Osnovni zakon radioaktivnog raspada je vrijeme poluraspada. Osnovni zakon radioaktivnog raspada

Predavanje 2. Osnovni zakon radioaktivnog raspada i djelovanje radionuklida

Brzina raspada radionuklida je različita – neki se raspadaju brže, drugi sporije. indikator brzine radioaktivni raspad je konstanta radioaktivnog raspada, λ [sec-1], koji karakterizira vjerojatnost raspada jednog atoma u jednoj sekundi. Za svaki radionuklid konstanta raspada ima svoju vrijednost, što je veća, to se brže raspadaju jezgre tvari.

Broj raspada registriranih u radioaktivnom uzorku u jedinici vremena naziva se aktivnost (a ), odnosno radioaktivnost uzorka. Vrijednost aktivnosti izravno je proporcionalna broju atoma N radioaktivni materijal:

a =λ· N , (3.2.1)

gdje λ je konstanta radioaktivnog raspada, [sec-1].

Trenutno, prema trenutnim međunarodni sustav SI jedinice, za jedinicu mjerenja radioaktivnosti uzimaju se bekerel [Bq]. Ova jedinica je dobila ime u čast francuskog znanstvenika Henrija Becquerela, koji je otkrio fenomen 1856. prirodna radioaktivnost urana. Jedan bekerel jednak je jednom raspadu u sekundi 1 Bq = 1 .

Međutim, izvansustavna jedinica aktivnosti još uvijek se često koristi. – curie [Ključ], koju su uveli Curies kao mjeru brzine raspada jednog grama radija (u kojoj se događa ~3,7 1010 raspada u sekundi), stoga

1 Ključ= 3,7 1010 Bq.

Ova jedinica je prikladna za procjenu aktivnosti velike količine radionuklida.

Smanjenje koncentracije radionuklida tijekom vremena kao rezultat raspadanja ima eksponencijalnu ovisnost:

, (3.2.2)

gdje N t- broj atoma radioaktivnog elementa koji ostaje nakon nekog vremena t nakon početka promatranja; N 0 je broj atoma u početni trenutak vrijeme ( t =0 ); λ je konstanta radioaktivnog raspada.

Opisani odnos se zove osnovni zakon radioaktivnog raspada .

Vrijeme potrebno za polovicu ukupno radionuklidi nazivaju Pola zivota, T½ . Nakon jednog poluraspada, od 100 atoma radionuklida, ostaje samo 50 (slika 2.1). U sljedećem istom razdoblju, od ovih 50 atoma, ostaje samo 25 i tako dalje.

Odnos između poluraspada i konstante raspada izveden je iz jednadžbe za osnovni zakon radioaktivnog raspada:

na t=T½ i

dobivamo 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">;

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

Stoga se zakon radioaktivnog raspada može zapisati na sljedeći način:

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

gdje na - aktivnost lijeka tijekom vremena t ; a0 – aktivnost lijeka u početnom trenutku promatranja.

Često je potrebno odrediti aktivnost određene količine bilo koje radioaktivne tvari.

Zapamtite da je jedinica za količinu tvari mol. Mol je količina tvari koja sadrži onoliko atoma koliko ih ima u 0,012 kg = 12 g izotopa ugljika 12C.

Jedan mol bilo koje tvari sadrži Avogadrov broj NA atomi:

NA = 6,02 1023 atoma.

Za jednostavne tvari(elementi) masa jednog mola numerički odgovara atomskoj masi ALI element

1 mol = ALI G.

Na primjer: Za magnezij: 1 mol 24Mg = 24 g.

Za 226Ra: 1 mol 226Ra = 226 g, itd.

S obzirom na ono što je rečeno u m grama tvari će N atomi:

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

Primjer: Izračunajmo aktivnost 1 grama 226Ra koji ima λ = 1,38 10-11 sek-1.

a\u003d 1,38 10-11 1 / 226 6,02 1023 \u003d 3,66 1010 Bq.

Ako je radioaktivni element dio kemijskog spoja, tada se pri određivanju aktivnosti lijeka mora uzeti u obzir njegova formula. Uzimajući u obzir sastav tvari se određuje maseni udio χ radionuklid u tvari, koji je određen omjerom:

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

Primjer rješenja problema

Stanje:

Aktivnost A0 radioaktivnog elementa 32P na dan promatranja je 1000 Bq. Odredite aktivnost i broj atoma ovog elementa u tjednu. Pola zivota T½ 32P = 14,3 dana.

Odluka:

a) Pronađite aktivnost fosfora-32 nakon 7 dana:

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

Odgovor: za tjedan dana aktivnost lijeka 32P bit će 712 Bq, a broj atoma radioaktivnog izotopa 32P je 127.14 106 atoma.

test pitanja

1) Kolika je aktivnost radionuklida?

2) Imenujte jedinice radioaktivnosti i odnos među njima.

3) Kolika je konstanta radioaktivnog raspada?

4) Definirajte osnovni zakon radioaktivnog raspada.

5) Koliki je poluživot?

6) Kakav je odnos aktivnosti i mase radionuklida? Napišite formulu.

