Se disting următoarele tipuri de transformări radioactive. MK. Transformări radioactive. Teoria mai multor particule a radioactivității protonilor

Ce se întâmplă cu materia în timpul radiațiilor radioactive? Pentru a răspunde la această întrebare la începutul secolului al XX-lea. nu a fost foarte usor. Deja la începutul cercetării radioactivității, au fost descoperite multe lucruri ciudate și neobișnuite.

În primul rând, consistența uimitoare cu care elementele radioactive uraniu, toriu și radiu emit radiații. Pe parcursul zilelor, lunilor și anilor, intensitatea radiațiilor nu s-a schimbat semnificativ. Nu a fost afectat de influențe obișnuite, cum ar fi căldura sau presiunea crescută.

Reacțiile chimice în care au intrat substanțele radioactive, de asemenea, nu au afectat intensitatea radiației.

În al doilea rând, foarte curând după descoperirea radioactivității a devenit clar că radioactivitatea este însoțită de eliberarea de energie. Pierre Curie a pus o fiolă de clorură de radiu într-un calorimetru. În ea au fost absorbite razele α-, β- și γ, iar datorită energiei lor calorimetrul a fost încălzit. Curie a stabilit că 1 g de radiu eliberează 582 J de energie într-o oră. Și această energie este eliberată continuu de-a lungul unui număr de ani.

De unde vine energia, a cărei eliberare nu este afectată de toate influențele cunoscute? Aparent, în timpul radioactivității, o substanță suferă unele schimbări profunde, complet diferite de transformările chimice obișnuite. S-a presupus că atomii înșiși suferă transformări!

Acum, acest gând nu poate provoca prea multă surpriză, deoarece un copil poate auzi despre el chiar înainte de a învăța să citească. Dar la începutul secolului al XX-lea. mi s-a părut fantastic și a fost nevoie de mult curaj să decizi să-l exprime. La acea vreme tocmai fuseseră obținute dovezi incontestabile ale existenței atomilor. Ideea veche de secole a lui Democrit despre structura atomică a materiei a triumfat în cele din urmă. Și aproape imediat după aceasta, imuabilitatea atomilor este pusă sub semnul întrebării.

Nu vom vorbi în detaliu despre acele experimente care au condus în cele din urmă la o încredere completă că în timpul dezintegrarii radioactive are loc un lanț de transformări succesive ale atomilor. Să ne oprim doar asupra primelor experimente începute de Rutherford și continuate de el împreună cu chimistul englez F. Soddy (1877-1956).

Rutherford a descoperit asta activitatea toriului, definită ca numărul de descompunere pe unitatea de timp, rămâne neschimbată într-o fiolă închisă. Dacă preparatul este suflat cu curenți de aer chiar foarte slabi, atunci activitatea toriului este mult redusă. Rutherford a sugerat că, simultan cu particulele alfa, toriu emite un fel de gaz, care este, de asemenea, radioactiv. A numit acest gaz emanaţie. Aspirând aer dintr-o fiolă care conținea toriu, Rutherford a izolat gazul radioactiv și i-a examinat capacitatea de ionizare. S-a dovedit că activitatea acestui gaz scade rapid în timp. În fiecare minut activitatea scade la jumătate, iar după zece minute este practic egală cu zero. Soddy a studiat proprietățile chimice ale acestui gaz și a constatat că nu intră în nicio reacție, adică este un gaz inert. Ulterior, gazul a fost numit radon și a fost plasat în tabelul periodic cu numărul de serie 86. Alte elemente radioactive au suferit și ele transformări: uraniu, actiniu, radiu. Concluzia generală la care au ajuns oamenii de știință a fost formulată cu acuratețe de Rutherford: „Atomii unei substanțe radioactive sunt supuși unor modificări spontane. În fiecare moment, o mică parte din numărul total de atomi devine instabilă și se dezintegrează exploziv. În majoritatea covârșitoare a cazurilor, un fragment de atom - o particulă α - este ejectat cu o viteză enormă. În alte cazuri, explozia este însoțită de ejecția unui electron rapid și apariția de raze, care, ca și razele X, au putere mare de penetrare și se numesc radiații γ. S-a descoperit că, în urma unei transformări atomice, se formează un tip complet nou de substanță, complet diferită în proprietățile sale fizice și chimice de substanța originală. Această nouă substanță este însă ea însăși instabilă și suferă o transformare odată cu emisia de radiații radioactive caracteristice.

Astfel, se stabilește cu precizie că atomii anumitor elemente sunt supuși unei dezintegrare spontană, însoțită de emisia de energie în cantități enorme în comparație cu energia eliberată în timpul modificărilor moleculare obișnuite.”

După ce a fost descoperit nucleul atomic, a devenit imediat clar că acest nucleu a suferit modificări în timpul transformărilor radioactive. La urma urmei, nu există deloc particule os în învelișul de electroni, iar o scădere a numărului de electroni ai învelișului cu unul transformă atomul într-un ion și nu într-un nou element chimic. Ejectarea unui electron din nucleu modifică sarcina nucleului (o mărește) cu unu. Sarcina nucleului determină numărul atomic al elementului din tabelul periodic și toate proprietățile sale chimice.

Notă

Literatură

Myakishev G.Ya. Fizica: Optica. Fizica cuantică. Clasa a XI-a: Educațional. pentru studiul aprofundat al fizicii. - M.: Butarda, 2002. - P. 351-353.

Întrebări.

1. Ce se întâmplă cu radiul ca urmare a dezintegrarii α?

Când radiul Ra (metal) se descompune, se transformă în radon Ra (gaz) cu emisia de particule α.

2. Ce se întâmplă cu elementele chimice radioactive ca urmare a dezintegrarii α sau β?

În timpul dezintegrarii α și β, are loc transformarea unui element chimic în altul.

3. Care parte a atomului - nucleul sau învelișul de electroni - suferă modificări în timpul dezintegrarii radioactive? De ce crezi asta?

În timpul unei transformări radioactive, nucleul atomului suferă o schimbare, deoarece Este nucleul unui atom care determină proprietățile sale chimice.

4. Scrieți reacția de dezintegrare α a radiului și explicați ce înseamnă fiecare simbol din această notație.

5. Care sunt numele numerelor superioare și inferioare care apar înaintea desemnării literei elementului?

Ele se numesc numere de masă și de sarcină.

6. Care este numărul de masă? numărul de taxare?

Numărul de masă este egal cu numărul întreg de unități de masă atomică ale unui atom dat.
Numărul de sarcină este egal cu numărul de sarcini electrice elementare ale nucleului unui atom dat.

7. Folosind exemplul reacției de descompunere a a radiului, explicați care sunt legile conservării sarcinii (numărul sarcinii) și numărul de masă.

Legea conservării numărului de masă și a sarcinilor prevede că în timpul transformărilor radioactive, valoarea sumei numerelor de masă ale atomilor și suma sarcinilor tuturor particulelor care participă la transformări este o valoare constantă.

8. Ce concluzie a urmat din descoperirea făcută de Rutherford și Soddy?

S-a ajuns la concluzia că nucleele atomilor au o compoziție complexă.

9. Ce este radioactivitatea?

Radioactivitatea este capacitatea unor nuclee atomice de a se transforma spontan în alte nuclee prin emiterea de particule.

Exerciții.

1. Determinați masa (în umă exactă la numere întregi) și sarcina (în sarcini elementare) a nucleelor ​​atomilor următoarelor elemente: carbon 12 6 C; litiu 6 3 Li; calciu 40 20 Ca.

2. Câţi electroni sunt conţinuţi în atomii fiecăruia dintre elementele chimice enumerate în problema anterioară?

3. Determinați (până la numere întregi) de câte ori masa nucleului unui atom de litiu 6 3 Li este mai mare decât masa nucleului unui atom de hidrogen 1 1 H.

4. Pentru nucleul atomului de beriliu 9 4 Be, determinați: a) numărul de masă; b) masa nucleului în a. e.m. (exact la numere întregi); c) de câte ori este masa nucleului mai mare decât 1/12 masa atomului de carbon 12 6 C (exact la numere întregi): d) numărul de sarcină; e) sarcina nucleara in sarcini electrice elementare; f) sarcina totală a tuturor electronilor dintr-un atom în sarcini electrice elementare; g) numărul de electroni dintr-un atom.


5. Folosind legile de conservare a numărului de masă și a sarcinii, determinați numărul de masă și sarcina nucleului elementului chimic X format ca urmare a următoarei reacții de dezintegrare β:

14 6 C → X + 0 -1 e,
unde 0 -1 e este o particulă β (electron). Găsiți acest element în tabelul lui D.I. Mendeleev de pe foaia manualului. Ceea ce este numit?

