Sheria ya msingi ya kuoza kwa mionzi ni nusu ya maisha. Sheria ya msingi ya kuoza kwa mionzi

Hotuba ya 2. Sheria ya msingi ya kuoza kwa mionzi na shughuli za radionuclides

Kiwango cha kuoza kwa radionuclides ni tofauti - baadhi huharibika haraka, wengine polepole. Kiashiria cha kasi kuoza kwa mionzi ni kuoza kwa mionzi mara kwa mara, λ [sekunde-1], ambayo inaashiria uwezekano wa kuoza kwa atomi moja katika sekunde moja. Kwa kila radionuclide, mara kwa mara ya kuoza ina thamani yake mwenyewe, ni kasi ya viini vya kuoza kwa dutu.

Idadi ya kuoza iliyorekodiwa katika sampuli ya mionzi kwa kila wakati wa kitengo inaitwa shughuli (a ), au mionzi ya sampuli. Thamani ya shughuli inalingana moja kwa moja na idadi ya atomi N dutu ya mionzi:

a =λ· N , (3.2.1)

Wapi λ - kuoza kwa mionzi mara kwa mara, [sec-1].

Hivi sasa, kulingana na hali ya sasa Mfumo wa kimataifa Vitengo vya SI, vilivyochukuliwa kama kitengo cha kipimo cha mionzi becquerel [Bk]. Kitengo hiki kilipokea jina lake kwa heshima ya mwanasayansi wa Ufaransa Henri Becquerel, ambaye aligundua jambo hilo mnamo 1856. mionzi ya asili urani. Becquerel moja ni sawa na kuoza moja kwa sekunde 1 Bk = 1 .

Hata hivyo, kitengo cha shughuli zisizo za mfumo bado hutumiwa mara nyingi – curie [Ki], iliyoletwa na Curies kama kipimo cha kiwango cha kuoza kwa gramu moja ya radiamu (ambayo ~ 3.7 1010 huharibika kwa sekunde), kwa hivyo.

1 Ki= 3.7 · 1010 Bk.

Kitengo hiki kinafaa kwa kutathmini shughuli kiasi kikubwa radionuclides.

Kupungua kwa mkusanyiko wa radionuclide kwa muda kama matokeo ya kuoza kunatii uhusiano wa kielelezo:

, (3.2.2)

Wapi N t- idadi ya atomi za kipengele cha mionzi iliyobaki baada ya muda t baada ya kuanza kwa uchunguzi; N 0 - idadi ya atomi ndani wakati wa kuanzia muda ( t =0 ); λ - kuoza kwa mionzi mara kwa mara.

Utegemezi ulioelezewa unaitwa sheria ya msingi ya kuoza kwa mionzi .

Wakati inachukua kwa nusu ya jumla ya nambari radionuclides inaitwa nusu uhai, T½ . Baada ya nusu ya maisha, kati ya atomi 100 za radionuclide, 50 tu hubakia (Mchoro 2.1). Katika kipindi kama hicho kijacho, kati ya hizi atomi 50, ni 25 tu zilizobaki, na kadhalika.

Uhusiano kati ya nusu ya maisha na uozo mara kwa mara unatokana na mlingano wa sheria ya msingi ya kuoza kwa mionzi:

katika t=T½ Na

tunapata 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">;

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

Kwa hivyo, sheria ya kuoza kwa mionzi inaweza kuandikwa kama ifuatavyo:

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

Wapi katika - shughuli za madawa ya kulevya kwa muda t ; a0 - shughuli ya dawa wakati wa uchunguzi wa awali.

Mara nyingi ni muhimu kuamua shughuli ya kiasi fulani cha dutu yoyote ya mionzi.

Kumbuka kwamba kitengo cha wingi wa dutu ni mole. Mole ni kiasi cha dutu iliyo na idadi sawa ya atomi kama ilivyo katika kilo 0.012 = 12 g ya isotopu ya kaboni 12C.

Mole moja ya dutu yoyote ina nambari ya Avogadro N.A. atomi:

N.A. = 6.02 · atomi 1023.

Kwa vitu rahisi(vipengele) wingi wa mole moja hulingana kiidadi na wingi wa atomiki A kipengele

1 mol = A G.

Kwa mfano: Kwa magnesiamu: 1 mol 24Mg = 24 g.

Kwa 226Ra: 1 mol 226Ra = 226 g, nk.

Kwa kuzingatia yale ambayo yamesemwa katika m gramu ya dutu itakuwa N atomi:

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

Mfano: Wacha tuhesabu shughuli ya gramu 1 ya 226Ra, ambayo ina λ = 1.38 · 10-11 sek-1.

a= 1.38 · 10-11 · 1/226 · 6.02 · 1023 = 3.66 · 1010 Bq.

Ikiwa kipengele cha mionzi ni sehemu ya kiwanja cha kemikali, basi wakati wa kuamua shughuli za madawa ya kulevya ni muhimu kuzingatia formula yake. Kuzingatia utungaji wa dutu, imedhamiriwa sehemu ya molekuli χ radionuclide katika dutu, ambayo imedhamiriwa na uwiano:

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

Mfano wa suluhisho la shida

Hali:

Shughuli A0 kipengele cha mionzi 32P kwa siku ya uchunguzi ni 1000 Bk. Bainisha shughuli na idadi ya atomi za kipengele hiki baada ya wiki. Nusu uhai T½ 32P = siku 14.3.

Suluhisho:

a) Wacha tupate shughuli ya fosforasi-32 baada ya siku 7:

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

Jibu: baada ya wiki, shughuli ya dawa 32P itakuwa 712 Bk, na idadi ya atomi za isotopu ya mionzi 32P ni 127.14 · atomi 106.

Maswali ya kudhibiti

1) Shughuli ya radionuclide ni nini?

2) Taja vitengo vya radioactivity na uhusiano kati yao.

3) Je, kuoza kwa mionzi mara kwa mara ni nini?

4) Bainisha sheria ya msingi ya kuoza kwa mionzi.

5) nusu ya maisha ni nini?

6) Kuna uhusiano gani kati ya shughuli na wingi wa radionuclide? Andika fomula.

