Застосування радіоактивних ізотопів в техніці

Курсова робота

На тему: "Радіоактивність.

Застосування радіоактивних ізотопів в техніці "

Зміст

Введення

1.Види радіоактивних випромінювань

2.Другіе види радіоактивності

3.Альфа-розпад

4.Бета-розпад

5.Гамма-розпад

6.Закон радіоактивного розпаду

7.Радіоактівние ряди

8.Действіе радіоактивного випромінювання на людину

9.Прімененіе радіоактивних ізотопів

Список використаної літератури

Введення

Радіоактивність - перетворення атомних ядер в інші ядра, що супроводжується випусканням різних частинок і електромагнітного випромінювання. Звідси і назва явища: на латині radio - випромінюю, activus - дієвий. Це слово ввела Марія Кюрі. При розпаді нестабільного ядра - радіонукліда з нього вилітають з великою швидкістю одна або кілька частинок високої енергії. Потік цих частинок називають радіоактивним випромінюванням або просто радіацією.

Промені Рентгена. Відкриття радіоактивності було безпосередньо пов'язано з відкриттям Рентгена. Більше того, деякий час думали, що це один і той же вид випромінювання. Кінець 19 ст. взагалі був багатий на відкриття різного роду не відомих до того «випромінювань». У 1880-і англійський фізик Джозеф Джон Томсон приступив до вивчення елементарних носіїв негативного заряду, в 1891 ірландський фізик Джордж Джонстон Стоні (1826-1911) назвав ці частинки електронами. Нарешті, в грудні Вільгельм Конрад Рентген повідомив про відкриття нового виду променів, які він назвав Х-променями. До цих пір в більшості країн вони так і називаються, але в Німеччині та Росії прийнято пропозицію німецького біолога Рудольфа Альберта фон Келлікера (1817-1905) називати промені рентгенівськими. Ці промені виникають, коли швидко летять у вакуумі електрони (катодні промені) стикаються з перешкодою. Було відомо, що при попаданні катодних променів на скло, воно випускає видиме світло - зелену люмінесценцію. Рентген виявив, що одночасно від зеленого плями на склі виходять якісь інші невидимі промені. Це сталося випадково: то в темній кімнаті світився знаходиться неподалік екран, покритий тетраціаноплатінатом барію Ba [Pt (CN) _4] (раніше його називали платіносінеродістим барієм). Ця речовина дає яскраву жовто-зелену люмінесценцію під дією ультрафіолетових, а також катодних променів. Але катодні промені на екран не потрапляли, і більше того, коли прилад був закритий чорним папером, екран продовжував світитися. Незабаром Рентген виявив, що випромінювання проходить через багато непрозорі речовини, викликає почорніння фотопластинки, загорнутої в чорний папір або навіть вміщеній в металевий футляр. Промені проходили через дуже товсту книгу, через ялинову дошку товщиною 3 см, через алюмінієву пластину товщиною 1,5 см. .. Рентген зрозумів можливості свого відкриття: «Якщо тримати руку між розрядною трубкою і екраном, - писав він, - то видно темні тіні кісток на тлі більш світлих обрисів руки». Це було перше в історії рентгеноскопічне дослідження.

Відкриття Рентгена миттєво облетіла весь світ і вразило не лише фахівців. Напередодні 1896 в книжковому магазині одного німецького міста була виставлена ​​фотографія кисті руки. На ній були видні кістки живу людину, а на одному з пальців - обручка. Це була знята в рентгенівських променях малюнок пензля дружини Рентгена. Перше повідомлення Рентгена "Про новий рід променів" було опубліковано в «Звітах Вюрцбурзького фізико-медичного товариства» 28 грудня воно було негайно перекладено та опубліковано в різних країнах, що виходить в Лондоні найвідоміший науковий журнал "Nature" ("Природа") опублікував статтю Рентгена 23 січня 1896.

Нові промені стали досліджувати у всьому світі, тільки за один рік на цю тему було опубліковано понад тисячі робіт. Нескладні за конструкцією рентгенівські апарати з'явилися і в госпіталях: медичне застосування нових променів було очевидним.

Зараз рентгенівські промені широко використовуються (і не тільки в медичних цілях) у всьому світі.

Промені Беккереля. Відкриття Рентгена незабаром привело до не менш видатного відкриття. Його зробив в 1896 французький фізик Антуан Анрі Беккерель. Він був 20 січня 1896 на засіданні Академії, на якому фізик і філософ Анрі Пуанкаре розповів про відкриття Рентгена і продемонстрував зроблені вже у Франції рентгенівські знімки руки людини. Пуанкаре не обмежився розповіддю про нові променях. Він висловив припущення, що ці промені пов'язані з люмінесценцією і, можливо, завжди виникають одночасно з цим видом світіння, так що, ймовірно, можна обійтися і без катодних променів. Світіння речовин під дією ультрафіолету - флуоресценція або фосфоресценція (в 19 ст. Не було строгого розмежування цих понять) було знайоме Беккерелю: нею займалися і його батько Олександр Едмонд Беккерель (1820-1891), і дід Антуан Сезар Беккерель (1788-1878) - обидва фізики; фізиком став і син Антуана Анрі Беккереля - Жак, який «у спадок» прийняв кафедру фізики при паризькому Музеї природної історії, цю кафедру Беккерель очолювали 110 років, з 1838 по 1948.

Беккерель вирішив перевірити, чи пов'язані промені Рентгена з флуоресценцією. Яскравою жовто-зеленої флуоресценції володіють деякі солі урану, наприклад, уранілнітрат UO ₂ (NO _{3) 2.} Такі речовини були в лабораторії Беккереля, де працював. З препаратами урану працював ще його батько, який показав, що після припинення дії сонячного світла їх випромінювання зникає дуже швидко - менш ніж за соту частку секунди. Проте ніхто не перевіряв, чи супроводжується це світіння випусканням якихось інших променів, здатних проходити крізь непрозорі матеріали, як це було у Рентгена. Саме це після доповіді Пуанкаре вирішив перевірити Беккерель. 24 лютого 1896 на щотижневому засіданні Академії він розповів, що беручи фотопластинку, загорнуту в два шари щільного чорного паперу, кладучи на неї кристали подвійного сульфату калію-уранілу K ₂ UO ₂ (SO ₄₎ 2.2 H2O і виставляючи все це на кілька годин на сонячне світло, то після прояву фотопластинки на ній можна бачити кілька розмитий контур кристалів. Якщо між пластинкою і кристалами помістити монету або вирізану з жерсті фігуру, то після прояву на платівці з'являється чітке зображення цих предметів.

