Pošaljite svoj dobar rad u bazu znanja je jednostavno. Koristite obrazac ispod

Studenti, postdiplomci, mladi naučnici koji koriste bazu znanja u svom studiranju i radu biće vam veoma zahvalni.

Objavljeno na http://www.allbest.ru/

Državna autonomna obrazovna ustanova

srednji stručno obrazovanje -

Novokuibyshev State College of Humanities and Technology

apstraktno

po disciplini:"hemija"

tema: "Upotreba radioaktivnih izotopa u tehnologiji"

Grazhdankina Daria Igorevna

Studenti 1. godine grupe 16

specijalnost 230115

2013

1. Šta su izotopi i kako ih dobiti

Bibliografija

radioaktivni izotop detekcija atomskih grešaka

1. Šta su izotopi?

Izotopi su varijante bilo kojeg hemijskog elementa u D.I. Mendeljejeva, sa različitim atomskim težinama. Različiti izotopi bilo kojeg kemijskog elementa imaju isti broj protona u jezgru i isti broj elektrona na ljusci atoma, imaju isti atomski broj i zauzimaju određena mjesta u tabeli D.I. Mendeljejev. Razlika u atomskoj težini između izotopa objašnjava se činjenicom da jezgra njihovih atoma sadrže različit broj neutrona.

Radioaktivni izotopi - izotopi bilo kojeg elementa periodnog sistema D. I. Mendelejeva, čiji atomi imaju nestabilna jezgra i prelaze u stabilno stanje radioaktivnim raspadom praćenim zračenjem. Za elemente s atomskim brojem većim od 82, svi izotopi su radioaktivni i raspadaju se alfa ili beta raspadom. To su takozvani prirodni radioaktivni izotopi, koji se obično nalaze u prirodi. Atomi nastali raspadom ovih elemenata, ako je njihov atomski broj veći od 82, zauzvrat prolaze kroz radioaktivni raspad, čiji proizvodi također mogu biti radioaktivni. Ispada, takoreći, sekvencijalni lanac, ili takozvana porodica radioaktivnih izotopa. Poznate su tri prirodne radioaktivne porodice, nazvane po prvom elementu serije kao porodice uranijuma, torijuma i aktinouranija (ili aktinijuma). Porodica uranijuma uključuje radijum i radon. Poslednji element svake serije se kao rezultat raspadanja pretvara u jedan od stabilnih izotopa olova sa serijskim brojem 82. Pored ovih familija poznati su i pojedinačni prirodni radioaktivni izotopi elemenata sa serijskim brojevima manjim od 82. To su kalijum -40 i neki drugi. Od njih je važan kalijum-40, jer se nalazi u svakom živom organizmu.

Svi radioaktivni izotopi hemijski elementi mogu se dobiti veštački.

Postoji nekoliko načina da ih dobijete. Radioaktivni izotopi elemenata kao što su stroncijum, jod, brom i drugi, koji zauzimaju srednja mesta u periodnom sistemu, su proizvodi fisije jezgra uranijuma. Iz mješavine takvih proizvoda dobivenih u nuklearnom reaktoru izoluju se radiohemijskim i drugim metodama. Radioaktivni izotopi gotovo svih elemenata mogu se proizvesti u akceleratoru čestica bombardiranjem određenih stabilnih atoma protonima ili deuteronima. Uobičajena metoda je dobivanje radioaktivnih izotopa iz stabilnih izotopa istog elementa zračenjem neutronima u nuklearnom reaktoru. Metoda se zasniva na takozvanoj reakciji hvatanja zračenja. Ako je tvar ozračena neutronima, potonji, bez naboja, mogu se slobodno približiti jezgri atoma i, takoreći, "zalijepiti" se za njega, formirajući novo jezgro istog elementa, ali s jednim dodatnim neutronom. U tom slučaju se u obliku oslobađa određena količina energije gama zračenja, zbog čega se proces naziva radijacijsko hvatanje. Jezgra s viškom neutrona su nestabilna, pa je tako nastali izotop radioaktivan. Uz rijetke izuzetke, radioaktivni izotopi bilo kojeg elementa mogu se dobiti na ovaj način.

Raspad izotopa može stvoriti izotop, također radioaktivan. Na primjer, stroncij-90 se pretvara u itrij-90, barij-140 u lantan-140, itd.

Umjetno su dobiveni transuranijumski elementi nepoznati u prirodi s atomskim brojem većim od 92 (neptunijum, plutonijum, americij, kurij itd.), čiji su svi izotopi radioaktivni. Jedna od njih stvara drugu radioaktivnu porodicu, porodicu neptunijuma.

Tokom rada reaktora i akceleratora u materijalima i dijelovima ovih instalacija i okolne opreme nastaju radioaktivni izotopi. Ova "indukovana aktivnost", koja traje manje-više dugo nakon prestanka rada instalacija, predstavlja nepoželjan izvor zračenja. Indukovana aktivnost se također javlja u živom organizmu izloženom neutronima, na primjer, tokom nesreće ili atomske eksplozije.

Aktivnost radioaktivnih izotopa mjeri se u jedinicama kirija ili njegovih derivata - milikurija i mikrokurija.

Za hemijske i fizičke hemijska svojstva radioaktivni izotopi se praktički ne razlikuju od prirodnih elemenata; njihova primjesa bilo kojoj tvari ne mijenja njeno ponašanje u živom organizmu.

Moguće je zamijeniti stabilne izotope sa tako označenim atomima u različitim hemijska jedinjenja. Svojstva potonjih se od ovoga neće promijeniti, a ako se unesu u tijelo, ponašat će se kao obične, neobilježene supstance. Međutim, zbog zračenja je lako otkriti njihovo prisustvo u krvi, tkivima, ćelijama itd. Radioaktivni izotopi u ovim supstancama tako služe kao indikatori, odnosno indikatori distribucije i sudbine supstanci unesenih u organizam. Stoga se nazivaju "radioaktivni tragači". Mnogi anorganski i organski spojevi označeni različitim radioaktivnim izotopima sintetizirani su za radioizotopnu dijagnostiku i razne eksperimentalne studije.

2. Primena radioaktivnih izotopa u tehnici

Jedna od najistaknutijih studija provedenih uz pomoć "označenih atoma" bila je proučavanje metabolizma u organizmima. Dokazano je da se u relativno kratkom vremenu tijelo gotovo potpuno obnavlja. Njegovi sastavni atomi su zamijenjeni novim. Samo je željezo, kao što su pokazali eksperimenti na izotopskom proučavanju krvi, izuzetak od ovog pravila. Gvožđe je deo hemoglobina u crvenim krvnim zrncima. Kada su radioaktivni atomi željeza uvedeni u hranu, otkriveno je da je slobodni kisik koji se oslobađa tokom fotosinteze izvorno bio dio vode, a ne ugljičnog dioksida. Područje primjene radioaktivnih izotopa u industriji je opsežno. Jedan primjer za to je sljedeća metoda za praćenje trošenja klipnih prstenova u motorima unutrašnjim sagorevanjem. Zračenjem klipnog prstena neutronima izazivaju nuklearne reakcije u njemu i čine ga radioaktivnim. Kada motor radi, čestice materijala prstena ulaze u ulje za podmazivanje. Ispitivanjem nivoa radioaktivnosti ulja nakon određenog vremena rada motora utvrđuje se istrošenost prstena. Radioaktivni izotopi omogućavaju suđenje o difuziji metala, procesima u visokim pećima, itd.

Snažno gama zračenje radioaktivnih preparata koristi se za proučavanje unutrašnje strukture metalnih odlivaka kako bi se otkrili defekti na njima.

Radioaktivni izotopi koji emituju gama zrake mogu se koristiti umjesto glomaznih rendgenskih jedinica za transiluminaciju proizvoda, jer su svojstva gama zraka slična osobinama x-zrake. Na jednoj strani proizvoda koji se testira stavlja se izvor gama zraka, a na drugu fotografski film. Ova metoda testiranja naziva se detekcija gama grešaka. Na ovaj način se trenutno provjeravaju crni i obojeni odljevci, gotovi proizvodi (proizvodi od čelika debljine do 300 mm) i kvalitet zavarenih spojeva. Uz pomoć radioaktivnih izotopa lako je izmjeriti debljinu metalne trake ili valjanih limova u pokretu i bez kontakta i automatski održavati konstantnu debljinu. Izvor beta čestica nalazi se ispod pokretne trake koja izlazi ispod valjaka mašine. Promjena debljine trake dovodi, dakle, do promjene struje u mjeraču. Ova struja se pojačava i usmjerava na bilo koju od njih mjerni uređaj, ili u automatsku mašinu koja trenutno spaja ili, obrnuto, gura valjke. Uređaji ovog tipa koriste se i u industriji papira, gume i kože. Stvoreni izvori radioizotopa električna energija. Oni koriste toplinu stvorenu u uzorku koja apsorbira zračenje. Termoparovi pretvaraju ovu toplotu u struja. Izvor težine nekoliko kilograma daje snagu od nekoliko desetina vati za 10 godina neprekidnog rada. Takvi izvori se koriste za napajanje automatskih svjetionika i automatskih meteoroloških stanica koje rade u teško dostupnim područjima. Snažniji izvori instalirani su na sovjetskim lunarnim roverima lansiranim na Mjesec. Pouzdano su radili na temperaturama od -140 do +120.

Jedna od najistaknutijih studija provedenih uz pomoć "označenih atoma" bila je proučavanje metabolizma u organizmima. Dokazano je da se u relativno kratkom vremenu tijelo gotovo potpuno obnavlja. Njegovi sastavni atomi su zamijenjeni novim. Samo je željezo, kao što su pokazali eksperimenti na izotopskom proučavanju krvi, izuzetak od ovog pravila. Gvožđe je deo hemoglobina u crvenim krvnim zrncima. Kada su radioaktivni atomi željeza uvedeni u hranu, otkriveno je da je slobodni kisik koji se oslobađa tokom fotosinteze izvorno bio dio vode, a ne ugljičnog dioksida. Radioaktivni izotopi se koriste u medicini kako u dijagnostičke tako iu terapeutske svrhe. Radioaktivni natrijum, unesen u malim količinama u krv, koristi se za proučavanje cirkulacije krvi, jod se intenzivno deponuje u štitnoj žlezdi, posebno kod Gravesove bolesti. Praćenjem taloženja radioaktivnog joda pomoću brojača, dijagnoza se može brzo postaviti. Velike doze radioaktivnog joda uzrokuju djelomično uništavanje abnormalno razvijajućih tkiva, pa se radioaktivni jod koristi za liječenje Gravesove bolesti. Intenzivno kobalt gama zračenje se koristi u liječenju raka (kobalt pištolj).

