element, orijinal elementin daha hafif bir izotopu formunda elementler tablosunun orijinal hücresine geri döner. Bu gerçekler sayesinde, D.I. Mendeleev'in periyodik yasasının, elementlerin özellikleri ile çekirdeklerinin yükü arasındaki ilişkiyi yansıttığı ve kütlelerini değil (ilk olarak atomun yapısı bilinmediğinde formüle edildiği gibi) ortaya çıktı.

Radyoaktif yer değiştirme yasası nihayet 1913'te birçok bilim adamının özenli araştırmaları sonucunda formüle edildi. Bunların arasında Soddy'nin asistanı Alexander Fleck, Soddy'nin stajyeri A.S. Russell, 1911-1913'te Manchester Üniversitesi'nde Rutherford'la birlikte çalışan Macar fiziksel kimyager ve radyokimyacı György Hevesy ve Alman (ve daha sonra Amerikalı) fiziksel kimyager Casimir Fajans vardı. 1887–1975). Bu yasaya genellikle Soddy-Faience yasası denir.

Elementlerin yapay dönüşümü ve yapay radyoaktivite. Becquerel'in zamanından bu yana, radyoaktif bileşiklerin yakınında bulunan en sıradan maddelerin az çok radyoaktif hale geldiği fark edildi. Rutherford buna "uyarılmış aktivite" adını verdi, Curie'ler ise buna "uyarılmış aktivite" adını verdi, ancak uzun bir süre kimse bu olgunun özünü açıklayamadı.

1919'da Rutherford, alfa parçacıklarının çeşitli maddelerden geçişini inceledi. Hızlı uçan  parçacıkları hafif elementlerin çekirdeklerine çarptığında, örneğin nitrojen, hızlı uçan protonların (hidrojen çekirdekleri) ara sıra bunlardan atılabileceği,  parçacığının kendisinin ise çekirdeğin bir parçası haline geldiği ortaya çıktı. , bu da yükünü bir kat artırır. Böylece +  + reaksiyonunun bir sonucu olarak, nitrojen - oksijenden (ağır izotopu) başka bir kimyasal element oluşur. Bu, bir elementin diğerine dönüştürülmesinin yapay olarak gerçekleştirilen ilk reaksiyonuydu. Diğer tüm nükleer süreçlerde olduğu gibi bunda da hem toplam yük (abonelikler) hem de kütle numarası korunur; toplam proton ve nötron sayısı (üst simgeler).

Simyacıların asırlık rüyası gerçek oldu: Rutherford'un zamanında kimse bu beceriden pratik bir sonuç beklemese de insan bazı elementleri diğerlerine dönüştürmeyi öğrendi. Aslında, a-parçacıklarını elde etmek için bunların kaynağına, örneğin bir radyum preparatına sahip olmak gerekiyordu. Daha da kötüsü, nitrojene salınan her milyon a parçacığı için ortalama olarak yalnızca 20 oksijen atomu elde edildi.

Zamanla başka nükleer reaksiyonlar da gerçekleştirildi ve birçoğu pratik kullanım alanı buldu. Nisan 1932'de İngiliz Bilimler Akademisi'nin (Kraliyet Topluluğu) bir toplantısında Rutherford, laboratuvarının hafif elementlerin (örneğin lityum) protonlarla bölünmesi reaksiyonlarını başarıyla gerçekleştirdiğini duyurdu. Bunun için hidrojenden elde edilen protonlar, onlarca, hatta yüzbinlerce volta eşit yüksek voltajlar kullanılarak hızlandırıldı. Alfa parçacıklarına göre daha küçük yük ve kütleye sahip olan protonlar çekirdeğe daha kolay nüfuz eder. Kendini lityum-7 çekirdeğine sokan proton, onu bir berilyum-8 çekirdeğine dönüştürür, bu da neredeyse anında aşırı enerjiyi "boşaltır" ve iki  parçacığına ayrılır: +  ()  2. Hafif bir izotop alırsak lityum (doğal lityumda% 7,5'tir), daha sonra iki helyum izotopunun çekirdeği oluşur: +  ()  + . Oksijen protonlarıyla bombardıman edildiğinde flor elde edildi: +  +; alüminyum – magnezyum bombardımanı sırasında: + + .

Ağır hidrojen izotopu döteryumun çekirdeği olan döteryumların yüksek hızlara hızlandırılmasıyla birçok farklı dönüşüm gerçekleştirildi. Böylece +  + reaksiyonu sırasında ilk kez süper ağır hidrojen – trityum – üretildi. İki döteronun çarpışması farklı şekilde ilerleyebilir: +  +, bu süreçler kontrollü bir termonükleer reaksiyon olasılığını incelemek için önemlidir. +  ()  2 reaksiyonunun önemli olduğu ortaya çıktı, çünkü zaten nispeten düşük bir döteron enerjisinde (0,16 MeV) meydana geliyor ve buna devasa bir enerji - 22,7 MeV salınımı eşlik ediyor (1 MeV = 10 6 eV'yi hatırlayın) ve 1 eV = 96,5 kJ/mol).

Berilyumun -parçacıkları ile bombardımanı sırasında oluşan reaksiyon büyük pratik önem kazanmıştır: +  ()  +, 1932'de nötr nötron parçacığının keşfine yol açmıştır ve radyum-berilyum nötron kaynaklarının çok uygun olduğu ortaya çıkmıştır. bilimsel araştırma için. +  + reaksiyonları sonucunda farklı enerjilere sahip nötronlar da elde edilebilir; +  + ; +  + . Yüksüz nötronlar özellikle atom çekirdeğine kolayca nüfuz eder ve hem ateşlenen nüklide hem de nötronların hızına (enerjisine) bağlı olarak çeşitli işlemlere neden olur. Böylece, yavaş bir nötron basitçe çekirdek tarafından yakalanabilir ve çekirdek, bir gama kuantumu yayarak aşırı enerjinin bir kısmını serbest bırakır, örneğin: +  + . Bu reaksiyon, uranyumun fisyon reaksiyonunu kontrol etmek için nükleer reaktörlerde yaygın olarak kullanılır: reaksiyonu yavaşlatmak için kadmiyum çubukları veya plakaları nükleer kazanın içine itilir.

1934'te eşler Irene ve Frederic Joliot-Curie önemli bir keşifte bulundular. Bazı hafif elementleri alfa parçacıklarıyla bombaladıktan sonra (polonyum bunları yaydı), berilyum için zaten bilinene benzer bir reaksiyon beklediler; nötronları yok etmek, örneğin:

Eğer konu bu dönüşümlerle sınırlı olsaydı, -ışınlaması durdurulduktan sonra nötron akışının hemen kuruması gerekirdi, dolayısıyla polonyum kaynağını ortadan kaldırdıktan sonra tüm aktivitenin durmasını beklediler, ancak parçacık sayacının devam ettiğini buldular. Üstel yasaya tam olarak uygun olarak, yavaş yavaş sönen darbeleri kaydedin. Bu sadece tek bir şekilde yorumlanabilir: alfa ışınımının bir sonucu olarak, nitrojen-13 için 10 dakikalık ve fosfor-30 için 2,5 dakikalık karakteristik yarı ömre sahip, önceden bilinmeyen radyoaktif elementler ortaya çıktı. Bu elementlerin pozitron bozunumuna uğradığı ortaya çıktı:  + e + ,  + e + . Üç kararlı doğal izotopla temsil edilen magnezyum ile ilginç sonuçlar elde edildi ve -ışınlaması üzerine hepsinin, 227- veya pozitron bozunmasına uğrayan radyoaktif silikon veya alüminyum nüklidleri verdiği ortaya çıktı:

