Bagaimana bahan radioaktif buatan diperoleh. Radioaktivitas alami dan buatan perairan alami

Radioaktivitas buatan ditemukan oleh pasangan Irène (1897–1956) dan Frédéric (1900–1958) Joliot-Curie. Pada tanggal 15 Januari 1934, catatan mereka dipresentasikan oleh J. Perrin pada pertemuan Akademi Ilmu Pengetahuan Paris. Irene dan Frederick mampu membuktikan bahwa setelah dibombardir oleh partikel alfa, beberapa unsur ringan - magnesium, boron, aluminium - memancarkan positron. Selanjutnya, mereka mencoba menetapkan mekanisme emisi ini, yang sifatnya berbeda dari semua kasus transformasi nuklir yang diketahui pada saat itu. Para ilmuwan menempatkan sumber partikel alfa (polonium) pada jarak satu milimeter dari aluminium foil. Mereka kemudian memaparkannya pada radiasi selama sekitar sepuluh menit. Pencacah Geiger-Muller menunjukkan bahwa foil tersebut memancarkan radiasi, yang intensitasnya menurun secara eksponensial seiring waktu, dengan waktu paruh 3 menit 15 detik. Dalam percobaan dengan boron dan magnesium, waktu paruh masing-masing adalah 14 dan 2,5 menit. Namun dalam percobaan dengan hidrogen, litium, karbon, berilium, nitrogen, oksigen, fluor, natrium, kalsium, nikel, dan perak, tidak ada fenomena seperti itu yang ditemukan. Namun, Joliot-Curies menyimpulkan bahwa radiasi yang disebabkan oleh pemboman atom aluminium, magnesium, dan boron tidak dapat dijelaskan oleh adanya pengotor dalam sediaan polonium. “Analisis radiasi boron dan aluminium di ruang awan menunjukkan,” tulis K. Manolov dan V. Tyutyunnik dalam buku mereka “Biography of the Atom,” bahwa itu adalah aliran positron. Jelas terlihat bahwa para ilmuwan sedang menghadapi fenomena baru yang sangat berbeda dari fenomena lainnya. kasus yang diketahui transformasi nuklir. Reaksi nuklir yang diketahui sampai saat itu bersifat eksplosif, sedangkan emisi elektron positif oleh beberapa unsur ringan yang disinari dengan sinar alfa polonium berlanjut selama kurang lebih lama setelah sumber sinar alfa dihilangkan. Dalam kasus boron, misalnya, waktu ini mencapai setengah jam.” Joliot-Curie sampai pada kesimpulan bahwa di sini yang sedang kita bicarakan tentang radioaktivitas nyata, yang diwujudkan dalam emisi positron. Bukti baru diperlukan, dan pertama-tama, penting untuk mengisolasi isotop radioaktif yang sesuai. Berdasarkan penelitian Rutherford dan Cockroft, Irene dan Frederic Joliot-Curie mampu menetapkan apa yang terjadi pada atom aluminium ketika mereka dibombardir dengan partikel polonium alfa. Pertama, partikel alfa ditangkap oleh inti atom aluminium, yang muatan positifnya meningkat dua unit, akibatnya ia berubah menjadi inti atom fosfor radioaktif, yang oleh para ilmuwan disebut “radiofosfor”. Proses ini disertai dengan emisi satu neutron, itulah sebabnya massa isotop yang dihasilkan bertambah bukan empat, tetapi tiga unit dan menjadi sama dengan 30. Isotop fosfor yang stabil memiliki massa 31. “Radiofosfor” dengan muatan 15 dan massa 30 meluruh dengan waktu paruh 3 menit 15 detik , memancarkan satu positron dan berubah menjadi isotop silikon yang stabil. Satu-satunya bukti yang tak terbantahkan bahwa aluminium berubah menjadi fosfor dan kemudian menjadi silikon dengan muatan 14 dan massa 30 hanyalah isolasi unsur-unsur ini dan identifikasinya menggunakan karakteristik kualitatifnya. reaksi kimia. Bagi ahli kimia mana pun yang bekerja dengan senyawa stabil, ini adalah tugas yang sederhana, namun bagi Irene dan Frederic situasinya sangat berbeda: atom fosfor yang mereka hasilkan hanya bertahan selama tiga menit. Ahli kimia mempunyai banyak metode untuk mendeteksi unsur ini, namun semuanya memerlukan penentuan yang panjang. Oleh karena itu, pendapat para ahli kimia sepakat: untuk mengidentifikasi fosfor waktu singkat mustahil. Namun, pasangan Joliot-Curie tidak mengenal kata “mustahil”. Dan meskipun tugas yang “mustahil” ini membutuhkan kerja keras, ketegangan, ketangkasan yang luar biasa, dan kesabaran yang tiada habisnya, tugas itu dapat diselesaikan. Meskipun hasil produk transformasi nuklir sangat rendah dan massa zat yang mengalami transformasi sangat kecil - hanya beberapa juta atom, dimungkinkan untuk menetapkan sifat kimia fosfor radioaktif yang dihasilkan. Penemuan radioaktivitas buatan langsung dinilai sebagai salah satu penemuan terbesar abad ini. Sebelumnya, radioaktivitas yang melekat pada beberapa unsur tidak dapat disebabkan, dimusnahkan, atau diubah oleh manusia. Pasangan Joliot-Curie adalah orang pertama