Изотоптар

Изотоптар - ядроларында протондар саны бірдей, бірақ массалары әртүрлі белгілі бір элементті құрайтын атомдар түрі. Бір ғана элементтің әртүрлі изотоптарына тән атомдар өздерінің ядросына кіретін нейтрондар саны жағынан, ядролық қасиеттері тұрғысынан бір-бірінен анық өзгешеленеді, алайда олар, электронды қабаттары құрылысының бірдей болуына байланысты, бір-біріне өте ұқсас химиялық қасиеттерді иемденеді..Изотоптардың өмір сүру кезеңі секундтың мыңнан бір бөлігінен бірнеше миллион жылдарға дейін созылады Бүгінгі танда 264 тұрақты изотоптар, 50 шамалы табиғи радиоактивті изотоптар және 1000-нан астам жасанды радиоактивті изотоптар белгілі. Изотоптардың саны шектеулі ғана. Егер ядродағы протондардың санына қарағанда нейтрондардың саны тым аз не көп болса, ядро орнықтылығы кемиді. Изотоптардың электрондық құрылыстары және олардың құрамындағы электрондардың саны бірдей болғандықтан олардың хим. қасиеттері де бірдей. Сондықтан оларды бөлу көптеген қиындықтар туғызады. Дегенмен, изотоптар атомының массаларында, сондай-ақ, ядросының спиндері мен магниттік моменттері мәндерінде айырмашылық болады. Берілген элемент изотопының қасиеттеріндегі бұл айырмашылық изотоптық эффект деп аталады. Изотоптардың кейбір физикалық-химиялық қасиеттеріндегі айырмашылық оларды жеке бөліп алу үшін қолданылады. Изотоптарды зерттеуге, әсіресе, оларды бір-бірінен бөлу мәселелеріне қосқан үлесі үшін ағылшын ғалымы Ф.У. Астон 1922 ж., ал ауыр сутекті – дейтерийді тапқаны үшін Г.К. Юри 1934 ж. Нобель сыйлығын алды.

Массалық сандары  А бірдей, зарядтық сандары Z әр түрлі  нуклидтерді изобаралар (бірдей ауыр деген сөз) деп атайды.

Радиоактивтілік (лат. radіo – сәуле шығару, actіvus – әсерлік) – орнықсыз атом ядроларының басқа элементтер ядросына бөлшектер немесе гамма-кванттар шығару арқылы өздігінен түрлену құбылысы.

Радиоактивті  ыдырау

                                          

 