Yapay radyoaktif elementlerin üretimi, belirli bir amaca uygun yarı ömre sahip radyonüklidlerin ve belirli bir güçte istenilen radyasyon tipinin sentezine olanak tanıdığından büyük pratik öneme sahiptir. Nötronları “mermi” olarak kullanmak özellikle uygundur. Bir nötronun bir çekirdek tarafından yakalanması çoğu zaman onu o kadar kararsız hale getirir ki, yeni çekirdek radyoaktif hale gelir. “Fazladan” nötronun protona dönüşmesi yani 227 radyasyonu sayesinde kararlı hale gelebilir; Bu tür pek çok reaksiyon bilinmektedir, örneğin: +   + e. Atmosferin üst katmanlarında meydana gelen radyokarbon oluşumunun reaksiyonu çok önemlidir: +  + ( santimetre. RADYOKARBON ANALİZ YÖNTEMİ). Trityum, yavaş nötronların lityum-6 çekirdekleri tarafından emilmesiyle sentezlenir. Hızlı nötronların etkisi altında birçok nükleer dönüşüm gerçekleştirilebilir, örneğin: +  + ; +  + ; +  + . Böylece, sıradan kobaltın nötronlarla ışınlanmasıyla, güçlü bir gama radyasyonu kaynağı olan radyoaktif kobalt-60 elde edilir (60 Co - uyarılmış çekirdeğin bozunma ürünü tarafından salınır). Bazı transuranyum elementleri nötronlarla ışınlama yoluyla üretilir. Örneğin, doğal uranyum-238'den ilk önce kararsız uranyum-239 oluşur ve bu  bozunması sırasında ( T 1/2 = 23,5 dak) ilk transuranyum elementi neptunyum-239'a dönüşür ve o da -bozunması yoluyla ( T 1/2 = 2,3 gün) çok önemli, silah kalitesinde plütonyum-239'a dönüşüyor.

Gerekli nükleer reaksiyonu gerçekleştirerek yapay olarak altın elde etmek ve böylece simyacıların yapamadığını başarmak mümkün müdür? Teorik olarak bunun önünde hiçbir engel yoktur. Üstelik böyle bir sentez zaten yapılmış ama zenginlik getirmemiş. Yapay olarak altın üretmenin en kolay yolu, periyodik tabloda altından sonra gelen element olan cıvayı nötron akışıyla ışınlamak olacaktır. Daha sonra +  + reaksiyonu sonucunda bir nötron, cıva atomundan bir protonu çıkararak onu altın atomuna dönüştürecektir. Bu reaksiyon belirli kütle numaralarını göstermez ( A) cıva ve altın nüklidleri. Doğadaki altın tek kararlı nükliddir ve doğal cıva da izotopların karmaşık bir karışımıdır. A= 196 (%0,15), 198 (%9,97), 199 (%1,87), 200 (%23,10), 201 (%13,18), 202 (%29,86) ve 204 (%6,87). Sonuç olarak, yukarıdaki şemaya göre yalnızca kararsız radyoaktif altın elde edilebilir. 1941'in başlarında Harvard Üniversitesi'nden bir grup Amerikalı kimyager tarafından, hızlı nötron akışıyla cıva ışınlanarak elde edildi. Birkaç gün sonra, ortaya çıkan tüm radyoaktif altının izotopları, beta bozunması yoluyla yeniden cıvanın orijinal izotoplarına dönüştü...

Ancak başka bir yol daha var: Cıva-196 atomları yavaş nötronlarla ışınlanırsa cıva-197 atomlarına dönüşeceklerdir: +  + . Yarı ömrü 2,7 gün olan bu atomlar, elektron yakalamaya uğrar ve sonunda kararlı altın atomlarına dönüşür: + e  . Bu dönüşüm 1947'de Chicago'daki Ulusal Laboratuvar çalışanları tarafından gerçekleştirildi. 100 mg cıvayı yavaş nötronlarla ışınlayarak 0,035 mg 197Au elde ettiler. Tüm cıvaya göre verim çok küçüktür - yalnızca %0,035, ancak 196Hg'ye göre %24'e ulaşır! Bununla birlikte, doğal cıvadaki 196 Hg izotop en az olanıdır, ayrıca ışınlama işleminin kendisi ve süresi (ışınlama birkaç yıl sürecektir) ve stabil "sentetik altının" karmaşık bir karışımdan izolasyonu, çok daha pahalıya mal olacaktır. altının en fakir cevherden izolasyonu ( Ayrıca bakınız ALTIN). Dolayısıyla altının yapay üretimi yalnızca teorik açıdan ilgi çekicidir.

Radyoaktif dönüşümlerin niceliksel modelleri. Belirli bir kararsız çekirdeğin izini sürmek mümkün olsaydı, onun ne zaman bozunacağını tahmin etmek imkânsız olurdu. Bu rastgele bir süreçtir ve yalnızca belirli durumlarda, belirli bir süre boyunca bozulma olasılığı değerlendirilebilir. Bununla birlikte, mikroskop altında neredeyse görülemeyen en küçük toz zerresi bile çok sayıda atom içerir ve eğer bu atomlar radyoaktifse, o zaman onların bozunması katı matematik yasalarına uyar: çok sayıda nesnenin karakteristik istatistiksel yasaları yürürlüğe girer. . Ve sonra her radyonüklid çok özel bir değerle karakterize edilebilir - yarı ömür ( T 1/2), mevcut çekirdek sayısının yarısının bozunduğu süredir. Eğer ilk anda olsaydı N 0 çekirdek, ardından bir süre sonra T = T 1/2'si kalacak N 0/2, saat T = 2T 1/2 kalacak N 0/4 = N 0/2 2 , saat T = 3T 1/2 – N 0/8 = N 0/2 3 vb. Genel olarak ne zaman T = hayır 1/2 kalacak N 0/2 Nçekirdekler, nerede N = T/T 1/2 yarı ömürlerin sayısıdır (tam sayı olması gerekmez). Formülün olduğunu göstermek kolaydır N = N 0/2 T / T 1/2 formüle eşdeğerdir N = N 0e –   T, burada  bozunum sabiti olarak adlandırılır. Resmi olarak, bozunma oranı d arasındaki orantılılık katsayısı olarak tanımlanır. N/D T ve mevcut çekirdek sayısı: d N/D T = –N(eksi işareti şunu gösterir: N zamanla azalır). Bu diferansiyel denklemin entegrasyonu, çekirdek sayısının zamana göre üstel bağımlılığını verir. Bu formülde yerine koyma N = N 0/2 saat T = T 1/2, bozunum sabitinin yarı ömürle ters orantılı olduğunu elde ederiz:  = ln2/ T 1/2 = 0,693/T 1/2.  = 1/ değerine çekirdeğin ortalama ömrü denir. Örneğin 226 Ra için T 1/2 = 1600 yıl,  = 1109 yıl.

Verilen formüllere göre değerini bilmek T 1/2 (veya ), herhangi bir süre sonra radyonüklid miktarını hesaplamak kolaydır ve radyonüklid miktarı zamanın farklı noktalarında biliniyorsa, bunlardan yarı ömrü hesaplayabilirsiniz. Çekirdek sayısı yerine, formülde mevcut çekirdek sayısıyla doğru orantılı olan radyasyon aktivitesini kullanabilirsiniz. N. Etkinlik genellikle numunedeki toplam bozulma sayısıyla değil, cihaz ölçüm etkinliği tarafından kaydedilen, bununla orantılı darbe sayısıyla karakterize edilir. Örneğin 1 gram radyoaktif madde varsa yarı ömrü ne kadar kısaysa madde o kadar aktif olacaktır.

