Табиғи радиоактивтік

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

Ядролық физика

Aтoм ядросы · Ядролық реакция · Табиғи радиоактивтік Aтoм ядросы Ядроның нуклондық моделі Ядродағы нуклондардың байланыс энергиясы Табиғи радиоактивтік Радиоактивті ыдырау заңы Ядролық реакциялар Тізбекті ядролық реакциялар Ядролық реактор Термоядролық реакциялар Радиациядан қорғану Белгiлi ғалымдар Беккерель · Бете · Бор · Гейзенберг · Кюри М. · Кюри П. · Резерфорд · Содди · Уилер · Ферми

Тағы қараңыз «Физика порталы»

Тарихы

Мария Склодовская-Кюри (1867 - 1934)

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. 1898 ж. Францияда Мария Склодовская-Кюри және басқа да ғалымдар торийдiң сәуле шығаратынын байқаған. Бұдан әрi жаңа элементтерi iздеуде негiзгi күш салған Мария Склодовская-Кюри мен оның ерi Пьер Кюри болды. Уран мен торийi бар рудаларды жуйелi түрде зерттеу, олардың iшiнен бұрын белгiсiз, Мария Склодовская-Кюридің отаны — Польшаның құрметiне полоний деп аталған, жаңа элементтi бөлiп алуға мүмкiндiк бердi. Ақырында өте қуатты сәуле шығаратын тағы бiр элемент ашылды. Ол радий (яғни сәулелi) деп аталды, Өздiгiнен сәуле шығару құбылысының өзiн ерлi-зайыпты Кюрилер радиоактiвтік деп атады. Радийдiң салыстырмалы атомның массасы 226-ға тең және Д.И. Менделеев кестесiндегi 88-нөмiрлi торкөзге орналасқан. Кюри ашқанға дейiн бұл торкөз бос болған. Өзiнiц химиялық қасиеттерi бойынша радий сілтiлiк жер элементтерiне жатады. Соңынан реттiк нөмiрi 83-тен жоғары химиялық элементтердiң бәрi де радиоактивтi болатындығы анықталды.

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.

Бұл құбылысты зерттеу жұмыстары бірден басталды. Францияда 1898 жылы М.Склодовская-Кюри мен П. Кюри торий ($~Th$) элементінің өздігінен сәуле шығаруын ашты. Өздігінен сәуле шығаратын химиялық элементті радиоактивті деп, ал сәуле шығару процесін радиоактивтік деп атауды М. Кюри ұсынған еді. Радиоактивтік латынның "radio" — сәуле шығару, "activus" — әрекетті деген сөздерінен алынған. Осы жылы ерлі-зайыпты ғалымдар тонналаған уран кенін өңдеу арқылы, радиоактивті екі жаңа химиялық элементті бөліп алады. Радиоактивтігі ураннан миллион есе қарқынды элементті ($~Ra$) радий, екінші элементті М. Склодовскаяның отанының құрметіне полоний ($~Po$) деп атаған. 1908 жылы Резерфорд спектрлік анализ әдісімен радиоактивті газ — радонды ($~Rn$) ашты. Ауқымды жүргізілген зерттеулер Менделеев кестесіндегі қорғасыннан кейінгі ауыр элементтердің ядроларының бәрінде табиғи радиоактивтік бар екенін көрсетті. Кейбір жеңіл элементтердің де, мысалы, калийдің изотопы $_{19}^{40}K$,көміртегінің изотопы $_{6}^{12}C$ және т.б. табиғи радиоактивтік қасиеттері ашылды.

