Радиоактивтілік. Радиоактивті сәулелену және оның түрлері

Екіншіден, радиоактивтік ашылғаннан кейін көп кешікпей, радиоактивтік кезінде энергия бөлініп шығатындығы анықталды. Пьер Кюри радий хлориді бар ампуланы калориметрдің ішінде орналастырды. Онда α-, β- және γ- сәулелер жұтылып, олардың энергиясы есебінен калориметр қыздырылды. Кюри 1 г радий 1 сағ ішінде 582 Дж – ге жуық энергияны бөліп шығаратынын анықтады. Бұл энергия үзіліссіз жыл бойы үздіксіз бөлініп тұрады.

Бөлініп шығуына белгілі әрекеттердің бәрі де ешқандай әсер етпейтін бұл энергия  қайдан шығады? Сірә, радиоактивтік  кезінде зат әдеттегі химиялық  түрленулерден мүлдем басқаша зор  өзгерістерге ұшырайтын болса керек. Осыларды ескере келе атомдардың өздері түрленеді деген болжам жасалды.

Қазір бұған  ешкім де таңданбайды, себебі бұл  жайында жас бала оқып – үйренбей тұрып – ақ естуі мүмкін. Бірақ  ХХ ғасырдың басында ол адам нанғысыз болып көрінетін, сондықтан оны  айту үшін біршама батылдық керек  болды. Ол уақытта жаңа ғана атомның  бар екені жөнінде даусыз дәлелдемелер алынды. Заттың атомистикалық құрылысы туралы Демокриттің көп ғасыр бұрын ұсынған идеясы, ақырында толық салтанат құрды. Міне, осыдан соң бірден – ақ  атомдардың өзгермейтіндігі күдік туғыза бастады.

Резерфорд өзі бастап, кейіннен ағылшын химигі Ф. Соддимен бірге жалғастырылған тұңғыш тәжірибелерге ғана тоқталайық.

Резерфорд торийдің активтігі ( уақыт бірлігі  ішінде шығаратын α – бөлшектердің саны ) жабық ампулада өзгермей қалатынын  байқады. Егер препаратты тіпті өте  әлсіз ауаның ағынымен желдетсе, онда торийдің активтігі тез кемиді. Резерфорд  торий α – бөлшектермен қатар, радиоактивті бір газ шығарады деп  ойлады.

Торийі  бар ампуладан ауаны сорып  тастап, Резерфорд радиоактивті газды  бөліп алып оның иондаушы қабілетін  зерттеді. Бұл газдың (торий, уран және радийдің активтігіне өзгеше ) активтігі  уақыт өтуімен өте тез кемиді екен. Әр минут сайын активтігі  екі есе кемиді және  он минуттан кейін ол іс жүзінде мүлде жойылады. Содди бұл газдың химиялық қасиеттерін  зерттеп, оның ешқандай реакцияға түспейтінін, яғни инертті газ екенін тапты. Соңынан  газ радон деп аталып, Д.И. Менделеев  кестесінен 86 – реттік нөмірмен орын тепті.

Түрлендірулер уран, актиний, радий сияқты басқа  радиоактивті элементтер де байқалады. Резерфорд ғалымдар ұсынған жалпы  қорытындыны дәл тұжырымдап берді: « Радиоактивті заттың атомдары спонтанды  өзгерістерге ұшырайды. Әр мезетте  атомдардың жалпы санының біразы орнықсыз болып қопарыла ыдырайды. Басым жағдайда, орасан зор жылдамдықпен атом жарықшағы α- бөлшек  атылып шығады. Кейбір басқа жағдайларда  қопарылдыс шапшаң электронның атылып шығуы және рентген сәулелері  сияқты өтімділік қабілеті жоғары γ-сәуле  шығару деп аталатын сәулелердің  пайда болуымен қоса қабаттаса жүреді.

Атомдық түрленудің нәтижесінде өзінің физикалық  және химиялық қасиеттеріне қарағанда  бастапқы заттан түгелдей өзгеше, мүлдем жаңа түрдегі зат пайда болатыны байқалған. Бірақ бұл жаңа зат  та тұрақсыз және радиоактивті сәулеге  тән түрленуге ұшырайды.

Сонымен, кейбір элементтердің атомдары әдеттегі молекулалық түр өзгерістерінің кезінде  бөлініп шығатын энергиямен  салыстырғанда, орасан көп мөлшерде энергия шығарумен қабаттаса  жүретін  спантанды ыдырауға ұшырайтындығы  дәл анықталған ».

