Радиоактивность и радиоактивные элементы

В предыдущей главе мы обсудили, что наличие нейтронов и сильных внутриядерных взаимодействий между нуклонами придает ядру стабильность. И все-таки эта стабильность уменьшается по мере увеличения количества одноименных зарядов, то есть, протонов в ядре. Попробуйте проанализировать соотношение количества протонов и нейтронов в ядре по мере увеличения заряда ядра. Вы обнаружите, что в первых периодах Периодической системы (ПС) находятся элементы, имеющие одинаковое число протонов и нейтронов. По мере увеличения порядкового номера количество нейтронов резко обгоняет количество протонов. Висмут, элемент №83, имеет в составе ядра 83 протона и 126 нейтронов. И все-таки ядра с большим зарядом постепенно теряют стабильность. Они начинают самопроизвольно распадаться. Процесс самопроизвольного распада ядер называется естественной радиоактивностью. Элементы, все изотопы которых нестабильны, называются радиоактивными. Это элементы с зарядом ядра больше 83 (стоящие в ПС после висмута). В то же время, у более легких элементов наряду со стабильными изотопами могут существовать радиоактивные изотопы. Даже у самого легкого атома, у водорода, есть радиоактивный изотоп тритий.

Распад ядер разных элементов происходит с различной скоростью. Скорость радиоактивного распада принято характеризовать периодом полураспада (τ_1/2) – временем, за которое распадается половина всех имеющихся ядер. В отличие от химических реакций, скорость радиоактивного распада не зависит от внешних условий, а является только функцией природы данного ядра. Периоды полураспада имеют величины от долей секунды до миллиарда лет, обычно - от 10 до 30 дней. Зная период полураспада, можно рассчитать оставшуюся массу радиоактивного элемента на любой момент времени. Учитывая, что за каждый период полураспада распадается половина имеющихся в наличии ядер, можно вывести формулу, связывающую массу вещества к моменту времени τ (m_τ) c начальной его массой (m₀):

m_τ = m₀ (1/2)^τ/τ1/2

Распад ядер происходит путем излучений. Лучи (целенаправленное движение частиц), исходящие из ядра, называются радиоактивными. Основные частицы, их составляющие: α – ядра атома гелия, то есть, частицы с зарядом +2 и массой 4; β – поток электронов (заряд -1, масса 0); γ – поток фотонов высокой энергии, не имеющих заряда и массы, β⁺ - позитроны (заряд +1, масса 0).

Слово «атом» в переводе с греческого означает «неделимый». И появилось такое название потому, что в ходе химической реакции атом сохраняется всегда. Он может только потерять валентные электроны, превратившись в катион. Основным свойством химического элемента, как мы помним, является заряд ядра. Очевидно, что радиоактивные излучения способны изменить заряд ядра, то есть, превратить один элемент в другой. Закономерности таких превращений носят название – законы смещения Содди – Фаянса.

1. При испускании α-частицы элемент сдвигается на 2 клетки влево в ПС и теряет 4 а.е.м.

2. При испускании γ-частицы элемент не меняется, уносится лишняя энергия.

3. При испускании β⁺ элемент сдвигается на 1 клетку влево в ПС и не меняет массу.

4. При испускании β-частицы элемент сдвигается на 1 клетку вправо в ПС и не меняет массу.

По-видимому, требуются комментарии только к последнему положению. Остальные очевидны. Обсудим сначала, откуда в ядре атома берется электрон, ведь основные нуклоны ядра – это протоны и нейтроны. Происходит следующее: накопившаяся в ядре энергия приводит к распаду нейтрона в соответствии с приведенным уравнением – n → p + ē. Такое превращение нейтрона подчиняется закону сохранения материи. Масса протона практически равна массе нейтрона, а электрон обладает ничтожной массой. Следовательно, масса в данном процессе сохраняется. Заряд также сохраняется, так как нулевой заряд превратился в сумму положительного и отрицательного зарядов, равных по величине. Далее, электрон уходит из ядра в составе потока β-частиц, а новый протон остается, увеличивая заряд ядра на 1.

Итак, элементы с зарядом ядра 84 и более с разной скоростью распадаются. Почему же они существуют в природе? А существуют они потому, что встречаются на пути распада трех изотопов достаточно тяжелых элементов, имеющих очень низкую скорость распада, поэтому на протяжении миллионов лет поставляющих новые порции радиоактивных элементов, которые, в свою очередь, претерпевают дальнейший распад, иногда с большой скоростью. Ниже приведены периоды полураспада для этих трех нуклидов – одного изотопа тория и двух изотопов урана.

²³⁵U - 7,0^. 10⁸ лет

²³⁸U - 4,5 ^. 10⁹ лет

²³²Th - 1,4 ^.10¹⁰ лет

Получается, что ядра других радиоактивных элементов с зарядом ядра меньше +92 получаются из долгоживущих изотопов, а дальше распадаются своим путем и со своей скоростью, зависящей от их природы. Ежесекундное содержание многих из этих элементов в земной коре и атмосфере чрезвычайно мало. Их трудно обнаружить. Поэтому долгое время не были открыты предсказанные еще Д.И.Менделеевым франций, технеций и астат.

Технеций – элемент с порядковым номером 43 отсутствует в природе. Д.И.Менделеев еще в 1871 г. описал этот элемент как экамарганец. Получен же он был искусственно только в 1937 году итальянскими учеными К.Перрье и Э.Сегрэ. В настоящее время известен 21 изотоп этого элемента, в том числе и очень долгоживущие.

Франций – представитель группы щелочных металлов с зарядом ядра +87 был открыт в 1939 году (самый устойчивый из более 20 изотопов) француженкой М.Перей в продуктах распада элементов ряда актиния. Это ²²³Fr, период полураспада которого около 22 минут.

Астат - самый тяжелый из галогенов. Впервые он (изотоп ²¹¹At) искусственно получен в лаборатории Э.Сегре в США в 1940 году. В 1943 – 1946 годах некоторые изотопы астата обнаружены в составе природных радиоактивных рядов.

Элементы с зарядом ядра больше +92, то есть стоящие в ПС после урана, не могут встречаться в природе, и получены искусственно. Они носят название трансурановые.

Дата добавления: 2015-07-14