Часть 1_физические основы

ЯДЕРНАЯ ХИМИЯ
До сих пор мы занимались химическими реакциями, т.е. реакциями, в которых
преобладающую роль играют электроны. В данной главе рассматриваются ядерные
реакции, т.е. такие изменения вещества, природа которых связана с атомным ядром.
Некоторые эксперты предсказывают, что мы все больше будем использовать ядерную
энергию, чтобы возместить оскудевающие запасы горючих ископаемых и удовлетворить наши возрастающие энергетические потребности. Поэтому, переходя к рассмотрению ядерной химии, мы как бы продолжаем начатую в предыдущей главе тему,
которая связана с получением энергии. Но, прежде чем начать это обсуждение, нужно
ознакомить читателя со спорами вокруг ядерной энергии в связи с теми чувствами,
которые вызывает строительство атомных электростанц ий. Поскольку разговоры
о ядерной энергии вызывают очень много эмоций, в них трудно отделить факты от
вымысла и непредвзято взвесить все доводы за и против. Поэтому каждому образованному современному человеку важно хоть немного знать о ядерных реакциях и об
использовании радиоактивных веществ.
Однако, прежде чем углубляться в дальнейшее обсуждение, полезно повторить
и несколько расширить кое-какие сведения, изложенные в разд. 2.6, ч. 1. Прежде всего
напомним, что атомное ядро состоит из субатомных частиц д вух типов: протонов
и нейтронов. Вместе они называются нуклонами. Напомним также, что все атомы
определенного элемента имеют одинаковое число протонов, называемое атомным номером элемента. Однако атомы одного элемента могут иметь неодинаковое число
нейтронов и, следовательно, различные массовые числа; массовое число представляет
собой суммарное число всех нуклонов в атомном ядре. Атомы с одинаковым
атомным номером, но с различными массовыми числами называются изотопами.
Чтобы различать изотопы одного элемента, при них указывают их массовые числа.
Например, три естественные изотопа урана обозначают как уран -233, уран-235
и уран-238, где приведенные численные величины указывают соответствующие массовые числа. Эти изотопы обозначаются также с помощью химических символов как
2
g|U, 2 Ци и 2 |fU. Здесь верхние индексы означают массовые числа, а нижние атомный номер элемента. Различные изотопы отличаются и по своему содержанию
в естественных условиях. Например, 99,3% встречающегося в природе урана приходится
на долю урана-238; 0,7%-на долю урана-235 и только следы-на долю урана-233. Нам
приходится обращать внимание на различие между изотопами по той причине, что
ядерные свойства атома зависят как от числа протонов, так и от числа нейтронов в
его ядре. В отличие от этого химические свойства атома практически не зависят от
числа нейтронов в его ядре. Перейдем теперь к обсуждению реакций, в которых принимают участие атомные ядра.
20.1. Ядерные реакции
Атомное ядро может вступать в реакции и, следовательно, изменяться несколькими различными способами. Некоторые ядра неустойчивы и самопроизвольно испускают субатомные частицы и электромагнитное излучение. Такое самопроизвольное
испускание частиц или излучения из атомного ядра называется радиоактивностью. Открытие этого явления Анри Беккерелем в 1896 г. описано в разд. 2.6, ч. 1. Изотопы,
обладающие радиоактивностью, называются радиоактивными, или радиоизотопами.
В качестве примера приведем уран-238, который самопроизвольно испускает альфа-лучи; эти лучи представляют собой поток ядер гелия-4, называемых альфа-частицами.
Когда ядро урана^ЗБ теряет альфа-частицу, оставшийся фрагмент ядра имеет
атомный номер 90 и массовое число 234. Таким образом, он представляет собой не
что иное, как ядро изотопа торий-234. Обсуждаемую реакцию можно описать следующим ядерным уравнением:
2
|?U -*
2
&Th + jHe
(20.1)
Когда ядро самопроизвольно разрушается указанным образом, говорят, что оно распадается или подвергается радиоактивному распаду.
/ ]
Отметим, что сумма массовых чисел в левой и правой частях уравнения (20.1)
оди-1 накова (238 = 234 + 4). Точно также одинакова и сумма атомных номеров, или
' ядерных зарядов, в левой и правой частях уравнения (92 = 90 + 2). В любых ядерных
реакциях суммы массовых чисел и атомных номеров должны оставаться без изменений.
При записи ядерных уравнений не имеет значения химическая форма атома, ядро которого
рассматривается, так как радиоактивные свойства ядра практически не зависят от
химического состояния атома. Совершенно безразлично, имеем ли мы дело с атомом
в форме элемента или в форме одного из его соединений.
Другой способ вызвать превращение ядра заключается в его бомбардировке нейтроном или каким-нибудь другим ядром. Осуществляемые таким способом ядерные
реакции называются ядерными превращениями. Подобное превращение происходит, например, когда ядро хлора-35 бомбардируют нейтроном (дП); при их столкновении
образуются ядра серы-35 и протон (Jp или }Н). Ядерное уравнение этой реакции имеет
вид
?|CI + in - ?|S + jH
(20.2)
Отметим снова, что в обеих частях уравнения суммы массовых чисел и атомных номеров остаются неизменными. Бомбардируя ядро различными частицами, можно получать такие ядра, которые не встречаются в естественном виде. Примером такого искусственного изотопа является сера-35, которую получают по уравнению (20.2).
УПРАЖНЕНИЕ 20.1
Напишите полное уравнение для ядерного
превращения, в котором ядра алюминия-27
бомбардируют ядрами гелия-4, в результате чего получаются ядра фосфора-ЗО и нейтроны.
Решение. Из периодической таблицы или
перечня химических элементов, помещенных на
внутренней стороне обложки книги, находим,
что алюминий имеет атомный номер 13; следовательно, указанный изотоп обозначается символом "Al. Атомный номер фосфора равен 15,
поэтому химическим символом полученного
изотопа должен быть J°P. Полное уравнение
ядерной реакции имеет вид
ЦМ + *Не -» f °Р + дП
В последующих разделах мы подробнее ознакомимся с радиоактивным распадом,
а также с получением новых ядер при помощи ядерных превращений. В разд. 20.8
и 20.9 будут обсуждаться два других типа ядерных реакций. Одна из них известна под
названием ядерного деления, а другая-под названием ядерного синтеза. Ядерное деление включает расщепление большого ядра на два ядра приблизительно одинаковых
размеров. Ядерный синтез происходит в результате слияния двух небольших ядер
с образованием большого ядра.
