Радиоактивтілікті зерттеу тарихы 1896 жылы 1 наурызда атақты француз ғалымы Анри Беккерель уран тұздарының сәулеленуіндегі біртүрлілікті кездейсоқ ашқан кезде басталды. Үлгімен бір қорапта орналасқан фотопластинкалар жарықтандырылғаны анықталды. Бұған уран әкелген оғаш, өте енетін радиация. Бұл қасиет периодтық кестені толтыратын ең ауыр элементтерде табылды. Оған "радиоактивтілік" деген атау берілді.
Радиоактивтілік сипаттамаларымен таныстыру
Бұл процесс элементар бөлшектердің (электрондардың, гелий атомдарының ядроларының) бір мезгілде бөлінуімен элемент изотопының атомының басқа изотопқа өздігінен өзгеруі. Атомдардың түрленуі сырттан энергияны жұтуды қажет етпейтін өздігінен жүретін болып шықты. Радиоактивті ыдырау кезіндегі энергияның бөліну процесін сипаттайтын негізгі шама белсенділік деп аталады.
Радиактивті үлгінің белсенділігі - берілген үлгінің уақыт бірлігіндегі ыдырауының ықтимал саны. SI (International System)оның өлшем бірлігі беккерель (Bq) деп аталады. 1 беккерельде мұндай үлгінің белсенділігі алынады, онда секундына орта есеппен 1 ыдырау орын алады.
А=λN, мұндағы λ – ыдырау тұрақтысы, N – үлгідегі белсенді атомдар саны.
α, β, γ-ыдырауларды бөліңіз. Сәйкес теңдеулер орын ауыстыру ережелері деп аталады:
| атауы | Не болып жатыр | Реакция теңдеуі |
| α-ыдырау | гелий атомының ядросының бөлінуімен Х атом ядросының Y ядросына айналуы | ZAX→Z-2YA- 4 +2Ол4 |
| β - ыдырау | электронның бөлінуімен X атом ядросының Y ядросына айналуы | ZAX→Z+1YA +-1eA |
| γ - ыдырау | өзегінің өзгеруімен қатар жүрмейді, энергия электромагниттік толқын түрінде шығарылады | ZXA→ZXA +γ |
Радиоактивтіліктегі уақыт аралығы
Бөлшектердің ыдырау моментін осы нақты атом үшін анықтау мүмкін емес. Ол үшін бұл үлгі емес, «апат» сияқты. Бұл процесті сипаттайтын энергияның бөлінуі үлгінің белсенділігі ретінде анықталады.
Берілген үлгідегі атомдардың тура жартысы ыдырайтын уақыт бар екені анықталды. Бұл уақыт аралығы «жартылай шығарылу кезеңі» деп аталады. Бұл тұжырымдаманы енгізудің мәні неде?
Жартылай ыдырау кезеңі дегеніміз не?
Белгілі бір уақыт аралығында берілген үлгідегі барлық белсенді атомдардың тура жартысы ыдырайтын сияқты. Бірақ бұл екі жартылай ыдырау уақытында барлық белсенді атомдар толығымен ыдырайтынын білдіре ме? Мүлде жоқ. Белгілі бір сәттен кейін радиоактивті элементтердің жартысы үлгіде қалады, сол уақыттан кейін қалған атомдардың жартысы ыдырайды және т.б. Бұл жағдайда радиация ұзақ уақыт бойы сақталады, жартылай ыдырау кезеңінен айтарлықтай асып түседі. Бұл белсенді атомдар сәулеленуге қарамастан үлгіде қалады дегенді білдіреді
Жартылай ыдырау периоды – берілген заттың қасиеттеріне ғана тәуелді мән. Мөлшердің мәні көптеген белгілі радиоактивті изотоптар үшін анықталды.
Кесте: "Жеке изотоптардың ыдырауының жартылай ыдырау периоды"
| Аты | Тағайындау | Шыру түрі | Жартылай шығарылу кезеңі |
| Радиум |
88Ra219 |
альфа | 0, 001 секунд |
| Магний | 12Mg27 | бета | 10 минут |
| Радон | 86Rn222 | альфа | 3, 8 түн |
| Кобальт | 27Co60 | бета, гамма | 5, 3 жыл |
| Радиум | 88Ra226 | альфа, гамма | 1620жыл |
| Уран | 92U238 | альфа, гамма | 4,5 миллиард жыл |
Жартылай ыдырау периодын анықтау эксперименталды түрде жүргізіледі. Зертханалық зерттеулер барысында белсенділік бірнеше рет өлшенеді. Зертханалық үлгілер минималды өлшемді болғандықтан (зерттеушінің қауіпсіздігі ең маңызды), эксперимент әртүрлі уақыт интервалдарымен, бірнеше рет қайталанып жүргізіледі. Ол заттардың белсенділігінің өзгеру заңдылығына негізделген.
Жартылай ыдырау кезеңін анықтау үшін берілген үлгінің белсенділігі белгілі бір уақыт аралықтарында өлшенеді. Бұл параметрдің ыдыраған атомдар санына байланысты екенін ескере отырып, радиоактивті ыдырау заңын пайдалана отырып, жартылай ыдырау периоды анықталады.
Изотоп анықтамасының мысалы
Берілген уақыт моментіндегі зерттелетін изотоптың белсенді элементтерінің саны N болсын, бақылау жүргізілетін уақыт аралығы t2- t 1, мұнда бақылаудың басталу және аяқталу уақыты жеткілікті жақын. n берілген уақыт интервалында ыдырайтын атомдар саны деп есептейік, онда n=KN(t2- t1).
Бұл өрнекте K=0,693/T½ пропорционалдық коэффициенті болып табылады, ол ыдырау тұрақтысы деп аталады. T½ - изотоптың жартылай шығарылу кезеңі.
Уақыт аралығын бірлік ретінде алайық. Бұл жағдайда K=n/N уақыт бірлігінде ыдырауда болатын изотоптар ядроларының үлесін көрсетеді.
Ыдырау константасының мәнін біле отырып, ыдыраудың жартылай ыдырау кезеңін де анықтауға болады: T½=0,693/K.
Осыдан белгілі бір уақыт бірлігінде белсенді атомдардың белгілі бір саны емес, олардың белгілі бір бөлігі ыдырайтыны шығады.
Радиоактивті ыдырау заңы (LRR)
Жартылай шығарылу кезеңі RRR негізі болып табылады. Үлгіні Фредерико Содди мен Эрнест Рутерфорд 1903 жылы эксперименттік зерттеулердің нәтижелеріне сүйене отырып шығарған. Бір ғажабы, ХХ ғасырдың басындағы жағдайдағы кемелден алыс құрылғылармен жасалған бірнеше өлшемдер дәл және орынды нәтижеге әкелді. Ол радиоактивтілік теориясының негізі болды. Радиоактивті ыдырау заңының математикалық белгісін шығарайық.
- N0берілген уақыттағы белсенді атомдар саны болсын. Кейінt уақыт аралығы, N элемент ыдырамай қалады.
- Жартылай ыдырау кезеңіне тең уақыт нүктесінде белсенді элементтердің дәл жартысы қалады: N=N0/2.
- Тағы бір жартылай шығарылу кезеңінен кейін үлгіде келесілер қалады: N=N0/4=N0/22 активті атомдар.
- Тағы бір жартылай шығарылу кезеңі өткеннен кейін үлгі тек мыналарды сақтайды: N=N0/8=N0/ 23.
- n жартылай ыдырау кезеңі өткен кезде үлгіде N=N0/2белсенді бөлшектер қалады. Бұл өрнекте n=t/T½: зерттеу уақытының жартылай шығарылу кезеңіне қатынасы.
