Radioaktywny pierwiastek chemiczny. Sztuczny pierwiastek promieniotwórczy

Do końca XIX wieku wszystkie pierwiastki chemiczne wydawały się trwałe i niepodzielne. Nie było mowy o przekształcaniu niezmiennych elementów. Ale odkrycie radioaktywności odwróciło znany nam świat i utorowało drogę do odkrycia nowych substancji.

Odkrycie radioaktywności

Honor odkrycia transformacji elementów należy do francuskiego fizyka Antoine'a Becquerela. Dla jednego doznanie chemiczne potrzebował kryształów siarczan uranowo-potasowy. Owinął substancję czarnym papierem i położył torbę obok płyty fotograficznej. Po opracowaniu filmu naukowiec zobaczył zarysy kryształów uranu na zdjęciu. Mimo grubej warstwy papieru wyraźnie się wyróżniały. Becquerel powtórzył ten eksperyment kilka razy, ale wynik był taki sam: zarysy kryształów zawierających uran były wyraźnie widoczne na płytach fotograficznych.

Wyniki odkrycia Becquerela ogłoszono na następnym spotkaniu, które odbyło się w Paryskiej Akademii Nauk. Jego sprawozdanie zaczęło się od słów "niewidzialne promieniowanie". Opisał więc wyniki swoich eksperymentów. Następnie koncepcja promieniowania zaczęła być wykorzystywana przez fizyków.

Eksperymenty Curie

Wyniki obserwacji Becquerela zainteresowały francuskich naukowców Marię i Paula Curie. Słusznie uznali, że nie tylko uran może mieć właściwości radioaktywne. Naukowcy zauważyli, że pozostałości rudy, z których ekstrahuje się tę substancję, nadal są wysoce radioaktywne. Poszukiwania elementów różniących się od początkowych doprowadziły do ​​odkrycia substancji o właściwościach zbliżonych do uranu. Nowy pierwiastek radioaktywny otrzymał nazwę polon. Takie imię Marie Curie dali substancję na cześć swojej ojczyzny - Polski. Następnie odkryto rad. Pierwiastek radioaktywny był produktem rozkładu czystego uranu. Potem zaczęła się era nowych, nie spotykanych wcześniej w przyrodzie, chemii. chemikalia.

Przedmioty

Większość obecnie znanych jąder pierwiastków chemicznych jest niestabilna. Z biegiem czasu, takie związki spontanicznie rozpadają się na inne elementy i różne drobne cząstki. Cięższy element macierzysty we wspólnocie fizyków nazywa się materiałem źródłowym. Produkty powstałe podczas rozkładu substancji określa się jako dzieci lub produkty rozkładu. Samemu procesowi towarzyszy uwalnianie różnych radioaktywnych cząstek.

Izotopy

Niestabilność pierwiastków chemicznych można wytłumaczyć istnieniem różnych izotopów tej samej substancji. Izotopy są odmianami niektórych pierwiastków układu okresowego o tych samych właściwościach, ale o różnej liczbie neutronów w jądrze. Wiele zwykłych substancji chemicznych ma co najmniej jeden izotop. Fakt, że te elementy są szeroko rozpowszechnione i dobrze zbadane, potwierdza, że ​​są one w stabilnym stanie przez arbitralnie długi czas. Ale każdy z tych "długowiecznych" pierwiastków zawiera izotopy. Ich naukowcy wytwarzają jądra w trakcie laboratoryjnych reakcji. Sztuczny pierwiastek radioaktywny wytwarzany za pomocą środków syntetycznych nie może przez dłuższy czas istnieć w stanie stabilnym i z czasem ulega rozkładowi. Ten proces może przebiegać na trzy sposoby. Pod nazwą cząstek elementarnych, które są produktami ubocznymi reakcji termojądrowej, wszystkie trzy typy rozpadów mają swoje nazwy.

Rozpad alfa

Radioaktywny pierwiastek chemiczny może być przekształcany zgodnie ze schematem pierwszego zaniku. W tym przypadku cząsteczka alfa, której energia osiąga 6 milionów eV, jest wyrzucana z jądra. Szczegółowe badanie wyników reakcji wykazało, że cząstka ta jest atomem helu. Przenosi dwa protony z jądra, więc powstały pierwiastek radioaktywny będzie miał liczbę atomową w układzie okresowym o dwie pozycje niższe niż w substancji macierzystej.

Rozpad beta

Reakcji beta rozpadu towarzyszy emisja jednego elektronu z jądra. Pojawienie się tej cząstki w atomie wiąże się z rozpadem neuronu w elektron, proton i neutrino. Gdy elektron opuszcza jądro, radioaktywny pierwiastek chemiczny zwiększa swoją liczbę atomową o jedną jednostkę i staje się cięższy niż jego rodzic.

