Koje vrste radioaktivnog zračenja prolaze. Tema lekcije: „Radioaktivnost

U fizici se pod radioaktivnošću podrazumijeva nestabilnost jezgri određenog broja atoma koja se očituje u njihovoj prirodnoj sposobnosti spontanog raspada. Ovaj proces je popraćen emisijom ionizirajućeg zračenja, koje se naziva zračenje. Energija čestica ionizirajućeg zračenja može biti vrlo visoka. Zračenje se ne može uzrokovati kemijskim reakcijama.

Radioaktivne tvari i tehnička postrojenja (akceleratori, reaktori, oprema za rendgenske manipulacije) su izvori zračenja. Samo zračenje postoji samo dok se ne apsorbira u materiji.

Radioaktivnost se mjeri u bekerelima (Bq). Druga jedinica koja se često koristi je kiri (Ci). Aktivnost izvora zračenja karakterizira broj raspada u sekundi.

Mjera ionizirajućeg učinka zračenja na tvar je ekspozicijska doza, koja se najčešće mjeri u rentgenima (R). Jedan rendgen je vrlo velika vrijednost. Stoga se u praksi najčešće koriste milijunski dijelovi ili tisućinke X-zraka. Zračenje u kritičnim dozama može uzrokovati radijacijsku bolest.

Usko povezan s konceptom radioaktivnosti je koncept poluživota. To je naziv za vrijeme tijekom kojeg se broj radioaktivnih jezgri smanji za polovinu. Svaki radionuklid (vrsta radioaktivnog atoma) ima svoje vrijeme poluraspada. Može biti jednako sekundama ili milijardama godina. Za potrebe znanstveno istraživanje Važan princip je da je vrijeme poluraspada iste radioaktivne tvari konstantno. Ne postoji način da se to promijeni.

Opće informacije o zračenju. Vrste radioaktivnosti

Tijekom sinteze tvari ili njezinog raspada oslobađaju se elementi koji čine atom: neutroni, protoni, elektroni, fotoni. Kažu da dolazi do zračenja od takvih elemenata. Takvo zračenje naziva se ionizirajuće (radioaktivno). Drugi naziv za ovu pojavu je zračenje.

Zračenje se odnosi na proces u kojem supstanca emitira elementarne nabijene čestice. Vrsta zračenja određena je elementima koji se emitiraju.

Ionizacija je proces proizvodnje nabijenih iona ili elektrona iz neutralnih molekula ili atoma.

Radioaktivno zračenje dijelimo na nekoliko vrsta, koje uzrokuju mikročestice različite prirode. Čestice materije uključene u zračenje imaju različite energetske učinke i različite sposobnosti prodiranja. Biološki učinci zračenja također će biti različiti.

Kada ljudi govore o vrstama radioaktivnosti, misle na vrste zračenja. U znanosti oni uključuju sljedeće skupine:

• alfa zračenje;
• beta zračenje;
• neutronsko zračenje;
• gama zračenje;
• X-zračenje.

Alfa zračenje

Ova vrsta zračenja nastaje kada se izotopi elemenata koji nisu stabilni raspadaju. Tako se naziva zračenje teških i pozitivno nabijenih alfa čestica. Oni su jezgre atoma helija. Alfa čestice mogu nastati raspadom složenih atomskih jezgri:

• torij;
• uran;
• radij.

Alfa čestice se razlikuju po velikoj masi. Brzina ove vrste zračenja je relativno mala: 15 puta je manja od brzine svjetlosti. U kontaktu s nekom tvari, teške alfa čestice sudaraju se s njezinim molekulama. Dolazi do interakcije. Međutim, čestice gube energiju, pa je njihova prodorna moć vrlo mala. Jednostavan list papira može uhvatiti alfa čestice.

Pa ipak, u interakciji s tvari, alfa čestice uzrokuju njezinu ionizaciju. Ako govorimo o o stanicama živog organizma, da ih alfa zračenje može oštetiti, uništavajući pritom tkivo.

Alfa zračenje ima najmanju prodornu moć među ostalim vrstama ionizirajućeg zračenja. Ipak, posljedice izloženosti takvim česticama na živo tkivo smatraju se najtežim.

Živi organizam može primiti dozu ove vrste zračenja ako radioaktivni elementi dospiju u tijelo hranom, zrakom, vodom, kroz rane ili posjekotine. Kada radioaktivni elementi prodru u tijelo, krvotokom se prenose u sve njegove dijelove i nakupljaju se u tkivima.

Određene vrste radioaktivnih izotopa mogu postojati dugo vremena. Stoga, kada uđu u tijelo, mogu izazvati vrlo ozbiljne promjene u staničnoj strukturi - sve do potpune degeneracije tkiva.

Radioaktivni izotopi ne mogu sami napustiti tijelo. Tijelo nije u stanju neutralizirati, asimilirati, preraditi ili iskoristiti takve izotope.

Neutronsko zračenje

Ovo je naziv za zračenje uzrokovano ljudskim djelovanjem koje nastaje tijekom atomskih eksplozija ili u nuklearnim reaktorima. Neutronsko zračenje nema naboj: kada udari u materiju, vrlo slabo djeluje s dijelovima atoma. Prodorna sposobnost ove vrste zračenja je velika. Materijali koji sadrže puno vodika mogu ga zaustaviti. To bi mogla biti, posebice, posuda s vodom. Neutronsko zračenje također teško prodire kroz polietilen.

Pri prolasku kroz biološko tkivo neutronsko zračenje može uzrokovati vrlo ozbiljna oštećenja staničnih struktura. Ima značajnu masu, njegova brzina je puno veća od brzine alfa zračenja.

Beta zračenje

Nastaje u trenutku transformacije jednog elementa u drugi. Procesi se odvijaju u samoj jezgri atoma, što dovodi do promjene svojstava neutrona i protona. Kod ove vrste zračenja neutron se pretvara u proton ili proton u neutron. Proces je popraćen zračenjem pozitrona ili elektrona. Brzina beta zračenja je bliska brzini svjetlosti. Elementi koje emitira materija nazivaju se beta česticama.

Zbog velike brzine i male veličine emitiranih čestica, beta zračenje ima veliku prodornu sposobnost. Međutim, njegova sposobnost ioniziranja materije nekoliko je puta manja od sposobnosti alfa zračenja.

Beta zračenje lako prodire kroz odjeću i, donekle, kroz živo tkivo. Ali ako čestice na svom putu naiđu na guste strukture materije (na primjer, metal), počinju s njome djelovati. U tom slučaju beta čestice gube dio svoje energije. Može potpuno zaustaviti takvo zračenje metalni lim debljine nekoliko milimetara.

Alfa zračenje opasno je samo ako dođe u izravan kontakt s radioaktivnim izotopom. Ali beta zračenje može štetiti tijelu na udaljenosti od nekoliko desetaka metara od izvora zračenja. Jednom kada se radioaktivni izotop nađe u tijelu, ima tendenciju nakupljanja u organima i tkivima, oštećujući ih i uzrokujući značajne promjene.

Neki radioaktivni izotopi beta zračenja imaju dugo razdoblje raspadanja: nakon što uđu u tijelo, mogu ga zračiti nekoliko godina. Posljedica toga može biti rak.

Gama zračenje

Ovo je naziv za energetsko zračenje elektromagnetskog tipa kada tvar emitira fotone. Ovo zračenje prati raspad atoma materije. Gama zračenje se manifestira u obliku elektromagnetske energije (fotona) koja se oslobađa kada se promijeni stanje jezgre atoma. Gama zračenje ima brzinu jednaku brzini svjetlosti.

Kada se atom podvrgne radioaktivnom raspadu, jedna tvar se oblikuje u drugu. Atomi dobivenih tvari su energetski nestabilni, nalaze se u takozvanom pobuđenom stanju. Kada neutroni i protoni međusobno djeluju, protoni i neutroni dolaze u stanje u kojem sile interakcije postaju uravnotežene. Atom oslobađa višak energije u obliku gama zračenja.

Njegova prodorna sposobnost je velika: gama zračenje lako prodire kroz odjeću i živo tkivo. Ali mnogo teže prolazi kroz metal. Debeli sloj betona ili čelika može zaustaviti ovu vrstu zračenja.

Glavna opasnost od gama zračenja je u tome što može preći vrlo velike udaljenosti, a istovremeno snažno djelovati na tijelo stotinama metara od izvora zračenja.

X-zračenje

Pod njim se podrazumijeva elektromagnetsko zračenje u obliku fotona. X-zračenje nastaje kada se elektron kreće iz jedne atomske orbite u drugu. Po svojim je karakteristikama takvo zračenje slično gama zračenju. Ali njegova prodorna sposobnost nije tako velika, jer je valna duljina u ovom slučaju duža.

Jedan izvor X-zračenja je Sunce; međutim, atmosfera planeta pruža dovoljnu zaštitu od ovog učinka.

Sadržaj članka

RADIOAKTIVNOST– transformacija atomske jezgre u druge jezgre, praćeno emisijom raznih čestica i elektromagnetskim zračenjem. Odatle i naziv fenomena: na latinskom radio - zračiti, activus - djelotvoran. Ovu riječ je skovala Marie Curie ( cm. RADIJ). Kada se nestabilna jezgra — radionuklid — raspadne, jedna ili više čestica visoke energije izlete iz nje velikom brzinom. Tok tih čestica naziva se radioaktivno zračenje ili jednostavno zračenje.

X-zrake.

