القانون الأساسي للانحلال الإشعاعي هو نصف العمر. القانون الأساسي للاضمحلال الإشعاعي

المحاضرة 2. القانون الأساسي للاضمحلال الإشعاعي ونشاط النويدات المشعة

يختلف معدل تحلل النويدات المشعة - فبعضها يتحلل بشكل أسرع ، والبعض الآخر أبطأ. مؤشر السرعة الاضمحلال الإشعاعيهو ثابت الاضمحلال الإشعاعي ، λ [ثانية-1] ، والذي يميز احتمالية اضمحلال ذرة واحدة في ثانية واحدة. لكل نويدة مشعة ، ثابت الاضمحلال له قيمته الخاصة ، فكلما زاد حجمه ، زادت سرعة تحلل نوى المادة.

يتم استدعاء عدد حالات الاضمحلال المسجلة في عينة مشعة لكل وحدة زمنية نشاط (أ ) ، أو النشاط الإشعاعي للعينة. قيمة النشاط تتناسب طرديا مع عدد الذرات ن مواد مشعة:

أ =λ· ن , (3.2.1)

أين λ هو ثابت الاضمحلال الإشعاعي ، [ثانية -1].

في الوقت الحاضر ، وفقا للتيار النظام الدولييتم أخذ وحدات SI ، لوحدة قياس النشاط الإشعاعي بيكريل [بيكريل]. حصلت هذه الوحدة على اسمها تكريما للعالم الفرنسي هنري بيكريل الذي اكتشف هذه الظاهرة عام 1856 النشاط الإشعاعي الطبيعياليورانيوم. بيكريل واحد يساوي تفكك واحد في الثانية 1 بيكريل = 1 .

ومع ذلك ، لا تزال وحدة النشاط خارج النظام مستخدمة في كثير من الأحيان. – كوري [مفتاح] ، تم تقديمه بواسطة Curies كمقياس لمعدل الانحلال بمقدار جرام واحد من الراديوم (حيث يحدث انحلال ~ 3.7 1010 في الثانية) ، لذلك

1 مفتاح= 3.7 1010 بيكريل.

هذه الوحدة ملائمة لتقييم النشاط كميات كبيرةالنويدات المشعة.

الانخفاض في تركيز النويدات المشعة بمرور الوقت نتيجة الاضمحلال يطيع الاعتماد الأسي:

, (3.2.2)

أين ن ر- عدد ذرات العنصر المشع المتبقية بعد فترة ربعد بدء المراقبة ؛ ن 0 هو عدد الذرات في لحظة أوليةزمن ( ر =0 ); λ هو ثابت الاضمحلال الإشعاعي.

تسمى العلاقة الموصوفة القانون الأساسي للانحلال الإشعاعي .

الوقت الذي يستغرقه نصف المجموعالنويدات المشعة تسمى نصف الحياة, تي½ . بعد نصف عمر واحد ، من 100 ذرة من النويدات المشعة ، تبقى 50 فقط (الشكل 2.1). خلال نفس الفترة التالية ، من بين هذه الذرات الخمسين ، لم يتبق منها سوى 25 ذرة ، وهكذا دواليك.

تُشتق العلاقة بين نصف العمر وثابت الاضمحلال من معادلة القانون الأساسي للانحلال الإشعاعي:

في ر=تي½ و

نحن نحصل https://pandia.ru/text/80/150/images/image006_47.gif "width =" 67 "height =" 41 src = "> Þ ؛

https://pandia.ru/text/80/150/images/image009_37.gif "width =" 76 "height =" 21 "> ؛

مثل..gif "width =" 81 "height =" 41 src = ">.

لذلك ، يمكن كتابة قانون الاضمحلال الإشعاعي على النحو التالي:

https://pandia.ru/text/80/150/images/image013_21.gif "width =" 89 "height =" 39 src = "> ، (3.2.4)

أين في - نشاط الدواء بمرور الوقت ر ; أ0 - نشاط الدواء في اللحظة الأولى للملاحظة.

غالبًا ما يكون من الضروري تحديد نشاط كمية معينة من أي مادة مشعة.

تذكر أن وحدة كمية المادة هي المول. الخلد هو كمية المادة التي تحتوي على العديد من الذرات الموجودة في 0.012 كجم = 12 جم من نظير الكربون 12 درجة مئوية.

يحتوي مول واحد من أي مادة على رقم أفوجادرو غير متوفر الذرات:

غير متوفر = 6.02 1023 ذرة.

إلى عن على مواد بسيطة(العناصر) كتلة الخلد الواحد عدديًا تتوافق مع الكتلة الذرية لكن عنصر

1 مول = لكن ج.

على سبيل المثال: للمغنيسيوم: 1 مول 24 ملغ = 24 جم.

لـ 226Ra: 1 مول من 226Ra = 226 جم ، إلخ.

في ضوء ما قيل في م غرام من المادة سوف ن الذرات:

https://pandia.ru/text/80/150/images/image015_20.gif "width =" 156 "height =" 43 src = "> (3.2.6)

مثال: لنحسب نشاط 1 جرام من 226Ra ، والذي يحتوي على λ = 1.38 10-11 ثانية -1.

أ= 1.38 10-11 1/226 6.02 1023 = 3.66 1010 بيكريل.

إذا كان العنصر المشع جزءًا من مركب كيميائي ، فعند تحديد نشاط الدواء ، يجب أن تؤخذ صيغته في الاعتبار. مع الأخذ في الاعتبار يتم تحديد تكوين المادة جزء الشامل χ النويدات المشعة في مادة ، والتي تحددها النسبة:

https://pandia.ru/text/80/150/images/image017_17.gif "width =" 118 "height =" 41 src = ">

مثال على حل المشكلة

حالة:

نشاط أ 0 العنصر المشع 32P في يوم المراقبة هو 1000 بيكريل. تحديد نشاط وعدد ذرات هذا العنصر في الأسبوع. نصف الحياة تي½ 32P = 14.3 يومًا.

المحلول:

أ) أوجد نشاط الفوسفور 32 بعد 7 أيام:

https://pandia.ru/text/80/150/images/image019_16.gif "width =" 57 "height =" 41 src = ">

إجابه:في غضون أسبوع ، سيكون نشاط عقار 32P 712 بيكريل ،وعدد ذرات النظير المشع 32P هو 127.14 106 ذرة.