Zadaci

1. Izračunajte aktivnost 1 G 226Ra. T½ = 1602 godine.

2. Izračunajte aktivnost 1 G 60Co. T½ = 5,3 godine.

3. Jedna tenk granata M-47 sadrži 4.3 kg 238U. T½ = 2,5 109 godina. Odredite aktivnost projektila.

4. Izračunajte aktivnost 137Cs nakon 10 godina, ako je u početnom trenutku promatranja 1000 Bq. T½ = 30 godina.

5. Izračunajte aktivnost 90Sr prije godinu dana, ako je in ovaj trenutak vrijeme je jednako 500 Bq. T½ = 29 godina.

6. Koju će aktivnost 1 stvoriti kg radioizotop 131I, T½ = 8,1 dan?

7. Koristeći referentne podatke, odredite aktivnost 1 G 238U. T½ = 2,5 109 godina.

Koristeći referentne podatke, odredite aktivnost 1 G 232th, T½ = 1,4 1010 godina.

8. Izračunajte aktivnost spoja: 239Pu316O8.

9. Izračunajte masu radionuklida s aktivnošću u 1 Ključ:

9.1. 131I, T1/2=8,1 dana;

9.2. 90Sr, T1/2=29 godina;

9.3. 137Cs, T1/2=30 godina;

9.4. 239Pu, T1/2=2,4 104 godine.

10. Odredite masu 1 mCi radioaktivni izotop ugljika 14C, T½ = 5560 godina.

11. Potrebno je pripremiti radioaktivni pripravak fosfora 32P. Koliko će vremena trebati da ostane 3% lijeka? T½ = 14,29 dana.

12. Prirodna mješavina kalija sadrži 0,012% radioaktivnog izotopa 40K.

1) Odredite masu prirodni kalij, koji sadrži 1 Ključ 40 tisuća. T½ = 1,39 109 godina = 4,4 1018 sek.

2) Izračunajte radioaktivnost tla za 40K ako je poznato da je sadržaj kalija u uzorku tla 14 kg/t.

13. Koliko je vremena poluraspada potrebno da bi se početna aktivnost radioizotopa smanjila na 0,001%?

14. Da bi se odredio učinak 238U na biljke, sjeme je natopljeno u 100 ml otopina UO2(NO3)2 6H2O, u kojoj je masa radioaktivne soli bila 6 G. Odredite aktivnost i specifičnu aktivnost 238U u otopini. T½ = 4,5 109 godine.

15. Definirajte aktivnost 1 grama 232th, T½ = 1,4 1010 godina.

16. Odredite masu 1 Ključ 137Cs, T1/2=30 godina.

17. Omjer sadržaja stabilnih i radioaktivnih izotopa kalija u prirodi je stalna vrijednost. Sadržaj 40K je 0,01%. Izračunajte radioaktivnost tla za 40K ako je poznato da je sadržaj kalija u uzorku tla 14 kg/t.

18. Litogena radioaktivnost okoliš nastaje uglavnom zbog tri glavna prirodna radionuklida: 40K, 238U, 232Th. udio radioaktivni izotopi u prirodnom zbroju izotopa je 0,01, 99,3, ~100, respektivno. Izračunaj radioaktivnost 1 t tla, ako se zna da je relativni sadržaj kalija u uzorku tla 13600 g/t, uran - 1 10-4 g/t, torij - 6 10-4 g/t.

19. U školjkama školjkaša pronađeno 23200 Bq/kg 90Sr. Odredite aktivnost uzoraka nakon 10, 30, 50, 100 godina.

20. Glavno onečišćenje zatvorenih rezervoara černobilske zone dogodilo se u prvoj godini nakon nesreće u nuklearnoj elektrani. U donjim sedimentima jezera. Azbuchin je 1999. otkrio 137Cs sa specifičnom aktivnošću od 1,1 10 Bq/m2. Odrediti koncentraciju (aktivnost) taloženog 137Cs po m2 dna od 1986.-1987. (prije 12 godina).

21. 241Am (T½ = 4,32 102 godine) nastaje od 241Pu (T½ = 14,4 godine) i aktivni je geokemijski migrant. Iskorištavati referentni materijali, izračunati s točnošću od 1% smanjenje aktivnosti plutonija-241 u vremenu, u kojoj godini nakon Černobilska katastrofa stvaranje 241Am u okolini bit će maksimalno.

22. Izračunajte aktivnost 241Am u produktima emisija iz černobilskog reaktora od travnja
2015., s tim da je u travnju 1986. aktivnost 241Am iznosila 3,82 1012 Bq, T½ = 4,32 102 godine.

23. 390 pronađeno u uzorcima tla nCi/kg 137Cs. Izračunajte aktivnost uzoraka nakon 10, 30, 50, 100 godina.

24. Prosječna koncentracija onečišćenja u koritu jezera. Duboko, nalazi se u Černobilska zona otuđenje je 6,3 104 Bq 241Am i 7,4 104 238+239+240Pu po 1 m2. Izračunajte godinu u kojoj su ti podaci dobiveni.

Neophodan uvjet radioaktivni raspad je da masa izvorne jezgre mora biti veća od zbroja masa proizvoda raspada. Stoga se svaki radioaktivni raspad događa s oslobađanjem energije.

