Радиоактивтілік.Радиоактивті сәулелену және оның түрлері

1896 жылы француз физигі Анри Беккерель уран тұздарының көзге көрінбейтін сәуле шығаратынын байқаған. Ол сәулелердің ренгтген сәулелері тәрізді, мөлдір емес заттардан өтіп кететіні анықталған. Онан кейін Мария Складовская мен Пьер Кюри мұндай сәулелерді торий, полоний, және радий элементтерінің де шығаратынын анықтады. Осындай сәуле шығаратын заттарды радиоактивті заттар деп атады.

Кейбір элементтер ядросының өз бетінше сәуле шығарып, содан кейін жаңа элемент ядросының пайда болу қасиеті радиоактивтік деп аталады.

Радиоактивті заттар алғашқыда табиғатта байқалған-ды. Сондықтан табиғатта өз бетінше болып жататын радиоактивтікті табиғи радиоактивтік деп атайды. Радиоактивті заттардың шығаратын сәулелерін зерттеу мақсатында төмендегі тәжірибенің принципін қарастырайық. Радиоактивті затты бір қораптың ішіне орналастырып, оны магнит өрісіне қояды. Сонда қораптан шыққан сәулелердің үшке жіктелетіні байқалған. Олардың бір тобы магнит өрісінде ауытқымай, тіке таралған. Бұл сәулелердің заряды жоқ деген сөз. Бұл сәулелерді гамма- сәулелер деп атаған. Магниттің сол полюсіне қарай бағытталған сәулелер оң зарядталған деп есептеледі. Ол альфа-сәулелер. Ал теріс зарядты сәулелерді бета-сәулелер деп атайды.

Альфа сәулелер гелий атомы ядроларының ағыны болып есептеледі. Оның массасы 4-ке, заряды +2е-ге тең. Энергиясы 2÷5 МэВ. Альфа-сәулелер ядродан 14000-20000 км/с жылдамдықпен ұшып шығады. Затқа келіп соқтығысқан альфа-бөлшектер оның молекулаларымен немесе атомдарымен әсерлеседі де, оларды иондайды немесе қозған күйге келтіреді.

Бета-бөлшектердің массасы альфа-бөлшектердің массасынан 7350 есе жеңіл. Сондықтан бета сәулелер магнит немесе электр өрісінде альфа-сәулелерге қарағанда күштірек ауытқиды. Бұл сәулелердің жылдамдығы 160000 км/с- шамасында болады. Бета-бөлшектер альфа-бөлшектерге қарағанда заттарды аз иондайды.

Гамма-сәулелер деп фотондар ағынын айтады. Оның жиілігі 10²⁰ Гц. Гамма- сәулелер жарық жылдамдығына тең жылдамдықпен таралады.

Содди және Фаянс заңдары:

Альфа-, бета- және гамма-сәулелерін атом ядролары шығарады. Радиоактивті элемент ядросынан осы сәулелер шығып кеткеннен кейін жаңа ядро, яғни басқа элемент пайда болады. Қандай элемент пайда болатыны бастапқы элемент ядросынан қандай сәуленің шығатынына байланысты.

Альфа-ыдырау кезінде ыдырайтын ядро альфа-бөлшектерді шығарады да жаңа элемент ядросын түзеді. Зарядтар мен массалардың сақталу заңын ескеретін болсақ, бұл ереже былайша жазылады:

(1.1)

Мұндағы -ыдыраған (бастапқы) элементтің ядросы, - пайда болған элементтің ядросы. Ережеден байқап отырғанымыздай жаңадан пайда болған элемент бастапқы элементке қарағанда Менделеевтің периодтық системасында екі орын солға ығысқан, ал атомдық салмағы бастапқы элементтің атомдық салмағынан 4-ке кем. Мысалы: мұндағы - радий элементі, - радон элементі.

