Радіоактивність. Ядерні реакції.


радіоактивність – самовільне перетворення нестійкого ізотопу одного хімічного елемента на ізотоп іншого елемента, що супроводжується вивільненням елементарних частинок або ядер.

Основні види радіоактивного розпаду:
α-розпад – ядро атома вивільняє два протони і два нейтрони, пов’язані в ядро атома гелію42H; цей розпад призводить до зменшення заряду вихідного радіоактивного ядра на 2, а його масового числа на 4.

β-розпад – один з нейтронів, що входить до складу ядра, перетворюється в протон; виникаючий при цьому електрон вилітає з ядра, позитивний заряд якого зростає на одиницю. Можливо також перетворення протона в нейтрон, що супроводжується виникненням позитрона (позитрон – елементарна частинка з масою рівною масі електрона, але позитивним зарядом, за абсолютною величиною заряд позитрона дорівнює заряду електрона).
Звідси розрізняють два види β-розпаду:
1. електронний β-розпад-розпад)

нейтрон → протон + електрон (+ нейтрино + антинейтрино – не записують в радіоактивних перетворень)
n → p + e

2. позитронний β-розпад+-розпад)

протон → нейтрон + позитрон
p → n + e+

Таким чином, в результаті β-розпаду утворюється атом елемента, заряд якого або більше на одиницю (у разі β-розпаду) або менше на одиницю (у разі β+-розпаду).

Процес перетворення протона в нейтрон з утворенням позитрона може відбуватися в тих випадках, коли нестійкість ядра викликана надлишковим вмістом в ньому протонів. При цьому, один з протонів, що входить до складу ядра перетворюється в нейтрон – заряд ядра зменшується на одиницю.

Електронне захоплення – вид радіоактивного розпаду, при якому один з електронів атомної електронної оболонки захоплюється ядром; взаємодія захопленого електрона з одним із протонів ядра, призводить до утворення нейтрона:

e + p → n

Електрон найчастіше захоплюється з найближчого до ядра K-шару (K-захоплення), рідше L – або M шарів електронної оболонки.

Спонтанний поділ – вид радіоактивного розпаду, при якому відбувається мимовільний розпад ядер тяжких елементів на два (іноді три або чотири ядра елементів середини Періодичної системи хімічних елементів. Варіанти такого поділу дуже різноманітні і не мають загальних правил зміщення по періодичній системі; найчастіше відбувається розпад вихідного ядра на важкий і легкий осколки, що несуть, відповідно, близько 60 і 40 відсотків заряду і маси вихідного ядра. При спонтанному розподілі розпадається ядро та вивільняє 2-4 нейтрона; утворюються нові ядра які все ще містять надлишок нейтронів (є ізотопами своїх елементів), виявляються нестійкими і тому зазнають послідовний ряд β-розпадів.

Хімічні елементи розташовані в кінці Періодичної системи (після Бісмуту), не мають стабільних ізотопів. піддаючись радіоактивного розпаду, вони перетворюються в інші елементи. Якщо знову утворився радіоактивний елемент, він теж розпадається, перетворюючись у третій елемент, і так далі до тих пір, поки результатом розпаду не буде атом стійкого ізотопу. Ряд елементів, що утворюються таким чином, один з іншого, називається радіоактивним рядом. Наприклад, радіоактивний ряд урану:

238U → (α; Т½ = 4.5·109 років) → 234Th → (β; Т½ = 24 доби) → 234Pa → (β; Т½ = 1.2 хвилини) → 234U → (α; Т½ = 2.5·105 років) → 230Th → (α; Т½ = 8·104 років) → 226Ra → (α; Т½ = 1620 років) → 222Rn → (α; Т½ = 3.85 доби) → 218Po → (α; Т½ = 3.05 хвилини) → 214Pb → (β; Т½ = 27 хвилин) → 214Bi→ (α; Т½ = 20 хвилин) → 214Po → (α; Т½ = 6·10-4 c) → 210Pb → (β; Т½ = 19 років) → 210Bi → (β; Т½ = 5 діб) → 210Po → (α; Т½ = 138 діб) →206Pb (стійкий)