yang menyebabkan radioaktivitas secara artifisial dengan memperoleh isotop radioaktif baru. Para ilmuwan telah meramalkan hal-hal hebat nilai teoritis penemuan ini dan kemungkinan-kemungkinannya aplikasi praktis dalam biologi dan kedokteran. Sudah di tahun depan Penemu radioaktivitas buatan, Irène dan Frédéric Joliot-Curie, dianugerahi Hadiah Nobel Kimia. Melanjutkan penelitiannya, ilmuwan Italia Fermi menunjukkan bahwa pemboman dengan neutron menyebabkan radioaktivitas buatan logam berat. Enrico Fermi (1901–1954) lahir di Roma. Bahkan sebagai seorang anak, Enrico menunjukkan bakat yang luar biasa dalam matematika dan fisika. Pengetahuannya yang luar biasa dalam ilmu-ilmu ini, yang diperoleh terutama sebagai hasil pendidikan mandiri, memungkinkan dia menerima beasiswa pada tahun 1918 dan masuk Perguruan Tinggi. sekolah biasa di Universitas Pisa. Enrico kemudian mendapat posisi sementara sebagai dosen matematika untuk ahli kimia di Universitas Roma. Pada tahun 1923, dia melakukan perjalanan bisnis ke Jerman, ke Göttingen, untuk menemui Max Born. Sekembalinya ke Italia, Fermi bekerja di Universitas Florence dari Januari 1925 hingga musim gugur 1926. Di sini dia mendapatkan yang pertama gelar akademis“profesor asosiasi bebas” dan, yang paling penting, menciptakan karyanya sendiri karya terkenal tentang statistik kuantum. Pada bulan Desember 1926, ia menjabat sebagai profesor di departemen yang baru didirikan fisika teoritis di Universitas Roma. Di sini ia mengorganisir tim fisikawan muda: Rasetti, Amaldi, Segre, Pontecorvo dan lainnya, yang membentuk sekolah Italia fisika modern. Ketika departemen fisika teoretis pertama didirikan di Universitas Roma pada tahun 1927, Fermi, yang telah memperoleh otoritas internasional, terpilih sebagai ketuanya. Di sini, di ibu kota Italia, Fermi mengumpulkan beberapa ilmuwan terkemuka di sekitarnya dan mendirikan sekolah fisika modern pertama di negara itu. Di kalangan ilmiah internasional mulai disebut kelompok Fermi. Dua tahun kemudian Fermi diangkat Benito Mussolini ke posisi kehormatan anggota yang baru dibentuk Akademi Kerajaan Italia. Pada tahun 1938 Fermi dianugerahi Hadiah Nobel dalam fisika. Dalam keputusan tersebut Komite Nobel dikatakan bahwa hadiah tersebut diberikan kepada Fermi “untuk bukti keberadaan unsur radioaktif baru yang diperoleh melalui iradiasi dengan neutron, dan penemuan terkait reaksi nuklir disebabkan oleh neutron lambat." Enrico Fermi segera mengetahui tentang radioaktivitas buatan, pada musim semi tahun 1934, segera setelah pasangan Joliot-Curie mempublikasikan hasilnya. Fermi memutuskan untuk mengulangi eksperimen Joliot-Curie, tetapi mengambil jalur yang sama sekali berbeda, menggunakan neutron sebagai partikel yang membombardir. Fermi kemudian menjelaskan alasan ketidakpercayaan fisikawan lain terhadap neutron dan tebakan keberuntungannya sendiri: “Penggunaan neutron sebagai partikel yang membombardir mempunyai kelemahan yaitu jumlah neutron yang dapat dibuang secara praktis tidak dapat diukur.” angka yang lebih sedikit partikel alfa diterima dari sumber radioaktif, atau jumlah proton dan deuteron yang dipercepat dalam perangkat bertegangan tinggi. Namun kelemahan ini sebagian dikompensasi oleh efisiensi neutron yang lebih besar dalam melakukan transformasi nuklir buatan. Neutron juga memiliki keunggulan lain. Mereka ada di dalam secara luas mampu menyebabkan transformasi nuklir. Jumlah unsur yang dapat diaktifkan oleh neutron jauh melebihi jumlah unsur yang dapat diaktifkan oleh partikel jenis lain.” Pada musim semi tahun 1934, Fermi mulai menyinari unsur-unsur dengan neutron. "Senjata neutron" Fermi adalah tabung kecil yang panjangnya beberapa sentimeter. Mereka diisi dengan “campuran” bubuk berilium halus dan pancaran radium. Beginilah cara Fermi mendeskripsikan salah satu sumber neutron ini: “Itu adalah tabung kaca yang hanya berukuran 1,5 cm ... di dalamnya terdapat butiran berilium; Sebelum menyolder tabung, perlu memasukkan sejumlah pancaran radium ke dalamnya. Partikel alfa dipancarkan oleh radon masuk jumlah besar bertabrakan dengan atom berilium dan menghasilkan neutron... Percobaan dilakukan sebagai berikut. Sepiring aluminium, atau besi, atau secara umum unsur yang ingin dipelajari, ditempatkan di dekat sumber neutron dan dibiarkan selama beberapa menit, jam atau hari (tergantung kasus spesifik). Neutron yang dipancarkan dari suatu sumber bertabrakan dengan inti materi. Dalam hal ini, banyak reaksi nuklir yang