20.2. Радиоактивность
При обсуждении радиоактивности в предыдущем разделе у читателя могли возникнуть два вопроса общего характера: какие ядра являются радиоактивными и какие
типы излучения они испускают? Это очень важные вопросы, и теперь мы ответим на
них. Сначала рассмотрим типы излучения, которым сопровождается явление радиоактивности.
ТИПЫ РАДИОАКТИВНОГО РАСПАДА ЯДЕР
Испускание излучения является одним из способов, посредством которого неустойчивое ядро преобразуется в устойчивое с меньшей энергией. Испускаемое излучение
уносит с собой избыток энергии. В разд. 2.6, ч. 1, мы обсуждали три наиболее распространенных типа излучения, испускаемого радиоактивными веществами: альфа(а)-лучи, бета ((3)-лучи и гамма (у)-лучи.
Как уже было указано в разд. 20.1, альфа-лучи представляют собой пучки ядер гелия-4, носящих также название альфа-частиц. Процесс (20.3)-другой пример радиоактивного распада этого типа:
"jRn - »
2
^Ро + |Не
(20.3)
Бета-лучи представляют собой пучки электронов. Поскольку бета-частицы не что
иное, как электроны, их обозначают _ °е. Нулевой индекс отражает то обстоятельство,
что масса электрона пренебрежимо мала по сравнению с массой нуклона. Индекс — 1
указывает на то, что рассматриваемая частица имеет отрицательный знак, равный по
величине, но противоположный по знаку заряду протона. В качестве примера изотопа,
подверженного радиоактивному распаду с испусканием бета-излучения, можно привести иод-131:
Ч|1 ->
1
ЦХе + _?е
(20.4)
При испускании бета-частицы один из нейтронов внутри ядра превращается в протон,
в результате чего атомный номер ядра возр астает на единицу:
in - }р + _?е
(20.5)
Однако только на том основании, что ядро испускает электроны, не следует думать,
будто последние входят в состав ядра, ведь не думаем же мы, что спичка состоит из
искр, поскольку они получаются при ее зажигании! Электроны появляются при распаде ядра.
Гамма-лучи представляют собой электромагнитное излучение с очень короткой
длиной волны (т.е. фотоны высокой энергии). Положение гамма-лучей в электромагнитном спектре показано на рис. 5.3, ч. 1. Гамма-лучи можно обозначать символом
оУ. Ядра, испускающие такое излучение, не меняют ни своего атомного номера, ни
массового числа. Гамма-излучение почти всегда сопровождает какое-нибудь другое
радиоактивное излучение, поскольку излучение испускается в результате потери энергии при реорганизации оставшегося ядра в более устойчивую структуру. Как правило,
при записи ядерных уравнений мы не будем указывать гамма -излучение.
Существует еще два других типа радиоактивного распада-испускание позитрона ,
и
электронный захват. Позитрон-это частица с такой же массой, как и электрон, но '
имеющая заряд противоположного знака*. Позитрон обозначают символом °е. Примером изотопа, который распадается с испусканием позитрона, служит углерод -11:
"С -
"В
+ ?е
(20.6)
Испускание позитрона можно представить себе как превращение протона в нейтрон,
в результате чего атомный номер ядра уменьшается на единицу:
!Р - on + ?е
(20.7)
Электронный захват представляет собой захват ядром электрона из электронной
оболочки, окружающей ядро. Распад подобного типа испытывает рубидий-81:
f'Rb + Л е (орбитальный электрон) -» "Кг
(20.8)
В результате электронного захвата один из протонов внутри ядра превращается
в нейтрон:
iP + -?е -» £п
УПРАЖНЕНИЕ 20.2
Составьте полные уравнения следующих
ядерных реакций: а) альфа-распад тория-230; б)
распад тория-231 с образованием протактиния-231.
Решение, а) Условие задачи можно записать
следующим образом:
2 ^ТЪ - ^Не + X
Требуется определить продукт реакции X. Поскольку сумма массовых чисел в левой и правой
частях уравнения должна быть одинаковой, мы
приходим к заключению, что X имеет массовое
число 226. На основании таких же соображений
атомный номер X должен быть равен 88. Элементе атомным номером 88-это радий (см. периодическую таблицу или перечень химических
элементов, приведенные на внутренней стороне
обложки книги). Таким образом, уравнение ре-
(20.9)
акции должно иметь вид:
230Th -► 4Не + 226Ra
90
2
88
б) В данном случае требуется определить
тип частицы, испускаемой при радиоактивном
распаде. Запишем уравнение
23lTh _^ 231ра + х
9°
91
Атомные номера определим при помощи перечня элементов. Для того чтобы суммы массовых
чисел в левой и правой частях уравнения совпадали, X должен иметь массовое число 0. Его
атомный номер должен быть равен - 1. Частица с такими характеристиками представляет собой не что иное, как бета-частицу (электрон),
Таким образом, можно записать
231-гч.
23ip
о
90
~* 91
~1
УСТОЙЧИВОСТЬ ЯДРА
Не существует строгого правила, которое позволило бы точно предсказывать,
является ли радиоактивным данное ядро и как оно распадается. Однако можно приве сти ряд эмпирических наблюдений, которые помогают делать подобные предсказания:
* Позитрон имеет очень короткое время жизни, поскольку он аннигилирует при столкновении с электроном:
?е+%е-2°у
ТАБЛИЦА 20.1. Число устойчивых изотопов
с четным и нечетным числом протонов и нейтронов
Число устойчивых Число протонов Число нейтронов
изотопов
157
52
50
5
Четное
Четное
Нечетное
Нечетное
Четное
Нечетное
Четное
Нечетное
1. Все ядра с 84 или более протонами неустойчивы. Например, все изотопы урана,
элемента с атомным номером 92, радиоактивны.
2. Ядра с числом протонов или нейтронов 2, 8, 20, 50, 82 или 126 более устойчивы,
чем ядра элементов, расположенных рядом с ними в периодической таблице. На
пример, существуют три устойчивых изотопа с атомным номером 18, два
с атомным номером 19, пять с атомным номером 20 и один с атомным номером
21; существуют три устойчивых изотопа с 18 нейтронами и ни одного с 19, четыре
с 20, но ни одного с 21. Таким образом, устойчивых ядер с 20 протонами или 20
нейтронами больше, чем с 18, 19 или 21. Числа 2, 8, 20, 50, 82 и 126 называются ма
гическими числами. Подобно тому как повышенная химическая устойчивость ато
мов связывается с наличием у них 2, 10, 18, 36, 54 или 86 электронов, образующих
конфигурации благородных газов, повышенная ядерная устойчивость ассоциируется
с магическим числом нуклонов.
