Радиоактивни трансформации на ядрата

Структура на материята

Всичко в природата се състои от прости и сложни вещества. Простите вещества включват химични елементи, сложните - химични съединения. Известно е, че веществата в света около нас се състоят от атоми, които са най-малката част от химичен елемент. Атомът е най-малката частица от вещество, която определя химичните му свойства; има сложна вътрешна структура. В природата се срещат само инертни газове под формата на атоми, тъй като външните им обвивки са затворени, всички останали вещества съществуват под формата на молекули.

През 1911 г. Е. Ръдърфорд предлага планетарен модел на атома, който е разработен от Н Бор (1913). Според общоприетия модел на структурата на атома в него се разграничават две области: тежко, положително заредено ядро, разположено в центъра, в което е концентрирана почти цялата маса на атома, и лека електронна обвивка, състояща се от отрицателно заредени частици - електрони, въртящи се около ядрото с огромна скорост.

електрон (e -)- стабилна елементарна частица с маса на покой, равна на 9,1 · 10 -31 kg или 0,000548 amu. (единица за атомна маса е безразмерна стойност на атомната маса, която показва колко пъти един атом от даден елемент или частица е по-тежък от 1/12 от атом на изотоп въглерод-12; енергийният еквивалент на 1 amu е 931 MeV). Електронът носи един елементарен отрицателен заряд на електричество (q = 1,6 · 10 -19 C), тоест най-малкото количество електричество, открито в природата. Въз основа на това зарядът на електрона се приема като една елементарна единица електрически заряд.

В зависимост от енергията, която задържа електроните, докато се въртят около ядрото, те се групират в различни орбити (нива или слоеве). Броят на слоевете в различните атоми не е еднакъв. При атоми с голяма маса броят на орбитите достига седем. Те се обозначават с цифри или букви от латинската азбука, започвайки от ядрото: K, L, M, N, O, P, Q. Броят на електроните във всеки слой е строго определен. И така, K-слоят има не повече от 2 електрона, L-слоят - до 8, M-слоят - до 18, N-слоят - 32 електрона и т.н.

Размерът на атома се определя от размера на неговата електронна обвивка, която няма строго определени граници. Приблизителните линейни размери на атома са 10 -10 m.

Ядро- централната масивна част на атома, състояща се от протони и неутрони, която е положително заредена. Почти цялата маса на атома (повече от 99,95%) е концентрирана в ядрото. Общият брой на електроните в орбитите винаги е равен на сумата от протоните в ядрото. Например, кислороден атом съдържа 8 протона в ядрото си и има 8 електрона в орбитите си, оловен атом има 82 протона в ядрото си и 82 електрона в орбитите си. Поради равенството на сумата от положителни и отрицателни заряди, атомът е електрически неутрална система. Върху всеки от електроните, движещи се около ядрото, действат две еднакви, противоположно насочени сили: кулоновата сила привлича електроните към ядрото, а равната центробежна сила на инерцията има тенденция да „грабне“ електрона от атома. Освен това електроните, движещи се (въртящи се) около ядрото в орбита, едновременно имат свой собствен момент на движение, който се нарича спин, което се опростява като въртене, подобно на връх около собствената си ос. Спиновете на отделните електрони могат да бъдат ориентирани успоредно (въртене в една и съща посока) и антипаралелно (въртене в различни посоки). В опростена форма всичко това осигурява стабилното движение на електроните в атома.

Известно е, че връзката на електрон с ядрото се влияе не само от кулоновата сила на привличане и центробежната сила на инерцията, но и от отблъскващата сила на други електрони. Този ефект се нарича скрининг. Колкото по-далече е електронната орбита от ядрото, толкова по-силно е екранирането на електроните върху него и толкова по-слаба е енергийната връзка между ядрото и електрона. Във външни орбити енергията на свързване на електроните не надвишава 1–2 eV, докато за електроните на K-слоя е многократно по-голяма и нараства с увеличаване на атомния номер на елемента. Например, за въглерода енергията на свързване на електроните в К-слоя е 0,28 keV, за стронций - 16 keV, за цезий - 36 keV, за уран - 280 keV. Следователно електроните на външната орбита са по-податливи на външни фактори, по-специално на нискоенергийно излъчване. Когато придават допълнителна енергия на електроните отвън, те могат да се преместват от едно енергийно ниво на друго или дори да напуснат границите на даден атом. Ако енергията на външното въздействие е по-слаба от енергията на свързване на електрона с ядрото, тогава електронът може да премине само от едно енергийно ниво на друго. Такъв атом остава неутрален, но се различава от останалите атоми на този химичен елемент с излишък на енергия. Атомите с излишък на енергия се наричат ​​възбудени, а преходът на електрони от едно енергийно ниво към друго, по-отдалечено от ядрото, се нарича процес на възбуждане. Тъй като в природата всяка система има тенденция да премине в стабилно състояние, в което нейната енергия ще бъде най-малка, тогава атомът след известно време преминава от възбудено състояние в основно (първоначално) състояние. Връщането на атома в основното състояние е придружено от освобождаване на излишна енергия. Преходът на електроните от външни към вътрешни орбити е придружен от излъчване с дължина на вълната, характерна само за даден преход от едно енергийно ниво към друго. Преходите на електрони в най-отдалечените от ядрото орбити произвеждат радиация, състояща се от ултравиолетови, светлинни и инфрачервени лъчи. При силни външни влияния, когато енергията надвишава енергията на свързване на електроните с ядрото, електроните се изтръгват от атома и се отстраняват от него. Атом, който е загубил един или повече електрони, се превръща в положителен йон, а този, който е „прикрепил“ един или повече електрони към себе си, се превръща в отрицателен йон. Следователно за всеки положителен йон се образува един отрицателен йон, т.е. възниква двойка йони. Процесът на образуване на йони от неутрални атоми се нарича йонизация... Атом в състояние на йон съществува при нормални условия за изключително кратък период от време. Свободното пространство в орбитата на положителен йон се запълва със свободен електрон (електрон, който не е свързан с атома) и атомът отново се превръща в неутрална система. Този процес се нарича йонна рекомбинация (дейонизация) и е придружен от освобождаване на излишна енергия под формата на радиация. Енергията, освободена по време на йонна рекомбинация, е числено приблизително равна на енергията, изразходвана за йонизация.