Diğer matematik yasaları az sayıda radyonüklitlerin davranışını tanımlar. Burada yalnızca belirli bir olayın olasılığından bahsedebiliriz. Örneğin, bir radyonüklidin bir atomu (daha kesin olarak bir çekirdeği) olsun. T 1/2 = 1 dk. Bu atomun 1 dakika yaşama olasılığı 1/2 (%50), 2 dakika - 1/4 (%25), 3 dakika - 1/8 (%12,5), 10 dakika - (1/2) 10 = 1/10 24 (%0,1), 20 dk – (1/2) 20 = 1/1048576 (%0,00001). Tek bir atom için bu şans ihmal edilebilir düzeydedir, ancak çok sayıda atom (örneğin birkaç milyar) olduğunda, bunların çoğu şüphesiz 20 yarılanma ömrüne veya daha fazlasına sahip olacaktır. Bir atomun belirli bir süre içinde bozunma olasılığı, elde edilen değerlerin 100'den çıkarılmasıyla elde edilir. Yani bir atomun 2 dakika hayatta kalma olasılığı %25 ise, aynı atomun bu süre içinde bozunma olasılığı da %25'tir. süre 100 - 25 = %75, 3 dakika içinde parçalanma olasılığı - %87,5, 10 dakika içinde - %99,9 vb.

Birkaç kararsız atom varsa formül daha karmaşık hale gelir. Bu durumda bir olayın istatistiksel olasılığı binom katsayılı bir formülle tanımlanır. eğer oradaysa N atomlar ve bunlardan birinin zamanla bozunma olasılığı T eşittir P, o zaman bu zaman zarfındaki olasılık T itibaren N atomlar çürüyecek N(ve buna göre kalacak N – N), eşittir P = N!P N (1–P) N – N /(N–N)!N! Atomları kelimenin tam anlamıyla ayrı ayrı elde edilen yeni kararsız elementlerin sentezinde de benzer formüllerin kullanılması gerekir (örneğin, bir grup Amerikalı bilim adamı 1955'te yeni Mendelevyum elementini keşfettiğinde, onu yalnızca 17 atom miktarında elde ettiler) ).

Modern fiziksel bilginin gelişimindeki en önemli aşamalardan biriydi. Bilim adamları en küçük parçacıkların yapısına ilişkin doğru sonuçlara hemen varamadılar. Ve çok daha sonra başka yasalar keşfedildi - örneğin, mikropartiküllerin hareket yasaları ve ayrıca radyoaktif bozunma sırasında meydana gelen atom çekirdeklerinin dönüşümünün özellikleri.

Rutherford'un deneyleri

Atom çekirdeğinin radyoaktif dönüşümleri ilk olarak İngiliz araştırmacı Rutherford tarafından incelenmiştir. O zaman bile, elektronların nükleonlardan yüzlerce kat daha hafif olması nedeniyle atomun kütlesinin büyük kısmının çekirdeğinde olduğu açıktı. Rutherford, 1906'da çekirdeğin içindeki pozitif yükü incelemek için atomu alfa parçacıklarıyla incelemeyi önerdi. Bu tür parçacıklar, radyumun ve diğer bazı maddelerin bozunması sırasında ortaya çıktı. Rutherford, deneyleri sırasında atomun yapısını anladı ve buna "gezegen modeli" adı verildi.

Radyoaktivitenin ilk gözlemleri

1985 yılında argon gazını keşfetmesiyle tanınan İngiliz araştırmacı W. Ramsay ilginç bir keşifte bulundu. Kleveit adı verilen bir mineralde helyum gazını keşfetti. Daha sonra diğer minerallerde de büyük miktarlarda helyum bulundu, ancak yalnızca toryum ve uranyum içerenlerde.

Bu araştırmacıya çok tuhaf geldi: Minerallerdeki gaz nereden gelebilir? Ancak Rutherford radyoaktivitenin doğasını incelemeye başladığında helyumun radyoaktif bozunmanın bir ürünü olduğu ortaya çıktı. Bazı kimyasal elementler tamamen yeni özelliklere sahip diğerlerini “doğurur”. Ve bu gerçek, o zamanın kimyagerlerinin önceki tüm deneyimleriyle çelişiyordu.

Frederick Soddy'nin gözlemi

Bilim adamı Frederick Soddy, Rutherford'la birlikte araştırmaya doğrudan dahil oldu. Kendisi bir kimyagerdi ve bu nedenle tüm çalışmaları kimyasal elementlerin özelliklerine göre tanımlanmasıyla ilgiliydi. Aslında atom çekirdeklerinin radyoaktif dönüşümleri ilk kez Soddy tarafından fark edilmiştir. Rutherford'un deneylerinde kullandığı alfa parçacıklarının ne olduğunu bulmayı başardı. Bilim adamları ölçümler yaptıktan sonra bir alfa parçacığının kütlesinin 4 atomik kütle birimi olduğunu buldular. Belirli sayıda alfa parçacığını biriktiren araştırmacılar, bunların yeni bir maddeye, helyuma dönüştüğünü keşfettiler. Bu gazın özellikleri Soddy tarafından iyi biliniyordu. Dolayısıyla alfa parçacıklarının dışarıdan elektronları yakalayıp nötr helyum atomlarına dönüşebildiğini savundu.

Atom çekirdeğindeki değişiklikler

Daha sonraki çalışmalar atom çekirdeğinin özelliklerini tanımlamayı amaçladı. Bilim adamları, tüm dönüşümlerin elektronlarla veya elektron kabuğuyla değil, doğrudan çekirdeklerle gerçekleştiğini fark etti. Bazı maddelerin diğerlerine dönüşümüne katkıda bulunan atom çekirdeklerinin radyoaktif dönüşümleriydi. O zamanlar bu dönüşümlerin özellikleri bilim adamları tarafından hâlâ bilinmiyordu. Ancak bir şey açıktı: Sonuç olarak, bir şekilde yeni kimyasal elementler ortaya çıktı.

Bilim adamları ilk kez radyumun radona dönüştürülmesi sürecinde böyle bir metamorfoz zincirinin izini sürmeyi başardılar. Özel radyasyonun eşlik ettiği bu tür dönüşümlerle sonuçlanan reaksiyonlara araştırmacılar tarafından nükleer adı verildi. Tüm bu süreçlerin tam olarak atomun çekirdeğinde gerçekleştiğinden emin olan bilim adamları, yalnızca radyumun yanı sıra diğer maddeleri de incelemeye başladılar.

Açık radyasyon türleri

Bu tür soruların cevaplarını gerektirebilecek ana disiplin fiziktir (9. sınıf). Atom çekirdeğinin radyoaktif dönüşümleri dersine dahildir. Rutherford, uranyum radyasyonunun nüfuz etme gücü üzerine deneyler yaparken iki tür radyasyon veya radyoaktif dönüşüm keşfetti. Daha az nüfuz eden türe alfa radyasyonu adı verildi. Daha sonra beta radyasyonu da araştırıldı. Gama radyasyonu ilk olarak 1900 yılında Paul Villard tarafından incelenmiştir. Bilim adamları radyoaktivite olgusunun atom çekirdeğinin bozunması ile ilişkili olduğunu gösterdi. Böylece atomun bölünmez bir parçacık olduğu yönündeki daha önce hakim olan fikirlere ezici bir darbe indirildi.

Atom çekirdeğinin radyoaktif dönüşümleri: ana tipler

Artık radyoaktif bozunma sırasında üç tür dönüşümün meydana geldiğine inanılmaktadır: alfa bozunması, beta bozunması ve elektron yakalama, diğer adıyla K-yakalama. Alfa bozunması sırasında, helyum atomunun çekirdeği olan çekirdekten bir alfa parçacığı yayılır. Radyoaktif çekirdeğin kendisi daha düşük elektrik yüküne sahip olana dönüştürülür. Alfa bozunması, periyodik tablonun son sıralarında yer alan maddelerin karakteristiğidir. Beta bozunması aynı zamanda atom çekirdeğinin radyoaktif dönüşümlerine de dahildir. Bu tip atom çekirdeğinin bileşimi de değişir: nötrinoları veya antinötrinoları, elektronları ve pozitronları kaybeder.

