ФІЗИКА

Частина 6 ФІЗИКА АТОМНОГО ЯДРА І ЕЛЕМЕНТАРНИХ ЧАСТИНОК

 

Розділ 17 ФІЗИКА АТОМНОГО ЯДРА

 

17.8. Природна радіоактивність

 

Відомо, що атом складається з позитивно зарядженого ядра і електронів, які його оточують. Це встановив Е. Резерфорд 1911 р. на основі дослідів з розсіяння α-частинок різними хімічними елементами (див. підрозділ 12.2). Дослідження Е. Резерфорда ґрунтувались на найважливіших відкриттях, зроблених А. Беккерелем і подружжям П. Кюрі і М. Склодовською-Кюрі.

У 1896 p., вивчаючи люмінесценцію різних речовин, А. Беккерель виявив випромінювання солями урану без попереднього освітлення їх. Це випромінювання здатне проникати крізь шар непрозорої речовини, йонізувати повітря, діяти на фотографічну плівку, спричиняти люмінесценцію деяких речовин. Наступні дослідження, проведені П. Кюрі, М. Склодовською-Кюрі, Е. Резерфордом та іншими вченими, показали, що властивість випромінювати характерна не тільки для урану, а й для деяких інших хімічних елементів, зокрема полонію, радію, актинію, торію. При цьому характерною особливістю виявленого випромінювання є його самочинність, повна незалежність від зовнішніх умов. За пропозицією М. Склодовської-Кюрі, речовини, здатні випромінювати відкрите А. Беккерелем випромінення, називають радіоактивними, а саме явище — радіоактивністю. Радіоактивне випромінювання буває трьох типів: α, β і γ. Дослідження засвідчили, що α-випромінювання є потоком ядер атомів гелію, β-випромінювання — потоком електронів, а γ-випромінюван ня — жорстким (великої частоти) електромагнітним випромінюванням. Досліди Е. Резерфорда і Ф. Содді (1900 р.) показали, що ці випромінювання є результатом спонтанного перетворення (розпаду) атомів, точніше, атомних ядер. Це явище супроводжується виділенням великої кількості енергії, яку несуть із собою α-, β- і γ-випромінювання. Наприклад, 1 г радію виділяє за 1 год енергію 561 Дж, а за рік — 4914,4 кДж.

Отже, радіоактивність — це явище самочинного перетворення нестійких ядер одного елемента в ядра іншого елемента, що супроводжується виникненням різних типів радіоактивних випромінювань. Розрізняють природну і штучну радіоактивності. Під природною радіоактивністю розуміють радіоактивність ядер, які є в природі, а під штучною радіоактивністю — радіоактивність штучно одержаних ядер.

Різні радіоактивні речовини дуже відрізняються між собою інтенсивністю радіоактивних випромінювань, яку називають активністю. Активність речовини можна характеризувати кількістю розпадів, що відбуваються за одиницю часу. Нехай у певний момент часу t є N атомів радіоактивної речовини. За час dt розпадається dN атомів. Отже, за одну секунду розпадатиметься атомів. Як показує дослід, атоми розпадаються спонтанно, розпад одного ядра не впливає на розпад інших. Тому кількість розпадів залежатиме тільки від властивостей ядер, що розпадаються, і кількості їх. Чим більше атомів радіоактивної речовини, тим більше буде розпадів за одиницю часу. Інакше кажучи, кількість розпадів за одиницю часу має бути прямо пропорційною кількості атомів радіоактивної речовини, тобто

Коефіцієнт пропорційності λ характеризує ймовірність радіоактивного розпаду нестабільного ядра за одиницю часу. Величину λ називають сталою радіоактивного розпаду. Знак «мінус» означає, що кількість радіоактивних ядер N з часом зменшується і швидкість розпаду — це від’ємна величина. Величина λ характеризує радіоактивність речовини, оскільки пропорційна кількості розпадів за одну секунду:

Інтегруючи рівняння (17.18) при початкових умовах t = 0 і N = N0, дістанемо основний закон радіоактивного розпаду

Отже, кількість ядер радіоактивної речовини зменшується з часом за експоненціальним законом. Чим більше λ, тим швидше зменшується N. Дуже важливе значення має час, протягом якого розпадається певна частина (наприклад, половина) початкової кількості радіоактивних ядер. Якщо цей час позначити через Т (період піврозпаду), то можна записати

звідки маємо

Як випливає із співвідношення (17.21), період піврозпаду обернено пропорційний величині λ, що характеризує швидкість розпаду: чим більша швидкість розпаду, тим менший період піврозпаду. Наприклад, для урану 238U період піврозпаду дорівнює 4,51 109 років, для радію 226Rа — 1590 років, для радону 222Rn — 3,825 дня і т. д. (числа біля символів елементів означають масове число ізотопів). Є радіоактивні речовини, в яких періоди піврозпаду значно менші і становлять хвилини, секунди і навіть мільйонні частки секунди. Величина, обернена ймовірності радіоактивного перетворення, визначає середній час життя радіоактивного ядра:

Порівнюючи вирази (17.21) і (17.22), бачимо, що середній час жит радіоактивних ядер майже в 1,5 раза перевищує період піврозпаду, точніше

Величину а = λN, яка визначає кількість атомів, що розпадаються за одиницю часу, називають активністю радіоактивного препарату. Активність є характеристикою всієї речовини, яка зазнає розпаду, а не окремого ядра. В СІ за одиницю активності препарату беруть один розпад за секунду — беккерель (Бк). Практичною одиницею активності є кюрі — це активність такої кількості радіоактивної речовини, яка зазнає 3,7 1010 розпадів за одну секунду. Активність в 1 кюрі відповідає активності 1 г радію. Використовують і менші одиниці — мілікюрі (10-3 Кі) і мікрокюрі (10-6 Кі), а також одиницю активності резерфорд (Рд). Один резерфорд — активність препарату, в якому відбувається 106 розпадів за секунду. Очевидно, 1 Кі = 3,7 104 Рд.

