Радиоактивен химичен елемент. Изкуствен радиоактивен елемент

До края на XIX век всички химични елементи изглеждаха постоянни и неделими. Нямаше въпрос как да се преобразуват неизменяемите елементи. Но откриването на радиоактивност обърна света, който ни е познат, и проправи пътя за откриването на нови вещества.

Откриване на радиоактивност

Честта на откриването на трансформацията на елементите принадлежи на френския физик Антоан Бекерел. За един химически опит имаше нужда от кристали уранил калиев сулфат. Той загърна веществото в черна хартия и сложи чантата близо до фотографската плака. След разработването на филма ученият видял очертанията на ураниловите кристали на снимката. Въпреки дебелия слой хартия, те бяха ясно различими. Бекерел повтори този експеримент няколко пъти, но резултатът беше един и същ: очертанията на кристали, съдържащи уран, бяха ясно видими на фотографските плаки.

Резултатите от откритието Бекерел обявиха на следващата среща, която се проведе от Парижката академия на науките. Неговият доклад започна с думите "невидима радиация". Така той описа резултатите от експериментите си. След това, понятието за радиация влезе в употреба от физиците.

Експерименти на Кюри

Резултатите от наблюденията на Бекерел са заинтересовани от френските учени Мари и Пол Кюри. Правилно смятат, че не само уранът може да има радиоактивни свойства. Изследователите са забелязали, че остатъците от руда, от които се извлича това вещество, са все още силно радиоактивни. Търсенето на елементи, които се различават от първоначалните, доведе до откриването на вещество със свойства, подобни на урана. Нов радиоактивен елемент получи името полоний. Такова име Мария Кюри даде веществото в чест на родината си - Полша. След това беше открит радий. Радиоактивният елемент е продукт на разпадането на чист уран. След това в химията започва ера на нови, които преди това не са срещани в природата. химикали.

елементи

Повечето от известните в момента ядра на химичните елементи са нестабилни. С течение на времето тези съединения спонтанно се разпадат на други елементи и различни малки частици. По-тежкият родителски елемент в общността на физиците се нарича изходен материал. Продуктите, образувани по време на разлагането на дадено вещество, се наричат ​​деца или продукти от разлагането. Самият процес е придружен от отделянето на различни радиоактивни частици.

изотопи

Нестабилността на химичните елементи може да се обясни с наличието на различни изотопи на едно и също вещество. Изотопите са вариации на някои елементи на периодичната система със същите свойства, но с различен брой неутрони в ядрото. Много обикновени химически вещества имат поне един изотоп. Фактът, че тези елементи са широко разпространени и добре проучени, потвърждава, че те са в стабилно състояние за произволно дълго време. Но всеки от тези „дългоживеещи“ елементи съдържа изотопи. Техните учени произвеждат ядра в хода на лабораторните реакции. Изкуствен радиоактивен елемент, произведен чрез синтетични средства, не може да съществува дълго време в стабилно състояние и се разпада с времето. Този процес може да върви по три начина. С името на елементарните частици, които са странични продукти от термоядрена реакция, и трите вида разпад получават имената си.

Алфа гниене

Радиоактивният химичен елемент може да бъде трансформиран съгласно първата схема на разпад. В този случай от ядрото се изхвърля алфа частица, чиято енергия достига 6 милиона еВ. Детайлно проучване на резултатите от реакцията беше установено, че тази частица е атом на хелий. Той пренася два протона от ядрото, така че полученият радиоактивен елемент ще има атомно число в периодичната система, две позиции по-ниски от тези на основното вещество.

Бета разпад

Реакцията на бета-разпад се съпровожда от излъчването на един електрон от ядрото. Появата на тази частица в атома е свързана с разпадането на неврон в електрон, протон и неутрино. Тъй като електронът напуска ядрото, радиоактивният химичен елемент увеличава атомния си номер с една единица и става по-тежък от своя родител.