terjadi berbagai jenis... "Seperti apa semua ini dalam praktiknya? Sampel yang diteliti adalah waktu yang ditentukan di bawah iradiasi neutron yang intens, kemudian salah satu karyawan Fermi benar-benar menjalankan sampel tersebut ke pencacah Geiger-Muller yang terletak di laboratorium lain dan mencatat denyut pencacahnya. Lagi pula, banyak radioisotop buatan baru yang berumur pendek. Dalam pesan pertama tertanggal 25 Maret 1934, Fermi melaporkan bahwa dengan membombardir aluminium dan fluor, ia memperoleh isotop natrium dan nitrogen yang memancarkan elektron (dan bukan positron, seperti pada Joliot-Curie). Metode pemboman neutron terbukti sangat efektif, dan Fermi menulis bahwa efisiensi tinggi dalam menghasilkan fisi "sepenuhnya mengkompensasi kelemahan sumber neutron yang ada dibandingkan dengan sumber partikel alfa dan proton." Faktanya, banyak hal yang diketahui. Neutron menabrak inti atom yang ditembakkan, mengubahnya menjadi isotop tidak stabil, yang secara spontan membusuk dan dipancarkan. Dalam radiasi ini terdapat sesuatu yang tidak diketahui: beberapa isotop yang diproduksi secara artifisial memancarkan sinar beta, yang lain memancarkan sinar gamma, dan yang lainnya lagi memancarkan partikel alfa. Setiap hari jumlah isotop radioaktif yang diperoleh secara artifisial meningkat. Setiap reaksi nuklir baru harus dipahami agar dapat dipahami transformasi yang kompleks atom Untuk setiap reaksi perlu ditentukan sifat radiasinya, karena hanya dengan mengetahuinya seseorang dapat membayangkan sebuah diagram peluruhan radioaktif dan memprediksi elemen yang akan dihasilkan hasil akhir. Kemudian giliran para ahli kimia. Mereka harus mengidentifikasi atom yang dihasilkan. Ini juga membutuhkan waktu. Menggunakan "senjata neutron" miliknya, Fermi membombardir fluor, aluminium, silikon, fosfor, klorin, besi, kobalt, perak, dan yodium. Semua elemen ini diaktifkan, dan dalam banyak kasus Fermi dapat menunjukkannya sifat kimia unsur radioaktif yang dihasilkan. Ia berhasil mengaktifkan 47 dari 68 elemen yang dipelajari dengan metode ini. Terinspirasi oleh keberhasilannya, ia bekerja sama dengan F. Rasetti dan O. Dagostino melakukan pemboman neutron terhadap unsur-unsur berat: thorium dan uranium. “Percobaan telah menunjukkan bahwa kedua unsur tersebut, yang sebelumnya dimurnikan dari pengotor aktif biasa, dapat diaktifkan dengan kuat ketika dibombardir oleh neutron.” Pada tanggal 22 Oktober 1934, Fermi membuat penemuan mendasar. Dengan menempatkan irisan parafin di antara sumber neutron dan silinder perak yang diaktifkan, Fermi memperhatikan bahwa irisan tersebut tidak mengurangi aktivitas neutron, namun sedikit meningkatkannya. Fermi menyimpulkan bahwa efek ini kemungkinan besar disebabkan oleh adanya hidrogen dalam parafin, dan memutuskan untuk menguji pengaruhnya terhadap aktivitas fisi. jumlah besar unsur yang mengandung hidrogen. Setelah melakukan percobaan terlebih dahulu dengan parafin, kemudian dengan air, Fermi mencatat peningkatan aktivitas ratusan kali lipat. Eksperimen Fermi menunjukkan efisiensi yang luar biasa neutron lambat. Tapi, selain luar biasa hasil percobaan, pada tahun yang sama Fermi mencapai pencapaian teoritis yang luar biasa. Sudah ada dalam terbitan Desember 1933 dalam bahasa Italia jurnal ilmiah Pemikiran awalnya tentang peluruhan beta telah dipublikasikan. Pada awal tahun 1934, artikel klasiknya “Tentang Teori Sinar Beta” diterbitkan. Ringkasan penulis artikel tersebut berbunyi: “Sebuah teori kuantitatif peluruhan beta diusulkan, berdasarkan keberadaan neutrino: dalam hal ini, emisi elektron dan neutrino dianggap dengan analogi dengan emisi kuantum cahaya atom tereksitasi dalam teori radiasi. Rumus diturunkan dari masa hidup inti dan bentuk spektrum sinar beta yang kontinu; rumus yang dihasilkan dibandingkan dengan eksperimen.” Fermi dalam teori ini melahirkan hipotesis neutrino dan model inti proton-neutron, juga menerima hipotesis putaran isotonik yang diajukan oleh Heisenberg untuk model ini. Berdasarkan gagasan yang diungkapkan Fermi, Hideki Yukawa meramalkan pada tahun 1935 adanya partikel elementer baru, yang sekarang dikenal sebagai pi meson, atau pion. Mengomentari teori Fermi, F Rasetti menulis: “Teori yang ia bangun atas dasar ini ternyata mampu bertahan selama dua setengah dekade dengan hampir tidak berubah. perkembangan revolusioner fisika nuklir. Mungkin perlu diperhatikan bahwa teori fisika jarang sekali ia lahir dalam bentuk akhir seperti itu.”