Zaniki gamma

W przypadku rozpadu gamma jądro emituje wiązkę fotonów o różnych energiach. Promienie te nazywane są promieniowaniem gamma. W tym procesie pierwiastek promieniotwórczy nie jest modyfikowany. Po prostu traci swoją energię.

Sama niestabilność, jaką posiada pierwiastek radioaktywny, wcale nie oznacza, że ​​z pewną ilością izotopów nasza substancja nagle zanika, uwalniając ogromną energię. W rzeczywistości rozpad rdzenia przypomina gotowanie popcornu - chaotyczny ruch ziaren kukurydzy na patelni i nie wiadomo, który z nich zostanie ujawniony jako pierwszy. Prawo reakcji rozpadu radioaktywnego może zagwarantować tylko, że w pewnym okresie czasu liczba cząstek z jądra, proporcjonalna do liczby nukleonów pozostających w jądrze, wyleci z jądra. W języku matematyki proces ten można opisać za pomocą następującej formuły:

dN = λNdt.

Tutaj na twarzy jest proporcjonalna zależność liczby nukleonów dN opuszczających jądro w okresie dt, na liczbie wszystkich nukleonów obecnych w jądrze N. Współczynnik λ jest stałą radioaktywności substancji rozkładającej.

Liczba nukleonów pozostałych w jądrze w chwili t jest opisana wzorem:

N = N ₀ e ^-λt _,

w którym N ₀ to liczba nukleonów w jądrze na początku obserwacji.

Na przykład pierwiastek radioaktywny z atomem o liczbie atomowej 85 odkryto dopiero w 1940 roku. Jego okres półtrwania jest dość długi - 7,2 godziny. Zawartość radioaktywnego halogenku (astatu) na całej planecie nie przekracza jednego grama czystej substancji. W ten sposób, w 3,1 godziny, jego ilość w teorii powinna zostać teoretycznie zmniejszona o połowę. Ale ciągłe procesy rozkładu uranu i toru dają początek nowym i nowym atomom astatu, choć w bardzo małych dawkach. Dlatego jego wielkość w przyrodzie pozostaje stabilna.

Pół życia

Stała radioaktywności służy do ustalenia, przy pomocy której szybko rozpada się badany pierwiastek. Ale dla praktycznych problemów, fizycy często używają ilości zwanej okresem półtrwania. Wskaźnik ten określa, jak długo substancja straci dokładnie połowę swoich nukleonów. Dla różnych izotopów okres ten waha się od małych ułamków sekundy do miliardów lat.

Ważne jest, aby zrozumieć, że czas w tym równaniu nie sumuje się, ale mnoży. Na przykład, jeśli w czasie t substancja straci połowę swoich nukleonów, to w ciągu 2t straci drugą połowę reszty - czyli jedną czwartą pierwotnej liczby nukleonów.

Pojawienie się pierwiastków promieniotwórczych

Naturalnie substancje radioaktywne powstają w górnej atmosferze Ziemi, w jonosferze. Pod działaniem promieniowania kosmicznego gaz na dużej wysokości ulega różnym zmianom, które zamieniają stabilną substancję w pierwiastek radioaktywny. Najpopularniejszym gazem w naszej atmosferze jest N ₂ , na przykład ze stabilnego izotopu, azot-14 przekształca się w radioaktywny izotop węgla-14.

W dzisiejszych czasach znacznie częściej pierwiastek radioaktywny powstaje w łańcuchu reakcji chemicznych wywołanych przez rozszczepienie atomowe. Jest to nazwa procesu, w którym rdzeń substancji macierzystej rozpada się na dwie spółki zależne, a następnie na cztery radioaktywne wnuki. Klasycznym przykładem jest izotop uranu 238. Jego okres półtrwania wynosi 4,5 miliarda lat. Niemal tyle naszych planet istnieje. Po dziesięciu etapach rozpadu radioaktywny uran przekształca się w stabilny ołów 206. Sztucznie otrzymany pierwiastek radioaktywny nie różni się od swoich właściwości od naturalnego odpowiednika.

Praktyczne znaczenie promieniotwórczości

Po katastrofie w Czarnobylu wielu poważnie rozmawiało o ograniczaniu programów rozwojowych. elektrownie jądrowe. Ale w kategoriach krajowych radioaktywność przynosi ludzkości ogromne korzyści. Badanie możliwości jego praktycznego zastosowania zajmuje się nauką radiografii. Na przykład radioaktywny fosfor podaje się pacjentowi w celu uzyskania pełnego obrazu złamań kości. Energia jądrowa służy również do generowania ciepła i energii elektrycznej. Być może w przyszłości czekamy na nowe odkrycia w tej niesamowitej dziedzinie nauki.