Ядролық физиканың даму тарихына көз жүгіртсек, оның қайнар көзі 1886 жылы француз ғалымы А. Беккерель  ашқан табиғи радиоактивтік құбылысынан  басталады. Атомдардың тұрақты еместiгi ХIХ ғасырдың ақырында ашылғанды. 46 жыл өткен соң ядролык реактор  жасалды. Радиоактивтiктiң — атом ядросының күрделi құрлысын дәлелдейтiн  құбылыстың ашылуы сәттi кездейсоқтықтың  жемiсi болды. Рентген сәулелерi алғаш  рет шапшаң электрондар разрядтық  түтiктiң шыны ыдысының кабырғаларының соқтығысуынан алынған. Олармен  бiр мезгiлде түтiк қабырғаларының жарық шығаруы байкалған. Беккерель  ұзақ уақыт осы тектес құбылысты  — алдын ала күн жарығына сәулелендiрiлген заттардың соңынан сәуле шығаруын зерттеумен шұғылданған. Оның ойында мынадай сұрақ пайда болады: уран тұздарын сәулелендiргеннен кейiн көрiнетiн жарықпен қатар рентген сәулесi де пайда болмай ма? Беккерель фотопластинаны тығыз қара қағазға орап, үстiне уран тұзының қиыршықтарын сеуiп, ашық күн сәулесiне койды. Айқындағаннан кейiн пластинаның тұз жатқан бөлiктерi қарайғанын көрген. Ендеше, уран, рентген сәулесi сияқты, мөлдiр емес денелерден өтiп, фотопластинаға әсер ететiн белгiсiз сәуле шығарады екен. Беккерелъ бұл сәуле шығару күн сәулелерiнiң әсерінен пайда болады деп ойлады. Бiрақ 1896 ж. ақпанның бiр күнiнде ауа райы бұлтты болғандықтан, кезектi тәжiрибенi өткiзу сәтi түспедi де, Беккерель үстiне уранның тұзы себiлген мыс крест жатқан пластинаны үстелдiң суырмасына алып койған. Екi күн өткен соң пластинаны алып айқындаған кезде, онда крестiң айқын колеңкесi түрiнде дақ пайда болғанын байқаған. Бұл — уран тұздарының сыртқы факторлардың әсерiнсiз-ақ, өздiгiнен белгiсiз сәуле шығаратынын көрсетедi. Қауырт зерттеулер басталды. Рас, осы сәттi кездейсоқтық, болмаған күнде де, ерте ме, кеш пе радиоактивтi құбылыс ашылған болар едi. Кешiкпей Беккерель, уран тұздарының шығарған сәулесi, рентген сәулелерi сияқты, ауаны иондайтынын, соның салдарынан электроскоп разрядталатынын байқаған. Уранның түрлiше химиялық қосылыстарын тексерiп көріп, ол мынадай маңызды фактiнi анықтады: сәуле шығарудың интенсивтiгi тек препараттағы уранның мөлшерiмен анықталады, оның қандай қосылыстарға кiретiндiгiне мүлдем тәуелсiз болады. Ендеше, бұл қасиет қосылыстарға тән емес, химиялық элемент уранға, оның атомдарына тең. Ураннан басқа химиялық элементтердің өздiгiнен сәуле шығаруға қабiлетiн байқауға талпынып көру сөзсiз едi. А. Беккерель уран тұзының фотопластинаға әсерін зерттеген. Тәжірибелер барысында ол мына құбылысты байқаған: уран тұздары тығыз қара қағазбен оралған фотопластинаға әсер етіп, оның қараюын туғызатын, өтімділігі жоғары белгісіз сәулелерді шығарады екен. Мұқият зерттеулер нәтижесінде Беккерель өтімділігі жоғары белгісіз сәулелерді уран атомының өзі, ешқандай сыртқы әсерсіз-ақ, өздігінен шығаратынын анықтады. Белгісіз сәулелердің заттармен әрекеттескенде:

1) фотопластинканы қарайтатыны,  яғни химиялық әсерінің бары;

2) газдарды иондауы;

3) кейбір қатты денелер  мен сұйықтардың люминесценциясын  туғызатыны сияқты қасиеттері белгілі болды.

Нейтрондарының саны протондар  санына қарағанда анағұрлым көбірек  болатын ядроның тұрақты болмауының себебі, нейтроннық массасы протонның  массасынан үлкен m_n > m_p . Ядроның массасының артуы оның энергиясының артуына әкеліп соғады. Артық энергиясы бар ядро осы энергияның артық бөлігін екі түрлі жолмен бөліп шығаруы мүмкін.

1. Механикалық, термиялық және басқа да сыртқы әсерсіз-ақ, ядро өздігінен ыдырап радиоактивті сәуле шығарады және бөліну нәтижесінде түрленіп жаңа элементтің ядросы пайда болады. Өздігінен ыдырау процесінде α-бөлшектер ядродан ұшып шықса, оны альфа-ыдырау деп атайды.
2. Ядро, өзінің электр зарядын бір заряд бірлігіне өзгертуі, яғни нейтронның протонға немесе протонның нейтронға айналуы арқылы тосын ыдырайды. Осы процесс ядродан электронның немесе позитронның (оң заряды бар электрон) ұшып шығуымен қабаттаса өтеді, оныбета-ыдырау дейді. Радиоактивті ядролардың өздігінен ыдырауы кезіндегі түрленуі 1913 жылы ағылшын ғалымы Ф . Содди тұжырымдаған ығысу ережесіне бағынады. Радиоактивті ыдырау кезінде электр зарядының және массалық санның сақталу заңдары, импульс пен энергияның сақталу заңдары да орындалады.

