Радиоактивностью называется превращение неустойчивых изотопов одного химического элемента в изотопы другого элемента , сопровождающееся испусканием некоторых частиц .

Естественной радиоактивностью называется радиоактивность , наблюдающаяся у существующих в природе неустойчивых изотопов .

Искусственной радиоактивностью называется радиоактивность изотопов , полученных в результате ядерных реакций .

На рис. 9.3 показан классический опыт, позволивший обнаружить сложный состав радиоактивного излучения.

Радиоактивный препарат помещался на дно узкого канала в свинцовом контейнере. Против канала помещалась фотопластинка. На выходившее из канала излучение действовало сильное магнитное поле, перпендикулярное к лучу. Вся установка размещалась в вакууме.

Обычно все типы радиоактивности сопровождаются испусканием гамма-излучения – жесткого , коротковолнового электромагнитного излучения . Гамма-излучение является основной формой уменьшения энергии возбужденных продуктов радиоактивных превращений. Ядро, испытывающее радиоактивный распад, называется материнским ; возникающее дочернее ядро, как правило, оказывается возбужденным, и его переход в основное состояние сопровождается испусканием γ-фотона.

В табл. 1 приведены основные типы радиоактивности.

Таблица 1

Тип радиоактивности	Изменение заряда ядра Z	Изменение массового числа А	Характер процесса
			Вылет α-частицы – системы двух протонов и двух нейтронов, соединенных воедино
			Взаимные превращения в ядре нейтрона () и протона ()
β – -распад
β + -распад
Электронный захват (е – -или К-захват)			И – электронное нейтрино и антинейтрино
Спонтанное деление	Z – (1/2)A	A – (1/2)A	Деление ядра обычно на два осколка, имеющих приблизительно равные массы и заряды

Самопроизвольный распад атомных ядер подчиняется закону радиоактивного распада :

,

(9.4.1)

где N 0 – количество ядер в данном объеме вещества в начальный момент времени t = 0, N – число ядер в том же объеме к моменту времени t , λ – постоянная распада , имеющая смысл вероятности распада ядра за 1 секунду и равная доле ядер, распадающихся за единицу времени.

Закон самопроизвольного радиоактивного распада основывается на двух предположениях:

· постоянная распада не зависит от внешних условий;

· число ядер, распадающихся за время dt, пропорционально наличному количеству ядер. Эти предположения означают, что радиоактивный распад является статистическим процессом и распад данного ядра является случайным событием, имеющим определенную вероятность.

Величина 1/λ равна средней продолжительности жизни (среднее время жизни ) радиоактивного изотопа . Действительно, суммарная продолжительность жизни dN ядер равна: . Средняя продолжительность τ жизни всех первоначально существовавших ядер:

.

(9.4.2)

Характеристикой устойчивости ядер относительно распада служит период полураспада Т 1/2 . Так называется время , в течение которого первоначальное количество ядер данного радиоактивного вещества уменьшается наполовину . Связь λ и Т 1/2:

.

(9.4.3)

Естественная радиоактивность наблюдается у ядер атомов химических элементов, расположенных за свинцом в периодической системе Менделеева. Естественная радиоактивность легких и средних ядер наблюдается лишь у ядер , , , , , , .

При радиоактивном распаде ядер выполняется закон сохранения электрического заряда:

,

(9.4.4)

где Z яд e – заряд материнского ядра, Z i е – заряды ядер и частиц, возникших в результате радиоактивного распада. Этот закон применяется при исследовании всех ядерных реакций.

Правило сохранения массовых чисел при явлениях естественной радиоактивности:

,

(9.4.5)

где A яд – массовое число материнского ядра, A i – массовые числа ядер или частиц, получившихся в результате радиоактивного распада.

Правила смещения (правила Фаянса и Содди ) при радиоактивных распадах:

при α-распаде ;

при β – -распаде .

Здесь – материнское ядро, Y – символ дочернего ядра, – ядро гелия, – символическое обозначение электрона, для которого A = 0 и Z = –1.