Bu tür bozulmaya kısa dalga elektromanyetik radyasyon eşlik eder. Elektron yakalamada, bir atomun çekirdeği yakındaki elektronlardan birini emer. Bu durumda berilyum çekirdeği lityum çekirdeğine dönüşebilir. Bu tür, 1938'de atom çekirdeklerinin radyoaktif dönüşümlerini de inceleyen Alvarez adlı Amerikalı bir fizikçi tarafından keşfedildi. Araştırmacıların bu tür süreçleri yakalamaya çalıştığı fotoğraflar, incelenen parçacıkların boyutunun küçük olması nedeniyle bulanık buluta benzer görüntüler içeriyor.

1900 yılında Rutherford, İngiliz radyokimyacı Frederick Soddy'ye gizemli Thoron'dan bahsetti. Soddy, toron'un birkaç yıl önce havada keşfedilen argona benzer bir inert gaz olduğunu kanıtladı; radonun izotoplarından biriydi, 220 Rn. Daha sonra ortaya çıktığı gibi, radyumun yayılması, radonun başka bir izotopu olduğu ortaya çıktı - 222 Rn (yarı ömür) T 1/2 = 3,825 gün) ve aktinyumun yayılması aynı elementin kısa ömürlü bir izotopudur: 219 Rn ( T 1/2 = 4 sn). Dahası, Rutherford ve Soddy, toryumun dönüşüm ürünlerinden özellikleri bakımından toryumdan farklı, uçucu olmayan yeni bir element izole etti. Toryum X olarak adlandırıldı (daha sonra radyum 224 Ra c'nin bir izotopu olduğu tespit edildi) T 1/2 = 3,66 gün). Anlaşıldığı üzere, "toryum yayılımı" orijinal toryumdan değil, tam olarak toryum X'ten salınıyor. Benzer örnekler çoğaldı: Başlangıçta kimyasal olarak iyice saflaştırılmış uranyum veya toryumda, zamanla radyoaktif elementlerin bir karışımı ortaya çıktı ve bundan gazlı olanlar da dahil olmak üzere yeni radyoaktif elementler elde edildi. Böylece birçok radyoaktif ilaçtan salınan a-partikülleri, 1860'ların sonunda Güneş'te (spektral yöntem) keşfedilen ve 1882'de bazı kayalarda keşfedilen helyuma benzer bir gaza dönüştü.

Ortak çalışmalarının sonuçları Rutherford ve Soddy tarafından 1902-1903'te Philosophical Magazine'deki bir dizi makalede yayınlandı. Bu makalelerde, elde edilen sonuçları analiz eden yazarlar, bazı kimyasal elementleri diğerlerine dönüştürmenin mümkün olduğu sonucuna varmışlardır. Şöyle yazdılar: “Radyoaktivite, yeni madde türlerinin doğduğu kimyasal değişikliklerin eşlik ettiği atomik bir olgudur... Radyoaktivite, atom içi kimyasal bir sürecin bir tezahürü olarak düşünülmelidir... Radyasyon, atomların dönüşümüne eşlik eder.. Atomik dönüşüm sonucunda, fiziksel ve kimyasal özellikleri orijinal maddeden tamamen farklı, tamamen yeni bir madde türü oluşur."

O zamanlar bu sonuçlar çok cesurdu; Curie'ler de dahil olmak üzere diğer önde gelen bilim adamları, benzer olayları gözlemlemiş olsalar da, bunları en başından beri orijinal maddede "yeni" elementlerin varlığıyla açıkladılar (örneğin, Curie, içerdiği polonyum ve radyumu uranyum cevherinden izole etti). Yine de Rutherford ve Soddy haklı çıktı: radyoaktiviteye bazı elementlerin diğerlerine dönüşümü eşlik ediyor

Sarsılmaz olan çöküyormuş gibi görünüyordu: Atomların değişmezliği ve bölünemezliği, çünkü Boyle ve Lavoisier'nin zamanından beri kimyagerler kimyasal elementlerin (o zamanlar dedikleri gibi "basit cisimler", yapı taşları) ayrıştırılamaz olduğu sonucuna varmışlardı. evrenin), birbirlerine dönüşmelerinin imkansızlığı hakkında. O zamanın bilim adamlarının kafasında neler olup bittiği, muhtemelen simyacıların yüzyıllardır bahsettiği elementlerin "dönüştürülmesi" olasılığının uyumlu sistemi yok edeceğini düşünen D.I. Mendeleev'in ifadeleriyle açıkça kanıtlanıyor. yarattığı ve dünya çapında tanınan kimyasal elementler. 1906'da yayınlanan bir ders kitabında Kimyanın Temellerişöyle yazdı: “... (tümevarımsal bilginin sert ama verimli disiplini temelinde) bazı öğelerin varsayımsal olarak birbirine dönüştürülebilirliğini bile kabul etmeye hiç meyilli değilim ve uranyumdan argon veya radyoaktif maddeler veya tam tersi.

Mendeleev'in bazı kimyasal elementleri diğerlerine dönüştürmenin imkansızlığı konusundaki görüşlerinin yanlışlığını zaman gösterdi; aynı zamanda ana keşfinin - periyodik yasanın - dokunulmazlığını da doğruladı. Fizikçilerin ve kimyagerlerin daha sonraki çalışmaları, hangi durumlarda bazı elementlerin diğerlerine dönüşebildiğini ve bu dönüşümleri hangi doğa yasalarının yönettiğini gösterdi.

Elementlerin dönüşümleri. Radyoaktif seri.

20. yüzyılın ilk yirmi yılı boyunca. Birçok fizikçinin ve radyokimyacının çalışmaları sayesinde birçok radyoaktif element keşfedildi. Dönüşümlerinin ürünlerinin çoğunlukla radyoaktif olduğu ve bazen oldukça karmaşık başka dönüşümlere uğradığı yavaş yavaş ortaya çıktı. Bir radyonüklidin diğerine dönüşme sırasının bilinmesi, doğal radyoaktif serilerin (veya radyoaktif ailelerin) oluşturulmasını mümkün kılmıştır. Bunlardan üç tane vardı ve bunlara uranyum sırası, aktinyum sırası ve toryum sırası deniyordu. Bu üç seri, ağır doğal elementlerden kaynaklanmıştır - 18. yüzyıldan beri bilinen uranyum ve 1828'de keşfedilen toryum (kararsız aktinyum, aktinyum serisinin atası değil, ara üyesidir). Daha sonra, 1940 yılında yapay olarak elde edilen 93 numaralı ilk transuranyum elementi olan neptunyumdan başlayarak, bunlara neptunyum serisi eklendi. Dönüşümlerinin birçok ürünü aynı zamanda orijinal unsurların adını aldı ve aşağıdaki şemalar yazıldı:

Uranyum serisi: UI ® UХ1 ® UХ2 ® UII ® Io (ion) ® Ra ® ... ® RaG.

Deniz anemonu serisi: AcU ® UY ® Pa ® Ac ® AcK ® AcX ® An ® AcA ® AcB ® AcC ® AcC"" ® AcD.

Toryum serisi: Th ® MsTh1 ® MsTh2 ® RdTh ® ThХ ® Them ® ThA ® ThB ® ThC ® ThC" ® ThD.

Anlaşıldığı üzere, bu sıralar her zaman "düz" zincirler değildir: zaman zaman dallara ayrılırlar. Yani %0,15 olasılıkla UX2 UZ'a dönüşebilir, daha sonra UII'ye geçer. Benzer şekilde, ThC iki şekilde bozunabilir: ThC ® ThC" dönüşümü %66,3 oranında gerçekleşir ve aynı zamanda %33,7 olasılıkla ThC ® ThC"" ® ThD süreci de meydana gelir. Bunlar, "çatal" olarak adlandırılan, bir radyonüklidin farklı ürünlere paralel dönüşümü Bu serideki radyoaktif dönüşümlerin doğru sırasını oluşturmanın zorluğu, aynı zamanda birçok üyesinin, özellikle de beta-aktif olanların ömrünün çok kısa olmasıyla da ilişkilendirildi.