 

Альфа-ыдырау

α-бөлшегінің табиғатын 1908 жылы Резерфорд көптеген эксперименттік зерттеулер нәтижесінде анықтады. Альфа-ыдырауы кезінде ядродан өздігінен α-бөлшек — гелий атомының ядросы Не (екі протон және екі нейтрон) ұшып шығады және жаңа химиялық элементтің туынды ядросы пайда болады. 8.7-суретте альфа-ыдыраудың процесі көрсетілген.

Альфа-ыдырау кезінде  атом ядросы зарядтың саны   екіге және массалық саны   төртке кем туынды ядроға түрленеді. Жаңа элемент Менделеев кестесіндегі периодтық жуйенің бас жағына қарай екі орынға ығысады:

мұндағы   — аналық ядроның белгісі,   — туынды ядроның таңбасы. Гелий атомының ядросы болып табылатын α-бөлшек үшін   белгісін пайдаландық.

Аналық ядро ыдырағанда, α-бөлшек пен туынды ядро белгілі бір кинетикалық энергиямен жан-жаққа шашырай ұшады. Кейбір ыдырауда туынды ядро қозған күйде болуы мүмкін. Ыдырау энергиясын аналық ядромен байланысқан санақ жүйесінде энергияның сақталу заңын пайдаланып есептеуге болады. Ыдырау энергиясы   қозу энергиясы мен кинетикалық энергиялардың қосындысына тең. Бастапқы энергия аналық ядроның тыныштық энергиясына тең екенін ескерсек, онда

 — аналық,   — туынды ядролардың,   — гелий атомы ядросының массалары, бұдан ыдырау энергиясын табамыз:

Бета-ыдырау

                

β-сәулесінің табиғатын 1899 ж  Резерфорд ашқан болатын. Ол шапшаң қозғалатын электрондар ағыны. β-бөлшекті   деп белгілейді. Массалық санның   болуы, электронның массасы массаның атомдық бірлігімен салыстырғанда елеусіз аз екенін көрсетеді. Ығысу ережесін бета-ыдырауға қолданайық.

Бета-ыдырау кезінде  атом ядросының зарядтық саны   бір заряд бірлігіне артады, ал массалық сан өзгермейді. Жаңа элемент Менделеев кестесіндегі периодтық жүйенің соңына қарай бір орынға ығысады:

мұндағы   — электрлік заряды нөлге тең, тыныштық массасы жоқ электрондық антинейтрино деп аталатын бөлшек.

Бұндай ыдырауды электрондық β-ыдырау деп атайды. Радиоактивті электронды β-ыдырау процесі ядрода нейтронның   протонға   айналуы және осы кезде электронның   және антинейтриноның   қабаттаса түзілуі арқылы өтеді:

Ядроның ішінде электронның  пайда болуы осы нейтронның ыдырауының нәтижесі екен. Бета-ыдырау кезінде  туынды ядро мен электрон жүйесінің  энергиясы ыдырауға дейінгі аналық ядро жүйесінің энергиясынан кем  болып шығатынын өлшеулер көрсетті. β-ыдырау кезінде энергияның сақталу заңының орындалатына күмән туды. 1930 жылы В. Паулиp β-ыдырау кезінде, ядродан электроннан басқа тағы бір массалық саны ( ) мен зарядының саны ( ) нөлге тең бөлшек бөлініп шығады деген жорамалды ұсынды. β–ыдыраудағы энергияның сақталу заңының бұзылуына себепші, жетіспей тұрған энергия осы нейтраль бөлшекке тиесілі екен.