Radioaktivitas adalah... kemampuan inti beberapa atom unsur kimia secara spontan berubah menjadi inti unsur kimia lainnya dengan pelepasan energi dalam bentuk radiasi. Zat yang ada di alam disebut radioaktif alami, sedangkan zat yang memperoleh sifat ini secara artifisial disebut radioaktif buatan. Fenomena radioaktivitas ditemukan pada tahun 1896 oleh fisikawan Perancis A. Becquerel ketika mempelajari pendar garam uranium. Selama peluruhan garam uranium secara spontan, tidak tergantung pada penyebab eksternal, sinar yang mirip dengan sinar-X dipancarkan: mereka menembus zat buram, mengekspos kertas foto, gas terionisasi, dan mempengaruhi jaringan hidup. Pada tahun 1898 Marie Sklodowska-Curie menemukan radioaktivitas thorium. Dia juga menunjukkan hal itu bijih uranium memiliki radioaktivitas yang lebih besar dibandingkan dengan uranium murni. Marie dan Pierre Curie mengemukakan bahwa garam uranium mengandung campuran zat radioaktif lain, yang ternyata adalah polonium dan radium.

Radiasi dari unsur radioaktif alam, seperti yang ditunjukkan oleh fisikawan Inggris E. Rutherford (1911), memiliki sifat fisik yang berbeda-beda. Beberapa sinar dalam medan listrik dibelokkan menuju konduktor bermuatan negatif, yang menunjukkan adanya muatan positif; mereka disebut sinar-ά. Bagian lain dari sinar tersebut dibelokkan menuju konduktor bermuatan positif. Sinar bermuatan negatif ini disebut sinar β. Sinar netral yang tidak dibelokkan oleh medan listrik disebut sinar γ.

Mempelajari esensi peluruhan radioaktif alami membawa E. Rutherford pada kesimpulan tentang kemungkinan fisi inti buatan. Pada tahun 1919, ketika membombardir inti atom nitrogen dengan partikel ά, ia melumpuhkan partikel bermuatan positif - sebuah proton. Pada saat yang sama, unsur kimia baru terbentuk - oksigen.

Pada tahun 1932, muncul data tentang keberadaan inti atom, bersama dengan proton, neutron yang ukurannya serupa. Fisikawan Soviet D. D. Ianenko, E. G. Gapon dan fisikawan Jerman Goldhaber mengembangkan teori tentang struktur proton-neutropik inti atom. Fisikawan Inggris Chadwick menemukan neutron pada tahun 1933. Irene dan Frederic Joliot-Curie, ketika membombardir partikel aluminium, boron, dan magnesium, menerima positron bersama dengan neutron. Selain itu, positron dipancarkan bahkan setelah iradiasi aluminium dihentikan, yaitu diperoleh untuk pertama kalinya. unsur radioaktif secara artifisial.

2713A1 +42 ά→10n + 3015P→ e+ + 3014Si

Generator neutron pertama, yang dihasilkan dalam akselerator partikel bermuatan berat (siklotron), dirancang pada tahun 1936 oleh Laurence.

Pada tahun 1940 fisikawan Soviet G. N. Flerov dan K. A. Petrzhak menemukan fenomena fisi spontan inti uranium menjadi fragmen besar dengan pelepasan 2-3 neutron bebas, yang, pada gilirannya, menyebabkan fisi inti lain dengan pelepasan neutron baru, dll. Kemungkinan tersebut ditunjukkan reaksi berantai, yang dapat digunakan untuk menyinari unsur kimia stabil dengan neutron dan mengubahnya menjadi radioaktif. Berbeda dengan partikel alfa, neutron, yang netral secara listrik, dengan mudah menembus inti atom, memindahkannya ke keadaan tereksitasi.

Pada tahun 1942, di AS, fisikawan Italia E. Fermi pertama kali mencapai reaksi berantai dalam praktiknya dengan menciptakan reaktor nuklir yang berfungsi. Perkembangan sampel pertama dimulai pada Perang Dunia Kedua senjata atom. Itu digunakan oleh Amerika pada tahun 1945 selama pemboman kota-kota Jepang Hiroshima dan Nagasaki. Pada tahun 1954, Uni Soviet memulai pengoperasian komersial pembangkit listrik tenaga nuklir pertama di dunia.

Berkat penciptaan reaktor atom dan akselerator partikel bermuatan kuat, kini telah diperoleh isotop radioaktif dari seluruh unsur kimia yang dapat digunakan untuk kebutuhan perekonomian nasional, termasuk obat-obatan.

Isotop radioaktif buatan diperoleh dengan membombardir inti atom unsur kimia stabil dengan neutron, proton, deuteron, serta dari produk fisi uranium atau plutonium dalam reaktor nuklir.

Contohnya adalah reaksi untuk menghasilkan radiofosfor:

3115P + 10n → 3215P atau 3115P + 11H → 3215P + e+ + p.

Fenomena radioaktivitas ditemukan pada tahun 1896 oleh fisikawan Perancis Henri Becquerel. Ia menemukan bahwa zat yang mengandung uranium memancarkan sinar tak kasat mata yang menggelapkan pelat fotografi dan dapat menembus kertas, kayu, dan media padat lainnya. Beberapa waktu kemudian, fisikawan terkenal Perancis Marie Sklodowska-Curie dan Pierre Curie menemukan bahwa selain uranium, thorium dan polonium juga memiliki kemampuan memancarkan sinar tersebut. Beberapa saat kemudian (1898) mereka menemukan radium. Keluarga Curie mengisolasi radium dalam bentuk murni, yang merupakan logam lunak berwarna putih keperakan yang sifatnya mirip dengan barium. Penelitian menunjukkan bahwa intensitas radiasi yang dipancarkan radium jutaan kali lebih besar dibandingkan dengan uranium. Becquerel dan Curie menunjukkan pengaruh kuat radiasi radium pada tubuh manusia.

