Kaip gaunamos dirbtinės radioaktyviosios medžiagos. Natūralus ir dirbtinis natūralių vandenų radioaktyvumas

Dirbtinį radioaktyvumą atrado pora Irène (1897–1956) ir Frédéric (1900–1958) Joliot-Curie. 1934 m. sausio 15 d. jų užrašą J. Perrinas pristatė Paryžiaus mokslų akademijos posėdyje. Irene ir Frederickas sugebėjo nustatyti, kad po alfa dalelių bombardavimo kai kurie lengvieji elementai – magnis, boras, aliuminis – išskiria pozitronus. Toliau jie bandė nustatyti šios emisijos mechanizmą, kuris savo pobūdžiu skyrėsi nuo visų tuo metu žinomų branduolinių transformacijų atvejų. Mokslininkai įdėjo alfa dalelių (polonio) šaltinį vieno milimetro atstumu nuo aliuminio folijos. Tada jie maždaug dešimt minučių ją apšvitino. Geigerio-Muller skaitiklis parodė, kad folija skleidžia spinduliuotę, kurios intensyvumas laikui bėgant eksponentiškai mažėja, o pusinės eliminacijos laikas yra 3 minutės 15 sekundžių. Atliekant eksperimentus su boru ir magniu, pusinės eliminacijos laikas buvo atitinkamai 14 ir 2,5 minutės. Tačiau atliekant eksperimentus su vandeniliu, ličiu, anglimi, beriliu, azotu, deguonimi, fluoru, natriu, kalciu, nikeliu ir sidabru tokių reiškinių nerasta. Tačiau Joliot-Curies padarė išvadą, kad aliuminio, magnio ir boro atomų bombardavimo sukeltos spinduliuotės negalima paaiškinti jokių priemaišų buvimu polonio preparate. „Boro ir aliuminio spinduliavimo debesų kameroje analizė parodė“, – savo knygoje „Atomo biografija“ rašo K. Manolovas ir V. Tyutyunnikas, kad tai yra pozitronų srautas. Tapo aišku, kad mokslininkai susiduria su nauju reiškiniu, kuris gerokai skyrėsi nuo visų kitų. žinomų atvejų branduolinės transformacijos. Iki tol žinomos branduolinės reakcijos buvo sprogstamojo pobūdžio, o kai kurių šviesos elementų, apšvitintų polonio alfa spinduliais, teigiamų elektronų emisija tęsėsi dar daugiau ar mažiau ilgą laiką po to, kai buvo pašalintas alfa spindulių šaltinis. Pavyzdžiui, boro atveju šis laikas siekia pusvalandį. Joliot-Ciuri priėjo prie išvados, kad čia mes kalbame apie apie tikrąjį radioaktyvumą, pasireiškiantį pozitrono emisija. Reikėjo naujų įrodymų ir, visų pirma, reikėjo išskirti atitinkamą radioaktyvų izotopą. Remdamiesi Rutherfordo ir Cockroft tyrimais, Irene ir Fredericas Joliot-Curie sugebėjo nustatyti, kas nutinka aliuminio atomams, kai jie yra bombarduojami polonio alfa dalelėmis. Pirma, alfa daleles sugauna aliuminio atomo branduolys, kurio teigiamas krūvis padidėja dviem vienetais, todėl jis virsta radioaktyvaus fosforo atomo, mokslininkų vadinamo „radiofosforu“, branduoliu. Šį procesą lydi vieno neutrono emisija, todėl susidariusio izotopo masė padidėja ne keturiais, o trimis vienetais ir tampa lygi 30. Stabilus fosforo izotopas turi masę 31. „Radiofosforas“ su 15 krūvis ir 30 masės skilimas, kurio pusinės eliminacijos laikas yra 3 minutės 15 sekundžių, išspinduliuoja vieną pozitroną ir virsta stabiliu silicio izotopu. Vienintelis ir neginčijamas įrodymas, kad aliuminis virsta fosforu, o paskui siliciu, kurio krūvis 14, o masė 30, galėtų būti tik šių elementų išskyrimas ir identifikavimas naudojant jiems būdingą kokybinę informaciją. cheminės reakcijos. Bet kuriam chemikui, dirbančiam su stabiliais junginiais, tai buvo paprasta užduotis, tačiau Irene ir Frederic situacija buvo visiškai kitokia: jų pagaminti fosforo atomai truko kiek ilgiau nei tris minutes. Chemikai turi daug metodų, kaip aptikti šį elementą, tačiau visiems jiems reikia ilgo apsisprendimo. Todėl chemikų nuomonė buvo vieninga: identifikuoti fosforą kaip tokį trumpam laikui neįmanomas. Tačiau Joliot-Curie sutuoktiniai nepripažino žodžio „neįmanoma“. Ir nors ši „neįmanoma“ užduotis pareikalavo stulbinančio darbo, įtampos, virtuoziško miklumo ir begalinės kantrybės, ji buvo išspręsta. Nepaisant itin mažos branduolinių virsmų produktų išeigos ir visiškai nereikšmingos transformaciją patyrusios medžiagos masės – vos kelių milijonų atomų, pavyko nustatyti Cheminės savybės susidariusio radioaktyvaus fosforo. Dirbtinio radioaktyvumo atradimas iš karto buvo įvertintas kaip vienas didžiausių šimtmečio atradimų. Prieš tai