Рейтинг: 5/5
Число зруйнованих в заданий проміжок часу ядер в зразку радіоактивного матеріалу пропорційно загальної кількості ядер відповідного радіоактивного елемента в цьому зразку.
Більшість атомних ядер нестабільно. Рано чи пізно вони мимовільно (або, як кажуть фізики, спонтанно) розпадаються на більш дрібні ядра і елементарні частинки, які прийнято називати продуктами розпаду або дочірніми елементами. Розпадаються частинки прийнято називати вихідними матеріалами або батьками. У всіх нас добре знайомих хімічних речовин (залізо, кисень, кальцій і т. П.) Є хоча б один стабільний ізотоп. (Ізотопами називаються різновиди хімічного елемента з одним і тим же числом протонів в ядрі - це число протонів відповідає порядковому номеру елемента, - але різним числом нейтронів.) Той факт, що ці речовини нам добре відомі, свідчить про їх стабільності - значить, вони живуть досить довго, щоб в значних кількостях накопичуватися в природних умовах, що не розпадаючись на складові. Але у кожного з природних елементів є й нестабільні ізотопи - їх ядра можна отримати в процесі ядерних реакцій, але довго вони не живуть, оскільки швидко розпадаються.
Розпад ядер радіоактивних елементів або ізотопів може відбуватися трьома основними шляхами, і відповідні реакції ядерного розпаду названі трьома першими літерами грецького алфавіту. При альфа-розпаді виділяється атом гелію, що складається з двох протонів і двох нейтронів, - його прийнято називати альфа-частинкою. Оскільки альфа-розпад тягне за собою зниження числа позитивно заряджених протонів в атомі на два, ядро, випустивши альфа-частинку, перетворюється в ядро елемента, що відстоїть на дві позиції нижче від неї в періодичній системі Менделєєва. При бета-розпаді ядро випускає електрон, а елемент просувається на одну позицію вперед по періодичній таблиці (при цьому, по суті, нейтрон перетворюється в протон з випромінюванням цього самого електрона). Нарешті, гамма-розпад - це розпад ядер з випромінюванням фотонів високих енергій, які прийнято називати гамма-променями. При цьому ядро втрачає енергію, але хімічний елемент не видозмінюється.
Однак сам по собі факт нестабільності того чи іншого ізотопу хімічного елемента аж ніяк не означає, що, зібравши воєдино деяке число ядер цього ізотопу, ви отримаєте картину їх одномоментного розпаду. В реальності розпад ядра радіоактивного елемента чимось нагадує процес смаження кукурудзи при виготовленні поп-корну: зерна (нуклони) відпадають від «качана» (ядра) по одному, в абсолютно непередбачуваному порядку, поки не відваляться все. Закон, що описує реакцію радіоактивного розпаду, власне, тільки констатує цей факт: за фіксований відрізок часу радіоактивне ядро випускає число нуклонів, пропорційне числу нуклонів, що залишаються в його складі. Тобто чим більше зерен-нуклонів все ще залишається в «недожаренного» качані-ядрі, тим більше їх виділиться за фіксований інтервал часу «смаження». При перекладі цієї метафори на мову математичних формул ми отримаємо рівняння, що описує радіоактивний розпад:
де dN - число нуклонів, що випускаються ядром із загальним числом нуклонів N за час dt. λ - експериментально визначається константа радіоактивності досліджуваної речовини. Вищенаведена емпірична формула являє собою лінійне диференціальне рівняння, рішенням якого є наступна функція, яка описувала число нуклонів, що залишаються в складі ядра на момент часу t:
де N0 - число нуклонів в ядрі на початковий момент спостереження.
Константа радіоактивності, таким чином, визначає, наскільки швидко розпадається ядро. Однак фізики-експериментатори зазвичай вимірюють не її, а так зване час напіврозпаду ядра (тобто термін за який досліджуване ядро випускає половину містяться в ньому нуклонів). У різних ізотопів різних радіоактивних речовин час напіврозпаду варіюється (в повній відповідності з теоретичними передбаченнями) від мільярдних часток секунди до мільярдів років. Тобто деякі ядра живуть практично вічно, а деякі розпадаються буквально моментально (тут важливо пам'ятати, що після закінчення часу напіврозпаду залишається половина сукупної маси вихідної речовини, після закінчення двох термінів напіврозпаду - чверть його маси, після закінчення трьох термінів напіврозпаду - одна восьма і т . д.).