Kemampuan beberapa unsur untuk memancarkan sinar yang ditemukan oleh Becquerel disebut radioaktivitas oleh Curie, dan zat dengan kemampuan ini disebut zat radioaktif.

Saat ini, radiasi yang timbul dari peluruhan radioaktif disebut radiasi pengion atau nuklir. Nama pertama dikaitkan dengan salah satu sifat utama radiasi ini - kemampuan menghasilkan ionisasi di lingkungan. Namun kemampuan ini juga dimiliki oleh sinar-x dan sebagian ultraviolet. Oleh karena itu, nama “radiasi nuklir” lebih tepat.

Unsur radioaktif alami

Pemancar alami atau alami adalah semua isotop radioaktif yang terdapat di alam dan tidak diciptakan oleh manusia. Fenomena radioaktivitas alam seperti disebutkan sebelumnya ditemukan di akhir XIX abad. Jejak radioaktivitas alami dapat ditemukan di semua benda hidup dan tak hidup.

Penemuan radioaktivitas alam mempunyai dampak besar bagi banyak orang konsep mendasar sains. Fenomena radioaktivitas alam digunakan untuk menciptakan metode yang efektif mempelajari struktur mikroskopis zat dan sifat-sifatnya. Radioaktivitas penghasil emisi alami mulai digunakan dalam mempelajari struktur inti atom untuk memperkirakan umur bumi dan mengukur laju sedimentasi di dasar laut.

Saat ini, sekitar 340 isotop telah ditemukan di alam, 70 di antaranya bersifat radioaktif, terutama isotop logam berat.

Jumlah utama isotop radioaktif alami adalah milik elemen berat. Semua unsur dengan nomor atom lebih besar dari 80 memiliki isotop radioaktif. Isotop unsur dengan nomor atom lebih dari 82 umumnya tidak diketahui dalam keadaan stabil, semuanya radioaktif. Selain penghasil radioaktif yang terjadi secara alami asal duniawi, ada beberapa isotop yang terbentuk selama interaksi sinar kosmik dengan gas atmosfer bumi Dan elemen terpisah kerak bumi. Yang terpenting adalah karbon (C 14) dan tritium (H 3).

Isotop radioaktif alam yang terdapat di alam dapat dibagi menjadi tiga kelompok. Kelompok pertama mencakup unsur radioaktif alami, yang isotopnya diketahui bersifat radioaktif. Kelompok ini mencakup tiga keluarga isotop yang mengalami transformasi berturut-turut: rangkaian uranium - radium, thorium, dan aktinium. Produk peluruhan antara golongan radioaktif ini berupa isotop padat dan gas (emanasi). Nilai tertinggi dari golongan ini adalah uranium (U 235), thorium (Th 232), radium (Ra 226) dan radon (Rn 222, Rn 220). Kelompok kedua mencakup isotop unsur-unsur kimia yang berkerabat secara genetis, yaitu tidak membentuk keluarga. Golongan ini meliputi kalium (K 40), kalsium (Ca 48), rubidium (Rb 87), zirkonium (Zr 96), lantanum (La 138), samarium (Sm 147), lutetium (Lu 176). Dari kelompok ini, kalium adalah yang paling penting: ia menentukan nilai terbesar radioaktivitas alami.

Kelompok ketiga mencakup apa yang disebut isotop kosmogenik, yang terbentuk di stratosfer di bawah pengaruh sinar kosmik, ditangkap oleh presipitasi atmosfer dan termasuk dalam komposisinya. permukaan bumi. Golongan ini meliputi tritium (H 3), berilium (Be 7, Be 10) dan karbon (C 14).

Penghasil emisi alami sebagian besar adalah isotop berumur panjang, dengan waktu paruh 10 8 --10 16 tahun. Selama proses peluruhan, mereka memancarkan partikel b dan b, serta sinar g. Biasanya isotop radioaktif alami ini ditemukan dalam keadaan sangat tersebar.

Isotop radioaktif buatan

Selain isotop radioaktif alami yang ada dalam campuran unsur alami, banyak isotop radioaktif buatan yang diketahui. Isotop radioaktif buatan diproduksi sebagai hasil dari berbagai reaksi nuklir. Studi tentang radioaktivitas alam menunjukkan bahwa transformasi suatu unsur kimia menjadi unsur lain disebabkan oleh perubahan yang terjadi di dalam inti atom, yaitu. proses intranuklear. Dalam hal ini, upaya dilakukan untuk mengubah beberapa unsur kimia menjadi unsur lain secara artifisial dengan mempengaruhi inti atom.

Untuk mengubah beberapa unsur kimia menjadi unsur lain, inti atom perlu terkena pengaruh sedemikian rupa sehingga akan menyebabkan perubahan inti dan transformasi terkait dari beberapa unsur menjadi unsur lain. Oleh karena itu, diperlukan sumber energi dengan urutan yang sama dengan energi ikatan intranuklear. Obat yang efektif dampak pada inti atom adalah membombardirnya dengan partikel energi tinggi(dari beberapa juta hingga puluhan miliar elektron volt).