Spisak korišćene literature

1. Gaisinsky M.N., Nuklearna hemija i njena primena, prev. sa francuskog, Moskva, 1961

2. Eksperimentalno nuklearna fizika, ed. E. Segre, trans. sa engleskog, tom 3, M., 1961; INTERNET mrežni alati

Hostirano na Allbest.ru

Slični dokumenti

Suština fenomena radioaktivnosti, istorijat njegovog otkrivanja i proučavanja, savremena saznanja, njihov značaj i primena u različitim oblastima. Vrste radioaktivnog zračenja, njihove karakteristike i karakteristične karakteristike. Redoslijed i faze alfa, beta, gama raspada.

seminarski rad, dodan 10.05.2009


Prirodna radioaktivnost je posljedica prirodnih radioaktivnih izotopa prisutnih u svim slojevima zemlje. Preci radioaktivnih izotopa koji su dio radioaktivnih porodica su radijum i torijum.

seminarski rad, dodan 25.11.2008


Zakon radioaktivnog raspada. Određivanje jona hemijskih elemenata. Metoda radiometrijske titracije, izotopsko razblaživanje, aktivaciona analiza, određivanje sadržaja hemijskih elemenata emisijom njihovih prirodnih radioaktivnih izotopa.

prezentacija, dodano 07.05.2016


Određivanje relativnog sadržaja izotopa plutonijuma analizom spektra, kvantitativni odnos sadržaja izotopa po identifikovanim linijama. Procjena nalaženja padova i linearnih dijelova spektra. Proračun sadržaja greške.

seminarski rad, dodan 23.08.2016


Prirodne i umjetne radioaktivne serije. Vrste radioaktivnog raspada. Glavna radioaktivna serija opažena u prirodi. Karakterizacija serije torija, neptunija, radijuma, aktinijuma. Radioaktivne transformacije jezgara. uzastopni lanci nuklida.

prezentacija, dodano 30.05.2015


Karakterizacija hemijskih i fizička svojstva vodonik. Razlike u masi atoma u izotopima vodika. Konfiguracija jednog elektronskog sloja neutralnog nepobuđenog atoma vodika. Istorija otkrića, pronalaženje u prirodi, načini dobijanja.

prezentacija, dodano 14.01.2011


Karakterizacija hemijskih svojstava aktinida. Kvantitativno određivanje elemenata transplutonijuma. Odvajanje taloženjem neorganskim i organskim reagensima. Metode izolacije i odvajanja transplutonijumskih elemenata. Dobijanje metalnog uranijuma.

sažetak, dodan 03.10.2010


Opšti principi za klasifikaciju složenih i jednostavnih neorganskih supstanci. Veličine atoma i njihov odnos sa položajem u periodnom sistemu elemenata. Koncept električne disocijacije i otopina elektrolita. Senzori vodonične veze i membrane.

test, dodano 01.02.2011


Metode jonizacije i scintilacije radioaktivnog zračenja. Određivanje jona hemijskih elemenata u rastvoru radioaktivnim reagensima. Optimalno vrijeme registracije zračenja. Metoda radiometrijske titracije i aktivacione analize.

seminarski rad, dodan 07.05.2016


Fizička i hemijska svojstva sirćetne kiseline. Karakterizacija procesa oksidacije aldehida. Metoda za proizvodnju acetaldehida i etanala. Principi za izračunavanje količine nusproizvoda nastalih u procesu dobijanja octene kiseline. Suština Kolbeove metode.

Rad na kursu

Prezentacija na temu: "Radioaktivnost.

Upotreba radioaktivnih izotopa u tehnologiji"

Uvod

1. Vrste radioaktivnog zračenja

2. Druge vrste radioaktivnosti

3. Alfa raspad

4.Beta raspad

5. Gama raspad

6. Zakon radioaktivnog raspada

7. Radioaktivni redovi

8. Utjecaj radioaktivnog zračenja na ljude

9. Primjena radioaktivnih izotopa

Spisak korišćene literature

Uvod

Radioaktivnost- transformacija atomskih jezgara u druga jezgra, praćena emisijom raznih čestica i elektromagnetnim zračenjem. Otuda i naziv fenomena: na latinskom radio - zračim, activus - efikasan. Ovu riječ je uvela Marie Curie. Prilikom raspada nestabilnog jezgra - radionuklida, oni izlete iz njega sa velika brzina jedna ili više čestica visoke energije. Protok ovih čestica naziva se radioaktivno zračenje ili jednostavno zračenje.

X-zrake. Otkriće radioaktivnosti bilo je direktno povezano s otkrićem Rentgena. Štaviše, neko vrijeme se smatralo da je to jedna te ista vrsta zračenja. Krajem 19. vijeka općenito, bio je bogat otkrićima raznih vrsta do tada nepoznatih "zračenja". 1880-ih, engleski fizičar Joseph John Thomson počeo je proučavati elementarne nosioce. negativni naboj 1891. godine irski fizičar George Johnston Stoney (1826–1911) nazvao je ove čestice elektronima. Konačno, u decembru, Wilhelm Konrad Roentgen je najavio otkriće nove vrste zraka, koje je nazvao X-zracima. Do sada su se u većini zemalja tako zvali, ali u Njemačkoj i Rusiji prihvaćen je prijedlog njemačkog biologa Rudolfa Alberta von Köllikera (1817–1905) da se pozove X-zrake. Ove zrake nastaju kada se elektroni (katodni zraci) koji brzo putuju u vakuumu sudare sa preprekom. Bilo je poznato da kada katodni zraci udare u staklo, ono emituje vidljivo svetlo- zelena luminiscencija. Roentgen je otkrio da u isto vrijeme neke druge nevidljive zrake izlaze iz zelene mrlje na staklu. To se dogodilo slučajno: u mračnoj prostoriji svijetlio je obližnji ekran, prekriven barijevim tetracijanoplatinatom Ba (ranije se zvao barijum platina cijanid). Ova tvar daje jarko žuto-zelenu luminiscenciju pod djelovanjem ultraljubičastih, kao i katodnih zraka. Ali katodni zraci nisu pogodili ekran, a štaviše, kada je uređaj bio prekriven crnim papirom, ekran je nastavio da sija. Rentgen je ubrzo otkrio da zračenje prolazi kroz mnoge neprozirne supstance, uzrokujući pocrnjenje fotografske ploče umotane u crni papir ili čak smeštene u metalnu kutiju. Zraci su prolazili kroz vrlo debelu knjigu, kroz smrekovu ploču debljine 3 cm, kroz aluminijumsku ploču debljine 1,5 cm... Rendgen je shvatio mogućnosti svog otkrića: „Ako držite ruku između cijevi za pražnjenje i ekrana ”, napisao je, “tada su tamne sjene vidljive kosti na pozadini svjetlijih obrisa ruke. Bio je to prvi rendgenski pregled u istoriji.

Rentgenovo otkriće odmah se proširilo po cijelom svijetu i zadivilo ne samo stručnjake. Uoči 1896. godine, fotografija ruke bila je izložena u knjižari u jednom njemačkom gradu. Na njemu su bile vidljive kosti žive osobe, a na jednom od prstiju - burma. Bila je to rendgenska fotografija ruke Rentgenove žene. Rentgenova prva poruka O novoj vrsti zraka” objavljeno je u "Izvještajima Würzburškog fizikalno-medicinskog društva" 28. decembra, odmah je prevedeno i objavljeno u različite zemlje, objavljen u Londonu, najpoznatiji naučni časopis "Nature" ("Nature") objavio je članak Rentgena 23. januara 1896. godine.

Novi zraci su počeli da se istražuju širom sveta, za samo godinu dana objavljeno je preko hiljadu radova na ovu temu. Jednostavne konstrukcije, rendgenski aparati su se pojavili i u bolnicama: medicinska primjena novih zraka bila je očigledna.

Sada se X-zraci široko koriste (i ne samo u medicinske svrhe) širom svijeta.

Becquerelove zrake. Rentgenovo otkriće ubrzo je dovelo do jednako značajnog otkrića. Napravio ga je 1896. godine francuski fizičar Antoine Henri Becquerel. Bio je 20. januara 1896. na sastanku Akademije, na kojem je fizičar i filozof Henri Poincaré govorio o otkriću Rentgena i demonstrirao rendgenske snimke ljudske ruke već napravljene u Francuskoj. Poincaré se nije ograničio na priču o novim zracima. On je sugerisao da su ovi zraci povezani sa luminiscencijom i da se, možda, uvek javljaju istovremeno sa ovom vrstom luminescencije, tako da se katodne zrake verovatno mogu izostaviti. Sjaj supstanci pod dejstvom ultraljubičastog zračenja - fluorescencija ili fosforescencija (u 19. veku nije postojala stroga razlika između ovih pojmova) bio je poznat Becquerelu: njegovom ocu Alexanderu Edmondu Becquerelu (1820–1891) i djedu Antoineu Cesaru Becquerelu (1788–1788). 1878) bavili su se time - oba fizičara; sin Antoinea Henrija Becquerela, Jacques, postao je fizičar, koji je "nasljedstvom" prihvatio katedru fizike u Pariškom muzeju prirodna istorija, Becquerelis je vodio ovo odjeljenje 110 godina, od 1838. do 1948. godine.

Becquerel je odlučio provjeriti da li su rendgenski zraci povezani s fluorescencijom. Neke soli urana, na primjer, uranil nitrat UO 2 (NO 3) 2, imaju svijetlu žuto-zelenu fluorescenciju. Takve supstance bile su u Becquerelovoj laboratoriji, gdje je on radio. Sa preparatima uranijuma radio je i njegov otac, koji je pokazao da nakon prestanka sunčeve svjetlosti njihov sjaj nestaje vrlo brzo - za manje od stotinke sekunde. Međutim, niko nije provjerio da li je ovaj sjaj praćen emisijom nekih drugih zraka sposobnih da prođu kroz neprozirne materijale, kao što je bio slučaj s Rentgenom. Upravo to, nakon Poincaréovog izvještaja, Becquerel je odlučio testirati. On je 24. februara 1896. na sedmičnom sastanku Akademije rekao da uzimajući fotografsku ploču umotanu u dva sloja debelog crnog papira, na nju stavlja kristale dvostrukog kalijum-uranil sulfata K 2 UO 2 (SO 4) 2 2H2O i izlažući sve to nekoliko sati sunčevoj svjetlosti, a zatim nakon razvoja fotografske ploče na njoj možete vidjeti pomalo zamućenu konturu kristala. Ako se novčić ili figura izrezana iz lima stavi između ploče i kristala, tada se nakon razvoja na ploči pojavljuje jasna slika ovih predmeta.

Sve ovo može ukazivati ​​na vezu između fluorescencije i rendgenskih zraka. Nedavno otkriveni rendgenski zraci mogu se dobiti mnogo lakše - bez katodnih zraka i potrebne vakuumske cijevi i visokog napona za to, ali je bilo potrebno provjeriti da li se ispostavilo da uranjeva so, zagrijana na suncu, oslobađa neku vrstu gasa koji prodire ispod crnog papira i deluje na fotografsku emulziju Da bi eliminisao ovu mogućnost, Becquerel je između uranijumove soli i fotografske ploče položio stakleni list - i dalje je svetleo. "Odavde", zaključio je njegov kratka poruka Becquerel, - možemo zaključiti da svjetleća sol emituje zrake koje prodiru kroz crni papir koji nije proziran za svjetlost i obnavlja srebrne soli u fotografskoj ploči. Kao da je Poincaré bio u pravu i da se Rentgenovi rendgenski snimci mogu dobiti na potpuno drugačiji način.