Що стосується виникнення радіоактивних елементів, то народжуються вони по-різному. Зокрема, іоносфера (верхній розріджений шар атмосфери) Землі піддається постійній бомбардуванню космічними променями, що складаються з частинок з високими енергіями (див. Елементарні частинки). Під їх впливом довгоживучі атоми і розщеплюються на нестійкі ізотопи: зокрема, з стабільного азоту-14 в земній атмосфері постійно утворюється нестійкий ізотоп вуглецю-14 з 6 протонами і 8 нейтронами в ядрі (див. Радіометричне датування).
Але вищеописаний випадок - скоріше екзотика. Набагато частіше радіоактивні елементи утворюються в ланцюзі реакцій ядерного ділення. Так називають низку подій, в ході яких вихідне ( «материнське») ядро розпадається на два «дочірніх» (також радіоактивних), ті, в свою чергу, - на чотири ядра-«внучки» і т. Д. Процес триває до тих пір , поки не будуть отримані стабільні ізотопи. Як приклад візьмемо ізотоп урану-238 (92 протона + 146 нейтронів) з часом напіврозпаду близько 4,5 млрд років. Цей період, до речі, приблизно рівний віку нашої планети, що означає, що приблизно половина урану-238 зі складу первинної матерії формування Землі як і раніше знаходиться в сукупності елементів земної природи. Уран-238 перетворюється в торій-234 (90 протонів + 144 нейтрона), час напіврозпаду якого дорівнює 24 діб. Торій-234 перетворюється в паладій-234 (91 протон + 143 нейтрона) з часом напіврозпаду 6 годин - і т. Д. Після десяти з гаком етапів розпаду виходить, нарешті, стабільний ізотоп свинцю-206.
Про радіоактивному розпаді можна говорити багато, але особливо відзначити потрібно кілька моментів. По-перше, навіть якщо ми візьмемо в якості вихідного матеріалу чистий зразок якогось одного радіоактивного ізотопу, він буде розпадатися на різні складові, і незабаром ми неминуче отримаємо цілий «букет» різних радіоактивних речовин з різними ядерними масами. По-друге, природні ланцюжка реакцій атомного розпаду заспокоюють нас в тому сенсі, що радіоактивність - явище природне, існувала вона задовго до людини, і не потрібно брати гріх на душу і звинувачувати одну тільки людську цивілізацію в тому, що на Землі є радіаційний фон. Уран-238 існував на Землі з самого її зародження, розпадався, розпадається - і буде розпадатися, а атомні електростанції прискорюють цей процес, фактично, на частки відсотка; так що ніякого особливо згубного впливу додатково до того, що передбачено природою, вони на нас з вами не роблять.
Нарешті, неминучість радіоактивного атомного розпаду пов'язана як з потенційними проблемами, так і з потенційними можливостями для людства. Зокрема, в ланцюзі реакцій розпаду ядер урану-238 утворюється радон-222 - благородний газ без кольору, запаху і смаку, який не вступає ні в які хімічні реакції, оскільки він не здатний утворювати хімічні зв'язки. Це інертний газ. і він буквально сочиться з надр нашої планети. Зазвичай він не робить на нас ніякої дії - просто розчиняється в повітрі і залишається там в незначній концентрації, поки не розпадеться на ще більш легкі елементи. Однак якщо цей нешкідливий радон буде довго перебувати в задушливому приміщенні, то з часом там почнуть накопичуватися продукти його розпаду - а вони для здоров'я людини шкідливі (при вдиханні). Ось так ми отримуємо так звану «радонову проблему».
З іншого боку, радіоактивні властивості хімічних елементів приносять людям і значну користь, якщо підійти до них з розумом. Радіоактивний фосфор, зокрема, тепер вводиться у вигляді ін'єкцій для отримання радиографической картини кісткових переломів. Ступінь його радіоактивності мінімальна і не завдає шкоди здоров'ю пацієнта. Поступаючи в кісткові тканини організму разом зі звичайним фосфором, він випромінює достатньо пострілів, щоб зафіксувати їх на світлочутливої апаратури і отримати знімки зламаної кістки буквально зсередини. Хірурги, відповідно, отримують можливість оперувати складний перелом НЕ наосліп і навмання, а заздалегідь вивчивши структуру перелому за такими знімками. Взагалі ж, застосуванням радіографії в науці, техніці та медицині несть числа. І всі вони працюють за одним принципом: хімічні властивості атома (по суті, властивості зовнішньої електронної оболонки) дозволяють віднести речовину до певної хімічної групи; потім, використовуючи хімічні властивості цієї речовини, атом доставляється «в потрібне місце», після чого, використовуючи властивість ядер цього елемента до розпаду в суворій відповідності з встановленим законами фізики «графіком», реєструються продукти розпаду.