Радиоактивный распад ядер. Правило смещения при радиоактивном распаде
Нуклид является стабильным в отношении радиоактивного распада, если его масса меньше суммы масс всех продуктов, образующихся при предполагаемом распаде. Поэтому радиоактивный распад возможен только в том случае, если сумма масс образующихся продуктов будет меньше массы исходного нуклида. Радиоактивный распад в общем виде можно представить следующим образом:
А (материнский нуклид) = В(дочерний нуклид) + Х (испускаемые частицы) + Q(энергия)
Под энергией подразумевают кинетическую энергию испускаемых частиц и g-квантов. Суммарная энергия Q, выделяющаяся при радиоактивном распаде, определяется разностью масс исходного нуклида и продуктов, образующихся после распада в основном состоянии:
Q=dmc 2 =(mA-mB-mX)c 2 .
Во всех случаях радиоактивного распада соблюдаются законы сохранения массы и заряда.
По типу испускаемых частиц различают следующие виды радиоактивного распада:
1) a-распад;
2) b-распад, который подразделяется на b--распад, b+-распад и электронный захват (ЭЗ);
3) эмиссия 7-квантов, электронов конверсии и электронов Оже;
4) спонтанное деление.
Альфа-распад. Альфа-распаду подвержены ядра многих изотопов (тяжёлых) элементов − урана, радия, тория и др. Возможность α-распада связана с тем, что масса (а значит, и энергия покоя) α-радиоактивного ядра больше суммы масс (суммарной энергии покоя) α-частицы и образующего после α-распада дочернего ядра. Избыток энергии исходного (материнского) ядра освобождается в форме кинетической энергии α-частицы и дочернего ядра. Кинетическая энергия α-частиц у большинства α-радиоактивных ядер находится в небольших пределах 4 − 9 Мэв. Периоды полураспада, наоборот, изменяются очень сильно: от 10-7 сек до 2∙1017 лет.
Бета-распад. В процессе β-распада из радиоактивного ядра самопроизвольно испускается электрон (электронный β-распад) или позитрон (позитронный β-распад), которые возникают в самый момент β-распада (их нет в ядре). Третьим видом β-распада является захват ядром электрона из электронной оболочки своего атома (е-захват). Во всех трёх случаях β-распад сопровождается испусканием нейтрино или антинейтрино. В результате β-распада заряд ядра повышается, β+-распада и е-захвата понижается на единицу. Массовое число ядра остаётся неизменным.
Электронный распад испытывают ядра с избытком нейтронов. Этому типу распада подвержены почти все искусственные и некоторые естественные радиоактивные элементы (С12, К40 и др.)
При электронном распаде вновь образующееся дочернее ядро сохраняет массовое число исходного элемента, а положительный заряд нового ядра в результате превращения нейтрона в протон оказывается на одну единицу больше заряда ядра исходного элемента.
Материнский и дочерний радионуклиды при электронном распаде представляют собой изобары, так как сумма протонов и нейтронов не изменяется.
Позитронный распад испытывают ядра с избытком протонов. Этому типу распада подвержены лишь некоторые искусственные радиоактивные изотопы, например 6С11, в ядре которого при 5 нейтронах содержится 6 протонов. У естественных радиоактивных изотопов позитронный распад не наблюдается.
Электронный захват. Радиоактивные изотопы избавляются от избыточных протонов путём электронного захвата, который наблюдается в случае, когда в ядре недостаточно энергии для позитронного распада. Такое ядро обычно захватывает электроны (е-захват) с ближайшего слоя (К-слоя, иногда L-слоя) и «лишний» протон, соединившись с эти электроном, превращается в нейтрон, испуская нейтрино. Следовательно, е-захват представляет собой процесс, прямо противоположный электронному распаду. В данном случае дочерний элемент так же, как и при позитронном распаде, смещается в периодической системе на одну клетку влево от исходного. На освободившееся в К-слое место перескакивает электрон с L-слоя, на место последнего с М-слоя и т.д. каждый перескок связан с высвобождением энергии, которая и высвечивается с квантами рентгеновского излучения.
Гамма-лучи представляют собой поток γ-квантов, т.е. коротковолновых электромагнитных излучений, испускаемых возбуждёнными атомными ядрами.
В процессе γ-излучения ядро самопроизвольно переходит из возбуждённого состояния в менее возбуждённое или основное. При этом избыток энергии освобождается в виде кванта коротковолнового электромагнитного излучения − γ-кванта. γ-кванты лишены заряда и поэтому не отклоняются электрическим или магнитным полем. Они распространяются прямолинейно и равномерно во все стороны от источника.
В большинстве случаев γ-источники испускают γ-кванты различной энергии, т.е. они бывают моноэнергетическими. Нуклиды, находящиеся в возбужденном состоянии, могут распадаться, испуская нейтроны или протоны.