Becquerel je počeo postavljati mnoge eksperimente kako bi bolje razumio uslove pod kojima se pojavljuju zraci koji osvjetljavaju fotografsku ploču, te kako bi istražio svojstva ovih zraka. Između kristala i fotografske ploče postavio je različite supstance - papir, staklo, ploče od aluminijuma, bakra, olova različite debljine. Rezultati su bili isti kao oni koje je dobio Rentgen, što bi takođe moglo poslužiti kao argument u prilog sličnosti oba zračenja. Pored direktne sunčeve svjetlosti, Becquerel je osvjetljavao uranovu sol svjetlošću reflektovanom od ogledala ili prelomljenom prizmom. Otkrio je da rezultati svih prethodnih eksperimenata nemaju nikakve veze sa Suncem; ono što je bilo važno je koliko dugo je uranijumova so bila blizu fotografske ploče. Sljedećeg dana, Becquerel je to izvijestio na sastanku Akademije, ali je, kako se kasnije ispostavilo, napravio pogrešan zaključak: odlučio je da je uranijska so, barem jednom "nabijena" na svjetlost, tada i sama sposobna da emituje nevidljive zrake koje prodiru dugo vremena.

Becquerel je do kraja godine objavio devet članaka na ovu temu, u jednom od njih je napisao: „U olovnu kutiju debelih zidova stavljene su različite soli urana... Zaštićene od djelovanja bilo kojeg poznatog zračenja, ove tvari nastavio da emituje zrake prolazeći kroz staklo i crni papir..., za osam meseci."

Ovi zraci su dolazili iz bilo kojeg jedinjenja uranijuma, čak i onih koji ne sijaju na suncu. Još jače (oko 3,5 puta) bilo je zračenje metalnog uranijuma. Postalo je očigledno da zračenje, iako po nekim manifestacijama slično rendgenskom zračenju, ima veću prodornu moć i na neki način je povezano sa uranijumom, pa ga je Becquerel počeo nazivati ​​"uranijumskim zracima".

Becquerel je također otkrio da "zraci uranijuma" jonizuju zrak, čineći ga provodnikom električne energije. Gotovo istovremeno, u novembru 1896. godine, engleski fizičari J. J. Thomson i Ernest Rutherford (otkrili ionizaciju zraka pod djelovanjem rendgenskih zraka. Za mjerenje intenziteta zračenja, Becquerel je koristio elektroskop u kojem su najlakši zlatni listovi, obješeni za krajeve i elektrostatički nabijeni, odbijaju se i njihovi slobodni krajevi se razilaze. Ako zrak provodi struju, naboj se odvodi iz listova i oni otpadaju – što je brže, to je veća električna provodljivost zraka i, posljedično, veći je intenzitet zračenja.

Ostalo je pitanje kako supstanca emituje kontinuirano i nesmanjeno zračenje mnogo mjeseci bez opskrbe energijom iz vanjskog izvora.Sam Becquerel je napisao da nije u stanju razumjeti odakle uranijum prima energiju koju neprekidno emituje. Ovom prilikom su iznesene razne hipoteze, ponekad prilično fantastične. Na primjer, engleski hemičar i fizičar William Ramsay napisao je: „... fizičari su se pitali odakle može doći neiscrpna zaliha energije u solima uranijuma. Lord Kelvin je bio sklon da sugeriše da je uranijum vrsta zamke koja hvata inače neprimetnu energiju zračenja koja dopire do nas kroz svemir i pretvara je u oblik u kojem je napravljen sposoban da proizvodi hemijske efekte.

Becquerel nije mogao ni prihvatiti ovu hipotezu, niti smisliti nešto vjerodostojnije, niti napustiti princip očuvanja energije. Završilo se tako da je generalno prestao da radi sa uranijumom na neko vreme i počeo da se bavi fisijom spektralne linije u magnetnom polju. Ovaj efekat je skoro istovremeno sa otkrićem Becquerela otkrio mladi holandski fizičar Peter Zeeman, a objasnio ga je drugi Holanđanin, Hendrik Anton Lorenc.

Time je završena prva faza proučavanja radioaktivnosti. Albert Ajnštajn je uporedio otkriće radioaktivnosti sa otkrićem vatre, jer je verovao da su i vatra i radioaktivnost podjednako važne prekretnice u istoriji civilizacije.

1. Vrste radioaktivnog zračenja

Kada su se u rukama istraživača pojavili moćni izvori zračenja, milione puta jači od uranijuma (to su bili preparati radijuma, polonija, aktinijuma), bilo je moguće bolje upoznati svojstva radioaktivnog zračenja. Ernest Rutherford, supružnici Maria i Pierre Curie, A. Becquerel i mnogi drugi uzeli su aktivno učešće u prvim studijama na ovu temu. Prije svega proučavana je prodorna moć zraka, kao i utjecaj magnetskog polja na zračenje. Ispostavilo se da je zračenje nehomogeno, ali da je mješavina "zraka". Pierre Curie je otkrio da kada magnetsko polje djeluje na radij zračenje, neke zrake se odbijaju, a druge ne. Bilo je poznato da magnetsko polje odbija samo nabijene leteće čestice, pozitivne i negativne u različitim smjerovima. Po smjeru skretanja uvjerili smo se da su defleksirani β-zraci negativno nabijeni. Daljnji eksperimenti su pokazali da ne postoji fundamentalna razlika između katodnih i β-zraka, iz čega slijedi da oni predstavljaju struju elektrona.

Odbojne zrake imale su jaču sposobnost prodiranja u različite materijale, dok su one koje se ne odbijaju lako apsorbirale čak i tanka aluminijska folija - tako se ponašalo npr. zračenje novog elementa polonija - njegovo zračenje nije prodiralo ni kroz kartonske stijenke kutije u kojoj je lijek bio pohranjen.

Pri korištenju jačih magneta pokazalo se da α-zraci također odstupaju, samo mnogo slabije od β-zraka, i to u drugom smjeru. Iz ovoga je proizašlo da su pozitivno nabijene i da imaju mnogo veću masu (kako se kasnije saznalo, masa α-čestica je 7740 puta veća od mase elektrona). Ovaj fenomen su prvi otkrili 1899. godine A. Becquerel i F. Gisel. Kasnije se ispostavilo da su α-čestice jezgra atoma helijuma (nuklid 4 He) sa nabojem od +2 i masom od 4 cu. β-zrake, otkrio je u zračenju radijuma treću vrstu zraka koje ne odstupaju u najjačim magnetnim poljima, ovo otkriće je ubrzo potvrdio Becquerel. Ova vrsta zračenja, po analogiji sa alfa i beta zracima, nazvana je gama zracima, označavanje različitih zračenja prvim slovima grčkog alfabeta predložio je Rutherford. Pokazalo se da su gama zraci slični rendgenskim zracima, tj. predstavljaju elektromagnetno zračenje, ali sa kraćim talasnim dužinama i odgovarajućom višom energijom. Sve ove vrste zračenja opisala je M. Curie u svojoj monografiji "Radijum i radioaktivnost". Umjesto magnetnog polja, za "cijepanje" zračenja može se koristiti električno polje, samo će nabijene čestice u njemu odstupati ne okomito linije sile, a duž njih - prema otklonskim pločama.

Dugo vremena nije bilo jasno odakle dolaze svi ovi zraci. Nekoliko decenija, priroda radioaktivnog zračenja i njegova svojstva su razjašnjeni radovima mnogih fizičara, otkrivene su nove vrste radioaktivnosti.γ

Alfa zraci emituju uglavnom jezgra najtežih i stoga manje stabilnih atoma (u periodnom sistemu nalaze se iza olova). To su čestice visoke energije. Obično postoji nekoliko grupa α-čestica, od kojih svaka ima strogo definisanu energiju. Dakle, skoro sve α-čestice emitovane iz 226 Ra jezgara imaju energiju od 4,78 MeV (megaelektron-volt) i mali deo α-čestica sa energijom od 4,60 MeV. Drugi izotop radijuma, 221 Ra, emituje četiri grupe α-čestica sa energijama od 6,76, 6,67, 6,61 i 6,59 MeV. Ovo ukazuje na prisustvo nekoliko energetskih nivoa u jezgrima, njihova razlika odgovara energiji α-kvanta koje emituje jezgro. Poznati su i "čisti" alfa emiteri (na primjer, 222 Rn).

Prema formuli E = mu 2 /2 može se izračunati brzina α-čestica sa određenom energijom. Na primjer, 1 mol α-čestica sa E= 4,78 MeV ima energiju (u SI jedinicama) E\u003d 4,78 10 6 eV  96500 J / (eV mol) \u003d 4,61 10 11 J / mol i masa m= 0,004 kg/mol, odakle uα 15200 km/s, što je desetine hiljada puta veće od brzine pištoljskog metka. Alfa čestice imaju najjači jonizujući efekat: sudarajući se s bilo kojim drugim atomom u plinu, tekućini ili čvrstoj tvari, oni "otrgnu" elektrone s njih, stvarajući nabijene čestice. U ovom slučaju, α-čestice vrlo brzo gube energiju: zadržava ih čak i list papira. U vazduhu, α-zračenje radijuma prolazi samo 3,3 cm, α-zračenje torijuma - 2,6 cm, itd. Na kraju, alfa čestica, koja je izgubila kinetičku energiju, hvata dva elektrona i pretvara se u atom helija. Prvi potencijal ionizacije atoma helijuma (He - e → He +) je 24,6 eV, drugi (He + - e → He +2) je 54,4 eV, što je mnogo više od potencijala bilo kojeg drugog atoma. Kada elektrone zarobe α-čestice, oslobađa se ogromna energija (više od 7600 kJ/mol), stoga ni jedan atom, osim atoma samog helija, nije u stanju da zadrži svoje elektrone ako je α-čestica u komšiluku.

Veoma visoka kinetička energija α-čestica omogućava da se "vide" golim okom (ili običnim povećalom), što je prvi pokazao engleski fizičar i hemičar William Crookes (1832. - 1919.) 1903. godine. jedva zalijepljen vidljivo oku zrno soli radijuma i fiksirao iglu u široku staklenu cijev. Na jednom kraju ove cijevi, nedaleko od vrha igle, bila je postavljena ploča presvučena slojem fosfora (kao sloj je služio cink sulfid), a na drugom kraju je bila lupa. Ako pogledate fosfor u mraku, možete vidjeti: cijelo vidno polje je prošarano bljeskavim i odmah ugašenim iskrama. Svaka iskra je rezultat udara jedne α-čestice. Crookes je ovaj uređaj nazvao spinthariscope (od grčkog spintharis - iskra i skopeo - gledam, posmatram). Uz pomoć ovoga jednostavna metoda brojeći α-čestice, provedeno je niz studija, na primjer, na taj način je bilo moguće prilično precizno odrediti Avogadrova konstanta.

U jezgru se protoni i neutroni drže zajedno. nuklearne snage, Stoga nije bilo jasno kako bi alfa čestica, koja se sastoji od dva protona i dva neutrona, mogla napustiti jezgro. Odgovoreno 1928 američki fizičar(koji je emigrirao 1933. iz SSSR-a) George (Georgy Antonovich) Gamov). Prema zakonima kvantne mehanike, α-čestice, kao i sve čestice male mase, imaju talasnu prirodu i stoga imaju malu verovatnoću da budu izvan jezgra, na malom (oko 6 · 10–12 cm) udaljenosti od njega. Čim se to dogodi, na česticu počinje djelovati Kulonovo odbijanje od pozitivno nabijenog jezgra u neposrednoj blizini.