Pada awalnya, partikel b dari radiasi radioaktif digunakan sebagai partikel pembom.

Pada tahun 1919, Rutherford adalah orang pertama yang membelah inti nitrogen secara artifisial dengan membombardirnya dengan partikel polonium b. Kemudian mereka mulai menggunakan partikel bermuatan lainnya, pertama-tama memberikan mereka kecepatan yang sangat tinggi ( energi kinetik) di akselerator khusus. Selain itu, aliran partikel bermuatan dan netral yang dihasilkan oleh reaktor nuklir saat ini digunakan. Proses transformasi inti atom disebabkan oleh pengaruh yang cepat partikel elementer(atau inti atom lain) disebut reaksi nuklir. Misalnya, setelah melewatkan sinar-b melalui lapisan nitrogen, atom-atom isotop oksigen dan inti atom hidrogen terbentuk, yaitu. proton. Reaksi nuklir ini berlangsung sebagai berikut: partikel ab memasuki inti nitrogen dan diserap olehnya. Terbentuk inti perantara isotop fluor 9 F 18 yang ternyata tidak stabil, langsung mengeluarkan satu proton dan berubah menjadi isotop oksigen.

Saat ini, reaksi nuklir dicatat dengan cara yang lebih singkat. Setelah lambang inti atom mengalami pemboman, partikel pemboman dan partikel lain hasil reaksi ditunjukkan dalam tanda kurung; Simbol inti atom - produk - ditempatkan di belakang tanda kurung. Cara penulisan reaksi yang dimaksud mungkin terlihat seperti ini. Reaksi nuklir buatan pertama, yang dilakukan oleh Rutherford, menegaskan kemungkinan terjadinya reaksi nuklir buatan dan secara langsung menunjukkan bahwa proton adalah bagian dari inti atom dan dapat dikeluarkan dari inti tersebut.

Semua reaksi nuklir disertai dengan emisi partikel elementer tertentu (termasuk g-kuanta). Produk dari banyak reaksi nuklir ternyata bersifat radioaktif. Fenomena radioaktivitas buatan sudah diketahui secara terbuka fisikawan Perancis Irène dan Frédéric Joliot-Curie pada tahun 1934. Mereka adalah orang pertama yang secara artifisial memperoleh isotop radioaktif dari unsur-unsur yang muncul secara alami sebagai isotop stabil. Isotop semacam ini disebut isotop radioaktif buatan.

Isotop radioaktif buatan pertama diperoleh dengan membombardir unsur boron, magnesium, dan aluminium dengan partikel b. Ketika aluminium dibombardir, neutron dilepaskan dan isotop fosfor diperoleh yang memancarkan positron. Isotop fosfor ternyata radioaktif, inti atomnya memancarkan positron dan berubah menjadi inti silikon. reaksi membombardir aluminium dengan partikel b, yang ditemukan oleh pasangan Joliot-Curie, menunjukkan tampilan baru peluruhan radioaktif - peluruhan positron, yang tidak diamati pada isotop bioaktif alami.

Belakangan diketahui bahwa isotop radioaktif buatan dapat diperoleh dengan cara membombardir isotop stabil tidak hanya partikel b, tetapi neutron dan lain-lain partikel nuklir.

Saat ini, isotop radioaktif diketahui hampir semua unsur dan dapat diperoleh dalam berbagai macam reaksi nuklir. Jadi, bahkan isotop yang sama dapat diperoleh melalui reaksi nuklir yang sangat berbeda. Setelah penemuan radioaktivitas buatan, menjadi mungkin untuk menerapkan “label” pada atom dari hampir setiap unsur kimia. Isotop radioaktif buatan mulai digunakan sebagai atom berlabel. Metode pelabelan atom saat ini sangat penting dalam berbagai bidang dan praktik ilmiah.

Perlu dicatat bahwa metode atom yang diberi tag mengacu pada bekerja dengan isotop stabil dan radioaktif, jika isotop ini digunakan sebagai indikator. Isotop radioaktif lebih sering digunakan sebagai atom berlabel daripada banjir stabil.

Saat ini, industri menggunakan tiga metode utama untuk memperoleh isotop radioaktif buatan: 1) pengeboman senyawa kimia dan unsur oleh partikel nuklir; 2) pemisahan kimiawi dari campuran isotop; 3) pelepasan produk peluruhan isotop radioaktif alami.

Untuk pekerjaan biologi dan pertanian, isotop yang diperoleh dengan dua metode pertama sangatlah penting. Pada skala industri, isotop radioaktif buatan diproduksi dengan menyinari (terutama neutron) unsur kimia terkait dalam reaktor nuklir. Sebagai hasil dari reaksi nuklir tipe (n, r), diperoleh isotop dari unsur yang diiradiasi. Dalam reaksi tipe (n, b) dan (n, p), isotop unsur lain terbentuk.

Dalam pembentukan radiasi latar, mereka memainkan peran penting sumber buatan radiasi. Fenomena radioaktivitas buatan ditemukan pada tahun 1934 oleh pasangan Joliot-Curie, yang menunjukkan bahwa ketika partikel alfa membombardir inti unsur ringan, terbentuk unsur lain yang bersifat radioaktif.

Inti elemen stabil juga dapat dibombardir dengan neutron. Saat ini, lebih dari 900 radionuklida yang diperoleh secara artifisial telah diketahui. Terutama banyak radionuklida buatan yang diproduksi di reaktor nuklir, termasuk. dan reaktor pembangkit listrik tenaga nuklir. Kebanyakan dari mereka adalah pemancar alfa dan memiliki waktu paruh yang panjang. Tidak ada unsur yang tidak memiliki isotop radioaktif.