Kazi

1. Kukokotoa shughuli 1 G 226Ra. T½ = miaka 1602.

2. Kukokotoa shughuli 1 G 60Co. T½ = miaka 5.3.

3. Ganda moja la tank ya M-47 lina 4.3 kilo 238U. Т½ = 2.5 · miaka 109. Amua shughuli ya projectile.

4. Kuhesabu shughuli ya 137Cs baada ya miaka 10, ikiwa wakati wa uchunguzi wa awali ni sawa na 1000. Bk. T½ = miaka 30.

5. Hesabu shughuli ya 90Sr mwaka mmoja uliopita, ikiwa ndani kwa sasa wakati ni sawa na 500 Bk. T½ = miaka 29.

6. Ni aina gani ya shughuli 1 itaunda? kilo radioisotopu 131I, T½ = siku 8.1?

7. Kwa kutumia data ya marejeleo, bainisha shughuli 1 G 238U. Т½ = 2.5 · miaka 109.

Kwa kutumia data ya marejeleo, bainisha shughuli 1 G 232Th, Т½ = 1.4 · miaka 1010.

8. Kuhesabu shughuli ya kiwanja: 239Pu316O8.

9. Kokotoa wingi wa radionuclide na shughuli ya 1 Ki:

9.1. 131I, T1/2=siku 8.1;

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

9.3. 137Cs, Т1/2=miaka 30;

9.4. 239Pu, Т1/2=2.4 · miaka 104.

10. Amua wingi 1 mCi isotopu ya kaboni ya mionzi 14C, T½ = miaka 5560.

11. Ni muhimu kuandaa maandalizi ya mionzi ya fosforasi 32P. Baada ya muda gani 3% ya dawa itabaki? Т½ = siku 14.29.

12. Mchanganyiko wa asili wa potasiamu una 0.012% ya isotopu ya mionzi ya 40K.

1) Kuamua wingi potasiamu ya asili, ambayo ina 1 Ki 40K. Т½ = 1.39 · miaka 109 = 4.4 · 1018 sek.

2) Kuhesabu mionzi ya udongo kwa kutumia 40K, ikiwa inajulikana kuwa maudhui ya potasiamu kwenye sampuli ya udongo ni 14. kg/t.

13. Ni nusu ngapi za maisha zinahitajika ili shughuli ya awali ya radioisotopu ipungue hadi 0.001%?

14. Kuamua athari ya 238U kwenye mimea, mbegu zililowekwa katika 100 ml suluhisho UO2(NO3)2 6H2O, ambayo wingi wa chumvi ya mionzi ilikuwa 6 G. Amua shughuli na shughuli maalum ya 238U katika suluhisho. Т½ = 4.5 · 109 miaka.

15. Tambua shughuli 1 gramu 232Th, Т½ = 1.4 · miaka 1010.

16. Amua wingi 1 Ki 137Cs, Т1/2=miaka 30.

17. Uwiano kati ya maudhui ya isotopu imara na ya mionzi ya potasiamu katika asili ni thamani ya mara kwa mara. Maudhui ya 40K ni 0.01%. Kuhesabu mionzi ya udongo kwa kutumia 40K, ikiwa inajulikana kuwa maudhui ya potasiamu kwenye sampuli ya udongo ni 14. kg/t.

18. Lithogenic radioactivity mazingira huundwa hasa kutokana na radionuclides tatu kuu za asili: 40K, 238U, 232Th. Shiriki isotopu za mionzi kwa jumla ya asili ya isotopu ni 0.01, 99.3, ~100, mtawaliwa. Kuhesabu mionzi 1 T udongo, ikiwa inajulikana kuwa maudhui ya jamaa ya potasiamu kwenye sampuli ya udongo ni 13600 g/t, urani - 1 · 10-4 g/t, waturiamu - 6 · 10-4 g/t.

19. 23,200 zilipatikana katika shells za moluska za bivalve Bq/kg 90Sr. Amua shughuli za sampuli baada ya miaka 10, 30, 50, 100.

20. Uchafuzi mkuu wa hifadhi zilizofungwa katika eneo la Chernobyl ulifanyika katika mwaka wa kwanza baada ya ajali katika kiwanda cha nguvu za nyuklia. Katika mchanga wa chini wa ziwa. Azbuchin mwaka 1999 aligundua 137Cs na shughuli maalum ya 1.1 · 10 Bq/m2. Amua mkusanyiko (shughuli) ya 137C zilizoanguka kwa kila m2 ya mchanga wa chini kama 1986-1987. (miaka 12 iliyopita).

21. 241Am (T½ = 4.32·miaka 102) imeundwa kutoka 241Pu (T½ = miaka 14.4) na ni mhamiaji hai wa kijiokemia. Kuchukua faida nyenzo za kumbukumbu, hesabu kwa usahihi wa 1% kupungua kwa shughuli ya plutonium-241 kwa muda, ambayo mwaka baada ya Maafa ya Chernobyl uundaji wa 241am katika mazingira utakuwa wa juu.

22. Kokotoa shughuli ya 241am katika utoaji wa hewa safi ya kinu cha Chernobyl kufikia Aprili
2015, mradi tu Aprili 1986 shughuli ya 241Am ilikuwa 3.82 1012 Bk,Т½ = 4.32 · miaka 102.

23. 390 zilipatikana kwenye sampuli za udongo nCi/kg 137Cs. Kuhesabu shughuli za sampuli baada ya miaka 10, 30, 50, 100.

24. Mkusanyiko wa wastani wa uchafuzi wa vitanda vya ziwa. Glubokoye, iliyoko eneo la Chernobyl kutengwa ni 6.3 · 104 Bk 241Am na 7.4 · 104 238+239+240Pu kwa 1 m2. Hesabu ni mwaka gani data hizi zilipatikana.

Sharti kuoza kwa mionzi ni kwamba wingi wa kiini cha awali lazima uzidi jumla ya wingi wa bidhaa za kuoza. Kwa hiyo, kila kuoza kwa mionzi hutokea kwa kutolewa kwa nishati.