Радионуклиды претерпевают самопроизвольный распад и становятся источниками излучений определенного вида и строго определенной для каждого атома энергии. Различают несколько основных типов радиоактивного распада и соответствующие им виды излучения.
1) Альфа (a)-излучение представляет собой поток ядер атомов гелия (два протона + два нейтрона). Возникает оно в результате альфа-распада, который характерен для радиоактивных изотопов с большим атомным номером. Испускание a-частицы приводит к образованию нового химического элемента, у которого заряд ядра меньше на две единицы и массовое число – меньше на четыре единицы.
2) Бета (b)-излучение представляет собой поток электронов или позитронов. Возникает оно в результате бета-распада ядра атома. Если в ядре есть избыток нейтронов, то один из них распадается с образованием протона, который остается в ядре, электрона, который испускается в виде бета-излучения, а также антинейтрино, не имеющего ни массы, ни заряда, но уносящего из ядра часть энергии. Антинейтрино очень трудно обнаружить, так как оно практически не взаимодействует с веществом.
Позитрон - античастица электрона образуется при распаде ядра с избытком протонов. Такой тип распада встречается гораздо реже, чем b-распад.
3) Гамма (g)-излучение представляет собой поток фотонов или квантов электромагнитного излучения. При наличии в ядре избытка энергии, например, после a- или b-распада, переход ядра из возбужденного состояния в стабильное может происходить путем гамма-изомерного перехода, т.е. с испусканием гамма-квантов. При этом атомный номер элемента и массовое число изотопа остаются прежними, меняется только энергетическое состояние ядра.
Наряду с понятием «ионизирующее излучение» используется термин «радиация». Эти понятия одинаковы по смыслу и являются синонимами.
Энергия излучения, выделяющаяся при радиоактивном распаде ядра атома, несоизмеримо больше энергии обычных химических реакций, которые протекают путем взаимодействия между орбитальными электронами атомов. Единицей измерения энергии ядерных изменений является электрон-вольт (эВ). 1 эВ = 1,6×10-19 Дж.
11) Антиоксиданты. Программа очищения организма от радионуклидов. Конкурентосодержащие продукты питания, препятствующие накоплению 137 Cs и 90 Sr.
Антиоксиданты (антиокислители, консерванты) - ингибиторы окисления, природные или синтетические вещества, способные замедлять окисление.
Наиболее известные антиоксиданты: аскорбиновая кислота (витамин С), токоферол (витамин Е), ß-каротин (провитамин А) и ликопин (в томатах). К ним также относят полифенолы: флавин и флавоноиды (часто встречаются в овощах), танины (в какао, кофе, чае), антоцианы (в красных ягодах).
Ядерная физика - это раздел физики, в котором изучаются структура и свойства атомных ядер. Ядерная физика занимается также изучением взаимопревращения атомных ядер, совершающиеся как в результате радиоактивных распадов, так и в результате различных ядерных реакций. Основная ее задача связана с выяснением природы ядерных сил, воздействующих между нуклонами, и особенностей движения нуклонов в ядрах. Протоны и нейтроны - это основные элементарные частицы, из которых состоит ядро атома. Нуклон - это частица, обладающая двумя различными зарядовыми состояниями: протон и нейтрон. Заряд ядра - количество протонов в ядре, одинаковое с атомным номером элемента в периодической системе Менделеева. Изотопы - ядра, имеющие один и тот же заряд, если массовое число нуклонов различно.
Изобары - это ядра, обладающие одним и тем же числом нуклонов, при разных зарядах.
Нуклид - это конкретное ядро со значениями. Удельная энергия связи - это энергия связи, приходящаяся на один нуклон ядра. Ее определяют экспериментально. Основное состояние ядра - это состояние ядра, имеющего наименьшую возможную энергию, равную энергии связи. Возбужденное состояние ядра - это состояние ядра, имеющего энергию, большую энергии связи. Корпускулярно-волновой дуализм. Фотоэффект Свет имеет двойственную корпускулярно-волновую природу, т. е. корпускулярно-волновой дуализм: во-первых: он имеет волновые свойства; во-вторых: он выступает в роли потока частиц - фотонов. Электромагнитное излучение не только испускается квантами, но распространяется и поглощается в виде частиц (корпускул) электромагнитного поля - фотонов. Фотоны являются реально существующими частицами электромагнитного поля. Квантование - это метод отбора орбит электронов, соответствующих стационарным состояниям атома.
РАДИОАКТИВНОСТЬ
Радиоактивностью - называется способность атомного ядра самопроизвольно распадаться с испусканием частиц. Спонтанный распад изотопов ядер в условиях природной среды называют естественной радиоактивностью - это радиоактивность, которую можно наблюдать у существующих в природе неустойчивых изотопов. А в условиях лабораторий в результате деятельности человека – искусственной радиоактивностью - это радиоактивность изотопов, приобретенных в результате ядерных реакций. Радиоактивность сопровождается
превращением одного химического элемента в другой и всегда сопровождается выделением энергии. Для каждого радиоактивного элемента установлены количественные оценки. Так, вероятность распада одного атома в одну секунду характеризуется постоянной распада данного элемента, а время, за которое распадается половина радиоактивного образца, называется периодом полураспада.Число радиоактивных распадов в образце за одну секунду называют активностью радиоактивного препарата. Единица активности в системе СИ – Беккерель (Бк): 1 Бк=1распад/1с.