При β-розпаді масове число ізотопу не змінюється, а при α-розпаді зменшується на 4. Тому можливе існування 4 радіоактивних рядів:
– один з них містить ізотопи, масові числа яких відображені загальною формулою 4n (n – ціле число) – ряд Торію 232Th → 208Pb;
– другому відповідає загальна формула масового числа 4n + 1 – ряд Нептунія 237Np (отриманий штучно) → 209Bi;
– третій – 4n + 2 – це і є радіоактивний ряд Урану;
– четвертому 4n + 3 – ряд Актинія, що починається з 235U → 207Pb.

Свинцевий метод визначення віку. Накопичення свинцю в результаті розпаду радіоактивних елементів які містяться у мінералах дозволяє визначати вік відповідних гірських порід. Знаючи швидкість розпаду 238U, 232Th, 235U і визначивши їх зміст, а також зміст і ізотопний склад свинцю в мінералі, можна обчислити вік мінералу, тобто час, що минув з моменту його утворення.
Гелієвий метод визначення віку. Придатний для мінералів з протонним кристалічним упакуванням, добре зберігає в кристалах гази, вік радіоактивного мінералу встановлюється за кількістю гелію який утворився в ньому в результаті радіоактивних перетворень.
Радіовуглецевий метод визначення віку. Застосовують для порівняно молодих утворень (до 70000 років). Метод заснований на радіоактивному розпаді ізотопу Карбону-14, період напіврозпаду якого дорівнює 5600 років. Цей ізотоп утворюється в атмосфері під дією космічного випромінювання і засвоюється організмами, після загибелі яких його вміст зменшується за законом радіоактивного розпаду. Радіоактивність міститься у викопних рештках вуглецю, які порівнюють з радіоактивністю вуглецю в атмосфері і розраховують геологічний вік.

Штучна радіоактивність.
Була виявлена в 1933 р. Ірен Кюрі і Фредерік Жоліо-Кюрі. Перша штучна ядерна реакція була здійснена в 1919 р. Резерфордом. Впливаючи на атоми азоту потоком альфа-частинок, йому вдалося здійснити наступний процес:

17N + 4He → 17O + p

Для здійснення ядерної реакції, бомбардуюча частка повинна володіти великою енергією, яка досягається шляхом її розгону в прискорювачах елементарних частинок (циклотрони, сінхрофазотроны та ін). В даний час отримані сотні радіоактивних ізотопів хімічних елементів, а також нові хімічні елементи, якими поповнюється Періодична система. Розділ хімії, що вивчає радіоактивні елементи та їх поведінку, називається радіохімія (існує ще радіаційна хімія – розділ хімії який вивчає вплив іонізуючих випромінювань на хімічні процеси).

Перша ядерна реакція, яку застосували для отримання енергії, являє собою поділ ядра урану 235U під дією нейтрона. При цьому утворюється два нових ядра-осколки майже однакової маси, та вивільняється кілька нейтронів – це вторинні нейтрони, і також вивільняється величезна енергія: при розпаді 1 грама 235U виділяється 7,5·107 кДж, це кількість енергії більше, ніж виділяється при згорянні 2 тонн кам’яного вугілля. Вторинні нейтрони можуть захоплюватися іншими ядрами 235U, і в свою чергу викликати їх розподіл. Таким чином, кількість окремих актів розпаду прогресивно збільшується, виникає ланцюгова реакція поділу ядер урану – ланцюгова ядерна реакція.
Не всі вторинні нейтрони беруть участь в розвитку цього ланцюгового процесу: деякі з них встигають вилетіти за межі шматка урану, не встигнувши зіткнутися з ядром здатного до поділу ізотопу. Тому в невеличкому шматку урану, розпочавшись, ланцюгова реакція може обірватися. Для її безперервного продовження, маса шматка урану повинна бути досить велика, така маса радіоактивної речовини, при якій виникає ядерна ланцюгова реакція та яка набуває безперервний характер, називається – критична маса радіоактивної речовини. Неконтрольована ланцюгова ядерна реакція, може набути характер вибуху, що і відбувається при вибуху атомної бомби.
Для одержання керованої ядерної реакції ділення необхідно регулювати швидкість процесу, шляхом контролю над кількістю нейтронів які беруть участь в ядерній реакції. Контроль кількості нейтронів, здійснюється шляхом введення в реактор спеціальних стрижнів, виготовлених з матеріалів які інтенсивно поглинають нейтрони (наприклад, кадмій).

