Радиоактивті қатарлар

Радиоактивтік түрленудің элементар заңдылығы изоляцияланған (тұйықталған), радиоактивті изотоптың ыдырауына бағынады. Шын мәнінде радиоактивті түрлену тізбектеліп кетеді яғни бір элементтің атом ядросының ыдырау нәтижесінде екінші бір элемент ядросы түзіледі, ол ядродан түрлену нәтижесінде тағы басқа элемент ядросының изотопы түзіледі. Осылайша әулеттік тізбек құрылады. Бастапқы элемент ядросы аналық ядро деп аталады. Мысалы, радиактивті заттың аналық ядросы (А) ыдырау нәтижесінде В—затының ядросына айналады, ал ол С−затының ядросына, айналады т.б.

А→В→С→Д (5.10.1)

тізбек түзіледі.

Осылайша радиоактивті әулет немесе тізбек құрайды. Олардың барлығы да радиоактивті изотоп болып табылады.

1920 жылға дейін 40-қа жуық табиғи радиоактивті изотоп үш әулет құрайтындығы, олардың бастапқы аналығы _{92 90}Th²³²және ₈₉ − актиний екендігі дәлелденген болатын.

1935-1947 жж. аралығында төртінші радиоактивті әулет (тізбек) изотопы нептуний

(₉₃ ) анықталды. Бұл тізбектер негізінен атом ядросынан мен - бөлшектерінің бөлінуі нәтижесінде орындалады.

Радиактивтi әулетінің құрылу сұлбасын қарастырайық.

Табиғи-радиоактивті элементтердiң әулеті 5.3, 5.4, және 5.5-суреттер арқылы көрсетiлген.

Жоғарғы сандар Менделеевтiң аралық жүйесiндегi реттiк нөмірін (немесе ядро iшiндегi протон санын); сол жағындағы сандар, массалық санды көрсетедi; көлбеу стрелкалар a-түрленуде, ал горизантальды b-ыдырауды бiлдiредi. Осы суреттегi химиялық элементтердiң атомды тарихи радиоактивті сәулеленудi зерттеу нәтижесінен алынған (мысалы, RaA, RaC, UX₁ және т.б.). Шын атауын Менделеевтің аралық жүйесіндегі элементтiң (Z) ретi арқылы анықтай аламыз. Мысалы, AcK реттiк нөмірi 87, онда бұл франций (Fr) изотопы болады.

5.3-сурет

5.4-сурет.

Зат a-бөлшегiн шығарғанда ядро (элемент) 4 массалық бiрлiкке және 2 зарядтық бiрлiкке, элементтiң аралықжүйесінің бас жағына қарай яғни бастапқы заттың өзiне дейiнгi екiншi элемент ядросына ығысатынын, ал b-бөлшегiн шығарғанда заряды Менделеевтiң аралықжүйесінің соңына қарай бiр бiрлiкке жылжитындығын суреттен көруге болады. 5.3-суретте уранның (U²³⁸) радиоактивті әулеті, ал 5.4-суретте актиний әулеті (дәл айтқанда актиноуран U²³⁵) және 5.5-суретте торий (Th²³²) әулеті көрсетiлген.

5.5-сурет

Бастапқы аналық ядро a және b түрлену кезiнде, жартылай ыдырау периодты түрлiше болып келген аралық радиоактивті элементтер пайда болады. Осы барлық әулеттегі түрленудің соңғы нәтижесiнде қорғасын изотопы, яғни қорғасынның орнықты изотоптары: Pb²⁰⁶, Pb²⁰⁷ және Pb²⁰⁸ алынады.

Жасанды радиоактивті әулетте түрлену орындалса, онда кейбiр жағдайда тұрақты қорғасын изотоптарын Pb²⁰²; Pb²⁰³ аламыз. Қорғасынның орнықты Pb²⁰⁴ изотопы бар. Сонымен қатар қорғасынның радиоактивті изотоптары да болады.

Жер қыртысындағы қорғасын изотоптарын зерттеу нәтижелері уран, торий және басқа элементтердiң тау жыныстарында кездесетіндігін анықтау мүмкiндiктерін тудырады.

Радиоактивті ыдырау негiзiнен кванттық механика принциптерi бойынша түсiндiрiледi. Ядроның электрлiк потенциялының орналасуын анықтағанда, ядроның iшкi бөлшектерiнiң айналасындағы потенциалды тосқауыл (барьер), кескiн түрiнде көрсетiледi. Ядроға жақын орналасқан потенциал (немесе бiрлiк оң электр зарядының потенциал энергиясы) 5.6-суретте көрсетiлген.

