Неорганическая
Органическая
Коллоидная
Биологическая
Биохимия
Токсикологическая
Экологическая
Химическая энциклопедия
Советская энциклопедия
Справочник по веществам
Гетероциклы
Теплотехника
Углеводы
Квантовая химия
Моделирование ХТС
Номенклатура
Таблица Менделеева
Неорганические реакции
Органические реакции
Молярные массы
Форматирование формул
Редактор формул
Уравнивание реакций
Электронное строение атомов
Игра «Таблица Менделеева»
Термодинамические свойства
Конвертер величин
Гальванопара
Поиск репетиторов
Форум
Лекарства
Фармацевтика
Термины биохимии
Коды загрязняющих веществ
Стандартизация
Каталог предприятий


РАДИОАКТИВНОСТЬ

РАДИОАКТИВНОСТЬ (от лат. radio - излучаю и activus-действенный), самопроизвольное превращение нестабильных атомных ядер в др. ядра, сопровождающееся испусканием частиц, а также жесткого электромагн. излучения (рентгеновского или g-излучения). Ядра нового нуклида, к-рые образуются в результате радиоактивного распада исходного нуклида (радионуклида), м. б. стабильными или радиоактивными.

Типы радиоактивности. Известны след. типы радиоактивности: 1) a-рас-пад, 2) b-распад, 3) спонтанное деление ядер, 4) протонная, двупротонная и двунейтронная радиоактивность, 5) двустадийная радиоактивность a-Распад сопровождается испусканием ядер 4033-23.jpg (a-частиц). При этом заряд Z исходного ядра уменьшается на 2 единицы (в единицах элементарного заряда), а массовое число А -на 4 единицы (в атомных единицах массы). Если Z' и А'-заряд и массовое число возникающего ядра, то для a-распада кратко можно сформулировать правило сдвига: Z' = Z — 2; А' = А — 4. a-Распад наиб. характерен для тяжелых ядер (Z4033-24.jpg82). Существуют, однако, ок. 20 a-радио-нуклидов РЗЭ.

Энергия a-частиц, испускаемых тяжелыми ядрами, составляет 4-9 МэВ, для ядер РЗЭ-2-4,5 МэВ. При a-распаде ядер, находящихся в возбужденном состоянии, энергия испускаемых a-частиц может значительно превышать указанные значения (т. наз. длиннопробежные частицы). В редких случаях при a-распаде возникают a-частицы строго определенной энергии и не наблюдается сопутствующего электромагн. излучения (соответствующие радионуклиды наз. "чистыми" a-излучателями). Чаще всего при a-распаде испускается неск. групп a-частиц, каждая из к-рых обладает определенной энергией, т. е. энергетич. спектры a-распада дискретны. Испускание ядром a-частиц разл. энергий свидетельствует о наличии в этом ядре дискретных энергетич. уровней. Энергия испускаемых ядром квантов электромагн. излучения равна разности энергий a-частиц разл. групп. При прохождении через в-во a-частицы тормозятся, расходуя энергию на ионизацию и возбуждение атомов и молекул. Пути a-частиц в в-ве почти всегда прямолинейны и составляют: для воздуха не более 5-7 см, для плотных в-в не более 10-20 мкм.

b-Распад. Под термином "b-распад" объединяют радиоактивные превращения, сопровождающиеся испусканием из атомных ядер электронов е-, к-рые возникают при превращении нейтрона в протон (b--распад); испусканием позитронов е+, возникающих в ядрах при превращении протона в нейтрон (b+-распад); захватом орбитального электрона, чаще всего с K-оболочки ядра (К-захват), реже с L-оболочки (L-захват). Для b--распада правило сдвига имеет вид: Z' = Z + 1, А' = А; для b+-распада: Z' = Z — 1, А' = А', для электронного захвата (обычно обозначаемого Э.З.): Z' = Z—1, А' = А. Характерная особенность b-b+-распадов состоит в том, что энергии b-частиц не дискретны, а непрерывно изменяются почти от 0 до нек-рого макс. значения Емакс. При b--распаде из нейтрона n кроме протона р и электрона е- образуется также третья частица - антинейтрино4033-25.jpgПри b+-распаде из протона кроме нейтрона и позитрона образуется нейтрино v: p:n+e++v. Непрерывный характер b-спектра объясняется распределением энергии между электронами и антинейтрино или позитронами и нейтрино соответственно.