Атом  ядросы ашылған соң радиоактивтік  түрлену кезіндегі өзгеріске  соның өзі ұшырайтыны бірден  айқын болды. Альфа бөлшектер  электрон қабықшасында мүлдем жоқ, ал қабықшадағы электрон санының біреуінің  кемуі атомды жаңа химиялық элементке  емес, ионға айналдырады.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ІІ -тарау. Радиоактивті ыдырау және оның түрлері

1. Радиоактивті ыдырау

Э. Резерфод пен П. Кюри радиоактивтік кезіндегі  сәуле шығарудың табиғатын зерттеу  барысында оның құрамы күрделі екенін анықтайды. Радиоактивті радий  қорғасыннан жасалған калың қабатты ыдыстың ішінде орналасқан. Ыдыстың ортасында цилиндр пішінді арна бар. Ыдыстың түбіндегі радийден шыққан сәулелерге оған перпендикуляр бағытта күшті магнит өрісі әсер етеді. Арнаның қарсысында фотопластина бар. Барлық қондырғы вакуумде орналастырылған. 8.6-суретте көрсетілгендей радийден шығатын сәулелер ағыны магнит өрісінен өткеннен кейін үш шоққа бөлінген.

Шоқтардың осылайша бөлінуін фотопластинадағы қарайған заттардың орындары бойынша  анықтайды. Оларды сәйкесінше α (альфа)-сәуле, β (бета)-сәуле және γ (гамма)-сәуле  деп атаған. α-сәуле дегеніміз  — оң арядталған бөлшектер (α-бөлшек) ағыны, β-сәуле дегеніміз—өте шапшаң қозғалатын және жылдамдықтары бірдей емес теріс зарядталған бөлшектер (β-бөлшек) ағыны болып шықты. Магнит өрісінде ауытқу бұрышының әр түрлі болуы α-бөлшек пен β-бөлшектің массаларының бірдей емес екенін, әрі қарама-қарсы зарядталғанын көрсетеді. γ-сәулесі магнит өрісінде ауытқымайтын, жиілігі өте жоғары электромагниттік сәулелену кванты екен. Атом ядросының құрылысы мен құрылымына, нуклондардың байланыс энергиялары туралы мәліметтерге сүйене отырып, радиоактивті сәуле шығарудың табиғатын түсіндіру оңай. Құрамында нейтрон-дардан гөрі протондарының саны артық болатын ядро тұрақты емес, өйткені кулондық әрекеттесудің энергиясы басымырақ.

Нейтрондарының саны протондар  санына қарағанда анағұрлым көбірек  болатын ядроның тұрақты болмауының себебі, нейтроннық массасы протонның  массасынан үлкен m_n > m_p . Ядроның массасының артуы оның энергиясының артуына әкеліп соғады. Артық энергиясы бар ядро осы энергияның артық бөлігін екі түрлі жолмен бөліп шығаруы мүмкін.

1. Механикалық, термиялық және басқа да сыртқы әсерсіз-ақ, ядро өздігінен ыдырап радиоактивті сәуле шығарады және бөліну нәтижесінде түрленіп жаңа элементтің ядросы пайда болады. Өздігінен ыдырау процесінде α-бөлшектер ядродан ұшып шықса, оны альфа-ыдырау деп атайды.
2. Ядро, өзінің электр зарядын бір заряд бірлігіне өзгертуі, яғни нейтронның протонға немесе протонның нейтронға айналуы арқылы тосын ыдырайды. Осы процесс ядродан электронның немесе позитронның (оң заряды бар электрон) ұшып шығуымен қабаттаса өтеді, оны бета-ыдырау дейді. Радиоактивті ядролардың өздігінен ыдырауы кезіндегі түрленуі 1913 жылы ағылшын ғалымы Ф . Содди тұжырымдаған ығысу ережесіне бағынады. Радиоактивті ыдырау кезінде электр зарядының және массалық санның сақталу заңдары, импульс пен энергияның сақталу заңдары да орындалады.

           2.2. Альфа-ыдырау

Альфа бөлшегінің табиғатын 1908 жылы Резерфорд  көптеген эксперименттік зерттеулер нәтижесінде  анықтады.