Все це могло свідчити про зв'язок флуоресценції і рентгенівського випромінювання. Нещодавно відкриті Х-промені можна отримувати набагато простіше - без катодних променів і необхідних для цього вакуумної трубки і високої напруги, але треба було перевірити, чи не виявляється чи, що уранова сіль, нагріваючись на сонці, виділяє якийсь газ, який проникає під чорну папір і діє на фотоемульсію Щоб виключити цю можливість, Беккерель проклав між уранової сіллю і фотопластинкою лист скла - вона все одно засвітилася. «Звідси, - уклав своє коротке повідомлення Беккерель, - можна зробити висновок про те, що світиться сіль випускає промені, які проникають через не прозору для світла чорний папір і відновлюють срібні солі в фотопластинці». Неначе Пуанкаре виявився прав і Х-промені Рентгена можна отримати зовсім іншим способом.

Беккерель почав ставити безліч дослідів, щоб краще зрозуміти умови, при яких з'являються промені, засвічуються фотопластинку, і досліджувати властивості цих променів. Він поміщав між кристалами і фотопластинкою різні речовини - папір, скло, пластинки алюмінію, міді, свинцю різної товщини. Результати виходили ті ж, що і у Рентгена, що також могло служити доказом на користь схожості обох випромінювань. Крім прямого сонячного світла Беккерель висвітлював сіль урану світлом, відбитим дзеркалом або заломлення призмою. Він отримав, що результати всіх колишніх дослідів ніяк не були пов'язані з сонцем; мало значення лише те, як довго уранова сіль знаходилася поблизу фотопластинки. На наступний день Беккерель доповів про це на засіданні Академії, але висновок він, як потім з'ясувалося, зробив невірний: він вирішив, що сіль урану, хоча б раз «заряджена» на світлі, здатна потім сама тривалий час випускати невидимі проникаючі промені.

Беккерель до кінця року він опублікував на цю тему дев'ять статей, в одній з них він писав: «Різні солі урану були поміщені в товстостінний свинцевий ящик ... Захищені від дії будь-яких відомих випромінювань, ці речовини продовжували випускати промені, що проходять через скло і чорний папір ..., через вісім місяців ».

Ці промені виходили від будь-яких з'єднань урану, навіть від тих, які не світяться на сонці. Ще більш сильним (приблизно в 3,5 рази) виявилося випромінювання металевого урану. Стало очевидним, що випромінювання хоча і схоже по деяким проявам на рентгенівське, але має більшу проникаючу здатність і якось пов'язано з ураном, так що Беккерель став називати його «урановими променями».

Беккерель виявив також, що «уранові промені» іонізують повітря, роблячи його провідником електрики. Практично одночасно, в листопаді 1896, англійські фізики Дж. Дж.Томсон і Ернест Резерфорд (виявили іонізацію повітря і під дією рентгенівських променів. Для вимірювання інтенсивності випромінювання Беккерель використовував електроскоп, в якому найлегші золоті листочки, підвішені за кінці і заряджені електростатично, відштовхуються і їхні вільні кінці розходяться. Якщо повітря проводить струм, заряд з листочків стікає і вони опадають - тим швидше, чим вище електропровідність повітря і, отже, більше інтенсивність випромінювання.

Залишався питання, яким чином речовина випускає безперервне і не слабшає протягом багатьох місяців випромінювання без підведення енергії від зовнішнього джерела Сам Беккерель писав, що не в змозі зрозуміти, звідки уран отримує енергію, яку він безперервно випромінює. З цього приводу висувалися різні гіпотези, іноді досить фантастичні. Наприклад, англійський хімік і фізик Вільям Рамзай писав: «... фізики дивувалися, звідки міг би взятися невичерпний запас енергії в солях урану. Лорд Кельвін схилявся до припущення, що уран служить свого роду пасток, яка вловлює нічим іншим не виявляємо променисту енергію, що доходить до нас через простір, і перетворює її в таку форму, у вигляді якої вона робиться здатною виробляти хімічні дії ».

Беккерель не міг ні прийняти цю гіпотезу, ні придумати щось більш правдоподібне, ні відмовитися від принципу збереження енергії. Скінчилося тим, що він взагалі на деякий час покинув роботу з ураном і зайнявся розщепленням спектральних ліній в магнітному полі. Цей ефект був виявлений майже одночасно з відкриттям Беккереля молодим голландським фізиком Пітером Зееманом і пояснений іншим голландцем - Хендріком Антоном Лоренцем.

На цьому закінчився перший етап дослідження радіоактивності. Альберт Ейнштейн порівняв відкриття радіоактивності з відкриттям вогню, оскільки вважав, що і вогонь і радіоактивність - однаково великі віхи в історії цивілізації.

1. Види радіоактивних випромінювань

Коли в руках дослідників з'явилися потужні джерела радіації, в мільйони разів сильніші, ніж уран (це були препарати радію, полонію, актинія), можна було більш детально ознайомитися з властивостями радіоактивного випромінювання. У перших дослідженнях на цю тему найактивнішу участь взяли Ернест Резерфорд подружжя Марія і П'єр Кюрі, А. Беккерель, багато інших. Перш за все, була вивчена проникаюча здатність променів, а також дію на випромінювання магнітного поля. Виявилося, що випромінювання неоднорідне, а являє собою суміш «променів». П'єр Кюрі виявив, що при дії магнітного поля на випромінювання радію одні промені відхиляються, а інші ні. Було відомо, що магнітне поле відхиляє тільки заряджені частинки летять, причому позитивні і негативні в різні боки. У напрямку відхилення переконалися в тому, що відхиляється β-промені заряджені негативно. Подальші досліди показали, що між катодними і β-променями немає принципової різниці, звідки випливало, що вони представляють собою потік електронів.