Үлы итальян ғалымы Э.Фермидің ұсынысы бойынша бұл бөлшекті нейтрино v (итальянша neitrino — кішкентай нейтрон) деп атаған. Нейтриноның электр заряды мен тыныштық массасы нөлге тең болғандықтан, оның затпен әрекеттесуі әлсіз, сондықтан эксперимент арқылы тіркеу аса қиыншылық туғызды. Ұзакка созылған ізденістер нәтижесінде тек 1956 жылы ғана нейтриноны тіркеу мүмкін болды. Ал антинейтрино осы нейтриноның антибөлшегі болып табылады. Электрондық β^--ыдыраудан басқа позитрондық β⁺-ыдырау процесі де өтуі мүмкін. Позитрондық радиоактивтік кезінде ядродағы протонның біреуі нейтронға айналып, позитрон   мен электрондық нейтрино v бөлініп шығады: 

Ядроның зарядтық саны   бірлік зарядқа кемиді, нәтижесінде элемент Менделеев кестесіндегі периодтық жүйенің бас жағына қарай бір орынға ығысады:

мұндағы   позитрон, электронның антибөлшегі, массасы электронның массасына тең.

Аналық және туынды ядролар  — изобаралар.

Гамма-ыдырау

1900 жылы Вилaрд ядролық  сәуле шығарудың құрамындағы  үшінші компоненттің бар екенін  тапты, оны гамма (у)-сәуле шығару деп атаған. Гамма-сәуле шығару магнит өрісінде ауытқымайды, демек, оның заряды жоқ. Гамма-сәуле шығару радиоактивтік ыдыраудың жеке бір түрі емес, ол альфа және бета-ыдыраулармен қабаттаса өтетін процесс. Жоғарыда айтқанымыздай, туынды ядро қозған күйде болады. Қозған күйдегі ядро атом сияқты, жоғарғы энергетикалық деңгейден төменгі энергетикалық деңгейге өткенде,   энергиясы бар гамма-квантын шығарады, мұндағы   —қозған,   — қалыпты күйдегі энергиялар (8.10-сурет). Ядродан шығатын ү-сәулелері дегеніміз — фотондар ағыны болып шықты.

Гамма-ыдыраудың формуласын жазайық:

мұндағы   — қозған аналық ядро,   — оның қалыпты күйдегі нуклиді. 8.10-суретте бор ядросынық β-ыдырауынық сызбасы көрсетілген. γ-сәулесінің толқын ұзындығы өте қысқа болып келеді: λ = 10^-8 / 10^-11 см. Сондықтан радиоактивті сәулелердің ішінде γ-сәулесінің өтімділік қабілеті ең жоғары, ол 8.11-суретте көрсетілгендей қалыңдығы 10 см қорғасын қабатынан өтіп кетеді. Гамма-кванттың өтімділік кабілеті өте жоғары, ауадағы еркін жүру жолының ұзындығы 120 м.

Радиоактивті  ыдырау заңы — атом ядроларының әр түрлі бөлшектер мен сәулелер шығара отырып, өздігінен түрлену заңы. Радиоактивті ыдырау заңын Резерфорд ашқан:

  немесе 

Эксперименттік зерттеулер радиоактивті ыдырау толығымен статистикалық  заңдылыққа бағынатынын дәлелдеді. Белгілі бір радиоактивті изотоптың  ядролары бірдей болады. Атом ядросының  және ядролардың қайсысының ыдырайтыны - кездейсоқ оқиға. Мысал үшін, бір  нуклидтің бірдей екі ядросын  алайық. Ядроның біреуі 3 млрд жыл  бұрын жұлдыздың қопарылысы кезінде, ал екінші ядро ядролық реакторда 3 мин бұрын пайда болсын. Ядролардың пайда болу уақытына қарамастан, келесі бір уақыт мезетінде екеуінің де ыдырауының ықтималдығы бірдей. Статистикалық құбылыстарды сипаттау үшін оқиғаның ықтималдығы ұғымын қолданады.

