Rádioaktivita je schopnosť atómov určitých izotopov spontánne sa rozkladať a vyžarovať žiarenie. Becquerel bol prvý, kto objavil takéto žiarenie vyžarované uránom, preto sa rádioaktívne žiarenie najprv nazývalo Becquerelove lúče. Hlavným typom rádioaktívneho rozpadu je vyvrhnutie častíc alfa z jadra atómu – alfa rozpad (pozri Alfa žiarenie) alebo beta častíc – beta rozpad (pozri Beta žiarenie).
Počas rádioaktívneho rozpadu sa pôvodný prvok mení na atóm iného prvku. V dôsledku vyvrhnutia častice alfa, ktorá je kombináciou dvoch protónov a dvoch neutrónov, z jadra atómu sa hmotnostné číslo výsledného atómu (pozri) zníži o štyri jednotky a ukáže sa, že posunutý v D.I.Mendelejevovej tabuľke o dve bunky doľava, keďže atómové číslo prvku v tabuľke sa rovná počtu protónov v jadre atómu. Keď je beta častica (elektrón) vyvrhnutá, jeden neutrón v jadre sa premení na protón, v dôsledku čoho sa výsledný atóm posunie v Mendeleevovej tabuľke o jednu bunku doprava. Jeho hmotnosť zostáva takmer nezmenená. Vyvrhnutie beta častice je zvyčajne spojené s (pozri).
Rozpad akéhokoľvek rádioaktívneho izotopu prebieha podľa nasledujúceho zákona: počet atómov rozpadajúcich sa za jednotku času (n) je úmerný počtu atómov (N) dostupných v danom čase, t.j. n=λN; koeficient λ sa nazýva konštanta rádioaktívneho rozpadu a súvisí s polčasom rozpadu izotopu (T) pomerom λ = 0,693/T. Tento rozpadový zákon vedie k tomu, že pre každý časový úsek rovný polčasu T sa množstvo izotopu zníži na polovicu. Ak sa aj atómy vzniknuté v dôsledku rádioaktívneho rozpadu ukážu ako rádioaktívne, potom sa postupne hromadia, až kým sa nevytvorí rádioaktívna rovnováha medzi materským a dcérskym izotopom; v tomto prípade sa počet atómov dcérskeho izotopu vytvorených za jednotku času rovná počtu atómov rozpadajúcich sa za rovnaký čas.
Je známych viac ako 40 prirodzene sa vyskytujúcich rádioaktívnych izotopov. Väčšina z nich sa nachádza v troch rádioaktívnych sériách (rodinách): urán-rádium a aktínium. Všetky tieto rádioaktívne izotopy sú v prírode široko rozšírené. Ich prítomnosť v horninách, vodách, atmosfére, rastlinách a živých organizmoch spôsobuje prirodzenú alebo prirodzenú rádioaktivitu.
Okrem prírodných rádioaktívnych izotopov je dnes známych asi tisíc umelo rádioaktívnych izotopov. Získavajú sa jadrovými reakciami hlavne v jadrových reaktoroch (pozri). Mnoho prírodných a umelých rádioaktívnych izotopov sa široko používa v medicíne na liečbu (pozri Radiačná terapia) a najmä na diagnostiku chorôb (pozri). Pozri tiež Ionizujúce žiarenie.
Rádioaktivita (z lat. radius – lúč a activus – efektívny) je schopnosť nestabilných atómových jadier spontánne sa premeniť na iné, stabilnejšie alebo stabilnejšie jadrá. Takéto premeny jadier sa nazývajú rádioaktívne a samotné jadrá alebo zodpovedajúce atómy sa nazývajú rádioaktívne jadrá (atómy). Pri rádioaktívnych premenách vyžarujú jadrá energiu buď vo forme nabitých častíc alebo vo forme gama lúčov elektromagnetického žiarenia alebo gama lúčov.