Реакції ядерного синтезу, також є джерелом величезної кількості енергії. Так, при утворенні ядра атома гелію з ядер дейтерію і тритію:

2H + 3H → 4He + n

на кожен грам реакційної суміші виділяється 35·107 кДж, що майже в 5 разів більше, ніж при розпаді 1 г Урану-235. Для проведення таких реакцій ядерного синтезу, необхідна температура близько 1 мільйона градусів за Цельсієм, тому такі реакції ядерного синтезу отримали назву – реакції термоядерного синтезу або просто термоядерна реакція.
У зв’язку з технологічною складністю отримання такої високої температури, необхідної для ініціації термоядерної реакції, поки вдалося здійснити лише некеровану термоядерну реакцію (воднева бомба), і поодинокі приклади лабораторних експериментів на прискорювачах заряджених частинок.

Останнім часом, у сучасній науці, все більше уваги приділяють вивченню властивостей та законів руху речовин які мають нанометричний розмір ( < 10-9 метра). На межі між макросвітом та мікросвітом, поведінка матерії, частки якої мають такий розмір, її фізико-хімічні властивості, змінюються, починають взаємодіяти між собою за іншими, проміжними законами. Це надає науковцям величезний простір для експериментів та дослідів, також і в площині ядерних реакцій.

Радіація – іонізуюче випромінювання.
Іонізуючі випромінювання – це різні види мікрочастинок і фізичних полів, здатні іонізувати речовину.
Існують два типи іонізуючого випромінювання:

Короткохвильове електромагнітне випромінювання

  • рентгенівське випромінювання
  • гамма-випромінювання

Потоки частинок

  • альфа-частинок
  • бета-частинок
  • протонів, мюонів, інших іонів
  • інші частинки ядра-осколки виникають від ділення ядер

Джерела іонізуючого випромінювання бувають:

Природні

  • радіоактивний розпад радіонуклідів
  • термоядерні реакції на Сонці
  • індуковані ядерні реакції виникають в результаті попадання в ядро високоенергетичних частинок при розпаді ядер
  • космічні промені

Штучні

  • штучні радіонукліди
  • ядерні реактори і випробування ядерної зброї
  • прискорювачі елементарних частинок
  • Рентгенівський апарат

Побутові дозиметри вимірюють іонізацію за певний час – її потужність. Одиниця виміру — мікрорентген на годину. Саме цей показник найбільш важливий для людини, так як дозволяє оцінити небезпеку того чи іншого джерела радіації.
1 рентген — це доза фотонного випромінювання, що утворює іони, які несуть 1 од. заряду СГСЕ((1/3)·10-9 кулон) в 1 см3 повітря при нормальному атмосферному тиску і 0°C. У повітрі в 1см3 утворюється 2,08·109 пар іонів.
Зіверт (позначення: Зв, Sv) — одиниця виміру СІ ефективної та еквівалентної доз іонізуючого випромінювання (використовується з 1979 р.). 1 Зв = 1 Дж / кг
Грей (позначення: Гр, Gy) — одиниця вимірювання поглиненої дози іонізуючого випромінювання в системі СІ. Поглинена доза дорівнює одному грею, якщо в результаті поглинання іонізуючого випромінювання речовина отримала один джоуль енергії в розрахунку на один кілограм маси. 1Гр = 1Дж / кг
1 рентген/годину = 1 Зв


Comments are closed.