Otkriće radioaktivnosti bilo je izravno povezano s otkrićem Roentgena. Štoviše, neko su vrijeme mislili da se radi o istoj vrsti zračenja. Kasno 19. stoljeće Općenito, bio je bogat otkrićima raznih vrsta prethodno nepoznatih "zračenja". 1880-ih godina engleski fizičar Joseph John Thomson počeo je proučavati elementarne negativne nositelje naboja 1891. godine, irski fizičar George Johnston Stoney (1826–1911) te je čestice nazvao elektronima; Konačno, u prosincu je Wilhelm Conrad Roentgen najavio otkriće nove vrste zraka, koje je nazvao X-zrake. Do sada se u većini zemalja tako nazivaju, no u Njemačkoj i Rusiji prihvaćen je prijedlog njemačkog biologa Rudolfa Alberta von Köllikera (1817.–1905.) da se zrake nazovu X-zrakama. Ove zrake nastaju kada se elektroni koji brzo lete u vakuumu (katodne zrake) sudare s preprekom. Bilo je poznato da kad katodne zrake udare u staklo, ono emitira vidljivu svjetlost - zelenu luminiscenciju. X-ray je otkrio da u isto vrijeme neke druge nevidljive zrake izlaze iz zelene mrlje na staklu. To se dogodilo slučajno: u mračnoj prostoriji svijetlio je obližnji ekran prekriven barijevim tetracijanoplatinatom Ba (ranije zvanim barij platina sulfid). Ova tvar proizvodi svijetlu žuto-zelenu luminiscenciju pod utjecajem ultraljubičastih i katodnih zraka. Ali katodne zrake nisu pogodile ekran, a štoviše, kada je uređaj bio prekriven crnim papirom, ekran je nastavio svijetliti. Roentgen je ubrzo otkrio da zračenje prolazi kroz mnoge neprozirne tvari i uzrokuje crnjenje fotografske ploče umotane u crni papir ili čak stavljene u metalnu kutiju. Zrake su prošle kroz vrlo debelu knjigu, kroz smrekovu dasku debljine 3 cm, kroz aluminijsku ploču debljine 1,5 cm... Roentgen je shvatio mogućnosti svog otkrića: “Ako držite ruku između ispusne cijevi i ekrana,” napisao je, "možete vidjeti tamne sjene kostiju na pozadini svjetlijih obrisa ruke." Bio je to prvi fluoroskopski pregled u povijesti.

Roentgenovo otkriće odmah se proširilo svijetom i zadivilo ne samo stručnjake. Uoči 1896. fotografija ruke bila je izložena u knjižari jednog njemačkog grada. Na njemu su se vidjele kosti žive osobe, a na jednom od prstiju bio je vjenčani prsten. Bila je to rendgenska fotografija ruke Roentgenove žene. Roentgenova prva poruka O novoj vrsti zraka objavljeno je 28. prosinca u "Izvješćima Würzburškog fizikalno-medicinskog društva" odmah je prevedeno i objavljeno u različite zemlje, najpoznatiji znanstveni časopis koji izlazi u Londonu, Nature, objavio je Roentgenov članak 23. siječnja 1896. godine.

Nove zrake počele su se istraživati ​​diljem svijeta; samo u jednoj godini objavljeno je više od tisuću radova na tu temu. Rendgenski uređaji jednostavnog dizajna također su se pojavili u bolnicama: medicinska upotreba novih zraka bila je očita.

Sada se X-zrake naširoko koriste (i ne samo u medicinske svrhe) diljem svijeta.

Becquerelove zrake.

Roentgenovo otkriće ubrzo je dovelo do jednako izvanrednog otkrića. Napravio ga je 1896. godine francuski fizičar Antoine Henri Becquerel. Dana 20. siječnja 1896. prisustvovao je sastanku Akademije na kojem je fizičar i filozof Henri Poincaré govorio o Roentgenovom otkriću i pokazao rendgenske fotografije ljudske ruke snimljene u Francuskoj. Poincare se nije ograničio na govor o novim zrakama. Predložio je da su te zrake povezane s luminiscencijom i da se možda uvijek pojavljuju istodobno s ovom vrstom sjaja, tako da je vjerojatno moguće bez katodnih zraka. Luminiscencija tvari pod utjecajem ultraljubičastog zračenja - fluorescencija ili fosforescencija (u 19. stoljeću nije postojala stroga razlika između ovih pojmova) bila je poznata Becquerelu: i njegov otac Alexander Edmond Becquerel (1820.-1891.) i njegov djed Antoine Cesar Becquerel (1788.-1878.) bavili su se njime - obojica fizičari; Sin Antoinea Henrija Becquerela, Jacques, također je postao fizičar, koji je “nasljedstvom” preuzeo katedru za fiziku u Pariškom muzeju prirodne povijesti; Becquerel je vodio tu katedru 110 godina, od 1838.

Becquerel je odlučio ispitati jesu li X-zrake povezane s fluorescencijom. Neke soli urana, na primjer, uranil nitrat UO 2 (NO 3) 2, pokazuju svijetlu žuto-zelenu fluorescenciju. Takve tvari bile su u Becquerelovom laboratoriju, gdje je radio. S preparatima urana radio je i njegov otac, koji je pokazao da nakon prestanka sunčeve svjetlosti njihov sjaj nestaje vrlo brzo – za manje od stotinke sekunde. Međutim, nitko nije provjerio prati li taj sjaj i emisija nekih drugih zraka koje mogu proći kroz neprozirne materijale, kao što je to bio slučaj s Roentgenom. Upravo je to Becquerel odlučio provjeriti nakon Poincaréova izvješća. Dana 24. veljače 1896., na tjednom sastanku Akademije, rekao je da je uzeo fotografsku ploču omotanu u dva sloja debelog crnog papira, na koju je stavio kristale dvostrukog kalij-uranil sulfata K 2 UO 2 (SO 4) 2 2H2O. i sve to izložio na nekoliko sati sunčevoj svjetlosti, a zatim nakon razvijanja fotografske ploče možete vidjeti pomalo zamagljen obris kristala na njoj. Ako se između ploče i kristala stavi novčić ili figura izrezana iz kositra, tada se nakon razvijanja na ploči pojavljuje jasna slika tih predmeta.

Sve bi to moglo ukazivati ​​na povezanost fluorescencije i rendgenskog zračenja. Nedavno otkrivene rendgenske zrake mogu se dobiti mnogo jednostavnije - bez katodnih zraka i vakuumske cijevi i visokog napona koji su za to potrebni, no trebalo je provjeriti ispada li da uranova sol zagrijavanjem na suncu oslobađa nešto vrsta plina koja prodire ispod crnog papira i djeluje na fotografsku emulziju, kako bi isključio tu mogućnost, Becquerel je stavio staklenu ploču između uranove soli i fotografske ploče - ona je ipak zasvijetlila. "Odavde", zaključio je njegov kratka poruka Becquerela, "možemo zaključiti da svjetleća sol emitira zrake koje prodiru kroz crni papir, koji nije proziran za svjetlost, i obnavljaju soli srebra u fotografskoj ploči." Kao da je Poincaré bio u pravu i X-zrake iz X-zraka mogu se dobiti na potpuno drugačiji način.

Becquerel je počeo provoditi mnoge pokuse kako bi bolje razumio uvjete pod kojima se pojavljuju zrake koje osvjetljavaju fotografsku ploču i kako bi istražio svojstva tih zraka. Između kristala i fotografske ploče stavljao je različite tvari - papir, staklo, aluminij, bakar i olovne ploče različitih debljina. Rezultati su bili isti kao i Roentgenovi, što bi također moglo poslužiti kao argument u prilog sličnosti oba zračenja. Osim izravnom sunčevom svjetlošću, Becquerel je uranovu sol osvijetlio i svjetlom reflektiranim od zrcala ili lomljenim prizmom. Shvatio je da rezultati svih prethodnih eksperimenata nisu ni na koji način povezani sa suncem; važno je bilo samo koliko dugo je uranova sol bila u blizini fotografske ploče. Sljedeći dan, Becquerel je o tome izvijestio na sastanku Akademije, ali, kako se kasnije ispostavilo, izvukao je pogrešan zaključak: zaključio je da je uranova sol, barem jednom "napunjena" na svjetlu, sposobna dugo vremena emitiraju nevidljive prodorne zrake.

Do kraja godine Becquerel je objavio devet članaka o ovoj temi, u jednom od njih je napisao: „Različite soli urana stavljane su u olovnu kutiju debelih stijenki... Zaštićene od djelovanja bilo kojeg poznatog zračenja, te su tvari nastavile emitirati zrake koje prolaze kroz staklo i crni papir..., za osam mjeseci.”

Ove zrake potječu od bilo kojeg spoja urana, čak i onih koji ne svijetle na suncu. Pokazalo se da je zračenje metalnog urana još jače (oko 3,5 puta). Postalo je očito da to zračenje, iako je u nekim manifestacijama slično X-zrakama, ima veću moć prodiranja i nekako je povezano s uranom, pa ga je Becquerel počeo nazivati ​​"uranovim zrakama".

Becquerel je također otkrio da "uranijeve zrake" ioniziraju zrak, čineći ga vodičem električne energije. Gotovo istovremeno, u studenom 1896., engleski fizičari J. J. Thomson i Ernest Rutherford (otkrili su ionizaciju zraka pod utjecajem x-zrake. Za mjerenje intenziteta zračenja, Becquerel je koristio elektroskop, u kojem se najlakši listići zlata, obješeni o svoje krajeve i elektrostatički nabijeni, međusobno odbijaju, a njihovi slobodni krajevi razilaze. Ako zrak provodi struju, naboj odlazi iz lišća i ono pada - što brže, to je veća električna vodljivost zraka, a samim time i veći intenzitet zračenja.

Ostalo je otvoreno pitanje kako tvar emitira kontinuirano zračenje koje ne slabi tijekom mnogo mjeseci bez opskrbe energijom iz vanjskog izvora. Sam Becquerel je napisao da nije mogao razumjeti odakle uran dobiva energiju koju kontinuirano emitira. O tome su iznesene razne hipoteze, ponekad i prilično fantastične. Na primjer, engleski kemičar i fizičar William Ramsay napisao je: “... fizičari su bili zbunjeni odakle neiscrpna zaliha energije u uranovim solima. Lord Kelvin je bio sklon pretpostavci da uran služi kao neka vrsta zamke koja hvata inače nemjerljivu energiju zračenja koja dopire do nas kroz svemir i pretvara je u takav oblik da postane sposobna za proizvodnju kemijskih učinaka.”

Becquerel nije mogao niti prihvatiti ovu hipotezu, niti smisliti nešto vjerojatnije, niti napustiti princip očuvanja energije. Završilo je tako što je na neko vrijeme potpuno odustao od rada s uranom i prihvatio se cijepanja spektralnih linija u magnetskom polju. Taj je učinak mladi nizozemski fizičar Pieter Zeeman otkrio gotovo istovremeno s otkrićem Becquerela, a objasnio ga je drugi Nizozemac, Hendrik Anton Lorentz.

Time je završena prva faza istraživanja radioaktivnosti. Albert Einstein usporedio je otkriće radioaktivnosti s otkrićem vatre, budući da je vjerovao da su i vatra i radioaktivnost jednako važne prekretnice u povijesti civilizacije.

Vrste radioaktivnog zračenja.