Bir zamanlar, radyoaktif serinin her yeni üyesi yeni bir radyoaktif element olarak kabul ediliyordu ve fizikçiler ve radyokimyacılar buna kendi isimlerini verdiler: iyonyum Io, mezotoryum-1 MsTh1, aktinouranyum AcU, toryum yayılımı Them, vb. ve benzeri. Bu tanımlamalar hantal ve sakıncalıdır; net bir sistemleri yoktur. Ancak bunlardan bazıları hala bazen geleneksel olarak özel literatürde kullanılmaktadır. Zamanla, tüm bu sembollerin sıradan kimyasal elementlerin - radyonüklitlerin kararsız atom çeşitlerine (daha doğrusu çekirdeklere) atıfta bulunduğu ortaya çıktı. Kimyasal olarak ayrılamayan, ancak yarı ömürleri (ve genellikle bozunma türleri) bakımından farklı olan elementleri ayırt etmek için, 1913'te F. Soddy onlara izotop adını vermeyi önerdi.

Serinin her bir üyesini bilinen kimyasal elementlerin izotoplarından birine atadıktan sonra, uranyum serisinin uranyum-238 ile başladığı anlaşıldı ( T 1/2 = 4,47 milyar yıl) ve kararlı kurşun-206 ile biter; Bu serinin üyelerinden biri çok önemli bir element olan radyum olduğundan bu seriye uranyum-radyum serisi de denir. Aktinyum serisi (diğer adı aktinouranyum serisidir) de doğal uranyumdan kaynaklanır, ancak diğer izotopundan - 235 U ( T 1/2 = 794 milyon yıl). Toryum serisi 232 Th nüklidi ile başlar ( T 1/2 = 14 milyar yıl). Son olarak, doğada bulunmayan neptunyum serisi, yapay olarak elde edilen en uzun ömürlü neptunyum izotopuyla başlar: 237 Np ® 233 Pa ® 233 U ® 229 Th ® 225 Ra ® 225 Ac ® 221 Fr ® 217 At ® 213 Bi ® 213 Po ® 209 Pb ® 209 Bi. Bu seride bir de “çatal” var: 213 Bi %2 olasılıkla 209 Tl’ye dönüşebiliyor ki o da zaten 209 Pb’ye dönüşüyor. Neptunyum serisinin daha ilginç bir özelliği, gaz halindeki "yayılmaların" olmaması ve serinin son üyesi olan kurşun yerine bizmuttur. Bu yapay serinin atasının yarı ömrü "sadece" 2,14 milyon yıldır, dolayısıyla neptunyum, Güneş sisteminin oluşumu sırasında mevcut olsaydı bile bugüne kadar "hayatta kalamazdı" çünkü Dünyanın yaşının 4,6 milyar yıl olduğu tahmin ediliyor ve bu süre zarfında (2000'den fazla yarı ömür) neptunyumdan tek bir atom bile kalmayacaktı.

Örnek olarak Rutherford, radyum dönüşüm zincirindeki karmaşık olaylar düğümünü çözdü (radyum-226, radyoaktif uranyum-238 serisinin altıncı üyesidir). Diyagram, hem Rutherford zamanının sembollerini hem de nüklidlere ilişkin modern sembollerin yanı sıra bozunma türünü ve yarı ömürlere ilişkin modern verileri göstermektedir; Yukarıdaki seride ayrıca küçük bir "çatal" vardır: %0,04 olasılıkla RaC, RaC""(210 Tl)'ye dönüşebilir ve bu daha sonra aynı RaD'ye dönüşür ( T 1/2 = 1,3 dakika). Bu radyoaktif kurşunun yarı ömrü oldukça uzun olduğundan, deney sırasında onun daha sonraki dönüşümleri sıklıkla göz ardı edilebilir.

Bu serinin son üyesi kurşun-206 (RaG) stabildir; doğal kurşunda ise %24,1'dir. Toryum serisi stabil kurşun-208'e yol açar ("sıradan" kurşun içeriği %52,4'tür), aktinyum serisi kurşun-207'ye yol açar ("kurşun içeriği %22,1'dir). Bu kurşun izotoplarının modern yer kabuğundaki oranı elbette hem ana nüklidlerin yarı ömrüne hem de bunların Dünya'nın oluştuğu malzemedeki başlangıç ​​oranlarına bağlıdır. Ve yer kabuğundaki "sıradan", radyojenik olmayan kurşun yalnızca %1,4'tür. Dolayısıyla, başlangıçta Dünya'da uranyum ve toryum olmasaydı, içindeki kurşun% 1,6 × 10 –3 (kobalt ile hemen hemen aynı) değil, 70 kat daha az (örneğin, indiyum ve gibi nadir metaller gibi) olurdu. tulyum!). Öte yandan, birkaç milyar yıl önce gezegenimize uçan hayali bir kimyager, gezegende çok daha az kurşun, çok daha fazla uranyum ve toryum bulurdu...

1915'te F. Soddy, Seylan minerali toritinden (ThSiO 4) toryumun çürümesinden oluşan kurşunu izole ettiğinde, atom kütlesinin 207.77'ye eşit olduğu, yani "sıradan" kurşununkinden (207.2) daha fazla olduğu ortaya çıktı. Bu, “teorik” (208)'den farklılığı, toritin kurşun-206 üreten bir miktar uranyum içermesiyle açıklanmaktadır. Atom kütlelerinin ölçümü alanında otorite olan Amerikalı kimyager Theodore William Richards, toryum içermeyen bazı uranyum minerallerinden kurşunu izole ettiğinde atom kütlesinin neredeyse tam olarak 206 olduğu ortaya çıktı. Bu kurşunun yoğunluğu da biraz daha azdı. ve hesaplanana karşılık geldi: r ( Pb) ґ 206/207,2 = 0,994r (Pb), burada r (Pb) = 11,34 g/cm3. Bu sonuçlar, diğer bazı elementler gibi kurşun için de atom kütlesini çok yüksek doğrulukla ölçmenin neden bir anlamı olmadığını açıkça göstermektedir: farklı yerlerden alınan numuneler biraz farklı sonuçlar verecektir ( santimetre. KARBON BİRİMİ).

Doğada diyagramlarda gösterilen dönüşüm zincirleri sürekli olarak meydana gelir. Sonuç olarak, bazı kimyasal elementler (radyoaktif) diğerlerine dönüşür ve bu tür dönüşümler, Dünya'nın var olduğu süre boyunca meydana gelir. Radyoaktif serinin ilk üyeleri (bunlara ana denir) en uzun ömürlü olanlardır: Uranyum-238'in yarı ömrü 4,47 milyar yıl, toryum-232'nin yarı ömrü 14,05 milyar yıldır, uranyum-235 ("aktinouranyum" olarak da bilinir) aktinyum serisinin atası) – 703,8 milyon yıl. Bu uzun zincirin sonraki tüm (“kız”) üyeleri önemli ölçüde daha kısa ömürler yaşarlar. Bu durumda, radyokimyacıların "radyoaktif denge" adını verdiği bir durum ortaya çıkar: ana uranyum, toryum veya aktinyumdan bir ara radyonüklidin oluşma hızı (bu oran çok düşüktür), bu çekirdeğin bozunma hızına eşittir. Bu oranların eşitliğinin bir sonucu olarak, belirli bir radyonüklidin içeriği sabittir ve yalnızca yarı ömrüne bağlıdır: radyoaktif serinin kısa ömürlü üyelerinin konsantrasyonu küçüktür ve uzun ömürlü üyelerin konsantrasyonu daha büyük. Ara bozunma ürünlerinin içeriğindeki bu sabitlik çok uzun bir süre devam eder (bu süre, çok uzun olan ana çekirdeğin yarı ömrü tarafından belirlenir). Basit matematiksel dönüşümler şu sonuca yol açar: anne sayısının oranı ( N 0) ve çocuklar ( N 1, N 2, N 3...) atomlar yarı ömürleriyle doğru orantılıdır: N 0:N 1:N 2:N 3... = T 0:T 1:T 2:T 3... Böylece uranyum-238'in yarı ömrü 4,47 10 9 yıl, radyum 226 ise 1600 yıldır, dolayısıyla uranyum cevherlerindeki uranyum-238 ve radyum-226 atom sayısının oranı 4,47 10 9'dur: 1600 , buradan (bu elementlerin atom kütleleri dikkate alınarak) 1 ton uranyum için radyoaktif dengeye ulaşıldığında yalnızca 0,34 g radyum bulunduğunu hesaplamak kolaydır.

