5. Радіоактивність

Ще в античний період грецькі філософи Демокріт і Левкіпп вважали, що всі предмети в світі складаються з досить дрібних цеглинок, які не може побачити око – з атомів, що не можуть бути поділені на ще менші частинки, ніж атом.

Розрізняють прості речовини, які складаються з однакових атомів, і складні, що мають кілька різних атомів, які утворюють молекулу. В природі тільки інертні гази знаходяться у вигляді вільних атомів. Всі інші речовини існують у вигляді молекул. Зв'язуючись один з одним безпосередньо або в складі молекул, атоми утворюють гази, рідини і тверді тіла.

Атоми хімічних елементів неоднакові, відрізняються один від одного розмірами, масою, хімічними та фізичними властивостями. Розглянемо основні фізичні величини, які характеризують атом. Розмір атома зумовлюється діаметром його електронних оболонок. Найменший розмір має атом водню (0,5-10-⁸ см), найбільший – атом трансуранових елементів (п-10-⁷ см). Поперечний розмір ядра атома приблизно в 50–100 разів менший (10-¹²—10-³ см).

Маса атомів коливається від 10^-24 до 10^-22 г. Так, маса атома водню дорівнює 1,67 10^-24, а атома урану 4,10-10-²²г.

Основна частина маси атома (99,95 %) зосереджена в ядрі і тільки 0,05 % її припадає на частку електронів.

Масою атома, яка виражається в грамах, важко оперувати при проведенні математичних розрахунків. Тому за міжнародною угодою її прийнято виражати у відносних величинах.

Співвідношення між масою і енергією речовини. Між масою речовини та її енергією існує певне відношення, яке виражається формулою А. Ейнштейна

Е = т « с²,

де Е — енергія, ерг; т — маса, г; с — швидкість світла, яка дорівнює 299 792 458 м/с.

У ядерній фізиці енергію прийнято виражати в електрон-вольтах. Електрон-вольт (еВ) — це кінетична енергія, яку одержує електрон в електричному полі з різницею потенціалів в ЇВ. В Міжнародній системі одиниць (СІ) 1 еВ = 1,602 « 10-¹⁹ Дж.

Якщо перетворити атомну масу трансуранових елементів на енергію, то можна уявити запаси кінетичної енергії в ядрах цих елементів. Частину енергії ядра атома людина навчилася вивільнювати і використовувати в своїх цілях.

Будова атома та атомного ядра. Ізотопи

Всі електрони атома становлять його електронну оболонку. Електрон (символ е^─, є) — перша елементарна частинка, відкрита у фізиці, носій найменшого негативного електричного заряду (—1,6022 ^. 10^-19 Кл).

Електрони утримуються навколо ядра атома на електронних оболонках силами електричної (електромагнітної) взаємодії. Будова електронних оболонок атома відповідає фізичному закону, згідно з яким в одному атомі не може бути двох електронів, які б перебували в одному й тому ж енергетичному стані. Енергетичний стан електрона визначається такими параметрами, як енергія зв'язку електрона в атомі, напрям обертання електрона навколо своєї осі, вид орбіталі, її положення в просторі.

Електрони з близькими значеннями енергії розміщуються на відповідних енергетичних рівнях, або електронних шарах, які позначаються латинськими літерами (К, L, М, N тощо). Таких шарів відомо 7. У кожному шарі енергетичні рівні електронів поділяються на підрівні s, p, d , f. Заповнення оболонки електронами починається з рівнів з найменшою енергією.

У кожному шарі може бути певне число електронів, максимально 2п². На найближчому до ядра К-шарі розміщуються не більше ніж 2 електрони, на наступному L-шарі — 8, на М-шарі—18, N-шарі — 32 електрони.

Чим більше електронів входить до складу атома, тим складніша будова його оболонки. Міцність зв'язку електронів з ядром послаблюється в міру віддалення їх від ядра, найслабкіше зв'язані з ядром електрони зовнішніх орбіталей. Тому електрони зовнішньої орбіталі легко вступають у різні реакції і перетворення. Вони визначають хімічні властивості атома, його валентність, здатність вступати у сполуки з іншими атомами, електропровідність тощо.

Чим слабкіший зв'язок електрона з ядром на відповідній орбіталі, тим вищий рівень його кінетичної енергії. Це означає, що при наданні електрону додаткової енергії він легше залишає своє місце, переходячи на інші енер­гетичні рівні, і навіть може виходити за межі атома. Відбувається збудження або іонізація атома, порушується його стаціонарний (основний) стан і при цьому відбувається стрибкоподібна, або квантова, зміна енергії.

Атом випромінює електромагнітну енергію, якщо електрон переходить з більш віддаленої від ядра орбіталі на менш віддалену, і навпаки, під час переходу електрона з менш віддаленої opбіталі на більш віддалену атом енергію поглинає.