أسئلة الاختبار

1) ما هو نشاط النويدات المشعة؟

2) اسم وحدات النشاط الإشعاعي والعلاقة بينها.

3) ما هو ثابت الاضمحلال الإشعاعي؟

4) تحديد القانون الأساسي للاضمحلال الإشعاعي.

5) ما هو نصف العمر؟

6) ما هي العلاقة بين نشاط وكتلة النويدات المشعة؟ اكتب صيغة.

مهام

1. احسب النشاط 1 جي 226Ra. T½ = 1602 سنة.

2. احسب النشاط 1 جي 60 درجة مئوية T½ = 5.3 سنوات.

3. تحتوي قذيفة دبابة M-47 على 4.3 كلغ 238U. T½ = 2.5 109 سنوات. تحديد نشاط المقذوفات.

4. احسب نشاط 137 درجة مئوية بعد 10 سنوات ، إذا كان في اللحظة الأولى للملاحظة 1000 بيكريل. T½ = 30 سنة.

5. احسب نشاط 90 ريالا قبل عام ، إذا كان في هذه اللحظةالوقت يساوي 500 بيكريل. T½ = 29 سنة.

6. ما هو النشاط الذي سيخلقه 1 كلغالنظائر المشعة 131I ، T½ = 8.1 يوم؟

7. باستخدام البيانات المرجعية ، حدد النشاط 1 جي 238U. T½ = 2.5 109 سنوات.

باستخدام البيانات المرجعية ، حدد النشاط 1 جي 232 ث ، Т½ = 1.4 1010 سنوات.

8. احسب نشاط المركب: 239Pu316O8.

9. احسب كتلة النويدات المشعة بالنشاط في 1 مفتاح:

9.1 131I ، T1 / 2 = 8.1 يوم ؛

9.2. 90 ريال ، 2/1 = 29 سنة ؛

9.3 137 درجة ، 1/2 = 30 سنة ؛

9.4 239Pu، Т1 / 2 = 2.4 104 سنة.

10. حدد الكتلة 1 mCiالنظير المشع للكربون 14C ، T½ = 5560 سنة.

11. من الضروري تحضير مستحضر إشعاعي للفوسفور 32P. ما هي المدة التي يستغرقها بقاء 3٪ من الدواء؟ Т½ = 14.29 يومًا.

12. يحتوي الخليط الطبيعي من البوتاسيوم على 0.012٪ من النظير المشع 40K.

1) تحديد الكتلة البوتاسيوم الطبيعيالذي يحتوي على 1 مفتاح 40 ألف. T½ = 1.39 109 سنوات = 4.4 1018 ثانية.

2) احسب النشاط الإشعاعي للتربة بمقدار 40 كلفن إذا كان من المعروف أن محتوى البوتاسيوم في عينة التربة هو 14 كجم / طن.

13. كم عدد فترات نصف العمر المطلوبة للنشاط الأولي للنظير المشع لكي ينخفض ​​إلى 0.001٪؟

14. لتحديد تأثير 238U على النباتات ، تم نقع البذور في 100 ملمحلول UO2 (NO3) 2 6H2O ، حيث كانت كتلة الملح المشع 6 جي. تحديد النشاط والنشاط المحدد لـ 238U في الحل. Т½ = 4.5109 سنوات.

15. تحديد النشاط 1 جرامات 232 ث ، Т½ = 1.4 1010 سنوات.

16. حدد الكتلة 1 مفتاح 137 درجة ، 1/2 = 30 سنة.

17. النسبة بين محتوى نظائر البوتاسيوم المستقرة والمشعة في الطبيعة هي قيمة ثابتة. محتوى 40 كيلو 0.01٪. احسب النشاط الإشعاعي للتربة بمقدار 40 كلفن إذا كان من المعروف أن محتوى البوتاسيوم في عينة التربة هو 14 كجم / طن.

18. النشاط الإشعاعي الليثوجيني بيئةيتكون بشكل أساسي من ثلاثة نويدات مشعة طبيعية رئيسية: 40K ، 238U ، 232Th. شارك النظائر المشعةفي المجموع الطبيعي للنظائر هو 0.01 ، 99.3 ، ~ 100 على التوالي. حساب النشاط الإشعاعي 1 رالتربة ، إذا كان معروفًا أن المحتوى النسبي للبوتاسيوم في عينة التربة هو 13600 ز / رواليورانيوم - 1 10-4 ز / ر، الثوريوم - 6 10-4 ز / ر.

19. في قذائف الرخويات ذات الصدفتين تم العثور على 23200 بيكريل / كغم 90 ريال تحديد نشاط العينات بعد 10 ، 30 ، 50 ، 100 سنة.

20 - حدث التلوث الرئيسي للخزانات المغلقة في منطقة تشيرنوبيل في السنة الأولى بعد الحادث الذي وقع في محطة الطاقة النووية. في قاع الرواسب من البحيرة. اكتشف Azbuchin في عام 1999 137C مع نشاط محدد 1.1 10 بيكريل / م 2. تحديد تركيز (نشاط) 137 درجة مئوية المودعة لكل متر مربع من رواسب القاع اعتبارًا من 1986-1987. (منذ 12 عاما).

21. 241Am (T½ = 4.32 102 سنة) يتكون من 241Pu (T½ = 14.4 سنة) وهو مهاجر جيوكيميائي نشط. الاستفادة المواد المرجعية، احسب بدقة 1٪ الانخفاض في نشاط البلوتونيوم 241 في الوقت المناسب ، في أي سنة بعد كارثة تشيرنوبيلسيكون تكوين 241Am في البيئة بحد أقصى.

22. احسب نشاط 241Am في نواتج الانبعاثات من مفاعل تشيرنوبيل اعتبارًا من أبريل
2015 ، بشرط أن يكون نشاط 241 أمبير 3.82 1012 في أبريل 1986 بيكريل ،Т½ = 4.32102 سنة.

23. 390 وجدت في عينات التربة nCi / كجم 137 ج. احسب نشاط العينات بعد 10 ، 30 ، 50 ، 100 سنة.