Радиоактивті ыдырау

Э. Резерфод пен П. Кюри радиоактивтік кезіндегі сәуле шығарудың табиғатын зерттеу барысында оның құрамы күрделі екенін анықтайды. Радиоактивті радий $~Ra$ қорғасыннан жасалған калың қабатты ыдыстың ішінде орналасқан. Ыдыстың ортасында цилиндр пішінді арна бар. Ыдыстың түбіндегі радийден шыққан сәулелерге оған перпендикуляр бағытта күшті магнит өрісі әсер етеді. Арнаның қарсысында фотопластина бар. Барлық қондырғы вакуумде орналастырылған. 8.6-суретте көрсетілгендей радийден шығатын сәулелер ағыны магнит өрісінен өткеннен кейін үш шоққа бөлінген. Шоқтардың осылайша бөлінуін фотопластинадағы қарайған заттардың орындары бойынша анықтайды. Оларды сәйкесінше α (альфа)-сәуле, β (бета)-сәуле және γ (гамма)-сәуле деп атаған. α-сәуле дегеніміз — оң арядталған бөлшектер (α-бөлшек) ағыны, β-сәуле дегеніміз—өте шапшаң қозғалатын және жылдамдықтары бірдей емес теріс зарядталған бөлшектер (β-бөлшек) ағыны болып шықты. Магнит өрісінде ауытқу бұрышының әр түрлі болуы α-бөлшек пен β-бөлшектің массаларының бірдей емес екенін, әрі қарама-қарсы зарядталғанын көрсетеді. γ-сәулесі магнит өрісінде ауытқымайтын, жиілігі өте жоғары электромагниттік сәулелену кванты екен. Атом ядросының құрылысы мен құрылымына, нуклондардың байланыс энергиялары туралы мәліметтерге сүйене отырып, радиоактивті сәуле шығарудың табиғатын түсіндіру оңай. Құрамында нейтрон-дардан гөрі протондарының саны артық болатын ядро тұрақты емес, өйткені кулондық әрекеттесудің энергиясы басымырақ.

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, оны бета-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 $~Z$ екіге және массалық саны $~A$ төртке кем туынды ядроға түрленеді. Жаңа элемент Менделеев кестесіндегі периодтық жуйенің бас жағына қарай екі орынға ығысады:

$~_{Z}^{A}X\rightarrow _{Z-2}^{A-4}Y+_{2}^{4}He$

мұндағы $~X$ — аналық ядроның белгісі, $~Y$ — туынды ядроның таңбасы. Гелий атомының ядросы болып табылатын α-бөлшек үшін $~_{2}^{4}He$ 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 $~Q_{\alpha }$ қозу энергиясы мен кинетикалық энергиялардың қосындысына тең. Бастапқы энергия аналық ядроның тыныштық энергиясына тең екенін ескерсек, онда

$~M_{a}c^{2}=(M_{T}+M_{He})c^{2}+Q_{\alpha }$

$~M_{a}$ — аналық, $~M_{T}$ — туынды ядролардың, $~M_{He}$ — гелий атомы ядросының массалары, бұдан ыдырау энергиясын табамыз:

$~Q_{\alpha }=(M_{\alpha }-M_{He})c^{2}$

Бета-ыдырау

β-сәулесінің табиғатын 1899 ж Резерфорд ашқан болатын. Ол шапшаң қозғалатын электрондар ағыны. β-бөлшекті $~_{-1}^{0}e$ деп белгілейді. Массалық санның $~A=0$ болуы, электронның массасы массаның атомдық бірлігімен салыстырғанда елеусіз аз екенін көрсетеді. Ығысу ережесін бета-ыдырауға қолданайық.

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

$~_{Z}^{A}X\rightarrow _{Z+1}^{A}Y+_{-1}^{0}e+_{0}^{0}v$

мұндағы $~v$ — 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 $~_{0}^{1}n$ протонға $~_{1}^{1}p$ айналуы және осы кезде электронның $~_{-1}^{0}e$ және антинейтриноның $~_{0}^{0}v$ қабаттаса түзілуі арқылы өтеді:

$~_{0}^{1}n\rightarrow _{1}^{1}p+_{-1}^{0}e+_{0}^{0}v$

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 ($~A=0$) мен зарядының саны ($~Z=0$) 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 $~_{+1}^{0}e$ мен электрондық нейтрино v бөлініп шығады:

$~_{1}^{1}p\rightarrow _{0}^{1}n+_{+1}^{0}e+_{0}^{0}v$

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

$~_{Z}^{A}X\rightarrow _{Z-1}^{A}Y+_{+1}^{0}e+_{0}^{0}v$

мұндағы $~_{+1}^{0}e$ 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, $~hv=E_{k}-E_{n}$ энергиясы бар гамма-квантын шығарады, мұндағы $~E_{k}$ —қозған, $~E_{n}$ — қалыпты күйдегі энергиялар (8.10-сурет). Ядродан шығатын ү-сәулелері дегеніміз — фотондар ағыны болып шықты.

Гамма-ыдыраудың формуласын жазайық:

$~_{Z}^{A}X^{*}\rightarrow _{Z}^{A}X+\gamma$

мұндағы $~X^{*}$ — қозған аналық ядро, $~X$ — 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.