1.3 Радиоактивтілік

Ең алғашқы байқалған радиоактивтілікте (мұны 1896ж. француз ғалымы А. Беккерель ашқан) атомның бір түрі, екінші түріне оңай айналатын қабілеті бар екендігін көрсетті. Радиоактивтілікті зерттеуге зор үлес қосқан француз ғалымдары Мария Кюри Складовская және Пьер Кюри болды. Бұлардың жүргізген тәжірибелері негізінде жаңа элементтер табылды. Бұл элементтердің де уранның сәулелеріндей сәулелер шығаратыны анықталып, сәуле шығару интенсивтігі ураннан гөрі күштірек болды. Жаңа элементтерді – полоний және радий деп атады. Сонымен, өздігінен сәулелер шығаратын заттарды радиоактивті заттар, ал сәуле шығару құбылысын–радиоактивтілік деп атады.

Табиғи радиоактивтілік дегеніміз белгілі бір атом ядроларының сәулелер шығарып өздігінен басқа элементтердің ядроларына айналу құбылысын айтамыз. М. Кюридің зерттеулері бойынша радиоактивті элементтердің шығаратын сәулелерінің біртекті сәулелер емес екені анықталды. Көлденең магнит өрісінде радиоактивті сәулелер үш бөлікке бөлінді. Ол сәулелер , және сәулелер дейді.

Сурет 1.8. Көлденең магнит өрісіндегі радиоактивті сәулелер схемасы.

Радиоактивтік процестер санына мыналар жатады: 1) -ыдырау, 2) - ыдырау (оның ішінде электрондық қармалау), 3) ядроның -сәуле шығару, 4) ауыр ядролардың өздігінен бөлінуі, 5) протондық радиоактивтілік [10,97 б].

Радиоактивтік түрленудің заңы. Радиоактивті сәуле шығарудың интенсивтілігі уақыт өткен сайын нашарлай береді. Радиоактивтік ядролардың жалпы санынан біреуі ерте, біреуі кеш ыдырауы мүмкін, сондықтан қарастырылатын ядроның дәл қай уақытта ыдырайтынын алдын-ала айту мүмкін емес. Алайда олардың саны өте көп болғанда, ыдыраудың статистикалық заңын тағайындауға болады. Демек, өте аз dt уақыт аралығында ыдыраған ядролар саны dN, ядроның барлық саны N-ге және осы dt уақыт аралығына пропорционал болады.

(1.26)

мұндағы -әрбір радиоактивті затқа тиесілі константа, оның ыдырау тұрақтысы деп атайды. Минус таңбасының алынуы dN ыдырамаған N ядросының өсімшесі деп қарастыру үшін алынған, -шамасы уақыт бірлігінде ядролардың қандай үлесі ыдырағанын көрсетеді, былайша айтқанда 1 секунттағы ядроның ыдырау ықтималдығын сипаттайды.

(1.26) теңдеуіндегі айнымалыларды бөліп интегралдаймыз, сонда

(1.27)

Немесе

(1.28)

Осыдан

(1.29)

Мұндағы N₀-бастапқы уақыт кезеңіндегі ядролар саны, N–t уақыт кезеңіндегі ыдырамаған ядролар саны. (1.29) өрнегі ядролардың радиоактивті түрленулерінің заңдылығын сипаттайды. Бұл заң өте қарапайым ыдырамаған ядролар саны уақытқа байланысты экспоненциалдық заңмен өзгереді.

Уақыт аралығы t болғанда, ыдыраған ядролар саны мынадай өрнекпен анықталады:

(1.30)

Радиоактивті препараттың толық ыдырауы шын мәнінде өте ұзақ уақыт жүреді. Сондықтан ыдырау жылдамдығы Т-жарты ыдырау периодымен сипатталады.

Ядроның алғашқы санының жартысы ыдырайтын уақытты жарты ыдырау периоды (Т) деп атайды. (Сурет 1.9.). Бұл уақыт мына шарттан анықталады

(1.31)

Осыдан

(1.32)

Сурет 1.9. Ядро санының жартысы ыдырайтын уақыттың жарты ыдырау периоды кезіндегі схемасы.

Бүгінгі күнге дейін бізге белгілі радиоактивтік ядролардың жарты ыдырау периоды ^-7 с-тен ¹⁵ жыл аралығында болады.