kai kuriems elementams būdingo radioaktyvumo žmogus negalėjo sukelti, sunaikinti ar kitaip pakeisti. Joliot-Curie pora buvo pirmoji, kuri dirbtinai sukėlė radioaktyvumą, gaudama naujų radioaktyvių izotopų. Mokslininkai numatė puikų teorinė vertėšis atradimas ir jo galimybės praktiniai pritaikymai biologijoje ir medicinoje. Jau įtraukta kitais metais Dirbtinio radioaktyvumo atradėjai Irène ir Frédéric Joliot-Curie buvo apdovanoti Nobelio chemijos premija. Tęsdamas šiuos tyrimus, italų mokslininkas Fermi parodė, kad bombardavimas neutronais sukelia dirbtinį radioaktyvumą sunkieji metalai. Enrico Fermi (1901–1954) gimė Romoje. Net vaikystėje Enrico puikiai išmanė matematiką ir fiziką. Jo puikios žinios šiuose moksluose, įgytos daugiausia savišvietos būdu, leido jam 1918 m. gauti stipendiją ir įstoti į aukštąsias mokyklas. normali mokykla Pizos universitete. Tada Enrico gavo laikinas chemikų matematikos dėstytojo pareigas Romos universitete. 1923 m. jis išvyko į komandiruotę į Vokietiją, Getingeną, pas Maxą Borną. Grįžęs į Italiją, Fermi dirbo Florencijos universitete nuo 1925 m. sausio mėn. iki 1926 m. rudens. Čia jis gauna savo pirmąjį akademinis laipsnis„laisvas docentas“ ir, svarbiausia, kuria savo garsus darbas apie kvantinę statistiką. 1926 m. gruodį jis užėmė naujai įsteigtos katedros profesoriaus pareigas teorinė fizika Romos universitete. Čia jis subūrė jaunų fizikų komandą: Rasetti, Amaldi, Segre, Pontecorvo ir kitus, kurie sudarė italų mokykla šiuolaikinė fizika. Kai 1927 metais Romos universitete buvo įkurta pirmoji teorinės fizikos katedra, jos vadovu buvo išrinktas tarptautinį autoritetą įgijęs Fermis. Čia, Italijos sostinėje, Fermis subūrė keletą iškilių mokslininkų ir įkūrė pirmąją šalyje šiuolaikinės fizikos mokyklą. Tarptautiniuose mokslo sluoksniuose ji pradėta vadinti Fermi grupe. Po dvejų metų Fermi buvo paskirtas Benito Mussoliniį naujai sukurtos nario garbės pareigas Karališkoji akademija Italija. 1938 m. Fermi buvo apdovanotas Nobelio premija fizikoje. Sprendime Nobelio komitetas buvo pasakyta, kad premija Fermi buvo skirta „už naujų radioaktyvių elementų, gautų apšvitinant neutronais, egzistavimo įrodymus ir su tuo susijusį atradimą branduolinės reakcijos sukelia lėti neutronai“. Enrico Fermi apie dirbtinį radioaktyvumą sužinojo iš karto, 1934 m. pavasarį, kai tik Joliot-Curie sutuoktiniai paskelbė savo rezultatus. Fermi nusprendė pakartoti Joliot-Curie eksperimentus, tačiau pasuko visiškai kitu keliu, naudodamas neutronus kaip bombarduojančias daleles. Vėliau Fermi paaiškino kitų fizikų nepasitikėjimo neutronais priežastis ir savo laimingą spėjimą: „Neutronų, kaip bombarduojančių dalelių, naudojimas kenčia dėl to, kad neutronų, kuriuos galima praktiškai pašalinti, skaičius yra neišmatuojamas. mažesnis skaičius alfa dalelių, gautų iš radioaktyviųjų šaltinių, arba aukštos įtampos įrenginiuose pagreitintų protonų ir deuteronų skaičius. Tačiau šį trūkumą iš dalies kompensuoja didesnis neutronų efektyvumas atliekant dirbtines branduolines transformacijas. Jie yra didžiąja dalimi galintis sukelti branduolines transformacijas. Elementų, kuriuos gali suaktyvinti neutronai, skaičius gerokai viršija elementų, kuriuos gali suaktyvinti kitų tipų dalelės, skaičių. 1934 m. pavasarį Fermi pradėjo apšvitinti elementus neutronais. Fermi „neutroniniai ginklai“ buvo maži, kelių centimetrų ilgio vamzdeliai. Jie buvo užpildyti smulkių berilio miltelių ir radžio emanacijos „mišiniu“. Štai kaip Fermis apibūdino vieną iš šių neutronų šaltinių: „Tai buvo tik 1,5 cm dydžio stiklinis vamzdis... kuriame buvo berilio grūdelių; Prieš lituojant vamzdį, į jį reikėjo įvesti tam tikrą radžio emanaciją. Alfa dalelės, kurias išskiria radonas didelis skaičius susiduria su berilio atomais ir gamina neutronus... Eksperimentas atliekamas taip. Aliuminio, geležies arba apskritai elemento, kurį norima ištirti, plokštė dedama arti neutronų šaltinio ir paliekama kelioms minutėms, valandoms ar dienoms (priklausomai nuo konkretaus atvejo). Iš šaltinio skleidžiami neutronai susiduria su medžiagos branduoliais. Tokiu atveju įvyksta daug branduolinių reakcijų įvairių tipų...