химический каталог




РАДИОАКТИВНОСТЬ

Автор Химическая энциклопедия г.р. Н.С.Зефиров

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, которые образуются в результате радиоактивного распада исходного нуклида (радионуклида), может быть стабильными или радиоактивными.

Типы РАДИОАКТИВНОСТЬ Известны следующей 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 (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-Рашад наиболее характерен для тяжелых ядер (Z82). Существуют, однако, около 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 (так называемой длиннопробежные частицы). В редких случаях при a-распаде возникают a-частицы строго определенной энергии и не наблюдается сопутствующего электромагн. излучения (соответствующие радионуклиды называют "чистыми" a-излучателями). Чаще всего при a-распаде испускается несколько групп a-частиц, каждая из которых обладает определенной энергией, т. е. энергетич. спектры a-распада дискретны. Испускание ядром a-частиц различные энергий свидетельствует о наличии в этом ядре дискретных энергетич. уровней. Энергия испускаемых ядром квантов электромагн. излучения равна разности энергий a-частиц различные групп. При прохождении через вещество a-частицы тормозятся, расходуя энергию на ионизацию и возбуждение атомов и молекул. Пути a-частиц в веществе почти всегда прямолинейны и составляют: для воздуха не более 5-7 см, для плотных веществ не более 10-20 мкм.

b-Распад. Под термином "b-распад" объединяют радиоактивные превращения, сопровождающиеся испусканием из атомных ядер электронов е-, которые 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 некоторого макс. значения Емакс. При b--распаде из нейтрона n кроме протона р и электрона е- образуется также третья частица - антинейтриноПри 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 энергияb-частиц равна: Как и при a-распаде, b-распад одного ядра можетприводить к появлению групп b-частиц с разными значениями Eмакс (так называемой сложный b-распад), который 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. Например, в стабильных ядрах атомов 12С и 13С содержится соответственно 6 и 7 нейтронов, а у b--радиоактив ного 14С-8 нейтронов. Напротив, b+-распад характерен для нейтронодефицитных ядер, число нейтронов в которых меньше, чем в ядрах стабильных атомов данного элемента. Например, в стабильном ядре 23Na содержится 12 нейтронов, а в ядре b+-радиоактивного 21Na-10 нейтронов.

Траектории b-частиц в веществе искривляются из-за сильного взаимодействия b-частиц с электронными оболочками атомов. Длина пробега b- -частиц в воздухе составляет до несколько десятков см, в плотных средах - от долей мм до 1 см и более. При прохождении b+-частиц через вещество практически сразу же происходит взаимодействие 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 внешний 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 несколько орбитальным электронам. Если полученная электронами энергия выше энергии их связи в атоме, наблюдается испускание оже-электронов, которые, в отличие от b--частиц, имеют дискретные значения энергии.

Спонтанное деление наблюдается только у ядер тяжелых элементов с Z90. При этом типе РАДИОАКТИВНОСТЬ 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 Z88 с испусканием в качестве легких осколков ядер 14С, 22Na, 28Mg и др. Подобное деление иногда рассматривают как 14С-Р., 22Na-P. и т.д. Др. назв. этого типа деления-кластерная РАДИОАКТИВНОСТЬ Спонтанное деление обозначают знаком f, например спонтанное деление ядер 238U записывают: 238U(f, 2n) 144Ba, 92Kr.

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

Мн. радиоактивные ядра способны претерпевать превращения не одного, а сразу несколько 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 некоторых 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 РАДИОАКТИВНОСТЬ См. также Ионизирующие излучения, Радионуклиды.

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


где l.-Т. называют постоянная распада (радиоактивная постоянная), значение которой, определенное для каждого нуклида, может изменяться в широких пределах. Приведенное уравение отражает независимость распада отдельного ядра от распада остальных ядер. В интегральной форме основные закон РАДИОАКТИВНОСТЬ имеет вид:


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 которого число ядер данного нуклида уменьшается в результате РАДИОАКТИВНОСТЬ вдвое:


Законы РАДИОАКТИВНОСТЬ 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 формуле: где 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 = = где t - продолжительность измерения) равна: s1 = — С учетом флуктуации в случае практически всех типов РАДИОАКТИВНОСТЬ скорость распада ядер при варьировании внешний условий (температуры, давления и т. д.) в любых возможных пределах не изменяется. В случае Э. 3. значение Т1/2 в небольшой мере влияет химический форма, степень окисления элемента и др. факторы.