Естественная называют радиоактивность изотопов, существующих в природе, или радиоактивность изотопов, образующихся в результате природных процессов (все изотопы полученные естественно).

Искусственной называют радиоактивность изотопов, которые возникают в результате деятельности человека (изотопы, полученные и получаемые на ускорителях частиц).

Использование радионуклидов в медицине.

В диагностических и терапевтических целях в медицине широко используют радионуклиды.В природе их нет. Получают искусственно.

Радионуклидами называют изотопы с малым периодом полураспада.

Диагностическое применение основано на избирательном накоплении химических элементов отдельными органами (йод, кальций, железо и др.). Введение в организм радиоизотопов позволяет определить области их концентрации и получить важную диагностическую информацию. Такой метод называется метод меченых атомов.

Терапевтическое использование радионуклидов основано на разрушающем действии ионизирующего излучения на клетки опухолей.

1. Гамма –терапия – для разрушения …
глубоко расположенных опухолей облучают гамма — лучами источника излучения радиоизотопа 60 Со.

В целях защиты здоровых клеток в разных направлениях облучают по разному.

2. Альфа – терапия – лечебное использование альфа – частиц возможно при непосредственном контакте с поверхностью органа, т.к., альфа – частицы обладают значительной линейной плотностью ионизации и поглощается небольшим слом воздуха.

Контрольные вопросы по разделу

1. Каково строение ядер атомов? Каковы свойства ядерных сил? От чего зависит устойчивость ядер?

2. В чем состоит радиоактивный распад ядер? Каковы виды радиоактивного распада? Назовите правила смещения. Какие законы сохранения выполняются при радиоактивном распаде?

3. Каковы энергетические спектры альфа-частиц и гамма-излучений, сопровождающих распад? Какую информацию они дают?

4. Расскажите о естественной и искусственной радиоактивности и методах получения радионуклидов. Ч такое нейтронная активация?

5. Приведите примеры распада основных радионуклидов, определяющих характер радиоактивного заражения после аварии на ЧАЭС.

6. В чем состоит основной закон радиоактивного распада? Каков смысл входящих в него величин? Приведите его график. Какова связь между постоянной радиоактивного распада, периодом полураспада и средней продолжительностью жизни нуклидов?

7. Что такое активность? В каких единицах она измеряется? Какова связь между системными и внесистемными единицами активности? Что такое удельная объемная, массовая и поверхностная активность? Назовите единицы их измерения.

8. Какая связь между активностью и массой радионуклидов?

9. Каковы основные параметры, характеризующие взаимодействие ионизирующего излучения с веществом? Охарактеризуй те из (линейная плотность ионизации, линейная передача энергии, средний линейный пробег).

10. Каковы особенности взаимодействия с веществом, альфа- и бета-частиц, нейтронов и гамма-излучений? Укажите принципы защиты от ионизирующих излучений.

11. Каковы физические основы радионуклидных методов диагностики? Охарактеризуйте гамма-хронографию и гамма-топографию.

12. На каких физических явлениях основана работа позитронно-эмиссионного томографа (ПЭТ)? Каковы его возможности?

13. Каковы физические принципы и возможности лучевой терапии?

Дозиметрия

Необходимость количественной оценки действия ионизирующего излучения на различные вещества живой и неживой природы привела к появлению дозиметрии.

Дозиметрия — раздел ядерной физики и измерительной техники, в котором изучают величины, характеризующие действие ионизирующего излучения на вещества, а также методы и приборы для их измерения.

Процессы взаимодействия излучения с тканями зависят от вида ткани. Для различных типов излучений она протекает не одинаково. Но во всех случаях происходит преобразование энергии излучения в другие виды энергии. В результате часть энергии излучения поглощается веществом.

Поглощенная энергия — первопричина всех последующих процессов, которые в конечном итоге приводят к биологическим изменениям в живом организме. Количественно действие ионизирующего излучения (независимо от его природы) оценивается по энергии, переданной веществу. Для этого используется специальная величина — доза излучения (доза — порция).