Kada su se u rukama istraživača pojavili snažni izvori zračenja, milijunima puta jači od urana (to su bili pripravci radija, polonija, aktinija), bilo je moguće bolje upoznati svojstva radioaktivnog zračenja. U prvim istraživanjima na ovu temu aktivno su sudjelovali Ernest Rutherford, supružnici Maria i Pierre Curie, A. Becquerel i mnogi drugi. Prije svega, proučavana je prodorna sposobnost zraka, kao i utjecaj na zračenje magnetsko polje. Ispostavilo se da zračenje nije uniformno, već je mješavina “zraka”. Pierre Curie otkrio je da kada magnetsko polje djeluje na zračenje radija, neke zrake se odbijaju, a druge ne. Poznato je da magnetsko polje odbija samo nabijene leteće čestice, pozitivne i negativne u različitim smjerovima. Na temelju smjera otklona uvjerili smo se da su otklonjene b-zrake negativno nabijene. Daljnji pokusi pokazali su da nema temeljne razlike između katodnih i b-zraka, što je značilo da one predstavljaju tok elektrona.

Skrenute zrake imale su jaču sposobnost prodiranja kroz različite materijale, dok su nedevijacijske zrake lako apsorbirale čak i tanka aluminijska folija - tako se ponašalo npr. zračenje novog elementa polonija - njegovo zračenje nije prodiralo ni kroz karton stijenke kutije u kojoj je lijek bio pohranjen.

Pri korištenju jačih magneta pokazalo se da se i a-zrake odbijaju, samo mnogo slabije od b-zraka, i to u drugom smjeru. Iz toga je slijedilo da su bile pozitivno nabijene i imale znatno veću masu (kako smo kasnije saznali, masa čestice je 7740 puta veća od mase elektrona). Ovaj fenomen prvi su otkrili 1899. godine A. Becquerel i F. Giesel. Kasnije se pokazalo da su a-čestice jezgre atoma helija (nuklid 4 He) s nabojem +2 i masom od 4 jedinice. ( cm. UGLJIČNA JEDINICA.). Kada je 1900. francuski fizičar Paul Villar (1860–1934) detaljnije proučavao otklon a- i b-zraka, otkrio je u radijevom zračenju treću vrstu zraka koje se ne otklanjaju u najjačim magnetskim poljima; ubrzo potvrdio Becquerel. Ova vrsta zračenja, po analogiji s alfa i beta zrakama, nazvana je gama zrakama; označavanje različitih zračenja prvim slovima grčke abecede predložio je Rutherford. Pokazalo se da su gama zrake slične X-zrakama, tj. oni su elektromagnetsko zračenje, ali s kraćim valnim duljinama i stoga više energije. Sve ove vrste zračenja opisao je M. Curie ( cm. RADIJ) u svojoj monografiji “Radij i radioaktivnost” (objavljena u Parizu 1904., ruski prijevod - 1905.). Umjesto magnetskog polja, za "cijepanje" zračenja može se koristiti električno polje, samo što se nabijene čestice u njemu neće skrenuti okomito na linije sile, već duž njih - prema otklonskim pločama.

Dugo vremena nije bilo jasno odakle dolaze sve te zrake. Tijekom nekoliko desetljeća radom brojnih fizičara razjašnjena je priroda radioaktivnog zračenja i njegova svojstva te su otkrivene nove vrste radioaktivnosti.

Alfa zrake uglavnom emitiraju jezgre najtežih i stoga manje stabilnih atoma (u periodnom sustavu se nalaze nakon olova). To su čestice visoke energije. Obično se promatra nekoliko skupina a-čestica od kojih svaka ima strogo određenu energiju. Dakle, gotovo sve a-čestice emitirane iz jezgri 226 Ra imaju energiju od 4,78 MeV (megaelektron-volt) i mali dio a-čestica s energijom od 4,60 MeV. Drugi izotop radija, 221 Ra, emitira četiri skupine a-čestica s energijama od 6,76, 6,67, 6,61 i 6,59 MeV. To ukazuje na prisutnost nekoliko energetskih razina u jezgri; njihova razlika odgovara energiji g-kvanta koju emitira jezgra. Poznati su i "čisti" alfa emiteri (na primjer, 222 Rn).

Prema formuli E = mu 2 /2 možete izračunati brzinu a-čestica s određenom energijom. Na primjer, 1 mol a-čestice sa E= 4,78 MeV ima energiju (u SI jedinicama) E= 4,78 10 6 eV ´ 96500 J/(eV mol) = 4,61 10 11 J/mol i masa m= 0,004 kg/mol, odakle u» 15 200 km/s, što je desetke tisuća puta brže od brzine pištoljskog metka. Alfa čestice imaju najjači ionizirajući učinak: kada se sudare s bilo kojim drugim atomom u plinu, tekućini ili krutom stanju, skidaju s njih elektrone, stvarajući nabijene čestice. U tom slučaju a-čestice vrlo brzo gube energiju: zadržava ih čak i list papira. U zraku, a-zračenje radija putuje samo 3,3 cm, a-zračenje torija – 2,6 cm, itd. U konačnici, a-čestica koja je izgubila kinetičku energiju hvata dva elektrona i pretvara se u atom helija. Prvi ionizacijski potencijal atoma helija (He – e ® He +) je 24,6 eV, drugi (He + – e ® He +2) je 54,4 eV, što je mnogo više nego kod bilo kojeg drugog atoma. Kada a-čestice zarobe elektrone, oslobađa se ogromna energija (više od 7600 kJ/mol), pa ni jedan atom, osim atoma samog helija, ne može zadržati svoje elektrone ako se a-čestica nađe u blizini .

Vrlo visoka kinetička energija a-čestica omogućuje da ih se “vidi” golim okom (ili uz pomoć običnog povećala), što je prvi pokazao 1903. godine engleski fizičar i kemičar William Crookes (1832. 1919. Zalijepio je zrno radijeve soli na vrh igle, jedva vidljiv oku, i učvrstio iglu u širokoj staklenoj cijevi, nedaleko od vrha igle ploča presvučena slojem fosfora (bio je to cinkov sulfid), a na drugom kraju je bilo povećalo, ako pogledate fosfor u mraku, možete vidjeti da je cijelo polje prošarano iskrama i odmah se ugasi Svaka iskra je rezultat udara jedne a-čestice Crookes je ovaj uređaj nazvao spinthariscope (od grčkog spintharis - iskra i skopeo - gledam, promatram uz pomoć ovoga). jednostavna metoda Brojna su istraživanja provedena na brojanju a-čestica; na primjer, pomoću ove metode bilo je moguće vrlo točno odrediti Avogadrovu konstantu ( cm. AVOGADROV ZAKON).

U jezgri se protoni i neutroni drže zajedno nuklearnim silama. Stoga nije bilo jasno kako bi alfa čestica, koja se sastoji od dva protona i dva neutrona, mogla napustiti jezgru. Odgovor je 1928. godine dao američki fizičar (koji je 1933. emigrirao iz SSSR-a) George (Georgi Antonovich) Gamow). Prema zakonima kvantna mehanika a-čestice, kao i sve čestice male mase, imaju valnu prirodu i stoga imaju malu vjerojatnost da završe izvan jezgre, na malom (oko 6 · 10–12 cm) udaljenosti od njega. Čim se to dogodi, čestica počinje osjećati kulonsko odbijanje od vrlo blizu pozitivno nabijene jezgre.

Alfa raspadu podliježu uglavnom teške jezgre - poznato ih je više od 200, a alfa čestice emitira većina izotopa elemenata nakon bizmuta. Poznati su lakši alfa emiteri, uglavnom atomi elemenata rijetke zemlje. Ali zašto iz jezgre lete alfa čestice, a ne pojedinačni protoni? Kvalitativno, to se objašnjava dobitkom energije tijekom -raspada (a -čestice - jezgre helija su stabilne). Kvantitativna teorija a-raspada nastala je tek 1980-ih godina iu njenom razvoju sudjelovali su i domaći fizičari, uključujući Leva Davidoviča Landaua, Arkadija Beinusoviča Migdala (1911.–1991.), šefa katedre za nuklearnu fiziku na Sveučilištu u Voronježu Stanislava Georgijeviča Kadmenskog; i kolege.

Odlazak a-čestice iz jezgre dovodi do jezgre drugog kemijskog elementa, koja je u periodnom sustavu pomaknuta dvije ćelije ulijevo. Primjer je transformacija sedam izotopa polonija (nuklearni naboj 84) u različite izotope olova (nuklearni naboj 82): 218 Po ® 214 Pb, 214 Po ® 210 Pb, 210 Po ® 206 Pb, 211 Po ® 207 Pb, 215 Po® 211 Pb, 212 Po® 208 Pb, 216 Po® 212 Pb. Izotopi olova 206 Pb, 207 Pb i 208 Pb su stabilni, ostali su radioaktivni.

Beta raspad.

Beta raspad događa se i u teškim i u lakim jezgrama, poput tricija. Ove lake čestice (brzi elektroni) imaju veću moć prodora. Tako u zraku b-čestice mogu letjeti nekoliko desetaka centimetara, u tekućini i čvrste tvari– od djelića milimetra do oko 1 cm Za razliku od a-čestica, energetski spektar b-zraka nije diskretan. Energija elektrona koji izlaze iz jezgre može varirati od gotovo nule do određene maksimalne vrijednosti karakteristične za dati radionuklid. Obično je prosječna energija b čestica mnogo manja od energije a čestica; na primjer, energija b-zračenja iz 228 Ra je 0,04 MeV. Ali postoje iznimke; pa b-zračenje kratkoživućeg nuklida 11 Be nosi energiju od 11,5 MeV. Dugo je bilo nejasno kako čestice odlijeću iz identičnih atoma istog elementa različitim brzinama. Kad je struktura atoma i atomske jezgre postala jasna, pojavila se nova misterija: odakle dolaze b-čestice koje bježe iz jezgre - na kraju krajeva, u jezgri nema elektrona. Nakon što je engleski fizičar James Chadwick otkrio neutron 1932. godine, ruski fizičari Dmitry Dmitrievich Ivanenko (1904. – 1994.) i Igor Evgenievich Tamm te neovisno o njima njemački fizičar Werner Heisenberg sugerirali su da se atomske jezgre sastoje od protona i neutrona. U ovom slučaju, b-čestice bi trebale nastati kao rezultat intranuklearnog procesa pretvaranja neutrona u proton i elektron: n ® p + e. Masa neutrona je nešto veća od ukupne mase protona i elektrona, višak mase, u skladu s Einsteinovom formulom E = mc 2, daje kinetičku energiju elektrona koji izlazi iz jezgre, stoga se b-raspad opaža uglavnom u jezgrama s viškom neutrona. Na primjer, nuklid 226 Ra je a-emiter, a svi teži izotopi radija (227 Ra, 228 Ra, 229 Ra i 230 Ra) su b-emiteri.