Средняя энергия4033-26.jpgb-частиц равна: 4033-27.jpg Как и при a-распаде, b-распад одного ядра можетприводить к появлению групп b-частиц с разными значениями Eмакс (т. наз. сложный b-распад), к-рый сопровождается испусканием электромагн. излучения.

b--Распад наблюдается как у легких, так и у тяжелых ядер. Как правило, b--распад характерен для ядер, имеющих избыточное (по сравнению со стабильными ядрами) число нейтронов. Напр., в стабильных ядрах атомов 12С и 13С содержится соотв. 6 и 7 нейтронов, а у b--радиоактивного 14С-8 нейтронов. Напротив, b+-распад характерен для нейтронодефицитных ядер, число нейтронов в к-рых меньше, чем в ядрах стабильных атомов данного элемента. Напр., в стабильном ядре 23Na содержится 12 нейтронов, а в ядре b+-радиоактивного 21Na-10 нейтронов.

Траектории b-частиц в в-ве искривляются из-за сильного взаимодействия b-частиц с электронными оболочками атомов. Длина пробега b- -частиц в воздухе составляет до неск. десятков см, в плотных средах - от долей мм до 1 см и более. При прохождении b+-частиц через в-во практически сразу же происходит взаимод. позитронов с электронами, приводящее к образованию двух g-квантов (аннигиляция пары позитрон-электрон). Эти g-кванты суть аннигиляц. излучение, сопровождающее b+-распад.

При электронном захвате внеш. электроны в атоме (с более высоких по энергии оболочек) переходят на вакантные места внутр. электронов. Энергия, отвечающая переходу, может испускаться в виде характеристич. рентгеновского излучения. Часто, однако, энергия возбуждения атома не испускается в виде излучения, а непосредственно передается одному или неск. орбитальным электронам. Если полученная электронами энергия выше энергии их связи в атоме, наблюдается испускание оже-электронов, к-рые, в отличие от b--частиц, имеют дискретные значения энергии.

Спонтанное деление наблюдается только у ядер тяжелых элементов с Z4033-28.jpg90. При этом типе радиоактивности образуются 2 новых ядра с приблизительно равными массами. Спонтанное деление часто сопровождается испусканием из каждого исходного ядра 2-3 нейтронов. Обнаружено также происходящее с очень малой вероятностью резко несимметричное спонтанное деление ядер с Z4033-29.jpg88 с испусканием в качестве легких осколков ядер 14С, 22Na, 28Mg и др. Подобное деление иногда рассматривают как 14С-радиоактивность, 22Na-радиоактивность. и т.д. Др. назв. этого типа деления-кластерная радиоактивность. Спонтанное деление обозначают знаком f, напр. спонтанное деление ядер 238U записывают: 238U(f, 2n) 144Ba, 92Kr.

В редчайших случаях искусственно полученные радиоактивные ядра при распаде испускают 1 или 2 протона (соотв. протонная и двупротонная радиоактивность) или 2 нейтрона (двунейтронная радиоактивность). Все вышеперечисленные типы радиоактивности относят к одностадийным превращениям. Известна и двустадийная радиоактивность, связанная с испусканием b--частицы и вылетом из ядра т. наз. запаздывающих частиц (протонов, нейтронов и др.) или последующим актом спонтанного деления.

Мн. радиоактивные ядра способны претерпевать превращения не одного, а сразу неск. типов. Так, ядра 238U способны одновременно к а-распаду и спонтанному делению, а ядра 64Сu-к b--, b+-распадам и к Э.З. В этих случаях указывают на вероятность распада поданному типу (в процентах).