S.G.Kadmensky
Universitatea de Stat Voronezh

Radioactivitatea nucleelor ​​atomice: istorie, rezultate, ultimele realizări

În 1996, comunitatea fizică a sărbătorit centenarul descoperirii radioactivității în nucleele atomice. Această descoperire a dus la nașterea unei noi fizici, care a făcut posibilă înțelegerea structurii atomului și a nucleului atomic și a servit ca o poartă către lumea cuantică ciudată și armonioasă a particulelor elementare. Ca și în cazul multor descoperiri remarcabile, descoperirea radioactivității s-a întâmplat întâmplător. La începutul anului 1896, imediat după deschiderea V.K. Folosind razele X, fizicianul francez Henri Becquerel, în procesul de testare a ipotezei despre natura fluorescentă a razelor X, a descoperit că sarea de uraniu-potasiu în mod spontan, spontan, fără influențe externe, emite radiații dure. Mai târziu, Becquerel a stabilit că acest fenomen, pe care l-a numit radioactivitate, adică activitatea radiațiilor, se datorează în întregime prezenței uraniului, care a devenit primul element chimic radioactiv. Câțiva ani mai târziu, au fost descoperite proprietăți similare în toriu, apoi în poloniu și radiu, descoperite de Marie și Pierre Curie și, ulterior, în toate elementele chimice al căror număr este mai mare de 82. Odată cu apariția acceleratoarelor și a reactoarelor nucleare, izotopii radioactivi au fost descoperite. descoperit în toate elementele chimice, dintre care majoritatea nu se găsesc practic niciodată în condiții naturale.

TIPURI DE TRANSFORMĂRI RADIOACTIVE ALE NUCLEILOR ATOMICI

Analizând capacitatea de penetrare a radiațiilor radioactive din uraniu, E. Rutherford a descoperit două componente ale acestei radiații: mai puțin pătrunzătoare, numită radiație α, și mai pătrunzătoare, numită radiație. A treia componentă a radiației de uraniu, cea mai pătrunzătoare dintre toate, a fost descoperită mai târziu, în 1900, de Paul Willard și numită radiația γ prin analogie cu seria Rutherford. Rutherford și colaboratorii săi au arătat că radioactivitatea este asociată cu dezintegrarea atomilor (mult mai târziu a devenit clar că vorbim despre dezintegrarea nucleelor ​​atomice), însoțită de eliberarea unui anumit tip de radiație din ei. Această concluzie a dat o lovitură zdrobitoare conceptului de indivizibilitate a atomilor care dominase în fizică și chimie.
În studiile ulterioare ale lui Rutherford, s-a arătat că radiația α este un flux de particule α, care nu sunt altceva decât nuclee ale izotopului de heliu 4 He, iar radiația β constă din electroni. În cele din urmă, radiația γ se dovedește a fi o rudă a luminii și a radiației cu raze X și este un flux de cuante electromagnetice de înaltă frecvență emise de nucleele atomice în timpul tranziției de la stările excitate la cele inferioare.
Natura dezintegrarii β a nucleelor ​​s-a dovedit a fi foarte interesantă. Teoria acestui fenomen a fost creată abia în 1933 de Enrico Fermi, care a folosit ipoteza lui Wolfgang Pauli despre nașterea în dezintegrare beta a unei particule neutre cu o masă în repaus apropiată de zero și numită neutrin. Fermi a descoperit că dezintegrarea β se datorează unui nou tip de interacțiune a particulelor în natură - interacțiune „slabă” și este asociată cu procesele de transformare din nucleul părinte al unui neutron într-un proton cu emisia unui electron e - și antineutrin. (β - dezintegrare), un proton într-un neutron cu emisia unui pozitron e + și neutrino ν (β + -decay), precum și cu captarea unui electron atomic de către un proton și emisia de neutrini ν (electron captură).
Al patrulea tip de radioactivitate, descoperit în Rusia în 1940 de tinerii fizicieni G.N. Flerov și K.A. Pietrzak, este asociat cu fisiunea nucleară spontană, în timpul căreia unele nuclee destul de grele se descompun în două fragmente cu mase aproximativ egale.
Dar fisiunea nu a epuizat toate tipurile de transformări radioactive ale nucleelor ​​atomice. Începând cu anii 50, fizicienii au abordat metodic descoperirea radioactivității protonilor în nuclee. Pentru ca un nucleu în starea fundamentală să emită spontan un proton, este necesar ca energia de separare a protonului de nucleu să fie pozitivă. Dar astfel de nuclee nu există în condiții terestre și trebuiau create artificial. Fizicienii ruși din Dubna au fost foarte aproape de a obține astfel de nuclee, dar radioactivitatea protonilor a fost descoperită în 1982 de către fizicienii germani din Darmstadt, care au folosit cel mai puternic accelerator din lume de ioni cu încărcare multiplă.
În cele din urmă, în 1984, grupuri independente de oameni de știință din Anglia și Rusia au descoperit radioactivitatea cluster-ului unor nuclee grele care emit în mod spontan clustere - nuclee atomice cu greutăți atomice de la 14 la 34.
În tabel 1 prezintă istoria descoperirii diferitelor tipuri de radioactivitate. Dacă au epuizat toate tipurile posibile de transformări radioactive ale nucleelor, timpul va spune. Între timp, căutarea nucleelor ​​care ar emite un neutron (radioactivitate neutronică) sau doi protoni (radioactivitate cu doi protoni) din stările fundamentale continuă intens.

Tabelul 1. Istoricul descoperirii diferitelor tipuri de radioactivitate

Tipul de radioactivitate a nucleelor Tipul de radiație detectat Anul deschiderii Autorii descoperirii
Radioactivitatea nucleelor ​​atomice Radiația 1896 A. Becquerel
Dezintegrarea alfa 4 Nu 1898 E. Rutherford
Dezintegrarea beta e- 1898 E. Rutherford
Dezintegrarea gamma γ -Cuantic 1900 P. Willard
Fisiune nucleară spontană Două fragmente 1940 G.N. Flerov, K.A. Petrzak
Dezintegrarea protonilor p 1982 3. Hofman şi colab.
Dezintegrarea clusterului 14 C 1984 X. Rose, G. Jones; D.V. Alexandrov și alții.

CONCEPTE MODERNE DESPRE DECADEREA ALFA

Toate tipurile de transformări radioactive ale nucleelor ​​îndeplinesc legea exponențială:

N(t) = N(0)exp(-λt),

unde N(t) este numărul de nuclee radioactive care supraviețuiesc la momentul t > 0 dacă la momentul t = 0 numărul lor a fost N(0). Valoarea λ coincide cu probabilitatea dezintegrarii unui nucleu radioactiv pe unitatea de timp. Apoi timpul T 1/2, numit timp de înjumătățire, în care numărul de nuclee radioactive este redus la jumătate, este definit ca

Т 1/2 = (ln2)/λ,.

Valorile lui T 1/2 pentru emițătorii α variază într-un interval larg de la 10 -10 secunde la 10-20 de ani, în funcție de energia Q a mișcării relative a particulei α și a nucleului fiu, care, folosind legile conservării energiei și impulsului în timpul dezintegrarii α, se determină Cum

Q = B(A-4,Z-2) + B(4,2) - B(A, Z),

unde B(A, Z) este energia de legare a nucleului părinte. Pentru toate tranzițiile α studiate, valoarea lui Q > 0 și nu depășește 10 MeV. În 1910, Hans Geiger și George Nattall au descoperit experimental o lege care leagă timpul de înjumătățire T 1/2 cu energia Q:

logT 1/2 = B + CQ -1/2 (1)

unde mărimile B și C nu depind de Q. Figura 1 ilustrează această lege pentru izotopii pare-pari ai poloniului, radonului și radiului. Dar atunci apare o problemă foarte serioasă. Potențialul de interacțiune V(R) al unei particule α și a unui nucleu fiu, în funcție de distanța R dintre centrele lor de greutate, poate fi reprezentat calitativ după cum urmează (Fig. 2). La distanțe mari R ele interacționează într-o manieră coulombiană și potențial

La distanțe mici R, intră în joc forțele nucleare cu rază scurtă de acțiune și potențialul V(R) devine atractiv. Prin urmare, apare o barieră în potențialul V(R), poziția R B a maximului din care se află V B = V(R B ) pentru nucleele grele cu Z ≈ 82 în regiunea de 10 -12 cm, iar valoarea V B = 25 MeV. Dar atunci apare întrebarea, cum funcționează o particulă a cu energia Q < V B poate părăsi miezul radioactiv dacă în regiunea sub-barieră valoarea energiei sale cinetice K = Q - V(R) devine negativă și din punctul de vedere al mecanicii clasice mișcarea unei particule în această regiune este imposibilă. Soluția la această problemă a fost găsită în 1928 de către fizicianul rus G.A. Gamow. Bazat pe mecanica cuantică recent creată, Gamow a arătat că proprietățile undei ale unei particule α îi permit să se scurgă printr-o barieră potențială cu o anumită probabilitate P. Atunci, dacă acceptăm că particula α există într-o formă complet formată în interiorul nucleului, pentru probabilitatea dezintegrarii sale α pe unitatea de timp A, apare formula

unde 2 ν - numărul de impacturi ale unei particule α pe peretele interior al barierei, determinat de frecvență ν oscilații ale unei particule α în interiorul nucleului părinte. Apoi, după ce a calculat mecanic cuantic valoarea lui P și a estimat v în cele mai simple aproximări, Gamow a obținut legea Geiger-Nattall (1) pentru logT 1/2. Rezultatul lui Gamow a avut o rezonanță uriașă în rândul fizicienilor, deoarece a demonstrat că nucleul atomic este descris de legile mecanicii cuantice. Dar principala problemă a dezintegrarii α a rămas nerezolvată: de unde provin particulele α din nucleele grele formate din neutroni și protoni?