“ Kaip visa tai atrodė praktiškai? Tiriamas pavyzdys buvo nurodytą laiką intensyviai apšvitinant neutronais, vienas iš Fermi darbuotojų tiesiogine prasme nuvedė mėginį į Geigerio-Muller skaitiklį, esantį kitoje laboratorijoje, ir užregistravo skaitiklio impulsus. Juk daug naujų dirbtinių radioizotopų buvo trumpalaikiai. Pirmajame pranešime, 1934 m. kovo 25 d., Fermi pranešė, kad bombarduodamas aliuminį ir fluorą jis gavo natrio ir azoto izotopus, kurie išspinduliavo elektronus (o ne pozitronus, kaip Joliot-Curie). Neutronų bombardavimo metodas pasirodė esąs labai veiksmingas, ir Fermi rašė, kad šis didelis efektyvumas gaminant dalijimąsi „visiškai kompensuoja esamų neutronų šaltinių silpnumą, palyginti su alfa dalelių ir protonų šaltiniais“. Tiesą sakant, daug kas buvo žinoma. Neutronai atsitrenkia į padegto atomo branduolį, paversdami jį nestabilus izotopas, kuris spontaniškai sunyko ir išsiskyrė. Šioje spinduliuotėje glūdi nežinomybė: vieni dirbtinai pagaminti izotopai skleidė beta spindulius, kiti gama spindulius, treti – alfa daleles. Kiekvieną dieną dirbtinai gautų radioaktyviųjų izotopų skaičius didėjo. Norint suprasti, reikėjo suprasti kiekvieną naują branduolinę reakciją sudėtingos transformacijos atomai Kiekvienai reakcijai reikėjo nustatyti spinduliuotės prigimtį, nes tik ją žinant galima įsivaizduoti diagramą radioaktyvusis skilimas ir numatyti elementą, kuris atsiras galutinis rezultatas. Tada atėjo chemikų eilė. Jie turėjo identifikuoti gautus atomus. Tai taip pat užtruko. Naudodamas savo „neutroninį ginklą“, Fermis bombardavo fluorą, aliuminį, silicį, fosforą, chlorą, geležį, kobaltą, sidabrą ir jodą. Visi šie elementai buvo aktyvuoti, ir daugeliu atvejų Fermi galėjo nurodyti cheminė prigimtis susidaręs radioaktyvusis elementas. Jam pavyko suaktyvinti 47 iš 68 šiuo metodu tirtų elementų. Įkvėptas sėkmės, jis, bendradarbiaudamas su F. Rasetti ir O. Dagostino, ėmėsi sunkiųjų elementų: torio ir urano bombardavimo neutronais. „Eksperimentai parodė, kad abu elementai, anksčiau išvalyti nuo įprastų aktyvių priemaišų, gali būti stipriai suaktyvinti, kai juos bombarduoja neutronai. 1934 m. spalio 22 d. Fermis padarė esminį atradimą. Įdėjęs parafino pleištą tarp neutronų šaltinio ir aktyvuoto sidabro cilindro, Fermi pastebėjo, kad pleištas neutronų aktyvumo nesumažino, o šiek tiek padidino. Fermi padarė išvadą, kad šį poveikį greičiausiai lėmė vandenilio buvimas parafine, ir nusprendė išbandyti, kaip tai paveiktų dalijimosi aktyvumą. didelis skaičius vandenilio turintys elementai. Atlikęs eksperimentą pirmiausia su parafinu, paskui su vandeniu, Fermi pastebėjo šimtus kartų padidėjusį aktyvumą. Fermi eksperimentai atskleidė didžiulį efektyvumą lėti neutronai. Tačiau, be nuostabaus Eksperimentiniai rezultatai, tais pačiais metais Fermi pasiekė puikių teorinių laimėjimų. Jau 1933 metų gruodžio mėnesio numeryje italų kalba mokslinis žurnalas Buvo paskelbtos jo preliminarios mintys apie beta skilimą. 1934 m. pradžioje buvo paskelbtas jo klasikinis straipsnis „Beta spindulių teorijos link“. Straipsnio autoriaus santraukoje rašoma: „Siūloma kiekybinė beta skilimo teorija, pagrįsta neutrinų egzistavimu: šiuo atveju elektronų ir neutrinų emisija nagrinėjama pagal analogiją su emisija. šviesos kvantas sužadintas atomas radiacijos teorijoje. Formulės gaunamos iš branduolio gyvavimo trukmės ir ištisinio beta spindulių spektro formos; gautos formulės lyginamos su eksperimentu. Fermi šioje teorijoje pagimdė neutrino hipotezę ir branduolio protonų-neutronų modelį, taip pat priimdamas izotoninio sukimosi hipotezę, kurią šiam modeliui pasiūlė Heisenbergas. Remdamasis Fermi išsakytomis idėjomis, Hideki Yukawa 1935 metais numatė naujos elementarios dalelės, dabar žinomos kaip pi mezonas arba pionas, egzistavimą. Komentuodamas Fermi teoriją, F. Rasetti rašė: „Teorija, kurią jis sukūrė šiuo pagrindu, pasirodė galinti atlaikyti du su puse dešimtmečio beveik nepakitusi. revoliucinis vystymasis branduolinė fizika. Galima pažymėti, kad fizinė teorija retai gimsta tokia galutine forma“.

