22.03.2022 р.

Тема: Радіоактивність. Види радіоактивного розпаду. Отримання та засотсування радіонуклідів.

Перегляньте відео, опрацюйте теоретичний матеріал та виконайте тест - тут

Ви вже знаєте, що радіоактивність — це явище, яке свідчить про складну будову атомного ядра. Рентгенівські промені, про що вже говорили в § 47, вперше були одержані внаслідок зіткнення швидких електронів з антикатодом розрядної трубки. А. Беккерель довго досліджував споріднене явище — післясвічення речовин, які перед тим були опромінені сонячним світлом. До таких речовин, зокрема, належать солі урану, з якими він експериментував.

А чи не виникають після опромінення солей урану разом з видимим світлом і рентгенівські промені?

А. Беккерель загорнув фотопластинку в цупкий чорний папір, зверху поклав шматочки уранової солі і виставив це на яскраве сонячне світло. Під час проявлення пластинка почорніла на тих місцях, де лежала сіль. Отже, уран випускає промені, які, подібно до рентгенівських, пронизують непрозорі тіла і діють на фотопластинку. Вчений вважав, що таке випромінювання виникає під впливом сонячного світла. Однак, в лютому 1896 р. Беккерелюне вдалося зробити черговий дослід і він поклав пластинку, на якій лежав мідний хрест, вкритий сіллю урану, в ящик стола. Проявивши на всяк випадок пластинку через два дні, він виявив на ній почорніння у вигляді виразної тіні хреста. Це означало, що солі урану спонтанно, без впливу зовнішніх чинників утворюють якесь проміння.

Незабаром Беккерель виявив, що промені уранової солі йонізують повітря так само, як і рентгенівські, і тому розряджають електроскоп. Випробовуючи різні хімічні сполуки урану, він установив дуже важливий факт: інтенсивність випромінювання визначається лише кількістю урану в препараті і зовсім не залежить від того, до яких сполук він входить. Отже, це властивість не сполук, а хімічного елемента урану, його атомів.

У 1898 р. у Франції Марія Склодовська-Кюрі та інші вчені виявили випромінювання торію. Особливо плідною у пошуках нових елементів виявилася праця подружжя Марії і П’єра Кюрі. Систематичне дослідження руд, що містять уран і торій, дало їм можливість виділити новий, ще невідомий хімічний елемент полоній, названий так на честь батьківщини Марії Склодовської-Кюрі — Польщі.

Нарешті, було відкрито ще один елемент, якому властиве дуже інтенсивне випромінювання. Його назвали радієм (тобто променистим). Саме ж явище спонтанного випромінювання подружжя Кюрі назвало радіоактивністю.

Після відкриття радіоактивних елементів почалося дослідження фізичної природи їхнього проміння. Крім Беккереля й подружжя Кюрі, над цим питанням почав працювати Резерфорд.

Класичний дослід, який допоміг виявити склад радіоактивного випромінювання, полягав у такому. Радіоактивний препарат вміщували на дно вузького каналу в шматку свинцю. Проти каналу розташовували фотопластинку. На проміння, яке виходило з каналу, діяли сильним магнітним полем (мал. 207), перпендикулярним до нього. Всю установку розміщали у вакуумі.

Якщо не було магнітного поля, то на проявленій пластинці було виявлено одну тільки темну пляму, точно проти каналу. У магнітному ж полі

 

Мал. 207

 

пучок розпадався на три пучки. Дві складові первинного потоку відхилялись у протилежні боки. Це переконливо вказувало на те, що вони мають електричні заряди протилежних знаків. При цьому негативну складову проміння магнітне поле відхиляло значно більше, ніж позитивну. Третю складову магнітне поле не відхиляло. Позитивно заряджена складова випромінювання отримала назву альфа-випромінювання, негативно заряджена — бета-випромінювання, а нейтральна — гамма-випромінювання (а-промені , (β-промені, γ-промені).

Ці три види випромінювання дуже різняться між собою за проникною здатністю, тобто за тим, наскільки інтенсивно їх поглинають різні речовини. Найменшу проникну здатність мають а-промені. Шар паперу товщиною близько 0,1 мм для них вже непрозорі. Якщо отвір у свинцевій пластинці прикрити аркушиком паперу, то на фотопластинці не буде плями, що відповідає а-променям.

Значно менше поглинаються речовиною β-промені. Алюмінієва пластинка затримує їх цілком лише тоді, коли її товщина досягає кількох міліметрів. Найбільшу проникну здатність мають у-промені. Інтенсивність їх поглинання збільшується зі зростанням атомного номера речовини-поглинача. Але й шар свинцю товщиною сантиметр — не перешкода для цих променів. Від проходження крізь таку пластинку їхня інтенсивність зменшується лише в два рази. Це пов’язано з тим, що фізична природа а-, (- і γ-променів різна.

А. Ейнштейн і Ф. Содді встановили, що атомам деяких елементів властивий спонтанний розпад, який супроводжується випромінюванням величезної кількості енергії порівняно з енергією, яка вивільняється в процесі звичайних молекулярних видозмін.

Після того як було відкрито атомне ядро, відразу стало зрозуміло, що саме воно зазнає змін під час радіоактивних перетворень. Адже а-частинок взагалі немає в електронній оболонці, а зменшення кількості електронів оболонки на одиницю перетворює атом в йон, а не на новий хімічний елемент. Виліт ж електрона з ядра змінює заряд ядра (збільшує його) на одиницю. Спонтанне перетворення одних ядер в інші, яке супроводжується випромінюванням різних частинок, отримало назву радіоактивність.