Radioaktivnost dijelimo na prirodne i umjetne. Prvi se odnosi na radioaktivne jezgre koje postoje u prirodni uvjeti, drugi - na jezgre dobivene od nuklearne reakcije u laboratorijskim uvjetima. U osnovi se međusobno ne razlikuju.

Glavne vrste radioaktivnosti uključuju α-, β- i γ-raspad. Prije nego što ih detaljnije okarakteriziramo, razmotrimo zakon tijeka ovih procesa u vremenu zajednički za sve vrste radioaktivnosti.

Identične jezgre se raspadaju u različito vrijeme, što se ne može unaprijed predvidjeti. Stoga možemo pretpostaviti da je broj jezgri koja se raspada u kratkom vremenskom razdoblju dt, proporcionalno broju N raspoložive jezgre u tom trenutku, i dt:

Integracija jednadžbe (3.4) daje:

Relacija (3.5) naziva se osnovnim zakonom radioaktivnog raspada. Kao što vidite, broj N još neraspadnutih jezgri se eksponencijalno smanjuje s vremenom.

Intenzitet radioaktivnog raspada karakterizira broj jezgara koje se raspadaju u jedinici vremena. Iz (3.4) se vidi da je ta veličina | dN / dt | = λN. To se zove aktivnost. A. Dakle, aktivnost:

.

Mjeri se u bekerelima (Bq), 1 Bq = 1 propadanje / s; a također u curieju (Ci), 1 Ci = 3,7∙10 10 Bq.

Aktivnost po jedinici mase radioaktivnog pripravka naziva se specifičnom aktivnošću.

Vratimo se formuli (3.5). Uz konstantno λ i aktivnost A proces radioaktivnog raspada karakteriziraju još dvije veličine: vrijeme poluraspada T 1/2 i prosječno vrijeme života τ jezgre.

Pola zivota T 1/2- vrijeme za koje će se početni broj radioaktivnih jezgri u prosjeku smanjiti za dva:

,

gdje

.

Prosječno trajanje života τ definiramo kako slijedi. Broj jezgri δN(t) koji je doživio propadanje tijekom određenog vremenskog razdoblja ( t, t + dt), utvrđuje se desna strana izrazi (3.4): δN(t) = λNdt. Životni vijek svake od ovih jezgri je t. Dakle, zbroj životnih vijeka svih N0 početno dostupnih jezgri određuje se integriranjem izraza tδN(t) u vremenu od 0 do ∞. Dijeljenje zbroja životnih vijeka svih N0 jezgre per N0, naći ćemo prosječni životni vijek τ kernel u pitanju:

primijeti da τ jednak je, kako slijedi iz (3.5), vremenskom intervalu tijekom kojeg se početni broj jezgri smanjuje u e jednom.

Uspoređujući (3.8) i (3.9.2), vidimo da je vrijeme poluraspada T 1/2 i srednji životni vijek τ imaju isti red i povezani su relacijom:

.

Složeni radioaktivni raspad

Složeni radioaktivni raspad može se dogoditi u dva slučaja:

fizičko značenje ovih jednadžbi je da se broj jezgri 1 smanjuje zbog njihovog raspada, a broj jezgri 2 se obnavlja zbog raspada jezgri 1 i smanjuje zbog vlastitog raspada. Na primjer, u početno vrijeme t= 0 dostupno N01 jezgre 1 i N02 jezgre 2. S takvim početnim uvjetima rješenje sustava ima oblik:

Ako u isto vrijeme N02= 0, dakle

.

Za procjenu vrijednosti N 2(t) može se koristiti grafička metoda(vidi sliku 3.2) crtanje krivulja e−λt i (1 − e−λt). Istovremeno, s obzirom na posebna svojstva funkcije e−λt vrlo je prikladno ucrtati ordinate krivulje za vrijednosti t odgovara T, 2T, … itd. (vidi tablicu 3.1). Odnos (3.13.3) i slika 3.2 pokazuju da se količina radioaktivne kćeri povećava s vremenom i t >> T2 (λ 2 t>> 1) približava se graničnoj vrijednosti:

i naziva se vjekovnim, ili svjetovna ravnoteža. Fizičko značenje sekularne jednadžbe je očito.

t	e−λt	1 − e − λt
0	1	0
1T	1/2 = 0.5	0.5
2T	(1/2) 2 = 0.25	0.75
3T	(1/2) 3 = 0.125	0.875
...	...	...
10T	(1/2) 10 ≈ 0.001	~0.999

Slika 3.3. Složeni radioaktivni raspad.

Budući da je, prema jednadžbi (3.4), λN jednak je broju raspada u jedinici vremena, tada omjer λ 1 N 1 = λ 2 N 2 znači da je broj raspada kćeri supstance λ 2 N 2 jednak je broju raspada matične tvari, t.j. broj jezgara kćeri supstance koja je nastala u ovom slučaju λ 1 N 1. Sekularna jednadžba se široko koristi za određivanje poluživota dugovječnih radioaktivne tvari. Ova se jednadžba može koristiti kada se uspoređuju dvije tvari koje se međusobno pretvaraju, od kojih druga ima puno kraći poluživot od prve ( T2 << T1) pod uvjetom da se ova usporedba izvrši na vrijeme t >> T2 (T2 << t << T1). Primjer uzastopnog raspada dviju radioaktivnih tvari je transformacija radija Ra u radon Rn. Poznato je da 88 Ra 226 emitira s vremenom poluraspada T1 >> 1600 godineα-čestice, pretvara se u radioaktivni plin radon (88 Rn 222), koji je sam radioaktivan i emitira α-čestice s vremenom poluraspada T2 ≈ 3.8 dana. U ovom primjeru samo T1 >> T2, tako za vremena t << T1 rješenje jednadžbi (3.12) može se zapisati u obliku (3.13.3).