5.6-сурет

Суретте атом ядросының радиус шамасына дәл келетiн r_e-қашықтықта, потенциал тосқауыл биiктiгiнiң (W₀), максималь мәнiне сәйкес келетiн потенциалдық энергия кулондық заңдылық бойынша өзгере алатындығын көре аламыз. Ал қашықтықтың кiшi мәнiнде (ядро радиусынан) потенциал шұғыл тез нөлден төмен түседi.Сондықтанда ядро iшiндегi бөлшектер потенциал тосқауыл мен қоршалған сияқты болады. Классикалық (Ньютондық) механика заңдылығына сүйенсек, онда потенциал тосқауыл энергиясы (W₀) бөлшек энергиясының (W_a) ендiгiнен кiшi болғандықтан, ол тосқауыл шегiнен өте алмайды.

Бiрақ кванттық механика тұрғысынан қарастырғанда потенциал тосқауыл маңындағы бөлшек қозғалысы басқа заңдылық бойынша түсiндiрiледi. Кванттық механика бойынша кезкелген бөлшек қозғалысы толқындардың таралуына сәйкес келедi. Толқын потенциал тосқауыл арқылы өткенде кейбiр соңғы ықтималдығы (қалыңдығы-Д кiшi болған сайын және тосқауыл биiктiгi W₀ биiк болған сайын), үлкен болады, былайша айтқанда атом ядросының төңiрегiндегi бөлшектер потенциал тосқауыл арқылы өту ықтималдығын бередi. Егер a-бөлшегi атом ядросы энергиясына (W_a)ие болса, онда ол биiктiгi (W_a)болып келген потенциал тосқауыл арқылы өтедi, ол кездегi қалыңдығы-Д болады. Потенциал тосқауыл арқылы өткен a-бөлшегi W_a кинетикалық энергияға ие болады.

Тәжiрибе бойынша берiлген ядродағы барлық a-бөлшектерi бiрдей кинетикалық энергияға ие болады (зат iшiндегi жол ұзындығы бiрдей). Бұл арқылы берiлген атом ядросының, берiлген деңгейiнен, бөлшектердiң ұшып шығуын түсiндiре аламыз (қатаң, нақты). Осындай бiр деңгейден екiншi деңгейге атом ядросы ауысқандаa-бөлшегi бөлінеді, әрi сонымен бiрге g-фотондар шығады, яғни электромагниттiк сәулену орындалады. Берiлген атом ядросы үшiн g-сәулелену жиiлiгінің дискреттiк мәнi болады, ол атом ядросындағы энергетикалық деңгей жиынтығын анықтайды.

Сонымен a және g-бөлшектерiнің сәулелену спектрiнiң дискрет мәндерi болады. Ал b-бөлшегiн шығарғанда тұтас спектр алынады, яғни электрондар (немесе протондар) шығарады, олар энергияның нөлден максимальға дейiнгi мүмкiн мәндерiн қабылдайды. Сонымен атом ядросы қатаң нақты энергия деңгейiнiң дискрет мәнiне ие болатындығын, b-бөлшегiн шығаратын тұтас спектрiнiң энергиясы, көп уақытқа дейiн түсiнiксiз болып келдi.

Осы фактiге Паули мынадай түсiнiктемелер бердi. Яғни ядродан электрон ұшып шыққанда, сол мезетте басқа да бөлшектер ұшып шығады, ол энергияның бiр бөлiгiн ала шығады деп жорамалдады. Электрондармен осы бөлшектердiң энергияларының жиынтығы электрондардың барлық кезде максималь энергиясына тең болады, яғни a-ыдыраудағы сияқты берiлген ядро үшiн тұрақты шама болады.

Бiрақ электрондар мен бөлшектер арасындағы энергияның таралуы, статистикалық заңдылықпен орындалады. Бұл бөлшек нейтрино деп аталады. Оның заряды және тыныштық массасы болмайды. Бiрақ оның спинi бар, ол тең, яғни электрон спинiне тең. Ал b-ыдырау кезiнде барлық: энергия, масса, заряд, импульс және импульс моментiнiң сақтау заңдары орындалады. Зарядталған бөлшектердi шығарумен қатар, тағы бiр басқа ерекше радиоактивтi түрлену түрi кездеседi, ол бөлшектердi шығармайды, керiсiнше зарядталған бөлшектердi қармайды. Көптеген атомдық ядролар К-қабаттағы, яғни ядроға жақын электрон орбитасындағы электрондарды қармау қабiлеттерi болады. Оны К-қармау деп атаймыз. Радиактивтi түрлену кезiндегi электрондарды шығару процесi, нейтронның протонға түрленуi нәтижесiнде электрон және электронды антинейтриноға түрленедi де ол төмендегiдей сұлба бойынша орындалады:

(5.10.2)

мұндағы: n - нейтрон p - протон; ал - электрон; -антинейтрино, индексiндегi - электронды дегендi сипаттаса, жоғарғы жағындағы ~ анти дегендi бiлдiредi.