протон(Р) Това е стабилна елементарна частица с маса равна на 1,6725 · 10 -27 kg или 1,00758 amu, което е приблизително 1840 пъти масата на електрона. Зарядът на протона е положителен и равен по големина на заряда на електрона. Водородният атом е ядро, съдържащо един протон, около който се върти един електрон. Ако „откъснете“ този електрон, тогава останалата част от атома ще бъде протонът, така че протонът често се определя като ядро ​​на водорода.

Всеки атом на всеки елемент съдържа определен брой протони в ядрото, който е постоянен и определя физичните и химичните свойства на елемента. Например, в ядрото на сребърния атом има 47 от тях, а в ядрото на урана - 92. Броят на протоните в ядрото (Z) се нарича атомен номер или номер на заряда, той съответства на порядковия номер на ядрото елемент в периодичната система на Д. И. Менделеев.

Неутрон(н) - електрически неутрална елементарна частица с маса, малко надвишаваща масата на протон и равна на 1,6749 10 -27 kg или 1,00898 amu. Неутроните са стабилни само като част от стабилните атомни ядра. Свободните неутрони се разпадат на протони и електрони.

Неутронът, поради своята електрическа неутралност, не се отклонява под въздействието на магнитно поле, не се отблъсква от атомно ядро ​​и следователно има висока проникваща способност, което представлява сериозна опасност като фактор за биологичния ефект на радиация. Броят на неутроните в ядрото дава само основните физически характеристики на елемента, тъй като в различни ядра на един и същ химичен елемент може да има различен брой неутрони (от 1 до 10). В ядрата на светлоустойчивите елементи броят на протоните е свързан с броя на неутроните като 1: 1. С увеличаване на атомния номер на елемент (започвайки от 21-ия елемент - скандий), броят на неутроните в неговите атоми надвишава броя на протоните. В най-тежките ядра броят на неутроните е 1,6 пъти по-голям от броя на протоните.

Протоните и неутроните са съставните части на ядрото, следователно, за удобство, те се наричат ​​нуклони. нуклон(от лат. nucleus - ядро) - общо наименование за протони и неутрони на ядрото. Също така, когато се говори за конкретно атомно ядро, се използва терминът нуклид. Нуклид- всяко атомно ядро ​​с определен брой протони и неутрони.

Когато обозначават нуклиди или атоми, те използват символа на елемента, към който принадлежи ядрото, и посочват масовото число отгоре - A, отдолу - атомния (редов) номер - Z под формата на индекси, където E е символът на химичен елемент. A показва броя на нуклоните, които съставляват ядрото на атом (A = Z + N). Z показва не само заряда на ядрото и поредния номер, но и броя на протоните в ядрото и съответно броя на електроните в атома, тъй като атомът обикновено е неутрален. N е броят на неутроните в ядрото, който най-често не е посочен. Например, - радиоактивен изотоп на цезий, A = 137, следователно ядрото се състои от 137 нуклона; Z = 55, което означава, че има 55 протона в ядрото и съответно 55 електрона в атома; N = 137 - 55 = 82 е броят на неутроните в ядрото. Редовният номер понякога се пропуска, тъй като символът на елемента напълно определя мястото му в периодичната система (например Cs-137, He-4). Линейните размери на атомното ядро ​​са 10 -15 -10 -14 m, което е 0,0001 от диаметъра на целия атом.

Протоните и неутроните се задържат вътре в ядрото от сили, наречени ядрен... По своя интензитет те са много по-мощни от електрическите, гравитационните и магнитните сили. Ядрените сили са с малък обсег с обхват 10 -14 -10 -15 м. Те се проявяват по същия начин между протон и неутрон, протон и протон, неутрон и неутрон. С увеличаване на разстоянието между нуклоните ядрените сили намаляват много бързо и стават практически равни на нула. Ядрените сили имат свойството на насищане, тоест всеки нуклон взаимодейства само с ограничен брой съседни нуклони. Следователно, с увеличаване на броя на нуклоните в ядрото, ядрените сили значително отслабват. Това обяснява по-ниската стабилност на ядрата на тежките елементи, които съдържат значителен брой протони и неутрони.

За да се раздели ядрото на съставните му протони и неутрони и да се извадят от полето на действие на ядрените сили, е необходимо да се извърши работа, т.е. изразходват енергия. Тази енергия се нарича енергия на свързване на ядрото... Напротив, когато от нуклони се образува ядро, енергията на свързване се освобождава.

m i = m p N p + m n N n,

където m i е масата на ядрото; m p е масата на протона; N p е броят на протоните; m n е масата на неутрона; N n е броят на неутроните, тогава той ще бъде равен на 1,0076 · 2 + 1,0089 · 2 = 4,033 amu.

В същото време действителната маса на хелиевото ядро ​​е 4,003 amu. Така действителната маса на хелиевото ядро ​​се оказва по-малка от изчислената с 0,03 amu. и в този случай се казва, че ядрото има дефект на масата (липса на маса). Разликата между изчислената и действителната маса на ядрото се нарича дефект на масата (Dm). Дефектът на масата показва колко силно са свързани частиците в ядрото, както и колко енергия се е отделила при образуването на ядрото от отделни нуклони. Можете да свържете масата с енергията, като използвате уравнението, получено от А. Айнщайн:

където DE е промяната в енергията; Dm - дефект на масата; c е скоростта на светлината.

Като се има предвид, че 1 а.е. = 1,661 10 -27 kg, а в ядрената физика за единица енергия се приема електрон-волт (eV), а 1 amu. е еквивалентен на 931 MeV, тогава енергията, освободена при образуването на хелиево ядро, ще бъде равна на 28 MeV. Ако имаше начин да се раздели ядрото на хелиевия атом на два протона и два неутрона, тогава това би изисквало изразходване на поне 28 MeV енергия.

Енергията на свързване на ядрата нараства съизмеримо с увеличаването на броя на нуклоните, но не е строго пропорционално на техния брой. Например енергията на свързване на азотното ядро ​​е 104,56 MeV, а тази на урана е 1800 MeV.

Средната енергия на свързване на нуклон се нарича специфична енергия на свързване... За хелия ще бъде 28: 4 = 7 MeV. С изключение на най-леките ядра (деутерий, тритий), енергията на свързване на нуклон е около 8 MeV за всички ядра.

Повечето от химичните елементи в природата са определени смеси от атоми с ядра с различна маса. Разликата в масите се дължи на наличието в ядрата на различен брой неутрони.