3. Ядра с четными числами протонов и нейтронов, как правило, более устойчивы, чем
ядра с нечетными числами нуклонов, что иллюстрируется табл. 20.1.
4. Устойчивость ядра заметно коррелирует с отношением числа нейтронов к числу
протонов. Все ядра с двумя или большим числом протонов содержат нейтроны.
По-видимому, нейтроны каким-то образом удерживают протоны внутри ядра. Как
показано на рис. 20.1, число нейтронов, необходимое для создания устойчивого
ядра, быстро повышается с возрастанием числа протонов; в результате с увеличе
нием атомного номера отношение числа нейтронов к числу протонов (нейтронно протонное отношение) возрастает. На рис. 20.1 площадь, в пределах которой распо
ложены все устойчивые ядра, называется поясом устойчивости.
УПРАЖНЕНИЕ 20.3
Следует ли ожидать, что ядра £Не, \^С&,
2g°At будут радиоактивными?
Решение. Изотоп гелий-4 имеет магическое
число протонов и магическое число нейтронов
(по два). Поэтому следует ожидать, что ядро
*Не должно быть устойчивым.
Изотоп кальций-39 имеет четное число протонов (20) и нечетное число нейтронов (19); чис-
ло 20 принадлежит к ряду магических чисел.
Тем не менее следует ожидать, что это ядро
окажется радиоактивным, поскольку оно характеризуется нейтронно-протонным отношением
меньше 1 и, таким образом, располагается ниже
пояса устойчивости.
Изотоп астат-210 радиоактивен Напомним,
что среди ядер с атомным номером выше 83 не
существует устойчивых.
Тип радиоактивного распада какого-либо конкретного радиоизотопа в большой
степени зависит от того, насколько его нейтронно-протонное отношение отличается
от соответствующего отношения для ближайших ядер, расположенных в пределах по яса устойчивости. Рассмотрим ядро с высоким нейтронно-протонным отношением,
расположенным выше пояса устойчивости. Такое ядро может снизить свое нейтроннопротонное отношение и сместиться в направлении пояса устойчивости в результате
испускания бета-частицы. Как это следует из уравнения (20.5), бета-излучение уменьшает число нейтронов и увеличивает число протонов в ядре.
Ядра с низкими нейтронно-протонными отношениями, расположенные ниже пояса
устойчивости, испускают позитроны или совершают электронный захват. Любой из
этих распадов приводит к уменьшению числа протонов и увеличению числа нейтронов
в ядре, как это видно из уравнений (20.7) и (20.9). Испускание позитрона для легких
ядер представляет собой более распространенный процесс, чем электронный захват,
однако по мере повышения заряда ядра электронный захват становится все более рас пространенным процессом.
Альфа-излучение испускают главным образом ядра с атомным номером больше
83. Такие ядра должны располагаться за верхним правым краем рис. 20.1, вне преде лов пояса устойчивости. В результате одновременного уменьшения как числа прото -
нон, IUK и числа нейтронов на две единицы при испускании альфа-частицы ядро перемещается по диаюнали в направлении к поясу устойчивости.
На рис. 20.2 показаны результаты радиоактивного распада каждого типа, приводящие к устойчивому ядру.
М1РЛЖНЕНИЕ 20.4
С помощью рис. 20.1 предскажите тип раиюашивного распада для следующих ядер: а)
ние ядерной реакции имеет вид
,.
.,
Решение. Для oieera на этот вопрос воспольЗУСМСЯ приведенными » тексте указаниями.
. .,
20кг
а| Для ядра ,VNa неитронно-протонное отно,
шение меньше 1, и, следовательно, JTO ядро лег.
жн i ниже пояса УСТОЙЧИВОСТИ. ОНО может стать
устичиьым и результате испускания позитрона
или 1лскгронною захвата. Поскольку ядро
HMCCI 11ебольшой атомный номер, можно предвилегь. что оно б>дет распадаться с испускапнем почигрона. Как можно убелитьси. обра[нвпшеь к какому-либо подходящему сиравочник) по фишке или химии, наше предсказание
оказалось правильным. В данном случае >равне-
б) При помощи рис. 20.1 можно убедиться.
/г
г
;
что ядро 1г,7л имеет слишком высокое ней грон^
,-,
но-протонное отношение. Поп ому следует ожиr
J
_
, J
дать, что оно суде г претерпевать оета-распад.
J
r
r
„
'
Это предсказание оказывается правильным, гег
^
акция
по уравнению
" - протекает
г
jr
^Zr -> _°,е -г Ц^Ъ
f/Na: б) :,iZr; в) Щи.
f,'Na - °с + J°Nc
в
Р° «и расположено правее верхней
устойчивости. Помому можно
предсказать, что оно распадается с испусканием
альфа-частицы. Это предсказание оказываемся
правильным. Реакция протекает по уравнению
части
>
Я;[
пояса
Ц\! - ^Не + 2iiTh
2
В заключение следует отметить, чю сформулированные выше эмпирические правила не всегда приводят к верным выводам. Например, хотя следовало бы ожидать, что
ядро тория-233 (2qf,Th) будет распадат!>ся путем испускания альфа-час гицы, на самом
деле оно претерпевает бета-распад. Кроме того, некоторые радиоактивные ядра располагаются в пределах пояса устойчивости. Например, изотопы '£"Nd и '*f,Nd усюйчивы и лежат в пределах пояса устойчивости, однако расположенный между ними изотоп !*(7)Nd радиоактивен.
РЯДЫ РАДИОАКТИВНОСТИ
1
Некоторые ядра, например уран-238, не могут стать устойчивыми в результате единичною акта радиоактивною распада. Вследствие оюго происходит ряд последовательных распадов. Как показано на рис. 20.3. при распаде урана-238 образуется то-рий234. который также радиоактивен и распадается с образованием протактиния-234. Ото
ядро юже неустойчиво и в свою очередь распадается. Такие последовательные реакции
продолжаются до тех пор, пока не образуется устойчивое ядро, свинец-206.
Последовательность ядерных реакций, которая начинается с неустойчивою ядра и закапчивается устойчивым, называется рядом радиоактивности или рядом ядерною распада. Существуют всего три таких ряда. Помимо ряда, который начинается с ШУШ*:238
и кончайся свинцом-206, имеется еще ряд, начинающийся с^рана-235 и кончающийся
свинцом-207. а кжже третий ряд, который начинается торием-232 и кончайся
свинцом-208.
20.3. Получение новых ядер
В 1 9 1 9 ] . Речерфорд осуществил первое искусственное превращение одного ядра
и друюе. Ему удалось превратив азот-14 в кислород-1 7, пользуясь быстрыми альфа4 t ic i I11UIMM. ко I орые испускает радий. Реакция протекает по уравнению
' i N + tHe - ' ■( .) + jH
120.10)
' Э т а реакция показала, что ядерные превращения могу! осуществляться в результате
бомбардировки ядер частицами наподобие альфа-частиц. Такие реакции сделали воч-
можным синтез сочен радиоизотопов в лабораторных условиях. Как указано в разд.
20.1, подобные превращения одного ядра в друюе называются ядерными превращениями. При записи ядерных превращений принято указывать поочередно ядро -мишень, бомбардирующую частицу, испускаемую частицу и, наконец, получаемое ядро.
В такой записи уравнение (20.10) приобретает вид: ^Nfa, р) 11О. Для записи альфачас гицы. прогона и нейтрона используются обозначения а. р, и п соответственно.
УПРАЖНЕНИЕ 20.5
Составьте полное уравнение ядерной реакции для процесса, сокращенно обозначаемого
как f , A l ( n . У.) f{Na.
Решение. Латинской буквой п обозначаю!
пси iрои. а |реческой буквой i -альфа-час 1ицу.
НсЙ1рон прелегавляе] собой в данном случае
бомбардирующую частицу, а альфа-часгица
является одним из продуктов реакции. Следовательно, уравнение ядерной реакции должно
иметь вид
fjAI + о11 ~" ;Не + ^t^:i
'Заряженные бомбардирующие частицы, как, например, альфа-частицы, должны
иметь очень большую скорость, чтобы преодолен, электростатическое отталкивание
между ними и ядром-мишенью. Чем больше заряд бомбардирующей частицы или ядрамишени, тем большей скоростью должна обладать бомбардирующая частица, чтобы
вызвать ядерную реакцию. В связи с этим разработано много методов ускорения
заряженных частиц с использованием сильных магнитных и электростатических
полей. Такие методы осуществляются с помощью ускорителей элементарных части,
носящих название циклотрон и синхротрон. Принципиальная схема действия циклотрона показана на рис. 20.4. Частицы, предназначенные для бомбардировки исследуемых ядер, вводят в вакуумную камеру цикленрона. Затем их ускоряю;, приклады вая попеременно положительный и отрицательный потенциалы к полым D-образпым
электродам. Магниты, расположенные выше и ниже лих электродов, заставляюi частицы двшаться по спиральным траекториям до тех нор, пока они в конце концов не
выходят из циклотрона и не ударяются о вещество, шрцющее роль мишени. Уекори 1сли элементарных частиц нашли применение главным образом для выяснения ядерной с i рук туры и синтеза новых тяжелых элементов.
Большинство искусственных изотопов, широко применяемых в медицине и в научных исследованиях, получено при использовании нейтронов в качестве бомбардирующих частиц. Поскольку нейгроны электрически нейтральны, они не oi шлкиваюгея
ядрами, и. следовательно, их не надо ускорять (разумеется, их и нельзя ускорить), какзаряженные частицы, чтобы вызвать ядерные реакции. Необходимые для бомбардировки ядер нейтроны получают в результате реакций, протекающих в ядерных реакторах (см. разд. 20.8). Кобальт-60, используемый в лучевой терапии рака, получают в результате нейтронного захвата. Для "этого железо-58 помещают в ядерный реактор, где
его бомбардируют нейтронами и осуществляется такая последовательность реакций:
Ц¥с + 'п -> ^Fe
|^Fe -> 1 1Х:о + _«е
^Со + о" -> iiCo
(20.11)
(20.12)
(20.13)
ТРАНСУРАНОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
Для получения элементов с атомными номерами от 93 до 105 были использованы
искусственные ядерные превращения. Они получили название трансурановых элементов, поскольку расположены в периодической таблице сразу же за ураном. Элементы
93 (нептуний) и 94 (плутоний) были впервые получены в 1940 г. Сначала их получили
путем бомбардировки урана-238 нейтронами в результате следующих реакций:
4* 2 U 4- Jn - Цч 2и - 3^Np + _?e
(20.14)
2
(20.15)
^Np - 2 ^P u + _ ? e
Элементы с еше большими атомными номерами обычно получают в небольших количествах в ускорителях элементарных частиц. Например, кюрий-242 образуется при
бомбардировке мишени из плутония-239 ускоренными альфа-частицами:
2
^Ри + 2Не -> 2 tlCm + In
(20.16)
20.4. Период полураспада
После прочтения предыдущих разделов у вас могло возникнуть несколько вопро сов. Например, чем объяснить, что некоторые радиоизотопы, подобно урану-238, обнаруживаются в природе, тогда как другие не встречаются в естественном состоянии
и их приходится синтезировать? Ответ на этот вопрос основан на том обстоятельстве,
ч г о разные ядра распадаются с различными скоростями. Уран-238 распадается очень
медленно. TOI;UI как многие другие ядра, как, например, сера-35, претерпевают быстрый распад. Чтобы лучше понять явление радиоактивности, .важно разобраться
в скоростях радиоактивного распада.
Радиоактивный распад является процессом с кинетикой первого порядка. Как показано в разд. 13.3. кинешческие процессы первого порядка обладают характерными
периодами полураспада. Период полураспада представляет собой время, необходимое
для тою. чтобы прореагировала половина любого заданного количества вещества.
О скорости распада ядер обычно судят по их периодам полураспада.
Каждый изотоп имеет характерный для него период полураспада. Например, пе риод полураспада етронпия-90 составляет 29 лет. Если взять 10,0 г стронция-90, то через 29 лет останется только 5,0 г этого изотопа. Остальная половина стронция -90 за
по нремя превратится в иттрий-90 в результате реакции
jgSr - SiJY +
°,е
(20.17)
За следующие 29 лег произойдет аналогичный распад еще половины оставшихся 5.0 i
сфонция-90, Уменьшение количества стронция-90 с течением времени показано трафически на рис. 20.5.
У различных радиоактивных изотопов наблюдаются самые разнообразные пе риоды полураспада -от миллионных долей секунды до миллиардов лет. В табл. 20.2
указаны периоды полураспада некоторых важнейших радиоизотопов. Период полураспада любых ядер отличается тем, что он не зависит от внешних условий, например
[емпературы, давления или химическою состояния атома. Поэтому в отличие от химических отравляющих веществ радиоактивные вещества нельзя обезопасить ни какойлибо химической реакцией, ни физической обработкой. Все, что в наших силах сделать
на современном уровне знаний, тто просто позволить ядрам терять их радиоактивность
с присущей им скоростью распада. Разумеемся, нужно принять все необходимые меры,
чтобы изолировать радиоизотопы, поскольку они испускаю) разрушительное
излучение (см. раад, 20.7).
ГЛБЛИЦА 20.2. Важнейшие радиоактивные изотопы, их период полураспада и тип радиоактивности
Изотоп
Период
Тип расшии
no.ijpacna.'ui. i.
1-еiговенные радиоиютош.г
4,5. 10"
7,1-10*
i,4. 1010
1,3-10"
5700
Альфа
Альфа
Альфа
Альфа
Бета
i:
^Pu
;lC\
j'gSr
24 000
30
28,8
Альфа
Бета
Бета
Ч\1
0.022
Бета
~^U
Щи
a
^Th
?2К
ЧС
Искусе i венные радиоизотопы
2
1
УПРАЖНЕНИЕ 20.6
Период полураспада кобальта-60 равен 5,3 i.
Решение. Период 1 5,9 г. вгрое больше периоКакое количество образца кобальта-60 массой
ла полураспада кобалыа-60. В конце первою
1.000 мг останется пи прошествии 15.9 лет?
периода полураспада останется 0,500 MI, в конце
второго периода полураспада 0.250 мг и в конце третьего периода полураспада 0.125 MI
кобальча-60.
ДАТИРОВКА СОБЫТИЙ ПРИ ПОМОЩИ РАДИОАКТИВНЫХ ИЗОТОПОВ
Абсолютное постоянство периода полураспада любого радиоизотопа позволяет
использовать его как «молекулярные часы», в частности, для определения возраста
самых разнообразных объектов. Например, с помощью радиоизотопа углерод-14 устанавливают возраст веществ органического происхождения (см. рис. 20.6). Этот метод
основан на том. что в верхних слоях атмосферы в результате захвата нейтронов азо том постоянно образуется углерод-14:
'}N + Jn -+ 1%С + }Н /
(20.18)
Эта реакция является слабым, но довольно постоянным источником углерода-14. Ралиоак гивный изотоп углерод-14 претерпевает бета-распад с периодом полураспада
5700 лет:
'£С -> '*N + _°,е
(20.19)
При проведении метода датировки с помощью радиоуглерода обычно предполагаю!, что отношение углерода-14 к углероду-12 в атмосфере сохранялось постоянным
на протяжении последних 50000 лет. Углерод-14 включается в диоксид утлерода и затем в результате фотосинтеза попадает вместе с ним в более сложные утлеродсодержашие молекулы, входящие в состав растений. Животные поедают растения и таким
образом в них тоже попадает углерод-14. Поскольку в живое растение или оришизм
живо[цого постоянно вводятся соединения углерода, в нем поддерживаемся такое же
си ношение у1.терода-14 к углероду-12. как и в атмосфере. Однако после смерти opiaнизм уже не получаем соединений углерода, которые бы поддерживали постоянный
уровень содержания углерода-14, падающий в результате радиоактивною распада.
Отношение у!лерода-14 к углероду-12 в отмершем организме постепенно уменьшайся. (:сли тто отношение снижается вдвое по сравнению с атмосферой, можно заключи п>, чю данный объект имеет возраст, равный периоду полураспада у1лерода-14, т.е.
57(Х) лег. Описанный метод нельзя использовать для датировки объектов, возрас! которых превышает 20000-50000 лет. Радиоактивность столь древних объектов слишком низка, чтобы ее можно было измерить достаточно точно. Метод датировки событий при помощи радиоуглерода был проверен путем сравнения возраста деревьев,
определенного путем подсчета колец на срезе, с данными радиоизо тонною анализа.
У растущею дерева каждый год прибавляется одно кольцо. В старых кольцах запас
радиоуглерода не возобновляется. Углерод-14 постепенно распадается, тогда как содержание у!лерода-12 остается постоянным. Большинство использованных для проверки деревьев были калифорнийскими соснами, возраст которых достигал 2000 лет.
По возрасту деревьев, умерших в установленное время несколько тысячелетий назад,
можно было проводить сопоставление вплоть до периода примерно в 5000 лет до н.ч.
Оба метода датировки согласуются с точностью до 10%.
Обьскты иною inna можно датировать аналогично с помощью других изотопов.
Например, образец урана-238 за 4,5-10 9 лет распадается наполовину, превращаясь
в усюйчивый продукт, свииец-206. Для определения возраста содержащих уран минералов можно измерять отношение свинца-206 к урану-238. Если свинец-206 каким-то
образом оказался включенным в минерал в результате нормального химическо] о процесса, а не в результате радиоактивного распада, то такой минерал должен содержать
большее количество более распространенного изотопа, свинца-208. При отсутствии
больших количеств этого «геонормального» изотопа свинца можно предполагать, что
весь содержащийся в образце свинец-206 некогда был ураном-238.
Возраст наиболее древних минералов, обнаруженных на Земле, составляет приблизтельно 3-Ю4 лет. Этот возраст указывает, что кора Земли образовалась не позже
указанного времени. До кристаллизации коры изотопы свинец-206 и уран-238 могли
разделяться. Согласно имеющимся оценкам, потребовалось (1 — 1,5) 109 лет, чтобы Земля
остыла и ее поверхность отвердела. Это показывает, что возраст Земли можно
оценить в (4 -4.5)Ю 9 лет.
РАСЧЕТЫ, ОСНОВАННЫЕ НА ПЕРИОДЕ ПОЛУРАСПАДА
РАДИОИЗОТОПОВ
До сих пор наши рассуждения были главным образом качественными. Теперь
подойдем к вопросу о периоде полураспада с количественной точки зрения. Это позволит нам ответить на такой вопрос: откуда нам известен период полураспада урана238? Ведь ясно, что никто не ждал 4,5-109 лет, пока произойдет распад половины какоголибо образца урана! Возникает и другой вопрос: как количественно определить
возраст объекта при датировке радиометрическими методами?
Уравнение скорости радиоактивного распада любого радиоизотопа имеет первый
порядок. Его можно записать в обобщенной форме как
скорость = kN
(20.20)
1де N -число ядер конкретного радиоизотопа, а fc-константа скорости первого порядка. Это уравнение можно преобразовать к следующему виду (заметим, что последующие уравнения совпадают с приведенными в разд. 13.3, где рассматриваются химиче-
скис процессы с кинетикой первого порядка):
к =
-f-lg^1-
(20-21,
Здесь ! - промежуток времени, в течение (соторого проводится измерение
распада, А--константа скорости, Л' о-исходное число ядер (в момент времени, равный
нулю) и ;V, число ядер, не распавшихся по истечении промежутка времени г. Между
константой скорости к и периодом полураспада f, 2 существует соотношение
к =
0,69?
■ ■ ■■ f
l 2
(20.22)
Если полечавигь уравнение (20.22) в уравнение (20,21), то получится следующее
соотношение;
0.693
2.30 N..
,
"= ." -" g-v
!
д
hi
(
(2(Ш|
После преобразования этого соотношения имеем
' = 3.32f12lg'-()-
(20,24)
;\
Последнее уравнение используется для проведения расчетов такого типа, как в упражнениях 20.7 и 20.8.
УПРАЖНЕНИЕ 20.7
Минерал содержиг 0,257 MI свинпа-206 на
каждый MiLLiiii рамм vpana-238. Определите
«очрас! минерала.
'
Решение. Можно предположим., что и моменг образования мннера-па количество урана-238 в нем было равно сумме имеющегося
в настоящий момеш ypana~23S ( г . е. 1,00(J мг)
и ни о ei о количества, которое распалось
с обрачонанием свинца-206.
УПРАЖНЕНИЕ 20.8
Если нчягь 1.000 г егронция-90, через два го,ia oi нею останется 0,953 i. а) Определите период полураспада сфониия-90, б) Сколько
<лрошшя-90 останется через 5.(Ю лег 0
Решение, и) Вырачим ич уравнения (20.24) tx 2
и подставим в него значения Л' о = 1,000 i, N t =
= 0,953 г и i = 2,00 i.
Исходное содержание 2^f LJT =
238
= 1 -00 0 M I + - ^ (0 ,257 мг) =
= 1,297 MI
С помощью уравнения (20.24) и периода no.ivраспада ^2^'. равного 4,5 ■ 10 у лет. находим
'
=
_
,,
3 , 3 2 ( 4 , 5 - 1 0 r.Ug-j-^- =
= 3,32(4-5- Ю4 1.10,113 = 1 ,7 - 1 0 у г.
_
'■- "~
'
л/ ~
J.J^ig ----'[
2.00 т.
= ------------- - - ■- =
^ ^] с l M ".
"" ~ ~ 0.953
2,00 т. 3,320,0209
2,00 I.
- - •- - - - - =
-*-»^gi.wy
J„297 ^
^
б) Снова оорагившись к уравнению (20.24).
находим, что
1ц
Л'
!
5.00i.
' =- -- - = 0.0522
,Y,
3.32;, ,
3,32(28,8 г.)
N(} __
\i ~ ' *
Л'п
1.000 I.
N, = — °- = - - = O.88.-S г
1.13
1,13
20.5. Обнаружение радиоактивности
Разработано множество методов обнаружения излучения, испускаемого радиоак
тивными веществами. Беккерель открыл радиоактивность благодаря воздействию ра
диоактивного излучения на фотографические пластинки. Долгое время для обнаруже
ния радиоактивности использовали фотографические пластинки и пленку. Радиоактив
ное излучение действует на фотографическую пленку точно так же. как обычный свет.
Фотопленку можно использовать и для установления количественной меры радиоак
тивности. Чем больше экспозиция (воздействие) излучения, тем плотнее потемнение на
;
проявленном негативе. Те, кто работает с радиоактивными веществами, носят на себе
в качестве индикатора фотопленку, которая регистрирует количество получаемого ими
облучения.
Радиоактивность можно тачже обнаруживать и измерять с помощью прибора, ко
торый называется счетчиком Гейгера. Действие счетчика Гейгера основано на ионизапии вещества под действием излучения (разд. 20.7). Ионы и электроны, образующиеся
под действием ионизирующего излучения, создают условия для протекания электриче
ского тока. Схема устройства счетчика Гейгера показана на рис. 20.7. Он состоит из
металлической трубки, наполненной газом. Цилиндрическая трубка имеет «окно» из
материала, проницаемого для альфа-, бета- и гамма-лучей. По оси трубки натянута
проволочка. Проволочка присоединена к одному из полюсов источника постоянного
гока, а металлический цилиндр присоединен к противоположному полюсу. Когда
в трубку проникает излучение, в ней образуются ионы и в результате через трубку
f
протекает электрический ток. Импульс тока, создаваемый проникшим в трубку излучением, усиливается, чтобы его можно было легко детектировать; подсчет отдельных
импульсов позволяет получить количественную меру излучения.
Для обнаружения и измерения радиоактивности можно использовать вещества,
в которых под влиянием излучения возбуждаются электроны. Такие возбужденные излучением вещества в результате возврата электронов в исходные нижние энергетические состояния начинают светиться (флуоресцировать). Например, циферблат светящихся часов покрывают смесью ZnS и чрезвычайно малого количества RaSO4.
Радиоактивное излучение радия вызывает флуоресценцию сульфида пинка. На этом
же принципе основало устройство прибора, называемого сцинти л.тяционным счетчиком.
для обнаружения н количественною измерения вызывающего флуоресценцию ра диоак пшюго излучения.