Ve tam tersi, cevherlerdeki uranyum ve radyum oranının yanı sıra radyumun yarı ömrünü bilerek, uranyumun yarı ömrünü belirlemek mümkündür ve radyumun yarı ömrünü belirlemenize gerek yoktur. bin yıldan fazla bekleyin - bozunma oranını (yani .d değerini) ölçmek (radyoaktivitesi ile) yeterlidir N/D T) o elementin bilinen küçük bir miktarı (bilinen sayıda atomla) N) ve sonra d formülüne göre N/D T= –l N l = ln2/ değerini belirleyin T 1/2.

Yer değiştirme kanunu.

Herhangi bir radyoaktif serinin üyeleri periyodik element tablosu üzerinde sıralı olarak işaretlenirse, bu serideki radyonüklitlerin ana elementten (uranyum, toryum veya neptunyum) kurşun veya bizmut'a düzgün bir şekilde geçmediği, ancak "sıçradığı" ortaya çıkar. sağa ve sonra sola. Böylece, uranyum serisinde, iki kararsız kurşun izotopu (element No. 82), bizmut izotoplarına (element No. 83), sonra polonyum izotoplarına (element No. 84) ve sonra tekrar kurşun izotoplarına dönüştürülür. . Sonuç olarak, radyoaktif element sıklıkla element tablosunun aynı hücresine geri döner, ancak farklı kütleye sahip bir izotop oluşur. F. Soddy'nin 1911'de fark ettiği bu "sıçramalarda" belli bir model olduğu ortaya çıktı.

Artık bir bozunma sırasında çekirdekten bir a parçacığının (bir helyum atomunun çekirdeği) yayıldığı, dolayısıyla çekirdeğin yükünün 2 azaldığı (periyodik tablodaki iki hücrenin solda) ve kütle numarası 4 azalıyor, bu da yeni elementin hangi izotopunun oluştuğunu tahmin etmemizi sağlıyor. Radonun bozunumu buna bir örnektir: ® + . B-bozunmasında ise tam tersine çekirdekteki proton sayısı bir artar ancak çekirdeğin kütlesi değişmez ( santimetre. RADYOAKTİVİTE), yani. element tablosunda bir hücre sağa doğru kayma vardır. Bir örnek, radondan oluşan polonyumun birbirini takip eden iki dönüşümüdür: ® ®. Böylece, eğer "çatalları" hesaba katmazsak, örneğin radyum-226'nın bozunması sonucu kaç tane alfa ve beta parçacığının yayıldığını hesaplamak mümkündür (bkz. uranyum serisi). İlk nüklid, son nüklid - . Kütledeki azalma (daha doğrusu kütle numarası yani çekirdekteki proton ve nötronların toplam sayısı) 226 – 206 = 20'ye eşit olduğundan 20/4 = 5 alfa parçacığı yayıldı. Bu parçacıklar 10 proton taşıyordu ve eğer b-bozunması olmasaydı, son bozunma ürününün nükleer yükü 88 - 10 = 78'e eşit olurdu. Aslında, son üründe 82 proton var, dolayısıyla bozunma sırasında Dönüşümler sonucunda 4 nötron protona dönüştü ve 4 b parçacığı yayıldı.

Çoğu zaman, bir a-bozunmasını iki b-bozunumu takip eder ve böylece ortaya çıkan element, orijinal elementin daha hafif bir izotopu formunda elementler tablosunun orijinal hücresine geri döner. Bu gerçekler sayesinde, D.I. Mendeleev'in periyodik yasasının, elementlerin özellikleri ile çekirdeklerinin yükü arasındaki ilişkiyi yansıttığı ve kütlelerini değil (ilk olarak atomun yapısı bilinmediğinde formüle edildiği gibi) ortaya çıktı.

Radyoaktif yer değiştirme yasası nihayet 1913'te birçok bilim adamının özenli araştırmaları sonucunda formüle edildi. Bunların arasında Soddy'nin asistanı Alexander Fleck, Soddy'nin stajyeri A.S. Russell, 1911-1913'te Manchester Üniversitesi'nde Rutherford'la birlikte çalışan Macar fiziksel kimyager ve radyokimyacı György Hevesy ve Alman (ve daha sonra Amerikalı) fiziksel kimyager Casimir Fajans vardı. 1887–1975). Bu yasaya genellikle Soddy-Faience yasası denir.

Elementlerin yapay dönüşümü ve yapay radyoaktivite.

Ağır hidrojen izotopu döteryumun çekirdeği olan döteryumların yüksek hızlara hızlandırılmasıyla birçok farklı dönüşüm gerçekleştirildi. Böylece + ® + reaksiyonu sırasında ilk kez süper ağır hidrojen - trityum üretildi. İki döteronun çarpışması farklı şekilde ilerleyebilir: + ® +, bu süreçler kontrollü bir termonükleer reaksiyon olasılığını incelemek için önemlidir. + ® () ® 2 reaksiyonunun önemli olduğu ortaya çıktı, çünkü zaten nispeten düşük bir döteron enerjisinde (0,16 MeV) meydana geliyor ve buna devasa bir enerji - 22,7 MeV salınımı eşlik ediyor (1 MeV = 10 6 eV'yi hatırlayın) ve 1 eV = 96,5 kJ/mol).

Berilyumun a-partikülleri ile bombardımanı sırasında oluşan reaksiyon büyük pratik önem kazanmıştır: + ® () ® +, 1932'de nötr nötron parçacığının keşfine yol açmış ve radyum-berilyum nötron kaynaklarının çok uygun olduğu ortaya çıkmıştır. bilimsel araştırma için. + ® + reaksiyonları sonucunda farklı enerjilere sahip nötronlar da elde edilebilir; + ® + ; + ® + . Yüksüz nötronlar özellikle atom çekirdeğine kolayca nüfuz eder ve hem ateşlenen nüklide hem de nötronların hızına (enerjisine) bağlı olarak çeşitli işlemlere neden olur. Böylece, yavaş bir nötron basitçe çekirdek tarafından yakalanabilir ve çekirdek, bir gama kuantumu yayarak aşırı enerjinin bir kısmını serbest bırakır, örneğin: + ® + g. Bu reaksiyon, uranyumun fisyon reaksiyonunu kontrol etmek için nükleer reaktörlerde yaygın olarak kullanılır: reaksiyonu yavaşlatmak için kadmiyum çubukları veya plakaları nükleer kazanın içine itilir.