Изотопи(от гръцки isos - същото и topos - място) - разновидности на атом от същия химичен елемент, които имат еднакъв брой протони (Z) и различен брой неутрони (N). Те имат практически еднакви физични и химични свойства, много е трудно да се разделят в естествена смес. Броят на изотопите на елементите варира от 3 за водорода до 27 за полония. Изотопите са стабилни и нестабилни. Стабилните изотопи не претърпяват никакви промени във времето, ако няма външно влияние. Нестабилните или радиоактивни изотопи, поради процеси, протичащи вътре в ядрото, се трансформират с течение на времето в изотопи на други химични елементи. Стабилни изотопи се намират само в елементи със сериен номер Z≤83. В момента са известни около 300 стабилни и повече от 2000 радиоактивни изотопа. За всички елементи на периодичната система на Д. И. Менделеев са синтезирани радиоактивни изотопи, наречени изкуствени.

Явлението радиоактивност

Всички химични елементи са стабилни само в тесен диапазон на съотношението на броя на протоните към броя на неутроните в ядрото. В леките ядра трябва да има приблизително равни части от протони и неутрони, тоест стойността на съотношението n: p е близо до 1, за тежките ядра това съотношение намалява до 0,7. Ако в ядрото има твърде много неутрони или протони, тогава такива ядра стават нестабилни (нестабилни) и претърпяват спонтанни радиоактивни трансформации, в резултат на което съставът на ядрото се променя и в същото време се излъчват заредени или неутрални частици. Феноменът на спонтанната радиация се нарича радиоактивност, а веществата, излъчващи радиация, се наричат ​​радиоактивни.

Радиоактивност(от лат. radio - излъчвам, radius - лъч, aktivus - ефективен) - това са спонтанни трансформации (разпади) на атомни ядра на някои химични елементи в атомни ядра на други елементи с излъчване на специален вид радиация. Радиоактивността води до промяна в атомния номер и масовото число на оригиналния химичен елемент.

Откриването на явлението радиоактивност е улеснено от две големи открития от деветнадесети век. През 1895 г. W. Roentgen открива лъчи, които възникват при преминаване на ток с високо напрежение между електроди, поставени в запечатана стъклена тръба, от която се евакуира въздухът. Лъчите бяха наречени рентгенови лъчи. А през 1896 г. А. Бекерел открива, че урановите соли спонтанно излъчват невидими лъчи с голяма проникваща сила, причинявайки почерняване на фотографските плочи и сияние на определени вещества. Той нарече това излъчване радиоактивно. През 1898 г. Пиер Кюри и Мария Склодовска-Кюри откриват два нови радиоактивни елемента, полоний и радий, които излъчват подобна радиация, но интензитетът им е многократно по-висок от този на урана. Освен това е установено, че радиоактивните вещества непрекъснато отделят енергия под формата на топлина.

Радиоактивното излъчване се нарича още йонизиращо, защото може да йонизира околната среда или ядрено, като се подчертава, че радиацията се излъчва от ядро, а не от атом.

Радиоактивният разпад е свързан с промени в атомните ядра и освобождаване на енергия, чиято стойност като правило е с няколко порядъка по-висока от енергията на химичните реакции. И така, при пълния радиоактивен разпад на 1 g-атом от 14 C се освобождава 3. 10 9 калории, докато при изгарянето на същото количество от 14 C до въглероден диоксид се отделя само 9,4. 104 калории.

Като единица енергия на радиоактивния разпад се вземат 1 електрон-волт (eV) и неговите производни 1 keV = 10 3 eV и 1 MeV = 10 6 eV. 1 eV = 1,6. 10 -19 J. 1 eV съответства на енергията, придобита от електрона в електрическо поле при преминаване на път, по който потенциалната разлика е 1 волт. По време на разпада на повечето радиоактивни ядра освободената енергия варира от няколко keV до няколко MeV.

Радиоактивните явления, възникващи в природата, се наричат ​​естествена радиоактивност; аналогични процеси, протичащи в изкуствено получени вещества (чрез съответните ядрени реакции) - изкуствена радиоактивност. И двата вида радиоактивност обаче се подчиняват на едни и същи закони.

Видове радиоактивен разпад

Атомните ядра са стабилни, но променят състоянието си, когато се наруши определено съотношение на протони и неутрони. Леките ядра трябва да съдържат приблизително еднакъв процент протони и неутрони. Ако в ядрото има твърде много протони или неутрони, тогава такива ядра са нестабилни и претърпяват спонтанни радиоактивни трансформации, в резултат на което съставът на ядрото се променя и следователно ядрото на атом на един елемент се превръща в ядро на атом на друг елемент. Този процес излъчва ядрена радиация.

Съществуват следните основни видове ядрени трансформации или видове радиоактивен разпад: алфа разпад и бета разпад (електронен, позитронен и К-улавяне), вътрешно преобразуване.

Алфа разпад -това е излъчване на алфа частици от ядрото на радиоактивен изотоп. Поради загубата на два протона и два неутрона с алфа частица, разпадащото се ядро ​​се превръща в друго ядро, в което броят на протоните (ядрен заряд) намалява с 2, а броят на частиците (масов брой) с 4. Следователно броят на протоните (ядрен заряд) намалява с 4. Следователно , за даден радиоактивен разпад, в съответствие с правилото за изместване (изместване), формулирано от Faience and Soddy (1913), образуваният (дъщерен) елемент се измества наляво спрямо оригиналния (родител) от две клетки вляво в периодичната система на Д. И. Менделеев. Процесът на алфа разпад обикновено се записва по следния начин:

,

където X е символът на оригиналното ядро; Y е символът на ядрото на продукта на разпада; 4 2 Той е алфа частица, Q е излишък от освободена енергия.

Например, разпадането на ядрата на радий-226 е придружено от излъчване на алфа частици, докато ядрата на радий-226 се превръщат в ядра на радон-222:

Енергията, освободена по време на алфа разпада, се разделя между алфа частицата и ядрото обратно пропорционално на техните маси. Енергията на алфа частиците е строго свързана с периода на полуразпад на даден радионуклид (закон на Geiger-Nettol) . Това предполага, че като се знае енергията на алфа-частиците, е възможно да се установи периодът на полуразпад и по времето на полуразпад да се идентифицира радионуклида. Например, ядрото на полоний-214 се характеризира със стойностите на енергията на алфа частиците E = 7,687 MeV и T 1/2 = 4,5 × 10 -4 s, докато за ядрото на уран-238 E = 4,196 MeV и T 1/2 = 4, 5 × 10 9 години. Освен това беше установено, че колкото по-голяма е енергията на алфа разпада, толкова по-бързо протича.

