Характеристика деяких природних радіонуклідів

Радіоактивність

Незважаючи на малі розміри, ядра атомів є подільними. Стійкість ядер характеризується співвідношенням:

Z²/А

де Z— заряд ядра атома, А — його масове число.

Якщо Z²/A більше ніж 33, то ядро нестійке, радіоактивне.

Самоплинне перетворення нестійких ядер атомів одного хімічного елемента в ядра атомів одного або декількох інших елементів, яке супроводжується випусканням елементарних частинок та випромінюванням енергії, називають радіоактивністю.

Хімічні елементи, усі ізотопи яких радіоактивні, називають радіоактивними елементами. Розрізняють природну та штучну радіоактивність. Радіоактивність, яку виявляють ізотопи елементів, що існують у природі, називають природною радіоактивністю. Внаслідок природної радіоактивності ядра атомів одного елемента без будь-якого зовнішнього впливу перетворюються на ядра атомів іншого або інших елементів. Елементи з порядковими номерами Z= 84 - 92, тобто елементи, які розміщені в періодичній системі після вісмуту, не мають жодного стабільного ізотопа. Усі ці елементи — радіоактивні. У інших елементів радіоактивність властива лише для деяких ізотопів. Радіоактивні ізотопи розпадаються, перетворюючись на нові елементи, доки не утвориться атом елемента із стабільними ізотопами. Радіоактивність, яку проявляють ізотопи елементів, одержаних у лабораторії внаслідок ядерних реакцій, називають штучною. Явище штучної радіоактивності відкрили у 1934 році Ф. Жоліо-Кюрі та І. Жоліо-Кюрі, коли збуджували ядра стійких атомів ос-частинками з великою енергією. При цьому ядро атома переходило у нестійкий радіоактивний ізотоп іншого елемента, який розпадався. Елементи з порядковими номерами Z = 43 (технецій), Z = 85 (астат) і Z= 93 — 110 (трансуранові елементи) одержують штучно внаслідок ядерних реакцій. Ці елементи мають лише радіоактивні ізотопи.

У наш час внаслідок здійснення відповідних ядерних реакцій, радіоактивні ізотопи можна одержати для будь-якого елемента періодичної системи.

Стійкість радіоактивного ізотопу характеризують періодом напіврозпаду, тобто проміжком часу, протягом якого розпадається половина початкової кількості даного радіоактивного ізотопу. Період напіврозпаду позначають Т_1/2, інколи Т_0,5 або T_1/2.

Величина періоду напіврозпаду радіонуклідів — нестійких радіоактивних ізотопів — змінюється для більшості ізотопів від 30 секунд до 10 днів.

Радіонуклід	Період напіврозпаду, Т1/2, рік	Походження
назва	символ
Тритій Вуглець-14	^31Н ^146С	12,3	Бомбардування космічними променями атмосферного азоту ^147N
Стронцій-90 Цезій-137 Радій-226	^9038Sr ^13755Cs ^22688Ra		Випадіння осадів після вибуху атомних і водневих бомб, після катастроф на атомних станціях
Торій-230 Уран-238	^23090^Th ^23892U	4,5∙10^9	Урановмісні мінерали

Радіоактивний розпад відносять до реакцій першого порядку. До основних видів радіоактивного розпаду належить α-розпад, β^--розпад, β⁺-розпад, електронний захват і спонтанний поділ ядер.

α-випромінювання - потік ядер гелію, які рухаються з великою швидкістю.

β^--Випромінювання — потік електронів, які рухаються із швидкістю світла.

β⁺-Випромінювання являє собою потік позитронів — частинок, аналогічних електронам. На відміну від електронів, позитрони мають позитивний заряд.

γ-Випромінювання — електромагнітні хвилі з великою проникною здатністю та високою енергією. γ-Промені часто виділяються при ядерних реакціях α- та β-розпаду і в процесі електронного захвату внаслідок переходу ядер атомів із збудженого в основний стан. При перетворенні ядер атомів частина енергії виділяється у вигляді нейтрино n та антинейтрино ~ v. Це елементарні частинки, які не мають заряду і маси спокою. Вони відрізняються напрямком спіна.