Перетворення ядер відбуваються за так званим правилом зміщення, яке вперше сформулював Содді: під час а-розпаду ядро втрачає позитивний заряд 2е і маса його зменшується приблизно на чотири одиниці атомної маси. Отже, елемент зміщується на дві клітинки до початку Періодичної таблиці елементів Д. І. Менделєєва.

Символічно це можна записати так:

У випадку β-розпаду з ядра вилітає електрон. Тому заряд ядра збільшується на одиницю, а маса залишається майже незмінною:

 

                                           Мал. 208

 Після β-розпаду елемент зміщується на одну клітинку ближче до кінця Періодичної таблиці елементів Д. І. Менделєєва. Під час γ-випромінювання не відбувається зміни заряду; маса ж ядра змінюється надзвичайно мало.

Правила зміщення показують, що під час радіоактивного розпаду зберігається електричний заряд і наближено зберігається відносна атомна маса ядер.

Нові ядра, що утворюються під час радіоактивного розпаду, звичайно, також є радіоактивними.

Досліджуючи перетворення радіоактивних речовин, Резерфорд експериментально встановив, що їх активність з часом зменшується. Так, активність радону зменшується в два рази вже через 1 хв. Активність таких елементів, як Уран, Торій і Радій, також з часом зменшується, але значно повільніше. Для кожної радіоактивної речовини є певний інтервал часу, протягом якого активність зменшується у два рази. Цей інтервал називається періодом піврозпаду.

Закон радіоактивного розпаду. Макроскопічний зразок радіоактивного ізотопу містить величезну кількість радіоактивних ядер. Ці ядра розпадаються не одночасно, а протягом деякого часу. Процес розпаду має випадковий характер: ми не можемо точно передбачити, коли розпадеться певне ядро. Проте, використовуючи теорію ймовірності, ми можемо визначити, скільки ядер розпадеться протягом деякого часу. Іншими словами, кількість розпадів ΔΝ (або ядер, які розпались), що відбуваються протягом малого інтервалу часу Δt, є пропорційною цьому інтервалу Δt та повній кількості ядер N: ΔΝ = -λΝΔt.

Коефіцієнт пропорційності λ називають сталою розпаду. Для кожного ізотопу стала розпаду має своє значення. Що більша λ, то більшою є швидкість розпаду (активність ізотопу). Знак «мінус» указує на те, що кількість радіоактивних ядер зменшується.

Закон радіоактивного розпаду описує розпад великої кількості ядер будь-якого радіоактивного ізотопу:

λ — стала радіоактивного розпаду — характеризує частку радіоактивних ядер, які розпадуться за час t.

Закон справджується в середньому для великої кількості ядер. Якщо атомів мало, то говорити про певний закон радіоактивного розпаду не можна. Закон радіоактивного розпаду є ще одним прикладом статистичного закону, оскільки він установлює, яка в середньому кількість атомів розпадеться за даний інтервал часу. Але завжди бувають неминучі відхилення від середнього значення, і що менше атомів у досліджуваному зразку, то більші ці відхилення.

Швидкість розпаду (або загальна кількість розпадів за одиницю часу) називають активністю ізотопу:

Одиниця активності — бекерель, 1 Бк.

1 Бк дорівнює активності джерела, з якою за 1 с відбувається один акт розпаду. Позасистемна одиниця — кюрі, 1 Кі = 3,7 · 1010 Бк.

Як видно, активність А ізотопу зменшується з часом за експонентою з такою ж швидкістю, як і кількість ядер, що не розпалась, N (мал. 201).

Мал. 201. Графічне відображення закону радіоактивного розпаду

Період піврозпаду. Швидкість розпаду характеризують також періодом піврозпаду T.

Період піврозпаду T — інтервал часу, за який розпадається половина радіоактивних ядер.

Отримання й застосування радіонуклідів. Радіоактивні ізотопи різних хімічних елементів (як природні, так і отримані у процесі штучної радіоактивності) мають свої галузі застосування. Основою їх практичного використання є такі їхні властивості:

а) будь-який радіоактивний ізотоп є «міченим» атомом відповідного елемента, тобто атомом, поведінку якого можна спостерігати за його радіоактивним випромінюванням;

б) будь-яке радіоактивне випромінювання має певну проникну здатність, тобто властивість поширюватись і поглинатись у даному середовищі певним чином;

в) радіоактивні випромінювання йонізують речовину;

г) під дією нейтронів та інших випромінювань великої енергії в речовині утворюється наведена радіоактивність.

Відповідно до цих властивостей виділяють і основні методи їх використання. Наприклад, використовуючи «мічений» атом, можна дізнатися про швидкість обміну речовин у тканинах живого організму, про швидкість руху крові в судинах або нафтопродуктів трубопроводами тощо. У медицині за допомогою мічених атомів проводять діагностику деяких захворювань, вивчають вміст тих чи тих речовин у різних тканинах й органах людини, обмін речовин в організмі тощо. Йонізуюча здатність радіоактивних випромінювань використовується для руйнування злоякісних пухлин, стерилізації фармацевтичних препаратів та харчових продуктів.

Наведена радіоактивність (зокрема, опромінення нейтронами) використовується для дослідження вмісту речовини. Деякі з атомів стабільних ізотопів досліджуваної речовини, захопивши нейтрони, перетворюються на радіоактивні ізотопи. За характером наведеного радіоактивного випромінювання можна зробити висновки про наявність у речовині тих чи тих домішок. Особливістю методу є те, що він дає змогу виявити домішки в дуже малих концентраціях. Цей метод використовують для встановлення віку археологічних об'єктів (за вмістом у них радіоактивного ізотопу Карбону-14).