Гама гниене

С гама-разпад ядрото излъчва фотонен лъч с различни енергии. Тези лъчи се наричат ​​гама-лъчение. В този процес радиоактивният елемент не е модифициран. Той просто губи енергията си.

Само по себе си нестабилността, която притежава един радиоактивен елемент, изобщо не означава, че с определено количество изотопи нашата субстанция изведнъж изчезва, освобождавайки огромна енергия. В действителност разпадането на ядрото прилича на готвене на пуканки - хаотичното движение на царевични зърна в тиган и е напълно неизвестно кои от тях ще бъдат разкрити първо. Законът за реакция на радиоактивен разпад може да гарантира само, че за определен период от време броят на частиците от ядрото, пропорционален на броя на нуклоните, останали в ядрото, ще излезе от ядрото. На езика на математиката този процес може да бъде описан със следната формула:

dN = λNdt.

Тук на лицевата страна е пропорционалната зависимост на броя на нуклоните dN, напускащи ядрото за период dt, върху броя на всички нуклони в ядрото N. Коефициентът λ е радиоактивната константа на разлагащото вещество.

Броят на оставащите в ядрото нуклони в момент t се описва с формулата:

N = N ₀ e ^–λt _,

в която N ₀ е броят на нуклоните в ядрото в началото на наблюдението.

Например, радиоактивният елемент халоген с атомно число 85 е открит едва през 1940 година. Полуживотът му е доста дълъг - 7,2 часа. Съдържанието на радиоактивен халоген (astatine) на цялата планета не надвишава един грам чисто вещество. По този начин за 3,1 часа сумата от нейното естество на теория трябва да бъде намалена наполовина. Но постоянните процеси на разпад на уран и торий пораждат нови и нови атоми на астати, макар и в много малки дози. Следователно неговото количество в природата остава стабилно.

Половината живот

Константата на радиоактивността служи, за да определи с негова помощ колко бързо ще се разпадне изследваният елемент. Но за практическите проблеми физиците често използват количество, наречено полуживот. Този индикатор показва колко дълго веществото ще загуби точно половината от своите нуклони. За различните изотопи този период варира от малки части от секундата до милиарди години.

Важно е да се разбере, че времето в това уравнение не се събира, а се умножава. Например, ако за период от време t вещество загуби половината от своите нуклони, тогава за период от 2t ще загуби още половината от останалата част - това е една четвърт от първоначалния брой нуклони.

Появата на радиоактивни елементи

Естествено, радиоактивни вещества се образуват в горната атмосфера на Земята, в йоносферата. Под действието на космическата радиация, газът на голяма надморска височина претърпява различни промени, които превръщат стабилно вещество в радиоактивен елемент. Най-разпространеният газ в нашата атмосфера е N2, например от стабилен изотоп, азот-14 се превръща в радиоактивен изотоп на въглерод-14.

Днес много по-често се появява радиоактивен елемент във веригата от изкуствени реакции на атомно делене. Това е името на процеса, при който ядрото на основната субстанция се разделя на две дъщерни дружества, а след това на четири радиоактивни внука. Класически пример е изотопът на уран 238. Полуживотът му е 4,5 милиарда години. Почти толкова много нашата планета съществува. След десет етапа на разпадане радиоактивният уран се превръща в стабилен олово 206. Изкуствено получен радиоактивен елемент не се различава по своите свойства от естествения си аналог.

Практическата значимост на радиоактивността

След катастрофата в Чернобил, много сериозно говориха за ограничаване на програмите за развитие. атомни електроцентрали. Но във вътрешен план радиоактивността носи огромни ползи за човечеството. Изследването на възможностите за практическото му приложение се занимава с науката за радиографията. Например, радиоактивен фосфор се прилага на пациент, за да се получи пълна картина на фрактурите на костите. Ядрената енергия служи и за генериране на топлинна и електрическа енергия. Може би в бъдеще очакваме нови открития в тази невероятна наука.