Radioaktyvumas yra. kai kurių atomų branduolių gebėjimas cheminiai elementai spontaniškai transformuojasi į kitų cheminių elementų branduolius, išskirdami energiją spinduliuotės pavidalu. Gamtoje esančios medžiagos vadinamos natūraliai radioaktyviomis, o medžiagos, kurios šią savybę įgijo dirbtinai – dirbtinai radioaktyviomis. Radioaktyvumo fenomeną 1896 metais atrado prancūzų fizikas A. Becquerel, tyrinėdamas urano druskų fosforescenciją. Spontaniško, nuo išorinių priežasčių nepriklausomo, urano druskų skilimo metu sklinda į rentgeno spindulius panašūs spinduliai: jie prasiskverbė. nepermatomos medžiagos, eksponuojamas fotopopierius, jonizuotos dujos ir paveikti gyvi audiniai. 1898 metais Marie Sklodowska-Curie atrado torio radioaktyvumą. Ji taip pat tai parodė urano rūda turi didesnį radioaktyvumą, palyginti su grynu uranu. Marie ir Pierre'as Curie pasiūlė, kad urano druskose yra kitų radioaktyvių medžiagų, kurios pasirodė esąs polonis ir radis, priemaišų.

Natūraliai radioaktyvių elementų spinduliuotė, kaip parodė anglų fizikas E. Rutherfordas (1911), turi skirtingas fizines savybes. Kai kurie elektriniame lauke esantys spinduliai nukreipiami link neigiamo krūvio laidininko, o tai rodo, kad jie teigiamas krūvis; jie buvo vadinami ά spinduliais. Kita dalis spindulių buvo nukreipta link teigiamo krūvio laidininko. Šie neigiamo krūvio spinduliai vadinami β spinduliais. Elektra neutralūs spinduliai, kurie nebuvo nukreipti elektrinio lauko, buvo vadinami γ spinduliais.

Natūralaus radioaktyvaus skilimo esmės tyrinėjimas privedė E. Rutherfordą prie išvados apie dirbtinio branduolių dalijimosi galimybę. 1919 m., bombarduodamas azoto atomo branduolį ά dalelėmis, jis išmušė teigiamai įkrautą dalelę – protoną. Tuo pačiu metu susiformavo naujas cheminis elementas – deguonis.

1932 m. pasirodė duomenų apie atomų branduolyje, kartu su protonais, į juos panašių neutronų buvimą. Sovietų fizikai D. D. Ianenko, E. G. Gaponas ir vokiečių fizikas Goldhaberis sukūrė teoriją apie protonų-neutropinę atomo branduolio struktūrą. Anglų fizikas Chadwickas neutroną atrado 1933 m. Irene ir Fredericas Joliot-Curie, bombarduodami aliuminio, boro ir magnio ά daleles, kartu su neutronais gavo ir pozitroną. Be to, pozitronai buvo išspinduliuojami net nutraukus aliuminio švitinimą, t.y. jie buvo gauti pirmą kartą radioaktyvieji elementai dirbtinai.

2713A1 +42 ά→10n + 3015P→ e+ + 3014Si

Pirmąjį neutronų generatorių, pagamintą sunkiųjų įkrautų dalelių greitintuve (ciklotronu), 1936 m. sukūrė Laurence.

1940 metais sovietų fizikai G. N. Flerovas ir K. A. Petržakas atrado savaiminio urano branduolių dalijimosi į didelius fragmentus reiškinį, kai išsiskiria 2-3 laisvųjų neutronų, kuris savo ruožtu sukėlė kitų branduolių dalijimąsi, išskirdamas naujus neutronus ir pan. grandininė reakcija, kuris galėtų būti naudojamas stabiliems cheminiams elementams apšvitinti neutronais ir paversti juos radioaktyviais. Priešingai nei alfa dalelės, neutronai, būdami elektriškai neutralūs, lengvai prasiskverbia į atomų branduolius, perkeldami juos į sužadintą būseną.

1942 metais JAV italų fizikas E. Fermis pirmą kartą praktiškai pasiekė grandininę reakciją, sukurdamas veikiantį branduolinį reaktorių. Pirmųjų pavyzdžių kūrimas datuojamas Antrojo pasaulinio karo metais atominiai ginklai. Jį JAV panaudojo 1945 m. per bombardavimą Japonijos miestai Hirosima ir Nagasakis. 1954 metais SSRS pradėjo komercinę pirmosios pasaulyje atominės elektrinės eksploataciją.

Sukūrus atominius reaktorius ir galingus įkrautų dalelių greitintuvus, dabar yra gauti visų cheminių elementų radioaktyvieji izotopai, kurie gali būti panaudoti šalies ūkio, taip pat ir medicinos, reikmėms.

Dirbtiniai radioaktyvūs izotopai gaunami bombarduojant stabilių cheminių elementų atomų branduolius neutronais, protonais, deuteronais, taip pat iš urano ar plutonio skilimo produktų branduoliniuose reaktoriuose.

Pavyzdys yra radiofosforo gamybos reakcija:

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

Radioaktyvumo fenomeną 1896 metais atrado prancūzų fizikas Henri Becquerel. Jis išsiaiškino, kad medžiagos, kuriose yra urano, skleidžia nematomus spindulius, kurie tamsina fotografijos plokštes ir gali prasiskverbti į popierių, medieną ir kitas tankias laikmenas. Po kurio laiko garsūs prancūzų fizikai Marie Sklodowska-Curie ir Pierre'as Curie nustatė, kad, be urano, tokius spindulius gali skleisti ir toris bei polonis. Šiek tiek vėliau (1898 m.) jie atrado radžio. Curies išskyrė gryną radį, kuris buvo minkštas sidabriškai baltas metalas, panašus į barį. Tyrimai parodė, kad radžio skleidžiamos spinduliuotės intensyvumas yra milijonus kartų didesnis nei urano. Bekerelis ir Kiuri parodė stiprų radžio spinduliuotės poveikį žmogaus organizmui.

Bekerelio atrastą kai kurių elementų savybę skleisti spindulius Kiuri vadino radioaktyvumu, o tokias savybes turinčias medžiagas – radioaktyviosiomis medžiagomis.

Šiuo metu radiacija, atsirandanti dėl radioaktyvaus skilimo, vadinama jonizuojančia arba branduoline spinduliuote. Pirmasis iš šių pavadinimų siejamas su viena iš pagrindinių šių spindulių savybių – gebėjimu sukelti jonizaciją aplinkoje. Tačiau šį gebėjimą taip pat turi rentgeno spinduliai ir iš dalies ultravioletiniai. Todėl pavadinimas „branduolinė spinduliuotė“ yra tikslesnis.