Радиоактивный распад - это процесс, являющийся статическим, при котором ядра радиоактивного элемента распадаются независимо друг от друга. ВИДЫ РАДИОАКТИВНОГО РАСПАДА
Основными видами радиоактивного распада являются:
Альфа - распад
Альфа-частицы испускаются только тяжелыми ядрами, т.е. содержащими большое число протонов и нейтронов. Прочность тяжелых ядер мала. Для того, чтобы покинуть ядро, нуклон должен преодолеть ядерные силы, а для этого он должен обладать достаточной энергией. При объединении двух протонов и двух нейтронов в альфа-частицу ядерные силы в подобном сочетании являются наиболее крепкими, а связи с другими нуклонами слабее, поэтому альфа-частица способна "выйти" из ядра. Вылетевшая альфа-частица уносит положительный заряд в 2 единицы и массу в 4 единицы. В результате альфа-распада радиоактивный элемент превращается в другой элемент, порядковый номер которого на 2 единицы, а массовое число на 4 единицы, меньше.То ядро, которое распадается, называют материнским, а образовавшееся дочерним. Дочернее ядро оказывается обычно тоже радиоактивным и через некоторое время распадается. Процесс радиоактивного распада происходит до тех пор, пока не появится стабильное ядро, чаще всего ядро свинца или висмута.
Бета-распад
Явление бета-распада состоит в том, что ядра некоторых элементов самопроизвольно испускают электроны и элементарную частицу очень малой массы - антинейтрино. Так как электронов в ядрах нет, то появление бета-лучей из ядра атома можно объяснить способностью нейтронов ядра распадаться на протон, электрон и антинейтрино. Появившийся протон переходит во вновь образующееся ядро. Электрон, вылетающий из ядра, и является частицей бета-излучения. Такой процесс распада нейтронов характерен для ядер с большим количеством нейтронов. В результате бета-распада образуется новое ядро с таким же массовым числом, но с большим на единицу зарядом.
Гамма - распад - не существует. В процессе радиоактивного излучения ядра атомов могут испускать гамма-кванты. Испускание гамма-квантов не сопровождается распадом ядра атома. Гамма излучение зачастую сопровождает явления альфа- или бета-распада. При альфа- и бета-распаде новое возникшее ядро первоначально находится в возбужденном состоянии и, когда оно переходит в нормальное состояние, то испускает гамма-кванты. Так как радиоактивное излучение состоит из альфа-частиц, бета-частиц и гамма-квантов, то явление радиоактивности сопровождается потерей массы и энергии ядра, атома и вещества в целом.
γ-распад – испускание атомным ядром γ-квантов;
спонтанное деление – распад атомного ядра на два или три осколка сравнимой массы.
16 Химия - это одна из отраслей естествознания, предметом изучения которой являются химические элементы (атомы ), образуемые ими простые и сложные вещества (молекулы), их превращения и законы , которым подчиняются эти превращения.
Химия - наука о химических элементах, их соединениях и превращениях, происходящих в результате химических реакций. Она изучает, из каких веществ состоит тот или иной предмет; почему и как ржавеет железо , и почему олово не ржавеет; что происходит с пищей в организме; почему раствор соли проводит электрический ток, а раствор сахара - нет; почему одни химические изменения происходят быстро, а другие - медленно.
Химия - Наука о составе, строении, изменениях и превращениях, а также об образовании новых простых и сложных веществ. Химию, говорит Энгельс, можно назвать наукой о качественных изменениях тел, происходящих под влиянием изменения количественного состава.
Химия. - греч. наука о разложении и составлении веществ, тел, об отыскании неразлагаемых стихий, основ.
Химию довольно произвольно делят на несколько разделов, которые нельзя четко отграничить ни от других областей химии, ни от других наук (физики, геологии, биологии). Неорганическая химия занимается изучением химической природы элементов и их соединений, за исключением большинства соединений углерода.
Органическая химия изучает соединения, состоящие в основном из углерода и водорода. Поскольку атомы углерода могут соединяться друг с другом с образованием колец и длинных цепочек, как линейных, так и разветвленных, таких соединений существует сотни тысяч. Из органических соединений состоят уголь и нефть, они составляют основу живых организмов. Химики-органики научились получать из угля, нефти, растительных материалов синтетические волокна, пестициды, красители, лекарства, пластики и множество других полезных вещей
Радиохимия - это наука о химическом воздействии высокоэнергетического излучения на вещества; она занимается также изучением поведения радиоактивных изотопов Физическая химия использует физические методы для изучения химических систем. Большое место в ней занимают вопросы энергетики химических процессов; соответствующий раздел химии называется химической термодинамикой. К важнейшим направлениям относятся химическая кинетика и строение молекул. Электрохимия изучает химические процессы, протекающие под действием электрического тока, а также способы получения электричества химическими методами. Среди других направлений следует отметить коллоидную химию (она занимается исследованием поведения дисперсных систем), химию поверхностных явлений, статистическую механику.