Для нек-рых ядер, находящихся в возбужденном (метаста-бильном) состоянии, при переходе в стабильное состояние энергия возбуждения испускается только в виде квантов излучения (см. Изомерия атомных ядер). При этом состав ядер не изменяется, поэтому такие превращения обычно не относят к радиоактивности. См. также Ионизирующие излучения, Радионуклиды.

Кинетика радиоактивных превращений. Скорость распада ядер данного радионуклида пропорциональна наличному числу ядер N. Осн. закон радиоактивности в дифференц. форме имеет вид:

4033-30.jpg

где l.-Т. наз. постоянная распада (радиоактивная постоянная), значение к-рой, определенное для каждого нуклида, может изменяться в широких пределах. Приведенное ур-ние отражает независимость распада отдельного ядра от распада остальных ядер. В интегральной форме осн. закон радиоактивности имеет вид:

4033-31.jpg

где N0 - исходное число ядер, Nt-число ядер, не распавшихся к моменту времени t. Значение l связано с периодом полураспада Т1/2-временем, в течение к-рого число ядер данного нуклида уменьшается в результате радиоактивности вдвое:

4033-32.jpg

Законы радиоактивности имеют статистич. характер, для отдельного ядра невозможно предсказать момент его распада. Поэтому соотношения, описывающие радиоактивность, выполняются не строго. Скорость распада за равные промежутки времени при постоянной средней скорости испытывает флуктуации. Среднюю квадратичную флуктуацию а (среднее квадратичное отклонение) можно найти по ф-ле: 4033-33.jpgгде4033-34.jpg среднее число актов радиоактивного превращения, зафиксированное за все время регистрации, а средняя квадратичная флуктуация (среднее квадратичное отклонение) s1 числа актов радиоактивного распада за единицу времени 4033-35.jpg= =4033-36.jpg где t - продолжительность измерения) равна: s1 = —4033-37.jpg С учетом флуктуации в случае практически всех типов радиоактивности скорость распада ядер при варьировании внеш. условий (т-ры, давления и т. д.) в любых возможных пределах не изменяется. В случае Э. 3. значение Т1/2 в небольшой мере влияет хим. форма, степень окисления элемента и др. факторы.

Единицы радиоактивности. Для характеристики источника, в к-ром происходят радиоактивные превращения, используют понятие активности-физ. величины, характеризующей число распадов в единицу времени в источнике. Единица активности в СИ-беккерель (Бк): 1Бк-активность радионуклида в источнике, в к-ром за 1 с происходит 1 акт распада (размерность Бк-t-1). Широко используют кратные единицы: кБк (103Бк), МБк (106 Бк), ГБк (109 Бк), ТБк (1012 Бк) и др. Используют понятия уд. активности (Бк/кг), молярной активности (Бк/моль), объемной активности (Бк/м3), поверхностной активности (Бк/м2).

Внесистемная единица активности-кюри (Ки): 1 Ки- активность радионуклида в источнике, в к-ром за 1 с происходит 3,7·1010 актов распада, т.е. 1Ки = 3,7·1010 Бк. Кратные единицы: мКи (3,7·107 Бк), мкКи (3,7·104 Бк). Прежде в качестве единицы активности применяли также резер-форд, равный 106 Бк. В мед. практике, где имеют дело, как правило, с очень небольшими активностями (при отпуске радоновых ванн и т.п.), использовались единицы эман (1 эман = 10-10 Ки/л) и махе (1 махе = 3,64 эмана).

Пределы обнаружения радиоактивных свойств ядер. Скорости радиоактивных превращений для разл. радионуклидов изменяются в очень широких пределах. Известны прир. радионуклиды с Т1/2 1013 — 1015 лет; для малоустойчивых (короткоживущих) радионуклидов Т1/2 может достигать 1 мкс и менее. Верх. предел измерения T1/2 определяется техникой измерений: чем более чувствительна аппаратура, тем большие периоды полураспада удается обнаружить. Относительно ниж. предела принимают, что о радиоактивности можно говорить лишь тогда, когда время жизни радиоактивного ядра т = 1/l превышает 10-12 с. Следует иметь в виду, что ядра, первоначально образующиеся при ядерных реакциях в результате поглощения ядром-мишенью падающей на него ядерной частицы, характеризуются временами жизни до 10-13 — 10-14 с; последующие превращения этих составных ядер не принято рассматривать как радиоактивность.

