Историята на изследването на радиоактивността започва на 1 март 1896 г., когато известният френски учен Анри Бекерел случайно открива странност в излъчването на уранови соли. Оказа се, че фотографските плаки, намиращи се в една кутия с пробата, са осветени. Странната, силно проникваща радиация, която уранът беше довел до това. Това свойство е открито в най-тежките елементи, които допълват периодичната таблица. Дадено му е името "радиоактивност".
Въвеждане на характеристики на радиоактивност
Този процес е спонтанна трансформация на атом от изотоп на елемент в друг изотоп с едновременно освобождаване на елементарни частици (електрони, ядра на хелиеви атоми). Преобразуването на атомите се оказа спонтанно, без да изисква поглъщане на енергия отвън. Основната величина, характеризираща процеса на освобождаване на енергия по време на радиоактивен разпад, се нарича активност.
Активността на радиоактивна проба е вероятният брой разпадания на дадена проба за единица време. В SI (System International)нейната мерна единица се нарича бекерел (Bq). В 1 бекерел се взема активността на такава проба, при която се случва средно 1 разпад в секунда.
А=λN, където λ е константата на разпадане, N е броят на активните атоми в пробата.
Разделете α, β, γ-разпада. Съответните уравнения се наричат правила за изместване:
| заглавие | Какво става | Реакционно уравнение |
| α-разпадане | трансформация на атомното ядро X в ядрото Y с освобождаването на ядрото на хелиевия атом | ZAX→Z-2YA- 4 +2He4 |
| β - разпад | трансформация на атомното ядро X в ядрото Y с освобождаване на електрон | ZAX→Z+1YA +-1eA |
| γ - разпад | не е придружено от промяна в ядрото, енергията се освобождава под формата на електромагнитна вълна | ZXA→ZXA +γ |
Интервал от време в радиоактивност
Моментът на разпадане на частица не може да бъде определен за този конкретен атом. За него това е по-скоро "злополука", отколкото шаблон. Освобождаването на енергия, характеризиращо този процес, се определя като активността на пробата.
Установено е, че има време, през което точно половината от атомите на дадена проба се разпадат. Този интервал от време се нарича "полуживот". Какъв е смисълът от въвеждането на това понятие?
Какво е полуживотът?
Изглежда, че за определен период от време точно половината от всички активни атоми в дадена проба се разпадат. Но означава ли това, че за време от два полуживота всички активни атоми ще се разпаднат напълно? Въобще не. След определен момент половината от радиоактивните елементи остават в пробата, след същия период от време половината от останалите атоми се разпадат и т.н. В този случай радиацията продължава дълго време, значително надвишавайки периода на полуразпад. Това означава, че активните атоми остават в пробата независимо от радиацията
Периодът на полуразпад е стойност, която зависи единствено от свойствата на дадено вещество. Стойността на количеството е определена за много известни радиоактивни изотопи.
Таблица: "Полуживотът на разпадането на отделни изотопи"
| Име | Обозначение | Вид разпад | Полуживот |
| Радий | 88Ra219 | алфа | 0, 001 секунди |
| магнезий | 12Mg27 | бета | 10 минути |
| Радон | 86Rn222 | алфа | 3, 8 нощувки |
| кобалт | 27Co60 | бета, гама | 5, 3 години |
| Радий | 88Ra226 | алфа, гама | 1620 години |
| Уран |
92U238 |
алфа, гама | 4,5 милиарда години |
Определянето на полуживота се извършва експериментално. В хода на лабораторните изследвания активността се измерва многократно. Тъй като лабораторните проби са с минимален размер (безопасността на изследователя е от първостепенно значение), експериментът се провежда с различни интервали от време, повтарящи се многократно. Тя се основава на редовността на промените в активността на веществата.
За да се определи полуживота, активността на дадена проба се измерва на определени интервали от време. Като се вземе предвид факта, че този параметър е свързан с броя на разложените атоми, използвайки закона за радиоактивния разпад, се определя полуживотът.