Відхиляються промені мали більш сильною здатністю проникати через різні матеріали, тоді як неотклоняющіеся легко поглиналися навіть тонкою алюмінієвою фольгою - так вело себе, наприклад, випромінювання нового елемента полонію - його випромінювання не проникало навіть крізь картонні стінки коробки, в якій зберігався препарат.

При використанні більш сильних магнітів виявилося, що α-промені теж відхиляються, тільки значно слабкіше, ніж β-промені, причому в іншу сторону. Звідси випливало, що вони заряджені позитивно і мають значно б ó більшу масу (як потім з'ясували, маса α-частинок в 7740 разів більше маси електрона). Вперше це явище виявили в 1899 А. Беккерель і Ф. Гізель. Надалі з'ясувалося, що α-частинки являють собою ядра атомів гелію (нуклід ⁴ Не) із зарядом +2 і масою 4 у.о.. Коли ж в 1900 французький фізик Поль Війар (1860-1934) досліджував більш докладно відхилення α-і β-променів, він виявив у випромінюванні радію і третій вид променів, не відхиляються в самих сильних магнітних полях, це відкриття невдовзі підтвердив і Беккерель. Цей вид випромінювання, за аналогією з альфа-і бета-променями, був названий гамма-променями, позначення різних випромінювань першими буквами грецького алфавіту запропонував Резерфорд. Гамма-промені виявилися подібними з променями Рентгена, тобто вони являють собою електромагнітне випромінювання, але з більш короткими довжинами хвиль і відповідно з більшою енергією. Всі ці види радіації описала М. Кюрі у своїй монографії «Радій і радіоактивність». Замість магнітного поля для «розщеплення» радіації можна використовувати електричне поле, тільки заряджені частинки в ньому будуть відхилятися не перпендикулярно силовим лініям, а вздовж них - у напрямку до відхиляють пластин.

Довгий час було неясно, звідки беруться всі ці промені. Протягом кількох десятиліть працями багатьох фізиків була з'ясована природа радіоактивного випромінювання та його властивості, були відкриті нові типи радіоактивності. Γ

Альфа-промені випускають, головним чином, ядра найважчих і тому менш стабільних атомів (в періодичній таблиці вони розташовані після свинцю). Ці високоенергетичних частинки. Зазвичай спостерігається кілька груп α-частинок, кожна з яких має строго певну енергію. Так, майже всі α-частинки, що вилітають з ядер ²²⁶ Ra, мають енергію в 4,78 МеВ (мегаелектрон-вольт) і невелика частка α-частинок енергією в 4,60 МеВ. Інший ізотоп радію - ²²¹ Ra випускає чотири групи α-частинок з енергіями 6,76, 6,67, 6,61 і 6,59 МеВ. Це свідчить про наявність в ядрах декількох енергетичних рівнів, їх різниця відповідає енергії випромінюваних ядром α-квантів. Відомі і «чисті» альфа-випромінювачі (наприклад, ²²² Rn).

За формулою E = mu ² / 2 можна підрахувати швидкість α-частинок з певною енергією. Наприклад, 1 моль α-частинок з Е = 4,78 МеВ має енергію (в одиницях СІ) Е = 4,78 · 10 ⁶ еВ  96500 Дж / ​​(еВ · моль) = 4,61 · 10 ¹¹ Дж / ​​моль і масу m = 0,004 кг / моль, звідки u α 15200 км / с, що в десятки тисяч разів більше швидкості пістолетної кулі. Альфа-частинки мають найсильнішим іонізуючим дією: стикаючись з будь-якими іншими атомами в газі, рідини або твердому тілі, вони «обдирають» з них електрони, створюючи заряджені частинки. При цьому α-частинки дуже швидко втрачають енергію: вони затримуються навіть аркушем паперу. У повітрі α-випромінювання радію проходить всього 3,3 см, α-випромінювання торію - 2,6 см і т.д. В кінцевому рахунку втратила кінетичну енергію α-частинка захоплює два електрони і перетворюється в атом гелію. Перший потенціал іонізації атома гелію (He - e → He ⁺⁾ становить 24,6 еВ, другий (He ⁺ - e → He ⁺²⁾ - 54,4 еВ, це набагато більше, ніж у будь-яких інших атомів. При захопленні електронів α-частинками виділяється величезна енергія (понад 7600 кДж / моль), тому ні один атом, крім атомів самого гелію, не в змозі утримати свої електрони, якщо по сусідству виявиться α-частинка.

Дуже велика кінетична енергія α-частинок дозволяє «побачити» їх неозброєним оком (або за допомогою звичайної лупи), вперше це продемонстрував в 1903 англійський фізик і хімік Вільям Крукс (1832 - 1919. Він приклеїв на кінчик голки ледве видиму оком крупинку радієвої солі та зміцнив голку в широкій скляній трубці. На одному кінці цієї трубки, недалеко від кінчика голки, містилася пластинка, покрита шаром люмінофора (їм служив сульфід цинку), а на іншому кінці було збільшувальне скло. Якщо у темряві розглядати люмінофор, то видно: все поле зору всіяно спалахуючими і зараз же згасаючий іскрами. Кожна іскра - це результат удару одного α-частинки. Крукс назвав цей прилад спінтаріскопом (від грец. spintharis - іскра і skopeo - дивлюся, спостерігаю). За допомогою цього простого методу підрахунку α-частинок був виконаний ряд досліджень, наприклад, цим способом можна було досить точно визначити постійну Авогадро.

В ядрі протони і нейтрони утримуються разом ядерними силами, Тому було незрозуміло, яким чином альфа-частинки, що складається з двох протонів і двох нейтронів, може покинути ядро. Відповідь дав в 1928 американський фізик (емігрував в 1933 з СРСР) Джордж (Георгій Антонович) Гамов). За законами квантової механіки α-частинки, як і будь-які частки малої маси, мають хвильової природою і тому у них є деяка невелика ймовірність опинитися поза ядра, на невеликому (приблизно 6 · 10 ^-12 см) відстані від нього. Як тільки це відбувається, на частку починає діяти з кулоновское відштовхування від дуже близько знаходяться позитивно зарядженого ядра.