Енді радиоактивтік ядроның орташа өмір сүру уақытын анықтайық. (1.31) өрнегіндегі модуль арқылы анықталатын t және t+dt-ға дейінгі уақыт аралығындағы түрленуге тиісті ядролар саны dN(t)= N(t)dt. Бұл ядролардың әрқайсысының өмір сүру уақыты t-ға тең. Демек, барлық бастапқы N₀ ядролар санының өмір сүру уақытының қосындысы tdN(t) өрнегін интегралдағанда алынады. Осы қосындыны ядролар саны N₀-ге бөлу арқылы, радиоактивті ядроның орташа өмір сүру уақытын анықтаймыз.

. (1.33)

(1.32) өрнегіндегі N – ді N(t) – нің орнына қойсақ, сонда

(1.34)

( айнымалы шамаға көшіп және бөлшектеп интегралдауды жүргіземіз). Сонымен радиоактивті ядроның орташа өмір сүру уақыты ыдырау тұрақтысына кері шама болып шығады екен

(1.35)

(1.34) теңдеуімен салыстырсақ Т жарты ыдырау периоды - дан ln-ге тең көбейткішпен ғана айырмашылығы бар екендігі көрінеді. Радиоактивті ядроның санының 2.72 есе азаюын көрсететін уақыт саны -ға тең, яғни осы уақыт ішінде ядроның 60% - дан артығы ыдырайды (Cурет 1.9.).

Радиоактивті препарат уақыт бірлігі ішіндегі ыдырау санына тең болатын, А өршігіштігімен (активтілігімен) сипатталады.

(1.36)

Өршігіштігінің уақыттан тәуелділігін (28) және (29) өрнектерінен шығарып алуға болады

(1.37)

Препараттың өршігіштігіде радиоактивтік ядро саны сияқты экспотенциалдық заңмен өзгеріп және -те олда 0-ге ұмтылады. 1 секунтта, радиоактивтік препараттың ¹⁰ ыдырауы өтетінін көрсетеді. Демек, (1Ku = ¹⁰ c^-1).

Егер бір препараттың әртүрлі массасы болса, онда олардың өршігіштігі де әртүрлі болады. Егер қандай да болмасын обьект (қоршаған ортаның бөлігі, механизмдер және т.б.) радиоактивтілікпен ластанған болса, онда адамға бұл зонаға белгілі бір уақыттан кейін кіруге болады, яғни бұл кезде өршігіштік адам өміріне қауіпсіздік жағдайға А_қ- ға жетеді, демек,

(1.38)

Осыдан уақытын анықтаймыз, сонда

(1.39)

Тез ыдырайтын изотоптар үшін -дың кіші болатындығы түсінікті. Өршігіштіктің бірлігі ретінде Беккерель (Бк) алынады. Сонда радиоактивті ядролық изотоптың өршігіштігі 1 секундта бір ыдырауға жеткен жағдай, бір Беккерельге тең болады.

Тәжірибелердің қорытындыларына қарағанда радиоактивті сәулелердің бәрінің де

а) белгілі бір дәрежеде заттарға химиялық әсері бар, мысалы фотопластинканың қараюын тудырады;

б) өзі тесіп өтетін газдарды, кейде конденсацияланатын денелерді иондайды;

в) бірқатар қатты денелердің және сұйықтардың флуоресценттік жарқылын тудырады [11,152 б].

Альфа ыдырау. Радиоактивті -ыдырау массалық саны А 200 және заряды Z 82 ауыр ядролардың қасиеті болып табылады. Ауыр ядролардың ішінде екі протоннан және екі нейтроннан тұратын -бөлшектерін түзу процесі жүреді. Ол түзілген -бөлшектері гелий ядросының ағыны болып саналады. Ыдырау мына схема түрінде жүреді;

(1.40)

Х-әріпімен ыдырайтын (аналық) ядроның элементтінің символы, Ү-әріпімен түзілетін (туынды) ядроның элементінің символы белгіленген. Альфа ыдырау көбінесе туынды ядроның -сәулелерін шығарумен жүреді. Схемаға қарағанда, бастапқы ядро затымен салыстырғанда, туынды ядроның атомдық нөмері 2-ге, ал массалық саны 4-ке кемиді. Соның мысалы ретінде ыдырау кезінде торийді түзетін уран изатобын қарастыруға болады

(1.41)