Za daljnje pojednostavljenje potrebno je da početni broj jezgri Rn bude jednak nuli ( N02= 0 at t= 0). To se postiže posebnom postavkom eksperimenta, u kojoj se proučava proces transformacije Ra u Rn. U ovom eksperimentu pripravak Ra stavlja se u staklenu tikvicu s cijevi spojenom na pumpu. Tijekom rada crpke, oslobođeni plinoviti Rn se odmah ispumpava, a njegova koncentracija u stošcu je nula. Ako se u nekom trenutku, dok pumpa radi, konus bude izoliran od pumpe, tada od tog trenutka, što se može uzeti kao t= 0, broj jezgri Rn u stošcu počet će rasti prema zakonu (3.13.3): N Ra i N Rn- precizno vaganje, i λRn- određivanjem poluraspada Rn, koji ima vrijednost 3,8, pogodan za mjerenja dana. Dakle, četvrta vrijednost λRa može se izračunati. Ovaj izračun daje vrijeme poluraspada radija TRa ≈ 1600 godine, što se poklapa s rezultatima determinacije TRa metodom apsolutnog brojanja emitiranih α-čestica.

Radioaktivnost Ra i Rn odabrana je kao referentna pri usporedbi aktivnosti različitih radioaktivnih tvari. Po jedinici radioaktivnosti - 1 Ključ- prihvaćeno aktivnost 1 g radija ili količina radona koja je s njim u ravnoteži. Potonje se može lako pronaći iz sljedećeg obrazloženja.

Poznato je da je 1 G radij prolazi ~3,7∙10 10 u sekundi propada. Stoga.

Zakoni radioaktivnog raspada jezgri

Sposobnost jezgri da se spontano raspadnu emitiranjem čestica naziva se radioaktivnost. Radioaktivni raspad je statistički proces. Svaka radioaktivna jezgra može se raspasti u svakom trenutku, a obrazac se promatra samo u prosjeku, u slučaju raspada dovoljno velikog broja jezgri.
konstanta raspadanjaλ je vjerojatnost nuklearnog raspada u jedinici vremena.
Ako u uzorku u trenutku t ima N radioaktivnih jezgri, tada je broj jezgri dN koje su se raspale tijekom vremena dt proporcionalan N.

dN = -λNdt. (13.1)

Integriranjem (1) dobivamo zakon radioaktivnog raspada

N(t) \u003d N 0 e -λt. (13.2)

N 0 je broj radioaktivnih jezgri u trenutku t = 0.
Prosječno trajanje života τ –

. (13.3)

Pola zivota T 1/2 - vrijeme tijekom kojeg će se početni broj radioaktivnih jezgri smanjiti za polovicu

T 1/2 = ln2/λ=0,693/λ = τln2. (13.4)

Aktivnost A - prosječan broj jezgri koja se raspada u jedinici vremena

A(t) = λN(t). (13.5)

Aktivnost se mjeri u kurijema (Ci) i bekerelima (Bq)

1 Ci = 3,7 * 10 10 raspada / s, 1 Bq \u003d 1 raspada / s.

Raspad početne jezgre 1 u jezgru 2, s njezinim kasnijim raspadom u jezgru 3, opisuje se sustavom diferencijalnih jednadžbi

(13.6)

gdje je N 1 (t) i N 2 (t) broj jezgri, a λ 1 i λ 2 su konstante raspada jezgri 1 i 2, redom. Rješenje sustava (6) s početnim uvjetima N 1 (0) = N 10 ; N 2 (0) = 0 će biti

, (13.7a)

. (13.7b)

Slika 13. 1

Broj jezgri 2 doseže svoju maksimalnu vrijednost na .

Ako je λ 2< λ 1 (), суммарная активностьN 1 (t)λ 1 + N 2 (t)λ 2 будет монотонно уменьшаться.
Ako je λ 2 >λ 1 ()), ukupna aktivnost u početku raste zbog nakupljanja jezgri 2.
Ako je λ 2 >> λ 1 , s dovoljno velika vremena doprinos drugog eksponenta u (7b) postaje zanemarivo mali, u usporedbi s doprinosom prvog, a aktivnosti drugog A 2 = λ 2 N 2 i prvog izotopa A 1 = λ 1 N 1 su praktički jednake. U budućnosti će se aktivnosti i prvog i drugog izotopa mijenjati s vremenom na isti način.

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

Odnosno tzv svjetovna ravnoteža, pri čemu je broj jezgri izotopa u lancu raspada vezan jednostavnom relacijom s konstantama raspada (poluživotima).