Ostalo je otkriti zašto b-čestice, za razliku od a-čestica, imaju kontinuirani energetski spektar, što je značilo da neke od njih imaju vrlo nisku, a druge vrlo visoku energiju (i pritom se kreću brzinom bliskom brzina svjetlosti). Štoviše, ukupna energija svih tih elektrona (mjerena je kalorimetrom) pokazala se manjom od razlike u energiji izvorne jezgre i produkta njenog raspada. Fizičari su se ponovno suočili s “kršenjem” zakona održanja energije: dio energije izvorne jezgre nestao je na nepoznatom mjestu. Nepokolebljiv fizički zakon“spasio” 1931. švicarski fizičar Wolfgang Pauli, koji je sugerirao da tijekom b-raspada dvije čestice izlete iz jezgre: elektron i hipotetska neutralna čestica - neutrino mase gotovo nula, koja odnosi višak energije. Kontinuirani spektar b-zračenja objašnjava se raspodjelom energije između elektrona i ove čestice. Neutrini (kako se kasnije ispostavilo, b-raspad proizvodi tzv. elektronski antineutrino) vrlo slabo djeluju na materiju (na primjer, lako probijaju promjer globusa, pa čak i ogromna zvijezda) i stoga dugo nisu detektirani – slobodni neutrini eksperimentalno su detektirani tek 1956. Dakle, rafinirana shema beta raspada je sljedeća: n ® p + . Kvantitativnu teoriju b-raspada, temeljenu na Paulijevim idejama o neutrinima, razvio je 1933. talijanski fizičar Enrico Fermi, koji je također predložio naziv neutrino (na talijanskom "neutron").

Transformacija neutrona u proton tijekom b-raspada praktički ne mijenja masu nuklida, ali povećava naboj jezgre za jedinicu. Posljedično, nastaje novi element, pomaknut jednu ćeliju udesno u periodnom sustavu, npr.: ®, ®, dobiva se stabilni nuklid (na ovom primjeru je Alvarez otkrio ovu vrstu radioaktivnosti).

Prilikom K-hvatanja u elektronsku ljusku atoma, elektron s više energetske razine “spušta se” na mjesto nestalog elektrona, višak energije se ili oslobađa u obliku X-zraka ili se troši na odlazak iz atom slabije vezanog jednog ili više elektrona - tzv. Augerovi elektroni , nazvani po francuskom fizičaru Pierreu Augeru (1899. – 1993.), koji je otkrio ovaj efekt 1923. (koristio se ionizirajućim zračenjem za izbacivanje unutarnjih elektrona).

Godine 1940. Georgij Nikolajevič Flerov (1913. – 1990.) i Konstantin Antonovič Petržak (1907. – 1998.) na primjeru urana otkrili su spontanu fisiju, u kojoj se nestabilna jezgra raspada na dvije lakše jezgre, čije se mase ne razlikuju mnogo. mnogo, na primjer :) . Ovaj proces prati oslobađanje ogromnog (u usporedbi s kemijske reakcije) energija, koja je dovela do stvaranja nuklearno oružje i izgradnja nuklearnih elektrana.

Godine 1934. kći Marie Curie Irène Joliot-Curie i njezin suprug Frédéric Joliot-Curie otkrili su raspad pozitrona. U tom se procesu jedan od protona jezgre pretvara u neutron i antielektron (pozitron) - česticu iste mase, ali pozitivno nabijenu; istovremeno neutrino izleti iz jezgre: p ® n + e + + 238. Masa jezgre se ne mijenja, ali dolazi do pomaka, za razliku od b – raspada, ulijevo, b + raspad karakterističan je za jezgre s višak protona (tzv. jezgre s nedostatkom neutrona). Tako su aktivni teški izotopi kisika 19 O, 20 O i 21 O b -, a njegovi laki izotopi 14 O i 15 O b +, npr.: 14 O ® 14 N + e + + 238. Kao i antičestice. pozitroni se odmah uništavaju (anihiliraju) kada se susretnu s elektronima uz stvaranje dva g kvanta. Raspad pozitrona često se natječe s K-hvatanjem.

Godine 1982. otkrivena je protonska radioaktivnost: emisija protona od strane jezgre (to je moguće samo za neke umjetno proizvedene jezgre s viškom energije). Godine 1960. fizikalni kemičar Vitaly Iosifovich Goldansky (1923. – 2001.) teorijski je predvidio dvoprotonsku radioaktivnost: izbacivanje dvaju protona s uparenim spinovima iz jezgre. Prvi put je primijećena 1970. Radioaktivnost s dva neutrona također se vrlo rijetko opaža (otkrivena 1979.).

Godine 1984. otkrivena je klasterna radioaktivnost (od engleskog cluster - hrpa, roj). U ovom slučaju, za razliku od spontane fisije, jezgra se raspada na fragmente s vrlo različitim masama, na primjer, jezgre s masama od 14 do 34 lete iz teške jezgre Također se vrlo rijetko opaža raspad klastera, i to je učinilo svoje dugotrajno teško otkrivanje.

Neke jezgre mogu se raspadati u različitim smjerovima. Na primjer, 221 Rn raspada se 80% s emisijom b čestica i 20% s a česticama, mnogi izotopi elemenata rijetke zemlje (137 Pr, 141 Nd, 141 Pm, 142 Sm, itd.) raspadaju se ili hvatanjem elektrona ili s; emisija pozitrona. Razne vrste Radioaktivno zračenje često (ali ne uvijek) prati g-zračenje. To se događa jer rezultirajuća jezgra može imati višak energije, od koje se oslobađa emitiranjem gama zraka. Energija g-zračenja je u širokom rasponu, na primjer, tijekom raspada 226 Ra iznosi 0,186 MeV, a tijekom raspada 11 Be doseže 8 MeV.

Ilya Leenson

Književnost:

Staroselskaya-Nikitina O.A. Povijest radioaktivnosti i nastanak nuklearne fizike. M., izdavačka kuća Akademije znanosti SSSR-a, 1963
Kudrjavcev L.S. Povijest fizike, sv. 2, 3. M., Prosvjeta, 1956, 1971
Soddy F. Priča atomska energija . M., Atomizdat, 1979
Kadmensky S.G. Radioaktivnost atomskih jezgri: povijest, rezultati, najnovija dostignuća. "Soros Educational Journal", 1999., br. 11

Radioaktivno zračenje (ili ionizirajuće zračenje) je energija koju oslobađaju atomi u obliku čestica ili valova elektromagnetske prirode. Ljudi su izloženi takvoj izloženosti iz prirodnih i antropogenih izvora.

Blagotvorna svojstva zračenja omogućila su njegovu uspješnu primjenu u industriji, medicini, znanstvenim eksperimentima i istraživanjima, poljoprivreda i drugim područjima. Međutim, širenjem ove pojave pojavila se prijetnja ljudskom zdravlju. Mala doza radioaktivnog zračenja može povećati rizik od dobivanja teških bolesti.

Razlika između zračenja i radioaktivnosti

Zračenje, u širem smislu, znači zračenje, odnosno širenje energije u obliku valova ili čestica. Radioaktivno zračenje se dijeli u tri vrste:

• alfa zračenje – tok jezgri helija-4;
• beta zračenje – protok elektrona;
• Gama zračenje je tok fotona visoke energije.

Karakteristike radioaktivnog zračenja temelje se na njihovoj energiji, prijenosnim svojstvima i vrsti emitiranih čestica.

Alfa zračenje, koje je struja korpuskula s pozitivnim nabojem, može biti odgođeno gustim zrakom ili odjećom. Ova vrsta praktički ne prodire u kožu, ali kada uđe u tijelo, na primjer, kroz posjekotine, vrlo je opasno i ima štetan učinak na unutarnje organe.

Beta zračenje ima više energije – elektroni se kreću velikom brzinom i male su veličine. Stoga ova vrsta zračenja prodire kroz tanku odjeću i kožu duboko u tkaninu. Beta zračenje može se zaštititi pomoću aluminijske ploče debljine nekoliko milimetara ili debele drvene ploče.

Gama zračenje je visokoenergetsko zračenje elektromagnetske prirode koje ima jaku prodornu sposobnost. Za zaštitu od njega potrebno je koristiti debeli sloj betona ili ploču od teških metala poput platine i olova.

Fenomen radioaktivnosti otkriven je 1896. godine. Do otkrića je došao francuski fizičar Becquerel. Radioaktivnost je sposobnost predmeta, spojeva, elemenata da emitiraju ionizirajuće zračenje, odnosno zračenje. Razlog fenomena je nestabilnost atomske jezgre koja pri raspadu oslobađa energiju. Postoje tri vrste radioaktivnosti:

• prirodno – tipično za teške elemente čiji je redni broj veći od 82;
• umjetno – pokrenuto posebno uz pomoć nuklearne reakcije;
• inducirano - svojstveno objektima koji sami postaju izvor zračenja ako su jako ozračeni.

Elementi koji su radioaktivni nazivaju se radionuklidi. Svaki od njih karakterizira:

• poluživot;
• vrsta emitiranog zračenja;
• energija zračenja;
• i druga svojstva.

Izvori zračenja

Ljudsko tijelo je redovito izloženo radioaktivnom zračenju. Otprilike 80% iznosa primljenog svake godine dolazi od kozmičkih zraka. Zrak, voda i tlo sadrže 60 radioaktivnih elemenata koji su izvori prirodnog zračenja. Glavnim prirodnim izvorom zračenja smatra se inertni plin radon koji se oslobađa iz zemlje i stijena. Radionuklidi u ljudski organizam ulaze i hranom. Dio ionizirajućeg zračenja kojem su ljudi izloženi dolazi iz izvora koje je stvorio čovjek, u rasponu od nuklearnih generatora električne energije i nuklearnih reaktora do zračenja koje se koristi za liječenje i dijagnostiku. Danas su uobičajeni umjetni izvori zračenja:

• medicinska oprema (glavni antropogeni izvor zračenja);
• radiokemijska industrija (vađenje, obogaćivanje nuklearnog goriva, obrada nuklearnog otpada i njegova oporaba);
• radionuklidi koji se koriste u poljoprivredi i lakoj industriji;
• nesreće u radiokemijskim postrojenjima, nuklearne eksplozije, emisije zračenja
• građevinski materijali.