Альфа бөлшегінің кинетикалық энергиясы, аналық ядроның тыныштық энергиясының, туынды ядроның тыныштық энергиясы және альфа бөлшектің энергиясының қосындысынан артық болуы нәтижесінде шығады. Бұл артық энергия альфа бөлшекпен туынды ядроның тыныштық энергиясы және альфа бөлшектің энергиясына қосындысынан артық болуы нәтижесінде шығады. Бұл артық энергия -бөлшек пен туынды ядроның араларында; олардың массаларына кері пропорционал болатын жағдайда таралады. Радиоактивті зат шығараған -бөлшектің энергиясы (жылдамдығы) дәлме-дәл анықталатын болады. Көпшілік жағдайда радиоактивті зат энергиялары түрліше болатын бірнеше, бір-біріне жақын -бөлшектер тобын шығарады. Демек, бұдан туынды ядро қалыпты жағдайда ғана пайда болмайды. Ол қозған күйдеде пайда болады деп саналады. Сурет 1.10-да ядроның ыдырауы кезінде шығарылатын -бөлшектердің ( -спектрдің жіңішке құрылымының пайда болуы) әр түрлі топтарының пайда болуын түсіндіретін схема келтірілген. Схеманың сол жағында туынды ядро -дің (талий-208) энергиялық деңгейі көрсетілген. Энергияның негізгі күйі үшін нөл алынған. Аналық ядроның тыныштық энергиясының қалыпты жағдайдағы -бөлшек пен туынды ядроның тыныштық энергияларынан артықшылығы 6,203 МэВ-ті құрайды. Егер туынды ядро қозбаған күйде пайда болса, онда барлық бөлінетін энергия кинетикалық болады, демек, -бөлшектің үлесіне төменде келтірілген

МэВ

Энергия тиеді (бұл схемада ₀ арқылы белгіленген).

Сурет 1.10. Ядроның ыдырауы кезінде шығарылатын -бөлшектердің әр түрлі топтарының пайда болуын түсіндіретін схема.

Бетта-ыдырау. Бетта-ыдыраудың үш түрі белгілі. Оның бір түрленуге ұшыраған ядро, электрон ұшып шығарса, екінші жағдайда позитронды ұшырады, үшіншісінде электрондық қармалау деп аталатын жағдайында, ядро К қабықшасының бір электронын жұтады, сол сияқты L және M қабықшаларындағы электрондарды жұтады, бірақ ол сирек болады ( -қармалаудың орнына мұнда К-қармалау, L-қармалау немесе М-қармалау дейді).

Ыдыраудың бірінші түрі ( -ыдырау немесе электрондық ыдырау) мына схема түрінде жүреді

(1.42)

(1.42) формуладан аналық ядроға қарағанда, туынды ядроның атомдық нөмірі бірге артық та, екеуінің де массалық сандары бірдей. Электроннан басқа мұнда антинейтрино да ұшып шыққан.

Бета ыдырау -сәулелерін шығара да алады. Мұның шығу механизмі де -ыдырау кезіндегі сияқты, яғни туынды ядро қалыпты жағдайда ғана пайда болып қоймайды, ол қозған күйде де пайда болады. Одан әрі төменгі энергиялық күйге өткенде, ядро -фотондарды ұшырып шығарады.

Торийдің немесе түрленуі электрон мен антинейтриноның ұшып шығуы, осы -ыдыраудың мысалы бола алады.

(1.43)

Сурет 1.12. Ядроның ыдырау кезінде шығарған электрондарының энергиялық спектрі кезіндегі схемасы.

Нейтриноның бар екендігі тек 1956 ж. Тәжірибе жүзінде дәлелденді. Ыдыраудың екінші түрі ( -ыдырау немесе позитрондық ыдырау)төмендегідей схемамен жүреді

(1.44)

Мысал ретінде азоттың көміртегіге түрленуін қарастырайық

(1.45)

(1.43) схемада туынды ядроның атомдық нөмірі аналық ядронікінен бірге кем. Демек, (1.44) өрнек ыдырауы кезінде ұшып шығатын екі бөлшекте, (1.42) өрнегіндегі шығарылатын бөлшектерге қарсы антибөлшектер болады. Осы -ыдырау процесі кезінде бастапқы ядродағы протондардың бірі нейтронға айналған секілді болып көрінеді.