Аналитическая химия - старейшая область химии. Она занимается разложением сложных веществ на более простые, анализом самих веществ и их составляющих. Сегодня в ней широко используются сложное физическое оборудование и компьютеры, позволяющие автоматизировать рутинные процессы, сбор и обработку данных.
Биохимия изучает сложнейшие химические процессы, протекающие в живых организмах. Биохимик должен детально знать органическую химию, владеть многими химическими и физическими методами анализа. К биохимии примыкают биофизика и молекулярная биология.
Геохимия занимается исследованием химических процессов, протекающих в земной коре. Она изучает образование минералов, метаморфоз скальных пород, образование нефти, пересекается с органической химией и биохимией, а также физикой и физической химией.
Химический элемент – это простое вещество, состоящее из одинаковых атомов.
Природа разных химических элементов различна, так например, многие химические элементы содержатся в природе в чистом виде, некоторые из химических элементов можно вычленить из сложного вещества путем разложения, а можно и вовсе синтезировать новый химический элемент искусственным путем.
Атомы химических элементов – это своего рода строительный материал, из которого выстраиваются все окружающие нас с вами тела.
В природе существует около ста различных химических элементов. И именно эта сотня элементов является фундаментом всего, что нас окружает. Атомы могут соединяться в молекулы, совершенно разнообразными способами, которым нет числа.
Кроме всего прочего, каждый химический элемент имеет свое название. Все, наверное, слышали такие названия как: сера, водород, ртуть, мышьяк и другие. Это и есть названия химических элементов. Но помимо своих русскоязычных наименований химические элементы имеют еще и международные стандартные обозначения. Например, водород обозначается, как H, кислород – O и т.д.
Вещества чаще всего классифицируют по двум самым важным показателям - их строению и составу.
молекулярные и немолекулярные . Молекулярных веществ, т. е. веществ, состоящих из молекул, - подавляющее большинство. В немолекулярных веществах атомы сразу образуют макроскопические тела, не объединяясь перед этим в молекулы.
Для веществ немолекулярного строения характерны только эмпирические формулы, показывающие, какие атомы и в каком количестве содержатся в повторяющемся фрагменте. В нашем примере эмпирическая формула вещества - SiO 2 , и это ни что иное, как самый обыкновенный песок.
органические и неорганические. Слово органи́ческий происходит от слова организм , т. е. живой, живущий. И действительно, вся живая материя на Земле состоит из огромного разнообразия органических веществ. Несколько столетий назад считали, что органические вещества могут содержаться только в растениях и животных, однако сегодня мы встречаемся с ними и далеко за пределами живой природы: это пластмассы, пластики, клеи, краски, синтетические ткани и многие другие материалы.
Органические вещества обязаны своему существованию одному единственному элементу - углероду. В отличие от остальных элементов, именно углерод обладает удивительным свойством: его атомы способны соединяться непосредственно друг с другом, образуя всевозможные цепи и кольца .
углеродная цепь углеродное кольцо
Вещества, основу которых составляют углеродные цепи и кольца, и называются органическими . Например, приведенная выше цепь может лечь в основу вот такой органической молекулы
Все остальные вещества, т. е. не содержащие углеродных цепей и колец, называются неорганическими . Однако, неправильно было бы думать, что они не могут входить в состав живых организмов. Так, вода - вещество, без которого жизнь вообще немыслима, является, очевидно, неорганическим. На схеме (рис. 2 ) видно, что неорганических веществ значительно меньше, чем органических: всего около 700 тысяч, при том, что они приходятся на долю всех остальных химических элементов. Неорганические вещества, в свою очередь, образуют две обширные группы: простые и сложные.
Простыми называются вещества, состоящие из атомов только одного элемента, например H 2 , O 2 , Fe, Au. Как правило, элемент и простое вещество, образованное им, имеют одно и то же название: водород, кислород, железо, золото. Простые вещества, а также соответствующие им химические элементы, делятся на два класса: металлы и неметаллы . Металлы отличаются от неметаллов хорошей тепло- и электропроводностью, ковкостью, характерным блеском (рис. 3) и рядом других свойств.
Сложными называются неорганические вещества, образованные атомами разных элементов. Сложные вещества, или, как их еще называют - химические соединения , - невероятно разнообразны по строению и свойствам. Они составляют основную часть неживой природы (рис. 4), хотя, как мы уже знаем, могут встречаться и в составе живых организмов.