Теоретич. расчеты показывают, что наряду с известными к настоящему времени 288 стабильными нуклидами разл. элементов может существовать ок. 7,5 тыс. радионуклидов с Т1/2 ок. 1 мс. Стабильность ядер к радиоактивным превращениям определяется соотношением в них числа протонов и нейтронов; для легких стабильных ядер это отношение близко к 1, по мере роста Z отношение числа протонов и нейтронов в стабильных ядрах приближается к 1:1,5. Для легких элементов удается синтезировать радиоактивные ядра, в к-рых отношение числа нейтронов к числу протонов составляет 2,5-3 (22С, 23N) и даже 5 (6Н). Установлено, что у элементов с Z4033-38.jpg7 относительно устойчивы радионуклиды, в ядрах к-рых содержится четное число нейтронов.

Исторический очерк. Радиоактивность открыта А. Беккерелем в_1896 как испускание солями U лучей, обладающих высокой проникающей способностью. Вскоре оказалось, что аналогичной способностью обладает и Th. В 1898 М. Склодовская-Кюри и П. Кюри обнаружили 2 новых элемента-Ra и Ро, радиоактивные св-ва к-рых проявлялись значительно сильнее, чем U и Th. Большое значение для изучения радиоактивности имели работы Э. Резерфорда, Ф. Содди, К. Фаянса и др. Отдельные Компоненты испускаемого при радиоактивном превращении излучения по мере их выделения из общего потока с помощью электрич. и магнитных полей получили назв. по первым буквам греч. алфавита (a, b, g).

В 1934 И. и Ф. Жолио-Кюри обнаружили при искусственно проведенной ядерной р-ции образование нового радионуклида 30Р [27А1 (a, n)30Р]; с этого времени начался синтез искусств. радионуклидов. К настоящему времени получено ок. 2000 радионуклидов, обнаружено неск. десятков прир. радионуклидов. Радионуклиды (естественные и искусственно полученные) известны практически у всех элементов, кроме легких (Не и Li).

В 1938 О. Ган и Ф. Штрасман, обнаружили, что при облучении урана нейтронами образуются ядра элементов, атомный номер к-рых значительно меньше, чем у U (ядра щел.-зем. металла Ва). Вскоре Л. Майтнер и О. Фриш установили, что ядро 238U после поглощения нейтрона делится на 2 осколка (вынужденное деление). Т. к. при таком делении освобождается кинетич. энергия и выделяются своб. нейтроны, способные вызывать новые акты деления, стало возможным практич. использование радиоактивности как цепной р-ции деления ядер в военных и мирных целях. В 1940 К. A. Петр-жак и Г. Н. Флеров_открыли спонтанное деление ядер (на примере 238U). В связи с работами по созданию ядерного оружия в 40-50-х гг. 20 в. интенсивность исследований радиоактивности резко возросла.

Изучение радиоактивности имеет большое значение для исследования структуры и св-в в-в. Лишь после открытия радиоактивности стало возможным превращение одних хим. элементов в другие, синтез ядер элементов, не существовавших на Земле. Изучение радиоактивности значительно расширило перспективы энергетики, привело к созданию ядерной энергетики, ядерного оружия; радиоактивность нашла применение в с. х-ве, медицине и т.д. Вместе с тем перед человечеством возник целый ряд новых сложных проблем, связанных с предотвращением вредного воздействия излучения на живые организмы (см. Доза, Дозиметрия, Радиоэкология, Радиохимия).

Лит.: Учение о радиоактивности. История и современность, М., 1973; Трифонов Д.Н., Кривомазов А.Н., Лисневский Ю. И., Учение о периодичности и учение о радиоактивности. Комментированная хронология важнейших событий, М., 1974. См. также лит. при ст. Радиохимия.

С. С. Бердоносова.


     © ХиМиК.ру




Реклама   Обратная связь   Дизайн