Prema načinu prodiranja u tijelo izloženost zračenju dijelimo na dvije vrste: unutarnju i vanjsku. Potonje je tipično za radionuklide raspršene u zraku (aerosol, prašina). Dospijevaju na vašu kožu ili odjeću. U tom slučaju izvore zračenja moguće je ukloniti ispiranjem. Vanjsko zračenje uzrokuje opekline sluznice i kože. Kod internog tipa radionuklid ulazi u krvotok, primjerice injekcijom u venu ili kroz ranu, te se uklanja izlučivanjem ili terapijom. Takvo zračenje izaziva maligne tumore.

Radioaktivna pozadina značajno ovisi o geografski položaj– u nekim regijama razine zračenja mogu biti stotine puta veće od prosjeka.

Utjecaj zračenja na ljudsko zdravlje

Radioaktivno zračenje, zbog svog ionizirajućeg djelovanja, dovodi do stvaranja slobodnih radikala u ljudskom tijelu – kemijski aktivnih agresivnih molekula koje uzrokuju oštećenje i smrt stanica.

Na njih su posebno osjetljive stanice gastrointestinalnog trakta, reproduktivnog i hematopoetskog sustava. Radioaktivno zračenje remeti njihov rad i uzrokuje mučninu, povraćanje, poremećaj rada crijeva i povišenu temperaturu. Utječući na tkiva oka, može dovesti do radijacijske katarakte. Posljedice ionizirajućeg zračenja su i oštećenja kao što su skleroza krvnih žila, pad imuniteta i oštećenja genetskog aparata.

Sustav prijenosa nasljednih podataka ima finu organizaciju. Slobodni radikali i njihovi derivati ​​mogu poremetiti strukturu DNK, nositelja genetske informacije. To dovodi do mutacija koje utječu na zdravlje sljedećih generacija.

Prirodu učinaka radioaktivnog zračenja na tijelo određuju brojni čimbenici:

• vrsta zračenja;
• intenzitet zračenja;
• individualne karakteristike tijela.

Učinci radioaktivnog zračenja možda se neće pojaviti odmah. Ponekad njegove posljedice postaju vidljive nakon dužeg vremenskog razdoblja. Štoviše, velika pojedinačna doza zračenja opasnija je od dugotrajne izloženosti malim dozama.

Količina apsorbiranog zračenja karakterizirana je vrijednošću koja se naziva Sievert (Sv).

• Normalno pozadinsko zračenje ne prelazi 0,2 mSv/h, što odgovara 20 mikrorentgena na sat. Kod rendgenskog snimanja zuba čovjek dobije 0,1 mSv.

• Letalna pojedinačna doza je 6-7 Sv.

Primjena ionizirajućeg zračenja

Radioaktivno zračenje ima široku primjenu u tehnologiji, medicini, znanosti, vojnoj i nuklearnoj industriji i drugim područjima ljudske djelatnosti. Fenomen je temelj uređaja kao što su detektori dima, generatori struje, alarmi za zaleđivanje i ionizatori zraka.

U medicini se radioaktivno zračenje koristi u terapiji zračenjem za liječenje raka. Ionizirajuće zračenje omogućilo je stvaranje radiofarmaka. Uz njihovu pomoć provode se dijagnostički pregledi. Instrumenti za analizu sastava spojeva i sterilizaciju izgrađeni su na bazi ionizirajućeg zračenja.

Otkriće radioaktivnog zračenja bilo je, bez pretjerivanja, revolucionarno - korištenje ovog fenomena dovelo je čovječanstvo na novu razinu razvoja. Međutim, to je također izazvalo opasnost za okoliš i zdravlje ljudi. U tom smislu, održavanje radijacijske sigurnosti važan je zadatak našeg vremena.

Radioaktivnost je sposobnost atoma određenih izotopa da se spontano raspadnu, emitirajući zračenje. Becquerel je prvi otkrio takvo zračenje koje emitira uran, pa se u početku radioaktivno zračenje nazivalo Becquerelovim zrakama. Glavni tip radioaktivnog raspada je izbacivanje alfa čestica iz jezgre atoma - alfa raspad (vidi Alfa zračenje) ili beta čestica - beta raspad (vidi Beta zračenje).

Tijekom radioaktivnog raspada izvorni element pretvara se u atom drugog elementa. Kao rezultat izbacivanja alfa čestice, koja je kombinacija dva protona i dva neutrona, iz jezgre atoma, maseni broj rezultirajućeg atoma (vidi) smanjuje se za četiri jedinice, i ispada da je pomaknut u tablici D.I. Mendeljejeva za dvije ćelije ulijevo, budući da je redni broj elementa u tablici jednak broju protoni u jezgri atoma. Kada se beta čestica (elektron) izbaci, jedan neutron u jezgri se pretvara u proton, zbog čega se nastali atom pomiče u tablici D.I. Mendeljejeva jednu ćeliju udesno. Njegova masa ostaje gotovo nepromijenjena. Izbacivanje beta čestice obično se povezuje s (vidi).

Raspad bilo kojeg radioaktivnog izotopa odvija se prema sljedećem zakonu: broj atoma koji se raspadaju po jedinici vremena (n) proporcionalan je broju atoma (N) dostupnih u u trenutku vrijeme, tj. n=λN; koeficijent λ naziva se konstanta radioaktivnog raspada i povezan je s vremenom poluraspada izotopa (T) omjerom λ = 0,693/T. Ovaj zakon raspada dovodi do činjenice da se za svaki vremenski period koji je jednak poluživotu T, količina izotopa prepolovi. Ako se atomi nastali kao rezultat radioaktivnog raspada također pokažu radioaktivnima, tada se oni postupno nakupljaju dok se ne uspostavi radioaktivna ravnoteža između roditeljskih i kćeri izotopa; u ovom slučaju, broj atoma izotopa kćeri formiranih u jedinici vremena jednak je broju atoma koji se raspadnu tijekom istog vremena.

Poznato je više od 40 prirodnih radioaktivnih izotopa. Većina ih se nalazi u tri radioaktivne serije (obitelji): uran-radij i aktinij. Svi ovi radioaktivni izotopi široko su rasprostranjeni u prirodi. Njihova prisutnost u stijenama, vodama, atmosferi, biljkama i živim organizmima uzrokuje prirodnu ili prirodnu radioaktivnost.

Osim prirodnih radioaktivnih izotopa, danas je poznato oko tisuću umjetno radioaktivnih izotopa. Dobivaju se nuklearnim reakcijama, uglavnom u nuklearnim reaktorima (vidi). Mnogi prirodni i umjetni radioaktivni izotopi naširoko se koriste u medicini za liječenje (vidi Terapija zračenjem), a posebno za dijagnosticiranje bolesti (vidi). Vidi također Ionizirajuće zračenje.

Radioaktivnost (od lat. radius - zraka i activus - djelotvoran) je sposobnost nestabilnih atomskih jezgri da se spontano pretvaraju u druge, stabilnije ili stabilnije jezgre. Takve transformacije jezgri nazivaju se radioaktivnim, a same jezgre ili odgovarajući atomi nazivaju se radioaktivnim jezgrama (atomima). Tijekom radioaktivnih transformacija jezgre emitiraju energiju ili u obliku nabijenih čestica ili u obliku gama zraka elektromagnetskog zračenja ili gama zraka.

Transformacije u kojima se jezgra jednog kemijskog elementa pretvara u jezgru drugog elementa s različitim atomskim brojem nazivaju se radioaktivnim raspadom. Radioaktivni izotopi (vidi), nastali i postoje u prirodni uvjeti, nazivaju se prirodno radioaktivnim; isti izotopi dobiveni umjetno putem nuklearnih reakcija su umjetno radioaktivni. Ne postoji temeljna razlika između prirodno i umjetno radioaktivnih izotopa, budući da su svojstva atomskih jezgri i samih atoma određena samo sastavom i strukturom jezgre i ne ovise o načinu njihova nastanka.

Radioaktivnost je 1896. godine otkrio A. N. Becquerel, koji je otkrio zračenje iz urana (vidi), koje može uzrokovati crnjenje fotografske emulzije i ionizirati zrak. Curie-Sklodowska je prva izmjerila intenzitet zračenja urana i istodobno s njemačkim znanstvenikom G. S. Schmidtom otkrila radioaktivnost u toriju (vidi). Svojstvo izotopa da spontano emitiraju nevidljivo zračenje Curiejevi su nazvali radioaktivnost. U srpnju 1898. izvijestili su o svom otkriću novog radioaktivnog elementa, polonija, u rudi uranove smole (vidi). U prosincu 1898. zajedno s G. Bemontom otkrili su radij (vidi).

Nakon otkrića radioaktivnih elemenata, niz autora (Becquerel, Curiejevi, Rutherford i dr.) ustanovili su da ti elementi mogu emitirati tri vrste zraka koje se različito ponašaju u magnetskom polju. Na prijedlog Rutherforda (E. Rutherford, 1902.), te su zrake nazvane alfa (vidi Alfa zračenje), beta (vidi Beta zračenje) i gama zrake (vidi Gama zračenje). Alfa zrake sastoje se od pozitivno nabijenih alfa čestica (dvostruko ioniziranih atoma helija He4); beta zrake - od negativno nabijenih čestica male mase - elektrona; Gama zrake su po prirodi slične rendgenskim zrakama i kvanti su elektromagnetskog zračenja.

Godine 1902. Rutherford i F. Soddy objasnili su fenomen radioaktivnosti spontanom transformacijom atoma jednog elementa u atome drugog elementa, koja se odvija prema zakonima slučajnosti i prati oslobađanje energije u obliku alfa, beta i gama zrake.

