Глава 11. Ядерная химия

11.2. Радиоактивность

Открытие радиоактивности связывают с именем А. Беккереля, который в 1896 г. обнаружил самопроизвольное испускание ураном ранее неизвестного излучения. Термин радиоактивность (лат. radio – излучаю, activus – действенный) был предположен в 1898 г. М. Кюри. В последующие два года работами Э. Резерфорда было установлено, что это излучение состоит из трех видов – положительно заряженных α-лучей, отрицательно заряженных β-лучей и незаряженных γ-лучей, которые вскоре были идентифицированы соответственно как пучки ядер гелия (α-лучи), пучки электронов (β-лучи) и электромагнитное излучение (фотоны) с частотами, значительно превышающими частоты рентгеновского излучения (γ-лучи). Испускание α- и β-лучей сопровождается превращением химических элементов:
На основании изучения этих типов радиоактивного превращения было сформулировано правило смещения (К. Фаянс, Ф. Содди, 1913 г.): α-распад сопровождается образованием изотопа элемента с массой на 4 единицы меньше, смещенного в периодической таблице на два номера к началу, а β-распад приводит к образованию изотопа элемента, смещенного на один номер к концу периодической системы (без изменения массового числа).

Кроме основного β-распада известны еще два его варианта – испускание позитрона и электронный захват. Испускание позитрона сопровождается превращением протона в нейтрон, в результате чего атомный номер элемента уменьшается на единицу:

Электронный захват обусловлен захватом электрона из электронной оболочки атома протоном:
В результате электронного захвата атомный номер элемента уменьшается на единицу:

Кроме природных (естественных) радиоактивных изотопов , начиная с 1934 года получено более 1200 искусственных изотопов. Супруги Ирен и Фредерик Жолио-Кюри получили первые искусственные изотопы

Устойчивость атомного ядра зависит от отношения числа нейтронов к числу протонов, а также четности или нечетности их числа, при этом ядра с четными числами протонов и нейтронов, как правило, устойчивее ядер с нечетными числами нуклонов (табл. 11.1).

На рис. 11.1 приведен пояс устойчивости атомных ядер. Видно, что с возрастанием атомного номера отношение числа протонов к числу нейтронов для устойчивых ядер возрастает. Большинство радиоактивных изотопов расположено вне пояса устойчивости.

1

Рисунок 11.1 Зависимость числа нейтронов от числа протонов в ядрах устойчивых изотопов

Ядра с числом протонов 84 и более неустойчивы. Ядра с числом нуклонов 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 более устойчивы, чем ядра элементов, расположенных рядом в периодической системе. Эти числа называют магическими.

Модель 11.1. Стабильность ядер

Спонтанное деление – еще один тип радиоактивного распада. Оно представляет собой самопроизвольный распад тяжелых ядер с Z ≥ 92 на два (реже на три или четыре) осколочных ядра, соответствующих середине периодической системы. Поскольку отношение N/Z для изотопов тяжелых элементов больше, чем для устойчивых изотопов середины периодической системы, спонтанное деление сопровождается испусканием 2–4 нейтронов и последующими β-распадами осколочных ядер.

Радиоактивное превращение природных радиоактивных изотопов тяжелых элементов, начинающееся с одного родоначальника и заканчивающееся стабильным изотопом, объединены в так называемые радиоактивные ряды. Теоретически возможны четыре радиоактивных ядра с массовыми числами A = 4n, 4n + 1, 4n + 2 и 4n + 3, где n – целое число. В природе обнаружены три радиоактивных ряда: ряд урана-238 (A = 4n + 2; n = 51–59), завершающийся свинцом-206, ряд тория-232 (A = 4n, n = 52–58), завершающийся свинцом-208, ряд актиноурана (A = 4n + 3, n = 51–58), начинающийся с урана-235 и завершающийся свинцом-207. Эти ряды существуют потому, что их родоначальники имеют периоды полураспада T_1/2 (т. е. время, за которое распадается половина исходного количества радиоактивного изотопа), соизмеримые со временем существования Земли^*). Четвертый радиоактивный ряд (A = 4n + 1, n = 52–59) называют иногда рядом нептуния (T_1/2 = 2,2 млн. лет), завершается он висмутом-209.

^*) Время жизни Земли оценивается в 4,5 млрд лет.

2

Рисунок 11.2 Счетчик Гейгера

Выше упоминалось, что все элементы тяжелее радиоактивны, все их изотопы претерпевают радиоактивный распад (Z = 84–109). Известны только два более легких полностью радиоактивных элемента, и . В природной смеси изотопов следующих элементов содержатся радиоактивные изотопы: , , , , , , , , , , , , , , , К ним следует добавить который образуется в атмосфере под действием космического излучения и всегда присутствует в живых организмах. После их гибели поступление углерода-14 прекращается и начинается его распад
Поскольку T_1/2 углерода-14 составляет 5500 лет, радиоуглеродный метод дает возможность определять возраст биологических объектов.

Радиоактивное излучение воздействует на вещество и, передавая веществу энергию, вызывает в нем электронное возбуждение, ионизацию и разрыв химических связей. Особенно опасно радиоактивное излучение для биологических объектов, поскольку оно может нарушить нормальное функционирование клеток, приводя к необратимым последствиям и даже к летальным исходам. Воздействие радиоактивного излучения на организм зависит от проникающей способности излучения. Из трех видов внешнего радиоактивного излучения наименьшей проникающей способностью обладает α-излучение, которое практически полностью поглощается кожным покровом. Бета-излучение способно проникать под кожный покров на глубину до 1 см. Попадание в организм носителей этих радиоактивных излучений весьма опасно. Наибольшую опасность представляет собой гамма-излучение, поскольку оно обладает весьма высокой проникающей способностью.