К-қармау кезiндегi реакция мынадай басқа сұлбамен өрнектеледi, яғни протон нейтронға айналады және электронды нейтрино түзеледi:

(5.10.3)

Реакция кезiнде поротоннан позитрон да бөлiнедi, ол мынадай сұлбамен өрнектеледi:

(5.10.4)

5.10.3. және 5.10.4. реакциялары сол бiр атом ядросында ғана орындалады.

К-қармау реакциясын 1938 жылы Л. Альварец ашты. Бұл процесс кезiнде бастапқы химиялық элементтiң реттiк нөмірi (Z) реакциядан кейiн өзiне дейiнгi химиялық элементтiң реттiк нөмірiн қабылдайды. Жаңа элемент атомының электрондық қабаты (К-қармаудан соң К-қабаттағы деңгей) босайды да К, L сипаттаушы сәулелену басқа жаңа элемент рентген спектiрiнiң сериясын түзедi. Бұл шын мәнiнде байқалады.

Ығысу ережесi

1913 жылы бiр-бiрiне байланыссыз ағылшын физигi Ф.Садди және немiс физигi К.Фаянс ыдырау заңдылығына сүйенiп ығысу ережесiн анықтады.

Ығысу ережесi негiзiнен a және b бөлшектерiнiң ыдырауынан (бөлiнуiнен) орындалады.

1) Атомдық нөмірi (реттiк) Z және массалық саны А-болып келген радиоактивтi изотоптан a-бөлшегi бөлiнiп шыққанда, атом ядросының реттiк нөмірi Z-2, ал массалық саны А-4-ке тең болатын, басқа элемент изотопының ядросы түзiледi, яғни бастапқы аналық ядроның өзiне дейiнгi екiншi элементтiң ядросына айналады. Ол мынадай сұлбамен анықталады:

(5.11.1)

Мысалы: уран-238 атом ядросынан, альфа бөлшегі ыдырап бөлініп шыққанда өзіне дейінгі екінші химиялық элемент торий изотопына айналады:

ал торий атом ядросынан, альфа бөлшегі ыдырап бөлініп шыққанда ол радон изотопына айналады.

(5.11.2)

2) Атомдық номерi Z, массалық саны А болып келген радиактивтi изотоптан b-бөлшегi бөлiнiп шыққанда, атом ядросының реттiк номерi Z+1, ал массалық саны өзгермейтiн, атом ядросы түзiледi, яғни аналық ядроның өзiнен кейiнгi элемент изотопына айналады. Ол мынадай сұлбамен анықталады:

; (5.11.3)

Мысалы: ;

т.б.

Сонда литий атом ядросынан, бета бөлшегі бөлініп шыққанда, онда ол берилий изотопына айналады. Ал уран 238 бета бөлшегін шығарса, онда ол нептуний изотопына айналады. Нептуний изотопы орнықсыз ол аз уақыт ішінде, плутоний изотопына айналады. Плутонийдің жартылай ыдырау аралығы өте үлкен, яғни 24000 жыл.

Ал, β-ыдырау кезінде позитрон бөлінетін болса, онда бастапқы ядроға қарағанда бір ретке ерте келетін химиялық элемент ядросының изотопына айналады.

Мысалы: ₉₂U²³⁸→₉₁Pa²³⁸+₊₁e; Ра²³⁸- протактинии изотопы шығады.

Ядролық реакция нәтижесінде алынған жасанды радиоактивті элементтерде пазитрондық (₊₁е) активтілік байқалады. Осы жоғарыда көрсетілген альфа және бета бөлшектерінің ыдырау заңдылығы (5.6.1) және (5.6.2)формулалар ығысу ережесі деп аталады.

Егер, γ- радиоактивтілік орындалса жаңа атом ядросы пайда болып, оның заряды мен массалық саны бастапқы атом ядросынан өзгешелігі болмайды, тек айырмашылығы жаңа ядро аз энергияға ие болады.