Godine 1910. M. Curie-Sklodowska, zajedno s A. Debierneom, dobila je čisti metalni radij i proučavala njegova radioaktivna svojstva, posebno je izmjerila konstantu raspada radija. Ubrzo je otkriven i niz drugih radioaktivnih elemenata. Debierne i F. Giesel otkrili su morsku žarnicu. Hahn (O. Halm) je otkrio radiotorij i mezotorij, Boltwood (V.V. Boltwood) je otkrio ionij, Hahn i Meitner (L. Meitner) su otkrili protaktinij. Svi izotopi ovih elemenata su radioaktivni. Godine 1903. Pierre Curie i S. A. Laborde pokazali su da pripravak radija uvijek ima povišenu temperaturu i da 1 g radija sa svojim produktima raspada oslobađa oko 140 kcal u 1 satu. Iste su godine W. Ramsay i Soddy otkrili da zapečaćena ampula radija sadrži plin helij. Radovi Rutherforda, F. Dorna, Debiernea i Giesela pokazali su da među produktima raspada urana i torija postoje brzo raspadajući radioaktivni plinovi koji se nazivaju emanacije radija, torija i aktinija (radon, toron, aktinon). Tako je dokazano da se tijekom raspada atomi radija pretvaraju u atome helija i radona. Zakone radioaktivnih transformacija jednih elemenata u druge tijekom alfa i beta raspada (zakone pomaka) prvi su formulirali Soddy, K. Fajans i W. J. Russell.

Ovi zakoni su sljedeći. Tijekom alfa raspada, originalni element uvijek proizvodi drugi element, koji se nalazi u periodnom sustavu D.I. Mendeljejeva dvije ćelije lijevo od originalnog elementa (redni ili atomski broj je 2 manji od originala); tijekom beta raspada, originalni element uvijek proizvodi drugi element, koji se nalazi u periodnom sustavu jednu ćeliju desno od originalnog elementa (atomski broj je za jedan veći od broja originalnog elementa).

Proučavanje transformacija radioaktivnih elemenata dovelo je do otkrića izotopa, tj. atoma koji imaju ista kemijska svojstva i atomske brojeve, ali se međusobno razlikuju po masi i fizičkim svojstvima, posebice po radioaktivnim svojstvima (vrsta zračenja, brzina raspada ). Iz velika količina otkrio radioaktivne tvari, samo su radij (Ra), radon (Rn), polonij (Po) i protaktinij (Pa) novi elementi, a ostalo su izotopi ranije poznatih urana (U), torija (Th), olova (Pb) , talij (Tl) i bizmut (Bi).

Nakon što je Rutherford otkrio nuklearnu strukturu atoma i dokazao da je jezgra ta koja određuje sva svojstva atoma, posebice strukturu njegovih elektronskih ljuski i kemijska svojstva(vidi Atom, Atomska jezgra), postalo je jasno da su radioaktivne transformacije povezane s transformacijom atomskih jezgri. Daljnje proučavanje strukture atomskih jezgri omogućilo je potpuno dešifriranje mehanizma radioaktivnih transformacija.

Prvu umjetnu transformaciju jezgri - nuklearnu reakciju (vidi) - izveo je Rutherford 1919. bombardiranjem jezgri atoma dušika alfa česticama polonija. Istovremeno su jezgre dušika emitirale protone (vidi) i pretvorile se u jezgre kisika O17. Godine 1934. F. Joliot-Curie i I. Joliot-Curie prvi su umjetno dobili radioaktivni izotop fosfora bombardiranjem atoma Al alfa česticama. Jezgre P30, za razliku od jezgri prirodno radioaktivnih izotopa, tijekom raspada ne emitiraju elektrone, već pozitrone (vidi Kozmičko zračenje) i pretvaraju se u stabilne jezgre silicija Si30. Tako je 1934. godine istodobno otkrivena umjetna radioaktivnost i nova vrsta radioaktivnog raspada - pozitronski raspad, odnosno β + -raspad.

Joliot-Curies je izrazio ideju da sve brze čestice (protoni, deuteroni, neutroni) uzrokuju nuklearne reakcije i mogu se koristiti za dobivanje prirodno radioaktivnih izotopa. Fermi (E. Fermi) i suradnici, bombardirajući različite elemente neutronima, dobili su radioaktivne izotope gotovo svih kemijski elementi. Trenutno se uz pomoć ubrzanih nabijenih čestica (vidi Akceleratori nabijenih čestica) i neutrona provodi širok izbor nuklearnih reakcija, zbog čega je postalo moguće dobiti bilo koji radioaktivni izotop.

Godine 1937. L. Alvarez otkrio je novu vrstu radioaktivne transformacije - zarobljavanje elektrona. U zahvatu elektrona, jezgra atoma hvata elektron iz ljuske atoma i pretvara se u jezgru drugog elementa. Godine 1939. Hahn i F. Strassmann otkrili su fisiju jezgre urana u lakše jezgre (fragmente fisije) kada su bombardirane neutronima. Iste su godine Flerov i Pietrzak pokazali da se proces fisije jezgri urana odvija spontano bez vanjskog utjecaja. Tako su otkrili novu vrstu radioaktivne transformacije – spontanu fisiju teških jezgri.

Trenutno su poznate sljedeće vrste radioaktivnih transformacija koje se događaju bez vanjskih utjecaja, spontano, samo zbog unutarnji razlozi, određeno strukturom atomskih jezgri.

1. Alfa raspad. Jezgra s atomskim brojem Z i masenim brojem A emitira alfa česticu - jezgru helija He4- i pretvara se u drugu jezgru sa Z manjim za 2 jedinice i A manjim za 4 jedinice od izvorne jezgre. U opći pogled alfa raspad se piše na sljedeći način:

Gdje je X izvorna jezgra, Y je jezgra produkta raspada.

2. Beta raspad Postoje dvije vrste: raspad elektrona i pozitrona, ili β - - i β + -raspad (vidi Beta zračenje). Tijekom elektronskog raspada, elektron i neutrino izlete iz jezgre i formira se nova jezgra s istim masenim brojem A, ali s atomskim brojem Z većim od broja izvorne jezgre:

Tijekom raspada pozitrona, jezgra emitira pozitron i neutrino i nova jezgra se formira s istim masenim brojem, ali sa Z manjim od masenog broja izvorne jezgre:

Tijekom beta raspada u prosjeku 2/3 nuklearne energije odnesu čestice neutrina (neutralne čestice vrlo male mase koje vrlo slabo međudjeluju s materijom).

3. Elektronsko snimanje(ranije zvan K-grab). Jezgra hvata elektron iz jedne od ljuski atoma, najčešće iz K-ljuske, emitira neutrino i pretvara se u novu jezgru s istim masenim brojem A, ali s atomskim brojem Z manjim za 1 od broja atoma. izvorna jezgra.

Transformacija jezgri tijekom zahvata elektrona i raspada pozitrona je ista, stoga se te dvije vrste raspada promatraju istovremeno za iste jezgre, tj. natječu se. Budući da nakon zahvata elektrona iz unutarnje ljuske atoma, elektron iz jedne od orbita udaljenijih od jezgre prelazi na svoje mjesto, zahvat elektrona je uvijek popraćen emisijom rendgenskog karakterističnog zračenja.

4. Izomerni prijelaz. Nakon emisije alfa ili beta čestice neke vrste jezgri nalaze se u pobuđenom stanju (stanje s viškom energije) i emitiraju energiju pobuđenja u obliku gama kvanta (vidi Gama zračenje). U tom slučaju tijekom radioaktivnog raspada jezgra, osim alfa ili beta čestica, emitira i gama kvante. Tako jezgre izotopa Sr90 emitiraju samo β-čestice, dok jezgre Na24 emitiraju, osim β-čestica, i gama-zrake. Većina jezgri je u pobuđenom stanju vrlo kratko vrijeme koje se ne može izmjeriti (manje od 10 -9 sek.). Međutim, samo relativno mali broj jezgri može biti u pobuđenom stanju relativno dugo - do nekoliko mjeseci. Takve se jezgre nazivaju izomeri, a njihovi odgovarajući prijelazi iz pobuđenog stanja u normalno stanje, praćeni emisijom samo gama zraka, su izomerni. Tijekom izomernih prijelaza A i Z, jezgre se ne mijenjaju. Radioaktivne jezgre koje emitiraju samo alfa ili beta čestice nazivaju se čisti alfa ili beta emiteri. Jezgre kod kojih je alfa ili beta raspad popraćen emisijom gama zraka nazivaju se gama emiteri. Samo jezgre koje su dugo u pobuđenom stanju, tj. prolaze kroz izomerne prijelaze, čisti su gama emiteri.

5. Spontana nuklearna fisija. Kao rezultat fisije iz jedne jezgre nastaju dvije lakše jezgre - fisijski fragmenti. Budući da se identične jezgre mogu podijeliti u dvije jezgre na različite načine, tijekom procesa fisije nastaje mnogo različitih parova lakših jezgri s različitim Z i A. Tijekom fisije oslobađaju se neutroni, u prosjeku 2-3 neutrona po događaju nuklearne fisije. gama kvanti . Svi fragmenti nastali tijekom fisije su nestabilni i podliježu β - raspadu. Vjerojatnost fisije je vrlo mala za uran, ali raste s povećanjem Z. To objašnjava nepostojanje jezgri težih od urana na Zemlji. U stabilnim jezgrama postoji određeni omjer između broja protona i neutrona pri kojem je jezgra najstabilnija, tj. najveća energija vezanja čestica u jezgri. Za lake i srednje jezgre njihova najveća stabilnost odgovara približno jednakom sadržaju protona i neutrona. Za teže jezgre opaža se relativno povećanje broja neutrona u stabilnim jezgrama. Kada u jezgri postoji višak protona ili neutrona, jezgre s prosječnom vrijednošću A su nestabilne i podliježu β - ili β + raspadima, pri čemu dolazi do međusobne transformacije neutrona i protona. Kada postoji višak neutrona (teških izotopa), jedan od neutrona prelazi u proton uz emisiju elektrona i neutrina:

Kada postoji višak protona (laganih izotopa), jedan od protona se pretvara u neutron uz emisiju ili pozitrona i neutrina (β + raspad) ili samo neutrina (hvatanje elektrona):

Sve teške jezgre s atomskim brojem većim od Pb82 nestabilne su zbog značajnog broja protona koji se međusobno odbijaju. Lanci uzastopnih alfa i beta raspada u tim jezgrama javljaju se sve dok se ne formiraju stabilne jezgre izotopa olova. Uz poboljšanje eksperimentalne tehnologije, sve više jezgre koje su se prije smatrale stabilnima pokazuju vrlo spor radioaktivni raspad. Trenutno je poznato 20 radioaktivnih izotopa sa Z manjim od 82.