Na alfa raspad uglavnom utiču teška jezgra - poznato ih je više od 200, a α-čestice emituje većina izotopa elemenata nakon bizmuta. Poznati su lakši alfa emiteri, uglavnom atomi rijetkih zemalja. Ali zašto se iz jezgra emituju alfa čestice, a ne pojedinačni protoni? Kvalitativno, ovo se objašnjava povećanjem energije u α-raspadu (α-čestice - jezgra helijuma su stabilne). Kvantitativna teorija α-raspada stvorena je tek 1980-ih, au njenom razvoju su učestvovali i domaći fizičari, uključujući Lev Davidovič Landau, Arkadij Beinusovič Migdal (1911–1991), Stanislav Georgijevič Kadmensky, šef Katedre za nuklearnu fiziku u Univerzitet Voronjež i kolege.

Odlazak α-čestice iz jezgra dovodi do jezgra drugog hemijskog elementa, koji je u periodnom sistemu pomeren za dve ćelije ulevo. Primjer je transformacija sedam izotopa polonija (naboj jezgra 84) u različite izotope olova (naboj jezgra 82): 218 Po → 214 Pb, 214 Po → 210 Pb, 210 Po → 206 Pb, 211 Po → 207 Pb, 211 Po → 211Pb, 212Po → 208Pb, 216Po → 212Pb. Izotopi olova 206 Pb 207 Pb i 208 Pb su stabilni, ostali su radioaktivni.

Beta raspad je uočen i u teškim i u lakim jezgrima, kao što je tricijum. Ove svjetlosne čestice (brzi elektroni) imaju veću prodornu moć. Dakle, u vazduhu, β-čestice mogu leteti nekoliko desetina centimetara, u tečnosti i čvrste materije- od frakcija milimetra do oko 1 cm Za razliku od α-čestica, energetski spektar β-zraka nije diskretan. Energija elektrona koji izlaze iz jezgra može varirati gotovo od nule do neke maksimalne vrijednosti karakteristične za dati radionuklid. Obično je prosječna energija β čestica mnogo manja od energije α čestica; na primjer, energija β-zračenja 228 Ra je 0,04 MeV. Ali postoje izuzeci; tako da β-zračenje kratkoživog nuklida 11 Be nosi energiju od 11,5 MeV. Dugo vremena nije bilo jasno kako čestice različitih brzina lete iz identičnih atoma istog elementa. Kada je postala poznata struktura atoma i atomsko jezgro, pojavila se nova misterija: odakle potiču β-čestice koje se emituju iz jezgra - uostalom, u jezgru nema elektrona. Nakon što je engleski fizičar James Chadwick otkrio neutron 1932. godine, ruski fizičari Dmitrij Dmitrijevič Ivanenko (1904–1994) i Igor Evgenijevič Tamm i, nezavisno, njemački fizičar Werner Heisenberg sugerirali su da se atomska jezgra sastoje od protona i neutrona. U ovom slučaju, β-čestice treba da nastanu kao rezultat intranuklearnog procesa transformacije neutrona u proton i elektron: n → p + e. Masa neutrona neznatno premašuje ukupnu masu protona i elektrona, višak mase, u skladu sa Einsteinovom formulom E = mc 2 daje kinetičku energiju elektrona koji bježi iz jezgra; stoga se β-raspad primjećuje uglavnom u jezgrima s viškom neutrona. Na primjer, nuklid 226 Ra je α-emiter, a svi teži izotopi radijuma (227 Ra, 228 Ra, 229 Ra i 230 Ra) su β-emiteri.

Ostalo je da se otkrije zašto β-čestice, za razliku od α-čestica, imaju kontinuirani spektar energije, što je značilo da su neki od njih imali vrlo malo energije, dok su drugi imali jako puno energije (i pritom su se kretali brzinom bliskom brzini svjetlosti). Štaviše, ispostavilo se da je ukupna energija svih ovih elektrona (izmjerena je kalorimetrom) manja od energetske razlike između originalnog jezgra i njegovog produkta raspada. Ponovo su se fizičari suočili s "kršenjem" zakona održanja energije: dio energije prvobitnog jezgra nestao je u nepoznatom pravcu. Nepokolebljivi fizički zakon „spasio“ je 1931. švajcarski fizičar Wolfgang Pauli, koji je sugerisao da tokom β-raspada dve čestice izlete iz jezgra: elektron i hipotetička neutralna čestica – neutrino sa skoro nultom masom, koja nosi višak energije. Kontinuirani spektar β-zračenja objašnjava se raspodjelom energije između elektrona i ove čestice. Neutrino (kako se kasnije ispostavilo, takozvani elektronski antineutrino nastaje tokom β-raspada) vrlo slabo reaguje sa materijom (na primer, lako probija globus, pa čak i ogromnu zvezdu u prečniku) i stoga nije detektovan za dugo vremena - eksperimentalno slobodni neutrini su registrovani tek 1956. godine. Dakle, rafinirana šema beta raspada je sljedeća: n → p + . Kvantitativnu teoriju β-raspada zasnovanu na Paulijevim idejama o neutrinu razvio je 1933. italijanski fizičar Enriko Fermi, koji je takođe predložio naziv neutrino (na italijanskom "neutron").

Transformacija neutrona u proton tokom β-raspada praktički ne mijenja masu nuklida, ali povećava nuklearni naboj za jedan. Posljedično, formira se novi element, pomjeren u periodnom sistemu za jednu ćeliju udesno, na primjer: →, →, →, itd. (istovremeno, elektron i antineutrino izlete iz jezgra).

2. Druge vrste radioaktivnosti

Osim alfa i beta raspada, poznate su i druge vrste spontanih radioaktivnih transformacija. Godine 1938. američki fizičar Luis Walter Alvarez otkrio je treću vrstu radioaktivne transformacije, hvatanje elektrona (K-capture). U ovom slučaju, jezgro hvata elektron iz najbliže energetske ljuske (K-ljuske). Kada elektron stupi u interakciju s protonom, nastaje neutron, a neutrino izleti iz jezgre, noseći višak energije. Transformacija protona u neutron ne mijenja masu nuklida, ali smanjuje nuklearni naboj za jedan. Posljedično, formira se novi element, koji je jedna ćelija lijevo u periodnom sistemu, na primjer, iz njega se dobija stabilan nuklid (upravo na ovom primjeru Alvarez je otkrio ovu vrstu radioaktivnosti).

Sa K-hvatanjem u elektronskom omotaču atoma, elektron iz višeg nivo energije, višak energije se ili oslobađa u obliku rendgenskih zraka, ili se troši na bijeg jednog ili više slabo vezanih elektrona iz atoma - takozvanih Augerovih elektrona, nazvanih po francuskom fizičaru Pierreu Augeru (1899–1993. ), koji je otkrio ovaj efekat 1923. (da bi nokautirao unutrašnje elektrone, koristio je jonizujuće zračenje).

Godine 1940. Georgij Nikolajevič Flerov (1913–1990) i Konstantin Antonovič Petržak (1907–1998) su na primjeru uranijuma otkrili spontanu fisiju, u kojoj se nestabilno jezgro raspada na dva lakša jezgra čije se mase ne razlikuju mnogo, na primjer: → + + 2n. Ova vrsta raspada se uočava samo u uranijumu i težim elementima - više od 50 nuklida ukupno. U slučaju uranijuma, spontana fisija se odvija vrlo sporo: prosječni životni vijek atoma 238U je 6,5 milijardi godina. Godine 1938. njemački fizičar i hemičar Otto Hahn, austrijski radiohemičar i fizičar Lise Meitner (po njoj je nazvan element Mt - meitnerium) i njemački fizikohemičar Fritz Strassmann (1902–1980) otkrili su da kada su bombardirani neutronima, uranijum areni podijeljeno na fragmente, štaviše, leteći neutroni mogu izazvati fisiju susjednih jezgri uranijuma, što dovodi do lančana reakcija). Ovaj proces je praćen oslobađanjem ogromne (u poređenju sa hemijskim reakcijama) energije, što je dovelo do stvaranja nuklearno oružje i izgradnju nuklearnih elektrana.

Godine 1934. kćer Marie Curie Irene Joliot-Curie i njen suprug Frédéric Joliot-Curie otkrili su raspad pozitrona. U tom procesu, jedan od protona jezgra pretvara se u neutron i antielektron (pozitron) - česticu iste mase, ali pozitivno nabijenu; u isto vreme neutrino izleti iz jezgra: p → n + e + + 238. Masa jezgra se ne menja, ali dolazi do pomeranja, za razliku od β - raspada, ulevo, karakterističan je β + raspad jezgara sa viškom protona (tzv. jezgra s nedostatkom neutrona). Dakle, teški izotopi kiseonika 19 O, 20 O i 21 O β - su aktivni, a njegovi laki izotopi 14 O i 15 O β + su aktivni, na primer: 14 O → 14 N + e + + 238. Kao antičestice, pozitroni odmah bivaju uništeni (anihilirani) kada sretnu elektrone uz formiranje dva γ-kvanta. Raspad pozitrona se često takmiči sa K-hvatanjem.

Godine 1982. otkrivena je protonska radioaktivnost: emisija protona iz jezgra (ovo je moguće samo za neke umjetno dobivene jezgre koje imaju višak energije). Godine 1960. fizički hemičar Vitalij Iosifović Gol'danski (1923–2001) teoretski je predvidio dvoprotonsku radioaktivnost: izbacivanje dva protona sa uparenim spinovima od strane jezgra. Prvi put je uočena 1970. Radioaktivnost od dva neutrona je također vrlo rijetko uočena (otkrivena 1979.).

1984. godine otkrivena je radioaktivnost klastera (od engleskog cluster - hrpa, roj). U ovom slučaju, za razliku od spontane fisije, jezgro se raspada na fragmente vrlo različite mase, na primjer, iz teškog jezgra izlete jezgra s masama od 14 do 34. Raspad klastera se također vrlo rijetko opaža, što je otežavalo detektovati dugo vremena.

Neka jezgra se mogu raspasti u različitim smjerovima. Na primjer, 221 Rn se raspada za 80% emisijom α-čestica i 20% sa β-česticama, mnogi izotopi rijetkih zemnih elemenata (137 Pr, 141 Nd, 141 Pm, 142 Sm, itd.) raspadaju se ili pod utjecajem elektrona hvatanjem ili emisijom pozitrona. Različite vrste radioaktivne emisije su često (ali ne uvijek) praćene γ-zračenjem. To se događa zato što rezultirajuće jezgro može imati višak energije iz koje se oslobađa emitiranjem gama zraka. Energija γ-zračenja je u širokom opsegu, pa je pri raspadu 226 Ra jednaka 0,186 MeV, a pri raspadu 11 Be dostiže 8 MeV.

Gotovo 90% od poznatih 2500 atomskih jezgara je nestabilno. Nestabilno jezgro se spontano transformiše u druga jezgra emisijom čestica. Ovo svojstvo jezgara naziva se radioaktivnost. Za velike jezgre nestabilnost nastaje zbog nadmetanja između privlačenja nukleona nuklearnim silama i kulonovskog odbijanja protona. Ne postoje stabilna jezgra s brojem naboja Z > 83 i masenim brojem A > 209. Ali atomska jezgra sa znatno manjim Z i A brojevima također se mogu pokazati radioaktivnima. Ako jezgro sadrži znatno više protona nego neutrona, tada je nestabilnost uzrokovano viškom energije Kulonove interakcije. Jezgra, koja bi sadržavala veliki višak neutrona u odnosu na broj protona, nestabilna su zbog činjenice da je masa neutrona veća od mase protona. Povećanje mase jezgra dovodi do povećanja njegove energije.