Поглощенная доза(D) — величина, равная отношению энергии ΔΕ, переданной элементу облучаемого вещества, к массе Δm этого элемента:

D = ∆E/ m∆

В СИ единицей поглощенной дозы является грей (Гр), в честь английского физика-радиобиолога Луи Гарольда Грея. 1 Гр= Дж/кг -это поглощенная доза ионизирующего излучения любого вида, при которой в 1 кг массы вещества поглощается энергия 1 Дж энергии излучения.

В практической дозиметрии обычно пользуются внесистемной единицей поглощенной дозы — рад (1 рад = 10 -2 Гр).

Величина поглощенной дозыучитывает только энергию, переданную облучаемому объекту, но не учитывает «качество излучения». Понятие качества излученияхарактеризует способность данного вида излучения производить различные радиационные эффекты. Для оценки качества излучения вводят параметр — коэффициент качества (quality factor). Он является регламентированной величиной, его значения определены специальными комиссиями и включены в международные нормы, предназначенные для контроля над радиационной опасностью.

Радиоактивность - это способность некоторых химических элементов (урана, тория, радия, калифорния) самопроизвольно распадаться и испускать невидимые излучения.

Радиоактивные вещества (РВ) распадаются со строго определённой скоростью, измеряемой периодом полураспада, т.е. временем, в течение которого распадается половина всех атомов. Радиоактивный распад не может быть остановлен или ускорен каким-либо способом.

Пучок излучений в магнитном поле разделяется на три вида излучения:

б-излучение - поток положительно заряженных частиц представляющих собой ядро гелия, движущийся со скоростью около 20 000 км /с, т.е. в 35 000 раз быстрее, чем современные самолёты. Альфа-частица относится к тяжелым частицам, она в 7300 раз тяжелее электрона. В животных тканях её проникающая способность ещё меньше и измеряется микронами. Альфа- частицы входят в состав космических лучей у Земли (6%).

Альфа - распад представляет собой самопроизвольное превращение ядер, сопровождающееся испусканием двух протонов и двух нейтронов, образующих ядро Не 4 2.

В результате альфа-распада заряд ядра уменьшается на 2, а массовое число на 4 единицы. Например: кинетическая энергия вылетающей б- частицы определяется массами исходного и конечного ядра б - частицы. Известно более 200 б- активных ядер, расположенных в основном в конце периодической системы. Известно также около 20 б-радиоактивных изотопов редкоземельных элементов. Здесь б -распад наиболее характерен для ядер с числом нейтронов N=84, которые при испускании б-частиц превращаются в ядра с заполненной ядерной оболочкой (N=82). Время жизни б-активных ядер колеблются в широких пределах: от 3*10 -7 сек (для Po 212) до (2-5)*10 15 лет (природные изотопы Ce 142, 144, 176) Энергия наблюдаемого б-распада лежит в пределах 4-9 Мэв (за исключением длиннопробежных б-частиц) для всех тяжелых ядер и 2-4.5 Мэв для редкоземельных элементов.

в- излучение - поток заряженных отрицательно заряженных частиц (электронов). Их скорость 200 000-300 000 км/с приближается к скорости света. Масса бета- частиц равна 1/1840 массы водорода. Бета- частицы относятся к лёгким частицам.

г-излучение - представляет собой коротковолновое электромагнитное излучение. По свойствам оно близко к рентгеновскому излучению, но обладает значительно большей скоростью и энергией, но распространяется со скоростью света. В спектре электромагнитных волн эти лучи занимают почти крайнее справа место. За ними следуют лишь космические лучи. Энергия гамма- лучей в среднем составляет около 1,3 Мэв (мегаэлектроновольт). Это очень большая энергия. Частота колебаний волн гамма лучей равна, 10 20 раз/сек, то есть гамма лучи относятся к очень жёстким лучам, и проникающая способность велика. Через тело человека они проходят беспрепятственно.