Eğer mesele bu dönüşümlerle sınırlı olsaydı, o zaman radyasyonun kesilmesinden sonra nötron akışının hemen kuruması gerekirdi, dolayısıyla polonyum kaynağının ortadan kaldırılmasıyla tüm aktivitenin durmasını beklediler, ancak parçacık sayacının devam ettiğini buldular. Üstel yasaya tam olarak uygun olarak, yavaş yavaş sönen darbeleri kaydedin. Bu sadece tek bir şekilde yorumlanabilir: alfa ışınımının bir sonucu olarak, nitrojen-13 için 10 dakikalık ve fosfor-30 için 2,5 dakikalık karakteristik yarı ömre sahip, önceden bilinmeyen radyoaktif elementler ortaya çıktı. Bu elementlerin pozitron bozunumuna uğradığı ortaya çıktı: ® + e + , ® + e + . Üç kararlı doğal izotopla temsil edilen magnezyum ile ilginç sonuçlar elde edildi ve ışınlama üzerine hepsinin, 227- veya pozitron bozunmasına uğrayan radyoaktif silikon veya alüminyum nüklidleri ürettiği ortaya çıktı:

Yapay radyoaktif elementlerin üretimi, belirli bir amaca uygun yarı ömre sahip radyonüklidlerin ve belirli bir güçte istenilen radyasyon tipinin sentezine olanak tanıdığından büyük pratik öneme sahiptir. Nötronları “mermi” olarak kullanmak özellikle uygundur. Bir nötronun bir çekirdek tarafından yakalanması çoğu zaman onu o kadar kararsız hale getirir ki, yeni çekirdek radyoaktif hale gelir. “Fazladan” nötronun protona dönüşmesi yani 227 radyasyonu sayesinde kararlı hale gelebilir; Bu tür pek çok reaksiyon bilinmektedir, örneğin: + ® ® + e. Atmosferin üst katmanlarında meydana gelen radyokarbon oluşumunun reaksiyonu çok önemlidir: + ® + ( santimetre. RADYOKARBON ANALİZ YÖNTEMİ). Trityum, yavaş nötronların lityum-6 çekirdekleri tarafından emilmesiyle sentezlenir. Hızlı nötronların etkisi altında birçok nükleer dönüşüm gerçekleştirilebilir, örneğin: + ® + ; + ® + ; + ® + . Böylece, sıradan kobaltın nötronlarla ışınlanmasıyla, güçlü bir gama radyasyonu kaynağı olan radyoaktif kobalt-60 elde edilir (60 Co - uyarılmış çekirdeğin bozunma ürünü tarafından salınır). Bazı transuranyum elementleri nötronlarla ışınlama yoluyla üretilir. Örneğin, doğal uranyum-238'den ilk önce kararsız uranyum-239 oluşur ve bu, b-bozunması sırasında ( T 1/2 = 23,5 dak) ilk transuranyum elementi neptunyum-239'a dönüşür ve o da b-bozunması yoluyla ( T 1/2 = 2,3 gün) çok önemli, silah kalitesinde plütonyum-239'a dönüşüyor.

Gerekli nükleer reaksiyonu gerçekleştirerek yapay olarak altın elde etmek ve böylece simyacıların yapamadığını başarmak mümkün müdür? Teorik olarak bunun önünde hiçbir engel yoktur. Üstelik böyle bir sentez zaten yapılmış ama zenginlik getirmemiş. Yapay olarak altın üretmenin en kolay yolu, periyodik tabloda altının yanında bulunan elementi nötron akışıyla ışınlamak olacaktır. Daha sonra + ® + reaksiyonu sonucunda bir nötron, cıva atomundan bir protonu çıkararak onu altın atomuna dönüştürecektir. Bu reaksiyon belirli kütle numaralarını göstermez ( A) cıva ve altın nüklidleri. Doğadaki altın tek kararlı nükliddir ve doğal cıva da izotopların karmaşık bir karışımıdır. A= 196 (%0,15), 198 (%9,97), 199 (%1,87), 200 (%23,10), 201 (%13,18), 202 (%29,86) ve 204 (%6,87). Sonuç olarak, yukarıdaki şemaya göre yalnızca kararsız radyoaktif altın elde edilebilir. 1941'in başlarında Harvard Üniversitesi'nden bir grup Amerikalı kimyager tarafından, hızlı nötron akışıyla cıva ışınlanarak elde edildi. Birkaç gün sonra, ortaya çıkan tüm radyoaktif altının izotopları, beta bozunması yoluyla yeniden cıvanın orijinal izotoplarına dönüştü...

Ancak başka bir yol daha var: Cıva-196 atomları yavaş nötronlarla ışınlanırsa cıva-197 atomlarına dönüşeceklerdir: + ® + g. Yarı ömrü 2,7 gün olan bu atomlar, elektron yakalamaya uğrar ve sonunda kararlı altın atomlarına dönüşür: +e®. Bu dönüşüm 1947'de Chicago'daki Ulusal Laboratuvar çalışanları tarafından gerçekleştirildi. 100 mg cıvayı yavaş nötronlarla ışınlayarak 0,035 mg 197Au elde ettiler. Tüm cıvaya göre verim çok küçüktür - yalnızca %0,035, ancak 196Hg'ye göre %24'e ulaşır! Bununla birlikte, doğal cıvadaki 196 Hg izotop en az olanıdır, ayrıca ışınlama işleminin kendisi ve süresi (ışınlama birkaç yıl sürecektir) ve stabil "sentetik altının" karmaşık bir karışımdan izolasyonu, çok daha pahalıya mal olacaktır. altının en fakir cevherden izolasyonu(). Dolayısıyla altının yapay üretimi yalnızca teorik açıdan ilgi çekicidir.

Radyoaktif dönüşümlerin niceliksel modelleri.

Belirli bir kararsız çekirdeğin izini sürmek mümkün olsaydı, onun ne zaman bozunacağını tahmin etmek imkânsız olurdu. Bu rastgele bir süreçtir ve yalnızca belirli durumlarda, belirli bir süre boyunca bozulma olasılığı değerlendirilebilir. Bununla birlikte, mikroskop altında neredeyse görülemeyen en küçük toz zerresi bile çok sayıda atom içerir ve eğer bu atomlar radyoaktifse, o zaman onların bozunması katı matematik yasalarına uyar: çok sayıda nesnenin karakteristik istatistiksel yasaları yürürlüğe girer. . Ve sonra her radyonüklid çok özel bir değerle karakterize edilebilir - yarı ömür ( T 1/2), mevcut çekirdek sayısının yarısının bozunduğu süredir. Eğer ilk anda olsaydı N 0 çekirdek, ardından bir süre sonra T = T 1/2'si kalacak N 0/2, saat T = 2T 1/2 kalacak N 0/4 = N 0/2 2 , saat T = 3T 1/2 – N 0/8 = N 0/2 3 vb. Genel olarak ne zaman T = hayır 1/2 kalacak N 0/2 Nçekirdekler, nerede N = T/T 1/2 yarı ömürlerin sayısıdır (tam sayı olması gerekmez). Formülün olduğunu göstermek kolaydır N = N 0/2 T/T 1/2 formüle eşdeğerdir N = N 0e – ben T burada l bozunma sabiti olarak adlandırılan değerdir. Resmi olarak, bozunma oranı d arasındaki orantılılık katsayısı olarak tanımlanır. N/D T ve mevcut çekirdek sayısı: d N/D T= – ben N(eksi işareti şunu gösterir: N zamanla azalır). Bu diferansiyel denklemin entegrasyonu, çekirdek sayısının zamana göre üstel bağımlılığını verir. Bu formülde yerine koyma N = N 0/2 saat T = T 1/2, bozunum sabitinin yarı ömürle ters orantılı olduğunu elde ederiz: l = ln2/ T 1/2 = 0,693/T 1/2. t=1/l değerine çekirdeğin ortalama ömrü denir. Örneğin 226 Ra için T 1/2 = 1600 yıl, t = 1109 yıl.

Verilen formüllere göre değerini bilmek T 1/2 (veya l), herhangi bir zaman periyodundan sonra radyonüklid miktarını hesaplamak kolaydır ve farklı zamanlarda radyonüklid miktarı biliniyorsa, bunları yarı ömrü hesaplamak için de kullanabilirsiniz. Çekirdek sayısı yerine, formülde mevcut çekirdek sayısıyla doğru orantılı olan radyasyon aktivitesini kullanabilirsiniz. N. Etkinlik genellikle numunedeki toplam bozulma sayısıyla değil, cihaz ölçüm etkinliği tarafından kaydedilen, bununla orantılı darbe sayısıyla karakterize edilir. Örneğin 1 gram radyoaktif madde varsa yarı ömrü ne kadar kısaysa madde o kadar aktif olacaktır.