Збудження атомів – це перехід електронів з однієї електронної орбіталі на іншу внаслідок одержання ними додаткової енергії. Атоми, що мають надлишок енергії, називаються збудженими.

Оскільки поблизу ядра атома найвища густина електронів, то частіше додаткову енергію одержують електрони внутрішніх шарів. У природі кожна система прагне перейти в стан, коли її енергія буде найменшою, тому, збуджений атом переходить в стаціонарний стан. Повернення електрона на своє початкове місце в електронній оболонці супроводжується виділенням надлишкової енергії, перехід електронів із зовнішніх оболонок на внутрішні супроводжується випромінюванням енергії з довжиною хвилі, характерною для кожного енергетичного рівня даного атома. Перехід електронів у межах одного шару зовнішньої орбіталі (наприклад М-шару) супроводжується випромінюванням ультрафіолетового та інфрачервоного світла.

При одержанні електроном енергії ззовні, що перевищує енергію його зв'язку з ядром, електрон відривається від атома, і відбувається іонізація останнього.

Атом, що залишився без одного або кількох електронів, перетворюється на позитивно заряджений іон. Отже, під час іонізації атома утворюється пара, яка складається з позитивно зарядженого іона і електрона. Такий стан триває досить короткий час (10^-5—^10-6 с). Потім відбувається рекомбінація, тобто зворотне з'єднання заряджених частинок, і атом знову, стає електронейтральною системою. Оскільки густина електронів більша поблизу ядра, то частіше вибиваються електрони з К-шару. Під час іонізації місце вибитого з К-шару електрона займають електрони L-шару, кінетична енергія яких вища.

Отже, з положенням електронів в електронних оболонках пов'язані збудження та іонізація атома і виділення з нього енергії у вигляді електромагнітного або фотонного випромінювання.

Будова ядра атома

Ядро атома, про існування якого вперше повідомив Е. Резерфорд (1906), складається з протонів і нейтронів, їх поєднують загальною назвою нуклон.

Протон (символ р, ¹р) — стійка у вільному стані частинка з масою 1,007276 а. о. м., яка несе найменший позитивний заряд в природі. Кожний елемент має своє специфічне число протонів, яке визначає загальний позитивний заряд ядра і місце елемента в періодичній системі. Число протонів визначає заряд ядра і дорівнює порядковому номеру елемента. Атом водню містить лише один протон, атом кисню — 8, урану — 92 протони.

У ядрах деяких елементів протон може перетворюватись на нейтрон

Нейтрон (п,¹п) — нейтральна ядерна частинка з масою 1,008665 а. о. м. У ядрах стабільних атомів нейтрони стійкі, у вільному стані — нестійкі. За кожні 12,5 хв частина вільних нейтронів розпадається і перетворюється на протони. При цьому перетворенні виникають бета-частинка (β^-) та антинейтрино (v) і вивільняється деяка кількість енергії (Qv):

п→ p + β^- + v+ Qv

Загальне число нуклонів у ядрі атома називають масовим числом (А). Іншими словами, масове число атома дорівнює сумі кількостей протонів (Z) і нейтронів (N):

A = Z + N.

Знаючи масове число і заряд ядра атома, або його порядковий номер, можна визначити число нейтронів у ядрі:

N = A—Z.

Число нейтронів у ядрі нестале. Атоми, ядра яких мають однакову кількість протонів, але різну кількість нейтронів, називаються ізотопами. Хімічні властивості Ізотопів елемента однакові або дуже близькі. Ізотопи відрізняються між собою за масовими числами та фізичним станом.

Щоб відрізнити ізотопи один від одного, біля символу елемента зверху зліва зазначають масове число, а знизу зліва — порядковий номер.

Нейтрони в ядрі атома виконують цементуючу функцію: вони надають ядру міцності, запобігають розлітанню протонів внаслідок електричного відштовхування. Між нуклонами ядра атома, які перебувають у постійному русі, діють внутрішньоядерні сили притягання, які приблизно в 135 разів перевищують сили відштовхування, що діють між позитивно зарядженими протонами. Особливість ядерних сил, природу яких до кінця не з'ясовано, полягає в тому, що вони дуже великі тільки на малих відстанях, які не перевищують Ю^-13 см. На великих відстанях вони дорівнюють нулю. Завдяки наявності внутрішньоядерних сил притягання ядра атомів більшості відомих у природі елементів стабільні. Щоб їх зруйнувати, перебороти сили взаємодії нуклонів, що утримують ядра або з'єднують протони в ядрі, треба затратити досить велику енергію, яка називається енергією зв'язку ядра.