МЕЧЕНЫЕ АТОМЫ
Простота обнаружения радиоизотопов позволяет с их помощью следить за судь бой mm или иною 'элемента в ходе химических реакций. Например, используя СО 3,
который содержал радиоизотоп углерод-14, удалось изучить включение атомов углерода из СО, в глюкозу в процессе фотосинтеза:
6СО2 + 6Н2О '"■«Г»"^^ С6Н12О6 + 6О2
(20.25)
хлорофил.т
Такой СО2 называют меченым изотопом углерод-14. Чтобы проследить за перемещением утлерода-14 из СО2 через различные промежуточные соединения в глюкозу,
можно применять такие детектирующие устройства, как счетчик Гейгера.
Использование радиоизотопов оказывается возможным благодаря тому, что все
изогоны одною -элемента обладают практически одинаковыми химическими свойствами. Пели небольшое количество радиоизотопа смешать с естественными устойчивыми
изогонами тгою же элемента, то все изотопы пройдут через предстоящие им реакции
нмехче. То соединение, кула включается элемент, можно обнаружить по радиоактивному излучению ею радиоизотопа. Поскольку с помощью радиоизотопов можно про следи гь путь, по которому следует элемент в различных процессах, этот метод получил название метода меченых атомов.
20.6. Взаимопревращения массы и энергии
До сих пор мы ничего не творили об энергетических 'эффектах, связанных с протеканием ядерных реакций. Этот вопрос удобно обсуждать, воспользовавшись из вестным уравнением Эйнштейна, которое связывает массу и энергию:
Е --- тс 2
(20.26)
В этом уравнении Е означает энергию, т- массу, а с-скорость света, равную
3.00- 10м м/с. Уравнение Эйнштейна утверждает, что масса и энергия тела пропорциональны друг другу. Чем больше масса объекта, тем больше его энергия. Поскольку
коэффициент пропорциональности в этом уравнении (с2) представляет собой очень
большое число, небольшие изменения массы должны сопровождаться большими изменениями энергии.
Изменения массы, которыми сопровождаются химические реакции, слишком малы,
чтобы их можно было обнаружить. По этой причине можно говорить о сохранении
массы в химических реакциях. Последнее утверждение иллюстрируется расчетом потери массы при сжшании одного моля СН 4 , который проводится в упражнении 20.9.
.
„
.
.
--.
(
УПРЛЖНКНИК 20.9
Вычислиic уменьшение массы, происходящее
н еиенгме при сгорании одною моля СН 4:
0^1,^ + 20,11.) - СО,ц.М-2Н,О1ж)
4
Сие 1 ема 1еря£1 в пом процессе 890 к Дж знерiiiii tAK - -ХЧОкДж).
Подставляя сюда заданное 'значение Ah
и учитывая, что отрицательный так изменения
ШергИИ соотнетстнует чкмтермическому процессу, получим
-ШкДж
ЮООД-ж ^
13,00-Юн м"с)* 1 кДж" "
д
I't'iiii'iiMf. Пользуясь уравнением (20,26). мож
но ипшсаи.. чю ичменение массы AHI системы
uponopiuunm.ibHo щменению ее энергии Д£:
ЛЬ =г2Лш
Oicio.ui для Дш нахилнм
Ai',_■-
х
=
1 KI -M2'C2
" ~, д-ж
"
-9,89-Ю- 12 кг
Отрицательный чнак соогвегсгвуег уменынен ию масс ы. Так ое и змен ени е масс ы с лишк ом
мало, чтобы его можно было обнаружить.
Изменения массы и связанные с ними энергетические эффекты в ядерных реакциях
намного больше, чем в химических реакциях. Энергия высвобождаемая при ядерном
делении всего одного фунта урана (см. разд. 20.8), эквивалентна энергии, выделяемой
при ежшашш 1500 тонн угля.
ЭНЕРГИИ СВЯЗИ ЯДЕР
В 1430-х юлах было установлено, что массы ялер все)да меньше, чем суммарная масса
индивидуальных нуклонов, из к спорых они со стоя!. Например, ядро юлия -4 iiMcci массу 4.(Ю1
50 а.е.м. Масса протона равна 1,00728 а.е.м.. а масса нейтрона 1.00867 а.см. Следовательно,
суммарная масса двух протонов и двух нейтронов должна бьпь равна 4.03140 а. е. м ■
масса дв\\ проюнов — 2(1,00728 а.е.м.) = 2.01456 а.е.м. масса двух
нейтронов — 2(1,00867 а.е.м.) = 2.01734 а.е.м.
суммарная масса — 4.03190 а.е.м.
Индивиду альные н укл оны имеки в с ово купно сти мас су, ко юр ая на 0.03 04 0 а.е. м. Польше массы
ядра гелия-4:
масса двух протнов и двух нейтронов = 4.03190 а.е.м.
масса ядра f He = 4.0 01 50 а .е.м.
разность масс - 0.03040 а.е.м.
Разноси., между массой ядра и суммарной массой составляющих ею протонов и ней -iponoB
называется .дефектом массы ядра. 3 i a масса теряется в форме шершн: напри м е р, в с л у чае я др а
ге ли я- 4 м о жн о за пи са ть
:!р J- 2 , ' п
- ^Не - жергия
(20.27)
J n e p i i i K ) . которая выделяется в этой реакции, можно вычислим» по [ефе -.1> массы:
1 .(К) I
1 кт
■Mi -с-Дш^ |3.00-Ш м м/с) 2 (-0.0304 а.е.м. I
„ ■
6.02-10:1 а.е.м. 1000 i
4 .52 -10
1: К
' '" - - - 4 . 5 2 - 1 0 " 1 2 Дж
Обраишание одною моля ядер [елия-4 из индивидуальных протонов и нейфонов должно
сопровождайся выделением oipoMiioio количества энергии:
(6.02- \ (У) [4,52- И Г 1 2 Дж) - 2,72-10'-Дж
1 :слн обраппь уравнение (20.27). то станет ясно, чт для расщепления оиюю ядра [елия-4 на и
котированные протоны и нейтроны потребуется энергия в 4.52-10 '- Дж. Таким образом, шергия.
вычисленная по дефекту массы, является мерой усюйчивосш ядра к расщеплению па
индивидуальные нуклоны. Энергию, необходимую для разложения ядра па прогоны и нейтроны,
называют энершеи сняш ядра.