Fenomen radioaktivnosti je 1896. godine otkrio francuski fizičar A. Becquerel, koji je otkrio da soli uranijuma emituju nepoznato zračenje koje može prodrijeti kroz barijere koje su neprozirne za svjetlost i uzrokovati pocrnjenje fotografske emulzije. Dvije godine kasnije, francuski fizičari M. i P. Curie otkrili su radioaktivnost torija i otkrili dva nova radioaktivna elementa - polonijum i radijum

U narednim godinama, mnogi fizičari, uključujući E. Rutherforda i njegove učenike, bavili su se proučavanjem prirode radioaktivnog zračenja. Utvrđeno je da radioaktivna jezgra mogu emitovati čestice tri vrste: pozitivno i negativno nabijene i neutralne. Ove tri vrste zračenja su nazvane α-, β- i γ-zračenje. Ove tri vrste radioaktivnog zračenja uvelike se razlikuju jedna od druge po svojoj sposobnosti da joniziraju atome materije i, posljedično, po svojoj prodornoj moći. α-zračenje ima najmanju prodornu moć. U vazduhu, u normalnim uslovima, α-zraci putuju na udaljenosti od nekoliko centimetara. β-zrake mnogo manje apsorbuje materija. Oni su u stanju da prođu kroz sloj aluminijuma debljine nekoliko milimetara. γ-zraci imaju najveću prodornu moć, jer su u stanju da prođu kroz sloj olova debljine 5-10 cm.

U drugoj deceniji 20. veka, nakon što je E. Rutherford otkrio nuklearnu strukturu atoma, čvrsto je utvrđeno da je radioaktivnost svojstvo atomskih jezgara. Istraživanja su pokazala da α-zraci predstavljaju tok α-čestica - jezgra helijuma, β-zraci su struju elektrona, γ-zraci su kratkotalasno elektromagnetno zračenje izuzetno kratke talasne dužine λ< 10 –10 м и вследствие этого – ярко выраженными korpuskularnih svojstava, tj. je tok čestica - γ-kvanta.

3. Alfa raspad

Alfa raspad je spontana transformacija atomskog jezgra sa brojem protona Z i neutrona N u drugo (ćerki) jezgro koje sadrži broj protona Z - 2 i neutrona N - 2. U ovom slučaju se emituje α-čestica - jezgro atoma helijuma. Primjer takvog procesa je α-raspad radijuma: Alfa čestice koje emituju jezgra atoma radijuma koristio je Rutherford u eksperimentima raspršenja jezgrima teških elemenata. Brzina α-čestica emitovanih tokom α-raspada jezgara radijuma, merena duž krivine putanje u magnetnom polju, približno je jednaka 1,5 10 7 m/s, a odgovarajuća kinetička energija je oko 7,5 10 -13 J (približno 4,8 MeV). Ova vrijednost se može lako odrediti iz poznatih vrijednosti masa matičnog i kćerinog jezgra i jezgra helija. Iako je brzina izbačene α-čestice ogromna, ona je i dalje samo 5% brzine svjetlosti, tako da se u proračunu može koristiti nerelativistički izraz za kinetičku energiju. Istraživanja su pokazala da radioaktivna tvar može emitovati α-čestice s nekoliko diskretnih energetskih vrijednosti. To se objašnjava činjenicom da jezgra mogu biti, poput atoma, u različitim pobuđenim stanjima. Ćerka jezgra može biti u jednom od ovih pobuđenih stanja tokom α-raspada.

Tokom naknadnog prelaska ovog jezgra u osnovno stanje, emituje se γ-kvant. Shema α-raspada radijuma sa emisijom α-čestica sa dvije vrijednosti kinetičke energije prikazano na sl.2. Stoga je α-raspad jezgara u mnogim slučajevima praćen γ-zračenjem.

U teoriji α-raspada pretpostavlja se da se unutar jezgri mogu formirati grupe koje se sastoje od dva protona i dva neutrona, tj. α-čestica. Matična jezgra je potencijalni bunar za α-čestice, koji je ograničen potencijalnom barijerom. Energija α-čestice u jezgru je nedovoljna za prevazilaženje ove barijere (slika 3). Izlazak α-čestice iz jezgra je moguć samo zahvaljujući kvantno-mehaničkom fenomenu koji se naziva tunelski efekat. Prema kvantna mehanika, postoji nenulta vjerovatnoća da će čestica proći ispod potencijalne barijere. Fenomen tuneliranja ima probabilistički karakter.

4. Beta raspad

U beta raspadu, elektron se emituje iz jezgra. Elektroni ne mogu postojati unutar jezgara, oni nastaju tokom β-raspada kao rezultat transformacije neutrona u proton. Ovaj proces se može dogoditi ne samo unutar jezgra, već i sa slobodnim neutronima. Prosječni životni vijek slobodnog neutrona je oko 15 minuta. Kada se neutron raspadne na proton i elektron

Mjerenja su pokazala da u ovom procesu dolazi do očiglednog kršenja zakona održanja energije, jer je ukupna energija protona i elektrona koja nastaje raspadom neutrona manja od energije neutrona. Godine 1931. W. Pauli je sugerirao da se tokom raspada neutrona oslobađa još jedna čestica nulte mase i naboja, koja sa sobom oduzima dio energije. Nova čestica je nazvana neutrino (mali neutron). Zbog odsustva naboja i mase u neutrina, ova čestica vrlo slabo stupa u interakciju s atomima materije, pa ju je izuzetno teško otkriti u eksperimentu. Jonizujuća sposobnost neutrina je toliko mala da jedan čin jonizacije u zraku pada na otprilike 500 km puta. Ova čestica je otkrivena tek 1953. godine. Trenutno je poznato da postoji nekoliko varijanti neutrina. U procesu raspada neutrona nastaje čestica koja se naziva elektronski antineutrino. Označen je simbolom. Stoga se reakcija raspada neutrona zapisuje kao

Sličan proces se dešava unutar jezgara tokom β-raspada. Elektron nastao kao rezultat raspada jednog od nuklearnih neutrona odmah se izbacuje iz "roditeljske kuće" (nukleusa) ogromnom brzinom, koja se može razlikovati od brzine svjetlosti samo za djelić procenta. Budući da je raspodjela energije oslobođene tokom β-raspada između elektrona, neutrina i kćerke jezgre nasumična, β-elektroni mogu imati različite brzine u širokom rasponu.

U β-raspadu broj naplate Z se povećava za jedan, dok maseni broj A ostaje nepromijenjen. Ispostavilo se da je kćerka jezgra jezgro jednog od izotopa elementa, čiji je serijski broj u periodičnoj tablici za jedan veći od serijskog broja originalnog jezgra. Tipičan primjer β-raspada je transformacija izotona torija koji nastaje α-raspadom uranijuma u paladij

5. Gama raspad

Za razliku od α- i β-radioaktivnosti, γ-radioaktivnost jezgara nije povezana s promjenom unutrašnje strukture jezgra i nije praćena promjenom naboja ili masenih brojeva. I u α- i β-raspadu, jezgro kćer može biti u nekom pobuđenom stanju i imati višak energije. Prijelaz jezgra iz pobuđenog u osnovno stanje praćen je emisijom jednog ili više γ-kvanta, čija energija može doseći nekoliko MeV.

6. Zakon radioaktivnog raspada

Svaki uzorak radioaktivnog materijala sadrži ogroman broj radioaktivnih atoma. Pošto je radioaktivni raspad nasumičan i ne zavisi od spoljašnjih uslova, zakon smanjenja broja N(t) neraspadnutih k sadašnji trenutak vreme t jezgra može poslužiti kao važno statistička karakteristika proces radioaktivnog raspada.

Neka se broj neraspadnutih jezgara N(t) promijeni za ΔN u kratkom vremenskom periodu Δt< 0. Так как вероятность распада каждого ядра неизменна во времени, что число распадов будет пропорционально количеству ядер N(t) и промежутку времени Δt:

Koeficijent proporcionalnosti λ je vjerovatnoća raspada jezgra u vremenu Δt = 1 s. Ova formula znači da je brzina promjene funkcije N(t) direktno proporcionalna samoj funkciji.

gdje je N 0 početni broj radioaktivnih jezgara pri t = 0. Za vrijeme τ = 1 / λ, broj neraspadnutih jezgara će se smanjiti za e ≈ 2,7 puta. Vrijednost τ se naziva prosječnim životnim vijekom radioaktivnog jezgra.

Za praktičnu upotrebu, zgodno je napisati zakon radioaktivnog raspada u drugom obliku, koristeći broj 2 kao bazu, a ne e:

Vrijednost T se naziva poluživotom. Tokom vremena T, polovina početnog broja radioaktivnih jezgara se raspadne. Vrijednosti T i τ su povezane relacijom

Poluživot je glavna veličina koja karakterizira brzinu radioaktivnog raspada. Što je kraći poluživot, to je raspad intenzivniji. Dakle, za uranijum T ≈ 4,5 milijardi godina, a za radijum T ≈ 1600 godina. Stoga je aktivnost radijuma mnogo veća od aktivnosti uranijuma. Postoje radioaktivni elementi s vremenom poluraspada od djelića sekunde.

Tokom α- i β-radioaktivnog raspada, kćerka jezgra takođe može biti nestabilna. Stoga je moguć niz uzastopnih radioaktivnih raspada koji završavaju stvaranjem stabilnih jezgara. U prirodi postoji nekoliko takvih serija. Najduža je serija koja se sastoji od 14 uzastopnih raspada (8 - alfa raspada i 6 beta raspada). Ovaj niz završava stabilnim izotopom olova (slika 5).

U prirodi postoji još nekoliko radioaktivnih serija, sličnih seriji. Postoji i serija koja počinje neptunijumom koji se ne nalazi u prirodnim uslovima, a završava se bizmutom. Ova serija radioaktivnih raspada događa se u nuklearnim reaktorima.

pravilo pomaka. Pravilo pomaka tačno određuje kakve transformacije hemijski element prolazi kada emituje radioaktivno zračenje.

7. Radioaktivni redovi

Pravilo pomaka omogućilo je praćenje transformacija prirodnih radioaktivnih elemenata i izgradnju tri genealoška stabla od njih, čiji su preci uran-238, uran-235 i torijum-232. Svaka porodica počinje sa izuzetno dugovječnim radioaktivnim elementom. Porodicu uranijuma, na primer, predvodi uranijum sa masenim brojem 238 i vremenom poluraspada od 4,5·10 9 godina (u tabeli 1, u skladu sa originalnim nazivom, označen je kao uranijum I).

porodica uranijuma. Većina svojstava radioaktivnih transformacija o kojima se govorilo može se pratiti do elemenata porodice uranijuma. Tako, na primjer, treći član porodice ima nuklearnu izomeriju. Uranijum X 2, emitujući beta čestice, pretvara se u uranijum II (T = 1,14 min). Ovo odgovara beta raspadu pobuđenog stanja protaktinija-234. Međutim, u 0,12% slučajeva pobuđeni protaktinijum-234 (uranijum X 2) emituje gama kvant i prelazi u osnovno stanje (uranijum Z). Beta raspad uranijuma Z, koji takođe dovodi do stvaranja uranijuma II, dešava se za 6,7 ​​sati.