Алфа-разпадът е доста широко разпространена ядрена трансформация на тежки ядра (уран, торий, полоний, плутоний и др. с Z> 82); в момента са известни повече от 160 алфа излъчващи ядра.

Бета разпад -спонтанна трансформация на неутрон в протон или протон в неутрон вътре в ядрото, придружена от излъчване на електрони или позитрони и антинеутрино или неутрино.

Ако има излишък от неутрони в ядрото („неутронно претоварване“ на ядрото), тогава възниква електронен бета разпад, при който един от неутроните се превръща в протон, като същевременно излъчва електрон и антинеутрино:

С този разпад зарядът на ядрото и съответно атомният номер на дъщерното ядро ​​се увеличава с 1, а масовото число не се променя, тоест дъщерният елемент се измества в периодичната система на Д. И. Менделеев с една клетка вдясно от оригиналния. Процесът на бета разпадане обикновено се записва по следния начин:

.

По този начин ядрата с излишък от неутрони се разпадат. Например, разпадането на ядрата на стронций-90 е придружено от излъчване на електрони и тяхното превръщане в итрий-90:

Често ядрата на елементите, образувани по време на бета разпада, имат излишна енергия, която се освобождава от излъчването на един или повече гама кванта. Например:

Електронният бета разпад е характерен за много естествени и изкуствено получени радиоактивни елементи.

Ако неблагоприятното съотношение на неутрони и протони в ядрото се дължи на излишък от протони, тогава възниква бета-разпад на позитрон, при който ядрото излъчва позитрон и неутрино в резултат на трансформацията на протон в неутрон вътре в ядрото:

Зарядът на ядрото и съответно атомният номер на детския елемент намалява с 1, масовото число не се променя. Детският елемент ще заема място в периодичната система на D.I.Mendeleev една клетка вляво от родителя:

В някои изкуствено получени изотопи се наблюдава позитронно разпадане. Например, разпадането на изотопа фосфор-30 с образуването на силиций-30:

Позитрон, избягал от ядрото, отделя „допълнителния“ електрон (слабо свързан с ядрото) от обвивката на атома или взаимодейства със свободен електрон, образувайки двойка „позитрон-електрон“. Поради факта, че частицата и античастицата се унищожават моментално с освобождаването на енергия, образуваната двойка се превръща в два гама кванта с енергия, еквивалентна на масата на частиците (e + и e -). Процесът на трансформация на двойка "позитрон-електрон" в два гама кванта се нарича анихилация (разрушаване), а полученото електромагнитно излъчване се нарича анихилация. В този случай има трансформация на една форма на материя (частици материя) в друга (радиация). Това се потвърждава от наличието на обратна реакция - реакцията на образуване на двойка, при която електромагнитното излъчване с достатъчно висока енергия, преминаващо близо до ядрото под действието на силно електрическо поле на атома, се превръща в „електрон -позитронна двойка.

Така по време на бета-разпада на позитрон, в крайния резултат от майчиното ядро ​​​​излитат не частици, а два гама кванта, всеки с енергия от 0,511 MeV, равна на енергийния еквивалент на масите на покой на частиците - позитрон и електрон E = 2m ec 2 = 1,022 MeV ...

Преобразуването на ядрото може да се извърши чрез улавяне на електрони, когато един от протоните на ядрото спонтанно улавя електрон от една от вътрешните обвивки на атома (K, L и др.), най-често от К-обвивката , и се превръща в неутрон. Този процес се нарича още K-capture. Протонът се превръща в неутрон според следната реакция:

В този случай зарядът на ядрото намалява с 1 и масовото число не се променя:

Например,

В този случай мястото, освободено от електрона, се заема от електрона от външните обвивки на атома. В резултат на пренареждането на електронните обвивки се излъчва рентгенов квант. Атомът все още запазва електрическа неутралност, тъй като броят на протоните в ядрото по време на улавяне на електрон намалява с едно. По този начин този тип разпад води до същите резултати като позитронния бета разпад. Типично е, като правило, за изкуствени радионуклиди.

Енергията, освободена от ядрото по време на бета-разпадането на определен радионуклид, винаги е постоянна, но тъй като този тип разпад произвежда не две, а три частици: ядро ​​на откат (дъщеря), електрон (или позитрон) и неутрино, енергията е различна при всеки акт на разпад, тя се преразпределя между електрон (позитрон) и неутрино, тъй като дъщерното ядро ​​винаги носи една и съща част от енергията. В зависимост от ъгъла на разширение, неутрино може да отнесе повече или по-малко енергия, в резултат на което електронът може да получи всякаква енергия от нула до определена максимална стойност. следователно, по време на бета разпад бета частиците от един и същи радионуклид имат различни енергии,от нула до някаква максимална стойност, характерна за разпада на даден радионуклид. По енергията на бета-лъчението е почти невъзможно да се идентифицира радионуклида.

Някои радионуклиди могат да се разпадат едновременно по два или три начина: чрез алфа и бета разпад и чрез K-улавяне, комбинация от три вида разпад. В този случай трансформациите се извършват в строго определено съотношение. Така например естественият дълготраен радиоизотоп калий-40 (T 1/2 = 1,49 × 10 9 години), чието съдържание в естествения калий е 0,0119%, претърпява бета-разпад на електрон и улавяне на К:

(88% - електронен разпад),

(12% - K-улавяне).

От описаните по-горе видове разпад можем да заключим, че гама разпадът не съществува в „чиста форма“. Гама-лъчението може да придружава само различни видове разпад. Когато в ядрото се излъчва гама-лъчение, нито масовото число, нито неговият заряд се променят. Следователно природата на радионуклида не се променя, а само енергията, съдържаща се в ядрото, се променя. Гама лъчението се излъчва по време на прехода на ядрата от възбудени нива към по-ниски нива, включително нивото на земята. Например, когато цезий-137 се разпада, се образува възбудено ядро ​​на барий-137. Преходът от възбудено към стабилно състояние е придружен от излъчване на гама кванти:

Тъй като животът на ядрата във възбудени състояния е много кратък (обикновено t<10 -19 с), то при альфа- и бета-распадах гамма-квант вылетает практически одновременно с заряженной частицей. Исходя из этого, процесс гамма-излучения не выделяют в самостоятельный вид распада. По енергията на гама-лъчението, както и по енергията на алфа-лъчението, е възможно да се идентифицира радионуклида.