Правило смещения при радиоактивном распаде в радиохимии и ядерной физике, которое также известно под названием закона Содди-Фаянса, представляет собой правило, определяющее превращение одного элемента в другой во время радиоактивного распада. Оно было изложено в 1913 году независимо двумя учеными: английским радиохимиком Фредериком Содди и американским физико-химиком с польскими корнями Казимиром Фаянсом.
Достижения Фредерика Содди в области радиоактивности
Содди вместе с Резерфордом стоит у истоков открытия радиоактивных атомных превращений. Так, в 1903 году Содди открыл, что радий в процессе своего распада излучает ядра гелия. Также этот ученый показал, что атомы одного и того же химического элемента могут иметь различные массы, что привело его к разработке концепции изотопов. Содди установил правила смещения химических элементов во время альфа- и бета- радиоактивных распадов, что стало важным шагом в понимании взаимосвязи между семействами радиоактивных элементов.
В 1921 году Фредерик Содди был удостоен Нобелевской премии по химии за важные открытия в области физики радиоактивных элементов и за исследования природы изотопов.
Работы Казимира Фаянса
Этот ученый провел важные исследования радиоактивности различных изотопов и разработал квантовую теорию электронной структуры молекул. В 1913 году одновременно с Фредериком Содди и независимо от него Фаянс открыл правила смещения, которые регулируют преобразование одних химических элементов в другие в процессе радиоактивных распадов. Также Фаянс открыл новый химический элемент - протактиний.
Понятие радиоактивности
Перед тем как рассмотреть законы радиоактивного распада и правила смещения, необходимо разобраться с понятием радиоактивности. В физике под этим словом понимают способность ядер некоторых химических элементов испускать излучение, обладающее следующими свойствами:
- способность проникать в человеческие ткани, оказывая разрушающее действие;
- способность ионизировать газы;
- стимуляция процесса флюоресценции;
- прохождение через различные твердые и жидкие тела.
Благодаря этим способностям обычно это излучение называют ионизирующим. Природа радиоактивного излучения может быть либо электромагнитной, например, рентгеновские лучи или гамма-излучение, либо носить корпускулярный характер, испускание ядер гелия, протонов, электронов, позитронов и других элементарных частиц.
Таким образом, радиоактивность - это феномен, наблюдаемый у нестабильных ядер атомов, которые спонтанно способны превращаться в ядра более стабильных элементов. Говоря простыми словами, нестабильный атом испускает радиоактивное излучение, чтобы стать стабильным.
Нестабильные атомные изотопы
Нестабильные изотопы, то есть атомы одного и того же химического элемента, которые обладают различной атомной массой, находятся в возбужденном состоянии. Это говорит о том, что они обладают повышенной энергией, которую стремятся отдать, чтобы перейти в равновесное состояние. Учитывая, что все энергии атома квантованы, то есть имеют дискретные значения, то и сам радиоактивный распад происходит за счет потери конкретной кинетической энергии.
Нестабильный изотоп в процессе радиоактивного распада переходит в более стабильный, но это не значит, что новое образованное ядро не будет обладать радиоактивностью, оно также может распадаться. Ярким примером этого процесса является ядро урана-238, которое за несколько столетий испытывает ряд распадов, превращаясь, в конце концов, в атом свинца. Отметим, что в зависимости от вида изотопа, он спонтанно может распадаться, как через миллионные доли секунды, так и через миллиарды лет, например, тот же уран-238 имеет период полураспада (время, за которое половина ядер распадается) равный 4,468 млрд лет, в то же время для изотопа калия-35 этот период равен 178 миллисекундам.
Различные виды радиоактивности
Применение того или иного правила радиоактивного смещения зависит от типа радиоактивного распада, который испытывает конкретный элемент. В общем случае выделяют следующие виды радиоактивности:
- альфа-распад;
- бета-распад;
- гамма-распад;
- распад с испусканием свободных нейтронов.
Все эти виды радиоактивного распада (за исключением испускания свободных нейтронов) установил новозеландский физик Эрнест Резерфорд еще в начале XX века.
Корпускулярные виды распада
Альфа-распад связан с испусканием ядер гелия-4, то есть речь идет о корпускулярном излучении, частицы которого состоят из двух протонов и двух нейтронов. Это означает, что масса этих частиц равна 4 в атомных единицах массы (АЕМ), а электрический заряд равен +2 в единицах элементарного электрического заряда (1 элементарный заряд в системе СИ равен 1,602*10 − 19 Кл). Испущенное ядро гелия до распада входило в состав ядра нестабильного изотопа.
Природа бета-распада заключается в испускании электронов, которые имеют массу 1/1800 АЕМ и заряд -1. Ввиду отрицательного заряда электрона, этот распад называют бета-отрицательным. В отличие от альфа-частицы электрон не существовал до распада в атомном ядре, а образовался в результате превращения в протон нейтрона. Последний остался в ядре после распада, а электрон покинул атомное ядро.
