Радиоактивность
В природе ядра атомов большинства нуклидов химических элементов могут существовать без изменения своего состава неограниченно долгое время, так как для их разрушения необходимо затратить огромное количество энергии извне. Такие нуклиды называются стабильными. Однако, существуют неустойчивые нуклиды, ядра атомов которых могут разрушаться самопроизвольно, превращаясь при этом в ядра атомов других элементов. Это явление называется радиоактивностью, а сами такие нуклиды – радиоактивными.
Если все виды нуклидов элемента являются радиоактивными, то и сам элемент тоже называется радиоактивным. В таблице Д.И. Менделеева атомные массы радиоактивных элементов часто берут в квадратные скобки и они равны целым числам, так как в качестве их указывают не среднеарифметическую массу всех нуклидов элемента, а атомную массу одного, наиболее устойчивого, нуклида.
Исследования в области радиоактивности позволили установить, что устойчивому состоянию ядер соответствует определенное соотношение в них чисел протонов и нейтронов. Для легких элементов (с атомными номерами от 1 до 20) количество протонов в ядре приблизительно равно количеству нейтронов (Z/N 1). При дальнейшем увеличении атомного номера число нейтронов в ядре начинает превалировать над числом протонов и когда соотношение Z/N становится меньше 0,6, устойчивость ядер атомов уменьшается.
Радиоактивный распад, кроме образования ядра нуклида другого элемента, всегда сопровождается испусканием различных частиц или излучений. При этом уравнения реакций радиоактивного распада должны удовлетворять правилу равенства сумм индексов:
а) сумма массовых чисел частиц, вступающих в реакцию, равна сумме массовых чисел частиц- продуктов реакции;
б) алгебраическая сумма зарядов частиц, вступающих в реакцию, должна быть равна аналогичной сумме зарядов для образующихся в ходе реакции частиц.
Основными типами радиоактивных превращений являются: -распад; -распад и - распад.
При -распаде
ядро испускает -частицу,
которая представляет собой ядро атома
гелия
и состоит из двух протонов и двух
нейтронов. Массовое число образующегося
нуклида уменьшается вследствие этого
на 4 единицы, а заряд ядра – на 2, например:
+
(-частица).
При -распаде в неустойчивом ядре нейтрон превращается в протон с испусканием электрона (-частицы):
+
Массовое число образующегося нуклида не изменяется, поскольку общее число протонов и нейтронов сохраняется, а заряд ядра увеличивается на 1, например:
+
При -распаде возбужденное ядро испускает электромагнитные волны с очень малой длиной волны (-излучение).
γ-распад наблюдается при так называемом электронном захвате, когда один из электронов, ближайшей к ядру электронной оболочки атома захватывается ядром и взаимодействует с протоном, образуя нейтрон.
+
При этом заряд ядра уменьшается на единицу, но массовое число атома остается неизменным.
Образование нового нуклида сопровождается испусканием γ-кванта.
Часто одновременным испусканием квантов жесткого -излучения сопровождается и - или -распад.
Скорость распада, а, значит, и продолжительность жизни радиоактивного нуклида характеризуется периодом полураспада Т12 – временем, за которое распадаются ядра у 50% или половины имеющихся атомов нуклида.
Для разных нуклидов
период полураспада изменяется в широком
интервале: от долей секунды до миллиардов
лет. Например: для
Т12
= 2,2 мин., для
– 8 суток, для
– 30,17 года, для
– почти 4,5 млрд. лет. Чем больше значение
Т12,
тем более устойчивым считается данный
нуклид.
Зная начальное число атомов радиоактивного нуклида (N0) и его период полураспада (Т ½), можно рассчитать число нераспавшихся атомов этого нуклида (N) спустя время t
Радиоактивность, проявляемая природными нуклидами элементов, называется естественной радиоактивностью. Со временем было установлено, что радиоактивный распад ядер атомов можно вызвать искусственным путем, бомбардируя устойчивые нуклиды потоком -частиц, нейтронов, электронов или других элементарных частиц. Под влиянием такой бомбардировки образуются новые неустойчивые нуклиды, которые затем самопроизвольно распадаются. Так, например, в 1933 году Ирен Кюри и Фредерик Жолио Кюри обнаружили, что при облучении атомов алюминия потоком -частиц происходит образование неустойчивых ядер атомов фосфора:
,
которые затем самопроизвольно распадаются с образованием устойчивого нуклида:
Данное явление получило название искусственной радиоактивности.
К настоящему времени искусственным путем получены сотни радиоактивных нуклидов химических элементов. Первая искусственная ядерная реакция была проведена в 1919 году Резерфордом. Воздействуя на атомы азота потоком -частиц, ему удалось осуществить следующий процесс:
Для проникновения в ядро-мишень и осуществления ядерной реакции бомбардирующая частица должна обладать большой энергией. Разработаны и созданы специальные установки (циклотроны, синхрофазотроны и другие ускорители), позволяющие сообщать заряженным частицам огромную энергию. При проведении ядерных реакций используются также потоки нейтронов, образующиеся при работе атомных реакторов.
Создан специальный раздел химии, изучающий радиоактивные элементы и изотопы, их поведение, взаимопревращение, который называется радиохимией.
Ядерные реакции широко используются для искусственного синтеза новых, так называемых, трансурановых элементов, несуществующих в природе (они расположены в таблице Д.И. Менделеева после элемента урана).
Изучение ядерных реакций открыло путь к практическому использованию внутриядерной энергии, как в мирных целях (создание атомных электростанций, атомных силовых установок), так и в военных (создание атомных бомб и других взрывных устройств огромной мощности и разрушительной силы).
Радиоактивность широко применяется в науке, медицине, различных отраслях промышленности, сельском хозяйстве.
Следует, однако, отметить, что использование ядерных процессов и радиоактивных веществ для практических целей должно осуществляться в тщательно контролируемых условиях с соблюдением строжайших мер безопасности. Это связано с вредным воздействием радиоактивного излучения на живые организмы, а, значит, и на человека.