Більшість радіоактивних елементів належить до рядів урану й торію і до відгалужень від цих рядів, розпад яких завершується ізотопами плюмбуму.

Радіоактивне перетворення призводить до зміни хімічних властивостей, які можна передбачити на основі закону зміщення, встановленого 1913 р. Ф. Содді і К. Фаянсом.

Якщо уявити собі періодичну систему елементів Д. І. Менделєєва розгорнутою в один ряд, то, за законом зміщення, при α-перетворенні утворюється елемент, який розміщений у періодичній системі елементів на два місця ближче до початку системи (Z - 2), ніж початковий, а при (β-перетворенні — елемент, який розміщений на одне місце далі від материнського елемента (Z + 1). α-перетворення означає зменшення заряду ядра на дві одиниці (частинка несе подвійний позитивний заряд); β--перетворення рівносильне збільшенню позитивного заряду на одиницю. Послідовне випромінювання однієї α-частинки і двох β--частинок приводить до утворення елемента з тим самим зарядом ядра, тобто з тим самим атомним номером, що й початковий елемент, але з масовим числом на чотири одиниці меншим. При α-перетворенні ядро втрачає два протони і два нейтрони (з яких складається α-частинка). При β--перетворенні один із внутрішньоядерних нейтронів перетворюється в протон за схемою n —> р + + ( — антинейтрино). Це збільшує заряд ядра на одиницю. За законом збереження алгебраїчної суми зарядів перетворення нейтрона в протон має супроводжуватись виникненням електрона, що випромінюється ядром.

Радіоактивні ряди. Якщо є більше двох генетично пов’язаних один з одним елементів, то йдеться про існування радіоактивного ряду. Важкі ядра з масовим числом А > 208 зазнають α-розпаду внаслідок того, що в них діють великі кулонівські сили відштовхування. Якщо до того ж масове число набагато перевищує 208, то ядро приходить до стабільного стану шляхом ряду послідовних розпадів. Проте не всі розпади в цьому ланцюжку є α-розпадами. Після втрати кількох α-частинок ядро стає схильним до β-розпаду, коли в середині ядра один з нейтронів перетворюється на протон. У радіоактивних рядах процеси α- і β-розпаду звичайно чергуються один з одним.

За α-розпаду масове число змінюється на 4, а за β-розпаду не змінюється. Оскільки остача від ділення А на 4 однакова для всіх ядер того самого ряду, то для нього А можна виразити формулою А = 4n + С, де С — стале для ряду число, а n набуває цілочислових значень.

Принципово можуть існувати лише чотири різних радіоактивних ряди (табл. 17.1), де А дорівнює 4n; 4n + 1; 4n + 2; 4n + 3.

 

Таблиця 17.1

 

Радіоактивний ряд

А

Початковий нуклід

Т1/2 першого нукліду (в роках)

Кількість перетворень

Кінцевий нуклід

Торію

 

Нептунію

 

Урану

 

Актинію

4 n

 

4n + 1

 

4n + 2

 

4n + 3

1,4 1010

 

2,2 106

 

4,5 109

 

7,3 108

12

 

13

 

18

 

16

 

У табл. 17.1 зібрано основні відомості про радіоактивні ряди. Зазначено назву ряду, загальну формулу для масового числа, початковий нуклід (найбільш довгоживучий член ряду) з періодом його напіврозпаду, загальне число перетворень у ряді й кінцевий стабільний нуклід. Останній (див. табл. 17.1) ряд називається так тому, що три члени цього радіоактивного ряду були відкриті пізніше, ніж актиній Нептуній — родоначальник другого ряду — відносно малостабільний, у земній корі він не зберігся. Тому спочатку ряд нептунію передбачили теоретично, а потім його структуру реконструювали в лабораторії (Г. Сиборг і А. Гіорсо, 1950 р.).

Усі елементи з Z > 92 об’єднані спільною назвою трансуранові елементи (останнім часом виділяють елементи з Z > 100, називаючи їх трансфермієвими). Трансуранові елементи синтезують штучним шляхом, послідовне вивчення їх розпочалося в 40-х роках XX ст. Спочатку єдиними законодавцями в цій сфері були американські вчені на чолі з Г. Сиборгом і А. Гіорсо. Наприкінці 50-х років минулого століття в роботу, пов’язану із синтезом трансуранових елементів штучним шляхом, активно включилась лабораторія ОІЯД (м. Дубна, Росія), яку очолював Г. М. Флеров. Нині відомо близько 150 нуклідів трансуранових елементів.

Елементи із Z = 93—96 нагромаджено у достатній кількості, вони вивчені детально. Кількість берклію i каліфорнію становить частки міліграма, тому їхні властивості досліджують за допомогою спеціальних мікрометодик. Ейнштейнія зібрано всього близько 10-7 г. Кількість останніх трансуранових елементів становить сотні, десятки і навіть одиниці атомів.

Головною причиною нестабільності трансуранових елементів до Z 100 є α-розпад. Проте для трансфермієвих елементів істотним стає спонтанний поділ, роль якого збільшується зі зростанням X. Для нині відомих нуклідів із Z = 106—107 він є головним типом розпаду.





Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити