Radioaktivni kemični element. Umetni radioaktivni element

Do konca XIX. Stoletja so se vsi kemični elementi zdeli stalni in nedeljivi. Ni bilo vprašanje, kako pretvoriti nespremenljive elemente. Toda odkritje radioaktivnosti je spremenilo svet, ki nam je bil znan in utrl pot odkritju novih snovi.

Odkrivanje radioaktivnosti

Čast odkritja transformacije elementov pripada francoskemu fiziku Antoinu Becquerelu. Za enega kemične izkušnje potreboval je kristale uranil kalijev sulfat. Snov je zavit v črni papir in vrečko položil blizu fotografske plošče. Po razvoju filma je znanstvenik na sliki videl obrise kristalov uranila. Kljub debeli plasti papirja so bili jasno razločljivi. Becquerel je ta poskus ponovil večkrat, vendar je bil rezultat enak: obrisi kristalov, ki vsebujejo uran, so bili jasno vidni na fotografskih ploščah.

Rezultati odkritja Becquerela so napovedali na naslednjem srečanju, ki ga je organizirala Pariška akademija znanosti. Njegovo poročilo se je začelo z besedami "nevidno sevanje". Tako je opisal rezultate svojih poskusov. Po tem so fiziki začeli uporabljati koncept sevanja.

Curiejevi poskusi

Rezultati Becquerelovih opazovanj so zanimali francoske znanstvenike Marie in Paul Curie. Pravilno so menili, da radioaktivne lastnosti ne bi imel le uran. Raziskovalci so opazili, da so ostanki rude, iz katerih se ta snov izloča, še vedno zelo radioaktivni. Iskanje elementov, ki se razlikujejo od prvotnih, so pripeljali do odkritja snovi, ki ima podobne lastnosti kot uran. Novi radioaktivni element je dobil ime polonij. Takšno ime Marie Curie dala snov v čast svoji domovini - Poljski. Po tem so odkrili radij. Radioaktivni element je bil produkt razpada čistega urana. Po tem se je v kemiji začelo obdobje novih, ki se prej v naravi ni pojavljalo. kemikalijami.

Postavke

Večina trenutno znanih jeder kemijskih elementov je nestabilna. Sčasoma se take spojine spontano razgradijo v druge elemente in različne drobne delce. Težji starševski element v skupnosti fizikov se imenuje izvorni material. Proizvodi, ki nastanejo med razgradnjo snovi, se imenujejo otroci ali razkrojni produkti. Sam proces spremlja sproščanje različnih radioaktivnih delcev.

Izotopi

Nestabilnost kemijskih elementov lahko razložimo z obstojem različnih izotopov iste snovi. Izotopi so variacije nekaterih elementov periodičnega sistema z enakimi lastnostmi, vendar z različnim številom nevtronov v jedru. Številne navadne kemične snovi imajo vsaj en izotop. Dejstvo, da so ti elementi široko porazdeljeni in dobro raziskani, potrjuje, da so v stabilnem stanju poljubno dolgo. Toda vsak od teh »dolgoživih« elementov vsebuje izotope. Njihovi znanstveniki proizvajajo jedra v laboratorijskih reakcijah. Umetni radioaktivni element, proizveden s sintetičnimi sredstvi, ne more obstajati dolgo časa v stabilnem stanju in razpade s časom. Ta proces lahko poteka na tri načine. Z imenom elementarnih delcev, ki so stranski produkti termonuklearne reakcije, so vsa tri vrste razpada dobila imena.

Alfa razpad

Radioaktivni kemični element se lahko transformira po prvi shemi razpadanja. V tem primeru se iz jedra izloči alfa delcev, katerih energija doseže 6 milijonov eV. Podrobna študija rezultatov reakcije je pokazala, da je ta delček helijev atom. Iz jedra prenaša dva protona, tako da bo nastali radioaktivni element imel atomsko številko v periodičnem sistemu, dve položaji nižji od tistega, ki ga ima matična snov.

Beta razpad

Reakcijo beta razpada spremlja emisija enega elektrona iz jedra. Pojav tega delca v atomu je povezan z razpadom nevrona v elektron, proton in neutrino. Ko elektron odide iz jedra, radioaktivni kemični element poveča svojo atomsko številko za eno enoto in postane težji od svojega starša.