Энерппо евяш любого ядра можно вычислить по его массе и массе наклонов, из коюрых оно
построено. По шер1иям связи различных ядер в pacneie на один нуклон можпи судить об их
относшелыгой устойчивости. В табл. 20.3 сравннвакмея ткие
\
данные для ipex ядер: гелия-4. железа-56 и урина-238. Вычи,\-1сния для лрущх ячер иокчмынаюг. что шергия связи в расчете на олшг нуклон в ьачалс перполичес^ой iaoлит,! посгененно возрастает, /достигая приблизительно 1,4- 10"12 Дж для ядер с часовыми числами, близкими к желечу-56. Затем она 'micieiiemio уменьшается
нриб. 1ичи дельно до 1,2 ■ К)"'~ Дж ;1.тя ядер очень тяжелых )лемснюв. Такая чакопомерносп- иллюстрируется рис, 20.9. Она указывает, чго гяжелые ядра должны пып.
исичой'швыми и при их расщеплении должна выделяться шерпы. Та^.'ой промесс, называемый ядерным делением, происходит в атомной бомбе и в реакгорах томных
мектросгаппий. Из рис. 20.9 также следует, что еще большую энергию можно получи
к. л pe-чулыаге слияния легких ядер. Подобные реакции нлерною синтеза осутпеовлянмен в водородной бомбе; они играют важнейшую роль в процессах выделения
шермш, происходящих на Солнгтс. С реакциями ядерного деления и сингеча мы ознакомимся подробнее в разд. 20.8 и 20.9.
При вычислении jHcpienriecKiix ^ффекюв. сопровождающих ядерные реакции, ия
определения массы ядерных частиц, участвующих в реакции, приходится обращайся
к laannuiM, в которых указаны свойства ядер. В таких таблицах масса нуклида обычно выражается как масса атома, который содержит интересующее тгас ядро. Другими
слонами, указываемая в таблицах масса включает массу >лектронов. окружающих
ядро. Например, в габлицах свойств нуклидов указывается, чго масса ?£Fe равна
55.9.i494 а.е.м. В но значение входит масса 26 члектронов. Если вычес!Ь пч нею массу
26 иеклротш. мы подучим массу ядра, приведенную в табл. 20.3. При вычислениях
ичмепенпй массы в ядерных реакциях допустимо использование масс атомов, содержащих шперес)тощие пас нуклиды, потому чго электроны в действительное in ирису?-
ciByioi при ядерных реакциях и мы имеем дело с общим изменением массы. Однако
нсфулно убедиться, чго практически все изменение массы обусловлено изменениями
mepj ни связи ядер.
М1РЛЖНКНИК 20.10
Опр<: le.Tine ичменснис шерпш при полном
ocia-puCiM.jc Hitioio моля кооалыа-б)0:
'."-'( о
*
атома ^gN'i 59.9308 а. е. м.. масса ^лекчрона I "с)
равна 0,000549 а. с. м.
'/с т V^'Ni
Macc;r iinniii "МСо равна 59.9338 а. с. м., а масса
Решение. Продую а ми ядерной рсактши
являются ион CjjNJ
и искфом. Масса лих
продуктов сошшлаег с массой нейтральною
а г ома ;H'NI. В реакции происходит но [еря массы
и ки.шчатве (ХООЗО г :
Д£ = с" Am =
.
= (3.00- 10" м.сГ (- 0,0030 i)
1000 г
5 w m i
^
= -2.7-10"
^
=, - 2 . 7 . Ю " Дж
О.ООЗО/У ,' /.,
По мои массе можно вычислить выделяемую
л реакции шернпо;
Для сравнения укажем, ч т о ия разрыва нсех химичееких святей в одном моле полы требуется
всею 9 - \ ( ) 5 Цж.
20.7. Эффекты, вызываемые радиоактивным
излучением
Спнгез и использование радиоизотопов осуществляются все ускоряющимися ICMпами. и полому усиливается внимание к эффектам, вызываемым воздействием радиоактивного излучения на вещество, в особенности в биологических система\. Потому лля пас представляет интерес обсулить, какую опасности для здоровья
представляет применение радиоизотопов.
Разрушение биологических систем обусловлено способностью радиоактивною и) -.
[учения ионизировать молекулы и разрывать их на части. Энергия альфа -, бсrail [
лмма-лучей. испускаемых в процессе ядерного распада, намно; о пренышаег обыч-ые
)Hcpi пи химических связей. При проникновении этих видов излучения в вещество щи
передают шершю молекулам, встречающимся на их пути, и оставляют- за собой с 1с
i и инде ионов и молекулярных осколков. Образуемые при пом частицы обладаю! очень
большой реакционной способностью. В биоло! ических системах они могут нарушать
нормальное функционирование клеток. Разрушительное воздействие источника
радиоактивного излучения, находящегося вне организма, зависит от проникающей
способности излучения. Гамма-лучи представляют собой особенно опасное излучение,
поскольку пни, подобно рентгеновским лучам, эффективно проникают сквозь ткани
человеческого организма. Оказываемое ими разрушительное воздействие не о)раиичпнаегся кожей. В отличие от гамма-лучей большая часть альфа-излучения поглощается
кожей, а бета-лучи способны проникать всего па глубину около 1 см под поверхность
кожи. Полому альфа- и бета-лучи не так опасны, как гамма-лучи, если только, конечно, источник излучегшя не проник каким-то образом в организм. Внутри организма
альфа-лучи представляют чрезвычайно большую опасность, поскольку, распростра няясь )) веществе, они оставляют за собой очень плотный след из разрушенных
молекул.
J f e i K o c i b попадания в организм радиоизотопа определяется тем, в какой химической форме t)ij находится. От этою же зависит, насколько долго радиоизотоп удерживается внутри организма и в каких его органах. Наглядным примером могут служить
крипгоп-К5 и с 1 ронп.ий-90. Криптон-85 образуется при ядерном делении и выделяется
в а!мосферу в процессе использования ядерного топлива. Поскольку криптон химически инерген, до сих пор не разработан простой способ его химического обезвреживании. Попавший а атмосферу криптон-85 оказывает' воздействие на кожу и легкие людей и животных. Однако, не обладая реакционной способностью, он гге можег
переходи 1ь и другие органы организма или накапливаться гам. Стронпий-90 гакже
образуется при ядерном делении. Поскольку стронций является щелочноземельным
>леменгом. он способен замещать кальций в ею соединениях. Поэтому стгншций мо жет проникать в костные ткани, где его излучение способно вызывать раковые заболевания или лейкемию.
С гедуег также обратить внимание и на такой фактор, как «биолог ическое накопле-