Natūralūs radioaktyvieji elementai

Natūralūs arba natūralūs spinduliuotojai yra visi radioaktyvūs izotopai, kurie atsiranda gamtoje ir nėra sukurti žmogaus. Natūralaus radioaktyvumo reiškinys, kaip minėta anksčiau, buvo atrastas m pabaigos XIX amžiaus. Natūralaus radioaktyvumo pėdsakų galima rasti visose gyvose ir negyvose medžiagose.

Natūralaus radioaktyvumo atradimas padarė didelę įtaką daugeliui pamatines sąvokas Mokslai. Kuriant buvo panaudotas natūralaus radioaktyvumo fenomenas veiksmingi metodai tiriant mikroskopinę medžiagų struktūrą ir jų savybes. Natūralių spindulių radioaktyvumas pradėtas naudoti tiriant jų struktūrą atomų branduoliaiįvertinti žemės amžių ir išmatuoti sedimentacijos greitį vandenyno dugne.

Šiuo metu gamtoje aptikta apie 340 izotopų, iš jų 70 radioaktyvūs, tai daugiausia sunkiųjų metalų izotopai.

Pagrindinis natūralių radioaktyviųjų izotopų kiekis priklauso sunkūs elementai. Visi elementai, kurių atominis skaičius didesnis nei 80, turi radioaktyvių izotopų. Elementų izotopai su atominis skaičius daugiau nei 82 stabilios būklės paprastai nežinomi, visi jie yra radioaktyvūs. Be natūralių radioaktyviųjų skleidėjų žemiškos kilmės, sąveikos metu susidaro keletas izotopų kosminiai spinduliai su dujomis žemės atmosfera Ir atskiri elementai Žemės pluta. Svarbiausi iš jų yra anglis (C 14) ir tritis (H 3).

Gamtoje randamus natūralius radioaktyvius izotopus galima suskirstyti į tris grupes. Pirmajai grupei priklauso natūralūs radioaktyvieji elementai, kurių žinomi izotopai yra radioaktyvūs. Šiai grupei priklauso trys nuosekliai transformuojančių izotopų šeimos: urano serija – radžio, torio ir aktinio. Šių radioaktyviųjų šeimų tarpiniai skilimo produktai yra ir kietieji, ir dujiniai izotopai (emanacijos). Aukščiausia vertė iš šios grupės yra uranas (U 235), toris (Th 232), radis (Ra 226) ir radonas (Rn 222, Rn 220). Antroji grupė apima cheminių elementų izotopus, kurie yra genetiškai susiję, tai yra, jie nesudaro šeimų. Šiai grupei priklauso kalis (K 40), kalcis (Ca 48), rubidis (Rb 87), cirkonis (Zr 96), lantanas (La 138), samaris (Sm 147), liutecis (Lu 176). Iš šios grupės kalis yra svarbiausias: jis lemia didžiausia vertybė natūralus radioaktyvumas.

Trečiajai grupei priklauso vadinamieji kosmogeniniai izotopai, kurie susidaro stratosferoje veikiant kosminiams spinduliams, yra užfiksuoti atmosferos kritulių ir iškrenta savo sudėtyje žemės paviršiaus. Šiai grupei priklauso tritis (H 3), berilis (Be 7, Be 10) ir anglis (C 14).

Natūralūs skleidėjai daugiausia ilgaamžiai izotopai, kurio pusinės eliminacijos laikas yra 10 8 -10 16 metų. Skilimo proceso metu jie išskiria b ir b daleles, taip pat g-spindulius. Paprastai šie natūraliai atsirandantys radioaktyvieji izotopai randami labai išsklaidytos būsenos.

Dirbtiniai radioaktyvieji izotopai

Be natūralių radioaktyviųjų izotopų, esančių natūraliame elementų mišinyje, yra žinoma daug dirbtinių radioaktyviųjų izotopų. Dirbtiniai radioaktyvieji izotopai susidaro dėl įvairių branduolinių reakcijų. Natūralaus radioaktyvumo tyrimas parodė, kad vienas cheminis elementas virsta kitu dėl pakitimų, vykstančių atomo branduolių viduje, t.y. intrabranduoliniai procesai. Šiuo atžvilgiu buvo bandoma vienus cheminius elementus dirbtinai paversti kitais, darant įtaką atomų branduoliams.

Norint paversti vienus cheminius elementus kitais, reikėjo atomų branduolius paveikti tokiomis įtakomis, kurios lemtų branduolių pasikeitimą ir su tuo susijusią vienų elementų transformaciją į kitus. Vadinasi, reikėjo tokios pat eilės energijos šaltinių, kaip ir vidinių branduolinių ryšių energija. Veiksminga priemonė poveikis atominiams branduoliams buvo jų bombardavimas dalelėmis aukšta energija(nuo kelių milijonų iki dešimčių milijardų elektronų voltų).

Iš pradžių radioaktyviosios spinduliuotės b-dalelės buvo naudojamos kaip bombarduojančios dalelės.