TEORIA MULTE PARTICILE A DEZINTERII ALFA

Teoria mai multor particule a dezintegrarii α, care rezolvă în mod constant problema formării particulelor α din neutroni și protoni ai nucleului părinte, a apărut la începutul anilor 50 și în ultimii ani a primit finalizare conceptuală în lucrările unor fizicieni. , inclusiv autorul și colaboratorii săi. Această teorie se bazează pe modelul de înveliș al nucleului, fundamentat în cadrul teoriei lichidului Fermi a lui L.D. Landau și A.B. Mygdalom, care presupune că protonul și neutronul din nucleu se mișcă independent într-un câmp autonom creat de nucleonii rămași. Folosind funcțiile de undă de înveliș a doi protoni și doi neutroni, se poate găsi probabilitatea cu care acești nucleoni vor ajunge în starea -particulă. Atunci formula lui Gamow (2) poate fi generalizată ca

unde W if este probabilitatea formării unei particule alfa din nucleonii nucleului părinte i cu formarea unei stări specifice f a nucleului fiu. Calculele valorilor Wif au demonstrat importanța fundamentală a luării în considerare a proprietăților superfluide ale nucleelor ​​atomice pentru înțelegerea naturii dezintegrarii alfa.
Puțină istorie. În 1911, Heike Kamerlingh Onnes a descoperit fenomenul de supraconductivitate a unor metale, pentru care, la temperaturi sub o anumită temperatură critică, rezistența scade brusc la zero. În 1938 P.L. Kapitsa a descoperit fenomenul de suprafluiditate a heliului lichid 4 He, care constă în faptul că la temperaturi sub o anumită temperatură critică, heliul lichid curge prin tuburi capilare subțiri fără frecare. Ambele fenomene au fost considerate pentru o lungă perioadă de timp ca independente, deși mulți fizicieni și-au simțit intuitiv înrudirea. Superfluiditatea heliului lichid a fost explicată în lucrările lui N.N. Bogolyubov și S.T. Belyaev în aceea că la temperaturi scăzute are loc condensarea Bose, în care majoritatea atomilor de heliu se acumulează într-o stare cu impuls zero. Acest lucru este posibil deoarece atomii de heliu au un spin de zero și, prin urmare, sunt particule Bose care pot exista în orice cantitate într-o anumită stare cuantică, de exemplu într-o stare cu un impuls de zero. Spre deosebire de atomii de heliu, electronii, protonii și neutronii au spin semiîntreg și sunt particule Fermi, pentru care principiul Pauli este valabil, permițând doar unei particule să se afle într-o anumită stare cuantică. Explicația supraconductivității metalelor se bazează pe fenomenul prezis de L. Cooper, când doi electroni dintr-un supraconductor formează un sistem legat, numit pereche Cooper. Spinul total al acestei perechi este zero și poate fi considerată o particulă Bose. Apoi, în supraconductor are loc condensarea Bose a perechilor Cooper cu momente egale cu zero, iar fenomenul de suprafluiditate al acestor perechi apare în ele, asemănător fenomenului de superfluiditate a heliului lichid. Superfluiditatea perechilor Cooper formează proprietățile supraconductoare ale metalelor. Astfel, două fenomene care aparțin formal unor ramuri diferite ale fizicii - supraconductivitate și superfluiditate - s-au dovedit a fi legate fizic. Naturii nu-i place să-și piardă descoperirile minunate. Ea le folosește în diferite obiecte fizice. Aceasta formează unitatea fizicii.
În 1958, Oge Bohr a emis ipoteza existenței proprietăților superfluide în nucleele atomice. În aproape un an, această ipoteză a fost complet confirmată și implementată în crearea unui model superfluid al nucleului atomic, în care se presupune că perechile de protoni sau neutroni se combină în perechi Cooper cu un spin egal cu zero și condensarea Bose. dintre aceste perechi formează proprietățile superfluide ale nucleelor.
Deoarece o particulă α este formată din doi protoni și doi neutroni cu spin total egal cu zero, simetria sa internă coincide cu simetria perechilor Cooper de protoni și neutroni din nucleele atomice. Prin urmare, probabilitatea formării unei particule α W if este maximă dacă este formată din două perechi Cooper de protoni și neutroni. α-Tranzițiile de acest tip se numesc facilitate și au loc între stările fundamentale ale nucleelor ​​pare-pare, unde toți nucleonii sunt perechi. Pentru astfel de tranziții în cazul nucleelor ​​grele cu Z > 82, valoarea este W dacă = 10 -2. Dacă particula α conține o singură pereche Cooper (proton sau neutron), atunci tranzițiile α similare, caracteristice nucleelor ​​impare, se numesc tranziții semi-luminoase și pentru acestea W dacă = 5*10 -4. În cele din urmă, dacă -particula este formată din protoni și neutroni nepereche, atunci tranziția α se numește nefacilitată și pentru aceasta valoarea W dacă = 10 -5. Pe baza modelului superfluid al nucleului, până în 1985 autorul și colaboratorii săi au reușit să descrie cu succes, pe baza unor formule precum (3), nu numai probabilitățile relative, ci și absolute de dezintegrare α a nucleelor ​​atomice.

MULTE PARTICILE TEORIA RADIOACTIVITĂȚII PROTONILOR

Pentru o observare fiabilă a dezintegrarii protonilor a nucleelor ​​atomice din stările excitate de la sol și de jos, este necesar ca energia mișcării relative a protonului și a nucleului fiu Q să fie pozitivă și, în același timp, vizibil mai mică decât înălțimea bariera de potențial de protoni V B, astfel încât durata de viață a nucleului de dezintegrare a protonilor să nu fie prea scurtă pentru cercetarea sa experimentală. Astfel de condiții, de regulă, sunt îndeplinite numai pentru nucleele foarte deficitare de neutroni, a căror producție a devenit posibilă abia în ultimii ani. În prezent, au fost descoperite peste 25 de dezintegratori de protoni din stări excitate ale nucleelor ​​terestre și izomerice (mai degrabă de lungă durată). Din punct de vedere teoretic, dezintegrarea protonului pare mult mai simplă decât dezintegrarea α, deoarece protonul face parte din nucleu și, prin urmare, părea că este posibil să se utilizeze formule precum formula (2). Cu toate acestea, foarte curând a devenit clar că aproape toate tranzițiile de protoni sunt sensibile la structura nucleelor ​​părinte și fiice și este necesar să se utilizeze formula (3), iar pentru a calcula probabilitățile W dacă autorul și colaboratorii săi ar trebui să dezvoltarea unei teorii a mai multor particule a radioactivității protonilor ținând cont de efectele superfluidului. Pe baza acestei teorii, a fost posibil să descriem cu succes toate cazurile observate de dezintegrare a protonilor, inclusiv cazul deosebit de nedumerit al dezintegrarii stării izomerice de lungă durată a nucleului 53Co și să facem predicții cu privire la cei mai probabili candidați noi pentru observarea protonului. radioactivitate. În același timp, s-a demonstrat că majoritatea nucleelor ​​de dezintegrare a protonilor sunt nesferice, spre deosebire de ideile originale.

DECADEREA CLUSTERULUI NUCLEI ATOMICI

În prezent, au fost descoperite experimental 25 de nuclee de la 221 Fr la 241 Am, emitând din stările fundamentale clustere de tipul 14 C, 20 O, 24 Ne, 26 Ne, 28 Mg, 30 Mg, 32 Si și 34 Si. Energiile mișcării relative ale clusterului care evadează și ale nucleului fiu Q variază de la 28 la 94 MeV și în toate cazurile se dovedesc a fi vizibil mai mici decât înălțimea barierei de potențial V B . În același timp, toate nucleele cluster-radioactive studiate sunt, de asemenea, dezintegrare α, iar raportul dintre probabilitatea cl de dezintegrare a clusterului lor pe unitatea de timp și probabilitatea similară λ α pentru dezintegrarea α scade odată cu creșterea masei clusterului emis și se află în intervalul de la 10 -9 la 10 -16. Valori atât de mici ale unor astfel de rapoarte nu au fost niciodată analizate pentru alte tipuri de radioactivitate și demonstrează realizările record ale experimentatorilor în observarea dezintegrarii clusterelor.
În prezent, sunt dezvoltate două abordări teoretice pentru a descrie dinamica dezintegrarii clusterelor nucleelor ​​atomice, care sunt de fapt două cazuri limitative posibile. Prima abordare consideră dezintegrarea clusterului ca o fisiune spontană de subbarieră profundă, puternic asimetrică în masele fragmentelor rezultate. În acest caz, nucleul părinte, care este într-o stare A până în momentul ruperii, se rearanjează fără probleme, schimbându-și vizibil forma și trecând printr-o configurație intermediară b, care este ilustrat în Fig. 3. Descrierea unei astfel de restructurari se realizeaza pe baza modelelor colective ale nucleului, care sunt o generalizare a modelului hidrodinamic. Această abordare se confruntă în prezent cu dificultăți semnificative în descrierea caracteristicilor subtile ale dezintegrarii clusterelor.