Gama razpad

Z razpadom gama jedro oddaja fotonski žarek z različnimi energijami. Ti žarki se imenujejo sevanje gama. Pri tem se radioaktivni element ne spremeni. Samo izgubi energijo.

Nestabilnost, ki jo ima radioaktivni element, sama po sebi sploh ne pomeni, da z določeno količino izotopov naša snov nenadoma izgine in sprošča ogromno energije. V resnici je razpad jedra podoben kuhanju kokic - kaotičnemu gibanju koruznih jedrc v ponvi in ​​je popolnoma neznano, kateri od njih bo najprej razkrit. Zakon o radioaktivni razpadni reakciji lahko zagotovi le, da bo v določenem časovnem obdobju število delcev iz jedra, sorazmerno s številom nukleonov, ki ostanejo v jedru, izletelo iz jedra. V jeziku matematike lahko ta proces opišemo z naslednjo formulo:

dN = λNdt.

Tu je na obrazu sorazmerna odvisnost števila nukonov dN, ki zapustijo jedro v obdobju dt, od števila vseh nukleonov, ki so prisotni v jedru N. Koeficient λ je konstanta radioaktivnosti razgradne snovi.

Število nukleonov, ki ostanejo v jedru v času t, je opisano s formulo:

N = N ₀ e ^–tl _,

v kateri je N ₀ število nukleonov v jedru na začetku opazovanja.

Na primer, radioaktivni element halogen z atomsko številko 85 smo odkrili šele leta 1940. Njegov razpolovni čas je precej dolg - 7,2 ure. Vsebnost radioaktivnega halogena (astatina) na celotnem planetu ne presega enega grama čiste snovi. Zato naj bi se v treh urah njegova količina v naravi prepolovila. Toda stalni procesi razpadanja urana in torija povzročajo nastanek novih in novih atomov astatov, čeprav v zelo majhnih odmerkih. Zato njegova količina v naravi ostaja stabilna.

Half life

Konstanta radioaktivnosti služi, da z njeno pomočjo ugotovi, kako hitro se bo element, ki ga proučujemo, razpadel. Toda zaradi praktičnih problemov fiziki pogosto uporabljajo količino, imenovano razpolovna doba. Ta indikator pove, kako dolgo bo snov izgubila natančno polovico svojih nukleonov. Pri različnih izotopih se to obdobje spreminja od drobnih delov sekunde do milijarde let.

Pomembno je razumeti, da se čas v tej enačbi ne ujema, ampak se množi. Na primer, če v času t snov izgubi polovico svojih nukleonov, potem bo v obdobju 2t izgubila še polovico preostalega - to je ena četrtina prvotnega števila nukleonov.

Pojav radioaktivnih elementov

Seveda se radioaktivne snovi tvorijo v zgornji atmosferi Zemlje, v ionosferi. Pod vplivom kozmičnega sevanja se plin na visoki nadmorski višini spreminja z različnimi spremembami, ki spremenijo stabilno snov v radioaktivni element. Najpogostejši plin v naši atmosferi je N2, na primer iz stabilnega izotopa, dušik-14 se pretvori v radioaktivni izotop ogljika-14.

Danes se v verigi umetnih reakcij atomske fisije pojavlja veliko bolj radioaktivni element. To je ime procesa, v katerem se jedro matične snovi razčleni na dve hčerinski družbi in nato na štiri radioaktivne vnuke. Klasičen primer je izotop urana 238. Njegovo razpolovno dobo je 4,5 milijarde let. Skoraj toliko naših planetov obstaja. Po desetih stopnjah razpadanja se radioaktivni uran pretvori v stabilen svinec 206. Umetno pridobljen radioaktivni element se po svojih lastnostih ne razlikuje od naravnega.

Praktični pomen radioaktivnosti

Po nesreči v Černobilu so mnogi govorili o omejevanju razvojnih programov. jedrskih elektrarn. Toda v domačem smislu radioaktivnost prinaša ogromne koristi človeštvu. Študija možnosti njene praktične uporabe se ukvarja z radiografsko znanostjo. Na primer, radioaktivni fosfor se daje bolniku, da dobi popolno sliko o zlomih kosti. Jedrska energija služi tudi za pridobivanje toplote in električne energije. Morda v prihodnosti čakamo na nova odkritja na tem neverjetnem področju znanosti.