Radionuklida buatan muncul sehubungan dengan aktivitas manusia. Mereka dibagi menjadi tiga kelompok:

1. Produk radioaktif fisi nuklir. Mereka muncul selama reaksi fisi inti 235U, 238U, 239Pu, dll., yang terjadi sebagai akibat dari aksi neutron pada inti tersebut. Sumber kelompok radionuklida ini di atmosfer adalah tes senjata nuklir, pekerjaan siklus bahan bakar nuklir dan perusahaan industri nuklir (pembangkit listrik tenaga nuklir, pembangkit radiokimia, dll). Pada ledakan nuklir sekitar 250 isotop dari 35 unsur terbentuk. Produk fisi radioaktif (RFP): meliputi: 131J, 137Cs, 90Sr, 140 Ba, 133Xe dan banyak lainnya. Waktu paruh RPD berkisar dari beberapa detik hingga beberapa puluh tahun.

Radionuklida yang dihasilkan sebagian besar merupakan pemancar beta dan gamma (131J, 137Cs, 140Ba), sisanya hanya memancarkan partikel beta (90 Sr, 135Cs) atau partikel alfa (144Nd, 147Sm).

2. Radioaktif elemen transuranik, timbul di instalasi tenaga nuklir dan selama ledakan nuklir sebagai akibat dari reaksi nuklir yang berurutan dengan inti atom bahan fisil dan peluruhan radioaktif berikutnya dari bahan yang dihasilkan. inti superberat. Radionuklida ini termasuk 237Np, 239Pu, 241Am, 242Cm, dll. Radionuklida ini sebagian besar bersifat alfa aktif, ditandai dengan sangat jangka waktu yang lama waktu paruh, kurangnya isotop stabil.

3. Produk radioaktivitas terinduksi, terbentuk sebagai hasil reaksi nuklir partikel elementer. Neutron yang dihasilkan selama reaksi berantai fisi uranium atau plutonium mempengaruhi inti unsur lingkungan yang stabil, mengubahnya menjadi radioaktif (reaksi aktivasi). Radionuklida tersebut antara lain: 45Ca, 24Na, 27Mg, 29Al, 31Si, 65Zn, 54Fe, dll. Paling mereka membusuk dengan emisi partikel beta dan radiasi gamma.

Komponen utama penyusunnya adalah buatan (IRF) adalah:

Paparan radioaktif pada manusia meliputi iradiasi beta dan gamma dari radionuklida yang ada di udara tanah dan disimpan di permukaan bumi; akibat kontaminasi kulit dan pakaian dengan radionuklida; karena paparan internal dari radionuklida yang masuk ke dalam tubuh melalui udara, makanan, dan air yang dihirup.

2. Pencemaran yang bersifat lokal, regional dan global, yang disebabkan oleh emisi yang tidak disengaja dari pembangkit listrik tenaga nuklir dan limbah radioaktif, dan terutama pada saat terjadi kecelakaan di pembangkit listrik tenaga nuklir. Saat bekerja reaktor nuklir seperti halnya ledakan nuklir, sejumlah besar radionuklida terbentuk (produk fisi 235U, 234Pu). Sebagian besar produk fisi tertahan dan tetap langsung dalam komposisi bahan bakar. Limbah radioaktif dapat berupa gas, aerosol, cairan, dan padatan. Untuk menunda emisi gas aerosol dari pembangkit listrik tenaga nuklir, dipasang filter, ruang penahan, dan sistem radiokromatografi (adsorpsi gas pada karbon aktif). Pelepasan gas-aerosol adalah masuknya zat radioaktif ke dalam pipa knalpot setinggi 100-150 m. Menyebar di atmosfer membentuk awan pelepasan. Ketika awan bergerak di atmosfer, manusia terkena radiasi beta dan gamma. Partikel aerosol, jatuh dari awan, menetap di medan dan bermigrasi ke dalam elemen sistem ekologi. Beberapa radionuklida yang diambil dari makanan bertanggung jawab Jika cacat terbentuk pada lapisan batang bahan bakar, maka produk fisi dapat masuk ke cairan pendingin. Limbah cair mungkin berakhir di sungai dan danau.

Selama pengoperasian perusahaan industri uranium, dimungkinkan untuk mencemari lingkungan dengan radionuklida pada setiap tahap produksi (penambangan, pemrosesan, pengayaan uranium, penyiapan bahan bakar nuklir). Ya, di pertambangan lingkungan terkontaminasi radionuklida dari keluarga uranium-235, terutama radon dan produk peluruhannya yang ditemukan di udara ventilasi. Timbunan bijih berkadar rendah di dekat pabrik pengolahan juga merupakan sumber emisi radon dan produk pembusukannya ke atmosfer. Saat meregenerasi bahan bakar nuklir di pabrik radiokimia, emisi dapat mencakup 3H, 14C, 137Cs, dll.