A doua abordare se bazează pe analogia cu teoria dezintegrarii α. În acest caz, descrierea tranziției la configurația finală în se realizează fără introducerea unei configurații intermediare b imediat din configurația a în limbajul unei formule ca (3) folosind conceptul de probabilitate de formare a clusterului W dacă . Un bun argument în favoarea celei de-a doua abordări este faptul că pentru dezintegrarea clusterului, ca și în cazul dezintegrarii α, legea Geiger-Nattall (1) este îndeplinită, conectând timpul de înjumătățire al clusterului T 1/2 și energia Q. Acest fapt este ilustrat în Fig. 4. În cadrul celei de-a doua abordări, autorul și colaboratorii săi au reușit, prin analogie cu α-decay, să clasifice tranzițiile clusterului în funcție de gradul de facilitare, folosind ideologia modelului nuclear superfluid, și să prezică structura fină în spectrele clusterelor care evadează. Mai târziu, această structură a fost descoperită în experimente de către un grup francez din Saclay. Această abordare a făcut posibilă, de asemenea, să se descrie în mod inteligent amploarea probabilităților relative și absolute ale dezintegrarii clusterului cunoscute și să facă predicții bazate pe observarea radioactivității clusterului în nucleele noi de dezintegrare a clusterului.

CONCLUZIE

Cercetările asupra diferitelor tipuri de radioactivitate a nucleelor ​​atomice continuă până în prezent. Un interes deosebit este arătat în studiul dezintegrarii protonilor a nucleelor, deoarece în acest caz este posibil să se obțină informații unice despre structura nucleelor ​​care se află dincolo de limitele stabilității nucleonice a nucleelor. Mai recent, o echipă de fizicieni condusă de profesorul K. Davids de la Laboratorul Național Argonne (SUA) a sintetizat nucleul 131 Eu foarte deficitar de neutroni și a descoperit nu numai dezintegrarea protonilor, ci și pentru prima dată structura fină a spectrului său de protoni. . Analiza acestor fenomene pe baza teoriei dezvoltate de autor a făcut posibilă confirmarea convingătoare a ideii de nesfericitate puternică a acestui nucleu.
O ilustrare a interesului pentru astfel de cercetări este un articol al jurnalistului M. Brownie intitulat „A Look at Unusual Nuclei Changes the View on Atomic Structure”, care a apărut în numărul din martie 1998 al New York Times, care raportează rezultatele în populare forma.obținută de grupul Argonne și modul de interpretare a acestora.
Revizuirea de mai sus, ilustrând dezvoltarea ideilor despre natura radioactivității nucleelor ​​atomice pe parcursul unui întreg secol, demonstrează o accelerare clară a ritmului de obținere a noilor cunoștințe în acest domeniu, mai ales în ultimii 25 de ani. Și deși fizica nucleară este o știință destul de dezvoltată în sens experimental și teoretic, nu există nicio îndoială că cercetările în curs în cadrul său, precum și la intersecția cu alte științe, sunt capabile să ofere umanității rezultate noi, foarte frumoase și surprinzătoare în viitorul apropiat.

transformări naturale sau artificiale ale nucleelor ​​unor atomi în nucleele altor atomi.

Alchimie nouă? În 1903, Pierre Curie a descoperit că sărurile de uraniu în mod continuu și fără scădere vizibilă în timp eliberează energie termică, care, pe unitatea de masă, părea enormă în comparație cu energia celor mai energice reacții chimice. Radiul eliberează și mai multă căldură - aproximativ 107 J pe oră la 1 g de substanță pură. S-a dovedit că elementele radioactive disponibile în adâncurile globului au fost suficiente (în condiții de îndepărtare limitată a căldurii) pentru a topi magma.

Unde este sursa acestei energii aparent inepuizabile? Marie Curie propusă chiar la sfârșitul secolului al XIX-lea. doua ipoteze. Una dintre ele (împărtășită de Lord Kelvin ) a fost că substanțele radioactive captează un fel de radiație cosmică, înmagazinând energia necesară. Conform celei de-a doua ipoteze, radiația este însoțită de unele modificări ale atomilor înșiși, care în același timp pierd energie, care este emisă. Ambele ipoteze păreau la fel de incredibile, dar treptat s-au acumulat din ce în ce mai multe dovezi în favoarea celei de-a doua.

O mare contribuție la înțelegerea a ceea ce se întâmplă cu substanțele radioactive a avut-o Ernest Rutherford. În 1895, chimistul englez William Ramsay, devenit celebru pentru descoperirea argonului în aer, a descoperit un alt gaz nobil, heliul, în mineralul kleveite. Ulterior, s-au descoperit cantități semnificative de heliu în alte minerale, dar numai în cele care conțineau uraniu și toriu. Părea uimitor și ciudat de unde ar putea proveni gazul rar din minerale? Când Rutherford a început să investigheze natura particulelor alfa care sunt emise de mineralele radioactive, a devenit clar că heliul este un produs al dezintegrarii radioactive ( cm. RADIOACTIVITATE). Aceasta înseamnă că unele elemente chimice sunt capabile să „genereze” altele; acest lucru a contrazis toată experiența acumulată de mai multe generații de chimiști.

Cu toate acestea, „transformarea” uraniului și toriului în heliu nu sa limitat la. În 1899, un alt fenomen ciudat a fost observat în laboratorul lui Rutherford (pe atunci lucra la Montreal): preparatele elementului de toriu într-o fiolă închisă au menținut o activitate constantă, dar în aer liber depindea de activitatea lor. Ciorne. Rutherford și-a dat seama rapid că toriul emite gaz radioactiv (a fost numit emanația de toriu din emisiunea latină emanatio, sau thoron), activitatea acestui gaz a scăzut foarte repede: la jumătate în aproximativ un minut (conform datelor moderne în 55,6 s) . O „emanare” gazoasă similară a fost descoperită și în radiu (activitatea sa a scăzut mult mai lent) și a fost numită emanație de radiu sau radon. S-a descoperit, de asemenea, că actiniul are propria „emanare”, care dispare în doar câteva secunde; a fost numit emanație de actiniu sau actinon. Ulterior, s-a dovedit că toate aceste „emanații” sunt izotopi ai aceluiași element chimic radon ( cm. ELEMENTE CHIMICE).

După atribuirea fiecărui membru al seriei unuia dintre izotopii elementelor chimice cunoscute, a devenit clar că seria uraniului începe cu uraniu-238 ( T 1/2 = 4,47 miliarde de ani) și se termină cu plumb stabil-206; întrucât unul dintre membrii acestei serii este elementul foarte important radiu), această serie este numită și seria uraniu-radiu. Seria actinium (celălalt nume este seria actinouranium) provine tot din uraniu natural, dar din celălalt izotop al său 235 U ( T 1/2 = 794 milioane de ani). Seria toriului începe cu nuclidul 232 Th ( T 1/2 = 14 miliarde de ani). În cele din urmă, seria neptuniului, care nu este prezentă în natură, începe cu izotopul de neptunium cu cea mai lungă viață produs artificial: 237 Np

® 233 Pa ® 233 U ® 229 Th ® 225 Ra ® 225 Ac ® 221 Fr ® 217 At ® 213 Bi ® 213 Po ® 209 Pb ® 209 Bi. Există și o „furcătură” în această serie: 213 Bi cu o probabilitate de 2% se poate transforma în 209 Tl, care se transformă deja în 209 Pb. O caracteristică mai interesantă a seriei de neptuniu este absența „emanațiilor” gazoase, iar membrul final al seriei este bismutul în loc de plumb. Timpul de înjumătățire al strămoșului acestei serii artificiale este de „doar” 2,14 milioane de ani, așa că neptuniul, chiar dacă ar fi fost prezent în timpul formării sistemului solar, nu ar putea „supraviețui” până în prezent, deoarece Vârsta Pământului este estimată la 4,6 miliarde de ani, iar în acest timp (mai mult de 2000 de timpi de înjumătățire) nu ar rămâne niciun atom de neptuniu.

Ca exemplu, Rutherford a dezlegat încurcătura complexă de evenimente din lanțul de transformare a radiului (radiul-226 este al șaselea membru al seriei radioactive a uraniului-238). Diagrama prezintă atât simbolurile timpului lui Rutherford, cât și simbolurile moderne pentru nuclizi, precum și tipul de dezintegrare și datele moderne despre timpii de înjumătățire; în seria de mai sus există și o mică „furcătură”: RaC cu o probabilitate de 0,04% se poate transforma în RaC""(210 Tl), care apoi se transformă în același RaD ( T 1/2 = 1,3 min). Acest plumb radioactiv are un timp de înjumătățire destul de lung, așa că în timpul experimentului se poate ignora adesea transformările ulterioare.