(1.46)

Бета ыдыраудың үшінші түрінде ядро өз атомының бір К-электронын жұтып қояды. Соның нәтижесінде протонның бірі нейтрино шығарып, нейтронға айналады

(1.47)

Пайда болған ядро қозған күйде болуы мүмкін. Одан әрі ол төменгі энергиялық күйге көшіп, -фотондарды шығарады

(1.48)

Ал γ-сәуле шығару радиоактивтiлiктiң дербес түрi болып табылмайды. Әдетте γ-сәуле шығару альфа және бета-ыдыраумен қатар жүредi.Бұл ыдыраулардың нәтижесiнде алынған еншiлес ядро әдетте қозған күйде болады. Ал ол қозған күйден негiзгi күйiне өткен кезде қозған күйден негiзгi күйге өткен атом тәрiздi өзiнен γ-сәуле шығарады. Бiрақ бұл γ-кванттардың энергиясы атом шығаратын γ-кванттардың энергиясынан әлде қайда үлкен болады.

Радиоактивтi сәулелер өздерi түскен затқа, әсiресе тiрi тканьга өте күштi әсер етедi. Радиоактивтi сәулелердiң организмге әсерi оларда бос химиялық радикалдардың пайда болуымен және клеткадағы мутациямен байланысты. Ал бұл өте қатерлi. Ол сәуле ауруына немесе қатерлi iсiкке алып келуi мүмкiн. Иондаушы сәулелердiң әсерi сәулелену дозасы деп аталатын ерекше шамамен бағаланады. Сәулелену дозасы D деп сәулелену энергиясының сәулеленген дененiң массасына қатынасын айтады. Доза бiрлiгi ретiнде грей деп аталатын шама алынады. Грей деп массасы 1 кг денеге 1 Дж энергия түскен кезде, шамасы сол затқа жұтылған энергияға тең болатын шаманы айтады. Жұтылған сәуле дозасының сәулелену уақытына қатынасын сәулелену дозасының қуаты деп атайды. Иондаушы сәулелердiң кез-келген затқа әсерi бәрiнен бұрын атомдар мен молекулалардың иондалуымен анықталады. Сондықтан иондаушы сәулеленiң сандық өлшемi ретiнде экспозициялану дозасы деп аталатын шаманы алады. Ол иондаушы сәуленiң ауаға әсерiмен анықталады, яғни экспозициялану дозасы деп ауаны фотондармен сәулелендiру кезiнде құрғақ ауада туындылатын бiртектi зарядтардың сол ауа массасына қатынасын айтады.

(1.49)

Радиоактивтiлiк ыдырау заңы. Ығысу ережесi. Радиоактивтi ыдырау заңы деп радиоактивтi ядролардың санының уақыт бойынша өзгеру заңдылығын айтады. Бұл заңды оңай анықтауға болады. Шындығында, егер қандай да бiр уақыт мезетiнде радиоактивтi ядролардың саны N болса онда dt уақыт аралығында ыдырайтын ядролардың саны dN мынаған тең болады

(1.50)

мұндағы минус таңбасы dN-дi ыдырамаған ядролардың өсiмшесi ретiнде қарастырумен байланысты. Ал λ, радиоактивтi ядроның бiрлiк уақыт аралығында ыдырау ықтималдылығы. Оны әдетте ыдырау тұрақтысы деп атайды. Бұл өрнектi интегралдай отырып

(1.51)

аламыз. Бастапқы t=0 уақыт мезетiндегi ыдырамаған радиоактивтi ядролардың санын N0 деп белгiлей отырып, const=lnN0 екенiн аламыз.

(1.52)

Мiне, осы өрнек радиоактивтi ыдырау заңы болып табылады. Бастапқы радиоактивтi ядролардың жартысы ыдырайтын уақытты жартылайыдырау периоды деп атап, Т1/2 әрiпiмен белгiлейдi. Бүгiнгi күнге дейiнгi белгiлi радиоактивтi ядролардың жартылайыдырау периоды ^-7 с-тан ¹⁵ жылға дейiнгi аралықтағы мәнге ие. Радиоактивтi заттың активтiлiгi деп бiрлiк уақыт аралығында болатын ыдыраудың санын айтады, яғни Бұл жерден активтiлiктiң радиоактитi ядролардың санына пропорционал, ал жартылайыдраудың периодына керi пропорционал екенi көрiнiп тұр.