Альфа-розпаду схильні, в основному, важкі ядра - їх відомо понад 200, α-частки випускаються більшістю ізотопів елементів, наступних за вісмутом. Відомі ти легші альфа-випромінювачі, в основному, це атоми рідкоземельних елементів. Але чому з ядра вилітають саме альфа-частинки, а не окремі протони? Якісно це пояснюється енергетичним виграшем при α-розпаді (α-частинки - ядра гелію стійкі). Кількісна ж теорія α-розпаду була створена лише у 1980-х, в її розробці брали участь і вітчизняні фізики, в їх числі Лев Давидович Ландау, Аркадій Бейнусовіч Мігдал (1911-1991), завідуючий кафедрою ядерної фізики Воронезького університету Станіслав Георгійович Кадменскій зі співробітниками .

Виліт з ядра α-частинки призводить до ядра іншого хімічного елемента, який зміщений у періодичній таблиці на дві клітини вліво. Як приклад можна привести перетворення семи ізотопів полонію (заряд ядра 84) в різні ізотопи свинцю (заряд ядра 82): ²¹⁸ Po → ²¹⁴ Pb, ²¹⁴ Po → ²¹⁰ Pb, ²¹⁰ Po → ²⁰⁶ Pb, ²¹¹ Po → ²⁰⁷ Pb, ²¹⁵ Po → ²¹¹ Pb, ²¹² Po → ²⁰⁸ Pb, ²¹⁶ Po → ²¹² Pb. Ізотопи свинцю ²⁰⁶ Pb ²⁰⁷ Pb і ²⁰⁸ Pb стабільні, інші радіоактивні.

Бета-розпад спостерігається як у важких, так і у легких ядер, наприклад, у тритію. Ці легкі частки (швидкі електрони) мають більш високу проникаючу здатність. Так, в повітрі β-частинки можуть пролетіти кілька десятків сантиметрів, у рідких і твердих речовинах - від часток міліметра до приблизно 1 см. На відміну від α-частинок, енергетичний спектр β-променів не дискретний. Енергія вилітають з ядра електронів може мінятися майже від нуля до деякого максимального значення, характерного для даного радіонукліда. Зазвичай середня енергія β-часток набагато менше, ніж у α-частинок; наприклад, енергія β-випромінювання ²²⁸ Ra складає 0,04 МеВ. Але бувають і виключення; так β-випромінювання короткоживучого нукліда ¹¹ Ве несе енергію 11,5 МеВ. Довго було незрозуміло, яким чином з однакових атомів одного і того ж елемента вилітають частинки з різною швидкістю. Коли ж стало відомо зрозуміло будова атома і атомного ядра, з'явилася нова загадка: звідки взагалі беруться вилітають з ядра β-частинки - адже в ядрі ніяких електронів немає. Після того як в 1932 англійський фізик Джеймс Чедвіком відкрив нейтрон, вітчизняні фізики Дмитро Дмитрович Іваненко (1904-1994) та Ігор Євгенович Тамм і незалежно німецький фізик Вернер Гейзенберг припустили, що атомні ядра складаються з протонів і нейтронів. У такому випадку β-частинки повинні утворитися в результаті внутрішньоядерної процесу перетворення нейтрона в протон і електрон: n → p + e. Маса нейтрона трохи перевищує сумарну масу протона і електрона, надлишок маси, відповідно до формули Ейнштейна E = mc ^2, дає кінетичну енергію вилітає з ядра електрона, тому β-розпад спостерігається, в основному, у ядер з надмірною кількістю нейтронів. Наприклад, нуклід ²²⁶ Ra - α-випромінювач, а все більш важкі ізотопи радію ⁽²²⁷ Ra, ²²⁸ Ra, ²²⁹ Ra і ²³⁰ Ra) - β-випромінювачі.

Залишалося з'ясувати, чому β-частки, на відміну від α-частинок, мають суцільний спектр енергії, це означало, що одні з них мають дуже малою енергією, а інші - дуже великий (і при цьому рухаються зі швидкістю, близьку до швидкості світла) . Більше того, сумарна енергія всіх цих електронів (вона була виміряна за допомогою калориметра) виявилася меншою, ніж різниця енергії вихідного ядра і продукту його розпаду. Знову фізики з штовхнули з «порушенням» закону збереження енергії: частина енергії вихідного ядра незрозуміло куди зникала. Непорушний фізичний закон «спас» в 1931 швейцарський фізик Вольфганг Паулі, який припустив, що при β-розпаді з ядра вилітають дві частинки: електрон і гіпотетична нейтральна частинка - нейтрино з майже нульовою масою, яка і забирає надлишок енергії. Безперервний спектр β-випромінювання пояснюється розподілом енергії між електронами і цієї часткою. Нейтрино (як потім виявилося, при β-розпаді утворюється так зване електронне антинейтрино ) Дуже слабо взаємодіє з речовиною (наприклад, легко пронизує по діаметру земну кулю і навіть величезну зірку) і тому довго не виявлялося - експериментально вільні нейтрино були зареєстровані тільки в 1956 р. Таким чином, уточнена схема бета-розпаду така: n → p + . Кількісну теорію β-розпаду на основі уявлень Паулі про нейтрино розробив в 1933 італійський фізик Енріко Фермі, він же запропонував назву нейтрино (по-італійськи «нейтрончік»).

Перетворення нейтрона в протон при β-розпаді практично не змінює масу нукліда, але збільшує заряд ядра на одиницю. Отже, утворюється новий елемент, зміщений в періодичній таблиці на одну клітку вправо, наприклад: → , → , → і т.д. (Одночасно з ядра вилітають електрон і антинейтрино).

2. Інші види радіоактивності

Крім альфа-і бета-розпадів, відомі й інші типи самовільних радіоактивних перетворень. У 1938 американський фізик Луїс Уолтер Альварес відкрив третій тип радіоактивного перетворення - електронний захват (К-захват). У цьому випадку ядро захоплює електрон з найближчою до нього енергетичної оболонки (К-оболонки). При взаємодії електрона з протоном утворюється нейтрон, а з ядра вилітає нейтрино, несучі надлишок енергії. Перетворення протона в нейтрон не змінює масу нукліда, але зменшує заряд ядра на одиницю. Отже, утворюється новий елемент, що знаходиться в періодичній таблиці на одну клітку лівіше, наприклад, з виходить стабільний нуклід (Саме на цьому прикладі Альварес відкрив цей тип радіоактивності).