Ultimul membru al acestei serii, plumb-206 (RaG), este stabil; în plumb natural este de 24,1%. Seria de toriu conduce la plumb-208 stabil (conținutul său în plumb „obișnuit” este de 52,4%), seria de actiniu duce la plumb-207 (conținutul său în plumb este de 22,1%). Raportul acestor izotopi de plumb din scoarța pământului modern este, desigur, legat atât de timpul de înjumătățire al nuclizilor părinte, cât și de raportul lor inițial din materialul din care s-a format Pământul. Iar plumbul „obișnuit”, neradiogen, din scoarța terestră este de doar 1,4%. Deci, dacă inițial nu ar exista uraniu și toriu pe Pământ, nu ar fi 1,6 x 10 3% plumb în el (aproximativ la fel ca cobaltul), ci de 70 de ori mai puțin (cum ar fi, de exemplu, metale rare precum indiul și tuliul). !) . Pe de altă parte, un chimist imaginar care a zburat pe planeta noastră cu câteva miliarde de ani în urmă ar fi găsit mult mai puțin plumb și mult mai mult uraniu și toriu în ea...

Când F. Soddy, în 1915, s-a format plumb izolat din degradarea toriului din toritul mineral din Ceylon (ThSiO 4), masa sa atomică s-a dovedit a fi egală cu 207,77, adică mai mult decât cea a plumbului „obișnuit” (207,2). Aceasta este o diferență față de „teoreticul” (208) se explică prin faptul că torita conținea niște uraniu, care produce plumb-206. Când chimistul american Theodore William Richards, o autoritate în măsurarea maselor atomice, a izolat plumbul din unele minerale de uraniu care nu conțineau toriu, masa sa atomică s-a dovedit a fi aproape exact 206. Densitatea acestui plumb a fost puțin mai mică și corespundea celui calculat:

r (Pb) ґ 206/207,2 = 0,994 r (Pb), unde r (Pb) = 11,34 g/cm3. Aceste rezultate arată clar de ce pentru plumb, ca și pentru o serie de alte elemente, nu are rost să se măsoare masa atomică cu o precizie foarte mare: probele prelevate în locuri diferite vor da rezultate ușor diferite ( cm. UNITATE DE CARBON).

În natură, lanțurile de transformări prezentate în diagrame apar continuu. Ca urmare, unele elemente chimice (radioactive) sunt transformate în altele, iar astfel de transformări au avut loc pe parcursul întregii perioade de existență a Pământului. Membrii inițiali (se numesc mama) ai seriei radioactive sunt cei mai longevivi: timpul de înjumătățire al uraniului-238 este de 4,47 miliarde de ani, toriu-232 este de 14,05 miliarde de ani, uraniul-235 (alias „actinouranium” strămoșul din seria actiniului ) 703,8 milioane de ani. Toți membrii („fiice”) ulterioare ai acestui lanț lung trăiesc o viață semnificativ mai scurtă. În acest caz, apare o stare pe care radiochimiștii o numesc „echilibru radioactiv”: rata de formare a unui radionuclid intermediar din uraniu, toriu sau actiniu părinte (această rată este foarte scăzută) este egală cu rata de dezintegrare a acestui nuclid. Ca urmare a egalității acestor rate, conținutul unui radionuclid dat este constant și depinde numai de timpul său de înjumătățire: concentrația de membri cu viață scurtă ai seriei radioactive este mică, iar concentrația de membri cu viață lungă este mai mare. Această constanță a conținutului de produse intermediare de degradare persistă foarte mult timp (acest timp este determinat de timpul de înjumătățire al nuclidului părinte, care este foarte lung). Transformările matematice simple conduc la următoarea concluzie: raportul dintre numărul de materni ( N 0) și copii ( N 1 , N 2 , N 3...) atomii sunt direct proporționali cu timpul lor de înjumătățire: N 0:N 1:N 2:N 3 ... = T 0:T 1:T 2:T 3 ... Astfel, timpul de înjumătățire al uraniului-238 este de 4,47 10 9 ani, radiu 226 1600 de ani, prin urmare raportul dintre numărul de atomi de uraniu-238 și radiu-226 din minereurile de uraniu este de 4,47 10 9:1600 , din care este ușor de calculat (ținând cont de masele atomice ale acestor elemente) că pentru 1 tonă de uraniu, când se atinge echilibrul radioactiv, există doar 0,34 g de radiu.

Și invers, știind raportul dintre uraniu și radiu din minereuri, precum și timpul de înjumătățire al radiului, este posibil să se determine timpul de înjumătățire al uraniului și să se determine timpul de înjumătățire al radiului nu trebuie să așteptați mai mult de o mie de ani; este suficient să măsurați (prin radioactivitate) rata de descompunere (adică valoarea d N/d t) o cantitate mică cunoscută din acel element (cu un număr cunoscut de atomi N) și apoi după formula d N/d t = –

l N determină valoarea l = ln2/ T 1/2 . Legea deplasării. Dacă membrii oricărei serii radioactive sunt reprezentați secvențial pe tabelul periodic al elementelor, se dovedește că radionuclizii din această serie nu se deplasează fără probleme de la elementul părinte (uraniu, toriu sau neptuniu) la plumb sau bismut, ci „sar” la dreapta si apoi la stanga. Astfel, în seria uraniului, doi izotopi instabili ai plumbului (elementul nr. 82) se transformă în izotopi ai bismutului (elementul nr. 83), apoi în izotopi ai poloniului (elementul nr. 84), iar cei din nou în izotopi ai plumbului. Ca rezultat, elementul radioactiv se întoarce adesea înapoi în aceeași celulă a tabelului de elemente, dar se formează un izotop cu o masă diferită. S-a dovedit că există un anumit model în aceste „sărituri”, pe care F. Soddy l-a observat în 1911.

Acum se știe că când

A - se descompune din nucleu A -particulă (nucleul unui atom de heliu,), prin urmare, sarcina nucleară scade cu 2 (o deplasare a tabelului periodic cu două celule la stânga), iar numărul de masă scade cu 4, ceea ce face posibil să se prezică ce izotop al noului element se va forma. O ilustrație poate fi a -dezintegrarea radonului: ® + . La b -dezintegrare, dimpotrivă, numărul de protoni din nucleu crește cu unul, dar masa nucleului nu se modifică ( cm. RADIOACTIVITATE), adică există o deplasare în tabelul de elemente cu o celulă la dreapta. Un exemplu sunt două transformări succesive ale poloniului format din radon:® ® . Astfel, este posibil să se calculeze câte particule alfa și beta sunt emise, de exemplu, ca urmare a dezintegrarii radiului-226 (vezi seria uraniului), dacă nu luăm în considerare „furcile”. Nuclidul părinte, finală . Scăderea masei (sau mai degrabă a numărului de masă, adică a numărului total de protoni și neutroni din nucleu) este egală cu 226 206 = 20, prin urmare, au fost emise 20/4 = 5 particule alfa. Aceste particule au transportat 10 protoni, iar dacă nu ar exista b -dezintegrare, sarcina nucleară a produsului final de dezintegrare ar fi egală cu 88 10 = 78. În realitate, în produsul final sunt 82 de protoni, prin urmare, în timpul transformărilor, 4 neutroni s-au transformat în protoni și 4 au fost emiși. b -particule.

Foarte des după

A -degradările urmează două b -degradare, iar astfel elementul rezultat revine la celula originală a tabelului de elemente sub forma unui izotop mai ușor al elementului original. Datorită acestor fapte, a devenit evident că legea periodică a lui D.I. Mendeleev reflectă relația dintre proprietățile elementelor și sarcina nucleului lor, și nu masa lor (cum a fost formulată inițial când structura atomului nu era cunoscută).

Legea deplasării radioactive a fost în cele din urmă formulată în 1913, ca rezultat al cercetărilor minuțioase ale multor oameni de știință. Printre aceștia, este de remarcat asistentul lui Soddy, Alexander Fleck, stagiarul lui Soddy A.S. Russell, chimistul fizic și radiochimistul maghiar György Hevesy, care a lucrat cu Rutherford la Universitatea din Manchester în 1911–1913, și chimistul fizic german (și mai târziu american) Cazimir Fajans (1887–1975). Această lege este adesea numită Legea lui Soddy.

Transformarea artificială a elementelor și radioactivitatea artificială. Încă din vremea lui Becquerel, s-a observat că cele mai obișnuite substanțe care au fost în apropierea compușilor radioactivi devin ei înșiși mai mult sau mai puțin radioactive. Rutherford a numit-o „activitate excitată”, iar soții Curie a numit-o „activitate indusă”, dar pentru o lungă perioadă de timp nimeni nu a putut explica esența fenomenului.

În 1919, Rutherford a studiat pasajul

A -particule prin diverse substanţe. S-a dovedit că atunci când este lovit de zbor rapid A -particulele din nucleele elementelor ușoare, de exemplu, azotul, din care protonii care zboară rapid (nuclee de hidrogen) pot fi ocazional eliminați, în timp ce A -particula face parte din nucleu, care isi mareste sarcina cu unu. Astfel, ca urmare a reacției+ ® + Un alt element chimic este format din azot - oxigen (izotopul său greu). Aceasta a fost prima reacție realizată artificial de conversie a unui element în altul. În aceasta, precum și în toate celelalte procese nucleare, atât sarcina totală (indicele) cât și numărul de masă sunt conservate, adică numărul total de protoni și neutroni (superscripte).