Premeny, pri ktorých sa jadro jedného chemického prvku mení na jadro iného prvku s iným atómovým číslom, sa nazývajú rádioaktívny rozpad. Rádioaktívne izotopy (pozri), vytvorené a existujúce v prírodných podmienkach, sa nazývajú prirodzene rádioaktívne; tie isté izotopy získané umelo prostredníctvom jadrových reakcií sú umelo rádioaktívne. Medzi prírodnými a umelo rádioaktívnymi izotopmi nie je zásadný rozdiel, keďže vlastnosti atómových jadier a samotných atómov sú určené len zložením a štruktúrou jadra a nezávisia od spôsobu ich vzniku.
Rádioaktivitu objavil v roku 1896 A. N. Becquerel, ktorý objavil žiarenie z uránu (pozri), ktoré môže spôsobiť sčernenie fotografickej emulzie a ionizovať vzduch. Curie-Sklodowska ako prvá zmerala intenzitu žiarenia uránu a súčasne s nemeckým vedcom G. S. Schmidtom objavila rádioaktivitu v tóriu (pozri). Vlastnosť izotopov spontánne vyžarovať neviditeľné žiarenie nazvali Curieovci rádioaktivitou. V júli 1898 oznámili objav nového rádioaktívneho prvku polónia v rude uránovej živice (pozri). V decembri 1898 spolu s G. Bemontom objavili rádium (pozri).
Po objavení rádioaktívnych prvkov mnohí autori (Becquerel, Curies, Rutherford atď.) zistili, že tieto prvky môžu vyžarovať tri typy lúčov, ktoré sa v magnetickom poli správajú odlišne. Na návrh Rutherforda (E. Rutherford, 1902) sa tieto lúče nazývali alfa (pozri Alfa žiarenie), beta (pozri Beta žiarenie) a gama lúče (pozri Gama žiarenie). Alfa lúče pozostávajú z kladne nabitých alfa častíc (dvojito ionizované atómy hélia He4); beta lúče - z negatívne nabitých častíc nízkej hmotnosti - elektrónov; Gama lúče sú svojou povahou podobné röntgenovému žiareniu a sú to kvantá elektromagnetického žiarenia.
V roku 1902 Rutherford a F. Soddy vysvetlili fenomén rádioaktivity samovoľnou premenou atómov jedného prvku na atómy iného prvku, prebiehajúcou podľa zákonov náhody a sprevádzanou uvoľňovaním energie vo forme alfa, beta a gama lúčov.
V roku 1910 M. Curie-Sklodowska spolu s A. Debiernem získali čisté kovové rádium a študovali jeho rádioaktívne vlastnosti, najmä merali rozpadovú konštantu rádia. Čoskoro bolo objavených množstvo ďalších rádioaktívnych prvkov. Debierne a F. Giesel objavili sasanku. Hahn (O. Halm) objavil rádiotórium a mezotórium, Boltwood (V.V. Boltwood) objavil iónium, Hahn a Meitner (L. Meitner) protaktínium. Všetky izotopy týchto prvkov sú rádioaktívne. V roku 1903 Pierre Curie a S. A. Laborde ukázali, že rádiový prípravok má vždy zvýšenú teplotu a že 1 g rádia s jeho produktmi rozpadu uvoľní asi 140 kcal za 1 hodinu. V tom istom roku W. Ramsay a Soddy zistili, že zapečatená rádiová ampulka obsahuje plyn hélium. Práce Rutherforda, F. Dorna, Debierna a Giesela ukázali, že medzi produktmi rozpadu uránu a tória sú rýchlo sa rozpadajúce rádioaktívne plyny nazývané emanácie rádia, tória a aktínia (radón, thoron, aktinón). Bolo teda dokázané, že počas rozpadu sa atómy rádia menia na atómy hélia a radónu. Zákony rádioaktívnych premien niektorých prvkov na iné počas rozpadov alfa a beta (zákony posunutia) prvýkrát sformulovali Soddy, K. Fajans a W. J. Russell.
Tieto zákony sú nasledovné. Pri rozpade alfa vytvára pôvodný prvok vždy ďalší prvok, ktorý sa nachádza v periodickom systéme D.I. Mendelejeva o dve bunky naľavo od pôvodného prvku (poradové alebo atómové číslo je o 2 menšie ako pôvodné); pri beta rozpade pôvodný prvok vždy produkuje ďalší prvok, ktorý sa v periodickej tabuľke nachádza o bunku vpravo od pôvodného prvku (atómové číslo je o jedno väčšie ako pôvodného prvku).
Štúdium premien rádioaktívnych prvkov viedlo k objavu izotopov, t. j. atómov, ktoré majú rovnaké chemické vlastnosti a atómové čísla, ale líšia sa od seba hmotnosťou a fyzikálnymi vlastnosťami, najmä rádioaktívnymi vlastnosťami (druh žiarenia, rýchlosť rozpadu). ). Z veľkého počtu objavených rádioaktívnych látok sa ako nové prvky ukázali len rádium (Ra), radón (Rn), polónium (Po) a protaktínium (Pa) a zvyšok tvorili izotopy predtým známeho uránu (U), tórium (Th), olovo (Pb), tálium (Tl) a bizmut (Bi).
Po tom, čo Rutherford objavil jadrovú štruktúru atómov a dokázal, že je to jadro, ktoré určuje všetky vlastnosti atómu, najmä štruktúru jeho elektronických obalov a jeho chemické vlastnosti (pozri Atóm, Atómové jadro), bolo jasné, že rádioaktívne premeny sú spojené s premenou atómových jadier. Ďalšie štúdium štruktúry atómových jadier umožnilo úplne rozlúštiť mechanizmus rádioaktívnych premien.
Prvú umelú premenu jadier – jadrovú reakciu (pozri) – uskutočnil Rutherford v roku 1919 bombardovaním jadier atómov dusíka časticami polónia alfa. V rovnakom čase jadrá dusíka emitovali protóny (pozri) a premenili sa na kyslíkové jadrá O17. V roku 1934 F. Joliot-Curie a I. Joliot-Curie ako prví umelo získali rádioaktívny izotop fosforu bombardovaním atómov Al alfa časticami. Jadrá P30, na rozdiel od jadier prírodných rádioaktívnych izotopov, počas rozpadu nevyžarovali elektróny, ale pozitróny (pozri Kozmické žiarenie) a premenili sa na stabilné kremíkové jadrá Si30. V roku 1934 tak bola súčasne objavená umelá rádioaktivita a nový typ rádioaktívneho rozpadu - pozitrónový rozpad, alebo β + -rozpad.
Joliot-Curies vyjadrili myšlienku, že všetky rýchle častice (protóny, deuteróny, neutróny) spôsobujú jadrové reakcie a možno ich použiť na získanie prirodzených rádioaktívnych izotopov. Fermi (E. Fermi) a spolupracovníci, bombardovaním rôznych prvkov neutrónmi, získali rádioaktívne izotopy takmer všetkých chemických prvkov. V súčasnosti sa pomocou zrýchlených nabitých častíc (pozri urýchľovače nabitých častíc) a neutrónov uskutočnila široká škála jadrových reakcií, v dôsledku ktorých bolo možné získať akékoľvek rádioaktívne izotopy.
V roku 1937 objavil L. Alvarez nový typ rádioaktívnej premeny – záchyt elektrónov. Pri záchyte elektrónov jadro atómu zachytí elektrón z obalu atómu a zmení sa na jadro iného prvku. V roku 1939 Hahn a F. Strassmann objavili štiepenie jadra uránu na ľahšie jadrá (štiepne fragmenty) pri bombardovaní neutrónmi. V tom istom roku Flerov a Pietrzak ukázali, že proces štiepenia jadier uránu prebieha spontánne bez vonkajšieho vplyvu. Objavili tak nový typ rádioaktívnej premeny – samovoľné štiepenie ťažkých jadier.
V súčasnosti sú známe nasledujúce typy rádioaktívnych premien, ktoré sa vyskytujú bez vonkajších vplyvov, spontánne, iba z vnútorných dôvodov, ktoré určuje štruktúra atómových jadier.
1. Alfa rozpad. Jadro s atómovým číslom Z a hmotnostným číslom A vyžaruje alfa časticu - jadro hélia He4- a premení sa na ďalšie jadro so Z menším o 2 jednotky a A menším o 4 jednotky ako má pôvodné jadro. Vo všeobecnosti je alfa rozpad napísaný takto:
Kde X je pôvodné jadro, Y je jadro produktu rozpadu.
2. Beta rozpad Existujú dva typy: elektrónový a pozitrónový alebo β - - a β + - rozpad (pozri žiarenie Beta). Počas elektronického rozpadu vyletí z jadra elektrón a neutríno a vznikne nové jadro s rovnakým hmotnostným číslom A, ale s atómovým číslom Z o jedno väčším ako má pôvodné jadro:
Počas rozpadu pozitrónu jadro emituje pozitrón a neutríno a vytvorí sa nové jadro s rovnakým hmotnostným číslom, ale so Z o jedno menším ako má pôvodné jadro:
Počas beta rozpadu sú v priemere 2/3 jadrovej energie unášané neutrínovými časticami (neutrálne častice veľmi nízkej hmotnosti, ktoré veľmi slabo interagujú s hmotou).
3. Elektronické snímanie(predtým nazývaný K-grab). Jadro zachytí elektrón z jednej z obalov atómu, najčastejšie z obalu K, vyžaruje neutríno a zmení sa na nové jadro s rovnakým hmotnostným číslom A, ale s atómovým číslom Z menším o 1 ako má pôvodné jadro.
Transformácia jadier pri záchyte elektrónov a rozpade pozitrónov je rovnaká, preto sú tieto dva typy rozpadu pozorované súčasne pre rovnaké jadrá, t.j. súperia. Keďže po záchyte elektrónu z vnútorného obalu atómu na jeho miesto prejde elektrón z niektorej z dráh vzdialenejších od jadra, záchyt elektrónu je vždy sprevádzaný emisiou RTG charakteristického žiarenia.
4. Izomérny prechod. Po emisii častice alfa alebo beta sú niektoré typy jadier v excitovanom stave (stav s prebytkom energie) a emitujú excitačnú energiu vo forme gama kvánt (pozri Gama žiarenie). V tomto prípade pri rádioaktívnom rozpade jadro okrem častíc alfa alebo beta vyžaruje aj gama kvantá. Jadrá izotopu Sr90 teda emitujú len β-častice, kým jadrá Na24 vyžarujú okrem β-častíc aj gama lúče. Väčšina jadier je v excitovanom stave počas veľmi krátkych časových úsekov, ktoré sa nedajú zmerať (menej ako 10-9 sekúnd). Len relatívne malý počet jadier však môže byť v excitovanom stave pomerne dlhú dobu – až niekoľko mesiacov. Takéto jadrá sa nazývajú izoméry a ich zodpovedajúce prechody z excitovaného stavu do normálneho stavu, sprevádzané emisiou iba gama lúčov, sú izomérne. Počas izomérnych prechodov A a Z sa jadrá nemenia. Rádioaktívne jadrá, ktoré vyžarujú iba častice alfa alebo beta, sa nazývajú čisté žiariče alfa alebo beta. Jadrá, v ktorých je alfa alebo beta rozpad sprevádzaný emisiou gama žiarenia, sa nazývajú gama žiariče. Iba jadrá, ktoré sú dlho v excitovanom stave, t.j. podliehajú izomérnym prechodom, sú čisté gama žiariče.
5. Spontánne jadrové štiepenie. V dôsledku štiepenia vznikajú z jedného jadra dve ľahšie jadrá – štiepne úlomky. Keďže identické jadrá možno rozdeliť na dve jadrá rôznymi spôsobmi, počas procesu štiepenia vzniká veľa rôznych párov ľahších jadier s rôznym Z a A, počas štiepenia sa uvoľňujú neutróny, v priemere 2-3 neutróny na štiepenie jadra a gama kvantá . Všetky úlomky vznikajúce pri štiepení sú nestabilné a podliehajú β - rozpadu. Pravdepodobnosť štiepenia je pri uráne veľmi malá, ale zvyšuje sa s rastúcim Z. To vysvetľuje absenciu jadier ťažších ako urán na Zemi. V stabilných jadrách je medzi počtom protónov a neutrónov určitý pomer, pri ktorom je jadro najstabilnejšie, t.j. najvyššia väzbová energia častíc v jadre. Pre ľahké a stredné jadrá ich najväčšia stabilita zodpovedá približne rovnakému obsahu protónov a neutrónov. Pre ťažšie jadrá sa pozoruje relatívny nárast počtu neutrónov v stabilných jadrách. Pri nadbytku protónov alebo neutrónov v jadre sú jadrá s priemernou hodnotou A nestabilné a podliehajú β - alebo β + rozpadom, pri ktorých dochádza k vzájomnej premene neutrónu a protónu. Keď je nadbytok neutrónov (ťažkých izotopov), jeden z neutrónov sa premení na protón emisiou elektrónu a neutrína: 
Pri prebytku protónov (izotopov svetla) sa jeden z protónov premení na neutrón s emisiou buď pozitrónu a neutrína (β + rozpad) alebo iba neutrína (záchyt elektrónov): 
Všetky ťažké jadrá s atómovým číslom väčším ako Pb82 sú nestabilné kvôli značnému počtu protónov, ktoré sa navzájom odpudzujú. Reťazce po sebe nasledujúcich alfa a beta rozpadov v týchto jadrách prebiehajú, kým sa nevytvoria stabilné jadrá izotopov olova. Ako sa experimentálne techniky zlepšujú, čoraz viac jadier, ktoré sa predtým považovali za stabilné, vykazuje veľmi pomalý rádioaktívny rozpad. V súčasnosti je známych 20 rádioaktívnych izotopov so Z menej ako 82.
V dôsledku akýchkoľvek rádioaktívnych premien sa počet atómov daného izotopu neustále znižuje. Zákon poklesu počtu aktívnych atómov v čase (zákon rádioaktívneho rozpadu) je spoločný pre všetky typy premien a všetky izotopy. Má štatistický charakter (platí len pre veľký počet rádioaktívnych atómov) a je nasledovný. Počet aktívnych atómov daného izotopu, ktoré sa rozpadnú za jednotku času ΔN/Δt, je úmerný počtu aktívnych atómov N, teda rovnaký zlomok k aktívnych atómov daného izotopu sa rozpadne za jednotku času, bez ohľadu na ich počet. Veličina k sa nazýva konštanta rádioaktívneho rozpadu a predstavuje podiel rozpadu aktívnych atómov za jednotku času alebo relatívnu rýchlosť rozpadu. k sa meria v jednotkách recipročných k časovým jednotkám, t. j. v sek.-1 (1/s), 1. deň, 1. rok atď., pre každý rádioaktívny izotop má svoju špecifickú hodnotu, ktorá sa pohybuje vo veľmi širokom rozmedzí limity pre rôzne izotopy. Hodnota charakterizujúca absolútnu rýchlosť rozpadu sa nazýva aktivita daného izotopu alebo liečiva. Aktivita 1 g látky sa nazýva špecifická aktivita látky.
Zo zákona rádioaktívneho rozpadu vyplýva, že k poklesu počtu aktívnych atómov N dochádza najskôr rýchlo a potom čoraz pomalšie. Čas, počas ktorého sa počet aktívnych atómov alebo aktivita daného izotopu zníži na polovicu, sa nazýva polčas rozpadu (T) tohto izotopu. Zákon poklesu N od času t je exponenciálny a má nasledujúce analytické vyjadrenie: N=N0e-λt, kde N0 je počet aktívnych atómov na začiatku času (r=0), N je počet aktívnych atómov po čase t je e základom prirodzených logaritmov (číslo rovné 2,718...). Existuje nasledujúci vzťah medzi konštantou rozpadu k a polčasom rozpadu λ: λT-0,693. Odtiaľ 
Polčasy sa merajú v sekundách, minútach. atď. a pre rôzne izotopy sa líšia vo veľmi širokom rozsahu od malých zlomkov sekundy po 10+21 rokov. Izotopy s veľkým λ a malým T sa nazývajú krátkodobé, izotopy s malým λ a veľkým T sa nazývajú dlhoveké. Ak účinná látka pozostáva z niekoľkých rádioaktívnych izotopov s rôznym polčasom rozpadu, ktoré nie sú navzájom geneticky príbuzné, potom sa časom aktivita látky tiež neustále znižuje a izotopové zloženie liečiva sa neustále mení: pomer izotopov s krátkou životnosťou sa zníži a podiel izotopov s dlhou životnosťou sa zvýši. Po dostatočne dlhom čase ostane v prípravku prakticky len izotop s najdlhšou životnosťou. Z rozpadových kriviek rádioaktívnych látok pozostávajúcich z jedného alebo zo zmesi izotopov je možné určiť polčasy rozpadov jednotlivých izotopov a ich relatívne aktivity pre ľubovoľný časový bod.