При К-захоплення в електронній оболонці атома на місце зниклого електрона «спускається» електрон з більш високого енергетичного рівня, надлишок енергії або виділяється у вигляді рентгенівського випромінювання, або витрачається на виліт з атома більш слабко пов'язаних одного або декількох електронів - так званих оже-електронів , на ім'я французького фізика Пьєра Оже (1899-1993), який відкрив цей ефект у 1923 (для вибивання внутрішніх електронів він використовував іонізуюче випромінювання).

У 1940 Георгій Миколайович Флеров (1913-1990) і Костянтин Антонович Петржак (1907-1998) на прикладі урану відкрили мимовільне (спонтанне) розподіл, при якому нестабільне ядро розпадається на два більш легких ядра, маси яких різняться не дуже сильно, наприклад: → + + 2n. Цей тип розпаду спостерігається тільки у урану і більш важких елементів - всього більше ніж у 50 нуклідів. У разі урану спонтанне розподіл відбувається дуже повільно: середній час життя атома ²³⁸ U становить 6,5 мільярда років. У 1938 німецький фізик і хімік Отто Ган, австрійський радіохімік і фізик Лізі Мейтнер (в її честь названо елемент Mt - мейтнерій) і німецький физикохимик Фріц Штрассман (1902-1980) виявили, що при бомбардуванні нейтронами ядра урану діляться на осколки, причому вилетіли з ядер нейтрони здатні викликати поділ сусідніх ядер урану, що призводить до ланцюгової реакції). Цей процес супроводжується виділенням величезної (в порівнянні з хімічними реакціями) енергії, що призвело до створення ядерної зброї та будівництва АЕС.

У 1934 дочка Марії Кюрі Ірен Жоліо-Кюрі і її чоловік Фредерік Жоліо-Кюрі відкрили позитронний розпад. У цьому процесі один з протонів ядра перетворюється в нейтрон і антиелектрон (позитрон) - частку з тією ж масою, але позитивно заряджену; одночасно з ядра вилітає нейтрино: p → n + e ⁺ + 238. Маса ядра при цьому не змінюється, а зсув відбувається, відмінність від β ^{--розпаду,} вліво, β +-розпад характерний для ядер з надлишком протонів (так звані нейтронодефіцитних ядра). Так, важкі ізотопи кисню ¹⁹ Про, ²⁰ Про і ²¹ Про β ^{--активні,} а його легені ізотопи ¹⁴ Про і ¹⁵ Про β + - активні, наприклад: ¹⁴ O → ¹⁴ N + e ⁺ + 238. Як античастинки, позитрони відразу ж знищуються (анігілюють) при зустрічі з електронами з утворенням двох γ-квантів. Позитронний розпад часто конкурує з К-захопленням.

У 1982 була відкрита протонна радіоактивність: випускання ядром протона (це можливо лише для деяких штучно отриманих ядер, що володіють надлишковою енергією). У 1960 фізико-хімік Віталій Йосипович Гольданський (1923-2001) теоретично передбачив двухпротонную радіоактивність: викидання ядром двох протонів зі спареними спинами. Вперше вона спостерігалася в 1970. Дуже рідко спостерігається і двухнейтронная радіоактивність (виявлена ​​в 1979).

У 1984 була відкрита кластерна радіоактивність (від англ. Cluster - гроно, рій). При цьому, на відміну від спонтанного поділу, ядро розпадається на осколки з сильно відрізняються масами, наприклад, з важкого ядра вилітають ядра з масами від 14 до 34. Кластерний розпад також спостерігається дуже рідко, і це протягом тривалого часу ускладнювало його виявлення.

Деякі ядра здатні розпадатися за різними напрямками. Наприклад, ²²¹ Rn на 80% розпадається з випусканням α-частинок і на 20% - β-частинок, багато ізотопи рідкоземельних елементів ⁽¹³⁷ Pr, ¹⁴¹ Nd, ¹⁴¹ Pm, ¹⁴² Sm тощо) розпадаються або шляхом електронного захвату, або з випусканням позитрона. Різні види радіоактивних випромінювань часто (але не завжди) супроводжуються γ-випромінюванням. Відбувається це тому, що утворюється ядро може мати надлишковою енергією, від якої воно звільняється шляхом випускання гамма-квантів. Енергія γ-випромінювання лежить в широких межах, так, при розпаді ²²⁶ Ra вона дорівнює 0,186 МеВ, а при розпаді ¹¹ Ве досягає 8 МеВ.

Майже 90% з відомих 2500 атомних ядер нестабільні. Нестабільний ядро спонтанно перетворюється в інші ядра з випусканням частинок. Це властивість ядер називається радіоактивністю. У великих ядер нестабільність виникає внаслідок конкуренції між притяганням нуклонів ядерними силами і кулонівською відштовхуванням протонів. Не існує стабільних ядер з зарядовим числом Z> 83 і масовим числом A> 209. Але радіоактивними можуть виявитися і ядра атомів з істотно меншими значеннями чисел Z і A. Якщо ядро містить значно більше протонів, ніж нейтронів, то нестабільність обумовлюється надлишком енергії кулонівського взаємодії. Ядра, які містили б великий надлишок нейтронів над числом протонів, виявляються нестабільними внаслідок того, що маса нейтрона перевищує масу протона. Збільшення маси ядра призводить до збільшення його енергії.

Явище радіоактивності було відкрито в 1896 році французьким фізиком А. Беккерелем, який виявив, що солі урану випускають невідоме випромінювання, здатне проникати через непрозорі для світла перешкоди і викликати почорніння фотоемульсії. Через два роки французькі фізики М. і П. Кюрі виявили радіоактивність торію і відкрили два нових радіоактивних елементи - полоній і радій

У наступні роки дослідженням природи радіоактивних випромінювань займалися багато фізиків, в тому числі Е. Резерфорд і його учні. Було з'ясовано, що радіоактивні ядра можуть випускати частинки трьох видів: позитивно і негативно заряджені і нейтральні. Ці три види випромінювань були названі α-, β-і γ-випромінюваннями. Ці три види радіоактивних випромінювань сильно відрізняються один від одного за здатністю іонізувати атоми речовини і, отже, за проникаючої здатності. Найменшою проникаючої здатністю має α-випромінювання. У повітрі при нормальних умовах α-промені проходять шлях у кілька сантиметрів. Β-промені набагато менше поглинаються речовиною. Вони здатні пройти через шар алюмінію товщиною в кілька міліметрів. Найбільшою проникаючої здатністю мають γ-промені, здатні проходити через шар свинцю товщиною 5-10 см.