Різні ядра мають неоднакову енергію зв'язку. Наприклад, енергія зв'язку ядра гелію дорівнює 28,2 МеВ, кисню 16—128, а урану 238—200 МеВ. Якщо енергію зв'язку ядра поділити на кількість нуклонів у ядрі, то дістанемо середнє значення енергії зв'язку, що припадає на один нуклон, і помітимо, що із збільшенням кількості нуклонів у ядрі енергія зв'язку, що припадає на один нуклон, зменшується. Різні значення енергії зв'язку ядра мають та­кож ізотопи.

За сучасними уявленнями, ядерні сили (ядерне поле) виникають у процесі безперервного обміну між нуклонами особливими частинками – π-мезонами, маса спокою яких у 260 разів перевищує масу електрона. Ядерні сили шість до насичення, тобто кожен нуклон взаємодіє з певною кількістю сусідніх нуклонів. Із збільшенням числа протонів і нейтронів в ядрі атома внутрішньоядерні сили послаблюються, а кулонівські сили відштовхування збільшуються. Ядра таких атомів нестабільні і розщеплюються (процес супроводжується випусканням елементарних частинок із ядра).

Для ядер атомів елементів, розміщених на початку і в середині періодичної системи Д. І. Менделєєва, оптимальними щодо їх стійкості є приблизно однакові кількості протонів і нейтронів. У ядрах важких елементів спостерігається надлишок нейтронів порівняно з кількістю протонів. У них дедалі більше починає виявлятись руйнівна дія нейтронів та послаблення внутрішньоядерних сил.

В ядрах атомів елементів з порядковим номером, більшим за 82 (Z>82), ядерні сили притягання вже нездатні забезпечувати повну стійкість ядра, в них виникають процеси внутрішньої перебудови, і ядра повільно розщеплю­ються, переходячи в більш стійкий стан.

Перехід ядер атомів хімічних елементів з нестійкого стану в стійкий, або стабільний, називається радіоактивним розпадом. Для окремого атома нестабільного або радіоактивного нукліда неможливо визначити момент часу його перетворення в стабільний нуклід. Певність розпаду зумовлюється властивостями даного виду ядер і не залежить від фізичного й хімічного стану радіонукліда. При радіоактивному розпаді змінюються атомний номер і масове число елемента, а надлишкова енергія ядра виділяється у вигляді випромінювання.

Радіоактивність – це самовільне перетворення (розпад) нестійких ядер атомів деяких хімічних елементів, яке призводить до зміни їх атомного номера і масового числа. Розпад радіоактивних ядер супроводжується виділенням енергії у вигляді іонізуючих випромінювань. Такі елементи називаються радіоактивними.

Іонізуючими називаються випромінювання, взаємодія яких з атомами і молекулами середовища приводить до утворення позитивно і негативно заряджених іонів, тобто до іонізації речовини.

Іонізація атомів або молекул виникає тоді, коли енергія, яка передається іонізуючій частинці, або фотону, вища за енергію зв'язку електрона з ядром. Для повітря цей показник у середньому становить 34 еВ, для більшості речовин, які входять до складу організмів, – від 10 до 65 еВ.

Атом – це найбільша частинка хімічного елемента, що являє собою систему з позитивно зарядженого ядра та негативно заряджених електронів, які рухаються навколо нього. Ядро атома складається з протонів і нейтронів.

Радіоактивні атоми – нестійкі атоми елемента, які самовільно перетворюються на атоми іншого елемента, це супроводжується іонізуючим випромінюванням, або радіоактивністю.

Хімічний елемент – це матерія, всі атоми якої однакові, тобто мають однаковий позитивний заряд ядра.

Радіоактивним вважається хімічний елемент, що складається з радіоактивних атомів, або такий, до складу якого входять радіоактивні атоми.

Хімічна речовина — сполучені за допомогою хімічних зв'язків атоми хімічних елементів. Хімічна речовина — сполучені за допомогою хімічних зв'язків атоми хімічних елементів.

Радіоактивною є хімічна речовина, до складу якої входять радіоактивні елементи.

Ізотопи — атоми одного хімічного елемента, в ядрах яких однакова кількість протонів, але різна кількість нейтронів; вони мають однакові хімічні властивості, але різні атомні маси.

Радіоактивні ізотопи, або радіоізотопи, складаються з радіоактивних атомів.

Нуклід — вид атомів з визначеним числом протонів ї нейтронів у ядрі, що характеризується своїм масовим числом (атомною масою) та атомним номером.

Радіоактивний нуклід (радіонуклід) – це нуклід, що складається з радіоактивних атомів.

Поняття «радіоактивні атоми», «радіоактивні елементи», «радіоактивні речовини», «радіоактивні ізотопи», «радіонукліди» розрізняються між собою, але нерідко використовуються як синоніми, що не зовсім правильно.

Радіоактивність, як зазначалось, відкрита в 1896 р. А. Беккерелем, який встановив, що уран випромінює невідомі на той час промені. Це випромінювання було названо променями Беккереля.