Diğer matematik yasaları az sayıda radyonüklitlerin davranışını tanımlar. Burada yalnızca belirli bir olayın olasılığından bahsedebiliriz. Örneğin, bir radyonüklidin bir atomu (daha kesin olarak bir çekirdeği) olsun. T 1/2 = 1 dk. Bu atomun 1 dakika yaşama olasılığı 1/2 (%50), 2 dakika - 1/4 (%25), 3 dakika - 1/8 (%12,5), 10 dakika - (1/2) 10 = 1/10 24 (%0,1), 20 dk – (1/2) 20 = 1/1048576 (%0,00001). Tek bir atom için bu şans ihmal edilebilir düzeydedir, ancak çok sayıda atom (örneğin birkaç milyar) olduğunda, bunların çoğu şüphesiz 20 yarılanma ömrüne veya daha fazlasına sahip olacaktır. Bir atomun belirli bir süre içinde bozunma olasılığı, elde edilen değerlerin 100'den çıkarılmasıyla elde edilir. Yani bir atomun 2 dakika hayatta kalma olasılığı %25 ise, aynı atomun bu süre içinde bozunma olasılığı da %25'tir. süre 100 - 25 = %75, 3 dakika içinde parçalanma olasılığı - %87,5, 10 dakika içinde - %99,9 vb.

Birkaç kararsız atom varsa formül daha karmaşık hale gelir. Bu durumda bir olayın istatistiksel olasılığı binom katsayılı bir formülle tanımlanır. eğer oradaysa N atomlar ve bunlardan birinin zamanla bozunma olasılığı T eşittir P, o zaman bu zaman zarfındaki olasılık T itibaren N atomlar çürüyecek N(ve buna göre kalacak N – N), eşittir P = N!pn(1–P) N–N /(N–N)!N! Atomları kelimenin tam anlamıyla ayrı ayrı elde edilen yeni kararsız elementlerin sentezinde de benzer formüllerin kullanılması gerekir (örneğin, bir grup Amerikalı bilim adamı 1955'te yeni Mendelevyum elementini keşfettiğinde, onu yalnızca 17 atom miktarında elde ettiler) ).

Bu formülün uygulanması belirli bir durumda gösterilebilir. Mesela şöyle olsun N= 1 saatlik yarı ömre sahip 16 atom. Belirli sayıda atomun örneğin zamanla bozunma olasılığını hesaplayabilirsiniz. T= 4 saat. Bir atomun bu 4 saatte hayatta kalma olasılığı sırasıyla 1/2 4 = 1/16, bu süre içinde bozunma olasılığı ise R= 1 – 1/16 = 15/16. Bu ilk verileri formülde değiştirmek şunu sağlar: R = 16!(15/16) N (1/16) 16–N /(16–N)!N! = 16!15 N /2 64 (16–N)!N! Bazı hesaplamaların sonuçları tabloda gösterilmektedir:

Böylece, 4 saat (4 yarı ömür) sonunda 16 atomdan, tahmin edilebileceği gibi tek bir atom bile kalmayacaktır: Bu olayın olasılığı yalnızca %38,4'tür, ancak bu, diğer herhangi bir sonucun olasılığından daha yüksektir. Tablodan da görülebileceği gibi 16 atomun tamamının (%35,2) ya da yalnızca 14 tanesinin bozunma olasılığı da oldukça yüksektir. Ancak 4 yarılanma ömründen sonra tüm atomların “canlı” kalması (hiçbirinin bozunmaması) olasılığı ihmal edilebilir. Açıktır ki, eğer 16 atom yoksa, diyelim ki, 10 20 varsa, o zaman neredeyse% 100 güvenle, 1 saat sonra sayılarının yarısının, 2 saat sonra - dörtte biri vb. kalacağını söyleyebiliriz. Yani, ne kadar çok atom varsa, onların bozunması da o kadar doğru bir şekilde üstel yasaya karşılık gelir.

Becquerel'in zamanından bu yana yapılan çok sayıda deney, radyoaktif bozunma hızının pratikte sıcaklıktan, basınçtan veya atomun kimyasal durumundan etkilenmediğini göstermiştir. İstisnalar çok nadirdir; Böylece elektron yakalama durumunda değer T Elementin oksidasyon durumu değiştikçe 1/2 biraz değişir. Örneğin, 7 BeF2'nin bozunması, 7 BeO veya metalik 7 Be'den yaklaşık %0,1 daha yavaş gerçekleşir.

Bilinen kararsız çekirdeklerin (radyonüklidlerin) toplam sayısı iki bine yaklaşıyor, ömürleri çok geniş sınırlar içinde değişiyor. Hem yarı ömürleri milyonlarca, hatta milyarlarca yıl olan uzun ömürlü radyonüklidler hem de saniyenin çok küçük kesirleri içinde tamamen bozunan kısa ömürlü olanlar bilinmektedir. Bazı radyonüklitlerin yarı ömürleri tabloda verilmiştir.

Bazı radyonüklidlerin özellikleri (Tc, Pm, Po ve kararlı izotoplara sahip olmayan sonraki tüm elementler için veriler, bunların en uzun ömürlü izotopları için verilmiştir).

Bilinen en kısa ömürlü nüklid 5 Li'dir: ömrü 4,4·10 –22 s'dir). Bu süre zarfında ışık bile yalnızca 10-11 cm yol alacaktır. çekirdeğin çapından yalnızca birkaç on kat daha büyük ve herhangi bir atomun boyutundan önemli ölçüde daha küçük bir mesafe. En uzun ömürlü olanı 128 Te'dir (%31,7 oranında doğal tellürde bulunur) ve yarılanma ömrü sekiz septilyon (8.10 24) yıldır - buna radyoaktif bile denilemez; Karşılaştırma için, Evrenimizin "sadece" 10 10 yaşında olduğu tahmin ediliyor.

Bir nüklidin radyoaktivite birimi bekereldir: 1 Bq (Bq), saniyede bir bozunmaya karşılık gelir. Sistem dışı birim curie sıklıkla kullanılır: 1 Ci (Ci), saniyede 37 milyar parçalanmaya veya 3,7 milyar parçalanmaya eşittir. . 10 10 Bq (1 g 226 Ra yaklaşık olarak bu aktiviteye sahiptir). Bir zamanlar Rutherford'un sistem dışı bir birimi önerildi: 1 Рд (Rd) = 10 6 Bq, ancak yaygın değildi.

Edebiyat:

Soddy F. Atom enerjisinin tarihi. M., Atomizdat, 1979
Choppin G. ve ark. Nükleer kimya. M., Energoatomizdat, 1984
Hoffmann K. Altın yapmak mümkün mü? L., Kimya, 1984
Kadmensky S.G. Atom çekirdeğinin radyoaktivitesi: tarihçe, sonuçlar, son başarılar. "Soros Eğitim Dergisi", 1999, Sayı 11

Okumanızı öneririz

Windows talimatları

Atina'da bir arkon kimdir?

Android talimatları

Ay neden yalnızca suyu çeker (çeker)?

Android talimatları

Koruma maliyetleri: muhasebe ve vergilendirme (Antanenkova E

Akıllı telefonlar

Başlıca uygarlık türleri nelerdir?Sonuç olarak uygarlık ortaya çıkar.

Windows talimatları

Aile ağacının enerji-bilgi temizliği Tüm ailenin karmasını iyileştirmek için meditasyon

Akıllı telefonlar

Rüyada yangın görmek ne anlama gelir?