24. متوسط ​​تركيز التلوث في قاع البحيرة. عميق ، يقع في منطقة تشيرنوبيلالاغتراب 6.3104 بيكريل 241Am و 7.4 104238 + 239 + 240Pu لكل 1 متر مربع. احسب السنة التي تم فيها الحصول على هذه البيانات.

شرط ضروريالانحلال الإشعاعي هو أن كتلة النواة الأصلية يجب أن تتجاوز مجموع كتل نواتج الاضمحلال. لذلك ، يحدث كل تحلل إشعاعي مع إطلاق الطاقة.

النشاط الإشعاعيمقسمة إلى طبيعية ومصطنعة. يشير الأول إلى النوى المشعة الموجودة في الظروف الطبيعية، والثاني - إلى الألباب التي حصلت عليها التفاعلات النوويةفي ظروف المختبر. في الأساس ، لا يختلفون عن بعضهم البعض.

تشمل الأنواع الرئيسية للنشاط الإشعاعي تحلل α- و-و. قبل وصفها بمزيد من التفصيل ، دعونا ننظر في قانون مسار هذه العمليات في الوقت المناسب المشترك لجميع أنواع النشاط الإشعاعي.

تخضع النوى المتطابقة للاضمحلال في أوقات مختلفة ، وهو أمر لا يمكن التنبؤ به مسبقًا. لذلك ، يمكننا أن نفترض أن عدد النوى يتحلل في فترة زمنية قصيرة ديتناسب مع العدد نالنوى المتوفرة في تلك اللحظة ، و د:

يعطي تكامل المعادلة (3.4):

العلاقة (3.5) تسمى القانون الأساسي للاضمحلال الإشعاعي. كما ترى ، الرقم نمن النوى التي لم تتحلل حتى الآن تتناقص أضعافا مضاعفة مع مرور الوقت.

تتميز شدة الاضمحلال الإشعاعي بعدد النوى المتحللة لكل وحدة زمنية. يتضح من (3.4) أن هذه الكمية | dN / د | = λN. إنه يسمى النشاط. أ. وبالتالي النشاط:

.

يتم قياسه بوحدة بيكريل (Bq) ، 1 بيكريل = 1 الاضمحلال / ثانية ؛وأيضًا في كوري (Ci) ، 1 Ci = 3.7 10 10 Bq.

يسمى النشاط لكل وحدة كتلة من المستحضر المشع نشاطًا محددًا.

دعونا نعود إلى الصيغة (3.5). جنبا إلى جنب مع ثابت λ والنشاط أتتميز عملية التحلل الإشعاعي بكميتين إضافيتين: نصف العمر تي 1/2ومتوسط ​​العمر الافتراضي τ حبات.

نصف الحياة تي 1/2- الوقت الذي سينخفض ​​فيه العدد الأولي للنواة المشعة في المتوسط ​​بمقدار اثنين:

,

أين

.

متوسط ​​وقت الحياة τ نحدد على النحو التالي. عدد النوى δN(ر) التي عانت من الاضمحلال على مدار فترة زمنية ( ر, ر + د)، يتم تحديد الجانب الأيمنالتعبيرات (3.4): δN(ر) = Ndt. عمر كل من هذه النوى ر. إذن مجموع أعمار الجميع N0من النوى المتاحة في البداية يتم تحديدها من خلال دمج التعبير tδN(ر) في الوقت المناسب من 0 إلى ∞. قسمة مجموع الأعمار للجميع N0النوى لكل N0سنجد متوسط ​​العمر τ النواة المعنية:

لاحظ أن τ يساوي ، على النحو التالي من (3.5) ، الفترة الزمنية التي يتناقص خلالها العدد الأولي للنواة هذات مرة.

بمقارنة (3.8) و (3.9.2) ، نرى أن نصف العمر تي 1/2ويعني العمر τ لها نفس الترتيب وترتبط بالعلاقة:

.

الاضمحلال الإشعاعي المعقد

يمكن أن يحدث التحلل الإشعاعي المعقد في حالتين:

المعنى الماديمن هذه المعادلات هو أن عدد النوى 1 يتناقص بسبب تحللها ، وعدد النوى 2 يتجدد بسبب اضمحلال النوى 1 ويتناقص بسبب اضمحلالها. على سبيل المثال ، في الوقت الأولي ر= 0 متاح N01النوى 1 و N02 kernels 2. مع مثل هذه الشروط الأولية ، يكون لحل النظام الشكل:

إذا في نفس الوقت N02= 0 إذن

.

لتقييم القيمة العدد 2(ر) من الممكن استخدامه طريقة الرسم(انظر الشكل 3.2) رسم المنحنيات ه − λtو (1 - ه − λt). في نفس الوقت ، في ضوء خصائص خاصةالمهام ه − λtمن الملائم جدًا رسم إحداثيات منحنى القيم رالمقابلة تي, 2تي، … إلخ. (انظر الجدول 3.1). توضح العلاقة (3.13.3) والشكل 3.2 أن كمية الابنة المشعة تزداد بمرور الوقت و ر >> T2 (λ 2 ر>> 1) تقترب من قيمتها الحدية:

ويسمى بالسن ، أو التوازن العلماني. المعنى المادي للمعادلة العلمانية واضح.

ر	ه − λt	1 - البريد - λt
0	1	0
1 ت	1/2 = 0.5	0.5
2 ت	(1/2) 2 = 0.25	0.75
3 ت	(1/2) 3 = 0.125	0.875
...	...	...
10 ت	(1/2) 10 ≈ 0.001	~0.999

الشكل 3.3. الاضمحلال الإشعاعي المعقد.