Вътрешно преобразуване.Възбуденото (в резултат на това или онова ядрена трансформация) състояние на атомното ядро ​​показва наличието на излишък от енергия в него. Възбуденото ядро ​​може да премине в състояние с по-ниска енергия (нормално състояние) не само чрез излъчване на гама квант или изхвърляне на каквато и да е частица, но и чрез вътрешно преобразуване или преобразуване с образуване на двойки електрон-позитрон.

Феноменът на вътрешното преобразуване се състои във факта, че ядрото прехвърля енергията на възбуждане към един от електроните на вътрешните слоеве (K-, L- или M-слой), който в резултат на това се изтегля от атома. Такива електрони се наричат ​​преобразуващи електрони. Следователно, излъчването на преобразуващи електрони се дължи на директното електромагнитно взаимодействие на ядрото с електроните на обвивката. Преобразувателните електрони имат линеен енергиен спектър, за разлика от електроните на бета разпад, които дават непрекъснат спектър.

Ако енергията на възбуждане надвишава 1,022 MeV, тогава преходът на ядрото в нормално състояние може да бъде придружен от излъчване на двойка "електрон-позитрон" с последващата им анихилация. След като вътрешното преобразуване е осъществено, в електронната обвивка на атома се появява „вакантно“ място на изтръгнатия преобразуващ електрон. Един от електроните от по-отдалечени слоеве (от по-високи енергийни нива) извършва квантов преход към „свободно“ място с излъчване на характерни рентгенови лъчи.

Свойства на ядрената радиация

Ядрената (радиоактивна) радиация е радиация, която се генерира в резултат на радиоактивен разпад. Излъчването на всички естествени и изкуствени радионуклиди се разделя на два вида - корпускулярно и електромагнитно. Корпускулното излъчване е поток от частици (корпускули), които се характеризират с определена маса, заряд и скорост. Това са електрони, позитрони, ядра на хелиеви атоми, деутрони (ядра на водородния изотоп на деутерий), неутрони, протони и други частици. По правило корпускулното излъчване директно йонизира средата.

Електромагнитното излъчване е поток от кванти или фотони. Това излъчване няма нито маса, нито заряд и предизвиква непряка йонизация на средата.

Образуването на 1 двойка йони във въздуха изисква средно 34 eV. Следователно йонизиращото лъчение включва излъчване с енергия от 100 и повече eV (не включва видима светлина и UV лъчение).

За характеризиране на йонизиращо лъчение се използват понятията пробег и специфична йонизация. Обхват - минималната дебелина на абсорбера (някакво вещество), необходима за пълното поглъщане на йонизиращо лъчение. Специфичната йонизация е броят на йонните двойки, образувани на единица дължина на пътя в веществото под въздействието на йонизиращо лъчение. Имайте предвид, че понятията за пробег и изминато разстояние не са идентични понятия. Ако частиците се движат праволинейно, тогава тези стойности съвпадат, ако траекторията на частиците е счупена криволичеща линия, тогава обхватът винаги е по-малък от дължината на изминатия път.

Алфа лъчениее поток от а-частици, които са ядрата на хелиеви атоми, понякога наричани двойно йонизирани хелиеви атоми). Алфа-частицата се състои от 2 протона и 2 неутрона, заредена е положително и носи със себе си два елементарни положителни заряда. Маса на частиците m a = 4,003 amu Това е най-голямата от частиците. Скоростта на движение е (14,1-24,9) × 10 6 m / s. В материята алфа-частиците се движат праволинейно, което е свързано с относително голяма маса и значителна енергия. Отклонението се случва само при челен сблъсък с ядрата.

Обхватът на алфа частиците в веществото зависи от енергията на алфа частицата и от естеството на веществото, в което се движи. Средно обхватът на алфа частица във въздуха е 2,5-9 см, максимумът е до 11 см, в биологичните тъкани - 5-100 микрона, в стъклото - 4. 10 -3 см. Енергията на алфа частицата е от порядъка на 4-9 MeV Можете напълно да спрете алфа лъчението с лист хартия. По целия си път алфа частица може да създаде между 116 000 и 254 000 йонни двойки.

Специфичната йонизация е около 40 000 йонни двойки/см във въздуха, същата специфична йонизация в тялото е на път от 1-2 микрона.

След консумация на енергия алфа частицата се забавя, процесът на йонизация спира. Влизат в сила законите, регулиращи процеса на образуване на атоми. Ядрата на хелиевите атоми прикрепват 2 електрона и се образува пълноценен хелиев атом. Това обяснява факта за задължителното присъствие на хелий в скалите, съдържащи радиоактивни вещества.

От всички видове радиоактивни лъчения алфа лъчението е най-силно флуоресцентно (светещи).

Бета радиацияТова е поток от бета частици, които са електрони или позитрони. Пренася се един елементарен електрически заряд, m b = 0,000548 amu. Те се движат със скорост, близка до скоростта на светлината, т.е. (0,87-2,994) × 10 8 m / s.

За разлика от a-частиците, b-частиците от един и същ радиоактивен елемент имат различен енергиен резерв (от нула до определена максимална стойност). Това се дължи на факта, че при всеки бета разпад, две частици се излъчват едновременно от атомно ядро: b-частица и неутрино (n e). Енергията, освободена при всеки акт на разпад, се разпределя между b-частицата и неутриното в различни пропорции. Следователно, енергията на бета частиците варира от десети и стотни от MeV (меко b-лъчение) до 2-3 MeV (твърдо излъчване).

Поради факта, че бета частиците, излъчвани от един и същ бета емитер, имат различни енергийни резерви (от минимални до максимални), както дължината на пътя, така и броят на йонните двойки не са еднакви за бета частиците на даден радионуклид. Обикновено обхватът във въздуха е десетки cm, понякога няколко метра (до 34 m), в биологичните тъкани - до 1 cm (до 4 cm при енергия на бета частици от 8 MeV).