Mionzi imegawanywa katika asili na bandia. Ya kwanza inahusiana na nuclei za mionzi zilizopo ndani hali ya asili, pili - kwa viini vilivyopatikana kupitia athari za nyuklia V hali ya maabara. Kimsingi hawana tofauti kutoka kwa kila mmoja.

Aina kuu za mionzi ni pamoja na α-, β- na γ-decays. Kabla ya kuwaonyesha kwa undani zaidi, hebu tuzingatie sheria ya tukio la michakato hii kwa muda, kawaida kwa kila aina ya radioactivity.

Viini vinavyofanana huharibika kwa nyakati tofauti, ambazo haziwezi kutabiriwa mapema. Kwa hiyo, tunaweza kudhani kwamba idadi ya nuclei kuoza katika kipindi cha muda mfupi dt, sawia na nambari N cores zinazopatikana kwa wakati huu, na dt:

Kuunganisha equation (3.4) inatoa:

Uhusiano (3.5) inaitwa sheria ya msingi ya kuoza kwa mionzi. Kama unaweza kuona, nambari N idadi ya viini ambavyo bado havijaoza hupungua kwa kasi kadri muda unavyopita.

Nguvu ya kuoza kwa mionzi inaonyeshwa na idadi ya kuoza kwa viini kwa wakati wa kitengo. Kutoka (3.4) ni wazi kwamba wingi huu | dN / dt | = λN. Inaitwa shughuli A. Kwa hivyo shughuli:

.

Inapimwa kwa becquerels (Bq), 1 Bk = 1 kuoza/s; na pia katika curies (Ci), 1 Ci = 3.7∙10 10 Bq.

Shughuli kwa kila kitengo cha dawa ya mionzi inaitwa shughuli maalum.

Wacha turudi kwenye fomula (3.5). Pamoja na mara kwa mara λ na shughuli A mchakato wa kuoza mionzi ina sifa ya kiasi mbili zaidi: nusu ya maisha T 1/2 na wastani wa maisha τ kokwa.

Nusu uhai T 1/2- wakati ambapo idadi ya awali ya nuclei ya mionzi itapungua kwa nusu kwa wastani:

,

wapi

.

Muda wa wastani wa maisha τ Hebu tufafanue kama ifuatavyo. Idadi ya cores δN(t), ambayo ilipata kuoza kwa muda ( t, t + dt), imedhamiriwa upande wa kulia maneno (3.4): δN(t) = Ndt. Maisha ya kila moja ya viini hivi ni t. Hii inamaanisha jumla ya maisha ya kila mtu N 0 ya viini vilivyopatikana awali imedhamiriwa kwa kuunganisha usemi tδN(t) kwa wakati kutoka 0 hadi ∞. Kugawanya jumla ya maisha ya wote N 0 cores kwa N 0, tutapata wastani wa maisha τ ya kernel inayohusika:

taarifa, hiyo τ ni sawa, kama ifuatavyo kutoka (3.5), hadi kipindi cha wakati ambapo idadi ya awali ya viini hupungua kwa e mara moja.

Kulinganisha (3.8) na (3.9.2), tunaona kwamba nusu ya maisha T 1/2 na wastani wa maisha τ zina mpangilio sawa na zinahusiana na uhusiano:

.

Uozo tata wa mionzi

Kuoza kwa mionzi ngumu kunaweza kutokea katika kesi mbili:

Maana ya kimwili ya milinganyo hii ni kwamba idadi ya nuclei 1 hupungua kutokana na kuoza kwao, na idadi ya nuclei 2 hujazwa tena kutokana na kuoza kwa nuclei 1 na hupungua kwa sababu ya kuoza kwake. Kwa mfano, wakati wa mwanzo wa wakati t= 0 inapatikana N 01 cores 1 na N 02 2 cores na hali kama hizi za awali, suluhisho la mfumo lina fomu:

Ikiwa wakati huo huo N 02= 0, basi

.

Ili kukadiria thamani N 2(t) inaweza kutumika njia ya picha(ona Mchoro 3.2) mikunjo ya kupanga e−λt na (1 - e−λt) Wakati huo huo, kwa mtazamo mali maalum kazi e−λt ni rahisi sana kuunda ordinates za curve kwa maadili t, sambamba T, 2T, … na kadhalika. (tazama jedwali 3.1). Uhusiano (3.13.3) na Mchoro 3.2 unaonyesha kuwa kiasi cha dutu ya mionzi ya binti huongezeka kadiri wakati na t >> T 2 (λ 2 t>> 1) inakaribia thamani yake ya kikomo:

na inaitwa karne nyingi, au usawa wa kidunia. Maana ya kimwili ya equation ya zamani ni dhahiri.

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

Kielelezo 3.3. Uozo tata wa mionzi.

Kwa kuwa, kulingana na equation (3.4), λN ni sawa na idadi ya kuoza kwa wakati wa kitengo, kisha uhusiano λ 1 N 1 = λ 2 N 2 ina maana kwamba idadi ya kuoza ya dutu binti λ 2 N 2 sawa na idadi ya kuoza kwa dutu ya mzazi, i.e. idadi ya viini vya dutu ya binti iliyoundwa katika kesi hii λ 1 N 1. Equation ya kidunia hutumiwa sana kuamua nusu ya maisha ya muda mrefu vitu vyenye mionzi. Equation hii inaweza kutumika wakati wa kulinganisha vitu viwili vinavyobadilishana, ambayo ya pili ina nusu ya maisha mafupi kuliko ya kwanza ( T 2 << T 1) mradi ulinganisho huu unafanywa wakati huo t >> T 2 (T 2 << t << T 1) Mfano wa kuoza kwa mlolongo wa vitu viwili vya mionzi ni mabadiliko ya radium Ra katika radon Rn. 88 Ra 226 inajulikana kutoa na nusu ya maisha T 1 >> 1600 miakaα-chembe hugeuka kuwa gesi ya mionzi radoni (88 Rn 222), ambayo yenyewe ni mionzi na hutoa chembe za α na nusu ya maisha. T 2 ≈ 3.8 siku. Katika mfano huu, tu T 1 >> T 2, hivyo kwa nyakati t << T 1 suluhisho la equations (3.12) linaweza kuandikwa kwa fomu (3.13.3).

Kwa kurahisisha zaidi, ni muhimu kwamba nambari ya awali ya nuclei Rn iwe sawa na sifuri ( N 02= 0 kwa t= 0). Hii inafanikiwa kwa kuanzisha majaribio maalum ambayo mchakato wa kubadilisha Ra kuwa Rn unasomwa. Katika jaribio hili, dawa ya Ra huwekwa kwenye chupa ya glasi na bomba iliyounganishwa na pampu. Wakati wa uendeshaji wa pampu, Rn ya gesi iliyotolewa mara moja hutolewa nje, na mkusanyiko wake katika koni ni sifuri. Ikiwa kwa wakati fulani, wakati pampu inafanya kazi, koni imetengwa na pampu, basi kutoka wakati huu, ambayo inaweza kuchukuliwa kama t= 0, idadi ya nuclei Rn katika koni itaanza kuongezeka kwa mujibu wa sheria (3.13.3):N Ra na N Rn- uzani sahihi, na λn- kwa kuamua Rn ya nusu ya maisha, ambayo ina thamani rahisi kwa vipimo vya 3.8 siku. Hivyo wingi wa nne λ Ra inaweza kuhesabiwa. Hesabu hii inatoa nusu ya maisha ya radium T Ra ≈ 1600 miaka, ambayo inafanana na matokeo ya ufafanuzi T Ra njia ya kuhesabu kabisa chembe α-iliyotolewa.

Ra na Rn ya mionzi ilichaguliwa kama kiwango wakati wa kulinganisha shughuli za vitu mbalimbali vya mionzi. Kwa kila kitengo cha mionzi - 1 Ki- kukubalika shughuli ya 1 g ya radium au kiasi cha radoni katika usawa nayo. Mwisho unaweza kupatikana kwa urahisi kutoka kwa hoja zifuatazo.

Inajulikana kuwa 1 G radiamu hupitia ~3.7∙10 10 kwa sekunde kuoza. Kwa hiyo.

Sheria za kuoza kwa mionzi ya viini

Uwezo wa nuclei kuoza kwa hiari, chembe zinazotoa moshi, huitwa radioactivity. Kuoza kwa mionzi ni mchakato wa takwimu. Kila kiini cha mionzi kinaweza kuoza wakati wowote na muundo unazingatiwa tu kwa wastani, katika kesi ya kuoza kwa idadi kubwa ya kutosha ya viini.
Kuoza mara kwa maraλ ni uwezekano wa kuoza kwa nyuklia kwa kila kitengo cha wakati.
Ikiwa kuna viini vya mionzi N katika sampuli kwa wakati t, basi idadi ya nuclei dN iliyooza wakati wa dt inalingana na N.

dN = -λNdt. (13.1)

Kuunganisha (1) tunapata sheria ya kuoza kwa mionzi

N(t) = N 0 e -λt . (13.2)

N 0 ni nambari ya viini vyenye mionzi kwa wakati t = 0.
Muda wa wastani wa maisha τ –

. (13.3)

Nusu uhai T 1/2 - wakati ambapo idadi ya awali ya nuclei ya mionzi itapungua kwa nusu

T 1/2 = ln2/λ=0.693/λ = τln2. (13.4)

Shughuli A - wastani wa idadi ya viini vinavyooza kwa kila wakati wa kitengo

A(t) = λN(t). (13.5)

Shughuli hupimwa kwa curies (Ci) na becquerels (Bq)

1 Ki = 3.7 * 10 10 kuoza / s, 1 Bq = 1 kuoza / s.

Kuoza kwa kiini cha 1 kuwa kiini cha 2, na kufuatiwa na kuoza kwake kuwa kiini cha 3, kunaelezewa na mfumo wa milinganyo tofauti.

(13.6)

ambapo N 1 (t) na N 2 (t) ni idadi ya nuclei, na λ 1 na λ 2 ni viunga vya kuoza vya nuclei 1 na 2, kwa mtiririko huo. Suluhisho la mfumo (6) na hali ya awali N 1 (0) = N 10; N 2 (0) = 0 itakuwa

, (13.7a)

. (13.7b)

Kielelezo 13. 1

Idadi ya cores 2 hufikia thamani ya juu zaidi katika .

Ikiwa λ2< λ 1 (), суммарная активностьN 1 (t)λ 1 + N 2 (t)λ 2 будет монотонно уменьшаться.
Ikiwa λ 2 > λ 1 ()), jumla ya shughuli huongezeka mwanzoni kwa sababu ya mkusanyiko wa viini 2.
Ikiwa λ 2 >> λ 1 , na ya kutosha nyakati kubwa mchango wa kielelezo cha pili katika (7b) inakuwa kidogo kidogo ikilinganishwa na mchango wa kwanza na shughuli za pili A 2 = λ 2 N 2 na isotopu za kwanza A 1 = λ 1 N 1 ni karibu sawa. Katika siku zijazo, shughuli za isotopu za kwanza na za pili zitabadilika kwa wakati kwa njia ile ile.

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

Hiyo ni, kinachojulikana usawa wa umri, ambayo idadi ya nuclei ya isotopu katika mlolongo wa kuoza inahusiana na vipengele vya kuoza (nusu ya maisha) kwa uhusiano rahisi.

. (13.9)

Kwa hivyo katika hali ya asili isotopu zote zinazohusiana na vinasaba katika mfululizo wa mionzi kwa kawaida hupatikana katika uwiano fulani wa kiasi kulingana na nusu ya maisha yao.
KATIKA kesi ya jumla, wakati kuna mlolongo wa kuoza 1→2→...n, mchakato unaelezewa na mfumo wa milinganyo tofauti.

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

Suluhisho la mfumo (10) kwa shughuli zilizo na hali ya awali N 1 (0) = N 10; N i (0) = 0 itakuwa

(13.12)

Mkuu ina maana kwamba katika bidhaa ambayo ni katika denominator, sababu na i = m imeachwa.

Isotopu

ISOTOPES- aina za kipengele sawa cha kemikali ambazo zinafanana katika zao kimwili kemikali mali, lakini kuwa na wingi tofauti wa atomiki. Jina "isotopu" lilipendekezwa mnamo 1912 na mtaalam wa radiochemist wa Kiingereza Frederick Soddy, ambaye aliiunda kutoka mbili. Maneno ya Kigiriki: isos - sawa na topos - mahali. Isotopu huchukua nafasi sawa kwenye seli meza ya mara kwa mara Vipengele vya Mendeleev.

Atomi ya kipengele chochote cha kemikali huwa na kiini chenye chaji chanya na wingu la elektroni zenye chaji hasi zinazoizunguka ( sentimita.Pia NUCLEUS YA ATOM). Nafasi ya kitu cha kemikali kwenye jedwali la upimaji la Mendeleev (yake nambari ya serial) imedhamiriwa na malipo ya kiini cha atomi zake. Isotopu kwa hivyo huitwa aina za kitu sawa cha kemikali, atomi ambazo zina malipo sawa ya nyuklia (na, kwa hivyo, sawa. makombora ya elektroniki), lakini hutofautiana katika maadili ya msingi ya wingi. Kwa mujibu wa usemi wa mfano wa F. Soddy, atomi za isotopu ni sawa "nje", lakini tofauti "ndani".

Neutron iligunduliwa mnamo 1932 – chembe ambayo haina malipo, na wingi karibu na wingi wa kiini cha atomi ya hidrojeni - protoni , na mfano wa protoni-neutroni wa kiini uliundwa Matokeo yake, sayansi ilianzisha mwisho ufafanuzi wa kisasa dhana za isotopu: isotopu ni vitu ambavyo viini vya atomiki vinajumuisha idadi sawa protoni na hutofautiana tu katika idadi ya nyutroni kwenye kiini . Kila isotopu kawaida huonyeshwa na seti ya alama, ambapo X ni ishara ya kipengele cha kemikali, Z ni malipo ya kiini cha atomiki (idadi ya protoni), A ni idadi ya wingi isotopu (jumla ya idadi ya nucleons - protoni na neutroni katika kiini, A = Z + N). Kwa kuwa malipo ya kiini inaonekana kuhusishwa kipekee na ishara ya kipengele cha kemikali, nukuu A X mara nyingi hutumiwa kwa ufupisho.

Kati ya isotopu zote zinazojulikana kwetu, isotopu za hidrojeni pekee ndizo zinazo majina sahihi. Kwa hivyo, isotopu 2 ​​H na 3 H huitwa deuterium na tritium na huteuliwa D na T, kwa mtiririko huo (isotopu 1 H wakati mwingine huitwa protium).

Hutokea katika asili kama isotopu thabiti , na isiyo imara - ya mionzi, nuclei ya atomi ambayo inaweza kubadilika kwa hiari ndani ya nuclei nyingine na utoaji wa chembe mbalimbali (au michakato ya kinachojulikana kama kuoza kwa mionzi). Takriban isotopu 270 thabiti sasa zinajulikana, na isotopu thabiti zinapatikana tu katika vitu vilivyo na nambari ya atomiki Z Ј 83. Idadi ya isotopu zisizo imara huzidi 2000, wengi wao walipatikana kwa njia ya bandia kutokana na athari mbalimbali za nyuklia. Idadi ya isotopu za mionzi ya vitu vingi ni kubwa sana na inaweza kuzidi dazeni mbili. Idadi ya isotopu thabiti ni ndogo sana Baadhi ya vipengele vya kemikali vinajumuisha isotopu moja tu imara (berili, florini, sodiamu, alumini, fosforasi, manganese, dhahabu na idadi ya vipengele vingine). Idadi kubwa zaidi ya isotopu thabiti - 10 - ilipatikana katika bati, kwa mfano katika chuma kuna 4, na katika zebaki - 7.

Ugunduzi wa isotopu, asili ya kihistoria. Mnamo 1808, mwanasayansi wa Kiingereza John Dalton alianzisha ufafanuzi wa kipengele cha kemikali kama dutu inayojumuisha atomi za aina moja. Mnamo 1869, mwanakemia D.I. iligunduliwa na Mendeleev sheria ya mara kwa mara vipengele vya kemikali. Mojawapo ya matatizo katika kuthibitisha dhana ya kipengele kama dutu inayochukua nafasi fulani katika kisanduku cha jedwali la upimaji ilikuwa uzani wa vipengele usio kamili wa atomiki ulioangaliwa kwa majaribio. Mnamo 1866 Mwanafizikia wa Kiingereza na mwanakemia Sir William Crookes aliweka mbele dhana kwamba kila kipengele cha kemikali asilia ni mchanganyiko fulani wa vitu ambavyo vinafanana katika mali zao, lakini vina molekuli tofauti za atomiki, lakini wakati huo dhana kama hiyo bado haikuwa nayo. uthibitisho wa majaribio na hivyo kupitisha taarifa kidogo.

Hatua muhimu Katika njia ya ugunduzi wa isotopu, ugunduzi wa hali ya mionzi na nadharia ya kuoza kwa mionzi iliyoandaliwa na Ernst Rutherford na Frederick Soddy: mionzi sio chochote zaidi ya kuoza kwa atomi ndani ya chembe iliyoshtakiwa na atomi ya kitu kingine. , tofauti na mali zake za kemikali kutoka kwa asili. Kama matokeo, wazo la safu za mionzi au familia zenye mionzi liliibuka , mwanzoni kuna kipengele cha kwanza cha mzazi, ambacho ni mionzi, na mwisho - mwisho kipengele imara. Uchambuzi wa minyororo ya mabadiliko ilionyesha kuwa wakati wa kozi yao, vitu sawa vya mionzi vinaweza kuonekana kwenye seli moja ya mfumo wa upimaji, tofauti tu. wingi wa atomiki. Kwa kweli, hii ilimaanisha kuanzishwa kwa dhana ya isotopu.

Uthibitisho wa kujitegemea wa kuwepo kwa isotopu thabiti za vipengele vya kemikali ulipatikana katika majaribio ya J. J. Thomson na Aston mnamo 1912-1920 na mihimili ya chembe zenye chaji (au kinachojulikana kama mihimili ya chaji). ) inayotoka kwenye bomba la kutokwa.

Mnamo mwaka wa 1919, Aston alitengeneza chombo kinachoitwa mass spectrograph (au mass spectrometer). . Bomba la kutokwa lilikuwa bado linatumika kama chanzo cha ioni, lakini Aston alipata njia ambayo mtiririko wa mtiririko wa boriti ya chembe katika umeme na. mashamba ya sumaku ilisababisha kuangazia kwa chembe zenye uwiano sawa wa chaji-kwa-misa (bila kujali kasi yao) katika hatua sawa kwenye skrini. Pamoja na Aston, spectrometer ya molekuli ya muundo tofauti kidogo iliundwa katika miaka hiyo hiyo na American Dempster. Kama matokeo ya matumizi ya baadaye na uboreshaji wa spectrometers nyingi kupitia juhudi za watafiti wengi, karibu 1935. meza kamili nyimbo za isotopiki za vipengele vyote vya kemikali vinavyojulikana wakati huo.

Njia za kutenganisha isotopu. Ili kusoma mali ya isotopu na haswa kwa matumizi yao kwa madhumuni ya kisayansi na kutumika, inahitajika kuipata kwa idadi zaidi au isiyoonekana. Katika spectrometers ya kawaida ya molekuli, karibu mgawanyo kamili wa isotopu hupatikana, lakini wingi wao ni mdogo sana. Kwa hivyo, juhudi za wanasayansi na wahandisi zililenga kutafuta njia zingine zinazowezekana za kutenganisha isotopu. Awali ya yote, walikuwa mastered mbinu za physico-kemikali mgawanyiko kulingana na tofauti katika mali kama hizo za isotopu za kitu sawa na viwango vya uvukizi, viwango vya usawa, athari za kemikali Nakadhalika. Ufanisi zaidi kati yao ulikuwa njia za kurekebisha na kubadilishana isotopu, ambazo hutumiwa sana katika uzalishaji wa viwanda wa isotopu za vipengele vya mwanga: hidrojeni, lithiamu, boroni, kaboni, oksijeni na nitrojeni.

Kundi jingine la mbinu linajumuisha kinachojulikana kama njia za kinetic za molekuli: uenezi wa gesi, uenezi wa mafuta, kuenea kwa wingi (kuenea kwa mtiririko wa mvuke), centrifugation. Njia za usambazaji wa gesi kulingana na kasi tofauti uenezaji wa vipengele vya isotopiki katika kutawanywa sana vyombo vya habari vya porous, zilitumika wakati wa Vita vya Kidunia vya pili kuandaa uzalishaji viwandani mgawanyo wa isotopu za uranium nchini Marekani kama sehemu ya kinachojulikana kama Mradi wa Manhattan kuunda bomu ya atomiki. Kwa kupata kiasi kinachohitajika uranium iliyoboreshwa hadi 90% na isotopu nyepesi 235 U, sehemu kuu "inayoweza kuwaka" ya bomu la atomiki, mimea ilijengwa, ikichukua eneo la hekta elfu nne. Ili kuunda kituo cha atomiki Zaidi ya dola bilioni 2 zilitengwa na mimea kwa ajili ya uzalishaji wa uranium iliyoboreshwa Baada ya vita, mimea kwa ajili ya uzalishaji wa uranium iliyoboreshwa kwa madhumuni ya kijeshi, pia kulingana na njia ya kueneza ya kujitenga, ilitengenezwa na kujengwa katika USSR. KATIKA miaka iliyopita njia hii ilitoa njia kwa njia ya ufanisi zaidi na ya gharama nafuu ya centrifugation. Kwa njia hii, athari za kujitenga kwa mchanganyiko wa isotopu hupatikana kwa vitendo mbalimbali vikosi vya centrifugal juu ya vipengele vya mchanganyiko wa isotopu kujaza rotor centrifuge, ambayo ni silinda nyembamba-walled mdogo juu na chini, inazunguka kwa kasi ya juu sana katika chumba utupu. Mamia ya maelfu ya centrifuges iliyounganishwa katika cascades, rotor ya kila mmoja ambayo hufanya mapinduzi zaidi ya elfu kwa sekunde, kwa sasa hutumiwa katika mimea ya kisasa ya kujitenga nchini Urusi na katika nchi nyingine zilizoendelea za dunia. Centrifuges hutumika sio tu kutengeneza uranium iliyorutubishwa inayohitajika kuwezesha vinu vya nyuklia vya vinu vya nyuklia, lakini pia kutengeneza isotopu za kemikali takriban thelathini katika sehemu ya kati ya jedwali la mara kwa mara. Kwa kujitenga isotopu mbalimbali Vitengo vya kutenganisha sumakuumeme na vyanzo vyenye nguvu vya ioni pia hutumiwa, na katika miaka ya hivi karibuni pia vimeenea. njia za laser migawanyiko.

Utumiaji wa isotopu. Isotopu mbalimbali za vipengele vya kemikali hutumiwa sana katika utafiti wa kisayansi, V maeneo mbalimbali viwanda na kilimo, katika nishati ya nyuklia, biolojia ya kisasa na dawa, utafiti wa mazingira na nyanja zingine. Katika utafiti wa kisayansi (kwa mfano, uchambuzi wa kemikali) kwa kawaida huhitaji kiasi kidogo cha isotopu adimu vipengele mbalimbali, iliyohesabiwa kwa gramu na hata milligrams kwa mwaka. Wakati huo huo, kwa idadi ya isotopu zinazotumiwa sana katika nishati ya nyuklia, dawa na viwanda vingine, hitaji la uzalishaji wao linaweza kufikia kilo nyingi na hata tani. Hivyo, kuhusiana na matumizi ya maji nzito D 2 O in vinu vya nyuklia uzalishaji wake wa kimataifa mwanzoni mwa miaka ya 1990 ya karne iliyopita ulikuwa takriban tani 5,000 kwa mwaka. Isotopu ya hidrojeni deuterium, ambayo ni sehemu ya maji mazito, mkusanyiko wa ambayo katika mchanganyiko wa asili wa hidrojeni ni 0.015% tu, pamoja na tritium, itakuwa katika siku zijazo, kulingana na wanasayansi, kuwa sehemu kuu ya mafuta ya nishati ya nyuklia. mitambo inayofanya kazi kwa msingi wa athari muunganisho wa nyuklia. Katika kesi hii, haja ya uzalishaji wa isotopu za hidrojeni itakuwa kubwa sana.

Katika utafiti wa kisayansi, isotopu thabiti na zenye mionzi hutumiwa sana kama viashiria vya isotopiki (vifuatiliaji) katika utafiti wa wengi. michakato mbalimbali kutokea katika asili.

KATIKA kilimo isotopu (atomi "zilizoandikwa") hutumiwa, kwa mfano, kusoma michakato ya usanisinuru, usagaji chakula wa mbolea, na kuamua ufanisi wa matumizi ya mimea ya nitrojeni, fosforasi, potasiamu, vitu vya kufuatilia, na vitu vingine.

Teknolojia za isotopu hutumiwa sana katika dawa. Kwa hivyo, huko USA, kulingana na takwimu, zaidi ya taratibu elfu 36 za matibabu hufanywa kwa siku na vipimo vya maabara milioni 100 kwa kutumia isotopu. Taratibu za kawaida zinazohusiana na tomografia ya kompyuta. Isotopu ya kaboni C13, iliyoboreshwa hadi 99% (maudhui ya asili kuhusu 1%), hutumiwa kikamilifu katika kinachojulikana kama "udhibiti wa kupumua wa uchunguzi". Kiini cha mtihani ni rahisi sana. Isotopu iliyoboreshwa huletwa ndani ya chakula cha mgonjwa na, baada ya kushiriki katika mchakato wa kimetaboliki katika viungo mbalimbali vya mwili, hutolewa kama inavyotolewa na mgonjwa. kaboni dioksidi CO 2 ambayo hukusanywa na kuchambuliwa kwa kutumia spectrometer. Tofauti katika viwango vya taratibu zinazohusiana na kutolewa kwa kiasi tofauti cha dioksidi kaboni, iliyoandikwa na isotopu ya C 13, inafanya uwezekano wa kuhukumu hali ya viungo mbalimbali vya mgonjwa. Nchini Marekani, idadi ya wagonjwa ambao watafanyiwa kipimo hiki inakadiriwa kuwa milioni 5 kwa mwaka. Sasa kwa ajili ya uzalishaji wa isotopu iliyoboreshwa sana C 13 in kiwango cha viwanda njia za kutenganisha laser hutumiwa.

Taarifa zinazohusiana.

Kuoza kwa mionzi ya viini vya atomiki hutokea kwa hiari na husababisha kupungua kwa kuendelea kwa idadi ya atomi za isotopu ya awali ya mionzi na mkusanyiko wa atomi za bidhaa ya kuoza.

Kiwango cha kuoza kwa radionuclides imedhamiriwa tu na kiwango cha kukosekana kwa utulivu wa viini vyake na haitegemei mambo yoyote ambayo kawaida huathiri kiwango cha mwili na kiakili. michakato ya kemikali(shinikizo, joto, fomu ya kemikali vitu, nk). Kuoza kwa kila chembe ya mtu binafsi ni tukio la nasibu kabisa, linalowezekana na lisilotegemea tabia ya viini vingine. Hata hivyo, ikiwa mfumo una kutosha idadi kubwa atomi za mionzi hujidhihirisha muundo wa jumla, ikijumuisha ukweli kwamba idadi ya atomi za isotopu ya mionzi inayooza kwa kila wakati wa kitengo daima hufanya sehemu fulani ya nambari kamili atomi ambazo bado hazijaoza. Idadi ya atomi za DUU ambazo zimeharibika kwa muda mfupi D/ ni sawia na jumla ya nambari atomi za mionzi zisizoharibika VU na thamani ya muda wa DL Sheria hii inaweza kuwakilishwa kihisabati kama uhusiano.

-AN = X ? N? D/.

ishara minus inaonyesha kwamba idadi ya atomi mionzi N hupungua. Sababu ya uwiano X inaitwa kuoza mara kwa mara na ni tabia ya mara kwa mara ya isotopu ya mionzi iliyotolewa. Sheria ya kuoza kwa mionzi kawaida huandikwa kwa fomu equation tofauti:

Kwa hiyo, sheria ya kuoza kwa mionzi inaweza kutengenezwa kama ifuatavyo: kwa muda wa kitengo, sehemu sawa ya viini vinavyopatikana vya dutu ya mionzi daima huoza.

Kuoza mara kwa mara X ina mwelekeo wa wakati kinyume (1/s au s -1). zaidi X, kasi ya kuoza kwa atomi za mionzi hutokea, i.e. X hubainisha kiwango cha uozo cha jamaa kwa kila isotopu ya mionzi au uwezekano wa kuoza kiini cha atomiki katika 1 s. Kiwango cha kuoza ni sehemu ya atomi kuoza kwa wakati wa kitengo, kiashiria cha kutokuwa na utulivu wa radionuclide.

Ukubwa-- kasi kabisa kuoza kwa mionzi -

inayoitwa shughuli. Shughuli ya radionuclide (A) - Hii ni idadi ya miozo ya atomiki inayotokea kwa kila kitengo cha wakati. Inategemea idadi ya atomi za mionzi ndani wakati huu wakati (NA) na kwa kiwango cha ukosefu wao wa utulivu:

A=Y ( X.

Kitengo cha SI cha shughuli ni becquerel(Bq); 1 Bq - shughuli ambayo mabadiliko moja ya nyuklia hutokea kwa pili, bila kujali aina ya kuoza. Wakati mwingine kitengo cha kipimo cha shughuli za nje ya mfumo hutumiwa - curie (Ci): 1Ci = 3.7-10 10 Bq (idadi ya kuoza kwa atomi katika 1 g 226 RAA katika 1 s).

Kwa kuwa shughuli inategemea idadi ya atomi za mionzi, thamani hii hutumika kipimo cha kiasi maudhui ya radionuclides katika sampuli iliyosomwa.

