§ 8. З’ява радыеактыўнасці

У 1896 годзе А. Бекерэль, вывучаючы солі ўрану, выявіў, што яны выпускаюць невядомае раней выпраменьванне. Гэтая з’ява атрымала назву радыеактыўнасці.

Радыеактыўнасць (або радыеактыўны распад) — гэта самаадвольнае ператварэнне нестабільных атамных ядраў адных хімічных элементаў у ядры іншых элементаў, якое суправаджаецца выпусканнем часціц высокай энергіі, а таксама жорсткім электрамагнітным выпраменьваннем.

Такое ператварэнне не з’яўляецца хімічнай рэакцыяй.

У залежнасці ад прыроды часціц, якія выпускаюцца, адрозніваюць некалькі відаў радыеактыўнага распаду атамных ядраў. Падрабязна іх вывучае ядзерная фізіка. Мы разгледзім два з іх — α- і β-распад.

Альфа-распад суправаджаецца выпусканнем α-часціц — дадатна зараджаных ядраў гелію, якія змяшчаюць два пратоны і два нейтроны . Гэты распад можна паказаць у выглядзе ўраўнення ядзернай рэакцыі:

дзе X — няўстойлівае ядро з атамным нумарам Z і масавым лікам А; Y — ядро, якое ўтварылася і атамны нумар якога на 2 адзінкі, а масавы лік — на 4 адзінкі меншы, чым у зыходнага ядра. Прыкладам такога распаду з’яўляецца распад радыю-226 з утварэннем газападобных радону-222 і гелію-4:

Пры складанні ўраўненняў ядзерных рэакцый варта ўлічваць, што сума зарадаў (Z) і сума масавых лікаў (А) у абедзвюх частках ураўнення павінны быць роўныя.

Бэта-распад звязаны з выпусканнем ядром β-часціцы — электрона (). Пры гэтым зарад новага ядра павялічваецца на адзінку, а яго масавы лік А не змяняецца:

Напрыклад, пры β-распадзе вугляроду-14 утвараецца азот-14:

Электроны ўзнікаюць пры распадзе нейтрона () на электрон () і пратон ():

Часта радыеактыўныя ператварэнні суправаджаюцца гама-выпраменьваннем. Яно ўяўляе сабой жорсткае электрамагнітнае выпраменьванне з даўжынёй хвалі 10^–10–10^–13 м.

Стабільныя і радыеактыўныя нукліды

Прычынай радыеактыўнасці з’яўляецца няўстойлівасць атамных ядраў шэрага хімічных элементаў. Няўстойлівыя нукліды называюцца радыеактыўнымі нуклідамі, або радыенуклідамі. Радыеактыўныя нукліды адрозніваюцца ад стабільных суадносінамі пратонаў і нейтронаў у ядры і энергіяй іх сувязі.

Любы хімічны элемент мае як стабільныя, так і радыеактыўныя нукліды. Для некаторых элементаў вядомы толькі радыенукліды. Да іх адносяцца ўсе элементы перыядычнай сістэмы пачынаючы з вісмуту, а таксама тэхнецый Tc і праметый Pm.

У прыродзе выяўлена 84 радыенукліды. Іх называюць натуральнымі, або прыроднымі, радыенуклідамі. Да іх адносяцца радыенукліды, якія захаваліся з моманту ўтварэння Зямлі, а таксама тыя, што ўзнікаюць у ядзерных рэакцыях, якія працякаюць пастаянна. Гэтыя рэакцыі звязаны або з распадам наяўных радыенуклідаў, або з узаемадзеяннем паміж высокаэнергетычнымі касмічнымі часціцамі і ядрамі атамаў, якія прысутнічаюць у атмасферы. Напрыклад, у граніце змяшчаецца радыенуклід уран-238, распад якога прыводзіць да ўтварэння радыенукліду радон-222. У атмасферы пад дзеяннем часціц, якія ляцяць з космасу (струмень нейтронаў і інш.), утвараюцца радыеактыўныя ядры вугляроду-14:

Да найбольш распаўсюджаных прыродных радыенуклідаў адносяцца ўран-238, уран-235, торый-232 і калій-40.

У навакольным асяроддзі прысутнічае і значная частка штучных радыенуклідаў. Іх яшчэ называюць тэхнагеннымі радыенуклідамі, таму што яны ўтварыліся ў выніку дзейнасці прадпрыемстваў атамнай прамысловасці і правядзення выпрабаванняў ядзернай зброі ў 40–80-я гады XX стагоддзя, а таксама з-за неахайнага абыходжання з радыеактыўнымі крыніцамі ў іншых галінах прамысловасці.

Устойлівасць радыенуклідаў характарызуецца перыядам паўраспаду. Перыяд паўраспаду — гэта час, на працягу якога распадаецца палова зыходнай колькасці ядраў радыеактыўнага элемента.