Visul vechi al alchimiștilor s-a împlinit: omul a învățat să transforme unele elemente în altele, deși nimeni nu se aștepta la un rezultat practic de la această abilitate pe vremea lui Rutherford. Într-adevăr, pentru a obține

A -particule, era necesar să aibă sursa lor, de exemplu, un preparat de radiu. Mai rău, per milion „eliberat pentru azot” A -particulele au însumat în medie doar 20 de atomi de oxigen.

De-a lungul timpului, s-au realizat și alte reacții nucleare, iar multe dintre ele și-au găsit utilizare practică. În aprilie 1932, la o reuniune a Academiei Engleze de Științe (Royal Society), Rutherford a anunțat că laboratorul său a realizat cu succes reacții de scindare a elementelor ușoare (de exemplu, litiu) cu protoni. Pentru a face acest lucru, protonii obținuți din hidrogen au fost accelerați folosind tensiuni înalte egale cu zeci sau chiar sute de mii de volți. Protoni, având mai puțin de

A -particulele, sarcina si masa, patrund mai usor in nucleu. Introducându-se în nucleul de litiu-7, protonul îl transformă într-un nucleu de beriliu-8, care aproape instantaneu „deversează” excesul de energie, prăbușindu-se la jumătate, în două. particule a: + ® () ® 2 . Dacă luăm un izotop ușor de litiu (litiul natural conține 7,5%), atunci se formează nucleele a doi izotopi de heliu:+ ® () ® + . Când a fost bombardat cu protoni de oxigen, s-a obținut fluor: + ® + ; la decojirea aluminiului magneziu:+ ® + .

Multe transformări diferite au fost efectuate cu deuteroni, nucleele izotopului greu de hidrogen deuteriu, accelerați la viteze mari. Deci, în timpul reacției

+ ® + Pentru prima dată au fost produse hidrogen supergreu și tritiu. Ciocnirea a doi deuteroni poate merge diferit: + ® + , aceste procese sunt importante pentru studiul posibilității unei reacții termonucleare controlate. Reacția a fost importantă+ ® () ® 2 , deoarece apare deja la o energie relativ scăzută a deuteronilor (0,16 MeV) și este însoțită de eliberarea de energie colosală de 22,7 MeV (amintim că 1 MeV = 10 6 eV și 1 eV = 96,5 kJ/mol) .

Reacția care are loc în timpul decojirii beriliului a căpătat o mare importanță practică.

a - particule: + ® () ® + , a dus în 1932 la descoperirea particulei neutre de neutroni, iar sursele de neutroni de radiu-beriliu s-au dovedit a fi foarte convenabile pentru cercetarea științifică. Neutroni cu energii diferite pot fi obținuți și ca rezultat al reacțiilor + ® + ; + ® + ; + ® + . Neutronii care nu au sarcină pătrund foarte ușor în nucleele atomice și provoacă o varietate de procese care depind atât de nuclidul care se arde, cât și de viteza (energia) neutronilor. Astfel, un neutron lent poate fi pur și simplu capturat de nucleu, iar nucleul este eliberat dintr-un exces de energie prin emiterea unui quantum gamma, de exemplu:+ ® + g . Această reacție este utilizată pe scară largă în reactoarele nucleare pentru a controla reacția de fisiune a uraniului: tijele sau plăcile de cadmiu sunt împinse în cazanul nuclear pentru a încetini reacția.

În 1934, soții Irinei și Frederic Joliot-Curie a făcut o descoperire importantă. Bombardat

A- particulele unor elemente ușoare (poloniul le-a emis), se așteptau la o reacție similară cu cea deja cunoscută pentru beriliu, adică. eliminarea neutronilor, de exemplu:Dacă problema s-a limitat la aceste transformări, atunci după încetare A -iradierea, fluxul de neutroni ar fi trebuit să se usuce imediat, așa că, după ce au îndepărtat sursa de poloniu, s-au așteptat la încetarea oricărei activități, dar au constatat că contorul de particule a continuat să înregistreze impulsuri care s-au stins treptat în conformitate exactă cu legea exponențială. Acest lucru ar putea fi interpretat într-un singur fel: ca urmare a iradierii alfa, au apărut elemente radioactive necunoscute anterior, cu un timp de înjumătățire caracteristic de 10 minute pentru azot-13 și 2,5 minute pentru fosfor-30. S-a dovedit că aceste elemente suferă dezintegrare a pozitronilor:® + e +, ® + e + . S-au obținut rezultate interesante cu magneziul, reprezentat de trei izotopi naturali stabili, și s-a dovedit că atunci când A - la iradiere, toate produc nuclizi radioactivi de siliciu sau aluminiu, care suferă 227- sau dezintegrarea pozitronilor:

Producția de elemente radioactive artificiale are o importanță practică deosebită, deoarece permite sinteza radionuclizilor cu un timp de înjumătățire convenabil pentru un anumit scop și tipul dorit de radiație cu o anumită putere. Este deosebit de convenabil să folosiți neutronii ca „proiectile”. Captarea unui neutron de către un nucleu îl face adesea atât de instabil încât noul nucleu devine radioactiv. Poate deveni stabil datorită transformării neutronului „în plus” într-un proton, adică datorită

227- radiații; Există o mulțime de astfel de reacții cunoscute, de exemplu: + ® ® + e. Reacția de formare a radiocarbonului care are loc în straturile superioare ale atmosferei este foarte importantă: + ® + (cm. METODA DE ANALIZĂ A RADIOCARBURILOR). Tritiul este sintetizat prin absorbția neutronilor lenți de către nucleele de litiu-6. Multe transformări nucleare pot fi realizate sub influența neutronilor rapizi, de exemplu: + ® + ; + ® + ; + ® + . Astfel, prin iradierea cobaltului obișnuit cu neutroni, se obține cobalt-60 radioactiv, care este o sursă puternică de radiații gamma (este eliberat ca produs de descompunere a 60 Co de către nucleele excitate). Unele elemente transuraniu sunt produse prin iradiere cu neutroni. De exemplu, din uraniul natural-238, se formează mai întâi uraniul-239 instabil, care, atunci când b -descompunere ( T 1/2 = 23,5 min) se transformă în primul element transuranic neptunium-239, iar acesta, la rândul său, tot prin b -descompunere ( T 1/2 = 2,3 zile) se transformă în așa-numitul plutoniu-239 de calitate pentru arme.

Este posibil să obțineți în mod artificial aur prin efectuarea reacției nucleare necesare și astfel să realizați ceea ce alchimiștii nu au reușit să facă? Teoretic, nu există obstacole în acest sens. Mai mult, o astfel de sinteză a fost deja realizată, dar nu a adus bogăție. Cel mai simplu mod de a produce aur în mod artificial ar fi iradierea cu mercur, elementul următor în tabelul periodic după aur, cu un flux de neutroni. Apoi, ca rezultat al reacției

+ ® + un neutron ar elimina un proton dintr-un atom de mercur și l-ar transforma într-un atom de aur. Această reacție nu indică numere de masă specifice ( A) nuclizii de mercur și aur. Aurul este singurul nuclid stabil din natură, iar mercurul natural este un amestec complex de izotopi cu A= 196 (0,15%), 198 (9,97%), 199 (1,87%), 200 (23,10%), 201 (13,18%), 202 (29,86%) și 204 (6,87%). În consecință, conform schemei de mai sus, se poate obține numai aur radioactiv instabil. A fost obținut de un grup de chimiști americani de la Universitatea Harvard la începutul anului 1941, iradiind mercur cu un flux de neutroni rapizi. După câteva zile, toți izotopii radioactivi ai aurului rezultați, prin dezintegrare beta, s-au transformat din nou în izotopii originali ai mercurului...