Ыдырау тұрақтысы

Уақыт бірлігі ішінде ядроның  ыдырау ықтималдығын ыдырау тұрақтысы  деп атап,  әрпімен белгілейді. Бірдей изотоптың ядросы үшін ыдырау тұрақтысы бірдей, ал түрлі изотоптың  ядролары үшін ыдырау тұрақтысы әр түрлі болады. Санақ басы () мезетінде  ыдырау тұрақтысы  болатын радиоактивті изотоптың  ыдырамаған ядроларының  саны белгілі болсын. Сонда өте  аз  уакыт аралығында ыдырайтын  ядролардың  саны осы мезетте  ыдырамаған ядролар санына пропорционал болуы керек деп айта аламыз:

мұндағы "минус" таңбасы  уақыт өткен сайын ядролардың санының азаятынын бідіреді. (8.10) формуладан белгілі бір  уақыт  аралығы өткенде ыдырамаған  ядролар  санының уақытқа тәуелділігін табайық. Ол үшін (8.10) тендеудің екі жағын -ға бөлейік:

Осыдан ядролардың ыдырауының уақытқа тәуелділігі шығады:

мұндағы - натурал логарифмнің негізі, , – ыдырау уақыты, — бастапқы уақыт мезетіндегі ( ) ядролар саны,  - уақыт ішінде ыдырамай қалған ядролардың саны, — ыдырау тұрақтысы, өлшем бірлігі c-1. Жоғарыда аталған тәуелділікті радиоактивті ыдырау заңы деп атайды.

Уақыттың өтуіне байланысты ыдырамаған радиоактивті ядролардың саны экспоненциалды түрде кемиді. 8.12-суретте  тәуелділігінің графигі көрсетілген.

Жартылай ыдырау периоды

Радиоактивті ядролар  санының жартысы ыдырайтын уақыт  аралығын жартылай ыдырау периоды  деп атайды.

Демек, радиоактивті ядролардық алғашкы саны  болса,  уақыт өткеннен кейін олардың саны болады. (8.11) өрнектен аламыз.

Осы тендеуді логарифмдесек, \\   , бұдан шығатыны . Ал  тұрақты шама болғандықтан, жартылай ыдырау периоды тұрақты.

Радиоактивті ыдырау заңын 1902 жылы Э . Резерфорд пен Ф.Содди  ашқан. Есептеулер радиоактивті ядроның  орташа өмір сүру уақытын

өрнегі арқылы анықтауға  болатынын көрсетті. Ядроның орташа өмір сүру уақыты жартылай ыдырау периодына  пропорционал.

Радиоактивті ядроның  ыдырау қасиетін сипаттайтын тағы бір  шаманы айтуға болады. Уақыт бірлігі  ішінде ыдырайтын ядролар санымен  анықталатын шаманы радиоактивті заттың активтілігі ( ) деп атайды:

Активтіліктің Халықаралық  жүйедегі ( ) өлшем бірлігі — беккерель.

1 беккерель (Бк) — уақыт  бірлігі 1 с ішінде бір ыдырау  болатын радиоактивті препараттың  активтілігі:

1 Бк = 1 ыдырау / 1 c .

Іс жүзінде қолданылатын активтіліктің басқа да өлшем бірлігі бар, ол — кюри (Ки):

1 Ки = 3,7 · 1010 Бк; 1 мКи = 3,7 · 107 Бк .

Менделеев кестесіндегі химиялық элементтердің жартысынан көбінің  табиғи радиоактивті изотопы бар. Олардың жартылай ыдырау периодтарының диапозоны өте үлкен. Мәселен, уранның изотопының жартылай ыдырау периоды = 4,5 млрд жылға, ал торийдың изотопының жартылай ыдырау периоды = 14 млрд жылға тең. Жер планетасы пайда болғалы 4-5 млрд жыл уақыт өтті десек, уран мен торийдің толығымен ыдырап болмағаны өзінен-өзі түсінікті.

Табиғатта жартылай ыдырау периоды қысқа, тіпті жартылай ыдырау периоды секундтың миллионнан бір  үлесіндей ғана болатын элементтер бар. Мысалы, радий  изотопы үшін  = 1600 жыл, радон үшін  = 3,28 тәул болса, полоний үшін  = 3 мин.