Бета лъчението има значително по-нисък йонизиращ ефект от алфа лъчението. И така, във въздуха, по целия си път, бета частиците образуват от 1000 до 25 500 двойки йони. Средно за целия път във въздуха, или 50-100 двойки йони на 1 см път. Степента на йонизация зависи от скоростта на частицата; колкото по-ниска е скоростта, толкова повече йонизация. Причината за това е, че високоенергийните бета частици прелитат покрай атомите твърде бързо и нямат време да предизвикат същия силен ефект като бавните бета частици.

Тъй като бета-частиците имат много ниска маса, когато се сблъскат с атоми и молекули, те лесно се отклоняват от първоначалната си посока. Това явление на отклонение се нарича разсейване. Следователно е много трудно да се определи дължината на пътя на бета частиците, а не обхвата, тъй като е твърде криволичещ.

Когато енергията се загуби, електронът се улавя или от положителен йон, за да образува неутрален атом, или от атом, за да образува отрицателен йон.

Гама лъчениеТова е поток от фотони (кванти) на електромагнитно излъчване. Скоростта им на разпространение във вакуум е равна на скоростта на светлината - 3 × 10 8 m / s. Тъй като гама-лъчението е дължина на вълната, то се характеризира с дължина на вълната, честота на вибрациите и енергия. Енергията на g-кванта е пропорционална на честотата на вибрациите, а честотата на вибрациите е свързана с тяхната дължина на вълната. Колкото по-дълга е дължината на вълната, толкова по-ниска е честотата на вибрациите и обратно, т.е. честотата на вибрациите е обратно пропорционална на дължината на вълната. Колкото по-къса е дължината на вълната и по-висока е честотата на вибрациите на излъчването, толкова по-голяма е неговата енергия и следователно проникващата способност. Енергията на гама-лъчението от естествени радиоактивни елементи варира от няколко keV до 2-3 MeV и рядко достига 5-6 MeV.

Гама квантите, които нямат заряд и маса на покой, предизвикват слаб йонизиращ ефект, но имат голяма проникваща способност. Във въздуха те могат да пътуват до 100-150 м. Това излъчване преминава през човешкото тяло без затихване.

Измервания

Концепция за дозата

Резултатът от излагането на йонизиращи лъчения върху облъчени обекти са физикохимични или биологични промени в тези обекти. Примери за такива промени са нагряването на тялото, фотохимичната реакция на рентгенов филм, промяна в биологичните параметри на жив организъм и др. Радиационният ефект зависи от физическите величини X iхарактеризиращ радиационното поле или взаимодействието на радиацията с материята:

Количествата X iфункционално свързани с радиационния ефект η се наричат ​​дозиметрични. Целта на дозиметрията е да измерва, изследва и теоретично изчислява дозиметрични количества за прогнозиране или оценка на радиационния ефект, по-специално радиобиологичния ефект.

Системата от дозиметрични величини се формира в резултат на развитието на радиобиологията, дозиметрията и радиационната безопасност. Критериите за безопасност до голяма степен се определят от обществото, следователно в различните страни са формирани различни системи от дозиметрични количества. Важна роля в обединяването на тези системи играе Международната комисия по радиологична защита (ICRP), независима организация, обединяваща експерти в областта на биологичните ефекти на радиацията, дозиметрията и

Основната характеристика на атомаса 2 числа:

1.масово число (A) - равно на сумата от протони и неутрони на ядрото

2. атомното число (Z) в периодичната таблица на елементите на Менделеев е равно на броя на протоните в ядрото, тоест отговаря на заряда на ядрото.

Определя се видът на радиоактивната трансформация Видът на частиците, излъчвани по време на разпад... Процесът на радиоактивен разпад винаги е екзотермичен, тоест протича с освобождаването на енергия. Оригиналното ядро ​​се нарича родителско ядро ​​(в диаграмите по-долу то е обозначено със символа X), а полученото след разпадането ядро ​​се нарича дъщерно ядро ​​(в диаграмите това е символът Y).

Нестабилните ядра претърпяват 4 основни типа радиоактивни трансформации:

а) Алфа разпад- се състои във факта, че тежкото ядро ​​спонтанно излъчва алфа частица, тоест това е чисто ядрен феномен. Известни са повече от 200 алфа-активни ядра, като почти всички имат сериен номер по-голям от 83 (Am-241; Ra-226; Rn-222; U-238 и 235; Th-232; Pu-239 и 240) . Енергията на алфа частиците на тежките ядра е най-често в диапазона от 4 до 9 MeV.

Примери за алфа разпад:

Б) Бета трансформация- това е вътрешнонуклонен процес; в ядрото се разпада единичен нуклон, докато настъпва вътрешно преструктуриране на ядрото и се появяват b-частици, излизащи от ядрото (електрон, позитрон, неутрино, антинеутрино). Примери за бета-трансформирани радионуклиди: тритий (H-3); С-14; натриеви радионуклиди (Na-22, Na-24); фосфорни радионуклиди (P-30, P-32); серни радионуклиди (S-35, S-37); калиеви радионуклиди (К-40, К-44, К-45); Rb-87; стронциеви радионуклиди (Sr-89, Sr-90); йодни радионуклиди (I-125, I-129, I-131, I-134); цезиеви радионуклиди (Cs-134, Cs-137).

Енергията на бета частиците варира в широк диапазон: от 0 до Emax (общата енергия, освободена при разпадане) и се измерва в keV, MeV. За идентични ядра разпределението на енергията на изходящите електрони е редовно и се нарича Електронен спектърБ-разпад, или бета спектър; енергийният спектър на бета частиците може да се използва за идентифициране на разпадащия се елемент.

Един от примерите за бета трансформация на единичен нуклон е Свободен неутронен разпад(полуживот 11,7 минути):

Видове бета трансформации на ядрата:

1) електронен разпад: .

Примери за електронен разпад:,

2) Позитронно разпадане:

Примери за позитронно разпадане:

3) Електронно заснемане(K-улавяне, тъй като ядрото поглъща един от електроните на атомната обвивка, обикновено от K-обвивката):

Примери за електронно улавяне: ,

V) Гама преобразуване (изомерен преход)- вътрешноядрено явление, при което поради енергията на възбуждане ядрото излъчва гама квант, преминавайки в по-стабилно състояние; в този случай масовото число и атомното число не се променят. Спектърът на гама-лъчението винаги е дискретен. Гама квантите, излъчвани от ядрата, обикновено имат енергия от десетки keV до няколко MeV. Примери за гама-трансформирани радионуклиди: Rb-81m; Cs-134m; Cs-135m; В-113м; Y-90м.