Впоследствии был обнаружен бета-положительный распад, который заключается в испускании позитрона-античастицы электрона. Радиоактивный позитрон образуется в результате обратной реакции, чем электрон, то есть протон в ядре превращается в нейтрон, теряя при этом свой положительный заряд.
В ряде радиоактивных превращений одного ядра в другое происходит испускание нейтронов различных энергий. Как и протон, нейтрон имеет массу 1 АЕМ (если быть более точным, то нейтрон на 0,137% тяжелее протона) и обладает нулевым электрическим зарядом. Таким образом, при данном типе распада ядро-родитель теряет только 1 единицу своей массы.
Гамма-распад в отличие от предыдущих видов распада имеет электромагнитную природу, то есть это излучение подобно рентгеновскому или видимому свету, однако, длина волны гамма-излучения намного меньше, чем у любой другой электромагнитной волны. Гамма-лучи не обладают массой покоя и зарядом. По сути, гамма-лучи - это лишняя энергия, которая существовала до распада в ядре атома, обуславливая его нестабильность. Химический элемент сохраняет свое положение в периодической таблице Д. И. Менделеева при гамма-распаде.
Правила радиоактивного смещения
Пользуясь этими правилами, можно легко определить, какой химический элемент должен получиться из данного родительского изотопа при определенном виде радиоактивного распада. Поясним эти правила смещения в физике:
- При альфа-распаде, поскольку ядро теряет 4 АЕМ массы и +2 единицы заряда, образуется химический элемент, стоящий на 2 позиции левее в периодической системе Д. И. Менделеева. Например, 92 U 238 = 90 Th 234 , здесь нижний индекс - заряд, верхний - масса ядра.
- В случае бета-отрицательного распада заряд материнского ядра увеличивается на 1 единицу, при этом масса остается неизменной (масса электрона, испускаемого в процессе этого распада, составляет всего 0,06% от массы протона). В данном случае правило смещения равновесия гласит, что должен образоваться изотоп химического элемента, стоящий на одну клетку правее от материнского элемента в таблице Д. И. Менделеева. Например, 82 Pb 212 = 83 Bi 212 .
- Правило смещения при бета-положительном распаде (излучение позитрона) гласит, что в результате этого процесса образуется химический элемент, который на 1 позицию стоит левее от материнского элемента, и имеет ту же массу ядра, что и он. Например, 7 N 13 = 6 C 13 .
Символ, используемый для обозначения радиоактивных материалов Радиоактивность открыл в 1896 г. Антуан Анри Беккерель. Произошло это случайно. Ученый работал с солями урана и завернул свои образцы вместе с фотопластинки в непрозрачный материал. Фотопластинки оказались зажженными, хотя доступа света к ним не было. Беккерель сделал вывод о невидимом глазу излучение солей урана. Он исследовал это излучение и установил, что интенсивность излучения определяется только количеством урана в препарате и совершенно не зависит от того, в какие соединения он входит. То есть это свойство присуще не соединениям, а химическому элементу урана.
В 1898 г. Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри открыли излучения тория, позднее были открыты полоний и радий. в 1903 году супругам Кюри была присуждена Нобелевская премия. На сегодня известно около 40 природных элементов, обладающих радиоактивностью.
Установлено, что все химические элементы с порядковым номером, большим 83 – радиоактивные.
Естественная радиоактивность – спонтанный распад ядер элементов, встречающихся в природе.
Искусственная радиоактивность – спонтанный распад ядер элементов, полученных искусственным путем, через соответствующие ядерные реакции.
Эрнест Резерфорд экспериментально установил (1899), что соли урана излучают 3 типа лучей, которые по-разному отклоняются в магнитном поле:
Спектры?-и?-излучений прерывистые («дискретные»), а спектр?-излучения – непрерывный.
?-распад
Беккерель доказал, что?-лучи представляют собой поток электронов. ?-распад – проявление слабого взаимодействия.
?-распад – внутришньонуклонний процесс, т.е. происходит превращение нейтрона в протон с вылетом электрона и антинейтрино с ядра:
+ ?.
После?-распада атомный номер элемента меняется и он смещается на одну клетку в таблице Менделеева.
?-распад
?-распадом
называют самопроизвольный распад атомного ядра на ядро-продукт и?-частицу (ядро атома ).
?-распад является свойством тяжелых ядер с массовым числом А >= 200. Внутри таких ядер за счет свойства насыщения ядерных сил образуются обособления?-частицы, состоящие из двух протонов и двух нейтронов. Образована таким образом?-частица сильнее ощущает кулоновское отталкивание от других протонов ядра, чем отдельные протоны. Одновременно на?-частицу меньше влияет ядерное мижнуклонне притяжения за счет сильного взаимодействия, чем на остальные нуклонов.