منذ ذلك الحين ، وفقًا للمعادلة (3.4) ، λNيساوي عدد الاضمحلال لكل وحدة زمنية ، ثم العلاقة λ 1 شمال 1 = λ 2 شمال 2يعني أن عدد الاضمحلال لمادة الابنة λ 2 شمال 2يساوي عدد اضمحلال المادة الأم ، أي عدد نوى مادة الابنة المتكونة في هذه الحالة λ 1 شمال 1. تُستخدم المعادلة العلمانية على نطاق واسع لتحديد فترات نصف العمر طويلة العمر المواد المشعة. يمكن استخدام هذه المعادلة عند مقارنة مادتين متحولتين بشكل متبادل ، حيث يكون للثاني نصف عمر أقصر بكثير من الأولى ( T2 << T1) بشرط أن يتم إجراء هذه المقارنة في الوقت المناسب ر >> T2 (T2 << ر << T1). مثال على الاضمحلال المتتالي لاثنين من المواد المشعة هو تحويل الراديوم Ra إلى الرادون Rn. من المعروف أن 88 Ra 226 ينبعث منها نصف عمر T1 >> 1600 سنواتجسيمات ألفا ، تتحول إلى الغاز المشعالرادون (88 Rn 222) ، وهو نفسه مشع ويطلق جسيمات ألفا بعمر نصف T2 ≈ 3.8 أيام. في هذا المثال فقط T1 >> T2، لذلك مرات ر << T1يمكن كتابة حل المعادلات (3.12) بالصيغة (3.13.3).

لمزيد من التبسيط ، من الضروري أن يكون العدد الأولي من النوى Rn مساويًا للصفر ( N02= 0 في ر= 0). يتم تحقيق ذلك من خلال إعداد خاص للتجربة ، حيث يتم دراسة عملية تحويل Ra إلى Rn. في هذه التجربة ، يتم وضع مستحضر Ra في دورق زجاجي مع أنبوب متصل بمضخة. أثناء تشغيل المضخة ، يتم ضخ Rn الغازي على الفور ، ويكون تركيزه في المخروط صفرًا. إذا في وقت ما أثناء تشغيل المضخة ، يتم عزل المخروط عن المضخة ، ثم من تلك اللحظة ، والتي يمكن اعتبارها ر= 0 ، سيبدأ عدد النوى Rn في المخروط في الزيادة وفقًا للقانون (3.13.3): N Ra و N Rn- وزن دقيق λRn- بتحديد عمر النصف Rn ، الذي تبلغ قيمته 3.8 ، ملائم للقياسات أيام. إذن القيمة الرابعة λ رعيمكن حسابها. يعطي هذا الحساب نصف عمر الراديوم تي رع ≈ 1600 سنواتالذي يتزامن مع نتائج التحديد تي رعمن خلال طريقة العد المطلق لجسيمات ألفا المنبعثة.

تم اختيار النشاط الإشعاعي لـ Ra و Rn كمرجع عند مقارنة أنشطة المواد المشعة المختلفة. لكل وحدة نشاط إشعاعي - 1 مفتاح- وافقت نشاط 1 غرام من الراديومأو كمية من غاز الرادون في حالة توازن معها. يمكن العثور على الأخير بسهولة من المنطق التالي.

من المعروف أن 1 جييخضع الراديوم ~ 3.7 10 10 في الثانية الاضمحلال. بالتالي.

قوانين الاضمحلال الإشعاعي للنواة

تسمى قدرة النوى على التحلل التلقائي عن طريق انبعاث الجسيمات النشاط الإشعاعي. التحلل الإشعاعي هو عملية إحصائية. يمكن أن تتحلل كل نواة مشعة في أي لحظة ، ولا يتم ملاحظة النمط إلا في المتوسط ​​، في حالة تحلل عدد كبير من النوى.
ثابت الاضمحلالλ هو احتمال الاضمحلال النووي لكل وحدة زمنية.
إذا كانت هناك نواة مشعة N في العينة في الوقت t ، فإن عدد نوى dN التي تلاشت خلال الوقت dt يتناسب مع N.

dN = -Ndt. (13.1)

بدمج (1) نحصل على قانون الاضمحلال الإشعاعي

N (t) \ u003d N 0 e -t. (13.2)

N 0 هو عدد النوى المشعة في الوقت t = 0.
متوسط ​​وقت الحياة τ –

. (13.3)

نصف الحياة T 1/2 - الوقت الذي ينخفض ​​خلاله العدد الأولي للنوى المشعة بمقدار النصف

T 1/2 = ln2 / = 0.693 / λ = ln2. (13.4)

نشاطأ - متوسط ​​عدد النوى المتحللة لكل وحدة زمنية

أ (ر) = λN (ر). (13.5)

يتم قياس النشاط بالكوري (Ci) وبيكريل (Bq)

1 Ci \ u003d 3.7 * 10 10 تسوس / ثانية ، 1 بيكريل \ u003d 1 تسوس / ثانية.

يوصف اضمحلال النواة الأولية 1 إلى النواة 2 ، مع تحللها اللاحق في النواة 3 ، بواسطة نظام المعادلات التفاضلية

(13.6)

حيث N 1 (t) و N 2 (t) هو عدد النوى ، و 1 و 2 هما ثوابت الاضمحلال للنواة 1 و 2 على التوالي. حل النظام (6) بشروط أولية N 1 (0) = N 10 ؛ N 2 (0) = 0 ستكون

, (13.7 أ)

. (13.7 ب)

الشكل 13. 1

يصل عدد النوى 2 إلى أقصى قيمته في .

إذا 2< λ 1 (), суммарная активностьN 1 (t)λ 1 + N 2 (t)λ 2 будет монотонно уменьшаться.
إذا كانت 2> 1 ()) ، فإن النشاط الإجمالي ينمو في البداية بسبب تراكم النوى 2.
إذا 2 >> 1 ، يكفي أوقات كبيرةتصبح مساهمة الأس الثاني في (7 ب) صغيرة بشكل مهم ، مقارنة بمساهمة الأول وأنشطة الثاني A 2 = λ 2 N 2 والنظير الأول A 1 = 1 N 1 متساويان عمليًا. في المستقبل ، ستتغير أنشطة كلا النظيرين الأول والثاني بمرور الوقت بنفس الطريقة.

أ 1 (ر) = ن 10 1 = N 1 (t) λ 1 = A 2 (t) = N 2 (t) λ 2.(13.8)

وهذا هو ، ما يسمى ب التوازن العلماني، حيث يرتبط عدد نوى النظائر في سلسلة الاضمحلال بثوابت الاضمحلال (نصف عمر) من خلال علاقة بسيطة.