Radij C je zanimljiv jer se može raspasti na dva načina: emitiranjem alfa ili beta čestice. Ovi procesi se međusobno nadmeću, ali u 99,96% slučajeva dolazi do beta raspada sa stvaranjem radijuma C. U 0,04% slučajeva, radijum C emituje alfa česticu i pretvara se u radijum C (RaC). Zauzvrat, RaC i RaC se pretvaraju u radijum D emisijom alfa i beta čestica, respektivno.

Izotopi. Među članovima porodice uranijuma postoje i oni čiji atomi imaju isti atomski broj ( isto punjenje jezgra) i različiti maseni brojevi. Oni su identični po hemijskim svojstvima, ali se razlikuju po prirodi radioaktivnosti. Na primjer, radij B, radij D i radij G, koji imaju isti atomski broj od 82 kao olovo, slični su po kemijskom ponašanju olovu. Očigledno, hemijska svojstva ne zavise od masenog broja; oni su određeni strukturom elektronskih omotača atoma (dakle, i Z). S druge strane, maseni broj je kritičan za nuklearnu stabilnost radioaktivnih svojstava atoma. Atomi s istim atomskim brojem i različitim masenim brojevima nazivaju se izotopi. Izotope radioaktivnih elemenata otkrio je F. Soddy 1913. godine, ali ubrzo je F. Aston uz pomoć masene spektroskopije dokazao da mnogi stabilni elementi također imaju izotope.

8. Utjecaj radioaktivnog zračenja na ljude

Radioaktivno zračenje svih vrsta (alfa, beta, gama, neutroni), kao i elektromagnetno zračenje (rendgensko zračenje) imaju veoma jak biološki efekat na žive organizme, koji se sastoji u procesima ekscitacije i jonizacije atoma i molekula koji čine žive ćelije. Pod dejstvom jonizujućeg zračenja uništavaju se složeni molekuli i ćelijske strukture, što dovodi do oštećenja organizma od zračenja. Stoga je pri radu sa bilo kojim izvorom zračenja potrebno poduzeti sve mjere za zaštitu od zračenja ljudi koji mogu pasti u zonu zračenja.

Međutim, osoba može biti izložena jonizujućem zračenju u kućnim uslovima. Inertni, bezbojni, radioaktivni gas radon može predstavljati ozbiljnu opasnost po ljudsko zdravlje.Kao što se vidi iz dijagrama prikazanog na slici 5, radon je proizvod α-raspada radijuma i ima vreme poluraspada T = 3,82 dana. Radijum se nalazi u malim količinama u zemljištu, kamenju i raznim građevinskim strukturama. Unatoč relativno kratkom vijeku trajanja, koncentracija radona se kontinuirano obnavlja zbog novih raspada jezgri radijuma, pa se radon može akumulirati u zatvorenim prostorima. Dolazeći u pluća, radon emituje α-čestice i pretvara se u polonijum, koji nije hemijski inertna supstanca. Nakon toga slijedi lanac radioaktivnih transformacija serije uranijuma (slika 5). Prema američkoj komisiji za sigurnost i kontrolu zračenja, prosječna osoba prima 55% jonizujućeg zračenja od radona i samo 11% od medicinske njege. Doprinos kosmičkih zraka je približno 8%. Ukupna doza zračenja koju osoba primi u životu višestruko je manja od maksimalno dozvoljene doze (MAD), koja se postavlja za osobe određenih profesija koje su izložene dodatnom izlaganju jonizujućem zračenju.

9. Upotreba radioaktivnih izotopa

Jedna od najistaknutijih studija provedenih uz pomoć "označenih atoma" bila je proučavanje metabolizma u organizmima. Dokazano je da se u relativno kratkom vremenu tijelo gotovo potpuno obnavlja. Njegovi sastavni atomi su zamijenjeni novim. Samo je željezo, kao što su pokazali eksperimenti na izotopskom proučavanju krvi, izuzetak od ovog pravila. Gvožđe je deo hemoglobina u crvenim krvnim zrncima. Kada su radioaktivni atomi željeza uvedeni u hranu, otkriveno je da je slobodni kisik koji se oslobađa tokom fotosinteze izvorno bio dio vode, a ne ugljičnog dioksida. Radioaktivni izotopi se koriste u medicini kako u dijagnostičke tako iu terapeutske svrhe. Radioaktivni natrijum, unesen u malim količinama u krv, koristi se za proučavanje cirkulacije krvi, jod se intenzivno deponuje u štitnoj žlezdi, posebno kod Gravesove bolesti. Praćenjem taloženja radioaktivnog joda pomoću brojača, dijagnoza se može brzo postaviti. Velike doze radioaktivnog joda uzrokuju djelomično uništavanje abnormalno razvijajućih tkiva, pa se radioaktivni jod koristi za liječenje Gravesove bolesti. Intenzivno kobalt gama zračenje se koristi u liječenju raka (kobalt pištolj).

Ništa manje opsežna nije primjena radioaktivnih izotopa u industriji. Jedan primjer toga je sljedeća metoda za praćenje istrošenosti klipnih prstenova u motorima s unutrašnjim sagorijevanjem. Zračenjem klipnog prstena neutronima izazivaju nuklearne reakcije u njemu i čine ga radioaktivnim. Kada motor radi, čestice materijala prstena ulaze u ulje za podmazivanje. Ispitivanjem nivoa radioaktivnosti ulja nakon određenog vremena rada motora utvrđuje se istrošenost prstena. Radioaktivni izotopi omogućavaju suđenje o difuziji metala, procesima u visokim pećima, itd.

Snažno gama zračenje radioaktivnih preparata koristi se za proučavanje unutrašnje strukture metalnih odlivaka kako bi se otkrili defekti na njima.

Radioaktivni izotopi se sve više koriste u poljoprivreda. Ozračenje sjemena biljaka (pamuk, kupus, rotkvica i dr.) malim dozama gama zraka iz radioaktivnih preparata dovodi do primjetnog povećanja prinosa. Velike doze "zračenja izazivaju mutacije u biljkama i mikroorganizmima, što u nekim slučajevima dovodi do pojave mutanata sa novim vrijednim svojstvima (radioselekcija). Tako su uzgojene vrijedne sorte pšenice, pasulja i drugih kultura, te korišteni visokoproduktivni mikroorganizmi u proizvodnji antibiotika su dobijeni Gama zračenje radioaktivnih izotopa se koristi i za suzbijanje štetnih insekata i za očuvanje prehrambenih proizvoda. "Označeni atomi" se široko koriste u poljoprivrednoj tehnologiji. Na primjer, da bi se saznalo koje od fosfatnih gnojiva biljka bolje apsorbira, razna gnojiva su označena radioaktivnim fosforom 15 32P. Ispitivanjem biljaka na radioaktivnost može se odrediti količina fosfora koju apsorbuju iz različitih vrsta đubriva.

Zanimljiva primjena radioaktivnosti je metoda datiranja arheoloških i geoloških nalaza koncentracijom radioaktivnih izotopa. Metoda koja se najčešće koristi je radiokarbonsko datiranje. U atmosferi se javlja nestabilan izotop ugljika zbog nuklearne reakcije uzrokovane kosmičkim zracima. Mali procenat ovog izotopa nalazi se u vazduhu zajedno sa uobičajenim stabilnim izotopom. Biljke i drugi organizmi troše ugljenik iz vazduha, a akumuliraju oba izotopa u istoj meri kao i u vazduhu. Nakon što biljke umru, one prestaju da troše ugljik, a kao rezultat β-raspada, nestabilni izotop se postepeno pretvara u dušik s vremenom poluraspada od 5730 godina. Preciznim mjerenjem relativne koncentracije radioaktivnog ugljika u ostacima drevnih organizama, moguće je odrediti vrijeme njihove smrti.

Spisak korišćene literature

1. Doktrina radioaktivnosti. Istorija i modernost. M. Nauka, 1973. 2. Nuklearna radijacija u nauci i tehnologiji. M. Nauka, 1984 Furman VI 3. Alfa raspad i srodne nuklearne reakcije. M. Nauka, 1985

4. Landsberg G.S. Osnovni udžbenik fizike. Volume III. - M.: Nauka, 19865. Seleznev Yu. A. Osnove elementarne fizike. –M.: Nauka, 1964.6. CD ROM Velika enciklopedijaĆirilo i Metodije, 1997.

7. M. Curie, Radioaktivnost, trans. sa francuskog, 2. izd., M. - L., 1960

8. A.N. Murin, Uvod u radioaktivnost, L., 1955

9. A. S. Davidov, Teorija atomskog jezgra, Moskva, 1958.

10. Gaisinsky M.N., Nuklearna hemija i njena primena, prev. sa francuskog, Moskva, 1961

11. Eksperimentalna nuklearna fizika, ur. E. Segre, trans. sa engleskog, tom 3, M., 1961; INTERNET mrežni alati

ISOTOPS- sorte istog hemijskog elementa, slične po svojim fizičkim i hemijskim svojstvima, ali imaju različite atomske mase. Naziv "izotopi" predložio je 1912. godine engleski radiohemičar Frederick Soddy, koji ga je formirao od dvije grčke riječi: isos - isto i topos - mjesto. Izotopi zauzimaju isto mjesto u ćeliji Mendeljejevljevog periodičnog sistema elemenata.

Atom bilo kojeg kemijskog elementa sastoji se od pozitivno nabijenog jezgra i oblaka negativno nabijenih elektrona koji ga okružuju. Položaj hemijskog elementa u periodičnom sistemu Mendeljejeva (njegov serijski broj) je određen nabojem jezgra njegovih atoma. izotopi nazivaju se stoga varijante istog hemijskog elementa čiji atomi imaju isti nuklearni naboj (i stoga gotovo isti elektronske školjke), ali se razlikuju u vrijednostima mase jezgra. Prema figurativnom izrazu F. Soddyja, atomi izotopa su isti "spolja", ali različiti "iznutra".

Neutron je otkriven 1932 - čestica koja nema naboj, sa masom bliskom masi jezgra atoma vodika - protona , i stvorio proton-neutronski model jezgra. Kao rezultat u nauci je uspostavljena konačna moderna definicija pojma izotopa: izotopi su tvari čija se atomska jezgra sastoje od istog broja protona i razlikuju se samo po broju neutrona u jezgru . Svaki izotop se obično označava skupom simbola, gdje je X simbol kemijskog elementa, Z je naboj atomskog jezgra (broj protona), A je maseni broj izotopa ( ukupan broj nukleoni - protoni i neutroni u jezgru, A = Z + N). Budući da je naboj jezgra nedvosmisleno povezan sa simbolom hemijskog elementa, često se oznaka A X jednostavno koristi za skraćenicu.

Od svih nama poznatih izotopa, samo izotopi vodonika imaju svoja imena. Dakle, 2 H i 3 H izotopi se nazivaju deuterijum i tricijum i označeni su kao D i T, respektivno (1 H izotop se ponekad naziva protijum).