Kao rezultat bilo koje radioaktivne transformacije, broj atoma određenog izotopa kontinuirano se smanjuje. Zakon opadanja broja aktivnih atoma tijekom vremena (zakon radioaktivnog raspada) zajednički je svim vrstama transformacija i svim izotopima. Po prirodi je statistički (primjenjiv samo za veliki broj radioaktivnih atoma) i sastoji se u sljedećem. Broj aktivnih atoma danog izotopa koji se raspadaju u jedinici vremena ΔN/Δt proporcionalan je broju aktivnih atoma N, tj. isti udio k aktivnih atoma danog izotopa raspada se u jedinici vremena, bez obzira na njihov broj. Veličina k naziva se konstanta radioaktivnog raspada i predstavlja udio aktivnih atoma koji se raspadaju po jedinici vremena ili relativnu brzinu raspada. k se mjeri u jedinicama recipročnim vremenskim jedinicama, tj. u sec.-1 (1/sec.), dan-1, godina-1, itd., za svaki radioaktivni izotop ima svoju specifičnu vrijednost, koja varira unutar vrlo širokih granice za razne izotope. Vrijednost koja karakterizira apsolutnu stopu raspadanja naziva se aktivnost danog izotopa ili lijeka. Aktivnost 1 g tvari naziva se specifična aktivnost tvari.

Iz zakona radioaktivnog raspada proizlazi da se smanjenje broja aktivnih atoma N događa isprva brzo, a zatim sve sporije. Vrijeme tijekom kojeg se broj aktivnih atoma ili aktivnost određenog izotopa smanji za polovicu nazivamo vrijeme poluraspada (T) tog izotopa. Zakon opadanja N od vremena t je eksponencijalan i ima sljedeći analitički izraz: N=N0e-λt, gdje je N0 broj aktivnih atoma na početku vremena (r=0), N je broj aktivnih atoma nakon vremena t, e je baza prirodni logaritmi(broj jednak 2,718...). Postoji sljedeći odnos između konstante raspada k i vremena poluraspada λ: λT-0,693. Odavde

Poluživoti se mjere u sekundama, minutama. itd. a za različite izotope variraju u vrlo širokom rasponu od malih djelića sekunde do 10+21 godine. Izotopi s velikim λ i malim T nazivaju se kratkoživući, izotopi s malim λ i velikim T nazivaju se dugovječnim. Ako se aktivna tvar sastoji od nekoliko radioaktivnih izotopa s različitim poluvrijemima raspada koji nisu međusobno genetski povezani, tada će se tijekom vremena i aktivnost tvari kontinuirano smanjivati, a izotopni sastav lijeka stalno će se mijenjati: udio kratkoživućih izotopa će se smanjiti, a udio dugoživućih izotopa će se povećati. Nakon dovoljno dugog vremena u preparatu će ostati praktički samo najdugovječniji izotop. Iz krivulja raspada radioaktivnih tvari koje se sastoje od jednog ili mješavine izotopa, moguće je odrediti poluživote pojedinih izotopa i njihove relativne aktivnosti za bilo koju točku u vremenu.

Zakoni promjena aktivnosti genetski srodnih izotopa kvalitativno su različiti; ovise o omjeru njihovih poluživota. Za dva genetski povezana izotopa s periodom T1 za izvorni izotop i T2 za produkt raspada, ovi zakoni imaju najjednostavniji oblik. Pri T1>T2 aktivnost početnog izotopa Q1 sve vrijeme opada po eksponencijalnom zakonu s vremenom poluraspada T1. Zbog raspada jezgri početnog izotopa nastat će jezgre konačnog izotopa i povećati će se njegova aktivnost Q2. Nakon određenog vremena, brzina raspada jezgri drugog izotopa (približiti će se brzini stvaranja jezgri ovog izotopa iz izvorne (brzina raspada izvornog izotopa Q1) i te će brzine biti u određenoj a ostatak vremena konstantan omjer – dolazi do radioaktivne ravnoteže.

Aktivnost početnog izotopa kontinuirano opada s periodom T1, stoga će nakon postizanja radioaktivne ravnoteže aktivnost konačnog izotopa Q2 i ukupna aktivnost dvaju izotopa Q1 + Q2 također opadati s vremenom poluraspada početnog izotopa T1. Kada je T1>T2 Q2=Q1. Ako se nekoliko kratkoživućih izotopa sukcesivno formira iz početnog dugoživućeg izotopa, kao što je slučaj u radioaktivnom nizu urana i radija, tada nakon postizanja ravnoteže aktivnosti svakog kratkoživućeg izotopa postaju gotovo jednake aktivnosti originalni izotop. U tom je slučaju ukupna aktivnost jednaka zbroju aktivnosti svih kratkoživućih produkata raspada i opada s vremenom poluraspada izvornog dugoživućeg izotopa, kao i aktivnost svih izotopa u ravnoteži.

Radioaktivna ravnoteža postiže se praktički u vremenu jednakom 5-10 poluraspada izotopa iz produkata raspada koji ima najduži poluživot. Ako je T1

Prirodni radioaktivni izotopi uključuju oko 40 izotopa periodnog sustava elemenata sa Z većim od 82, koji tvore tri uzastopna niza radioaktivnih transformacija: niz urana (slika 1), niz torija (slika 2) i niz aktinija ( Slika 3). Uzastopnim alfa i beta raspadima dobivaju se konačni stabilni izotopi olova iz početnih izotopa serije.

Riža. 1. Serije urana.


Riža. 2. Torijeve serije.


Riža. 3. Serija morskih anemona.

Strelice na slikama pokazuju uzastopne radioaktivne transformacije, pokazujući vrstu raspada i postotak atoma koji prolaze kroz raspad ove vrste. Horizontalne strelice označavaju transformacije koje se događaju u gotovo 100% slučajeva, a nagnute strelice označavaju transformacije koje se događaju u malom udjelu slučajeva. Kada su izotopi označeni, naznačena su njihova vremena poluraspada. U zagradama su prethodna imena članova niza, što ukazuje na genetski odnos, bez zagrada su trenutno prihvaćene oznake izotopa, koje odgovaraju njihovoj kemijskoj i fizičkoj prirodi. Dugoživući izotopi su zatvoreni u okvire, a terminalni stabilni izotopi su zatvoreni u dvostruke okvire. Alfa raspad obično prati gama zračenje vrlo niskog intenziteta; neki beta emiteri emitiraju intenzivno gama zračenje. Prirodna pozadina je posljedica prirodne radioaktivnosti-zračenja i utjecaja prirodno radioaktivnih izotopa sadržanih na površini Zemlje, u biosferi i zraku, te kozmičkog zračenja (vidi). Osim ovih izotopa, razne tvari sadrže i izotop K40 te još 20-ak drugih radioaktivnih izotopa s vrlo dugim poluživotom (od 109 do 1021 godina), zbog čega je njihova relativna aktivnost vrlo mala u usporedbi s aktivnošću drugih izotopi.

Radioaktivni izotopi sadržani u Zemljinoj ljusci igrali su i igraju iznimnu ulogu u razvoju našeg planeta, posebice u razvoju i očuvanju života, budući da su nadoknadili gubitke topline koji se događaju na Zemlji i osigurali praktičnu konstantnost temperature na Zemlji. planet mnogo milijuna godina. Radioaktivni izotopi, kao i svi drugi izotopi, nalaze se u prirodi uglavnom u raspršenom stanju i prisutni su u svim tvarima, biljnim i životinjskim organizmima.

Zbog razlike u fizikalno-kemijskim svojstvima izotopa, njihov relativni sadržaj u tlu i vodi je različit. Plinoviti produkti raspada urana, torija i aktinija - toron, radon i aktinon - kontinuirano se oslobađaju u zrak iz voda tla. Osim ovih plinovitih produkata, zrak sadrži i alfa i beta aktivne produkte raspada radija, torija i aktinija (u obliku aerosola). Iz tla radioaktivni elementi, poput stabilnih, ulaze u biljke zajedno s vodom iz tla, pa stabljike i listovi biljaka uvijek sadrže uran, radij, torij s produktima raspada, kalij i niz drugih izotopa, iako u relativno niskim koncentracijama. . Biljke i životinje također sadrže izotope C14, H3, Be7 i druge, koji nastaju u zraku pod utjecajem neutrona iz kozmičkog zračenja. Zbog kontinuirane izmjene između ljudskog tijela i okoliša, svi radioaktivni izotopi sadržani u hrani, vodi i zraku također su sadržani u tijelu. Izotopi se nalaze u tijelu u sljedećim dozama: u mekim tkivima - 31 mrem / godišnje, u kostima - 44 mrem / godišnje. Doza kozmičkog zračenja je 80-90 mrem/god., doza vanjskog gama zračenja je 60-80 mrem/god. Ukupna doza je 140-200 mrem/god. Doza koja pada na pluća je 600-800 mrem/god.

Umjetno radioaktivni izotopi nastaju bombardiranjem stabilnih izotopa neutronima ili nabijenim česticama kao rezultatom različitih nuklearnih reakcija, a kao izvori nabijenih čestica koriste se različiti tipovi akceleratora.

Za mjerenja tokova i doza raznih vrsta ionizirajućeg zračenja vidi Dozimetrija, Doze ionizirajućeg zračenja, Neutron.

Zbog činjenice da velike doze zračenja imaju štetan učinak na ljudsko zdravlje, pri radu s izvorima zračenja i radioaktivnim izotopima primjenjuju se posebne mjere zaštite (vidi).

U medicini i biologiji izotopi se koriste za proučavanje metabolizma, u dijagnostičke i terapeutske svrhe (vidi). Sadržaj radioaktivnih izotopa u tijelu i dinamika njihove izmjene određuju se pomoću brojača vanjskog zračenja osobe.

Godine 1896. Antoine Becquerel otkrio je do tada nepoznato zračenje uranovih soli. Dvije godine kasnije Pierre Curie i Marie Sklodowska-Curie, proučavajući uranovu rudaču, otkrili su nove elemente koje su nazvali polonij i radij. Ovi elementi stvaraju intenzivnije zračenje od urana. Uz istu masu intenzitet zračenja bio je $(10)^(10)$ veći, a radija $2\cdot (10)^7$ puta.