Таким чином, внаслідок радіоактивного розпаду виділяється ядро атома гелію, електрон або позитрон. Електрон і позитрон не входять до складу ядра, але вони утворюються на межі ядра за рахунок перебудови основних частинок — протонів і нейтронів:

¹₁p↔¹₀n + β⁺, ¹₀n ↔ ¹₁р + β^-.

На практиці процеси відбуваються складніше і при перетворенні нуклонів ще виділяється енергія у вигляді нейтрино або антинейтрино.

В основі ядерних реакцій, як і в основі хімічних процесів, лежить закон збереження маси речовини та її енергії. Тому в рівняннях ядерних реакцій сумарні масові числа та сумарні атомні номери вихідних реагентів і продуктів реакції повинні бути однакові.

Для написання ядерних реакцій використовують такі позначення елементарних частинок:

назва частинки	ядро гелію	протон	нейтрон	електрон	позитрон	ядро дейтерію	гама-промені
символ частинки	α, ^42Не	^11р,^11Н	n, ^10n	ē,^0-1 e,β^-	^0+1e, β	^21H, D	γ

При α-розпаді ядро атома вихідного елемента виділяє α-частинку (ядро гелію ⁴₂Не), і утворює ізотоп елемента з зарядом ядра меншим на 2 одиниці. Масове число атома при цьому зменшується на 4 одиниці. Наприклад:

²²⁶₈₈Ra →²²²₈₆Rn + ⁴₂Не.

Отже, внаслідок α-розпаду утворюється елемент, розміщений у періодичній системі на дві групи ліворуч відносно вихідного елемента.

Часто відбувається β^--розпад ядер, внаслідок якого ядро атома виділяє електрон. При β^--розпаді заряд ядра атома збільшується на одиницю, а маса атома не змінюється. Тобто атомний номер елемента, що утворився, стає на одиницю більший, ніж атомний номер вихідного елемента. Цей елемент розміщується у наступній групі періодичної системи:

²³⁴₉₀Th →²³⁴₉₁Pa + ⁰_-1e.

Для ядер, які містять більше число протонів, ніж нейтронів, характерний позитронний розпад. Внаслідок позитронного розпаду виділяється β⁺-частинка (позитрон). При цьому протон перетворюється на нейтрон ¹₁p→¹₀n + β⁺, тому заряд ядра атома зменшується на одиницю, а масове число не змінюється. При позитронному розпаді із вихідного елемента утворюється елемент, атомний номер якого зменшується на одиницю. Тобто вихідний елемент перетворюється на елемент, розміщений у періодичній системі на одну групу ліворуч. Наприклад:

³⁹₁₉К→³⁹₁₈Аr +⁰₊₁e або ¹¹₆С→¹¹₅В +⁰₊₁e

Зменшення заряду ядра на одиницю може бути викликано не лише β⁺-розпадом, а й електронним захватом, внаслідок якого електрон найближчого до ядра електронного шару поглинається ядром. Електрон, який взаємодіє з протоном ядра, утворює нейтрон:

¹₁р + ⁰_-1e → ¹₀n

⁵¹₂₄Cr + ⁰_-1e → ⁵¹₂₃V.

Оскільки електрон, який поглинається ядром, майже завжди належить до К-електронного шару, то такий ядерний процес називають К- захватом.

Для ядер важких радіоактивних елементів характерний також процес їх самочинного поділу на два або більше ядер. Цей процес називають спонтанним ядерним поділом. Розщеплення ядер супроводжується виділенням нейтронів. Вперше явище спонтанного поділу ядер було виявлено для ²³⁸U. Воно характерне для усіх трансуранових елементів. Процес самоплинного розщеплення ядер може ініціюватися нейтронами.

Ізотопи ²³²Th, ²³⁸U і ²³⁵U є родоначальниками природних радіоактивних рядів елементів, утворених внаслідок спонтанного розщеплення ядер. Багатостадійне самочинне ядерне перетворення елементів у цих рядах закінчується утворенням стійких ізотопів свинцю.

Ряд урану починається ²³⁸₉₂U і закінчується утворенням ²⁰⁶₈₂Рb

Ряд актинію починається ²³⁵₉₂U і закінчується утворенням ²⁰⁷₈₂Рb

Ряд торію починається ²³⁰₉₀Th і закінчується утворенням ²⁰⁸₈₂Рb

Наводимо ряд перетворень урану-238:

Дата добавления: 2015-05-24