Бета-ыдырау кезінде бастапқы (ыдыратылатын) элемент ядросынан бета-бөлшектерұшып шығады да, жаңа элемент пайда болады. Бұл былайша өрнектеледі:

(1.2)

Мысалы:

пайда болған элемент бастапқы элементке Қарағанда Менделеевтің периодтық системасында бір орын оңға ығысқан. Атомдық салмағы өзгеріссіз қалады. (1) және (2) формулалармен анықталатын ережені ығысу ережесі немесе Содди және Фаянс заңдары деп атайды.

Радиоактивті ыдырау заңы. Радиоактивті ыдырау нәтижесінде радиоактивті элементтің атом саны азая береді. Радиоактивті элемент атомының саны екі есе азаюға кеткен уақытты жартылай ыдырай периоды (Т_1/2) деп атайды. Мысалы, полоний элементінің жартылай ыдырау периоды 140 күнге тең. 1г. Полонийдің 140 күн өткеннен кейін 0,5 грамы қалады. Ал уранның периоды Т_1/2=4,5*10⁹ жыл.

dt уақыт ішінде ыдырайтын атомдар саны dN радиоактивті элементтің атомдар санына (N) және уақытқа тура пропорционал болады, яғни осыдан dN~N, dN~ dt,

(1.3)

мұндағы λ -берілген элементтің ыдырау тұрақтысы. Минус белгісі уақыт өткен сайын радиоактивті элемент атомының азая беретінін көрсетеді. Соңғы формуладан табатынымыз:

(1.4)

Егер осы теңдеуді 0-ден t-ға дейінгі аралықта интегралдасақ,

Бұдан . Одан exp алсақ: (1.5)

шығады, мұндағы N₀ - бастапқы кездегі элементтің атом саны, N - t уақыт өткеннен кейінгі қалған атом саны, бұл қатыс радиоактивті ыдыраузаңы деп аталады. Радиоактивті элементте бір секунд ішінде атомдардың ыдырау санын осы элементтің активтігі деп атайды, яғни

(1.6)

Активтіктің бірлігіне беккерель (Бк) алынады.

Ядролық реакциялар. Радиоактивтік құбылыс негізінде элементтер ядроларын түрлендіруге мүмкін болды. Энергиясы үлкен,мысалы альфа-бөлшектермен атом ядроларын атқылау арқылы жасанды жолмен бір элемент ядросын екінші элемент ядросына түрлендіруге болады. Осы құбылысты ядролық реакциялар деп атайды. Ядролық реакцияны алғаш рет 1919 жылы Э. Резерфорд жүзеге асырды. Ол азот атомының ядросын α- бөлшектермен атқылау нәтижесінде оттегі изотопы мен протон алды:

немесе

Осы сияқты

Бұл реакцияларды қысқаша былай жазуға болады:

,

Жасанды ядролық реакцияларды зерттеудің нәтижесінеде жаңа элементар бөлшек –нейтрон ашылды. Бериллийді альфа-бөлшектермен атқылағанда бериллий ядросы альфа-бөлшекті жұтып, өзінен нейтрон (n) бөліп шығарады да көміртегі ядросына айналады:

Нейтрон радиоактивті. Оның жартылай ыдырау периоды Т= 11,7 мин. Зарядсыз болғандықтан нейтрон көбінесе атом ядроларын атқылайтын снаряд ретінде пайдаланылады. Нейтрон протонға өз бетімен мына схема бойынша айналады:

мұндағы, - протон, -электрон, -антинейтрино.

Ал протон нейтронға былайша айналады:

Мұндағы - позитрон, ν-нейтрино.

Термоядролық реакция.Осыған дейін қарастырғанымен ауыр ядролардың бөлуінуі нәтижесінде жүретін ядролық реакциялар еді. Бұл кезде көп энергия бөлініп шығады. Ал енді жеңіл ядроларды бірімен бірін біріктіретін болсақ, онда өте көп ядролық энергия алуға болады екен. Бұл реакцияны термоядролық реакция немесе синтез реакциясы деп атайды. Ол былайша жүреді:

Бұл кезде бөлініп шыққан энергия ядросында жүретін реакция кезінде бөлініп шығатын энергиядан сегіз есе көп болады.