Правило смещения Содди для?-распада:
В результате?-распада элемент смещается на 2 клетки к началу таблицы Менделеева. Дочернее ядро, образовавшееся в результате?-распада, обычно также оказывается радиоактивным и через некоторое время тоже распадается. Процесс радиоактивного распада будет происходить до тех пор, пока не появится стабильное, то есть нерадиоактивные ядро, которым чаще всего является ядра свинца или висмута.
?-распад
Гамма лучи это электромагнитные волны с длиной волны, меньше размеры атома. Они образуются обычно при переходе ядра атома из возбужденного состояния в основное состояние. При этом количество нейтронов или протонов в ядре не меняется, а значит ядро остается прежним элементом. Однако излучение гамма-лучей может сопровождать и другие ядерные реакции.
При радиоактивном распаде происходят превращения ядер атомов. Энергии частиц, которые при этом образуются, намного больше энергии, выделяемых в типичных химических реакциях. Поэтому эти процессы практически не зависят от химического окружения атома и от соединений, в которые этот атом входит. Радиоактивный распад происходит спонтанно. Это означает, что невозможно определить момент, когда распадется то или иное ядро. Однако для каждого типа распада является характерное время, за которое распадается половина всех радиоактивных ядер. Это время называется периодом полураспада. Для разных радиоактивных изотопов период полураспада может лежать в очень широких пределах – от наносекунд до миллионов лет. Изотопы с малым периодом полураспада очень радиоактивны, но быстро исчезают. Изотопы с большим периодом полураспада слабо радиоактивные, но эта радиоактивность сохраняется очень долгое время.
Детектирования радиоактивных излучения основано на его действия на вещество, в частности ее ионизации. Исторически впервые радиация была зарегистрирована благодаря почернение облученной фотопластинки. Фотоэмульсии, в которых под действием радиации происходят химические реакции, до сих пор остаются одним из методов детектирования. Другой принцип детектирования используется в счетчиках Гейгера – возникновение несамостоятельного электрического разряда в облученном газе. Дозиметры, которые регистрируют не отдельные акты пролета быстрой заряженной частицы, часто используют изменение свойств, например проводимости, облученного материала
Радиоктивнисть зависит от количества нестабильных изотопов и времени их жизни. Система СИ определяет единицей измерения активности Беккерель – такое количество радиоактивного вещества, в которой за секунду происходит один акт распада. Практически эта величина не очень удобна, поэтому чаще используют внесистемные единицы – Кюри. Иногда употребляется единица Резерфорд.
Относительно воздействия радиоактивного излучения на облученные вещества, то используются те же единицы, что и для рентгеновского излучения. Единицей измерения дозы поглощенного йонизуючи излучения в системе Си является Грей – такая доза, при которой в килограмме вещества выделяется один Джоуль энергии. Единицей биологического действия облучения в системе СИ является Зиверт. Внесистемная единица выделенной при облучении энергии – советов.
Такая единица, как рентген является мерой не выделенной энергии, а ионизации вещества при радиоактивном облучении. Для вимирювавння биологически действия облучения используется биологический эквивалент рентгена – бэр.
Для характеристики интенсивности облучения используют единицы, описывающие скорость набора дозы, например, рентген в час.
Радиоактивное облучение приводит к значительному повреждению ткани. Ионизация химических веществ в биологической ткани создает возможность химических реакций, которые несвойственны для биологических процессов, и к образованию вредных веществ. Повреждения радиацией ДНК вызывает мутации. Работа с радиоактивными веществами требует тщательного соблюдения правил техники безопасности. Радиоактивные вещества помечаются специальным символом, приведенным вверху страницы.
Радиоактивные вещества хранятся в специальных контейнерах, сконструированных таким образом, чтобы поглощать радиоактивное излучение. Большой проблемой является захоронение радиоактивных отходов атомной энергетики.
Радиоактивные вещества можно использовать для получения энергии в условиях, когда другие источники энергии недоступны, например, на космических аппаратах, предназначенных для полетов в отдаленных планет Солнечной системы. Энергия, выделяемая при радиоактивном распаде в таких устройствах может быть преобразована в электрическую с помощью термоэлементов.
В медицине радиоактивное облучение используется при лечении некоторых форм рака, рассчитывая на то, что раковые клетки, которые быстро делятся, чувствительны к облучению, а потому вражатимуться быстрее.
Метод меченых атомов позволяет провести анализ обмена веществ в организме и помогает при диагностике заболеваний.
Датировка за радиоактивными изотопами помогает установить возраст предметов и пород и применяется в геологии, археологии, палеонтологии.
Радиоактивность и радиоактивные вещества также широко используются в различных областях научных исследований.