. (13.9)

Stoga, u prirodno stanje svi izotopi genetski povezani u radioaktivnim serijama obično se nalaze u određenim kvantitativnim omjerima ovisno o njihovu poluživotu.
NA opći slučaj, kada postoji lanac raspada 1→2→...n, proces je opisan sustavom diferencijalnih jednadžbi

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

Rješavanjem sustava (10) za aktivnosti s početnim uvjetima N 1 (0) = N 10 ; N i (0) = 0 će biti

(13.12)

Prost znači da je u umnošku, koji je u nazivniku, faktor s i = m izostavljen.

izotopi

IZTOPI Sorte istog kemijskog elementa koje su slične po svojoj fizički kemijska svojstva ali s različitim atomskim masama. Naziv "izotopi" predložio je 1912. engleski radiokemičar Frederick Soddy koji ga je formirao od dva grčke riječi: isos - isto i topos - mjesto. Izotopi zauzimaju isto mjesto u stanici periodični sustav elementi Mendeljejeva.

Atom bilo kojeg kemijskog elementa sastoji se od pozitivno nabijene jezgre i oblaka negativno nabijenih elektrona koji ga okružuju ( cm.također JEZGRA ATOMA). Položaj kemijskog elementa u periodičnom sustavu Mendeljejeva (njegova serijski broj) određen je nuklearnim nabojem njegovih atoma. Stoga se vrste istog kemijskog elementa nazivaju izotopaminom, čiji atomi imaju isti nuklearni naboj (i stoga praktički isti elektronske ljuske), ali se razlikuju u vrijednostima mase jezgre. Prema figurativnom izrazu F. Soddyja, atomi izotopa isti su "izvana", ali različiti "iznutra".

Neutron je otkriven 1932. godine – čestica koja nema naboj, s masom bliskom masi jezgre atoma vodika - protona , i stvorio proton-neutronski model jezgre.Kao rezultat toga, znanost je ustanovila konačnu moderna definicija izotopi: izotopi su tvari od kojih se sastoje atomske jezgre isti broj protona i razlikuju se samo po broju neutrona u jezgri . Svaki izotop obično se označava skupom simbola, gdje je X simbol kemijskog elementa, Z je naboj atomske jezgre (broj protona), A je maseni broj izotop (ukupan broj nukleona - protona i neutrona u jezgri, A = Z + N). Budući da je naboj jezgre nedvosmisleno povezan sa simbolom kemijskog elementa, često se oznaka A X jednostavno koristi za kraticu.

Od svih nam poznatih izotopa imaju samo izotopi vodika vlastita imena. Dakle, izotopi 2 H i 3 H nazivaju se deuterij i tricij i označeni su kao D i T (izotop 1 H ponekad se naziva protij).

U prirodi se javljaju kao stabilni izotopi. , i nestabilne - radioaktivne, čije su jezgre atoma podložne spontanoj transformaciji u druge jezgre uz emisiju različitih čestica (ili procesima tzv. radioaktivnog raspada). Sada je poznato oko 270 stabilnih izotopa, a stabilni izotopi se nalaze samo u elementima s atomski broj Z J 83. Broj nestabilnih izotopa prelazi 2000, velika većina njih dobivena je umjetno kao rezultat raznih nuklearnih reakcija. Broj radioaktivnih izotopa u mnogim elementima vrlo je velik i može premašiti dva desetaka. Broj stabilnih izotopa je znatno manji. Neki kemijski elementi se sastoje od samo jednog stabilnog izotopa (berilij, fluor, natrij, aluminij, fosfor, mangan, zlato i niz drugih elemenata). Najveći broj stabilnih izotopa - 10 - pronađen je u kositru, u željezu, na primjer, ima ih 4, a u živi - 7.

Otkriće izotopa, povijesna pozadina. Godine 1808. engleski prirodoslovac John Dalton prvi je uveo definiciju kemijskog elementa kao tvari koja se sastoji od atoma jedne vrste. Godine 1869. kemičar D.I. Mendeljejev je otkriven periodični zakon kemijski elementi. Jedna od poteškoća u potkrepljivanju pojma elementa kao tvari koja zauzima određeno mjesto u stanici periodnog sustava bile su eksperimentalno promatrane necijelobrojne atomske težine elemenata. Godine 1866 engleski fizičar i kemičar - Sir William Crookes iznio je hipotezu da je svaki prirodni kemijski element mješavina tvari koje su identične po svojim svojstvima, ali imaju različite atomske mase, no u to vrijeme takva pretpostavka još nije postojala. eksperimentalna potvrda i tako je prošlo malo zapaženo.

važan korak na putu do otkrića izotopa bilo je otkriće fenomena radioaktivnosti i hipoteza radioaktivnog raspada koju su formulirali Ernst Rutherford i Frederick Soddy: radioaktivnost nije ništa drugo do raspad atoma na nabijenu česticu i atom drugog elementa , koji se po svojim kemijskim svojstvima razlikuje od originala. Kao rezultat toga, nastao je koncept radioaktivnih serija ili radioaktivnih obitelji. , na čijem se početku nalazi prvi roditeljski element, koji je radioaktivan, a na kraju - posljednji stabilan element. Analiza lanaca transformacija pokazala je da se u svom toku isti radioaktivni elementi mogu pojaviti u jednoj ćeliji periodnog sustava, samo se razlikuju atomske mase. Zapravo, to je značilo uvođenje koncepta izotopa.