Dar există o altă modalitate: dacă atomii de mercur-196 sunt iradiați cu neutroni lenți, se vor transforma în atomi de mercur-197:

+ ® + g . Acești atomi, cu un timp de înjumătățire de 2,7 zile, sunt supuși captării electronilor și în cele din urmă se transformă în atomi stabili de aur:+ e ® . Această transformare a fost realizată în 1947 de către angajații Laboratorului Național din Chicago. Prin iradierea a 100 mg de mercur cu neutroni lenți, au obținut 0,035 mg de 197Au. În raport cu tot mercurul, randamentul este foarte mic - doar 0,035%, dar față de 196Hg ajunge la 24%! Cu toate acestea, izotopul 196 Hg din mercurul natural este cel mai mic, în plus, procesul de iradiere în sine și durata acestuia (iradierea va necesita câțiva ani), iar izolarea „aurului sintetic” stabil dintr-un amestec complex va costa incomensurabil mai mult decât izolarea aurului de cel mai sărac minereu ( Vezi si AUR). Deci producția artificială de aur are un interes pur teoretic.Modele cantitative ale transformărilor radioactive. Dacă ar fi posibil să urmărim un anumit nucleu instabil, ar fi imposibil de prezis când se va descompune. Acesta este un proces aleatoriu și numai în anumite cazuri poate fi evaluată probabilitatea dezintegrarii pe o anumită perioadă de timp. Totuși, chiar și cea mai mică bucată de praf, aproape invizibilă la microscop, conține un număr imens de atomi, iar dacă acești atomi sunt radioactivi, atunci dezintegrarea lor se supune unor legi matematice stricte: intră în vigoare legile statistice caracteristice unui număr foarte mare de obiecte. . Și apoi fiecare radionuclid poate fi caracterizat printr-o perioadă de înjumătățire cu valoare complet definită ( T 1/2) acesta este timpul în care jumătate din numărul disponibil de nuclee se descompune. Dacă la momentul inițial a existat N 0 nuclee, apoi după un timp t = T 1/2 dintre ei vor ramane N 0/2, la t = 2T va ramane 1/2 N 0 /4 = N 0 /2 2 , la t = 3T 1/2 N 0 /8 = N 0 /2 3 etc. În general, când t = nT va ramane 1/2 N 0 /2 n nuclee, unde n = t/T 1/2 număr de timpi de înjumătățire (nu trebuie să fie un număr întreg). Este ușor să arăți că formula N = N 0 /2 t/T 1/2 este echivalent cu formula N = N 0 e l t, unde l așa-numita constantă de dezintegrare. În mod formal, este definit ca coeficientul de proporționalitate între rata de dezintegrare d N/d tși numărul disponibil de nuclee: d N/d t = – l N (semnul minus indică faptul că N scade in timp). Integrarea acestei ecuații diferențiale oferă dependența exponențială a numărului de nuclee în timp. Înlocuind în această formulă N = N 0/2 at t = T 1/2, aflăm că constanta de dezintegrare este invers proporțională cu timpul de înjumătățire: l = ln2/ T 1/2 = 0,693/T 1/2. Magnitudinea t = 1/l se numește durata medie de viață a nucleului. De exemplu, pentru 226 Ra T 1/2 = 1600 de ani, t = 1109 ani.

Conform formulelor date, cunoscând valoarea T 1/2 (sau

l ), este ușor de calculat cantitatea de radionuclid după orice perioadă de timp, iar din ele puteți calcula timpul de înjumătățire dacă cantitatea de radionuclid este cunoscută în momente diferite de timp. În loc de numărul de nuclee, puteți înlocui activitatea radiației în formula, care este direct proporțională cu numărul disponibil de nuclee N. Activitatea este de obicei caracterizată nu de numărul total de dezintegrari din eșantion, ci de numărul de impulsuri proporțional cu acesta, care sunt înregistrate de activitatea de măsurare a dispozitivului. Dacă există, de exemplu, 1 g de substanță radioactivă, atunci cu cât timpul său de înjumătățire este mai scurt, cu atât substanța va fi mai activă.

Alte legi matematice descriu comportamentul unui număr mic de radionuclizi. Aici putem vorbi doar despre probabilitatea unui anumit eveniment. Să fie, de exemplu, un atom (mai precis, un nucleu) al unui radionuclid cu T 1/2 = 1 min. Probabilitatea ca acest atom să trăiască 1 minut este 1/2 (50%), 2 minute 1/4 (25%), 3 minute 1/8 (12,5%), 10 minute (1/2) 10 = 1/10 24 (0,1%), 20 min (1/2) 20 = 1/1048576 (0,00001%). Pentru un singur atom șansa este neglijabilă, dar când există o mulțime de atomi, de exemplu, câteva miliarde, atunci mulți dintre ei, fără îndoială, vor trăi 20 de timpi de înjumătățire sau mult mai mult. Probabilitatea ca un atom să se descompună într-o anumită perioadă de timp se obține prin scăderea valorilor obținute de la 100. Deci, dacă probabilitatea ca un atom să supraviețuiască 2 minute este de 25%, atunci probabilitatea ca același atom să se descompună în această perioadă. timpul este 100 25 = 75%, probabilitatea dezintegrarii în 3 minute 87,5%, în 10 minute 99,9% etc.

Formula devine mai complicată dacă există mai mulți atomi instabili. În acest caz, probabilitatea statistică a unui eveniment este descrisă printr-o formulă cu coeficienți binomi. În cazul în care există N atomi și probabilitatea dezintegrarii unuia dintre ei în timp t egal cu p, apoi probabilitatea ca pe parcursul timpului t din N atomii se vor descompune n(și va rămâne în consecință N – n), este egal cu P = N!p n(1 p) N– n/(N– n)!n! Formule similare trebuie utilizate în sinteza de noi elemente instabile, a căror atomi sunt obținuți literalmente individual (de exemplu, când un grup de oameni de știință americani a descoperit noul element Mendelevium în 1955, l-au obținut în cantitate de numai 17 atomi. ).

Aplicarea acestei formule poate fi ilustrată într-un caz specific. Să fie, de exemplu N= 16 atomi cu un timp de înjumătățire de 1 oră. Puteți calcula probabilitatea dezintegrarii unui anumit număr de atomi, de exemplu în timp t= 4 ore. Probabilitatea ca un atom să supraviețuiască acestor 4 ore este 1/2 4 = 1/16, respectiv probabilitatea dezintegrarii sale în acest timp. R= 1 1/16 = 15/16. Înlocuind aceste date inițiale în formulă, rezultă: R = 16!(15/16) n(1/16) 16 n/(16 n)!n! = 16!15 n/2 64 (16 n)!n! Rezultatele unor calcule sunt prezentate în tabel:

Tabelul 1.
Atomi rămase (16– n) 16 10 8 6 4 3 2 1 0
Atomii s-au degradat n 0 6 8 10 12 13 14 15 16
Probabilitate R, % 5·10 –18 5·10 –7 1,8·10 –4 0,026 1,3 5,9 19,2 38,4 35,2
Astfel, din 16 atomi după 4 ore (4 timpi de înjumătățire), niciunul nu va rămâne deloc, așa cum s-ar putea presupune: probabilitatea acestui eveniment este de doar 38,4%, deși este mai mare decât probabilitatea oricărui alt rezultat. După cum se poate observa din tabel, probabilitatea ca toți cei 16 atomi (35,2%) sau doar 14 dintre ei să se descompună este, de asemenea, foarte mare. Dar probabilitatea ca, după 4 timpi de înjumătățire, toți atomii să rămână „vii” (nici unul nu s-a degradat) este neglijabilă. Este clar că dacă nu sunt 16 atomi, dar, să zicem, 10 20, atunci putem spune cu aproape 100% încredere că după 1 oră jumătate din numărul lor va rămâne, după 2 ore pe sfert etc. Adică, cu cât sunt mai mulți atomi, cu atât mai precis dezintegrarea lor corespunde legii exponențiale.

Numeroase experimente efectuate de pe vremea lui Becquerel au arătat că rata dezintegrarii radioactive nu este practic afectată de temperatură, presiune sau starea chimică a atomului. Excepțiile sunt foarte rare; Astfel, în cazul captării electronilor, valoarea T 1/2 se modifică ușor pe măsură ce starea de oxidare a elementului se modifică. De exemplu, dezintegrarea 7 BeF 2 are loc cu aproximativ 0,1% mai lentă decât 7 BeO sau 7 Be metalic.

Numărul total de radionuclizi nuclei instabili cunoscuți se apropie de două mii, durata lor de viață variază în limite foarte largi. Sunt cunoscuți atât radionuclizi cu viață lungă, pentru care timpii de înjumătățire se ridică la milioane și chiar miliarde de ani, cât și cei cu viață scurtă, care se descompun complet în mici fracțiuni de secundă. Timpurile de înjumătățire ale unor radionuclizi sunt date în tabel.

Proprietățile unor radionuclizi (pentru Tc, Pm, Po și toate elementele ulterioare care nu au izotopi stabili, sunt date date pentru izotopii lor cu cea mai lungă viață).

Masa 2.
Număr de serie Simbol Numar de masa Jumătate de viață
1 T 3 12.323 de ani
6 CU 14 5730 de ani
15 R 32 14,3 zile
19 LA 40 1,28 10 9 ani
27 Co 60 5.272 de ani
38 Sr 90 28,5 ani
43 Ts 98 4,2 10 6 ani
53 eu 131 8,02 zile
61 P.m 145 17,7 ani
84 Ro 209 102 ani
85 La 210 8,1 ore
86 Rn 222 3.825 zile
87 pr 223 21,8 min
88 Ra 226 1600 de ani
89 Ac 227 21,77 ani
90 Th 232 1.405 10 9 ani
91 Ra 231 32.760 de ani
92 U 238 4.468 10 9 ani
93 Np 237 2.14 10 6 ani
94 Pu 244 8,26 10 7 ani
95 A.m 243 7370 de ani
96 Cm 247 1,56 10 7
97 Bk 247 1380 de ani
98 Cf 251 898 de ani
99 Es 252 471,7 zile
100 Fm 257 100,5 zile
101 MD 260 27,8 zile
102 Nu 259 58 min
103 Lr 262 3,6 ore
104 Rf 261 78 s
105 Db 262 34 s
106 Sg 266 21 s
107 Bh 264 0,44 s
108 Hs 269 9 s
109 Mt 268 70 ms
110 Ds 271 56 ms
111 272 1,5 ms
112 277 0,24 ms
Cel mai scurt nuclid cunoscut 5 Li : durata sa de viață este de 4,4·10 22 s). În acest timp, chiar și lumina va călători doar 10 × 11 cm, adică. o distanță de numai câteva zeci de ori mai mare decât diametrul nucleului și semnificativ mai mică decât dimensiunea oricărui atom. Cea mai lungă viață 128 Te (conținut în telur natural în cantitate de 31,7%) cu un timp de înjumătățire de opt septilioane (8·10 24) ani, cu greu poate fi numit radioactiv; pentru comparație, se estimează că Universul nostru are „doar” 10-10 ani.