Напрыклад, перыяд паўраспаду ёду-131 (T_½) роўны 8,04 сутак, а перыяды паўраспаду цэзію-137 і стронцыю-90 складаюць каля 30 гадоў. Пры гэтым зусім не значыць, што праз 60 гадоў радыеактыўных цэзію і стронцыю не застанецца. Калі палічыць, то да гэтага часу захаваецца чацвёртая частка, і нават праз 180 гадоў застанецца каля 1,5 % ад іх першапачатковай колькасці.

У выніку аварыі на Чарнобыльскай атамнай электрастанцыі 26 красавіка 1986 года ў навакольнае асяроддзе былі выкінуты радыеактыўныя нукліды 37 хімічных элементаў. Іх павышанае ўтрыманне зрабіла частку тэрыторыі нашай краіны непрыдатнай для пражывання. У цяперашні час Рэспубліка Беларусь працягвае пераадольваць наступствы чарнобыльскай катастрофы. Вядучая роля ў гэтай працы належыць хімікам. Яны ажыццяўляюць маніторынг забруджаных тэрыторый, удзельнічаюць у распрацоўцы праектаў па іх ачыстцы і аднаўленні, шукаюць спосабы зніжэння ўтрымання небяспечных радыенуклідаў у сельскагаспадарчай прадукцыі.

Акрамя радыеактыўнага распаду ядраў, магчымы і іх сінтэз. Напрыклад:

Веданне механізму і заканамернасцей працякання ядзерных ператварэнняў дазваляе ажыццяўляць накіраваны сінтэз хімічных элементаў. Усе элементы з парадкавымі нумарамі больш за 92 атрыманы штучным шляхам.

У выніку ядзерных рэакцый адбываецца сінтэз хімічных элементаў на Сонцы і іншых зорках. Ядзерныя рэакцыі сінтэзу элементаў на Сонцы — крыніца энергіі зоркі і жыцця на Зямлі.

Выкарыстанне радыенуклідаў

Распад радыеактыўных атамных ядраў суправаджаецца вылучэннем велізарнай колькасці энергіі. Чалавецтва навучылася кіраваць распадам радыенуклідаў, а энергію, якая вылучаецца пры гэтым, выкарыстоўваць у сваіх інтарэсах.

На атамных электрастанцыях энергія, якая вылучаецца пры дзяленні ядраў урану, ператвараецца спачатку ў цеплавую, а затым у электрычную энергію (мал. 13).

Працэс дзялення радыеактыўных ядраў урану-235 пад дзеяннем нейтронаў можна паказаць у выглядзе ўраўнення:

Нейтроны, якія ўтвараюцца, выклікаюць дзяленне новых ядраў урану-235 па ланцуговым механізме.

Дзеянне ядзернай зброі заснавана на імгненным вылучэнні велізарнай колькасці энергіі пры дзяленні ядраў урану або плутонію.

Пры поўным дзяленні 1 кг урану-235 вылучаецца каля 7,7 · 10¹³ Дж энергіі, што эквівалентна цеплаты згарання каля 3000 т высакаякаснага каменнага вугалю.

У 32 краінах свету функцыянуе каля 200 атамных электрастанцый, якія забяспечваюць прыблізна 20 % ад агульнай колькасці электраэнергіі, што спажываецца гэтымі краінамі.

Радыенукліды выкарыстоўваюць у медыцынскай дыягностыцы і для лячэння некаторых захворванняў.

Радыяцыйная бяспека

У працэсе распаду атамных ядраў ці, наадварот, іх сінтэзу адбываецца выкід пратонаў, нейтронаў, электронаў, які суправаджаецца гама-выпраменьваннем. Гэты працэс называюць радыеактыўным выпраменьваннем, або радыяцыяй. Яго прыродныя крыніцы — гэта сонечная радыяцыя і касмічнае выпраменьванне, а таксама радыеактыўныя рэчывы, якія знаходзяцца ў зямной кары, навакольных аб’ектах, вадзе, паветры і паступова пранікаюць у арганізм чалавека і жывёл.

Існуюць і тэхнагенныя крыніцы радыеактыўнасці, створаныя чалавекам ці справакаваныя яго дзейнасцю. Негатыўныя прыклады ўтварэння такіх крыніц — выпрабаванне ядзернай зброі, захаванне радыеактыўных адходаў, памылкі пры эксплуатацыі атамных электрастанцый, якія прыводзяць да катастроф.