, където индексът "m" означава метастабилното състояние на ядрото.

Пример за гама преобразуване:

ж) Спонтанно ядрено делене- вероятно за ядра, като се започне от масовото число 232. Ядрото е разделено на 2 фрагмента със сравними маси. Именно спонтанното делене на ядрата ограничава възможностите за получаване на нови трансуранови елементи. В ядрената енергетика се използва процесът на делене на тежки ядра, когато те улавят неутрони:

В резултат на деленето се образуват фрагменти с излишък от неутрони, които след това претърпяват няколко последователни трансформации (по-често бета разпад).

История на откритията

Още през 1903 г. физиците Ръдърфорд и Соди откриват, че радиоактивният алфа разпад превръща елемента радий в друг химичен елемент, радон. Тези два химични елемента имат напълно различни свойства. Радият е твърдо вещество, метал, а радонът е инертен газ. Атомите на радий и радон се различават по маса, брой електрони в електронната обвивка и заряд на ядрото. По-нататъшни изследвания показват, че бета разпадът превръща някои химични елементи в други. През 1911 г. Ръдърфорд предлага ядрен модел на атома. Същността на модела беше следната: атомът се състои от положително заредено ядро ​​и отрицателно заредени електрони, които се движат около ядрото. Логично беше да се предположи, че в такъв модел на атома по време на радиоактивен алфа или бета разпад, именно в ядрото на атома настъпва промяна, тъй като ако се промени само броят на електроните, тогава нов химичен елемент няма да бъде получен, но ще се получи йон от същия химичен елемент ...

Разпад на формулата

Алфа разпадът на радий се записва, както следва:

(226,88) Ra -> (222,86) Rn + (4,2) He.

картина

Във формулата по-горе (226.88) Ra означава ядрото на радиевия атом, (222.86) Rn е ядрото на радоновия атом и (4.2) He е алфа частица или ядрото на хелиев атом.

Моля, имайте предвид, че за обозначаване на ядрото на атома се използва същата нотация, както и за самия атом. Нека се заемем с индексите. Числото отгоре се нарича масово число. Масовият номер на ядрото на атома показва колко атомни масови единици се съдържат в масата на ядрото на даден атом. Числото, което е записано по-долу, се нарича номер на такса. Номерът на заряда на ядрото на атома показва колко елементарни електрически заряда се съдържат в заряда на ядрото на даден атом. Масовите и зарядните числа винаги са цели и положителни стойности. Те нямат отделна единица за обозначение, тъй като изразяват колко пъти масата и зарядът на ядрото на даден атом е по-голям от единичните индикатори.

Същността на явлението

Нека анализираме уравнението на реакцията, което записахме за алфа разпада на ядрото на радиевия атом.

(226,88) Ra -> (222,86) Rn + (4,2) He.

Имаме, че ядрото на радиевия атом по време на излъчването на алфа частица е загубило 4 единици маса и два елементарни заряда и по този начин се е превърнало в ядро ​​на радоновия атом. Може да се проследи, че законите за запазване на масовото число и заряда са изпълнени. Нека добавим отделно масовите числа и зарядните числа на получените два елемента:

Както можете да видите, те дават същите стойности като ядрото на радиевия атом. От всичко казано по-горе следва, че ядрото на атома също се състои от някои частици, тоест, с други думи, има сложен състав. И сега можем да прецизираме определението за радиоактивност. Радиоактивност- способността на ядрата на някои атоми да се трансформират спонтанно в други ядра, като същевременно излъчват частици.

Радиоактивност

Анри Бекерел през 1896 г. открива радиоактивността на естествения уран. Всеки елемент от периодичната таблица на Менделеев се състои от няколко вида атоми. Ядрата с еднакъв брой протони могат да имат различен брой неутрони и съответно различни масови числа. Нуклони със същия атомен номер, но различни масови числа се наричат ​​изотопи . Например естественият уран има три изотопа. 234 U, 235 U, 238 U. В момента са известни около 3000 изотопа. Някои от тях са стабилни (276, принадлежащи към 83 природни елемента), други са нестабилни, радиоактивни. Много елементи с атомен номер по-голям от този на оловото (Z = 82) са радионуклиди. Радиоактивността се състои във факта, че ядрата на радиоактивните елементи имат способността да се трансформират спонтанно в други елементи с излъчване на алфа, бета частици и гама кванти или чрез делене; в този случай първоначалното ядро ​​се трансформира в ядрото на друг елемент. Самото явление радиоактивност се определя само от вътрешната структура на атомното ядро ​​и не зависи от външни условия (температура, налягане и др.).

Естествена радиоактивност... Естествено срещащите се радиоактивни изотопи съставляват малка част от всички известни изотопи. Около 70 радионуклида се намират в земната кора, водата и въздуха. Поредица от нуклиди, всеки от които спонтанно, поради радиоактивен разпад, преминава в следващия, докато се получи стабилен изотоп, се нарича радиоактивна серия. Първоначалният нуклид се нарича родителски нуклид, а всички останали нуклиди в серията се наричат ​​дъщерни нуклиди. В природата има три радиоактивни серии (семейства): уран, актиноуран и торий.

Изкуствена радиоактивност.Изкуствената радиоактивност е открита за първи път от Ирен и Фредерик Жолио-Кюри през 1934 г. От радиологична гледна точка няма особена разлика между естествена и изкуствена радиоактивност; изкуствените радиоактивни изотопи се получават при ядрени реакции. Ядрените трансформации могат да се наблюдават, когато целевите ядра са бомбардирани от частици (неутрони, протони, алфа частици и др.). Повечето от радиоактивните изотопи се произвеждат изкуствено в ядрени реактори и ускорители в резултат на взаимодействието на йонизиращо лъчение със стабилни изотопи.

При радиоактивен разпад се разграничават следните видове трансформации:

алфа разпад, бета разпад, улавяне на електрони (K-улавяне), изомерен преход и спонтанно делене.

Алфа разпад... Феноменът алфа разпад е наблюдаван за първи път при изследването на естествената радиоактивност. Алфа разпадът е характерен за ядрата на елементите, разположени в края на периодичната таблица. При алфа разпад радиоактивното ядро ​​излъчва алфа частица, която е ядрото на хелиев атом с двоен положителен заряд и четири атомни масови единици. Променяйки се, той се превръща в ядро, чийто електрически заряд е по-малък от първоначалния с две единици, а масовото число е по-малко от първоначалното с четири единици.