Unitatea de radioactivitate a unui nuclid este becquerelul: 1 Bq (Bq) corespunde unei dezintegrare pe secundă. Unitatea curie din afara sistemului este adesea folosită: 1 Ci (Ci) este egal cu 37 miliarde dezintegrari pe secundă sau 3,7 . 10 10 Bq (1 g de 226 Ra are aproximativ această activitate). La un moment dat, a fost propusă o unitate în afara sistemului a rutherford-ului: 1 Рд (Rd) = 10 6 Bq, dar nu a fost larg răspândită.

LITERATURĂ Soddy F. Istoria energiei atomice. M., Atomizdat, 1979
Choppin G. şi colab. Chimie nucleară. M., Energoatomizdat, 1984
Hoffman K. Este posibil să faci aur? L., Chimie, 1984
Kadmensky S.G. Radioactivitatea nucleelor ​​atomice: istorie, rezultate, ultimele realizări. „Revista Educațională Soros”, 1999, Nr. 11

Transformările în care nucleul unui element chimic se transformă în nucleul altui element cu un număr atomic diferit se numesc dezintegrare radioactivă. Izotopii radioactivi formați și existenți în condiții naturale se numesc radioactivi în mod natural; aceiași izotopi obținuți artificial prin reacții nucleare sunt radioactivi artificial. Nu există nicio diferență fundamentală între izotopii radioactivi naturali și artificiali, deoarece proprietățile nucleelor ​​atomice și ale atomilor înșiși sunt determinate numai de compoziția și structura nucleului și nu depind de metoda de formare a acestora.

Radioactivitatea a fost descoperită în 1896 de A.N. Becquerel, care a descoperit radiațiile din uraniu care ar putea provoca înnegrirea emulsiei fotografice și ioniza aerul. Curie-Sklodowska a fost primul care a măsurat intensitatea radiației uraniului și, simultan cu omul de știință german G.S. Schmidt, a descoperit radioactivitatea în toriu. Proprietatea izotopilor de a emite spontan radiații invizibile a fost numită radioactivitate de către Curies. În iulie 1898, ei au raportat descoperirea unui nou element radioactiv, poloniul, în minereul de rășină de uraniu. În decembrie 1898, împreună cu G. Bemont, au descoperit radiul.

După descoperirea elementelor radioactive, o serie de autori (Becquerel, Curies, Rutherford etc.) au stabilit că aceste elemente pot emite trei tipuri de raze care se comportă diferit într-un câmp magnetic. La sugestia lui Rutherford (E. Rutherford, 1902), aceste raze au fost numite raze alfa, beta și gamma. Razele alfa constau din particule alfa încărcate pozitiv (atomi de heliu dublu ionizat He4); raze beta - de la particule încărcate negativ de masă mică - electroni; Razele gamma sunt similare în natură cu razele X și sunt cuante de radiație electromagnetică.

În 1902, Rutherford și F. Soddy au explicat fenomenul radioactivității prin transformarea spontană a atomilor unui element în atomi ai altui element, care are loc conform legilor întâmplării și însoțită de eliberarea de energie sub formă de alfa, beta și raze gamma.

În 1910, M. Curie-Sklodowska, împreună cu A. Debierne, au obținut radiu metalic pur și i-au studiat proprietățile radioactive, în special, ea a măsurat constanta de dezintegrare a radiului. O serie de alte elemente radioactive au fost descoperite în curând. Debierne și F. Giesel au descoperit anemona de mare. Hahn (O. Halm) a descoperit radiotoriul și mezotoriul, Boltwood (V.V. Boltwood) a descoperit ionul, Hahn și Meitner (L. Meitner) au descoperit protactiniul. Toți izotopii acestor elemente sunt radioactivi. În 1903, Pierre Curie și S.A. Laborde au arătat că un preparat cu radiu are întotdeauna o temperatură ridicată și că 1 g de radiu cu produsele sale de degradare eliberează aproximativ 140 kcal într-o oră. În același an, W. Ramsay și Soddy au descoperit că o fiolă de radiu sigilată conținea heliu gazos. Lucrările lui Rutherford, F. Dorn, Debierne și Giesel au arătat că printre produșii de descompunere ai uraniului și toriu se află gaze radioactive care se descompun rapid numite emanații de radiu, toriu și actiniu (radon, toron, actinon). Astfel, s-a dovedit că în timpul dezintegrarii, atomii de radiu se transformă în atomi de heliu și radon. Legile transformărilor radioactive ale unor elemente în altele în timpul descompunerilor alfa și beta (legile deplasării) au fost formulate pentru prima dată de Soddy, K. Fajans și W.J. Russell.

Aceste legi sunt după cum urmează. În timpul dezintegrarii alfa, elementul original produce întotdeauna un alt element, care se află în tabelul periodic D.I. Mendeleev două celule la stânga elementului original (numărul ordinal sau atomic este cu 2 mai mic decât originalul); în timpul dezintegrarii beta, elementul original produce întotdeauna un alt element, care este situat în tabelul periodic o celulă la dreapta elementului original (numărul atomic este cu unul mai mare decât cel al elementului original).

Studiul transformărilor elementelor radioactive a condus la descoperirea izotopilor, adică atomi care au aceleași proprietăți chimice și numere atomice, dar diferă între ei prin masă și proprietăți fizice, în special în proprietățile radioactive (tip de radiație, rata de descompunere). ). Din numărul mare de substanțe radioactive descoperite, doar radiul (Ra), radonul (Rn), poloniul (Po) și protactiniul (Pa) s-au dovedit a fi elemente noi, iar restul erau izotopi ai uraniului (U), toriu cunoscut anterior. (Th), plumb (Pb), taliu (Tl) și bismut (Bi).

După ce Rutherford a descoperit structura nucleară a atomilor și a demonstrat că nucleul este cel care determină toate proprietățile atomului, în special structura învelișurilor sale electronice și proprietățile sale chimice (vezi Atom, Nucleu atomic), a devenit clar că transformările radioactive sunt asociate cu transformarea nucleelor ​​atomice. Studiul suplimentar al structurii nucleelor ​​atomice a făcut posibilă descifrarea completă a mecanismului transformărilor radioactive.

Prima transformare artificială a nucleelor ​​- o reacție nucleară - a fost realizată de Rutherford în 1919 prin bombardarea nucleelor ​​atomilor de azot cu particule de poloniu alfa. În același timp, nucleele de azot au emis protoni (vezi) și s-au transformat în nuclee de oxigen O17. În 1934, F. Joliot-Curie și I. Joliot-Curie au fost primii care au obținut artificial un izotop radioactiv de fosfor prin bombardarea atomilor de Al cu particule alfa. Nucleele P30, spre deosebire de nucleele izotopilor radioactivi în mod natural, în timpul dezintegrarii au emis nu electroni, ci pozitroni și s-au transformat în nuclee stabile de siliciu Si30. Astfel, în 1934, au fost descoperite simultan radioactivitatea artificială și un nou tip de dezintegrare radioactivă - dezintegrarea pozitronilor, sau dezintegrarea b+. Joliot-Curies a exprimat ideea că toate particulele rapide (protoni, deuteroni, neutroni) provoacă reacții nucleare și pot fi folosite pentru a obține izotopi radioactivi în mod natural. Fermi (E. Fermi) a bombardat diverse elemente cu neutroni și a obținut izotopi radioactivi ai aproape tuturor elementelor chimice. În prezent, cu ajutorul particulelor încărcate accelerate și neutronilor, au fost efectuate o mare varietate de reacții nucleare, în urma cărora a devenit posibilă obținerea oricăror izotopi radioactivi.

În 1937, L. Alvarez a descoperit un nou tip de transformare radioactivă - captarea electronilor. În captarea electronilor, nucleul unui atom captează un electron din învelișul atomului și se transformă în nucleul altui element. În 1939, Hahn și F. Strassmann au descoperit fisiunea unui nucleu de uraniu în nuclee mai ușoare (fragmente de fisiune) atunci când au fost bombardați cu neutroni. În același an, Flerov și Pietrzak au arătat că procesul de fisiune a nucleelor ​​de uraniu are loc spontan, fără influență externă. Astfel, au descoperit un nou tip de transformare radioactivă - fisiunea spontană a nucleelor ​​grele.

În prezent, sunt cunoscute următoarele tipuri de transformări radioactive, care au loc fără influențe externe, în mod spontan, numai din motive interne determinate de structura nucleelor ​​atomice.