Пример за дефиниране на изотоп
Нека броят на активните елементи на изследвания изотоп в даден момент от време е N, интервалът от време, през който наблюдението е t2- t 1, където началното и крайното време на наблюдението са достатъчно близки. Да приемем, че n е броят на атомите, които са се разпаднали в даден интервал от време, тогава n=KN(t2- t1).
В този израз K=0,693/T½ е коефициентът на пропорционалност, който се нарича константа на разпадане. T½ - полуживот на изотопа.
Нека вземем интервала от време като единица. В този случай K=n/N показва пропорцията на наличните изотопни ядра, които се разпадат за единица време.
Познавайки стойността на константата на разпадане, може да се определи и полуживотът на разпадане: T½=0,693/K.
Оттук следва, че не определен брой активни атоми се разпада за единица време, а определена част от тях.
Законът за радиоактивния разпад (LRR)
Периодът на полуразпад е в основата на RRR. Моделът е извлечен от Фредерико Соди и Ърнест Ръдърфорд въз основа на резултатите от експериментални изследвания през 1903 г. Изненадващо, многобройните измервания, направени с устройства, които далеч не са съвършени, в условията на началото на ХХ век, доведоха до точен и разумен резултат. Стана в основата на теорията за радиоактивността. Нека изведем математическата нотация на закона за радиоактивния разпад.
- Нека N0е броят на активните атоми в даден момент. Слединтервал от време t, N елемента ще останат неразпаднали.
- До момента, равен на полуживота, точно половината от активните елементи ще останат: N=N0/2.
- След друг полуживот, следното остава в извадката: N=N0/4=N0/22 активни атоми.
- След като изтече друг полуживот, пробата ще запази само: N=N0/8=N0/ 23.
- Докато изминат n полуживотите, N=N0/2активните частици ще останат в пробата. В този израз n=t/T½: съотношението на времето на изследване към полуживота.
- ZRR има малко по-различен математически израз, по-удобен при решаване на задачи: N=N02-t/ T½.
Моделът ви позволява да определите, в допълнение към периода на полуразпад, броя на атомите на активния изотоп, които не са се разпаднали в даден момент. Познавайки броя на атомите на пробата в началото на наблюдението, след известно време е възможно да се определи продължителността на живота на това лекарство.
Формулата за закона за радиоактивния разпад помага да се определи полуживота само ако има определени параметри: броят на активните изотопи в пробата, което е доста трудно да се установи.
Последствия от закона
Можете да запишете формулата RRR, използвайки концепциите за активност и атомна маса на лекарството.
Активността е пропорционална на броя на радиоактивните атоми: A=A0•2-t/T. В тази формула A0 е активността на пробата в началния момент от време, A еактивност след t секунди, T - полуживот.
Масата на материята може да се използва в модела: m=m0•2-t/T
По време на равни интервали от време, абсолютно същата пропорция на наличните радиоактивни атоми в това лекарство се разпада.
Граници на приложимостта на закона
Законът във всеки смисъл е статистически, определящ процесите, протичащи в микрокосмоса. Ясно е, че времето на полуразпад на радиоактивните елементи е статистическа стойност. Вероятната природа на събитията в атомните ядра предполага, че произволно ядро може да се разпадне във всеки един момент. Невъзможно е да се предвиди събитие, може само да се определи неговата вероятност в даден момент от време. В резултат на това полуживотът е безсмислен:
- за един атом;
- за проба с минимално тегло.
Живот на атом
Съществуването на атом в първоначалното му състояние може да продължи секунда или може би милиони години. Също така няма нужда да говорим за живота на тази частица. Чрез въвеждане на стойност, равна на средната стойност на живота на атомите, можем да говорим за съществуването на атоми на радиоактивен изотоп, последствията от радиоактивния разпад. Полуживотът на ядрото на атома зависи от свойствата на този атом и не зависи от други количества.