- ZRR сәл басқаша математикалық өрнекке ие, есептерді шешуге ыңғайлы: N=N02-t/ T½.
Үлгі жартылай ыдырау периодымен қатар белгілі бір уақытта ыдырамаған белсенді изотоп атомдарының санын анықтауға мүмкіндік береді. Бақылаудың басында үлгі атомдарының санын біле отырып, біраз уақыттан кейін бұл препараттың қызмет ету мерзімін анықтауға болады.
Радиактивті ыдырау заңының формуласы жартылай ыдырау периоды белгілі бір параметрлер болған жағдайда ғана анықтауға көмектеседі: үлгідегі белсенді изотоптар саны, оны анықтау өте қиын.
Заңның салдары
Сіз RRR формуласын препараттың белсенділігі мен атомдық массасы ұғымдарын пайдалана отырып жаза аласыз.
Активтілік радиоактивті атомдар санына пропорционал: A=A0•2-t/T. Бұл формулада A0 – уақыттың бастапқы сәтіндегі үлгінің белсенділігі, A –t секундтан кейінгі белсенділік, T - жартылай шығарылу кезеңі.
Заттың массасын үлгіде пайдалануға болады: m=m0•2-t/T
Кез келген тең уақыт аралықтарында осы препараттағы радиоактивті атомдардың бірдей үлесі ыдырайды.
Заңның қолданылу шегі
Заң барлық мағынада статистикалық болып табылады, микроәлемде болып жатқан процестерді анықтайды. Радиоактивті элементтердің жартылай ыдырау периоды статистикалық шама екені анық. Атом ядроларындағы оқиғалардың ықтималдық сипаты кез келген уақытта ерікті ядроның ыдырауы мүмкін екенін көрсетеді. Оқиғаны болжау мүмкін емес, тек белгілі бір уақытта оның ықтималдығын анықтауға болады. Нәтижесінде жартылай шығарылу кезеңі мағынасыз:
- бір атом үшін;
- ең аз салмақ үлгісі үшін.
Атомның өмір сүру уақыты
Атомның бастапқы күйінде болуы бір секундқа немесе миллиондаған жылға созылуы мүмкін. Сондай-ақ бұл бөлшектің өмір сүру ұзақтығы туралы айтудың қажеті жоқ. Атомдардың өмір сүру ұзақтығының орташа мәніне тең мәнді енгізу арқылы радиоактивті изотоп атомдарының болуы, радиоактивті ыдырау салдары туралы айтуға болады. Атом ядросының жартылай ыдырау периоды осы атомның қасиеттеріне байланысты және басқа шамаларға тәуелді емес.
Мәселені шешу мүмкін бе: орташа өмір сүру уақытын біле отырып, жартылай ыдырау периодын қалай табуға болады?
Атомның орташа өмір сүру уақыты мен ыдырау тұрақтысы арасындағы байланыстың жартылай ыдырау кезеңінің формуласын анықтаңыздәл солай көмектеседі.
τ=T1/2/ln2=T1/2/0, 693=1/ λ.
Бұл жазбада τ - орташа өмір сүру уақыты, λ - ыдырау тұрақтысы.
Жартылай шығарылу кезеңін пайдаланыңыз
Жеке үлгілердің жасын анықтау үшін ZRR қолдану 20 ғасырдың аяғында зерттеулерде кеңінен тарады. Қазба артефактілерінің жасын анықтаудың дәлдігі соншалықты өсті, ол біздің дәуірімізге дейінгі мыңжылдықтардың өмір сүру уақыты туралы түсінік береді.
Органикалық қазба үлгілерінің радиокөміртектік талдауы барлық организмдерде кездесетін көміртегі-14 (көміртегінің радиоактивті изотопы) белсенділігінің өзгеруіне негізделген. Ол зат алмасу процесінде тірі организмге енеді және оның құрамында белгілі бір концентрацияда болады. Өлгеннен кейін қоршаған ортамен заттардың алмасуы тоқтайды. Радиоактивті көміртектің концентрациясы табиғи ыдырау салдарынан төмендейді, белсенділік пропорционалды түрде төмендейді.