При некоторых ядерных реакциях возникает сильно проникающее излучение, не отклоняющееся электрическим и магнитным полями. Эти лучи проникают через слой свинца толщиной в несколько метров. Это излучение представляет собой поток частиц, заряженных нейтрально. Эти частицы названы нейтронами.

Масса нейтрона равна массе протона. Нейтроны обладают различной скоростью, в среднем меньше скорости света. Быстрые нейтроны развивают энергию порядка 0,5 Мэв и выше, медленные - от долей до нескольких тысяч электроновольт. Нейтроны, являясь электрически нейтральными частицами, обладают, как и гамма- лучи, большой проникающей способностью. Ослабление потока нейтронов в основном происходит за счет столкновения с ядрами других атомов и за счет захвата нейтронов ядрами атомов. Так при столкновении с легкими ядрами нейтроны в большей степени теряют свою энергию, но легкие водородосодержащие вещества такие как: вода, парафин, ткани тела человека, сырой бетон, почва, являются лучшими замедлителями и поглотителями нейтронов.

В природе многие химические элементы выделяют излучения. Эти элементы называются радиоактивными элементами, а сам процесс получил название естественной радиоактивности. На процессы радиоактивного излучения не оказывают никакого действия ни огромные давления и температуры, ни магнитные и электрические поля. Радиоактивное излучение связано с превращением ядер элемента. Существует два вида естественного радиоактивного распада.

Альфа-распад, при котором ядро испускает альфа- частицу. При этом виде распада всегда из одного ядра получается ядро другого элемента, у которого заряд меньше на две единицы, а масса меньше на четыре единицы. Так, например, распадается радий, превращаясь в радон:

Ra 88 226 > He 2 4 + Rn 86 222

Бета-распад, при котором из ядра вылетает бета-частица. Так как бета-частица может быть различно заряженной, то бета-распад может быть или электронный, или позитронный.

При электронном распаде образуется элемент с той же массой, но с зарядом, большим на единицу. Так торий превращается в протактиний:

Th 90 233 >Pa 91 233 + e -1 + г - квант.

При позитронном распаде радиоактивный элемент теряет положительную частицу и превращается в элемент с той же массой, но с зарядом меньшим на единицу. Так изотоп магния, превращается в натрий:

Mg 12 23 > Na 11 23 + e +1 + г- квант.

Направляя, пучок альфа- частиц на пластинку алюминия, впервые получили искусственный радиоактивный изотоп фосфора Р 15 30:

Al 13 27 + He 2 4 > P 15 30 + n 0 1

Полученные таким образом изотопы были названы искусственно радиоактивными, а их способность распадаться получила название искусственной радиоактивности. В настоящее время получено свыше 900 искусственных радиоактивных изотопов.

Они широко используются в медицине и в биологии для изучения химических превращений в организме. Этот метод называется методом меченых атомов.

янЗакон сохр массы-Масса веществ, вступающих в химическую реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции

Атомно-молекулярное учение разработал М.В. Ломоносовв 1741 г. Основные положения закона:

1) все вещества состоят из «корпускул» (молекул);

2) молекулы состоят из «элементов» (атомов);

3) частицы – молекулы и атомы – находятся в непрерывном движении. Тепловое состояние тел есть результат движения их частиц;

4) молекулы простых веществ состоят из одинаковых атомов, а молекулы сложных веществ – из различных атомов. Атомно-молекулярное учение окончательно утвердилось в 1860 г.

П ростые вещества - вещества, состоящие исключительно из атомов одного химического элемента, в отличие от сложных веществ. В зависимости от типа химической связи между атомами простые вещества могут быть металлами (Na, Mg, Al, Bi и др.) и неметаллами (H 2 , N 2 , Br 2 , Si и др.)

Химический элемент - совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра и числом протонов, совпадающим с порядковым (атомным) номером в таблице Менделеева. Каждый химический элемент имеет свои название и символ, которые приводятся в Периодической системе элементов Менделеева.

Закон постоянства состава - любое определенное химически чистое соединение независимо от способа его получения состоит из одних и тех же химических элементов

Закон кратных отношений - один из стехиометрических законов химии: если два элемента образуют друг с другом более одного соединения, то массы одного из элементов, приходящиеся на одну и ту же массу другого элемента,

относятся как целые числа, обычно небольшие.

Закон обьёмных отношен объемы вступающих в реакцию газов при одинаковых условиях (температуре и давлении) относятся друг к другу как целые числа.

Атомная масса элемента - есть отношение массы его атома к 1/12 части массы атома 12С

Атомы в молекулах соединены друг с другом в определенной последовательности согласно их валентностям. Последовательность межатомных связей в молекуле называется ее химическим строением и отражается одной структурной формулой (формулой строения). Молекуля́рная ма́сса масса молекулы, выраженная в атомных единицах массы. Численно равна молярной массе.

Моль – это единица количества вещества. Это такое количество вещества (или его порция), которое содержит 6,02 · 1023 частиц (молекул, атомов или других частиц)

Закон Авагадро в равных объёмах различных газов, взятых при одинаковых температуре и давлении, содержится одно и то же число молекул

Моль – это единица количества вещества. Это такое количество вещества (или его порция), которое содержит 6,02 · 1023 частиц (молекул, атомов или других частиц)

Эквивалент- это реальная или условная частица, которая может присоединять, высвобождать или другим способом быть эквивалентна катиону водорода в ионообменных реакциях или электрону в окислительно-восстановительных реакциях

закон эквивалентов: все вещества реагируют в эквивалентных отношениях. Валентностью называется свойство атомов данного элемента присоединять или замещать в соединении определенное число атомов другого элемента

Закон Авогадро позволяет определить число атомов, входящих в состав молекул простых газов. Путем изучения объемных отношений при реакциях, в которых участвуют водород, кислород, азот и хлор, было установлено, что молекулы этих газов двухатомны. Следовательно, определив относительную молекулярную массу любого из этих газов и разделив ее пополам, можно было сразу найти относительную атомную массу соответствующего элемента. Например, установили, что молекулярная масса хлора равна 70,90; отсюда атомная масса хлора равняется или 35,45.

Вале́нтность способность атомов химических элементов образовывать определённое число химических связей с атомами других элементов.

Внутр.э-это сумма энергий молекулярных взаимодействий и тепловых движений молекулы. Внутренняя энергия является однозначной функцией состояния системы

Ковалентная связь образуется двумя электронами с противоположно направленными спинами, причем эта электронная пара принадлежит двум атомам.

энергетическое состояние электронов в атоме.

Главное квантовое число - целое число, обозначающее номер энергетического уровня. Характеризует энергию электронов, занимающих данный энергетический уровень. Является первым в ряду квантовых чисел, который включает в себя главное, орбитальное имагнитное квантовые числа, а также спин

Орбитальное квантовое число - в квантовой физике квантовое число ℓ, определяющее форму распределения амплитуды волновой функции электрона в атоме, то есть форму электронного облака. Определяет подуровень энергетического уровня, задаваемого главным (радиальным) квантовым числом n и может принимать значения

Является собственным значением оператора орбитального момента электрона, отличающегося от момента количества движенияэлектрона j лишь на оператор спина s :

Энергия ионизации - представляет собой наименьшую энергию, необходимую для удаления электрона от свободного атома. На энергию ионизации атома наиболее существенное влияние оказывают следующие факторы:

эффективный заряд ядра, являющийся функцией числа электронов в атоме, экранирующих ядро и расположенных на более глубоко лежащих внутренних орбиталях;

радиальное расстояние от ядра до максимума зарядовой плотности наружного, наиболее слабо связанного с атомом и покидающего его при ионизации, электрона;

мера проникающей способности этого электрона;

межэлектронное отталкивание среди наружных (валентных) электронов.