3. Penggunaan sumber terbuka radiasi pengion V produksi industri, pertanian, V tujuan ilmiah, obat-obatan, dll. Yang radioaktif banyak digunakan dalam industri. Misalnya saja memantau keausan ring piston pada mesin pembakaran dalam dilakukan dengan menyinari cincin dengan neutron, sehingga menjadi radioaktif. Saat mesin beroperasi, partikel bahan cincin masuk ke dalam oli pelumas. Dengan memeriksa tingkat radioaktivitas pada minyak di atas waktu tertentu pengoperasian mesin, temukan keausan cincin. Dengan menggunakan deteksi cacat radioaktif, keberadaan, lokasi, bentuk dan ukuran cacat internal pada bahan dan produk, dll.

Radionuklida banyak digunakan dalam pengobatan. Dengan bantuan mereka, kondisi masing-masing organ didiagnosis - hati, paru-paru, kelenjar tiroid, dll. (32Р, 57Се, 131J, 133Хе, dst.). Mereka digunakan untuk mendiagnosis dan mengobati tumor. Untuk tujuan ini, 131J dimasukkan ke dalam tubuh, karena metabolisme pada tumor terjadi lebih cepat daripada di jaringan sehat, radioisotop yodium terakumulasi lebih cepat di dalam tumor. Dengan memeriksa radiasi pada berbagai bagian tubuh, lokasi tumor dapat ditemukan.

Sterilisasi radiasi pada instrumen memainkan peran khusus. jarum suntik sekali pakai, kapas, perban, dll. Radionuklida juga telah diterapkan di bidang pertanian. benih meningkatkan perkecambahan dan produktivitasnya. Radiasi juga digunakan untuk disinfeksi biji-bijian dan pengawetan produk pertanian. Zat radioaktif (radiasinya) juga digunakan dalam arkeologi, geologi, geokimia dan industri lainnya.

Radioaktivitas disebut transformasi isotop tidak stabil suatu unsur kimia menjadi isotop unsur lain,disertai dengan emisi beberapa partikel.

Radioaktivitas alami disebut radioaktivitas,diamati pada isotop tidak stabil yang terjadi secara alami.

Radioaktivitas buatan disebut radioaktivitas isotop,diperoleh sebagai hasil reaksi nuklir.

Pada Gambar. Gambar 9.3 menunjukkan eksperimen klasik yang memungkinkan penemuan komposisi yang kompleks radiasi radioaktif.

Obat radioaktif ditempatkan di dasar saluran sempit dalam wadah timah. Pelat fotografi ditempatkan di saluran. Radiasi yang muncul dari saluran dipengaruhi oleh medan magnet kuat yang tegak lurus sinar. Seluruh instalasi ditempatkan dalam ruang hampa.

Biasanya semua jenis radioaktivitas disertai dengan emisi radiasi gamma - keras , gelombang pendek radiasi elektromagnetik . Radiasi gamma adalah bentuk utama pengurangan energi produk transformasi radioaktif yang tereksitasi. Inti yang mengalami peluruhan radioaktif disebut keibuan; muncul anak perusahaan inti atom, pada umumnya, menjadi tereksitasi, dan peralihannya ke keadaan dasar disertai dengan emisi foton.

Dalam tabel Tabel 1 menunjukkan jenis utama radioaktivitas.

Tabel 1

Peluruhan inti atom secara spontan dapat terjadi hukum peluruhan radioaktif :

Di mana N 0 – jumlah inti dalam volume materi tertentu momen awal waktu T = 0, N– jumlah inti dalam volume yang sama pada saat itu T, λ – peluruhan konstan , yang mempunyai arti peluang peluruhan nuklir dalam 1 detik dan sama dengan fraksi peluruhan inti per satuan waktu.

Hukum peluruhan radioaktif spontan didasarkan pada dua asumsi:

Konstanta peluruhan tidak bergantung pada kondisi eksternal;

· Jumlah inti yang meluruh selama waktu dt sebanding dengan jumlah inti yang tersedia. Asumsi ini berarti bahwa peluruhan radioaktif adalah proses statistik dan peluruhan inti ini adalah peristiwa acak mempunyai kemungkinan tertentu.

Besarnya 1/λ sama dengan harapan hidup rata-rata (waktu hidup rata-rata) isotop radioaktif. Memang, total angka harapan hidup d N inti sama dengan: . Durasi rata-rataτ kehidupan semua inti yang ada:

.

(9.4.2)

Stabilitas inti terhadap peluruhan ditandai dengan setengah hidup T 1/2. Itulah sebutannya waktu, selama itu jumlah awal inti yang diberikan zat radioaktif berkurang setengahnya. Hubungan antara λ dan T 1/2:

.

(9.4.3)

Radioaktivitas alami diamati pada inti atom unsur kimia yang terletak di belakang timbal tabel periodik Mendeleev. Radioaktivitas alami inti ringan dan sedang hanya diamati pada inti , , , , , , .

Selama peluruhan inti radioaktif, hukum kekekalan muatan listrik terpenuhi:

Di mana Z SAYA e– muatan inti induk, ZSayae– muatan inti dan partikel yang dihasilkan dari peluruhan radioaktif. Hukum ini berlaku untuk mempelajari semua reaksi nuklir.

Aturan kekekalan nomor massa dalam kasus radioaktivitas alami:

Di mana A racun – jumlah massa inti induk, dan saya– jumlah massa inti atau partikel yang dihasilkan dari peluruhan radioaktif.

Aturan Pengimbangan (Aturan Faience dan Soddy) selama peluruhan radioaktif:

padaα -membusuk ;

padaβ – -membusuk .

Inilah inti keibuan, Y– lambang inti anak, – inti helium, – sebutan simbolis untuk elektron yang mana A= 0 dan Z = –1.