1919 metais Rutherfordas pirmasis dirbtinai suskaidė azoto branduolius, bombarduodamas juos polonio b dalelėmis. Tada jie pradėjo naudoti kitas įkrautas daleles, pirmiausia suteikdami jiems labai didelį greitį ( kinetinė energija) specialiuose greitintuvuose. Be to, šiuo metu naudojami branduolinių reaktorių sukurti įkrautų ir neutralių dalelių srautai. Atomų branduolių transformacijos procesas, sukeltas greito poveikio elementariosios dalelės(arba kitų atomų branduoliai) vadinama branduoline reakcija. Pavyzdžiui, b-spindulius praleidus per azoto sluoksnį, susidaro deguonies izotopo atomai ir vandenilio atominiai branduoliai, t.y. protonų. Ši branduolinė reakcija vyksta taip: b dalelė patenka į azoto branduolį ir yra absorbuojama. Susiformavo tarpinis branduolys fluoro izotopas 9 F 18, kuris pasirodo esantis nestabilus, jis akimirksniu išmeta vieną protoną ir virsta deguonies izotopu.

Šiuo metu branduolinės reakcijos registruojamos labiau sutrumpintai. Po bombarduojamo atomo branduolio simbolio skliausteliuose nurodoma bombarduojanti dalelė ir kitos dalelės, susidarančios reakcijos metu; Atomo branduolio simbolis – gaminys – dedamas už kronšteino. Šis atitinkamos reakcijos rašymo būdas gali atrodyti taip. Pirmoji dirbtinė branduolinė reakcija, kurią atliko Rutherfordas, patvirtino dirbtinių branduolinių reakcijų galimybę ir tiesiogiai parodė, kad protonai yra atomo branduolių dalis ir gali būti išmušti iš šių branduolių.

Visas branduolines reakcijas lydi tam tikrų elementariųjų dalelių (įskaitant g-kvantus) emisija. Daugelio branduolinių reakcijų produktai pasirodo esą radioaktyvūs. Dirbtinio radioaktyvumo reiškinys buvo atvirai žinomas prancūzų fizikai Irène ir Frédéric Joliot-Curie 1934 m. Jie pirmieji dirbtinai gavo radioaktyviuosius elementų, kurie natūraliai atsiranda kaip stabilūs izotopai, izotopus. Tokie izotopai buvo vadinami dirbtinai radioaktyviais izotopais.

Pirmieji dirbtinai radioaktyvūs izotopai buvo gauti bombarduojant elementus borą, magnį ir aliuminį b-dalelėmis. Kai aliuminis yra bombarduojamas, išsiskiria neutronai ir gaunamas fosforo izotopas, išskiriantis pozitronus. Fosforo izotopas pasirodė radioaktyvus, jo atominiai branduoliai išspinduliavo pozitronus ir virto silicio branduoliais. Aliuminio bombardavimo b-dalelėmis reakcija, kurią atrado Joliot-Curie sutuoktiniai, parodė naujos rūšies radioaktyvusis skilimas – pozitronų skilimas, kurio natūraliai bioaktyviuose izotopuose nepastebi.

Vėliau buvo parodyta, kad bombarduojant galima gauti dirbtinių radioaktyvių izotopų stabilūs izotopai ne tik b-dalelės, bet ir neutronai ir kt branduolinių dalelių.

Šiuo metu radioaktyvieji izotopai yra žinomi beveik visiems elementams ir gali būti gaunami įvairiose branduolinėse reakcijose. Taigi net ir tą patį izotopą galima gauti dėl visiškai skirtingų branduolinių reakcijų. Po dirbtinio radioaktyvumo atradimo atsirado galimybė beveik kiekvieno cheminio elemento atomams pritvirtinti „žymą“. Dirbtiniai radioaktyvieji izotopai pradėti naudoti kaip žymėti atomai. Pažymėtų atomų metodas šiuo metu yra labai svarbus įvairiose mokslo srityse ir praktikoje.

Reikėtų pažymėti, kad žymėto atomo metodas reiškia darbą su stabiliais ir radioaktyviais izotopais, jei šie izotopai naudojami kaip indikatoriai. Radioaktyvieji izotopai kaip paženklinti atomai naudojami dažniau nei stabilūs potvyniai.

Šiuo metu pramonėje dirbtiniams radioaktyviesiems izotopams gauti naudojami trys pagrindiniai metodai: 1) bombardavimas cheminiai junginiai ir elementai branduolinėmis dalelėmis; 2) izotopų mišinio cheminis atskyrimas; 3) natūralių radioaktyviųjų izotopų skilimo produktų išsiskyrimas.

Biologiniams ir žemės ūkio darbams daugiausia svarbūs pirmaisiais dviem būdais gauti izotopai. Pramoniniu mastu dirbtiniai radioaktyvieji izotopai gaminami apšvitinant (daugiausia neutronais) atitinkamus cheminius elementus branduoliniame reaktoriuje. Dėl (n, r) tipo branduolinės reakcijos gaunamas apšvitinto elemento izotopas. (n, b) ir (n, p) tipo reakcijose susidaro kitų elementų izotopai.

Formuojant foninę spinduliuotę jie vaidina svarbų vaidmenį dirbtiniais šaltiniais radiacija. Dirbtinio radioaktyvumo fenomeną 1934 metais atrado Joliot-Curie sutuoktiniai, kurie parodė, kad alfa dalelėms bombarduojant šviesos elementų branduolius, susidaro kiti elementai, kurie yra radioaktyvūs.

Šerdys stabilūs elementai taip pat gali būti bombarduojami neutronais. Šiuo metu žinoma per 900 dirbtiniu būdu gautų radionuklidų. Ypač daug dirbtinių radionuklidų susidaro branduoliniuose reaktoriuose, t. ir atominių elektrinių reaktoriai. Dauguma jų yra alfa spinduliuotės ir turi ilgą pusėjimo trukmę. Nėra elementų, kurių nebūtų radioaktyvusis izotopas.