Бета разпад... По време на бета разпада ядрата могат да излъчват електрони (e -) - електронен разпад или позитрони (e +) - позитронен разпад. Позитронът, за разлика от електрона, има положителен заряд, но същата маса. В резултат на електронния разпад масовият номер на ядрото остава непроменен и зарядът се увеличава с едно, ядрото на оригиналния елемент се превръща в ядро ​​със сериен номер още един. В резултат на разпадането на позитрон масовото число на ядрото също остава непроменено, а зарядът намалява с единица; сърцевината на оригиналния елемент се превръща в ядро ​​със сериен номер едно по-малко. Позитронният разпад е характерен само за незначителна част от изкуствените радионуклиди. Електроните и позитроните, излъчвани по време на бета разпада, се наричат ​​бета частици. В допълнение към бета частиците, ядрото излъчва неутрино („неутрон“, както Ферми нарече тази частица) – незаредена частица с маса, близка до нула. Процесът на алфа и бета разпад често е придружен от гама лъчение.

Електронно заснемане (K-capture).При някои радионуклиди атомното ядро ​​улавя електрон от най-близката до него К-обвивка. Това явление е подобно на позитронния разпад. В резултат на улавянето на електрон един от протоните на ядрото се превръща в неутрон, масовото число на ядрото остава непроменено, а зарядът намалява с едно. Процесът на улавяне на електрон от К-обвивката на атома се нарича още К-улавяне.

Процесът на улавяне на електрони е придружен от излъчване на характерни рентгенови лъчи.

Изомерен преход.Изомерният преход в радиоактивен източник е преход на ядро ​​(наречено изомер) от възбудено състояние в основно състояние чрез излъчване на фотон на гама лъчение, при което нито атомният номер, нито масовото число се променят. Изомерният преход е вид радиоактивен разпад.

Спонтанно разделяне.По време на спонтанно делене ядрото спонтанно се разпада на фрагменти със средна маса, които от своя страна могат да се разпаднат с излъчване на бета частици и гама кванти. Този процес се случва само с тежки ядра. Всички видове ядрени трансформации, настъпващи при радиоактивен разпад, са придружени от излъчване на йонизиращо лъчение.

През 1903 г. (т.е. още преди откриването на съществуването на атомни ядра) Ръдърфорд и неговият сътрудник, английският химик Фредерик Соди, откриват, че радиоактивният елемент радий в процеса на α-разпад (т.е. спонтанно излъчване на α-частици) се превръща в друг химичен елемент е радон.

Радият и радонът се различават по своите физични и химични свойства. Радият е метал, при нормални условия е в твърдо състояние, а радонът е инертен газ. Атомите на тези химични елементи се различават по маса, ядрен заряд и брой електрони в електронната обвивка. Те влизат в химични реакции по различни начини.

По-нататъшни експерименти с различни радиоактивни препарати показаха, че не само по време на α-разпад, но и по време на β-разпад, един химичен елемент се трансформира в друг.

След като Ръдърфорд предложи ядрения модел на атома през 1911 г., стана очевидно, че именно ядрото претърпява промени по време на радиоактивни трансформации. Всъщност, ако промените засегнаха само електронната обвивка на атома (например загуба на един или няколко електрона), тогава атомът би се превърнал в йон на същия химичен елемент, а не изобщо в атом на друг елемент с различни физични и химични свойства.

Реакцията на α-разпад на ядрото на радиевия атом с превръщането му в ядро ​​на радоновия атом се записва, както следва:

където знакът обозначава ядрото на радиев атом, знакът обозначава ядрото на радоновия атом, а знакът обозначава α-частица или, което е същото, ядрото на хелиев атом (т.е. атомните ядра са обозначени по същия начин като самите атоми в таблицата на Д. И. Менделеев).

Числото пред буквеното обозначение на ядрото отгоре се нарича масово число, а под него се нарича зарядно число (или атомно число).

Масовият номер на ядрото на атом на даден химичен елемент, с точност до цели числа, е равен на броя на единиците атомна маса, съдържащи се в масата на това ядро. Припомнете си, че една единица атомна маса (съкратено като 1 amu) е равна на 1/12 от масата на въглероден атом.

Номерът на заряда на ядрото на атом на даден химичен елемент е равен на броя на елементарните електрически заряди, съдържащи се в заряда на това ядро. (Припомнете си, че елементарен електрически заряд е най-малкият електрически заряд, положителен или отрицателен, равен по величина на заряда на електрона.)

Можете също да кажете това: номерът на заряда е равен на заряда на ядрото, изразен в елементарни електрически заряди.

И двете числа - маса и заряд - винаги са цели и положителни. Те нямат измерение (т.е. мерни единици), тъй като показват колко пъти масата и зарядът на ядрото са по-големи от единица.

Според уравнението на реакцията може да се види, че ядрото на радиевия атом, в резултат на излъчването на α-частица, губи приблизително четири атомни масови единици и два елементарни заряда, докато се трансформира в ядрото на радоновия атом .

Този запис е следствие от факта, че в процеса на радиоактивен разпад се изпълняват законите за запазване на масовото число и заряда: масовото число (226) и зарядът (88) на разпадащото се ядро ​​на радиевия атом са равни, съответно , към сумата от масовите числа (222 + 4 = 226) и сумата от зарядите (86 + 2 = 88) ядрата на атомите на радон и хелий, образувани в резултат на този разпад.

Така от откритието, направено от Ръдърфорд и Соди, следва, че ядрата на атомите имат сложен състав, тоест се състоят от някакъв вид частици. Освен това стана ясно, че радиоактивността е способността на някои атомни ядра да се трансформират спонтанно в други ядра с излъчване на частици.

Въпроси

1. Какво се случва с радиоактивните химични елементи в резултат на α- и β-разпад? Дай примери.
2. Коя част от атома - ядрото или електронната обвивка - претърпява промени по време на радиоактивен разпад? Защо мислиш така?
3. Какво е масовото число; номер на таксата?
4. Като използвате примера на реакцията на α-разпад на радий, обяснете какви са законите за запазване на заряда (числото на заряда) и масовото число.
5. Какво заключение следва от откритието, направено от Ръдърфорд и Соди?
6. Какво е радиоактивност?

Упражнение № 46