Атом ядроларының радиоактивті ыдырауы

Атомдардың ядроларының өз бетімен екінші бір атомның ядроларына бөлініп, соның нәтижесінде элементар бөлшектерді шығару құбылысын радиоактивтілік деп атайды. Осы процесс кезінде орнықсыз ядролар өзінің бойындағы артық энергиядан арылып, орнықты ядролық күйге көшеді. Табиғи жағдайда ядрода кездесетін радиоактивтілік табиғи деп аталады. ал ядролық реакциялардың көмегімен алынатын ядроның радиоактивтігі жасанды деп саналады. Табиғи және жасанды радиоактивтіліктер арасында ешқандай принципиалдық айырмашылық жоқ. Екі жағдайда да радиоактивтілік түрленулердің заңдылықтары бірдей.

Ең алғашқы байқалған радиоактивтілікте (мұны 1896ж. француз ғалымы А. Беккерель ашқан) атомның бір түрден екінші түрге оңай айналатын қабілеті бар екендігін көрсетті. Радиоактивтілікті зерттеуге зор үлес қосқан француз ғалымдары Мария Кюри-Складовская және Пьер Кюри болды.

Табиғатта радиоактивті элементтер тау жыныстарында (1 тонна гранитте шамамен алғанда 10 г торий, 5 г уран және 1,3 мг радий бар), жер қыртысында, мұхит суларында, теңіздер мен өзендерде және ауа атмосферасында (радиокөміртегі ), сол сияқты метеориттерде де бар екен.

Ғарыш сәулелерімен бірге табиғаттағы радиоактивті заттардың сәуле шығаруы табиғи радиоактивтілік фонды құрады. Заттардың радиоактивтілігіне температура, қысым және т.б. физикалық факторлар еш әсер етпейді. Радиоактивтілік химиялық реакциялар процесі кезінде де еш өзгеріске ұшырамайды. Бұл радиоактивтілік құбылыстың сыртқы электрондық қабықшаларының өзгерісімен анықталмай, тек ядролық процестермен анықталатынын көрсетеді.

Радиоактивтік ыдырау кезінде пайда болған ядро да радиоактивті болады. Ыдырау процесі тізбекті радиоактивті түрлену түрінде жүріп, ақыр соңында тұрақты изотоптың түзілуімен аяқталады. Әрбір аралық ядроның өзінің ыдырау жылдамдығы болады. Осындай тізбекті түрленулерді басынан өткізген элементтердің тізбегін радиоактивтілік тұқымдар деп атайды. Табиғи уран тізбектің басынан 15 түрленулер (уран тұқымдарын) беріп, ең соңында орнықты қорғасын изотобына айналады. Сол сияқты радиоактивтілік тұқымдарды торий және актиноуран түзеді. Радиоактивтілік процестер санына мыналар жатады:

1) - ыдырау

2) - ыдырау (оның ішінде электрондық қармалу)

3) ядроның - сәуле шығаруы

4) ауыр ядролардың өздігінен (спонтанды) бөлінуі

5) протондық радиоактивтілік.

Радиоактивтілік түрлену заңы. Радиоактивті сәуле шығарудың интенсивтілігі уақыт өткен сайын нашарлай береді. Радиоактивтік ядролардың жалпы санынан біреуі ерте, біреуі кеш ыдырауы мүмкін, сондықтан қарастырылатын ядроның дәл қай уақытта ыдырайтынын алдын ала айту мүмкін емес. Алайда олардың саны өте көп болғанда ыдыраудың статистикалық заңын тағайындауға болады. Демек өте аз уақыт аралығында ыдыраған ядролар саны ядроларлың барлық саны -ге және осы уақыт аралығына пропорционал болады

, (1)

мұндағы: - әрбір радиоактивті затқа тиесілі тұрақты, оны ыдырау тұрақтысы деп атайды. «-» таңбасы -ді ыдырамаған ядросының өсімшесі деп қарастыру үшін алынған, шамасы уақыт бірлігінде ядролардың қандай үлесі ыдырағанын көрсетеді, басқаша айтқанда 1 с-тағы ядролардың ыдырау ықтималдығын сипаттайды.

(1) теңдеуіндегі айнымалыларды бөліп интералдасақ, сонда

немесе

.

Осыдан

, (2)

мұндағы: -бастапқы уақыт кезеңіндегі ядролар саны, - уақыт кезеңіндегі ыдырамаған ядролар сан.

(2) өрнек ядролардың радиоактивті түрленулерінің заңдылығын сипаттайды. Бұл заң өте қарапайым: ыдырамаған ядролар саны уақытқа байланысты экспоненциалдық заңмен өзгереді. Уақыт аралығы болғанда ыдыраған ядролар саны мынадай өрнекпен анықталады.

. (3)

Радиоактивті препараттың толық ыдырауы ( ), шын мәнінде, өте ұзақ уақыт ( ) жүреді. Сондықтан ыдырау жылдамдығы Т жартылай ыдырау периодымен сипатталады.

Ядроның алғашқы санының жартысы ыдырайтын уақыт жартылай ыдырау периоды деп аталады Бұл уақыт мына шарттан анықталады:

,

осыдан

. (4)

Бүгінгі күнге дейін бізге белгілі радиоактивтік ядролардың жартылай ыдырау периоды 3·10^-7 с-тан 5·10¹⁵ жыл аралығында болады.

Радиоактивті ядроның орташа өмір сүру уақыты ыдырау тұрақтысына кері шама болып шығады

. (5)

Радиоактивті препарат уақыт бірлігі ішіндегі ыдырау санына тең болатын А өршігіштігімен (активтілігімен) сипатталады.

. (6)

Өршігіштіктің уақытқа тәуелділігін (1) және (2) өрнектерінен шығарып алуға болады:

. (7)

Препараттың өршігіштігі де радиоактивті ядро саны сияқты экспоненциалдық заңмен өзгеріп және -те ол да нөлге ұмтыладв. өршігіштіктің бірлігіне Кюри (Ки) алынады, яғни 1 Ки дегеніміз 1 с-та радиоактивтік препараттың 3,7·10¹⁰ ыдырауы өтетінін көрсетеді. Демек 1 Ки=3,7·10¹⁰ с^-1.

(7) өрнектен өршігіштік атомның тегіне ғана емес, сонымен бірге оның санынан да тәуелді екені көрінеді. Егер де препараттың әртүрлі массасы болса, онда олардың өршігіштіктері де әртүрлі болады.

Егер қандай да болмасын объект (қоршаған ортаның бөлігі, механизмдер, т.б.) радиоактивтілікпен ластанған болса, онда адамға бұл аймаққа белгілі бір уақыттан кейін ғана кіруге болады, яғни бұл кезде өршігіштік адам өміріне қауіпсіз жағдайға А_қ-ға жетеді, демек А_қ = . Осыдан уақытын анықтаймыз, сонда

Тез ыдырайтын изотоптар үшін -дың кіші болатындығы түсінікті. Өршігіштіктің бірлігі ретінле беккерель (Бк) алынады. Сонда радиоактивті ядролық изотоптың өршігіштігі 1 с-та бір ыдырауға жеткен жағдайда 1 беккерельге тең болады. Өршігіштік 400 Бк-ден аспайтын жағдайда адам препаратпен еш қорқынышсыз жұмыс істеуге болады. А>10³ Бк болғанда сақтану шараларын жасау керек. Ал егер А>10⁷ Бк болса, онда сақтану ережелерін өте мұқият орындауды қажет етеді.

Практикада қолданылатын радиоизотоптардың массалары өте үлкен болмайды, мысалы, иодтың изотобының өршігіштігі 10⁷ Бк болса, оның массасы небәрі 10^{-8 г шамасында.}

Радиоактивтілік құбылысы ашылған соң көп кешікпей радиоактивті заттар үш түрлі сәулелер шығаратыны, ол сәулелердің заттардан өту қабілеті түрліше екені және бір қатар басқа да қасиеттері бар екені табылды. Олардың бірі -сәулелері деп аталады. -сәулелері магнит өрісінде оң зарядталған бөлшектер ағыны бұрылатын жаққа қарай бұрылды. Екіншісі, -сулелері, олар магнит өрісінде теріс бөлшектер ағыны бұрылатын бағытқа бұрылды. Ең соңында, радиоактивті сәулелердің үшінші түрі -сәулелері магнит өрісіне ешқандай сыр бермейді, яғни ешқандай бағытқа бұрылмайды. Кейіннен бұл -сәулелерінің өте қысқа толқын ұзындықты (10^-3-нен 1Å-ге дейін) электромагниттік толқындар екені анықталды.

Тәжірибелердің қорытындыларына қарағанда радиоактивті сәулелердің бәрінің де

а) белгілі бір дәрежеде заттарға химиялық әсері бар, мысалы фотопластинканың қараюын тудырады,

ә) өзі тесіп өтетін газдарды, кейде конденсацияланған денелерді иондайды,

б) бірқатар қатты денелердің және сұйықтардың флуоресценттік жарқылын тудырады.