Все виды радиоактивных излучений, сопровождающих радиоактивность, называют йонизуючи излучениями. Йонизуючи излучения – процесс возбуждения и ионизации атомов вещества при прохождении через них гамма-квантов и частиц, образовавшихся вследствие?-и?-распада. При прохождении, например, гамма-квантов сквозь вещество, кванты превращаются в пар электрон-позитрон при условии, что энергия гамма-кванта превышает энергию этих двух частиц (> 1 МэВ). ?-частицы быстро теряют всю энергию, поскольку возбуждают все атомы, которые встречаются на их пути (1-10 см на воздухе, 0,01-0,2 мм в жидкостях). ?-частицы менее эффективно взаимодействуют с веществами (2-3 м на воздухе, 1-10 мм в жидкостях). ?-кванты обладают наибольшей проникающей способностью. Нейтроны, не имеющие электрического заряда, непосредственно не йонизують атомы. Однако в результате взаимодействия нейтронов с ядрами возникают быстрые заряженные частицы и гамма-кванты, которые являются йонизуючи частицами. При длительному пребыванию человека в зоне радиоактивного излучения происходит ионизацию и возбуждение ее клеток. В результате клетки вступают в новые химические реакции и образуют новые химические вещества, нарушающие нормальное функционирование организма. Мерой действия йонизуючи излучений является поглощенная доза излучения (Грей), равный отношению переданной йонизуючи излучениями энергии к массе вещества (D = E / m). Мощность дозы излучения измеряется отношение поглощенной дозы излучения до времени (Pв = D / t). Радиоактивное излучение используют при рентгенологическом обследовании.
Радиоактивный распад - процесс, при котором элементарные частицы теряются ядром изотопа, из-за чего изотоп становится более стабильным элементом. Эти субатомные субстанции с огромной скоростью покидают атом. Распадаясь, изотоп испускает радиоактивное гамма- излучение, а также альфа- и бета-частицы. Объяснением данного процесса является то, что большинство ядер нестабильны. Изотопами называют разновидности одного и того же химического элемента с одним и тем же числом протонов, но с разным количеством нейтронов.
Виды радиоактивного альфа- и бета-распад. Далее подробнее о них. Во время альфа-распада выделяется гелий, которые еще называют альфа-частицей, при бета-распаде ядро атома теряет электрон, продвигаясь вперед по периодической таблице на одну позицию, а гамма-излучение - распад ядер с одновременным излучением фотонов, или гамма-лучей. В последнем случае процесс происходит с потерей энергии, но без видоизменения химического элемента.
Реакция радиоактивного распада протекает таким образом, что за определенный отрезок времени из ядра элементов исходит количество нуклонов, пропорциональное тому числу нуклонов, которое все еще остаются в ядре. То есть чем больше их все еще остается в атоме, тем больше их выйдет из него. Скорость распада атома определяет так называемая константа радиоактивности, которая также известна под названием постоянная радиоактивного распада. Однако обычно в физике измеряется не она. Вместо нее используют такую величину, как период полураспада - время, за которое ядро потеряет половину своих нуклонов. Оно зависит от вида вещества и может продолжаться от ничтожных долей секунды до миллиардов лет. Иными словами, некоторые ядра атомов могут существовать вечно, а некоторые - весьма незначительное время до распада.
Тот изотоп, который был исходным в процессе распада, называют материнским, а полученный результат - дочерним изотопом.
Радиоактивные элементы рождаются в подавляющем большинстве случаев в результате цепи из реакций деления атомов. Например: «материнское» (первичное) ядро распадается на несколько «дочерних», те, в свою очередь, также делятся. И эта цепочка не прерывается до тех пор, пока не будут образованы стабильные изотопы. Например: период полураспада урана составляет более четырех с половиной миллиардов лет. За это время в результате этого элемента сначала образуется торий, тот, в свою очередь, становится палладием, и в конце всей этой длинной цепочки будет свинец. Вернее, стабильный его изотоп.
Радиоактивный распад имеет ряд своих особенностей. Нельзя умалчивать и о его «побочных эффектах». Например, если возьмем образец какого-либо радиоактивного изотопа, в результате его распада получим ряд с разной массой ядра. Можно как примеры приводить множество цепочек деления. Радиоактивность - это, по большому счету, естественное явление. Ведь ядерный распад веществ происходил задолго до того, как человек открыл эти механизмы. Однако деятельность этого распада привела к увеличению радиоактивного фона всей планеты. В частности, из-за искусственного ускорения таких естественных процессов.
Радиоактивный распад для человечества оборачивается как новыми возможностями, так и опасностями. Стоит вспомнить хотя бы процесс Он, в частности, приводит к образованию радона-222. Этот газ в большом количестве встречается на планете. Сам по себе он опасности никакой не представляет, но лишь пока ядра его атомов не начинают распадаться на другие элементы. Продукты его деления, особенно в непроветриваемом помещении, вредят человеческому здоровью.
Радиоактивный распад как процесс может и принести пользу. Но лишь если правильно использовать его продукты. Например, радиоактивный фосфор, вводимый при помощи инъекций в организм, помогает получить информацию о состоянии костей пациента. Излучаемые им лучи фиксируются светочувствительной аппаратурой, что позволяет получить точные снимки с зафиксированными местами переломов. Степень его радиоактивности весьма мала и не может причинить какого-либо вреда человеку.