Nezavisna potvrda postojanja stabilnih izotopa kemijskih elemenata tada je dobivena u eksperimentima J. J. Thomsona i Astona 1912.-1920. sa snopovima pozitivno nabijenih čestica (ili tzv. kanalnih zraka). ) koji izlazi iz cijevi za pražnjenje.

Godine 1919. Aston je dizajnirao instrument nazvan maseni spektrograf (ili maseni spektrometar) . Cijev za pražnjenje se još uvijek koristila kao izvor iona, ali Aston je pronašao način na koji je uzastopno skretanje snopa čestica u električnom i magnetska polja dovelo do fokusiranja čestica s istim omjerom naboja i mase (bez obzira na njihovu brzinu) u istoj točki na ekranu. Uz Aston, maseni spektrometar nešto drugačijeg dizajna je istih godina izradio američki Dempster. Kao rezultat naknadne upotrebe i poboljšanja masenih spektrometara trudom mnogih istraživača, do 1935. kompletna tablica izotopski sastav svih do tada poznatih kemijskih elemenata.

Metode odvajanja izotopa. Za proučavanje svojstava izotopa, a posebno za njihovu uporabu u znanstvene i primijenjene svrhe, potrebno ih je dobiti u manje ili više zamjetnim količinama. U konvencionalnim masenim spektrometrima postiže se gotovo potpuno odvajanje izotopa, ali je njihov broj zanemariv. Stoga su napori znanstvenika i inženjera bili usmjereni na potragu za drugim mogućim metodama odvajanja izotopa. Prije svega, svladali su fizikalne i kemijske metode razdvajanja temeljena na razlikama u svojstvima izotopa istog elementa, kao što su brzine isparavanja, konstante ravnoteže, brzine kemijske reakcije itd. Najučinkovitije među njima bile su metode rektifikacije i izotopske izmjene, koje se široko koriste u industrijskoj proizvodnji izotopa lakih elemenata: vodika, litija, bora, ugljika, kisika i dušika.

Drugu skupinu metoda čine takozvane molekularno-kinetičke metode: plinovita difuzija, toplinska difuzija, difuzija mase (difuzija u struji pare) i centrifugiranje. Metode difuzije plina temeljene na različita brzina difuzija izotopskih komponenti u visoko raspršenim porozni medij, korišteni su tijekom Drugoga svjetskog rata pri organiziranju industrijska proizvodnja odvajanje izotopa urana u Sjedinjenim Državama u okviru tzv. Manhattan projekta stvaranja atomska bomba. Primiti potrebne količine urana, obogaćenog do 90% laganim izotopom 235 U - glavnom "zapaljivom" komponentom atomske bombe, izgrađene su biljke koje su zauzimale površinu od oko četiri tisuće hektara. O stvaranju atomsko središte više od 2 milijarde dolara dodijeljeno je postrojenjima za proizvodnju obogaćenog urana.Poslije rata u SSSR-u su razvijena i izgrađena postrojenja za proizvodnju obogaćenog urana za vojne potrebe, također temeljena na metodi difuzijske separacije. NA posljednjih godina ova metoda je ustupila mjesto učinkovitijoj i jeftinijoj metodi centrifugiranja. U ovoj metodi se postiže učinak odvajanja izotopne smjese razne akcije centrifugalne sile na komponente izotopske smjese koja ispunjava rotor centrifuge, koji je cilindar tankih stijenki ograničen odozgo i odozdo, koji se vrti vrlo velikom brzinom u vakuumskoj komori. Stotine tisuća centrifuga povezanih u kaskade, od kojih rotor svake čini više od tisuću okretaja u sekundi, trenutno se koriste u modernim postrojenjima za separaciju kako u Rusiji tako iu drugim razvijenim zemljama svijeta. Centrifuge se ne koriste samo za proizvodnju obogaćenog urana potrebnog za pogon nuklearnih reaktora nuklearnih elektrana, već i za proizvodnju izotopa tridesetak kemijskih elemenata u srednjem dijelu periodnog sustava. Za razdvajanje razni izotopi Posljednjih godina koriste se i postrojenja za elektromagnetsku separaciju s moćnim izvorima iona laserske metode odvajanje.

Upotreba izotopa. Različiti izotopi kemijskih elemenata se široko koriste u znanstveno istraživanje, u raznim poljima industrije i poljoprivrede, u nuklearna elektrana, moderna biologija i medicine, studija okoliša i drugih područja. U znanstvenim istraživanjima (npr kemijska analiza) obično zahtijeva male količine rijetkih izotopa raznih elemenata, izračunato u gramima, pa čak i miligramima godišnje. Istodobno, za niz izotopa koji se široko koriste u nuklearnoj energiji, medicini i drugim industrijama, potreba za njihovom proizvodnjom može biti mnogo kilograma, pa čak i tona. Dakle, u vezi s korištenjem teške vode D 2 O in nuklearnih reaktora njegova globalna proizvodnja početkom 1990-ih godina prošlog stoljeća iznosila je oko 5000 tona godišnje. Izotop vodika deuterij, koji je dio teške vode, čija je koncentracija u prirodnoj smjesi vodika samo 0,015%, zajedno s tricijem, u budućnosti će, prema znanstvenicima, postati glavna komponenta goriva termonuklearne energije. reaktori koji rade na temelju reakcija nuklearna fuzija. U ovom slučaju, potreba za proizvodnjom izotopa vodika bit će ogromna.