. (13.9)

لذلك ، في الحالة الطبيعيةعادة ما توجد جميع النظائر المرتبطة وراثيًا في السلاسل المشعة بنسب كمية معينة اعتمادًا على نصف عمرها.
في الحالة العامة، عندما تكون هناك سلسلة من الاضمحلال 1 → 2 → ... n ، يتم وصف العملية بواسطة نظام المعادلات التفاضلية

dN i / dt =-i N i + i-1 N i-1.(13.10)

عن طريق حل النظام (10) للأنشطة ذات الشروط الأولية N 1 (0) = N 10 ؛ N i (0) = 0 سيكون

(13.12)

أولي يعني أنه في حاصل الضرب الموجود في المقام ، تم حذف العامل الذي يحتوي على i = m.

النظائر

ISOTOPSأصناف من نفس العنصر الكيميائي المتشابهة في بدني الخواص الكيميائيةولكن مع كتل ذرية مختلفة. تم اقتراح اسم "النظائر" في عام 1912 من قبل عالم الكيمياء الإشعاعية الإنجليزي فريدريك سودي ، الذي قام بتشكيله من اثنين كلمات يونانية: isos - نفس و topos - المكان. تحتل النظائر نفس المكان في الخلية النظام الدوريعناصر منديليف.

تتكون ذرة أي عنصر كيميائي من نواة موجبة الشحنة وسحابة من الإلكترونات سالبة الشحنة تحيط بها ( سم.ايضانواة الذرة). موضع عنصر كيميائي في النظام الدوري لمندليف (ملفه رقم سري) بواسطة الشحنة النووية لذراته. لذلك ، تسمى أنواع مختلفة من نفس العنصر الكيميائي isotopamin ، والذرات التي تحتوي على نفس الشحنة النووية (وبالتالي ، عمليا نفس الشحنة قذائف الإلكترون) ولكنها تختلف في قيم كتلة النواة. وفقًا للتعبير المجازي لـ F. Soddy ، فإن ذرات النظائر هي نفسها "الخارجية" ، ولكنها "داخلية" مختلفة.

تم اكتشاف النيوترون في عام 1932 – جسيم ليس له شحنة ، كتلته قريبة من كتلة نواة ذرة الهيدروجين - بروتون , وخلق نموذج بروتون-نيوترون للنواة ، ونتيجة لذلك ، أنشأ العلم النهائي التعريف الحديثالنظائر: النظائر هي مواد تتكون نواتها الذرية نفس العددوتختلف البروتونات فقط في عدد النيوترونات في النواة . عادةً ما يُرمز إلى كل نظير بمجموعة من الرموز ، حيث X هي رمز عنصر كيميائي ، و Z هي شحنة النواة الذرية (عدد البروتونات) ، و A هي العدد الشاملالنظير (العدد الإجمالي للنيوكليونات - البروتونات والنيوترونات في النواة ، A = Z + N). نظرًا لأن شحنة النواة مرتبطة بشكل لا لبس فيه برمز العنصر الكيميائي ، فغالبًا ما يتم استخدام الترميز A X ببساطة للاختصار.

من بين جميع النظائر المعروفة لدينا ، تمتلك نظائر الهيدروجين فقط الأسماء الخاصة. وهكذا ، يطلق على نظيري 2 H و 3 H اسم الديوتيريوم والتريتيوم ويتم تحديدهما D و T على التوالي (يسمى نظير 1 H ​​أحيانًا بالبروتيوم).

تحدث بشكل طبيعي كنظائر مستقرة. , وغير مستقرة - مشعة ، تخضع نوى ذراتها للتحول التلقائي إلى نوى أخرى مع انبعاث جسيمات مختلفة (أو عمليات ما يسمى الانحلال الإشعاعي). يُعرف الآن حوالي 270 نظيرًا مستقرًا ، ولا توجد النظائر المستقرة إلا في العناصر ذات العدد الذري Z Ј 83. يتجاوز عدد النظائر غير المستقرة 2000 ، تم الحصول على الغالبية العظمى منها بشكل مصطنع نتيجة لتفاعلات نووية مختلفة. عدد النظائر المشعة في العديد من العناصر كبير جدًا ويمكن أن يتجاوز عشرين. عدد النظائر المستقرة أقل بكثير ، وتتكون بعض العناصر الكيميائية من نظير ثابت واحد (البريليوم والفلور والصوديوم والألمنيوم والفوسفور والمنغنيز والذهب وعدد من العناصر الأخرى). تم العثور على أكبر عدد من النظائر المستقرة - 10 - في القصدير والحديد ، على سبيل المثال ، هناك 4 منها ، وفي الزئبق - 7.

اكتشاف النظائر ، الخلفية التاريخية.في عام 1808 ، قدم عالم الطبيعة الإنجليزي جون دالتون لأول مرة تعريف العنصر الكيميائي على أنه مادة تتكون من ذرات من نوع واحد. في عام 1869 ، قام الكيميائي د. تم اكتشاف مندليف قانون دوري العناصر الكيميائية. كانت إحدى الصعوبات في إثبات مفهوم العنصر على أنه مادة تشغل مكانًا معينًا في خلية النظام الدوري هي الأوزان الذرية غير الصحيحة للعناصر التي تمت ملاحظتها تجريبياً. في عام 1866 عالم فيزياء إنجليزيوالكيميائي - طرح السير ويليام كروكس فرضية مفادها أن كل عنصر كيميائي طبيعي هو خليط من مواد متطابقة في خواصها ، ولكن لها كتل ذرية مختلفة ، ولكن في ذلك الوقت لم يكن مثل هذا الافتراض موجودًا بعد. تأكيد تجريبيوهكذا مرت قليلا لاحظت.

خطوة مهمةفي الطريق إلى اكتشاف النظائر كان اكتشاف ظاهرة النشاط الإشعاعي وفرضية التحلل الإشعاعي التي صاغها إرنست رذرفورد وفريدريك سودي: النشاط الإشعاعي ليس أكثر من تحلل ذرة إلى جسيم مشحون وذرة عنصر آخر الذي يختلف في خواصه الكيميائية عن الأصل. نتيجة لذلك ، نشأ مفهوم السلسلة المشعة أو العائلات المشعة. , في البداية يوجد العنصر الأصل الأول ، وهو مشع ، وفي النهاية - الأخير عنصر مستقر. أظهر تحليل سلاسل التحولات أنه في مسارها ، يمكن أن تظهر نفس العناصر المشعة في خلية واحدة من النظام الدوري ، تختلف فقط الكتل الذرية. في الواقع ، هذا يعني إدخال مفهوم النظائر.