U isto vrijeme, E. Rutherford, prolazeći zračenje kroz jednoliko magnetsko polje, utvrdio je da se ono sastoji od dvije komponente, čije čestice imaju suprotne naboje (Sl. prikazuje dijagram Rutherfordovog eksperimenta: 1 - fotografska ploča, 2 - smjer indukcije magnetskog polja, 3 - olovni spremnik, 4 - radioaktivna tvar, 5 - izlaz za vakuum pumpu). Komponenta s pozitivno nabijenim česticama nazvana je $\alpha $ -- zrake, komponenta s negativno nabijenim česticama nazvana je $\beta $ -- zrake. Kasnije je utvrđeno da su $\beta$ zrake tok elektrona, a $\alpha$ zrake tok jezgri atoma helija. Godine 1900. P. Willard otkrio je treću komponentu na koju magnetsko polje nije utjecalo. Nazvane su $\gamma$ - zrake, koje su tok fotona najkraće valne duljine u cijelom spektru elektromagnetskog zračenja. Pojava zračenja izotopima navedenih zraka nazvana je radioaktivnost (od lat. "radius"- zraka).

Slika 1.

Vrste radioaktivnosti

Radioaktivnost treba shvatiti kao spontanu transformaciju izotopa kemijskih elemenata uzrokovanu raspadom jezgre. Na temelju ove definicije razlikuju se sljedeće vrste radioaktivnosti:

• $\alpha $ -- raspad (A. Becquerel, $1896$);

$\beta$ -- raspad:

• $(\beta )^-$ - raspad (A. Becquerel, $1896$);
• $(\beta )^+$ - raspad (I. i F. Joliot-Curie, $1934$);
• $K$ -- hvatanje (L. Alvarez);

• Spontana nuklearna fisija (G. M. Fliorov, K. A. Petrzhak, $1939);

• $p$ -- raspad:

  • jednoprotonski (G. M. Fliorov, $1963);
  • dvoprotonski.

Prema ovoj definiciji, vrste radioaktivnog raspada ne uključuju $\gamma$ zračenje, jer ono ne mijenja sastav jezgre, već samo mijenja njezinu energiju. $\gamma $ -- zračenje nastaje kada jezgra ne nastaje kao rezultat raspada druge jezgre, već je u pobuđenom stanju. Njegov prijelaz iz stanja više energije u stanja niže energije prati $\gamma $ - zračenje. Brojni pokusi pokazali su da se procesi povezani s njim odvijaju u jezgri. Na brzinu radioaktivnog raspada ne utječu nikakvi vanjski čimbenici (tlak, temperatura, magnetska i električna polja). Radioaktivni raspad ne ovisi o kemijskom spoju u koji izotop ulazi i njegovom agregacijskom stanju.

Radioaktivnost, koja je karakteristična za nestabilne jezgre, naziva se prirodnom. Osim toga, jezgre stabilnih izotopa mogu postati radioaktivne kao rezultat njihovog zračenja; takva se radioaktivnost naziva umjetnom. Zakoni prirodne i umjetne radioaktivnosti ne ovise o načinu dobivanja izotopa.

Zakoni radioaktivnog raspada

Budući da je radioaktivni raspad slučajan, statistički zakoni vrijede za veću populaciju jezgri.

Za svaku radioaktivnu jezgru postoji određena vjerojatnost $\lambda $ da se raspadne u jedinici vremena. Ako u trenutku $t$ postoji $N$ radioaktivnih jezgri, tada je prosječni broj jezgri $dN$ koje se raspadnu tijekom vremena $dt$ proporcionalan određenom broju jezgri $N$ i vrijednosti $\lambda$, tj.

Vrijednost $\lambda$ naziva se konstanta raspada. To je karakteristična konstanta radioaktivnog izotopa. Znak “$-$” označava da se broj radioaktivnih jezgri smanjuje. Integrirajući ovu formulu dobivamo

Ova formula izražava zakon radioaktivnog raspada. Pokazuje da se broj jezgri radioaktivnog izotopa s vremenom smanjuje prema eksponencijalnom zakonu. Ovaj zakon je statistički i vrijedi za dovoljno velik broj jezgri radioaktivnog izotopa. Zakon je potpuno u skladu s eksperimentima. Imajte na umu da vrijednost $N$ ne pokazuje broj jezgri koje su se raspale, već broj radioaktivnih jezgri u trenutku $t$. Vrijeme $T$ tijekom kojeg se raspadne polovica početnog broja jezgri nazivamo poluživotom. Od omjera

Često je izotop koji nastaje kao rezultat radioaktivnog raspada također radioaktivan, tada dolazi do niza radioaktivnih transformacija. Tako se pri raspadu jezgri radioaktivnog izotopa (jezgre matičnog izotopa) javljaju jezgre drugog izotopa koje su također radioaktivne (jezgre kćeri izotopa). U ovom slučaju zadovoljen je sljedeći uvjet:

Stanje koje odgovara ovoj jednakosti naziva se stanje zasićenja. Jednakost se također naziva i uvjetom radioaktivne ravnoteže. Čije je fizičko značenje da se raspad atoma kćeri u bilo kojem trenutku kompenzira povećanjem njihovog broja zbog raspada matičnih jezgri.

Procjena zračenja

Radioaktivne lijekove karakterizira aktivnost koja je jednaka broju $N$ raspada radioaktivnih jezgri lijeka u jedinici vremena: $A=N/t$. Trenutna radioaktivnost jednaka je $\left|dN/dt\right|$ .

Kao jedinica za aktivnost lijeka uzima se jedna dezintegracija u sekundi – bekerel (Bq). Često se koristi izvansistemska jedinica raspada - Curie (Ki): $1\Ci=3,7\cdot (10)^(10)\Bq$.

Kvantitativna ocjena djelovanja radioaktivnog i rendgenskog zračenja na tvar je doza zračenja. Pravi se razlika između doze izloženosti, doze apsorpcije i ekvivalentne doze.

Doza ekspozicije $D_(exp)$ je mjera ionizacije djelovanja X-zraka i $\gamma$ zračenja u zraku i brojčano je jednaka omjeru ukupnog naboja iona istog predznaka $\ trokut Q$ koji u zraku stvaraju sekundarne čestice (elektroni i pozitroni koji nastaju u elementarnom volumenu uz njihovo potpuno kočenje) na masu $\trikut m$ zraka u tom volumenu ($D_(exp)=\trokut Q/ \trokut m$) i mjeri se u kulonima po kilogramu (C/kg). Često se u praksi koristi nesistemska jedinica - rendgen (R). $1R=2,58\cdot (10)^(-4)\ C/kg$.

Apsorpcijska doza (apsorbirana doza) $D_(abs)$ određena je omjerom energije $\trokuta E$ prenesene ionizirajućim zračenjem na tvar u elementarnom volumenu i mase $\trokuta m$ tvari u ovom volumen ($D_(abs)=\trokut E /\trokut m$). Mjerna jedinica je gray (Gy). $1\Gy=1\J/kg$). Izvansistemska mjerna jedinica je rad. $1\rad=0,01\Gy$.

Ekvivalentna doza $D_(eq)$ definirana je kao umnožak apsorbirane doze $D_(abs)$ i faktora kvalitete ionizirajućeg zračenja $K$, tj. $D_(eq)=(KD)_(abs)$. Ekvivalentna doza mjeri se u istim jedinicama kao i apsorpcijska doza. SI jedinica ekvivalentne doze je sivert (Sv), koji odgovara apsorbiranoj dozi od 1 greya pri $K=1$. Postoji posebna jedinica ekvivalentne doze koja odgovara biološkom ekvivalentu rendgenske zrake (ber), tj. odgovara apsorbiranoj dozi od 1 rad pri $K=1$ ($1\ ber=0,01\ Sv$).

Umjetna radioaktivnost

Godine 1934. Irène i Frederic Joliot-Curie otkrili su da nakon ozračivanja s $\alpha $ -- česticama aluminija postaje radioaktivno, a nuklearne transformacije se odvijaju u dvije faze. Prvo, pod utjecajem čestica, jezgra se pretvara u radioaktivnu. U drugoj fazi stvorena radioaktivna jezgra prolazi kroz spontani radioaktivni raspad. Ovaj raspad, kao i u slučaju prirodne radioaktivnosti, odvija se po eksponencijalnom zakonu.

Utvrđeno je da kada se atomske jezgre različitih elemenata bombardiraju s $\alpha$ - česticama, protonima, neutronima, deuteronima i $\gamma$ - kvantima, nastaju jezgre novih radioaktivnih izotopa čiji raspad slijedi isti zakon.

Posljednjih godina dobiven je veliki broj radioaktivnih izotopa. Bombardiranjem jezgri izotopa s kraja periodnog sustava česticama visoke energije, bilo je moguće stvoriti umjetne jezgre, koje su postale preci radioaktivnih obitelji s kratkim vijekom trajanja. Kada se $()^(232)_(90)(Th)$ bombardira deuteronima s energijom od 680 MeV, radioaktivne jezgre $()^(227)_(91)(Pa)$ nastaju kao rezultat reakcija:

Raspad $()^(227)_(91)(Pa)\ $jezgre događa se na sljedeći način:

Umjetni radioaktivni elementi su pretežno $\beta $ - aktivni, dok se $(\beta )^-\ ili\ (\beta )^+$ - aktivni mogu saznati pomoću dijagrama ovisnosti broja neutrona o broju protona u jezgri za stabilne i radioaktivne jezgre (vidi sliku). Na dijagramu se stabilne atomske jezgre nalaze u uskoj zoni, koja je ograničena krivuljama $1$ i $2$. Izotopi za koje je omjer $N/Z>N_(st)/Z_(st)$. prelazi vrijednost, koja odgovara $1$ krivulji, koja pripada području proton-deficijentnih jezgri $I$. Radioaktivni raspad može se dogoditi na način da se vrijednost $N/Z$ smanji, tj. smanjuje se broj neutrona $N$ u jezgri. U tom slučaju se u jezgri događaju transformacije $n\to p+e^-+(\widetilde(\nu ))_e$. Posljedično, jezgre s nedostatkom protona tijekom radioaktivnog raspada emitiraju $(\beta )^-$ čestice. I obrnuto, jezgre koje leže u području $II$ jezgri s manjkom neutrona, $N/Z

Umjetne radioaktivne jezgre također nastaju tijekom procesa fisije teških jezgri. Kada $()^(235)_(92)U$ jezgra fisira, stvaraju se dvije nove jezgre, koje su klasificirane kao proton-deficijentne, zbog toga će sve takve jezgre emitirati $(\beta )^-$ čestice.

Neki radioaktivni izotopi, koji su dobiveni umjetnim putem nakon emisije elektrona, također emitiraju $\gamma $ - kvante. Sada je postalo moguće dobiti radioaktivne izotope koji imaju prilično visoku aktivnost. To omogućuje stvaranje kompaktnih izvora radioaktivnosti, koji se široko koriste u znanosti i tehnologiji.