U znanstvenim istraživanjima stabilni i radioaktivni izotopi se široko koriste kao indikatori (oznake) izotopa u proučavanju većine razne procese koji se javljaju u prirodi.

NA poljoprivreda izotopi ("obilježeni" atomi) koriste se, na primjer, za proučavanje procesa fotosinteze, probavljivosti gnojiva i za određivanje učinkovitosti korištenja dušika, fosfora, kalija, elemenata u tragovima i drugih tvari od strane biljaka.

Izotopske tehnologije se široko koriste u medicini. Tako se u SAD-u, prema statistikama, provodi više od 36 tisuća medicinskih zahvata dnevno i oko 100 milijuna laboratorijskih testova pomoću izotopa. Najčešći postupci povezani sa kompjuterizirana tomografija. Ugljični izotop C 13 obogaćen do 99% (prirodni sadržaj oko 1%) aktivno se koristi u tzv. "dijagnostičkoj kontroli disanja". Suština testa je vrlo jednostavna. Obogaćeni izotop unosi se u pacijentovu hranu i nakon sudjelovanja u metaboličkom procesu u različitim organima tijela, izlučuje se kao što je izdahnuo pacijent. ugljični dioksid CO 2 koji se skuplja i analizira spektrometrom. Razlika u brzinama procesa povezanih s oslobađanjem različitih količina ugljičnog dioksida obilježenog izotopom C 13 omogućuje procjenu stanja različitih organa pacijenta. U SAD-u se broj pacijenata koji će se podvrgnuti ovom testu procjenjuje na 5 milijuna ljudi godišnje. Sada, za proizvodnju visoko obogaćenog C 13 izotopa u industrijske razmjere koriste se metode laserskog odvajanja.

Slične informacije.

Radioaktivni raspad atomskih jezgri događa se spontano i dovodi do kontinuiranog smanjenja broja atoma izvornog radioaktivnog izotopa i nakupljanja atoma produkta raspada.

Brzina raspadanja radionuklida određena je samo stupnjem nestabilnosti njihovih jezgri i neovisna je o bilo kojem od čimbenika koji normalno utječu na brzinu fizičke i kemijski procesi(pritisak, temperatura, kemijski oblik tvari itd.). Raspad svakog pojedinog atoma potpuno je slučajan događaj, vjerojatnost i neovisan o ponašanju drugih jezgri. Međutim, ako sustav ima dovoljno veliki broj manifestiraju se radioaktivni atomi opći obrazac, koji se sastoji u činjenici da broj atoma danog radioaktivnog izotopa koji se raspada u jedinici vremena uvijek čini određeni udio karakterističan za dani izotop puni broj još ne raspadnutih atoma. Broj DUU atoma koji su prošli raspad u kratkom vremenskom intervalu D/ proporcionalan je ukupni broj neraspadnutih radioaktivnih atoma UU i vrijednosti intervala DL Ovaj zakon se matematički može predstaviti kao omjer:

-AN=X? N? D/.

Znak minus označava da je broj radioaktivnih atoma N smanjuje se. Faktor proporcionalnosti x Zove se konstanta raspadanja i konstantna je karakteristika zadanog radioaktivnog izotopa. Zakon radioaktivnog raspada obično se piše kao diferencijalna jednadžba:

Tako, zakon radioaktivnog raspada može se formulirati na sljedeći način: u jedinici vremena uvijek se raspadne isti dio raspoloživih jezgri radioaktivne tvari.

Konstanta raspada X ima dimenziju inverznog vremena (1/s ili s -1). Više x,što je brži raspad radioaktivnih atoma, t.j. x karakterizira relativnu brzinu raspada za svaki radioaktivni izotop ili vjerojatnost raspada atomska jezgra u 1 s. Konstanta raspada je udio atoma koji se raspadaju u jedinici vremena, pokazatelj nestabilnosti radionuklida.

Veličina-- apsolutna brzina radioaktivni raspad -

naziva aktivnost. Radionuklidna aktivnost (A) - je broj raspada atoma koji se javljaju u jedinici vremena. Ovisi o broju radioaktivnih atoma u ovaj trenutak vrijeme (I) i o stupnju njihove nestabilnosti:

A=Y ( x.

SI jedinica aktivnosti je bekerel(Bq); 1 Bq je aktivnost pri kojoj se događa jedna nuklearna transformacija u sekundi, bez obzira na vrstu raspada. Ponekad se koristi jedinica mjerenja aktivnosti izvan sustava - curie (Ci): 1Ci = = 3,7-10 10 Bq (broj raspada atoma u 1 g 226 Rya po 1 s).

Budući da aktivnost ovisi o broju radioaktivnih atoma, ova vrijednost služi kvantitativna mjera sadržaj radionuklida u ispitivanom uzorku.

U praksi je prikladnije koristiti integralni oblik zakona radioaktivnog raspada koji ima sljedeći oblik:

gdje je WU 0 - broj radioaktivnih atoma u početnom trenutku vremena / = 0; je broj radioaktivnih atoma preostalih do tog vremena

vrijeme /; X- konstanta raspadanja.