Единицы РАДИОАКТИВНОСТЬ Для характеристики источника, в котором происходят радиоактивные превращения, используют понятие активности-физических величины, характеризующей число распадов в единицу времени в источнике. Единица активности в СИ-беккерель (Бк): 1Бк-активность радионуклида в источнике, в котором 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 удельная 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 котором 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 различные радионуклидов изменяются в очень широких пределах. Известны природные 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 РАДИОАКТИВНОСТЬ 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 различные элементов может существовать около 7,5 тысяч радионуклидов с Т1/2 около 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 которых отношение числа нейтронов к числу протонов составляет 2,5-3 (22С, 23N) и даже 5 (6Н). Установлено, что у элементов с Z7 относительно устойчивы радионуклиды, в ядрах которых содержится четное число нейтронов.

Исторический очерк. РАДИОАКТИВНОСТЬ открыта А. Беккере.лем 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 свойства которых проявлялись значительно сильнее, чем U и Th. Большое значение для изучения РАДИОАКТИВНОСТЬ 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 греческого алфавита (a, b, g).

В 1934 И. и Ф. Жолио-Кюри обнаружили при искусственно проведенной ядерной реакции образование нового радионуклида 30Р [27Al (a, n)30Р]; с этого времени начался синтез искусств. радионуклидов. К настоящему времени получено около 2000 радионуклидов, обнаружено несколько десятков природные 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 которых 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 кинетическая энергия и выделяются свободный нейтроны, способные вызывать новые акты деления, стало возможным практическое использование РАДИОАКТИВНОСТЬ как цепной реакции 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 РАДИОАКТИВНОСТЬ резко возросла.

Изучение РАДИОАКТИВНОСТЬ имеет большое значение для исследования структуры и свойств веществ. Лишь после открытия РАДИОАКТИВНОСТЬ стало возможным превращение одних химический элементов в другие, синтез ядер элементов, не существовавших на Земле. Изучение РАДИОАКТИВНОСТЬ 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).

Литература: 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.

Химическая энциклопедия. Том 4 >> К списку статей


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]    [обратная связь]

 

 

Реклама
цены на аборт
i2276vwm 01
кп серебряные тропы
моноколеса в сокольниках

Рекомендуемые книги

Введение в химию окружающей среды.

Книга известных английских ученых раскрывает основные принципы химии окружающей среды и их действие в локальных и глобальных масштабах. Важный аспект книги заключается в раскрытии механизма действия природных геохимических процессов в разных масштабах времени и влияния на них человеческой деятельности. Показываются химический состав, происхождение и эволюция земной коры, океанов и атмосферы. Детально рассматриваются процессы выветривания и их влияние на химический состав осадочных образований, почв и поверхностных вод на континентах. Для студентов и преподавателей факультетов биологии, географии и химии университетов и преподавателей средних школ, а также для широкого круга читателей.

Химия и технология редких и рассеянных элементов.

Книга представляет собой учебное пособие по специальным курсам для студентов химико-технологических вузов. В первой части изложены основы химии и технологии лития, рубидия, цезия, бериллия, галлия, индия, таллия. Во второй части книги изложены основы химии и технологии скандия, натрия, лантана, лантаноидов, германия, титана, циркония, гафния. В третьей части книги изложены основы химии и технологии ванадия, ниобия, тантала, селена, теллура, молибдена, вольфрама, рения. Наибольшее внимание уделено свойствам соединений элементов, имеющих значение в технологии. В технологии каждого элемента описаны важнейшие области применения, характеристика рудного сырья и его обогащение, получение соединений из концентратов и отходов производства, современные методы разделения и очистки элементов. Пособие составлено по материалам, опубликованным из советской и зарубежной печати по 1972 год включительно.

 

 



Рейтинг@Mail.ru Rambler's Top100

Copyright © 2001-2012
(23.11.2017)