تم الحصول على تأكيد مستقل لوجود نظائر مستقرة للعناصر الكيميائية في تجارب J.J. Thomson و Aston في 1912-1920 مع حزم من الجسيمات موجبة الشحنة (أو ما يسمى بأشعة القناة. ) الخارجة من أنبوب التفريغ.

في عام 1919 ، صمم أستون أداة تسمى مطياف الكتلة (أو مقياس طيف الكتلة) . كان أنبوب التفريغ لا يزال يستخدم كمصدر أيوني ، لكن أستون وجد طريقة يتم من خلالها الانحراف المتتالي لحزمة الجسيمات في التيار الكهربائي و المجالات المغناطيسيةأدى إلى تركيز الجسيمات بنفس نسبة الشحنة إلى الكتلة (بغض النظر عن سرعتها) في نفس النقطة على الشاشة. جنبا إلى جنب مع أستون ، تم إنشاء مطياف الكتلة بتصميم مختلف قليلاً في نفس السنوات بواسطة American Dempster. نتيجة الاستخدام اللاحق لمقاييس الطيف الكتلي وتحسينها بجهود العديد من الباحثين ، بحلول عام 1935 تقريبًا الجدول الكاملالتركيبات النظيرية لجميع العناصر الكيميائية المعروفة في ذلك الوقت.

طرق فصل النظائر.لدراسة خصائص النظائر ، وخاصة لاستخدامها للأغراض العلمية والتطبيقية ، من الضروري الحصول عليها بكميات ملحوظة أكثر أو أقل. في مقاييس الطيف الكتلي التقليدية ، يتم تحقيق الفصل الكامل تقريبًا للنظائر ، لكن عددها لا يكاد يذكر. لذلك ، تم توجيه جهود العلماء والمهندسين للبحث عن طرق أخرى ممكنة لفصل النظائر. بادئ ذي بدء ، أتقنوا الطرق الفيزيائية والكيميائيةالفصل على أساس الاختلافات في خصائص نظائر العنصر نفسه ، مثل معدلات التبخر ، وثوابت التوازن ، والمعدلات تفاعلات كيميائيةإلخ. كانت أكثر الطرق فعالية من بينها طرق التصحيح والتبادل النظائري ، والتي تستخدم على نطاق واسع في الإنتاج الصناعي لنظائر العناصر الخفيفة: الهيدروجين والليثيوم والبورون والكربون والأكسجين والنيتروجين.

تتشكل مجموعة أخرى من الطرق من خلال ما يسمى بالطرق الجزيئية الحركية: الانتشار الغازي ، والانتشار الحراري ، والانتشار الكتلي (الانتشار في تيار بخار) ، والطرد المركزي. طرق انتشار الغاز على أساس سرعة مختلفةانتشار المكونات النظيرية في تشتت للغاية وسائل الإعلام التي يسهل اختراقها، خلال الحرب العالمية الثانية عند التنظيم الإنتاج الصناعيفصل نظائر اليورانيوم في الولايات المتحدة في إطار ما يسمى بمشروع مانهاتن قنبلة ذرية. للحصول على الكميات المطلوبةاليورانيوم المخصب بنسبة تصل إلى 90٪ بالنظير الخفيف 235 U - المكون الرئيسي "القابل للاحتراق" في القنبلة الذرية ، تم بناء المصانع على مساحة تبلغ حوالي أربعة آلاف هكتار. عند الخلق المركز الذريتم تخصيص أكثر من ملياري دولار للمصانع لإنتاج اليورانيوم المخصب ، وبعد الحرب ، تم تطوير وبناء مصانع لإنتاج اليورانيوم المخصب للأغراض العسكرية ، والتي تعتمد أيضًا على طريقة الفصل بالانتشار ، في الاتحاد السوفياتي. في السنوات الاخيرةلقد أفسحت هذه الطريقة الطريق لطريقة طرد مركزي أكثر كفاءة وأقل تكلفة. في هذه الطريقة ، يتم تحقيق تأثير فصل الخليط النظيري عمل مختلفقوى الطرد المركزي على مكونات الخليط النظائري الذي يملأ دوار جهاز الطرد المركزي ، وهو عبارة عن أسطوانة رقيقة الجدران محدودة من أعلى وأسفل ، تدور بسرعة عالية جدًا في حجرة مفرغة. يتم حاليًا استخدام مئات الآلاف من أجهزة الطرد المركزي المتصلة في مجموعات متتالية ، حيث يُحدث كل منها أكثر من ألف دورة في الثانية ، في محطات الفصل الحديثة في كل من روسيا والدول المتقدمة الأخرى في العالم. تستخدم أجهزة الطرد المركزي ليس فقط لإنتاج اليورانيوم المخصب اللازم لتشغيل المفاعلات النووية لمحطات الطاقة النووية ، ولكن أيضًا لإنتاج نظائر لنحو ثلاثين عنصرًا كيميائيًا في الجزء الأوسط من الجدول الدوري. من أجل الانفصال نظائر مختلفةكما تم استخدام محطات الفصل الكهرومغناطيسية ذات المصادر الأيونية القوية في السنوات الأخيرة طرق الليزرانفصال.

استخدام النظائر.تستخدم على نطاق واسع مجموعة متنوعة من نظائر العناصر الكيميائية بحث علمي، في مناطق مختلفةالصناعة والزراعة ، في الطاقة النووية, علم الأحياء الحديثوالطب والدراسات البيئية وغيرها من المجالات. في البحث العلمي (على سبيل المثال ، في تحليل كيميائي) يتطلب عادةً كميات صغيرة من النظائر النادرة عناصر مختلفة، محسوبة بالجرام وحتى بالملليغرام في السنة. في الوقت نفسه ، بالنسبة لعدد من النظائر المستخدمة على نطاق واسع في هندسة الطاقة النووية والطب والصناعات الأخرى ، يمكن أن تكون الحاجة إلى إنتاجها عدة كيلوغرامات وحتى أطنان. لذلك ، فيما يتعلق باستخدام الماء الثقيل D 2 O في المفاعلات النوويةكان إنتاجها العالمي في بداية التسعينيات من القرن الماضي حوالي 5000 طن سنويًا. ديوتيريوم نظير الهيدروجين ، وهو جزء من الماء الثقيل ، حيث يكون تركيزه في الخليط الطبيعي للهيدروجين 0.015٪ فقط ، إلى جانب التريتيوم ، في المستقبل ، وفقًا للعلماء ، سيصبح المكون الرئيسي لوقود الطاقة النووية الحرارية. مفاعلات تعمل على أساس التفاعلات الاندماج النووي. في هذه الحالة ، ستكون الحاجة إلى إنتاج نظائر الهيدروجين هائلة.