Жартылай ыдырау периоды сияқты мән болған кезде, радиоактивті ыдырау заңы формуласы организмнің өмір сүруі аяқталғаннан бергі уақытты анықтауға көмектеседі.
Радиоактивті түрлендіру тізбектері
Радиактивтілікті зерттеу зертханалық жағдайда жүргізілді. Радиоактивті элементтердің сағаттар, күндер және тіпті жылдар бойы белсенді күйінде қалуының таңғажайып қабілеті ХХ ғасырдың басындағы физиктерді таң қалдырмайды. Зерттеулер, мысалы, торий, күтпеген нәтижемен бірге жүрді: жабық ампулада оның белсенділігі айтарлықтай болды. Кішкене тыныс алғанда ол құлап кетті. Қорытынды қарапайым болып шықты: торийдің өзгеруі радонның (газдың) бөлінуімен бірге жүреді. Радиоактивтілік процесіндегі барлық элементтер физикалық және химиялық қасиеттерімен ерекшеленетін мүлде басқа затқа айналады. Бұл зат өз кезегінде тұрақсыз да. Ұқсас түрлендірулердің үш сериясы қазір белгілі.
Мұндай түрлендірулерді білу атомдық және ядролық зерттеулер немесе апаттар процесінде ластанған аймақтарға қол жетімсіздік уақытын анықтау үшін өте маңызды. Плутонийдің жартылай ыдырау периоды – оның изотопына байланысты – 86 жылдан (Pu 238) 80 миллион жылға дейін (Pu 244). Әрбір изотоптың концентрациясы аумақты залалсыздандыру кезеңі туралы түсінік береді.
Ең қымбат металл
Біздің заманда алтын, күміс және платинадан әлдеқайда қымбат металдар бар екені белгілі. Оларға плутоний кіреді. Бір қызығы, эволюция процесінде пайда болған плутоний табиғатта кездеспейді. Элементтердің көпшілігі зертханалық жағдайда алынған. Плутоний-239-ды ядролық реакторларда пайдалану оның қазіргі уақытта өте танымал болуына мүмкіндік берді. Реакторларда пайдалану үшін осы изотоптың жеткілікті мөлшерін алу оны іс жүзінде баға жетпес етеді.
Плутоний-239 табиғи жағдайда уран-239-ның нептуний-239-ға айналу тізбегі нәтижесінде алынады (жартылай ыдырау периоды - 56 сағат). Осыған ұқсас тізбек плутонийді ядролық реакторларда жинақтауға мүмкіндік береді. Қажетті мөлшердің пайда болу жылдамдығы табиғидан асып түседімиллиардтаған рет.
Энергия қолданбалары
Атом энергетикасының кемшіліктері және кез келген жаңалықты дерлік өз түрін жою үшін қолданатын адамзаттың «біртүрлілігі» туралы көп айтуға болады. Ядролық тізбекті реакцияға қатысуға қабілетті плутоний-239-ның ашылуы оны бейбіт энергия көзі ретінде пайдалануға мүмкіндік берді. Плутонийдің аналогы болып табылатын Уран-235 жер бетінде өте сирек кездеседі, плутоний алудан гөрі оны уран кенінен алу әлдеқайда қиын.
Жердің жасы
Радиоактивті элементтер изотоптарының радиоизотоптық талдауы белгілі бір үлгінің өмір сүру ұзақтығы туралы дәлірек түсінік береді.
Жер қыртысындағы «уран – торий» түрлену тізбегін пайдалану планетамыздың жасын анықтауға мүмкіндік береді. Бүкіл жер қыртысында орта есеппен осы элементтердің пайызы осы әдістің негізі болып табылады. Соңғы мәліметтер бойынша, Жердің жасы 4,6 миллиард жыл.