У другому десятилітті XX століття після відкриття Е. Резерфордом ядерної будови атомів було твердо встановлено, що радіоактивність - це властивість атомних ядер. Дослідження показали, що α-промені потік α-частинок - ядер гелію, β-промені - це потік електронів, γ-промені є короткохвильове електромагнітне випромінювання з надзвичайно малою довжиною хвилі λ <10 ^-10 м і внаслідок цього - яскраво вираженими корпускулярними властивостями, тобто є потоком частинок - γ-квантів.

3. Альфа-розпад

Альфа-розпадом називається мимовільне перетворення атомного ядра з числом протонів Z і нейтронів N в інше (дочірнє) ядро, що містить число протонів Z - 2 і нейтронів N - 2. При цьому випускається α-частинка - ядро атома гелію . Прикладом такого процесу може служити α-розпад радію: Альфа-частинки, що випускаються ядрами атомів радію, використовувалися Резерфордом у дослідах по розсіянню на ядрах важких елементів. Швидкість α-частинок, що випускаються при α-розпаді ядер радію, виміряна по кривизні траєкторії в магнітному полі, приблизно дорівнює 1,5 · 10 ⁷ м / с, а відповідна кінетична енергія близько 7,5 · 10 ^-13 Дж (приблизно 4, 8 МеВ). Ця величина легко може бути визначена за відомим значенням мас материнського і дочірнього ядер і ядра гелію. Хоча швидкість вилітає α-частинки величезна, але вона все ж становить лише 5% від швидкості світла, тому при розрахунку можна користуватися нерелятивістських виразом для кінетичної енергії. Дослідження показали, що радіоактивна речовина може випускати α-частинки з кількома дискретними значеннями енергій. Це пояснюється тим, що ядра можуть знаходитися, подібно атомам, в різних збуджених станах. В одному з таких збуджених станів може виявитися дочірнє ядро при α-розпаді.

При подальшому переході цього ядра в основний стан випускається γ-квант. Схема α-розпаду радію з випусканням α-частинок з двома значеннями кінетичних енергій наведена на рис.2. Таким чином, α-розпад ядер у багатьох випадках супроводжується γ-випромінюванням.

У теорії α-розпаду передбачається, що всередині ядер можуть утворюватися групи, що складаються з двох протонів і двох нейтронів, тобто α-частинка. Материнське ядро є для α-частинок потенційної ямою, яка обмежена потенційним бар'єром. Енергія α-частинки в ядрі недостатня для подолання цього бар'єру (рис.3). Виліт α-частинки з ядра виявляється можливим тільки завдяки квантово-механічному явищу, яке називається тунельним ефектом. Згідно з квантовою механікою, існують відмінна від нуля ймовірність проходження частинки під потенційним бар'єром. Явище тунелювання має імовірнісний характер.

4. Бета-розпад

При бета-розпаді з ядра вилітає електрон. Усередині ядер електрони існувати не можуть, вони виникають при β-розпаді в результаті перетворення нейтрона в протон. Цей процес може відбуватися не тільки всередині ядра, а й з вільними нейтронами. Середній час життя вільного нейтрона становить близько 15 хвилин. При розпаді нейтрон перетворюється в протон і електрон

Вимірювання показали, що в цьому процесі спостерігається удаване порушення закону збереження енергії, оскільки сумарна енергія протона і електрона, що виникають при розпаді нейтрона, менше енергії нейтрона. У 1931 році В. Паулі висловив припущення, що при розпаді нейтрона виділяється ще одна частинка з нульовими значеннями маси та заряду, яка забирає з собою частину енергії. Нова частинка отримала назву нейтрино (маленький нейтрон). Через відсутність у нейтрино заряду і маси ця частка дуже слабо взаємодіє з атомами речовини, тому її надзвичайно важко виявити в експерименті. Іонізуюча здатність нейтрино настільки мала, що один акт іонізації в повітрі припадає приблизно на 500 км шляху. Ця частка була виявлена ​​лише в 1953 р. В даний час відомо, що існує кілька різновидів нейтрино. У процесі розпаду нейтрона виникає частинка, яка називається електронним антинейтрино. Вона позначається символом . Тому реакція розпаду нейтрона записується у вигляді

Аналогічний процес відбувається і всередині ядер при β-розпаді. Електрон, що утворюється в результаті розпаду одного з ядерних нейтронів, негайно викидається з «батьківського дому» (ядра) з величезною швидкістю, яка може відрізнятися від швидкості світла лише на частки відсотка. Так як розподіл енергії, що виділяється при β-розпаді, між електроном, нейтрино і дочірнім ядром носить випадковий характер, β-електрони можуть мати різні швидкості в широкому інтервалі.

При β-розпаді зарядове число Z збільшується на одиницю, а масове число A залишається незмінним. Дочірнє ядро виявляється ядром одного з ізотопів елемента, порядковий номер якого в таблиці Менделєєва на одиницю перевищує порядковий номер вихідного ядра. Типовим прикладом β-розпаду може служити перетворення изотони торію виникає при α-розпаді урану в паладій

Поряд з електронним β-розпадом виявлений так званий позитронний β ^{+-розпад,} при якому з ядра вилітають позитрон і нейтрино . Позитрон - це частинка-двійник електрона, що відрізняється від нього тільки знаком заряду. Існування позитрона було передбачене видатним фізиком П. Діраком в 1928 р. Через кілька років позитрон був виявлений у складі космічних променів. Позитрони виникають в результаті реакції перетворення протона в нейтрон за наступною схемою:

5. Гамма-розпад

На відміну від α-і β-радіоактивності γ-радіоактивність ядер не пов'язана зі зміною внутрішньої структури ядра і не супроводжується зміною зарядового або масового чисел. Як при α-, так і при β-розпаді дочірнє ядро може опинитися в деякому збудженому стані і мати надлишок енергії. Перехід ядра із збудженого стану в основний супроводжується випусканням одного або декількох γ-квантів, енергія яких може досягати декількох МеВ.