Сродство к электрону - количество энергии, выделяющееся при присоединении электрона к атому, молекуле пли радикалу. Сродство к электрону выражается обычно в электрон-вольтах. Значение величины Сродства к электрону важно для понимания природы химической связи и процессов образования отрицательных ионов. Чем больше Сродство к электрону, тем легче атом присоединяет электрон. Сродство атомов металлов к электрону равно нулю, у атомов неметаллов Сродство к электрону тем больше, чем ближе стоит элемент (неметалл) к инертному газу в периодической системе Д. И. Менделеева. Поэтому в пределах периода усиливаются неметаллические свойства по мере приближения к концу периода.

Атом состоит из ядра и окружающего его электронного "облака". Находящиеся в электронном облаке электроны несут отрицательный электрический заряд. Протоны , входящие в состав ядра, несутположительный заряд.В любом атоме число протонов в ядре в точности равно числу электронов в электронном облаке, поэтому атом в целом – нейтральная частица, не несущая заряда.Атом может потерять один или несколько электронов или наоборот – захватить чужые электроны. В этом случае атом приобретает положительный или отрицательный заряд и называется ионом .

Изото́пы (от др.-греч. ισος - «равный» , «одинаковый» , и τόπος - «место» ) - разновидности атомов (и ядер) какого-либо химического элемента, которые имеют одинаковый атомный номер, но при этом разные массовые числа. Название связано с тем, что все изотопы одного атома помещаются в одно и то же место (в одну клетку) таблицы Менделеева: 16 8 O, 17 8 O, 18 8 O - три стабильных изотопа кислорода.

Радиоактивные элементы и их распад.

Радиоактивный распад - спонтанное изменение состава нестабильных атомных ядер путём испускания элементарных частиц или ядерных фрагментов. Существуют альфа, бета и гамма распады. Соответственно они испускают альфа, бета и гамма частицы. Распад имеющий самую сильную проникающую способность, это гамма распад (не откланяются магнитным полем). Альфа – положительно заряженные частицы. Бета – отрицательно заряженные частицы.

Распад ядер радиоактивных элементов или изотопов может происходить тремя основными путями, и соответствующие реакции ядерного распада названы тремя первыми буквами греческого алфавита. При альфа-распаде выделяется атом гелия, состоящий из двух протонов и двух нейтронов, - его принято называть альфа-частицей. Поскольку альфа-распад влечет за собой понижение числа положительно заряженных протонов в атоме на два, ядро, испустившее альфа-частицу, превращается в ядро элемента, отстоящую на две позиции ниже от нее в периодической системе Менделеева. При бета-распаде ядро испускает электрон, а элемент продвигается на одну позицию вперед по периодической таблице (при этом, по существу, нейтрон превращается в протон с излучением этого самого электрона). Наконец, гамма-распад - это распад ядер с излучением фотонов высоких энергий, которые принято называть гамма-лучами. При этом ядро теряет энергию, но химический элемент не видоизменяется. Радиоактивный элемент - химический элемент, все изотопы которого радиоактивны.

1. 37. Искусственная радиоактивность.

Искусственная радиоактивность - самопроизвольный распад ядер элементов, полученных искусственным путем через соответствующие ядерные реакции. Все три типа излучений - a, b и g, характерные для естественной радиоактивности,- испускаются также и искусственно-радиоактивными веществами. Однако среди искусственно-радиоактивных веществ часто встречается еще иной тип распада, не свойственный естественно-радиоактивным элементам. Это - распад с испусканием позитронов - частиц, обладающих массой электрона, но несущих -положительный заряд. По абсолютной величине заряды позитрона и электрона равны. Искусственно-радиоактивные вещества могут получаться при весьма разнообразных ядерных реакциях. Примером может служить реакция захвата нейтронов серебром. Для проведения такой реакции достаточно поместить пластинку серебра поблизости от источника нейтронов, окруженного парафином.

1. 38. Ядерные реакции.

Ядерная реакция - процесс образования новых ядер или частиц при их столкновениях. Впервые ядерную реакцию наблюдал Резерфорд в 1919 году, бомбардируя α-частицами ядра атомов азота, она была зафиксирована по появлению вторичных ионизирующих частиц, имеющих пробег в газе больше пробега α-частиц и идентифицированных как протоны. Впоследствии с помощью камеры Вильсона были получены фотографии этого процесса.