Dirbtiniai radionuklidai atsirado dėl žmogaus veiklos. Jie skirstomi į tris grupes:

1. Radioaktyvūs produktai branduolio dalijimasis. Jie atsiranda vykstant branduolių 235U, 238U, 239Pu ir kt. dalijimosi reakcijoms, kurios atsiranda dėl neutronų poveikio. Šios grupės radionuklidų šaltiniai atmosferoje – bandymai atominiai ginklai, branduolinio kuro ciklo ir branduolinės pramonės įmonių (atominės elektrinės, radiochemijos gamyklos ir kt.) darbas. At branduoliniai sprogimai susidaro apie 250 izotopų iš 35 elementų. Radioaktyvieji dalijimosi produktai (RFP): apima: 131J, 137Cs, 90Sr, 140 Ba, 133Xe ir daugelį kitų. RPD pusinės eliminacijos laikas svyruoja nuo kelių sekundžių iki kelių dešimčių metų.

Dauguma pagamintų radionuklidų yra beta ir gama spinduliuotieji (131J, 137Cs, 140Ba), likusieji skleidžia tik beta daleles (90 Sr, 135Cs) arba alfa daleles (144Nd, 147Sm).

2. Radioaktyvus transuraniniai elementai, kylančios branduolinės energetikos įrenginiuose ir branduolinių sprogimų metu dėl nuoseklių branduolinių reakcijų su skiliųjų medžiagų atomų branduoliais ir vėlesnio susidariusios medžiagos radioaktyvaus skilimo. supersunkūs branduoliai. Šie radionuklidai apima 237Np, 239Pu, 241Am, 242Cm ir kt. Jie daugiausia yra alfa aktyvūs, pasižymintys labai ilgas laikotarpis pusinės eliminacijos laikas, stabilių izotopų trūkumas.

3. Indukuoto radioaktyvumo produktai, susidarantys dėl elementariųjų dalelių branduolinių reakcijų. Urano ar plutonio dalijimosi grandininės reakcijos metu susidarantys neutronai veikia stabilių aplinkos elementų branduolius, paverčia juos radioaktyviais (aktyvacijos reakcija). Šie radionuklidai apima: 45Ca, 24Na, 27Mg, 29Al, 31Si, 65Zn, 54Fe ir kt. Dauguma jie suyra su emisija beta dalelių ir gama spinduliuotė.

Pagrindiniai komponentai, sudarantys dirbtinį (IRF) yra:

Radioaktyviųjų nuosėdų poveikis žmonėms apima beta ir gama spinduliuotę iš radionuklidų, esančių žemės ore ir nusėdusių ant žemės paviršiaus; dėl odos ir drabužių užteršimo radionuklidais; dėl vidinės apšvitos nuo radionuklidų, patenkančių į organizmą su įkvepiamu oru, maistu ir vandeniu.

2. Vietinio, regioninio ir pasaulinio pobūdžio tarša, atsirandanti dėl neatsitiktinių atominių elektrinių išmetamų teršalų ir radioaktyviųjų atliekų, ypač avarijų atominėse elektrinėse metu. Kai dirbama branduoliniai reaktoriai kaip ir per branduolinius sprogimus, susidaro daug radionuklidų (skilimo produktai 235U, 234Pu). Didžioji dalijimosi produktų dalis sulaikoma ir lieka tiesiogiai kuro sudėtyje. Radioaktyviosios atliekos gali būti dujų, aerozolių, skysčių ir kietų medžiagų pavidalu. Atominių elektrinių dujų aerozolių emisijai atitolinti įrengiami filtrai, laikymo kameros, naudojamos radiochromatografinės sistemos (dujų adsorbcija ant aktyviosios anglies). Dujų-aerozolių išmetimas yra radioaktyviųjų medžiagų patekimas į 100-150 m aukščio išmetimo vamzdį. Kai atmosferoje juda debesis, žmonės yra veikiami beta ir gama spinduliuotės. Aerozolio dalelės, iškritę iš debesies, apsigyvena vietovėje ir migruoja stichijoje ekologinės sistemos. Kai kurie radionuklidai, paimti iš maisto, yra atsakingi už Jei kuro strypų apvalkale susidaro defektai, dalijimosi produktai gali patekti į aušinimo skystį. Skystos atliekos gali patekti į upes ir ežerus.

Urano pramonės įmonėms eksploatuojant aplinką radionuklidais galima teršti kiekviename gamybos etape (gavybos, perdirbimo, urano sodrinimo, branduolinio kuro ruošimo). Taip, kasyklose aplinką užterštos urano-235 šeimos radionuklidais, daugiausia radonu ir jo skilimo produktais, esančiais ventiliacijos ore. Žemos kokybės rūdos sąvartynai šalia perdirbimo įmonių taip pat yra radono ir jo skilimo produktų išmetimo į atmosferą šaltinis. Regeneruojant branduolinį kurą radiocheminėse gamyklose, emisija gali būti 3H, 14C, 137Cs ir kt.

3.Naudojimas atvirieji šaltiniai jonizuojanti radiacija V pramoninės gamybos, Žemdirbystė, V moksliniais tikslais, medicina ir kt. Radioaktyvieji yra plačiai naudojami pramonėje. Pavyzdžiui, stebėti stūmoklio žiedų susidėvėjimą varikliuose vidaus degimas atliekama apšvitinant žiedą neutronais, dėl ko jis tampa radioaktyvus. Kai variklis veikia, žiedinės medžiagos dalelės patenka į tepalinę alyvą. Ištyrus alyvos radioaktyvumo lygį tam tikras laikas variklio veikimas, rasti žiedo susidėvėjimą. Naudojant radioaktyviųjų defektų aptikimą, nustatomas medžiagų ir gaminių vidinių defektų buvimas, vieta, forma, dydis ir kt.