U prirodi se javljaju kao stabilni izotopi. , i nestabilne - radioaktivne, čija jezgra atoma su podložna spontanoj transformaciji u druga jezgra uz emisiju različitih čestica (ili procesa tzv. radioaktivnog raspada). Sada je poznato oko 270 stabilnih izotopa, a stabilni izotopi se nalaze samo u elementima s atomskim brojem Z J 83. Broj nestabilnih izotopa prelazi 2000, velika većina njih je dobivena umjetno kao rezultat raznih nuklearnih reakcija. Broj radioaktivnih izotopa u mnogim elementima je vrlo velik i može premašiti dva tuceta. Broj stabilnih izotopa je znatno manji, neki hemijski elementi se sastoje od samo jednog stabilnog izotopa (berilij, fluor, natrijum, aluminijum, fosfor, mangan, zlato i niz drugih elemenata). Najveći broj stabilni izotopi - 10 koji se nalaze u kalaju, u željezu, na primjer, oni su 4, u živi - 7.

Otkriće izotopa, istorijska pozadina.

Godine 1808. engleski prirodnjak John Dalton prvi je uveo definiciju kemijskog elementa kao supstance koja se sastoji od atoma jedne vrste. Godine 1869. hemičar DIMendeljejev je otkrio periodični zakon hemijskih elemenata. Jedna od poteškoća u potkrepljivanju koncepta elementa kao supstance koja zauzima određeno mjesto u ćeliji periodnog sistema bile su eksperimentalno uočene necjelobrojne atomske težine elemenata. Godine 1866. engleski fizičar i hemičar - Sir William Crookes iznio je hipotezu da je svaki prirodni kemijski element mješavina supstanci koje su identične po svojim svojstvima, ali imaju različite atomske mase, ali u to vrijeme ova pretpostavka još nije bila eksperimentalna. potvrda i samim tim malo prošlo.viđeno.

Važan korak ka otkriću izotopa bilo je otkriće fenomena radioaktivnosti i hipoteza radioaktivnog raspada koju su formulirali Ernst Rutherford i Frederick Soddy: radioaktivnost nije ništa drugo do raspad atoma na nabijenu česticu i atom drugog elementa. , koji se po svojim hemijskim svojstvima razlikuje od originalnog. Kao rezultat toga, nastao je koncept radioaktivnih serija ili radioaktivnih porodica. , na čijem početku se nalazi prvi roditeljski element, koji je radioaktivan, a na kraju - posljednji stabilni element. Analiza lanaca transformacija pokazala je da se u svom toku u jednoj ćeliji periodnog sistema mogu pojaviti jedan te isti radioaktivni elementi, koji se razlikuju samo po atomskim masama. U stvari, to je značilo uvođenje koncepta izotopa.

Nezavisna potvrda postojanja stabilnih izotopa hemijskih elemenata tada je dobijena u eksperimentima J. J. Thomsona i Astona 1912-1920 sa snopovima pozitivno nabijenih čestica (ili tzv. kanalnih zraka). ) izlazi iz cijevi za pražnjenje.

Godine 1919. Aston je dizajnirao instrument nazvan maseni spektrograf. (ili maseni spektrometar) . Cijev za pražnjenje se još uvijek koristila kao izvor jona, ali je Aston pronašao način na koji je uzastopno skretanje snopa čestica u električnom i magnetna polja dovelo do fokusiranja čestica sa istim omjerom naboja i mase (bez obzira na njihovu brzinu) na istoj tački na ekranu. Uz Aston, maseni spektrometar malo drugačijeg dizajna je iste godine kreirao američki Dempster. Kao rezultat naknadne upotrebe i poboljšanja masenih spektrometara naporima mnogih istraživača, do 1935. godine sastavljena je gotovo potpuna tabela izotopskog sastava svih kemijskih elemenata poznatih u to vrijeme.

Metode odvajanja izotopa.

Za proučavanje svojstava izotopa, a posebno za njihovu upotrebu u naučne i primijenjene svrhe, potrebno ih je nabaviti u manje-više primjetnim količinama. U konvencionalnim masenim spektrometrima postiže se gotovo potpuno razdvajanje izotopa, ali je njihov broj zanemarljiv. Stoga su napori naučnika i inženjera bili usmjereni na potragu za drugim mogućim metodama odvajanja izotopa. Pre svega, savladane su fizičke i hemijske metode razdvajanja, zasnovane na razlikama u osobinama izotopa istog elementa kao što su brzine isparavanja, konstante ravnoteže, brzine hemijske reakcije itd. Najefikasnije među njima bile su metode rektifikacije i izotopske izmjene, koje se široko koriste u industrijskoj proizvodnji izotopa lakih elemenata: vodonika, litijuma, bora, ugljika, kisika i dušika.

Drugu grupu metoda čine takozvane molekularno-kinetičke metode: plinovita difuzija, termička difuzija, difuzija mase (difuzija u struji pare) i centrifugiranje. Metode difuziju gasa, zasnovane na različitim brzinama difuzije izotopskih komponenti u visoko dispergovanim poroznim medijima, korišćeni su tokom Drugog svetskog rata za organizaciju industrijska proizvodnja odvajanje izotopa uranijuma u Sjedinjenim Državama u okviru takozvanog Manhattan projekta za stvaranje atomska bomba. Da bi se dobile potrebne količine uranijuma, obogaćenog do 90% lakim izotopom 235 U - glavnom "zapaljivom" komponentom atomske bombe, izgrađena su postrojenja koja su zauzimala površinu od oko četiri hiljade hektara. Više od 2 milijarde dolara izdvojeno je za stvaranje atomskog centra sa postrojenjima za proizvodnju obogaćenog uranijuma.Poslije rata razvijena su i izgrađena postrojenja za proizvodnju obogaćenog uranijuma za vojne svrhe, takođe zasnovana na metodi difuzijske separacije u SSSR-u. AT poslednjih godina ova metoda je ustupila mjesto efikasnijoj i jeftinijoj metodi centrifugiranja. U ovoj metodi postiže se efekat razdvajanja izotopa zbog različitog djelovanja centrifugalnih sila na komponente mješavine izotopa koja ispunjava rotor centrifuge, koji je tankozidni cilindar ograničen odozgo i odozdo, koji se okreće na vrlo velika brzina u vakuumskoj komori. Stotine hiljada centrifuga povezanih u kaskade, od kojih rotor svake čini više od hiljadu okretaja u sekundi, trenutno se koriste u modernim postrojenjima za separaciju kako u Rusiji tako iu drugim razvijenim zemljama svijeta. Centrifuge se koriste za više od pukog dobivanja obogaćenog uranijuma potrebnog za rad nuklearnih reaktora nuklearnih elektrana, ali i za proizvodnju izotopa tridesetak hemijskih elemenata srednjeg dela periodnog sistema. Za odvajanje različitih izotopa koriste se i elektromagnetne separacijske instalacije sa snažnim izvorima jona, a posljednjih godina su postale i metode laserskog odvajanja.

Utjecaj radioaktivnog zračenja na ljude

Radioaktivno zračenje svih vrsta (alfa, beta, gama, neutroni), kao i elektromagnetno zračenje (rendgensko zračenje) imaju veoma jak biološki efekat na žive organizme, koji se sastoji u procesima ekscitacije i jonizacije atoma i molekula koji čine žive ćelije. Pod uticajem jonizujućeg zračenja uništavaju se složeni molekuli i ćelijske strukture, što dovodi do oštećenje organizma radijacijom. Stoga je pri radu sa bilo kojim izvorom zračenja potrebno poduzeti sve mjere za zaštitu od zračenja ljudi koji mogu pasti u zonu zračenja.

Međutim, osoba može biti izložena jonizujućem zračenju u kućnim uslovima. Inertni, bezbojni, radioaktivni gas radon može predstavljati ozbiljnu opasnost po ljudsko zdravlje.To je proizvod raspada radijuma i ima vreme poluraspada T = 3,82 dana. Radijum se nalazi u malim količinama u zemljištu, kamenju i raznim građevinskim strukturama. Unatoč relativno kratkom vijeku trajanja, koncentracija radona se kontinuirano obnavlja zbog novih raspada jezgri radijuma, pa se radon može akumulirati u zatvorenim prostorima. Dolazeći u pluća, radon emituje -čestice i pretvara se u polonijum, koji nije hemijski inertna supstanca. Nakon toga slijedi lanac radioaktivnih transformacija serije uranijuma. Prema američkoj komisiji za sigurnost i kontrolu zračenja, prosječna osoba prima 55% jonizujućeg zračenja od radona i samo 11% od medicinske njege. Doprinos kosmičkih zraka je približno 8%. Ukupna doza zračenja koju osoba primi u životu višestruko je manja maksimalna dozvoljena doza(SDA), koji se uspostavlja za osobe određenih profesija izloženih dodatnom izlaganju jonizujućem zračenju.

Upotreba radioaktivnih izotopa

Jedna od najistaknutijih studija provedenih uz pomoć "označenih atoma" bila je proučavanje metabolizma u organizmima. Dokazano je da se u relativno kratkom vremenu tijelo gotovo potpuno obnavlja. Njegovi sastavni atomi su zamijenjeni novim. Samo je željezo, kao što su pokazali eksperimenti na izotopskom proučavanju krvi, izuzetak od ovog pravila. Gvožđe je deo hemoglobina u crvenim krvnim zrncima. Kada su radioaktivni atomi željeza uvedeni u hranu, otkriveno je da je slobodni kisik koji se oslobađa tokom fotosinteze izvorno bio dio vode, a ne ugljičnog dioksida. Radioaktivni izotopi se koriste u medicini kako u dijagnostičke tako iu terapeutske svrhe. Radioaktivni natrijum, unesen u malim količinama u krv, koristi se za proučavanje cirkulacije krvi, jod se intenzivno deponuje u štitnoj žlezdi, posebno kod Gravesove bolesti. Praćenjem taloženja radioaktivnog joda pomoću brojača, dijagnoza se može brzo postaviti. Velike doze radioaktivnog joda uzrokuju djelomično uništavanje abnormalno razvijajućih tkiva, pa se radioaktivni jod koristi za liječenje Gravesove bolesti. Intenzivno kobalt gama zračenje se koristi u liječenju raka (kobalt pištolj).

Ništa manje opsežna nije primjena radioaktivnih izotopa u industriji. Jedan primjer toga je sljedeća metoda za praćenje istrošenosti klipnih prstenova u motorima s unutrašnjim sagorijevanjem. Zračenjem klipnog prstena neutronima izazivaju nuklearne reakcije u njemu i čine ga radioaktivnim. Kada motor radi, čestice materijala prstena ulaze u ulje za podmazivanje. Ispitivanjem nivoa radioaktivnosti ulja nakon određenog vremena rada motora utvrđuje se istrošenost prstena. Radioaktivni izotopi omogućavaju suđenje o difuziji metala, procesima u visokim pećima, itd.

Snažno gama zračenje radioaktivnih preparata koristi se za proučavanje unutrašnje strukture metalnih odlivaka kako bi se otkrili defekti na njima.