في البحث العلمي ، تُستخدم النظائر المستقرة والمشعة على نطاق واسع كمؤشرات للنظائر (ملصقات) في دراسة أكثر عمليات مختلفةتحدث في الطبيعة.

في الزراعةتُستخدم النظائر (الذرات "المسمى") ، على سبيل المثال ، لدراسة عمليات التمثيل الضوئي ، وهضم الأسمدة ، ولتحديد كفاءة استخدام النيتروجين والفوسفور والبوتاسيوم والعناصر النزرة والمواد الأخرى بواسطة النباتات.

تستخدم تقنيات النظائر على نطاق واسع في الطب. لذلك في الولايات المتحدة ، وفقًا للإحصاءات ، يتم إجراء أكثر من 36 ألف إجراء طبي يوميًا وحوالي 100 مليون اختبار معمل باستخدام النظائر. الإجراءات الأكثر شيوعًا المرتبطة بـ التصوير المقطعي. يستخدم نظير الكربون C 13 المخصب بنسبة تصل إلى 99٪ (المحتوى الطبيعي حوالي 1٪) بشكل فعال فيما يسمى "التحكم التشخيصي للتنفس". جوهر الاختبار بسيط للغاية. يتم إدخال النظير المخصب في طعام المريض ، وبعد المشاركة في عملية التمثيل الغذائي في أعضاء مختلفة من الجسم ، يتم إفرازه مع الزفير من قبل المريض. ثاني أكسيد الكربونثاني أكسيد الكربون الذي يتم جمعه وتحليله باستخدام مطياف. إن الاختلاف في معدلات العمليات المرتبطة بإطلاق كميات مختلفة من ثاني أكسيد الكربون المسمى بالنظير C 13 يجعل من الممكن الحكم على حالة مختلف أعضاء المريض. في الولايات المتحدة ، يقدر عدد المرضى الذين سيخضعون لهذا الاختبار بنحو 5 ملايين شخص سنويًا. الآن ، لإنتاج نظير C 13 عالي التخصيب في النطاق الصناعييتم استخدام طرق فصل الليزر.

معلومات مماثلة.

يحدث التحلل الإشعاعي للنواة الذرية تلقائيًا ويؤدي إلى انخفاض مستمر في عدد ذرات النظير المشع الأصلي وتراكم ذرات منتج الاضمحلال.

يتم تحديد معدل تحلل النويدات المشعة فقط من خلال درجة عدم استقرار نواتها ولا يعتمد على أي عوامل تؤثر عادة على المعدل الفيزيائي و العمليات الكيميائية(الضغط ، درجة الحرارة ، شكل كيميائيالمواد ، وما إلى ذلك). يعتبر اضمحلال كل ذرة فردية حدثًا عشوائيًا تمامًا واحتماليًا ومستقلًا عن سلوك النوى الأخرى. ومع ذلك ، إذا كان لدى النظام ما يكفي عدد كبيرإظهار الذرات المشعة النمط العام، يتألف من حقيقة أن عدد ذرات نظير مشع معين يتحلل لكل وحدة زمنية يشكل دائمًا جزءًا معينًا مميزًا لنظير معين العدد الكامللم تتحلل بعد الذرات. عدد ذرات اليورانيوم المنضب التي تعرضت للاضمحلال في فترة زمنية قصيرة D / يتناسب مع الرقم الإجماليمن الذرات المشعة غير المتحللة UU وقيمة الفاصل الزمني DL. يمكن تمثيل هذا القانون رياضيًا كنسبة:

-AN = X؟ ن؟د/.

تشير علامة الطرح إلى أن عدد الذرات المشعة نالنقصان. عامل التناسب Xيسمى ثابت الاضمحلالوهي خاصية ثابتة لنظير مشع معين. عادة ما يتم كتابة قانون الاضمحلال الإشعاعي المعادلة التفاضلية:

لذا، قانون الاضمحلال الإشعاعييمكن صياغتها على النحو التالي: لكل وحدة زمنية ، يتحلل دائمًا نفس الجزء من النوى المتاحة لمادة مشعة.

ثابت الانحلال Xله أبعاد الوقت العكسي (1 / s أو s -1). الاكثر س ،كلما زادت سرعة تحلل الذرات المشعة ، أي Xيميز معدل الاضمحلال النسبي لكل نظير مشع أو احتمال الاضمحلال نواة ذريةفي 1 ثانية. ثابت الاضمحلال هو جزء الذرات المتحللة لكل وحدة زمنية ، وهو مؤشر على عدم استقرار النويدات المشعة.

بحجم-- السرعة المطلقةالاضمحلال الإشعاعي -

يسمى النشاط. نشاط النويدات المشعة (أ) -هو عدد تحلل الذرات التي تحدث لكل وحدة زمنية. يعتمد ذلك على عدد الذرات المشعة في هذه اللحظةزمن (و)وعلى درجة عدم استقرارهم:

أ = ص ( x.

وحدة نشاط النظام الدولي للوحدات هي بيكريل(بكريل) ؛ 1 Bq هو النشاط الذي يحدث فيه تحول نووي واحد في الثانية ، بغض النظر عن نوع الاضمحلال. في بعض الأحيان يتم استخدام وحدة قياس النشاط خارج النظام - curie (Ci): 1Ci = = 3.7-10 10 Bq (عدد تحلل الذرات في 1 جم 226 ريا لكل 1 ثانية).

نظرًا لأن النشاط يعتمد على عدد الذرات المشعة ، فإن هذه القيمة تخدم مقياس كميمحتوى النويدات المشعة في العينة المدروسة.

من الناحية العملية ، من الأنسب استخدام الشكل المتكامل لقانون الانحلال الإشعاعي ، والذي يحتوي على الشكل التالي:

حيث WU 0 - عدد الذرات المشعة في اللحظة الأولى من الوقت / = 0 ؛ هو عدد الذرات المشعة المتبقية بحلول الوقت

زمن /؛ X-ثابت الاضمحلال.