Radionuklidai plačiai naudojami medicinoje. Jų pagalba diagnozuojama atskirų organų būklė – kepenų, plaučių, skydliaukės ir kt. (32Р, 57Се, 131J, 133Хе ir kt.). Jie naudojami navikams diagnozuoti ir gydyti. Šiuo tikslu į organizmą įvedamas 131J, kadangi navike metabolizmas vyksta greičiau nei sveikuose audiniuose, navike greičiau kaupiasi jodo radioizotopas. Ištyrus spinduliuotę įvairiose kūno vietose, nustatoma naviko vieta.

Ypatingą vaidmenį atlieka instrumentų sterilizacija spinduliuote. vienkartiniai švirkštai, vata, tvarsčiai ir kt. Radionuklidai taip pat buvo pritaikyti žemės ūkyje. sėklos padidina jų daigumą ir produktyvumą. Radiacija taip pat naudojama grūdų dezinsekcijai ir žemės ūkio produktų konservavimui. Radioaktyviosios medžiagos (jų spinduliuotė) taip pat naudojamos archeologijos, geologijos, geochemijos ir kitose pramonės šakose.

Radioaktyvumas vadinamas vieno cheminio elemento nestabilių izotopų pavertimas kito elemento izotopais,lydimas kai kurių dalelių išmetimo.

Natūralus radioaktyvumas vadinamas radioaktyvumu,stebimas natūraliai pasitaikančiuose nestabiliuose izotopuose.

Dirbtinis radioaktyvumas vadinamas izotopų radioaktyvumu,gautas dėl branduolinių reakcijų.

Fig. 9.3 paveiksle parodytas klasikinis eksperimentas, kuris leido atrasti sudėtinga kompozicija radioaktyvioji spinduliuotė.

Radioaktyvus vaistas buvo patalpintas siauro kanalo apačioje švino talpykloje. Prie kanalo buvo padėta fotografinė plokštelė. Iš kanalo sklindančią spinduliuotę paveikė stiprus magnetinis laukas, statmenas pluoštui. Visa instaliacija buvo patalpinta į vakuumą.

Paprastai visas radioaktyvumo rūšis lydi emisija gama spinduliuotė – kieta , trumpųjų bangų elektromagnetinė radiacija . Gama spinduliuotė yra pagrindinė radioaktyviųjų virsmų sužadintų produktų energijos mažinimo forma. Branduolys, kuriame vyksta radioaktyvus skilimas, vadinamas motiniškas; atsirandantis dukterinė įmonė branduolys, kaip taisyklė, yra sužadintas, o jo perėjimą į pagrindinę būseną lydi γ-fotono emisija.

Lentelėje 1 lentelėje pateikiami pagrindiniai radioaktyvumo tipai.

1 lentelė

Spontaniškas atomų branduolių skilimas radioaktyvaus skilimo dėsnis :

Kur N 0 – branduolių skaičius tam tikrame medžiagos tūryje pradžios momentas laikas t = 0, N– branduolių skaičius tame pačiame tūryje tuo metu t, λ – irimo konstanta , kuris reiškia branduolio skilimo per 1 sekundę tikimybę ir yra lygus per laiko vienetą suyrančių branduolių daliai.

Savaiminio radioaktyvaus skilimo dėsnis grindžiamas dviem prielaidomis:

Skilimo konstanta nepriklauso nuo išorinės sąlygos;

· per laiką dt suyrančių branduolių skaičius proporcingas turimam branduolių skaičiui. Šios prielaidos reiškia, kad radioaktyvusis skilimas yra statistinis procesas o šio branduolio irimas yra atsitiktinis įvykis turintys tam tikrą tikimybę.

Didumas 1/λ lygus vidutinė gyvenimo trukmė (vidutinis gyvenimo laikas) radioaktyvusis izotopas. Iš tiesų, bendra gyvenimo trukmė d N branduolys yra lygus: . Vidutinė trukmėτ visų iš pradžių buvusių branduolių gyvavimo laikas:

.

(9.4.2)

Branduolių stabilumas skilimo atžvilgiu pasižymi pusė gyvenimo T 1/2. Taip vadinamas laikas, per kurį pradinis duotosios branduolių skaičius radioaktyvioji medžiaga sumažėja per pusę. Ryšys tarp λ ir T 1/2:

.

(9.4.3)

Natūralus radioaktyvumas stebimas cheminių elementų atomų branduoliuose, esančiuose už švino in Periodinė elementų lentelė Mendelejevas. Natūralus lengvųjų ir vidutinių branduolių radioaktyvumas stebimas tik branduoliuose , , , , , , .

Radioaktyvaus branduolių skilimo metu įvykdomas elektros krūvio tvermės dėsnis:

Kur Z aš e- motininio branduolio krūvis, Zie– branduolių ir dalelių krūviai, atsirandantys dėl radioaktyvaus skilimo. Šis dėsnis taikomas tiriant visas branduolines reakcijas.

Masių skaičių išsaugojimo taisyklė natūralaus radioaktyvumo atvejais:

Kur A nuodai – motininio branduolio masės skaičius, A i– branduolių arba dalelių masės skaičius, susidaręs dėl radioaktyvaus skilimo.

Offset taisyklės (Fajanso ir Soddy taisyklės) radioaktyvaus skilimo metu:

adresuα - skilimas ;

adresuβ – - skilimas .

Čia yra motinos šerdis, Y– dukterinio branduolio simbolis, – helio branduolys, – simbolinis elektrono, kuriam skirtas, žymėjimas A= 0 ir Z = –1.