Альфа-ыдыраудың механизмiн классикалық  физика түсiндiре алмайды. Классикалық  көзқарас тұрғысынан альфа-бөлшек ядродан  бөлiнiп шығу үшiн ядролық тартылыс күшiне қарсы жұмыс жасауы қажет. Ал бiрақ шындығында мұндай жұмыс  жасалынбайды. Бұлай болуының себебi кванттық механикадағы бөлшектiң толқындық  қасиетiмен байланысқан туннельдiк  құбылыс арқылы түсiндiрiледi.

Альфа-ыдырауы кезінде ядродан  өздігінен α-бөлшек — гелий атомының ядросы Не (екі протон және екі нейтрон) ұшып шығады және жаңа химиялық элементтің туынды ядросы пайда болады. 8.7-суретте  альфа-ыдыраудың процесі көрсетілген.

Альфа-ыдырау кезінде атом ядросы зарядтың саны екіге және массалық саны төртке кем туынды ядроға түрленеді. Жаңа элемент Менделеев кестесіндегі периодтық жуйенің бас жағына қарай екі орынға ығысады:

мұнда — аналық ядроның белгісі, — туынды ядроның таңбасы. Гелий атомының ядросы болып табылатын α-бөлшек үшін белгісін пайдаландық.

Аналық ядро ыдырағанда, α-бөлшек пен  туынды ядро белгілі бір кинетикалық  энергиямен жан-жаққа шашырай ұшады. Кейбір ыдырауда туынды ядро қозған күйде  болуы мүмкін. Ыдырау энергиясын аналық ядромен байланысқан санақ жүйесінде  энергияның сақталу заңын пайдаланып есептеуге болады. Ыдырау энергиясы қозу энергиясы мен кинетикалық энергиялардың қосындысына тең. Бастапқы энергия аналық ядроның тыныштық энергиясына тең екенін ескерсек, онда

— аналық, — туынды ядролардың, — гелий атомы ядросының массалары, бұдан ыдырау энергиясын табамыз:^[1]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Бетта-ыдырау

Бетта сәулесінің табиғатын 1899 ж Резерфорд  ашқан болатын. Ол шапшаң қозғалатын электрондар ағыны. β-бөлшекті деп белгілейді. Массалық санның болуы, электронның массасы массаның атомдық бірлігімен салыстырғанда елеусіз аз екенін көрсетеді.

Бетта-ыдыраудың үш түрiн ажыратады. Олар электрондық, позитрондық және К-қармау бета-ыдыраулары. Электрондық бета-ыдырау кезiнде ядро өз бетiнше зарядын бiр бiрлiкке арттыра отырып өзiнен электронды ұшырып шығарады. Бұл құбылыстың негiзiнде протон мен нейтронның бiр-бiрiне айнала алатын қасиетi жатыр. Бос нейтронның массасы бос протон мен электронның массаларының қосындысынан үлкен. Сондықтан энергетикалық тұрғыдан мұндай ыдырау тиым салынбаған. Тәжiрибе нәтижелерiн терең талдау бұл ыдырау кезiнде протон мен электронмен қатар заряды мен массалық саны нөлге тең тағы бiр бөлшек бөлiнетiнiн көреттi. Э.Фермидiң ұсынысы бойынша нейтрино деп аталған бұл бөлшектi 1956 жылы тәжiрибеден байқады.

Ядроның байланыс энергиясының болуынан ядро құрамындағы протондар мен нейтрондардың  массасы бұл бөлшектiң бос күйiндегi массасынан негiзiнен аз екенi шығады. Осы себептен де ядро құрамындағы  барлық нейтрондар бiрдей бета-ыдырауға түсiп кетпейдi. Тек энергиясы  жоғары кейбiр ядроларда ғана мұндай түрлену энергетикалық тұрғыдан мүмкiн болады. Мұндай ядроларды  бета-радиоактивтi ядролар деп атайды. Бета-ыдырау кезiнде ядродағы нуклондардың саны өзгермей қалатын болғандықтан ядроның массалық саны өзгерiссiз  қалады.

Массасы нейтронның массасынан аз болғандықтан бос протон орнықты. Бiрақядродағы протонның массасы кванттық механиканың анықталмағандық принципiне сәйкес кейбiр сәтте нейтронның массасынан артық болып кетуi де мүмкiн.

 Ығысу ережесін бета-ыдырауға  қолданайық.