1. 39. Теория химического строения.

У этой теории четыре положения: 1) Атомы в молекуле соединены в определённой последовательности в соответствии с их валентностью. Эта последовательность называется химическим строением . 2) Свойства вещества зависят не только от качественного и количественного состава молекулы, но и от её химического строения. Вещества, имеющие один и тот же состав, но разное строение, называются изомерами , а само их существование изомерией . 3) Атомы и группы атомов в молекуле взаимно влияют друг на друга непосредственно или посредством других атомов. 4) Строение вещества познаваемо, возможен синтез веществ с заданным строением. Бутлеров.1861 г.

1. 40. Ковалентная связь.

Ковалентная связь - химическая связь, образованная перекрытием пары валентных электронных облаков. Обеспечивающие связь электронные облака называются общей электронной парой . Бывает полярной и неполярной. Важная характеристика ковалентной связи это её полярность. Если молекула состоит из 2 атомов, которые связаны полярной связью, то такая молекула – полярная молекула. Представляет собой диполь. Диполь – электро-нейтральная система в которой центры положительного и отрицательного заряда находятся на определённом расстоянии друг от друга. Полярность молекулы, количественно оценивается дипольным моментом, которые равен произведению длины диполя на значение эффективного заряда. Эффективный заряд = 1.6 * 10 -19 Кл. Способность молекул и отдельных связей полиризоватся под влиянием внешнего электрического поля называется полиризуемостью. Способность атома участвовать в образовании ограниченного числа ковалентных связей, называется насыщаемостью ковалентной связи. Направленность ковалентной связи обуславливает пространственную структуру молекул, т.е. перекрывание электронных облаков. Происходит только при определённой взаимной ориентации орбиталей обеспечивающей наибольшую электронную плотность в области перекрывания.

Естественная и искусственная радиоактивность

Ядра некоторых изотопов могут самопроизвольно превращаться в ядра других элементов с выделением энергии. Этот процесс называют радиоактивностью. Естественная радиоактивность впервые обнаружена на солях урана в 1896г. французским физиком А. Беккерелем и исследована затем Пьером и Марией Кюри. Было установлено, что радиоактивный распад сопровождается испусканием α-, β-, и γ-лучей. Большинство естественных радиоактивных элементов образует радиоактивные семейства, где каждый радиоактивный элемент возникает из предыдущего и, в свою очередь, превращается в последующий. Процесс радиоактивных превращений продолжается до тех пор, пока не образуется устойчивый изотоп. Для некоторых естественных радиоактивных элементов (40 К, 87 Rb, 152 Sm и др.) распад ограничивается одним звеном превращения.

Искусственная радиоактивность открыта в 1934г. французскими учеными Ирен и Фредериком Жолио-Кюри. Они установили, что при облучении стабильных элементов α-частицами образуются радиоактивные изотопы фосфора, азота и кремния – элементов, не име6ющих естественных радиоактивных изотопов. В дальнейшем при облучении стабильных элементов α-частицами, протонами, дейтронами и нейтронами, были получены радиоактивные изотопы всех химических элементов, начиная от водорода и кончая ураном, причем для большинства элементов получено несколько радиоактивных изотопов.

Существуют следующие основные виды распада природных радиоактивных элементов.

1. Испускание α-частицы, представляющей собой положительно заряженное ядро гелия с атомным номером Z=2 и массовым числом М=4. Ядро, образовавшееся в результате α-распада, имеет массовое число на четыре единицы, а порядковый номер на две единицы меньше, чем у исходного ядра, например:

2. Испускание отрицательных или положительных α-частиц - электрона (обозначается е - или β -) или позитрона (е + или β +), представляющих собой заряженные частицы с примерно одинаковой массой (m e =0,9035-10 -27 г), составляющей всего 1/1835 часть массы протона. При этом массовое число продукта распада такое же, как у исходного ядра, а порядковый номер увеличивается или уменьшается на одну единицу, например:

.