Radioaktivni izotopi se sve više koriste u poljoprivredi. Ozračenje sjemena biljaka (pamuk, kupus, rotkvica i dr.) malim dozama gama zraka iz radioaktivnih preparata dovodi do primjetnog povećanja prinosa. Velike doze "zračenja izazivaju mutacije u biljkama i mikroorganizmima, što u nekim slučajevima dovodi do pojave mutanata sa novim vrijednim svojstvima (radioselekcija). Tako su uzgojene vrijedne sorte pšenice, pasulja i drugih kultura, te korišteni visokoproduktivni mikroorganizmi u proizvodnji antibiotika dobijaju se. Gama zračenje radioaktivnih izotopa se takođe koristi za suzbijanje štetnih insekata i za očuvanje hrane. "Tagirani atomi" se široko koriste u poljoprivrednoj tehnologiji. Na primer, da bi se saznalo koje je od fosfornih đubriva bolje apsorbuje biljka, razna đubriva su označena radioaktivnim fosforom 15 32P. zatim biljke za radioaktivnost, možete odrediti količinu fosfora koju apsorbuju iz različitih vrsta đubriva.Zanimljiva primena radioaktivnosti je metoda datiranja arheoloških i geoloških nalaza koncentracijom radioaktivnih izotopa.Najčešće korištena metoda radiokarbonskog datiranja.Nestabilan i izotop ugljika se javlja u atmosferi zbog nuklearnih reakcija uzrokovanih kosmičkim zracima. Mali postotak ovog izotopa nalazi se u zraku zajedno sa uobičajenim stabilnim izotopom. Biljke i drugi organizmi troše ugljik iz zraka i akumuliraju oba izotopa u istom omjeru kao i u zraku. Nakon odumiranja biljaka, one prestaju da troše ugljik, a nestabilni izotop, kao rezultat raspadanja, postupno prelazi u dušik s poluživotom od 5730 godina. Preciznim mjerenjem relativne koncentracije radioaktivnog ugljika u ostacima drevnih organizama, moguće je odrediti vrijeme njihove smrti.

Upotreba radioaktivnosti.

1. Biološka dejstva. Radioaktivno zračenje ima katastrofalan učinak na žive ćelije. Mehanizam ovog delovanja povezan je sa jonizacijom atoma i razgradnjom molekula unutar ćelija tokom prolaska brzo naelektrisanih čestica. Na efekte zračenja posebno su osjetljive ćelije koje su u stanju brzog rasta i razmnožavanja. Ova se okolnost koristi za liječenje kancerogenih tumora.

Za potrebe terapije koriste se radioaktivni preparati koji emituju g-zračenje, jer potonje prodiru u organizam bez vidljivog slabljenja. Pri ne previsokim dozama zračenja ćelije raka umiru, dok tijelo pacijenta ne trpi značajnija oštećenja. Treba napomenuti da radioterapija raka, kao i rendgenska terapija, nikako nije univerzalni lijek koji uvijek vodi do izlječenja.

Previše visoke doze radioaktivnog zračenja izazivaju teške bolesti kod životinja i ljudi (tzv. radijacionu bolest) i mogu dovesti do smrti. U vrlo malim dozama, radioaktivno zračenje, uglavnom a-zračenje, naprotiv, djeluje stimulativno na organizam. S tim u vezi je i ljekovito djelovanje radioaktivnih mineralnih voda koje sadrže male količine radijuma ili radona.

2. Svjetleća jedinjenja Luminescentne supstance sijaju pod dejstvom radioaktivnog zračenja (uporedi § 213). Dodavanjem vrlo male količine soli radijuma u luminiscentnu supstancu (na primjer, cink sulfid), pripremaju se trajno svjetleće boje. Ove boje, kada se nanose na brojčanike i kazaljke satova, nišana, itd., čine ih vidljivim u mraku.

3. Određivanje starosti Zemlje. Atomska masa običnog olova, iskopanog iz ruda koje ne sadrže radioaktivne elemente, iznosi 207,2, ovi minerali u trenutku nastanka (kristalizacija iz taline ili rastvora) nisu sadržavali olovo; svo olovo dostupno u takvim mineralima akumulirano je kao rezultat raspadanja uranijuma. Koristeći zakon radioaktivnog raspada, moguće je odrediti njegovu starost odnosom količine olova i uranijuma u mineralu.

Starost minerala različitog porekla koji sadrže uranijum, određena ovom metodom, meri se stotinama miliona godina. Najstariji minerali stari su preko 1,5 milijardi godina.

Izotopi, posebno radioaktivni, imaju brojne primjene. U tabeli. 1.13 prikazuje odabrane primjere nekih od industrijskih primjena izotopa. Svaka tehnika pomenuta u ovoj tabeli koristi se iu drugim industrijama. Na primjer, tehnika za određivanje curenja tvari korištenjem radioizotopa koristi se: u industriji pića za određivanje curenja iz spremnika i cjevovoda; u izgradnji inženjerskih objekata za

Tabela 1.13. Neke primjene radioizotopa

utvrđivanje curenja iz podzemnih vodova; u energetskoj industriji za otkrivanje curenja iz izmjenjivača topline u elektranama; u naftnoj industriji za utvrđivanje curenja iz podzemnih cjevovoda; u službi kontrole otpadnih i kanalizacionih voda za utvrđivanje curenja iz glavnih kolektora.

Izotopi se također široko koriste u naučno istraživanje. Posebno se koriste za određivanje mehanizama hemijskih reakcija. Kao primjer, razmotrite upotrebu vode označene stabilnim izotopom kisika 180 za proučavanje hidrolize estera poput etil acetata (vidi također odjeljak 19.3). Koristeći masenu spektrometriju za detekciju izotopa 180, otkriveno je da tokom hidrolize atom kisika iz molekula vode prelazi u octenu kiselinu, a ne u etanol.

Radioizotopi se široko koriste kao obilježeni atomi u biološkim istraživanjima. Za praćenje metaboličkih puteva u živim sistemima koriste se radioizotopi ugljen-14, tricijum, fosfor-32 i sumpor-35. Na primjer, apsorpcija fosfora od strane biljaka iz gnojenog tla može se pratiti korištenjem gnojiva koja sadrže primjesu fosfora-32.

terapija zračenjem.

Jonizujuće zračenje može uništiti živo tkivo. Tkiva malignih tumora su osjetljivija na zračenje od zdravih tkiva. Ovo omogućava liječenje karcinoma γ-zracima koji se emituju iz izvora, a to je radioaktivni izotop kobalt-60. Zračenje se usmjerava na područje pacijentovog tijela zahvaćeno tumorom; Tretman traje nekoliko minuta i ponavlja se svakodnevno tokom 2-6 sedmica. Tokom sesije, svi ostali dijelovi pacijentovog tijela moraju biti pažljivo prekriveni materijalom otpornim na zračenje kako bi se spriječilo uništavanje zdravih tkiva.

Određivanje starosti uzoraka pomoću radiokarbona.

Mali dio ugljičnog dioksida koji se nalazi u atmosferi sadrži radioaktivni izotop. Biljke apsorbuju ovaj izotop tokom fotosinteze. Dakle, tkiva svih

biljke i životinje također sadrže ovaj izotop. Živa tkiva imaju stalan nivo radioaktivnosti, jer se njeno smanjenje usled radioaktivnog raspada nadoknađuje stalnim snabdevanjem radiokarbonom iz atmosfere. Međutim, čim dođe do smrti biljke ili životinje, dotok radiokarbona u njena tkiva prestaje. To dovodi do postepenog smanjenja nivoa radioaktivnosti mrtvih tkiva.

Radioaktivnost izotopa je zbog -raspada

Radiokarbonsku metodu geohronologije razvio je 1946. godine W.F. Libby, koja je primila za njega nobelova nagrada na hemiji 1960. Ovu metodu danas široko koriste arheolozi, antropolozi i geolozi do današnjih uzoraka starih do 35.000 godina. Preciznost ove metode je oko 300 godina. Najbolji rezultati se postižu pri određivanju starosti vune, sjemena, ljuske i kostiju. Da bi se odredila starost uzorka, aktivnost p-zračenja (raspad u minuti) se mjeri na 1 g ugljika koji se nalazi u njemu. Ovo omogućava određivanje starosti uzorka pomoću krivulje radioaktivnog raspada za izotop.

Period poluraspada je 5700 godina. Živo tkivo u aktivnom kontaktu sa atmosferom ima aktivnost od 15,3 disperzije/min po 1 g ugljenika. Ovi podaci zahtijevaju:

a) odrediti konstantu raspada za

b) izgraditi krivu opadanja za

c) izračunajte starost kratera jezera Oregon u SAD) koji je vulkanskog porijekla. Utvrđeno je da se drvo prevrnulo naopako tokom

Erupcija koja je rezultirala formiranjem jezera ima aktivnost od 6,5 disperzije/min po 1 g ugljika.

a) Konstanta raspada se može naći iz jednačine

b) Kriva opadanja je dijagram aktivnosti u odnosu na vrijeme. Podaci potrebni za crtanje ove krive mogu se izračunati iz poluživota i početne aktivnosti uzorka (aktivnost živog tkiva); ovi podaci su dati u tabeli. 1.14. Kriva opadanja je prikazana na sl. 1.32.

c) Starost jezera se može odrediti pomoću krivulje propadanja (vidi isprekidane linije na slici 1.32). Ovo doba je 7000 godina.

Tabela 1.14. Podaci za konstruisanje krivulje radioaktivnog raspada ugljika koji se koriste za određivanje starosti uzoraka

Rice. 1.32. Kriva raspada radioaktivnih izotopa

Mnoge stijene na Zemlji i Mjesecu sadrže radioizotope s poluraspadom od nekoliko godina. Mjerenjem i poređenjem relativnog sadržaja ovih radioizotopa sa relativnim sadržajem njihovih produkata raspadanja u uzorcima takvih stijena, može se odrediti njihova starost. Tri najvažnije metode geohronologije zasnivaju se na određivanju relativne zastupljenosti izotopa (godina poluraspada). (godine poluraspada) i (godine poluraspada).

Metoda datiranja kalijumom i argonom.

Minerali kao što su liskun i neke vrste feldspata sadrže male količine radioizotopa kalija-40. Raspada se, podvrgava se hvatanju elektrona i pretvara se u argon-40:

Starost uzorka se utvrđuje na osnovu proračuna koji koristi podatke o relativnom sadržaju kalijuma-40 u uzorku u odnosu na argon-40.

Metoda datiranja rubidijuma i stroncijuma.

Neke od najstarijih stijena na zemlji, poput granita na zapadnoj obali Grenlanda, sadrže rubidijum. Otprilike jedna trećina svih atoma rubidijuma je radioaktivni rubidijum-87. Ovaj radioizotop se raspada u stabilni izotop stroncijum-87. Proračuni zasnovani na korištenju podataka o relativnom sadržaju izotopa rubidijuma i stroncijuma u uzorcima omogućavaju određivanje starosti takvih stijena.

Metoda datiranja uranijuma i olova.

Izotopi uranijuma se raspadaju u izotope olova. Starost minerala kao što je apatit, koji sadrže nečistoće uranijuma, može se odrediti poređenjem sadržaja određenih izotopa uranijuma i olova u njihovim uzorcima.

Sve tri opisane metode korištene su za datiranje kopnenih stijena. Dobijeni podaci pokazuju da je starost Zemlje godine. Ove metode su također korištene za određivanje starosti lunarnih stijena donijetih na Zemlju iz svemirskih misija. Starost ovih pasmina je od 3,2 do godine.