Възможно ли е да се реши проблемът: как да се намери полуживота, като се знае средният живот?
Определете формулата за полуразпада за връзката между средния живот на атома и константата на разпадпомага също толкова.
τ=T1/2/ln2=T1/2/0, 693=1/ λ.
В този запис τ е средният живот, λ е константата на разпадане.
Използвайте периода на полуразпад
Използването на ZRR за определяне на възрастта на отделните проби стана широко разпространено в изследванията в края на 20-ти век. Точността на определяне на възрастта на изкопаемите артефакти се е увеличила толкова много, че може да даде представа за времето на живот в продължение на хилядолетия преди Христа.
Радиовъглеродният анализ на изкопаеми органични проби се основава на промените в активността на въглерод-14 (радиоактивен изотоп на въглерода), присъстващ във всички организми. Постъпва в живия организъм в процеса на метаболизма и се съдържа в него в определена концентрация. След смъртта обменът на вещества с околната среда спира. Концентрацията на радиоактивен въглерод пада поради естествен разпад, активността намалява пропорционално.
Когато има стойност като полуживот, формулата на закона за радиоактивния разпад помага да се определи времето от края на живота на организма.
Радиоактивни трансформационни вериги
Изследването на радиоактивността е извършено в лабораторни условия. Удивителната способност на радиоактивните елементи да остават активни с часове, дни и дори години не можеше да не изненада физиците от началото на ХХ век. Изследванията, например, на торий бяха придружени от неочакван резултат: в затворена ампула неговата активност беше значителна. При най-малкия дъх тя падна. Изводът се оказа прост: трансформацията на тория се придружава от отделянето на радон (газ). Всички елементи в процеса на радиоактивност се превръщат в напълно различно вещество, което се различава както по физични, така и по химични свойства. Това вещество от своя страна също е нестабилно. Понастоящем са известни три серии от подобни трансформации.
Познаването на подобни трансформации е изключително важно за определяне на времето на недостъпност на зони, замърсени в процеса на атомни и ядрени изследвания или бедствия. Времето на полуразпад на плутония - в зависимост от неговия изотоп - варира от 86 години (Pu 238) до 80 милиона години (Pu 244). Концентрацията на всеки изотоп дава представа за периода на дезинфекция на територията.
Най-скъпият метал
Известно е, че в наше време има метали много по-скъпи от златото, среброто и платината. Те включват плутоний. Интересното е, че плутоний, създаден в процеса на еволюция, не се среща в природата. Повечето от елементите са получени в лабораторни условия. Експлоатацията на плутоний-239 в ядрени реактори му позволи да стане изключително популярна в наши дни. Получаването на достатъчни количества от този изотоп за използване в реактори го прави практически безценен.
Плутоний-239 се получава в естествени условия в резултат на верига от трансформации на уран-239 в нептуний-239 (период на полуразпад - 56 часа). Подобна верига прави възможно натрупването на плутоний в ядрените реактори. Скоростта на поява на необходимото количество надвишава естествената вмилиарди пъти.
Енергийни приложения
Може да се говори много за недостатъците на ядрената енергия и "странността" на човечеството, което използва почти всяко откритие, за да унищожи себе си. Откриването на плутоний-239, който е способен да участва в ядрена верижна реакция, направи възможно използването му като източник на мирна енергия. Уран-235, който е аналог на плутония, е изключително рядък на Земята, много по-трудно е да се извлече от уранова руда, отколкото да се получи плутоний.
Епохата на Земята
Радиоизотопният анализ на изотопи на радиоактивни елементи дава по-точна представа за живота на определена проба.
Използването на веригата от трансформации "уран - торий", съдържаща се в земната кора, дава възможност да се определи възрастта на нашата планета. Процентът на тези елементи средно в цялата земна кора е в основата на този метод. Според последните данни възрастта на Земята е 4,6 милиарда години.