В приведенных записях реакций отмечена важная особенность β-распада: он всегда сопровождается испусканием нейтральной частицы с нулевой массой - нейтрино v при β + -распаде и антинейтрино v при β - -распаде. Очень часто основные (обязательные) продукты распада, α- и β-частицы, а также нейтрино (антинейтрино) , уносят не всю энергию реакции распада. Избыток энергии испускается в виде одного или нескольких -квантов

.

3. Захват ядром электрона одной из оболочек атомов. В результате этого процесса, называемого электронным захватом (ЭЗ), атомный номер (как и при β + -распаде) уменьшается на одну единицу, а энергия реакции уносится нейтрино и в некоторых случаях также -γ-излучением, например:

.

При занятии вакантного места на электронной оболочке другим электроном возникает также характеристическое рентгеновское излучение элемента - продукта реакции.

Электронный захват с К-, L -оболочек принято называть соответственно (К -захватом, L -захватом и т. д.

4. Самопроизвольное деление некоторых тяжелых ядер (238 U , 232 Th ) на две части, обычно с неодинаковой массой. При самопроизвольном делении помимо осколков деления излучаются два или три нейтрона, а иногда и другие частицы. Вновь образовавшиеся ядра обычно нестабильны и распадаются путем испускания нескольких нейтронов и β - -частиц. В ядерной геофизике вызывает интерес испускание некоторыми продуктами деления так называемых запаздывающих нейтронов, сопровождающих β-распад, например:

Регистрацию таких нейтронов используют для определения содержания урана.

5. Испускание одного или двух протонов, при котором масса и заряд уменьшаются на одну или две единицы, наблюдается лишь у части искусственных радиоактивных изотопов с исключительно большим дефицитом нейтронов (соответственно с избытком протонов), например:

.

Этот вид распада недавно открыт советскими учеными, и его значение для ядерной геофизики еще не изучено.

Иногда к радиоактивному распаду относят также переход некоторых ядер из метастабильного (относительно устойчивого возбужденного) состояния в основное с испусканием одного или нескольких γ-квантов. При этом ядерного превращения (в смысле изменения его массы или заряда) не происходит. Однако закон уменьшения числа активных (метастабильных) ядер совпадает с законом радиоактивного распада, что и оправдывает отнесение этого процесса, называемого изомерным переходом (ИП), к особому виду радиоактивности.

Возбужденное ядро-изомер некоторого элемента М Х принято обозначать М m Х. Изомеры обычно получают возбуждением ядер при бомбардировке ядерными частицами или иногда как промежуточный продукт при распаде некоторых ядер. Например, при распаде UX 1 кроме изотопа 234 Pa(UZ) образуется его изомер 234 m Pa(UX 2), имеющий другой период полураспада.

Обычно радиоактивный элемент распадается одним из перечисленных выше способов. Однако многие из них могут распадаться различными путями. Так, например, 226 Ra в 99 % случаев превращается в 222 Rn, излучая α-частицу с энергией 4,9 МэВ. Однако наблюдается переход радия в радон и с испусканием двух частиц: α -частицы с энергией 4,7 МэВ и γ-кванта с энергией 0,2 МэВ. Некоторые радиоактивные элементы распадаются, образуя два или более новых элементов. Так, около 12 % атомов 40 К испытывают К -захват и превращаются в атомы аргона 40 Аr с последующим излучением γ -квантов с энергией 1,46 МэВ. Остальные 88 % 40 К превращаются в атомы кальция 40 Са с излучением β-частицы. Распад искусственных радиоактивных элементов, как правило, сопровождается испусканием электронов (или позитронов) и γ –лучей.

В природе обнаружено более 50 естественных радиоактивных элементов. Наиболее распространены тяжелые элементы, входящие в состав радиоактивных семейств урана , актиноурана AcU и тория ( ,рис. 5.1). В ничтожно малых количествах в природе встречаются элементы семейства нептуния , распад которых ограничивается одним звеном превращений. Из анализа рис. 5.1 следует, что характер распада этих семейств имеет много общего.