6. Закон радіоактивного розпаду

У будь-якому зразку радіоактивної речовини міститься величезна кількість радіоактивних атомів. Так як радіоактивний розпад має випадковий характер і не залежить від зовнішніх умов, то закон зменшення кількості N (t) нераспавшіхся до даного моменту часу t ядер може служити важливої ​​статистичної характеристикою процесу радіоактивного розпаду.

Нехай за малий проміжок часу Δ t кількість нераспавшіхся ядер N (t) змінилося на Δ N <0. Оскільки ймовірність розпаду кожного ядра незмінна в часі, що число розпадів буде пропорційно кількості ядер N (t) і проміжку часу Δ t:

Коефіцієнт пропорційності λ - це ймовірність розпаду ядра за час Δ t = 1 с. Ця формула означає, що швидкість зміни функції N (t) прямо пропорційна самій функції.

Подібна залежність виникає у багатьох фізичних завданнях (наприклад, при розряді конденсатора через резистор). Рішення цього рівняння приводить до експоненціального закону:

де N ₀ - початкове число радіоактивних ядер при t = 0. За час τ = 1 / λ кількість нераспавшіхся ядер зменшиться в e ≈ 2,7 рази. Величину τ називають середнім часом життя радіоактивного ядра.

Для практичного використання закон радіоактивного розпаду зручно записати в іншому вигляді, використовуючи як підстави число 2, а не e:

Величина T називається періодом напіврозпаду. За час T розпадається половина початкового кількості радіоактивних ядер. Величини T і τ пов'язані співвідношенням

Рис. 4. ілюструє закон радіоактивного розпаду.

Період напіврозпаду - основна величина, що характеризує швидкість радіоактивного розпаду. Чим менше період напіврозпаду, тим інтенсивніше протікає розпад. Так, для урану T ≈ 4,5 млрд. років, а для радію T ≈ 1600 років. Тому активність радію значно вище, ніж урану. Існують радіоактивні елементи з періодом напіврозпаду в частки секунди.

При α-і β-радіоактивному розпаді дочірнє ядро також може виявитися нестабільним. Тому можливі серії послідовних радіоактивних розпадів, які закінчуються утворенням стабільних ядер. У природі існує декілька таких серій. Найбільш довгою є серія складається з 14 послідовних розпадів (8 - альфа-розпадів і 6 бета-розпадів). Ця серія закінчується стабільним ізотопом свинцю (Рис. 5).

У природі існують ще кілька радіоактивних серій, аналогічних серії . Відома також серія, яка починається з нептуния не виявленого в природних умовах, і закінчується на вісмуті . Ця серія радіоактивних розпадів виникає в ядерних реакторах.

Правило зміщення. Правило зміщення точно вказує, які саме перетворення зазнає хімічний елемент, випускаючи радіоактивне випромінювання.

7. Радіоактивні ряди

Правило зміщення дозволило простежити перетворення природних радіоактивних елементів і вибудувати з них три генеалогічних дерева, родоначальниками яких є уран-238, уран-235 і торій-232. Кожне сімейство починається з надзвичайно долгоживущего радіоактивного елемента. Уранове сімейство, наприклад, очолює уран з масовим числом 238 і періодом напіврозпаду 4,5 · 10 ⁹ років (в табл. 1 у відповідності з початковим назвою позначений як уран I).

Сімейство урану. На елементах сімейства урану можна простежити більшість обговорюваних вище властивостей радіоактивних перетворень. Так, наприклад, у третього члена сімейства спостерігається ядерна ізомерія. Уран X _2, випускаючи бета-частки, перетворюється в уран II (T = 1,14 хв). Це відповідає бета-розпаду збудженого стану протактиния-234. Проте в 0,12% випадків збуджений протактиний-234 (уран X ₂₎ випромінює гамма-квант і переходить в основний стан (уран Z). Бета-розпад урану Z, також приводить до утворення урану II, відбувається за 6,7 ч.

Радій З цікавий тим, що може розпадатися двома шляхами: випускаючи або альфа-, або бета-частинку. Ці процеси конкурують між собою, але в 99,96% випадків відбувається бета-розпад з утворенням радію З . У 0,04% випадків радій З випускає альфа-частинку і перетворюється в радій З   (RaC  ). У свою чергу RaC  і RaC   шляхом емісії альфа-і бета-частинок відповідно перетворюються в радій D.

Ізотопи. Серед членів уранового сімейства зустрічаються такі, атоми яких мають однаковий атомний номер (однаковий заряд ядер) і різні масові числа. Вони ідентичні за хімічними властивостями, але розрізняються за характером радіоактивності. Наприклад, радій B, радій D і радій G, що мають однаковий зі свинцем атомний номер 82, подібні свинцю за хімічним поведінці. Очевидно, що хімічні властивості не залежать від масового числа; вони визначаються будовою електронних оболонок атома (отже, і Z). З іншого боку, масове число має вирішальне значення для ядерної стабільності радіоактивних властивостей атома. Атоми з однаковим атомним номером і різними масовими числами називаються ізотопами. Ізотопи радіоактивних елементів були відкриті Ф. Содді в 1913, але незабаром Ф. Астон за допомогою мас-спектроскопії довів, що ізотопи є і у багатьох стабільних елементів.

8.Действіе радіоактивного випромінювання на людину

Радіоактивне випромінювання всіх видів (альфа, бета, гамма, нейтрони), а також електромагнітна радіація (рентгенівське випромінювання) роблять дуже сильний біологічний вплив на живі організми, що полягає в процесах збудження та іонізації атомів і молекул, що входять до складу живих клітин. Під дією іонізуючої радіації руйнуються складні молекули і клітинні структури, що призводить до променевого ураження організму. Тому при роботі з будь-яким джерелом радіації необхідно вживати всіх заходів з радіаційного захисту людей, які можуть потрапити в зону дії випромінювання.