Kwa mazoezi, ni rahisi zaidi kutumia fomu muhimu ya sheria ya kuoza kwa mionzi, ambayo ina fomu ifuatayo:

wapi U0 - idadi ya atomi za mionzi wakati wa mwanzo wa wakati / = 0; - idadi ya atomi za mionzi iliyobaki kwa sasa

wakati /; X- kuoza mara kwa mara.

Ili kuashiria uozo wa mionzi, mara nyingi badala ya kuoza mara kwa mara X Wanatumia wingi mwingine unaotokana nayo - nusu ya maisha. Nusu ya maisha (T]/2)- hiki ni kipindi cha muda ambacho nusu ya kiasi cha awali atomi za mionzi.

Kubadilisha maadili G = katika sheria ya kuoza kwa mionzi T 1/2 Na NA (= Af/2, tunapata:

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

1 /2 = e ~ xt "/2 -, A e xt "/ 2 = 2 au HT 1/2 = 1p2.

Uhai wa nusu na uozo mara kwa mara unahusiana na uhusiano ufuatao:

T x/2=1п2 А = 0.693 /X.

Kutumia uhusiano huu, sheria ya kuoza kwa mionzi inaweza kuwasilishwa kwa njia nyingine:

TU, = УУ 0 e Apg, "t

N = na 0? e-°’ t - ( / t 02.

Kutoka kwa formula hii inafuata kwamba muda mrefu wa nusu ya maisha, polepole kuoza kwa mionzi hutokea. Maisha ya nusu yanaonyesha kiwango cha uthabiti wa kiini cha mionzi na hutofautiana sana kwa isotopu tofauti - kutoka kwa sehemu za sekunde hadi mabilioni ya miaka (tazama viambatisho). Kulingana na nusu ya maisha yao, radionuclides imegawanywa kwa kawaida ya muda mrefu na ya muda mfupi.

Nusu ya maisha, pamoja na aina ya kuoza na nishati ya mionzi, ni sifa muhimu zaidi radionuclide yoyote.

Katika Mtini. Mchoro 3.12 unaonyesha mkunjo wa isotopu ya mionzi. Mhimili wa usawa unawakilisha wakati (katika nusu ya maisha), na mhimili wima- idadi ya atomi za mionzi (au shughuli, kwa kuwa ni sawia na idadi ya atomi za mionzi).

Curve ni kielelezo na bila dalili inakaribia mhimili wa wakati bila kuuvuka. Baada ya kipindi cha muda sawa na nusu ya maisha (Г 1/2), idadi ya atomi za mionzi hupungua kwa mara 2 baada ya nusu ya maisha (2Г 1/2), idadi ya atomi iliyobaki inapungua tena kwa nusu; yaani Mara 4 kutoka kwa nambari yao ya awali, baada ya 3 7" 1/2 - mara 8, baada ya

4G 1/2 - mara 16, kupitia T nusu ya maisha Г ]/2 - ndani 2 t mara moja.

Kinadharia, idadi ya atomi zilizo na nuclei zisizo imara itapungua hadi infinity. Hata hivyo, kutokana na mtazamo wa vitendo, kikomo fulani kinapaswa kuteuliwa wakati nuclides zote za mionzi zimeharibika. Inaaminika kuwa hii inahitaji muda wa 107 ^, 2, baada ya hapo chini ya 0.1% ya atomi za mionzi itabaki ya kiasi cha awali. Kwa hivyo, ikiwa tutazingatia uozo wa kimwili tu, itachukua miaka 290 na 300, kwa mtiririko huo, kusafisha kabisa biosphere ya 90 Bg (= miaka 29) na |37 Cz (T|/ 2 = miaka 30) ya asili ya Chernobyl. .

Usawa wa mionzi. Ikiwa, wakati wa kuoza kwa isotopu ya mionzi (mzazi), isotopu mpya ya mionzi (binti) huundwa, basi inasemekana kuwa na uhusiano wa kijeni kwa kila mmoja na kuunda. familia ya mionzi(safu).

Hebu tuchunguze kesi ya radionuclides zinazohusiana na maumbile, ambayo mzazi anaishi muda mrefu na binti ni mfupi. Mfano ni strontium 90 5g, ambayo inabadilishwa na (3-kuoza ( T / 2 = 64 h) na hugeuka kuwa nuclide ya zirconium imara ^Ъх(tazama Mchoro 3.7). Tangu 90 U kuoza kwa kasi zaidi kuliko 90 5g, baada ya muda fulani itakuja wakati ambapo kiasi cha kuoza 90 8g wakati wowote itakuwa sawa na kiasi cha kuoza 90 U. Kwa maneno mengine, shughuli ya mzazi 90 8g. (D,) itakuwa sawa na shughuli ya binti 90 U (L 2). Wakati hii itatokea, 90 V inachukuliwa kuwa ndani usawa wa kidunia na mzazi wake radionuclide 90 8g. Katika kesi hii, uhusiano unashikilia:

A 1 = L 2 au X 1? = X 2?УУ 2 au: Г 1/2(1) = УУ 2: Г 1/2(2) .

Kutoka kwa uhusiano hapo juu inafuata kwamba uwezekano mkubwa wa kuoza kwa radionuclide (Kwa) na, ipasavyo, nusu ya maisha mafupi (T ]/2), kidogo atomi zake zimo katika mchanganyiko wa isotopu mbili (AO-

Kuanzisha usawa kama huo kunahitaji muda wa takriban 7T ]/2 binti radionuclide. Chini ya hali ya usawa wa kidunia, jumla ya shughuli ya mchanganyiko wa nyuklidi ni ya juu mara mbili ya shughuli ya nuclide kuu kwa wakati fulani. Kwa mfano, ikiwa wakati wa awali dawa ina 90 8g tu, basi baada 7T /2 mwanafamilia aliyeishi kwa muda mrefu zaidi (isipokuwa babu wa mfululizo), usawa wa kidunia umeanzishwa, na viwango vya kuoza vya wanachama wote wa familia ya mionzi huwa sawa. Kwa kuzingatia kwamba nusu ya maisha kwa kila mwanachama wa familia ni tofauti, kiasi cha jamaa (ikiwa ni pamoja na wingi) wa nuclides katika usawa pia ni tofauti. kidogo T )