Бета-ыдырау кезінде атом ядросының зарядтық саны бір заряд бірлігіне артады, ал массалық сан өзгермейді. Жаңа элемент Менделеев кестесіндегі периодтық жүйенің соңына қарай бір орынға ығысады:

мұндағы — электрлік заряды нөлге тең, тыныштық массасы жоқ электрондық антинейтрино деп аталатын бөлшек.

Бұндай ыдырауды электрондық β-ыдырау деп атайды. Радиоактивті электронды β-ыдырау процесі ядрода нейтронның протонға айналуы және осы кезде электронның және антинейтриноның қабаттаса түзілуі арқылы өтеді:

Ядроның ішінде электронның пайда  болуы осы нейтронның ыдырауының нәтижесі екен. Бета-ыдырау кезінде  туынды ядро мен электрон жүйесінің  энергиясы ыдырауға дейінгі аналық ядро жүйесінің энергиясынан кем  болып шығатынын өлшеулер көрсетті. β-ыдырау кезінде энергияның сақталу  заңының орындалатына күмән туды. 1930 жылы В. Паулиp β-ыдырау кезінде, ядродан  электроннан басқа тағы бір массалық саны ( ) мен зарядының саны ( ) нөлге тең бөлшек бөлініп шығады деген жорамалды ұсынды. β–ыдыраудағы энергияның сақталу заңының бұзылуына себепші, жетіспей тұрған энергия осы нейтраль бөлшекке тиесілі екен.

Ұлы итальян ғалымы Э.Фермидің ұсынысы  бойынша бұл бөлшекті нейтрино v (итальянша neitrino — кішкентай нейтрон) деп атаған. Нейтриноның электр заряды мен тыныштық массасы нөлге тең болғандықтан, оның затпен әрекеттесуі әлсіз, сондықтан эксперимент арқылы тіркеу аса қиыншылық туғызды. Ұзакка созылған ізденістер нәтижесінде тек 1956 жылы ғана нейтриноны тіркеу мүмкін болды. Ал антинейтрино осы нейтриноның антибөлшегі болып табылады. Электрондық β^--ыдыраудан басқа позитрондық β⁺-ыдырау процесі де өтуі мүмкін. Позитрондық радиоактивтік кезінде ядродағы протонның біреуі нейтронға айналып, позитрон мен электрондық нейтрино v бөлініп шығады:

Ядроның зарядтық саны бірлік зарядқа кемиді, нәтижесінде элемент Менделеев кестесіндегі периодтық жүйенің бас жағына қарай бір орынға ығысады:

мұнда позитрон, электронның антибөлшегі, массасы электронның массасына тең.

Аналық және туынды ядролар — изобаралар.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.4. Гамма-ыдырау

1900 жылы Вилaрд ядролық сәуле  шығарудың құрамындағы үшінші  компоненттің бар екенін тапты,  оны гамма (у)-сәуле шығару деп атаған. Гамма-сәуле шығару магнит өрісінде ауытқымайды, демек, оның заряды жоқ. Гамма-сәуле шығару радиоактивтік ыдыраудың жеке бір түрі емес, ол альфа және бета-ыдыраулармен қабаттаса өтетін процесс. Жоғарыда айтқанымыздай, туынды ядро қозған күйде болады. Қозған күйдегі ядро атом сияқты, жоғарғы энергетикалық деңгейден төменгі энергетикалық деңгейге өткенде, энергиясы бар гамма-квантын шығарады, мұндағы —қозған, — қалыпты күйдегі энергиялар (8.10-сурет). Ядродан шығатын ү-сәулелері дегеніміз — фотондар ағыны болып шықты.

Гамма-ыдыраудың формуласын жазайық:

мұнда — қозған аналық ядро, — оның қалыпты күйдегі нуклиді. 8.10-суретте бор ядросынық β-ыдырауынық сызбасы көрсетілген. γ-сәулесінің толқын ұзындығы өте қысқа болып келеді: λ = 10^-8 / 10^-11 см. Сондықтан радиоактивті сәулелердің ішінде γ-сәулесінің өтімділік қабілеті ең жоғары, ол 8.11-суретте көрсетілгендей қалыңдығы 10 см қорғасын қабатынан өтіп кетеді. Гамма-кванттың өтімділік кабілеті өте жоғары, ауадағы еркін жүру жолының ұзындығы 120 м.