Za karakterizaciju radioaktivnog raspada, često umjesto konstante raspada x koristiti drugu količinu, njen derivat - vrijeme poluraspada. Poluživot (T]/2) je vrijeme potrebno za polovicu početna količina radioaktivnih atoma.

Zamjenjujući u zakon radioaktivnog raspada vrijednosti G = T 1/2 i I (= Aph/2, dobivamo:

CU 0 /2 = # 0 e~ xt og-

1 /2 = e~ xt "/2 -, a e xt "/ 2 = 2 ili XT 1/2 = 1p2.

Poluživot i konstanta raspada povezani su sljedećim odnosom:

T x/2\u003d 1n2 A \u003d 0,693 /X.

Koristeći ovu ovisnost, zakon radioaktivnog raspada može se predstaviti u drugom obliku:

TU, = UU 0 e Apg, "t t

N = I 0 ? e-°’ t - ( / t 02.

Iz ove formule proizlazi da što je dulji poluživot, to se radioaktivni raspad sporije događa. Poluživoti karakteriziraju stupanj stabilnosti radioaktivne jezgre i uvelike variraju za različite izotope - od djelića sekunde do milijardi godina (vidi dodatke). Ovisno o poluraspadu, radionuklidi se uvjetno dijele na dugog vijeka i kratkog vijeka.

Vrijeme poluraspada, zajedno s vrstom raspada i energijom zračenja, jest najvažnija karakteristika bilo koji radionuklid.

Na sl. 3.12 prikazuje krivulju raspada radioaktivnog izotopa. Vrijeme je ucrtano duž horizontalne osi (u poluraspadima), i okomita os- broj radioaktivnih atoma (ili aktivnost, budući da je proporcionalna broju radioaktivnih atoma).

Krivulja je izlagač i asimptotski se približava vremenskoj osi, nikad je ne prelazeći. Nakon vremenskog razdoblja jednakog jednom poluživotu (G 1/2), broj radioaktivnih atoma se smanjuje za 2 puta, nakon dva poluraspada (2G 1/2) broj preostalih atoma ponovno se smanjuje za polovicu, tj. 4 puta od njihovog početnog broja, nakon 3 7 "1/2 - 8 puta, kroz

4G 1/2 - 16 puta, kroz t poluraspad G]/2 - in 2 t jednom.

Teoretski, skup atoma s nestabilnim jezgrama smanjit će se do beskonačnosti. Međutim, s praktične točke gledišta, potrebno je odrediti određenu granicu, kada se uvjetno raspadnu svi radioaktivni nuklidi. Vjeruje se da je za to potreban vremenski interval od 107^2, nakon čega će od početne količine ostati manje od 0,1% radioaktivnih atoma. Dakle, ako se uzme u obzir samo fizičko raspadanje, bit će potrebno 290 odnosno 300 godina da se biosfera potpuno očisti od 90 Bg (= 29 godina) i |37 Cs (T|/ 2 = 30 godina) černobilskog porijekla .

radioaktivna ravnoteža. Ako tijekom raspada radioaktivnog izotopa (roditelja) nastane novi radioaktivni izotop (kći), onda se kaže da su genetski povezani jedni s drugima i formiraju radioaktivna obitelj(red).

Razmotrimo slučaj genetski srodnih radionuklida, od kojih je roditelj dugovječan, a kćer kratkovječna. Primjer je stroncij 90 5g, koji se pretvara u (3-raspad ( T /2 = 64 h) i prelazi u stabilan cirkonijev nuklid ^bx(Vidi sliku 3.7). Budući da se 90 U raspada puno brže od 90 5g, onda će nakon nekog vremena doći trenutak kada će količina raspadnutog 90 8g u svakom trenutku biti jednaka količini raspadnutog 90 U. Drugim riječima, aktivnost matičnog 90 8g (D,) će biti jednako aktivnosti djeteta 90 U (L 2). Kada se to dogodi, smatra se da je 90 U svjetovna ravnoteža sa svojim roditeljskim radionuklidom 90 8g. U ovom slučaju vrijedi sljedeća relacija:

A 1 \u003d L 2 ili X 1? = X 2? UU 2 ili: G 1/2 (1) \u003d UU 2: G 1/2 (2) .

Iz gornjeg odnosa proizlazi da je veća vjerojatnost raspada radionuklida (do) i, posljedično, kraći poluživot (T ]/2),što je manje njegovih atoma sadržano u mješavini dvaju izotopa (AO-

Za uspostavljanje takve ravnoteže potrebno je vrijeme jednako približno 7T ]/2 kćer radionuklida. U uvjetima sekularne ravnoteže, ukupna aktivnost mješavine nuklida je dvostruko veća od aktivnosti matičnog nuklida u danom trenutku. Na primjer, ako u početnom trenutku pripravak sadrži samo 90 8 g, onda nakon toga 7T /2 najdugovječniji član obitelji (osim pretka serije), uspostavlja se sekularna ravnoteža, a stope raspada svih članova radioaktivne obitelji postaju iste. S obzirom da su poluživoti za svakog člana obitelji različiti, relativne količine (uključujući masu) nuklida u ravnoteži također su različite. Manje T)