Однак людина може піддаватися дії іонізуючої радіації і в побутових умовах. Серйозну небезпеку для здоров'я людини може представляти інертний, безбарвний, радіоактивний газ радон Як видно зі схеми, зображеної на рис.5, радон є продуктом α-розпаду радію і має період напіврозпаду T = 3,82 сут. Радій в невеликих кількостях міститься в грунті, в камінні, в різних будівельних конструкціях. Незважаючи на порівняно невеликий час життя, концентрація радону безперервно поповнюється за рахунок нових розпадів ядер радію, тому радон може накопичуватися в закритих приміщеннях. Потрапляючи в легені, радон випускає α-частинки і перетворюється на полоній який не є хімічно інертною речовиною. Далі слід ланцюг радіоактивних перетворень серії урану (рис. 5). За даними Американської комісії радіаційної безпеки та контролю, людина в середньому отримує 55% іонізуючої радіації за рахунок радону і лише 11% за рахунок медичних обслуговувань. Вклад космічних променів становить приблизно 8%. Загальна доза опромінення, яку отримує людина за життя, у багато разів менше гранично допустимої дози (ПДД), яка встановлюється для людей деяких професій, що піддаються додаткового опромінення іонізуючої радіацією.

9. Застосування радіоактивних ізотопів

Одним з найбільш видатних досліджень, проведених за допомогою «мічених атомів», стало дослідження обміну речовин в організмах. Було доведено, що за порівняно невеликий час організм піддається майже повного оновлення. Що складають його атоми замінюються новими. Лише залізо, як показали досліди з ізотопного дослідженню крові, є винятком з цього правила. Залізо входить до складу гемоглобіну червоних кров'яних кульок. При введенні в їжу радіоактивних атомів заліза було встановлено, що вільний кисень, що виділяється при фотосинтезі, спочатку входив до складу води, а не вуглекислого газу. Радіоактивні ізотопи застосовуються в медицині як для постановки діагнозу, так і для терапевтичних цілей. Радіоактивний натрій, що вводиться в невеликих кількостях у кров, використовується для дослідження кровообігу, йод інтенсивно відкладається в щитовидній залозі, особливо при базедової хвороби. Спостерігаючи за допомогою лічильника за відкладенням радіоактивного йоду, можна швидко поставити діагноз. Великі дози радіоактивного йоду викликають часткове руйнування аномально розвиваються тканин, і тому радіоактивний йод використовують для лікування базедової хвороби. Інтенсивне гамма-випромінювання кобальту використовується при лікуванні ракових захворювань (кобальтова гармата).

Не менш великі застосування радіоактивних ізотопів у промисловості. Одним із прикладів цього може служити наступний спосіб контролю зносу поршневих кілець у двигунах внутрішнього згоряння. Опромінюючи поршневе кільце нейтронами, викликають в ньому ядерні реакції і роблять його радіоактивним. При роботі двигуна частинки матеріалу кільця потрапляють в мастило. Досліджуючи рівень радіоактивності олії після певного часу роботи двигуна, визначають знос кільця. Радіоактивні ізотопи дозволяють судити про дифузії металів, процеси в доменних печах і т. д.

Потужне гамма-випромінювання радіоактивних препаратів використовують для дослідження внутрішньої структури металевих виливків з метою виявлення в них дефектів.

Все більш широке застосування отримують радіоактивні ізотопи в сільському господарстві. Опромінення насіння рослин (бавовнику, капусти, редиски та ін) невеликими дозами гамма-променів від радіоактивних препаратів приводить до помітного збільшення врожайності. Великі дози 'радіації викликають мутації у рослин і мікроорганізмів, що в окремих випадках призводить до появи мутантів з новими цінними властивостями (радіоселекція). Так виведені цінні сорти пшениці, квасолі та інших культур, а також отримані високо продуктивні мікроорганізми, що застосовуються у виробництві антибіотиків. Гамма-випромінювання радіоактивних ізотопів використовується також для боротьби зі шкідливими комахами і для консервації харчових продуктів. Широке застосування отримали «мічені атоми» в агротехніці. Наприклад, щоб з'ясувати, яке з фосфорних добрив краще засвоюється рослиною, позначають різні добрива радіоактивним фосфором 15 32P. Досліджуючи потім рослини на радіоактивність, можна визначити кількість засвоєного ними фосфору з різних сортів добрива.

Цікавим застосуванням радіоактивності є метод датування археологічних і геологічних знахідок по концентрації радіоактивних ізотопів. Найбільш часто використовується радіовуглецевий метод датування. Нестабільний ізотоп вуглецю виникає в атмосфері внаслідок ядерних реакцій, що викликаються космічними променями. Невеликий відсоток цього ізотопу міститься в повітрі поряд зі звичайним стабільним ізотопом . Рослини та інші організми споживають вуглець з повітря, і в них накопичуються обидва ізотопу в тій же пропорції, як і в повітрі. Після загибелі рослин вони перестають споживати вуглець і нестабільний ізотоп в результаті β-розпаду поступово перетворюється на азот з періодом напіврозпаду 5730 років. Шляхом точного вимірювання відносної концентрації радіоактивного вуглецю в останках древніх організмів можна визначити час їх загибелі.

Список використаної літератури

1. Вчення про радіоактивність. Історія і сучасність. М. Наука, 1973 2. Ядерні випромінювання в науці і техніці. М. Наука, 1984 Фурман В. І. 3. Альфа-розпад і родинні ядерні реакції. М. Наука, 1985

4. Ландсберг Г. С. Елементарний підручник фізики. Том III. - М.: Наука, 1986

5. Селезньов Ю. А. Основи елементарної фізики. -

М.: Наука, 1964.

6. CD ROM «Велика енциклопедія Кирила і Мефодія», 1997.

7. Кюрі М., Радіоактивність, пров. з франц., 2 изд., М. - Л., 1960

8. Мурин А.Н., Введення в радіоактивність, Л., 1955

9. Давидов О.С., Теорія атомного ядра, М., 1958

10. Гайсинський М.Н., Ядерна хімія та її застосування, пров. з франц., М., 1961

11. Експериментальна ядерна фізика, під ред. Е. Сегре, пров. з англ., т. 3, М., 1961; Засоби мережі INTERNET