لتوصيف الاضمحلال الإشعاعي ، غالبًا بدلاً من ثابت الاضمحلال Xاستخدم كمية أخرى ، مشتقها - نصف العمر. عمر النصف (T] / 2)هو الوقت الذي يستغرقه نصف الكمية الأوليةذرات مشعة.

استبدال في قانون الاضمحلال الإشعاعي القيم Г = تي 1/2و و (= Aph / 2 ، نحصل على:

CU 0/2 = # 0 ه ~ xt og-

1 /2 = ه ~ xt "/2 -, أ e xt "/ 2 = 2 أو XT 1/2 = 1p2.

يرتبط عمر النصف وثابت الاضمحلال بالعلاقة التالية:

تي س / 2= 1n2 A = 0.693 / X.

باستخدام هذا الاعتماد ، يمكن تمثيل قانون الاضمحلال الإشعاعي في شكل آخر:

TU = UU 0 (هـ) Apg ، "t t

N = و 0؟ ه- ° 't - (/ t 02.

من هذه الصيغة يترتب على ذلك أنه كلما طالت فترة نصف العمر ، كلما كان التحلل الإشعاعي أبطأ. تحدد فترات نصف العمر درجة استقرار النواة المشعة وتتنوع على نطاق واسع للنظائر المختلفة - من أجزاء من الثانية إلى مليارات السنين (انظر الملاحق). اعتمادًا على عمر النصف ، تنقسم النويدات المشعة إلى طويل العمر وقصير العمر.

نصف العمر ، إلى جانب نوع الاضمحلال وطاقة الإشعاع ، هو أهم ما يميزهأي نويدات مشعة.

على التين. يوضح الشكل 3.12 منحنى الاضمحلال للنظير المشع. يتم رسم الوقت على طول المحور الأفقي (بنصف عمر) ، و محور رأسي- عدد الذرات المشعة (أو النشاط ، حيث يتناسب مع عدد الذرات المشعة).

المنحنى عارضويقترب بشكل مقارب من محور الوقت ، ولا يعبره أبدًا. بعد فترة زمنية تساوي نصف عمر (Г 1/2) ، يتناقص عدد الذرات المشعة بمقدار مرتين ، بعد نصف عمر (2Г 1/2) ، يتناقص عدد الذرات المتبقية مرة أخرى بمقدار النصف ، بمعنى آخر. 4 مرات من العدد الأولي ، بعد 3 7 "1/2 - 8 مرات ، حتى

4G 1/2 - 16 مرة ، من خلال رنصف عمر G] / 2 - بوصة 2 رذات مرة.

نظريًا ، ستنخفض مجموعة الذرات ذات النوى غير المستقرة إلى ما لا نهاية. ومع ذلك ، من الناحية العملية ، من الضروري تعيين حد معين ، عندما تتحلل جميع النويدات المشعة بشكل مشروط. يُعتقد أن هذا يتطلب فاصل زمني قدره 107 ^ 2 ، وبعد ذلك سيبقى أقل من 0.1 ٪ من الذرات المشعة من الكمية الأولية. وبالتالي ، إذا تم أخذ الاضمحلال المادي فقط في الاعتبار ، فسوف يستغرق الأمر 290 و 300 سنة ، على التوالي ، لتطهير المحيط الحيوي تمامًا من 90 Bg (= 29 عامًا) و | 37 Cs (T | / 2 = 30 عامًا) من أصل تشيرنوبيل .

التوازن الإشعاعي.إذا تم تكوين نظير مشع جديد (ابنة) أثناء تحلل النظير المشع (الأصل) ، فيقال إنها مرتبطة وراثيًا وتشكل عائلة مشعة(صف).

دعونا ننظر في حالة النويدات المشعة ذات الصلة وراثيا ، والتي يعيش الأبوين فيها لفترة طويلة ، والبنت قصيرة العمر. مثال على ذلك هو السترونشيوم 90 5 جرام ، والذي يتم تحويله بواسطة (3-decay ( T / 2 = 64 ساعة) ويتحول إلى نوكليد زركونيوم مستقر ^ bx(انظر الشكل 3.7). نظرًا لأن 90 U تتحلل بشكل أسرع بكثير من 90 5 جم ، فبعد فترة من الوقت ستأتي اللحظة عندما يكون مقدار التحلل 90 8 جم في أي لحظة مساويًا لمقدار الانحلال 90 يو.وبعبارة أخرى ، فإن نشاط الوالد 90 8 جم (D،) ستكون مساوية لنشاط الطفل 90 ش (ل 2).عندما يحدث هذا ، يتم اعتبار 90 U في التوازن العلمانيمع النويدة المشعة الأصلية 90 8 جم. في هذه الحالة ، تكون العلاقة التالية:

أ 1 \ u003d ل 2 أو × 1؟ = × 2؟ UU 2 أو: G 1/2 (1) \ u003d UU 2: G 1/2 (2).

من العلاقة أعلاه ، يترتب على ذلك أنه كلما زاد احتمال تحلل النويدات المشعة (إلى)وبالتالي ، نصف عمر أقصر (T] / 2) ،كلما قلت ذراته في خليط من نظيرين (AO-

يتطلب إنشاء مثل هذا التوازن وقتًا يساوي تقريبًا 7T] / 2النويدات المشعة ابنة. في ظل ظروف التوازن الدنيوي ، يكون النشاط الكلي لخليط النيوكليدات ضعف نشاط النيوكليدات الأم في وقت معين. على سبيل المثال ، إذا كان المستحضر في اللحظة الأولى يحتوي على 90 8 جم فقط ، ثم بعد ذلك 7T / 2العضو الأطول عمراً في الأسرة (باستثناء سلف السلسلة) ، يتم إنشاء توازن علماني ، وتصبح معدلات الانحلال لجميع أفراد الأسرة المشعة هي نفسها. بالنظر إلى أن فترات نصف العمر لكل فرد من أفراد الأسرة مختلفة ، فإن الكميات النسبية (بما في ذلك الكتلة) للنويدات في التوازن تختلف أيضًا. الأقل تي)