Воздействие значительных доз внешнего радиационного излучения на организм человека может вызвать тяжёлые заболевания. Ещё большую опасность представляет попадание радионуклидов в организм человека через органы дыхания, с пищей и водой (рис. 14). Излучение радионуклидов поражает отдельные клетки, блокирует синтез либо повреждает ДНК. Наибольшую опасность для человека представляют радионуклиды: ²¹⁰Ро, ⁹⁰Sr, ¹³¹I, ¹³⁷Cs, ²³⁵U, ²²²Rn.

Так, шчытападобная залоза адказвае за выпрацоўку гармонаў, якія ўдзельнічаюць у абменных працэсах у арганізме. Для яе нармальнага функцыянавання неабходны ёд. Трапляючы ў арганізм, радыеактыўны ёд-131 назапашваецца ў шчытападобнай залозе, выклікае моцнае апраменьванне і прыводзіць да ўтварэння ракавых пухлін. Каб паменшыць небяспеку такога ўздзеяння, рэкамендуецца прымаць прэпараты нерадыеактыўнага ёду (KI).

Радыенуклід стронцый-90 з’яўляецца хімічным аналагам кальцыю, таму адкладаецца замест яго ў касцявой тканцы, выклікаючы пашкоджванне клетак касцявога мозгу. Адна з мер прафілактыкі такога захворвання на тэрыторыях, забруджаных стронцыем-90, — гэта вапнаванне глебы. Паступленне нерадыеактыўнага кальцыю прыводзіць да зніжэння колькасці стронцыю-90 не толькі ў раслінах, але і ў арганізме жывёл і чалавека, якія ўжываюць гэтыя расліны.

Радон з’яўляецца другім па частаце (пасля курэння) фактарам, які выклікае рак лёгкіх. Ён натуральным чынам вылучаецца з нетраў Зямлі і назапашваецца ў падвальных памяшканнях. Адтуль па вентыляцыйных шахтах ён пранікае ў жылыя памяшканні (мал. 14). Каб паменшыць яго ўтрыманне, а значыць, і ўздзеянне, неабходна добра праветрываць памяшканні.

Пытанні, заданні, задачы

1. Што такое радыеактыўнасць? Назавіце віды радыеактыўнага распаду.

2. Пакажыце характарыстыкі α- і β-часціц, карыстаючыся табліцай 4 на с. 37.

3. Назавіце крыніцы натуральнай радыеактыўнасці.

4. Якую радыяцыйную небяспеку для чалавека ўяўляе знаходжанне ў падвальных памяшканнях і ў памяшканнях, якія не праветрываюцца?

5. Параўнайце састаў ядраў нуклідаў ¹³¹I и ¹²⁷I, ¹³⁷Cs и ¹³³Cs, ⁹⁰Sr и ⁸⁸Sr.

6. Складзіце ўраўненні ядзерных рэакцый:

7. Радыенукліды ²¹⁰Ро, ²³⁵U, ²²²Rn падвяргаюцца α-распаду, а радыенукліды ⁹⁰Sr, ¹³¹I, ¹³⁷Cs — β-распаду. Складзіце ўраўненні рэакцый іх распаду і назавіце прадукты.

8. Масавая доля калію ў целе чалавека складае 0,25 %. З усёй колькасці атамаў калію на долю калію-40 прыходзіцца 0,0117 %. Разлічыце лік радыеактыўных атамаў ⁴⁰K у арганізме чалавека, маса якога — 60 кг.

9. Першай штучнай ядзернай рэакцыяй, якую ажыццявіў Э. Рэзерфорд ў 1919 годзе, была рэакцыя ўзаемадзеяння атамаў азоту-14 з α-часціцамі. У ходзе рэакцыі ўтвараецца атам нейкага элемента і вылучаецца пратон. Вызначце гэты элемент.

10. Сярэдняя энергія, якая вылучыцца пры распадзе аднаго ядра ўрану-235, роўная 3,24 ∙ 10^–11. Разлічыце значэнне энергіі, якая вылучыцца пры распадзе ўрану-235:

• а) колькасцю 1 моль;
• б) массай 1 кг.

*Самакантроль

1. α-Распад паказаны схемамі:

• a) ;
• б) ;
• в) ;
• г) .

2. Утварэнне электронаў адбываецца ў рэакцыях:

• a) ;
• б) ;
• в) ;
• г) .

3. Вадарод з’яўляецца прадуктам у ядзерных рэакцыях:

• a) ;
• б) ;
• в) ;
• г) .

4. Радыенуклідамі з’яўляюцца:

• а) ¹³¹I;
• б) ¹²⁷I;
• в) ¹⁶O;
• г) ²²⁶Ra.

5. Прыкладамі тэхнагенных крыніц радыеактыўнага выпраменьвання з’яўляюцца:

• а) касмічнае выпраменьванне;
• б) захаванне радыеактыўных адходаў;
• в) сонечная радыяцыя;
• г) выпрабаванне ядзернай зброі.