Zákonitosti zmien v aktivite geneticky príbuzných izotopov sú kvalitatívne odlišné; závisia od pomeru ich polčasov rozpadu. Pre dva geneticky príbuzné izotopy s periódou T1 pre pôvodný izotop a T2 pre produkt rozpadu majú tieto zákony najjednoduchšiu formu. Pri T1>T2 aktivita počiatočného izotopu Q1 klesá exponenciálne s polčasom T1. V dôsledku rozpadu jadier počiatočného izotopu sa vytvoria jadrá konečného izotopu a zvýši sa jeho aktivita Q2. Po určitom čase sa rýchlosť rozpadu jadier druhého izotopu (priblíži rýchlosti tvorby jadier tohto izotopu z pôvodného (rýchlosť rozpadu pôvodného izotopu Q1) a tieto rýchlosti budú v určitej a konštantný pomer po zvyšok času - nastáva rádioaktívna rovnováha.
Aktivita počiatočného izotopu s periódou T1 neustále klesá, preto po dosiahnutí rádioaktívnej rovnováhy bude s polčasom rozpadu počiatočného izotopu klesať aj aktivita konečného izotopu Q2 a celková aktivita dvoch izotopov Q1 + Q2. T1. Keď T1>T2 Q2=Q1. Ak sa z počiatočného izotopu s dlhou životnosťou postupne vytvorí niekoľko izotopov s krátkou životnosťou, ako je to v prípade rádioaktívnej série uránu a rádia, potom po dosiahnutí rovnováhy sa aktivity každého izotopu s krátkou životnosťou takmer rovnajú aktivite pôvodný izotop. V tomto prípade sa celková aktivita rovná súčtu aktivít všetkých produktov rozpadu s krátkou životnosťou a klesá s polčasom rozpadu pôvodného izotopu s dlhou životnosťou, rovnako ako aktivita všetkých izotopov v rovnováhe.
Rádioaktívna rovnováha sa dosiahne prakticky za čas rovnajúci sa 5-10 polčasom rozpadu izotopu z produktov rozpadu, ktorý má najdlhší polčas rozpadu. Ak T1 Prirodzene rádioaktívne izotopy zahŕňajú asi 40 izotopov periodickej sústavy prvkov so Z väčším ako 82, ktoré tvoria tri postupné rady rádioaktívnych premien: uránový rad (obr. 1), tóriový rad (obr. 2) a aktíniový rad ( Obr. 3). Postupnými alfa a beta rozpadmi sa z počiatočných izotopov série získajú konečné stabilné izotopy olova. Šípky na obrázkoch označujú postupné rádioaktívne premeny, označujúce typ rozpadu a percento atómov podliehajúcich rozpadu tohto typu. Vodorovné šípky označujú transformácie, ktoré sa vyskytujú takmer v 100 % prípadov, a naklonené šípky označujú transformácie, ktoré sa vyskytujú v malej časti prípadov. Keď sú označené izotopy, sú uvedené ich polčasy. V zátvorkách sú predchádzajúce mená členov série označujúce genetickú príbuznosť, bez zátvoriek sú v súčasnosti akceptované označenia izotopov zodpovedajúce ich chemickej a fyzikálnej povahe. Izotopy s dlhou životnosťou sú uzavreté v rámoch a koncové stabilné izotopy sú uzavreté v dvojitých rámoch. Alfa rozpad je zvyčajne sprevádzaný veľmi nízkou intenzitou gama žiarenia, niektoré beta žiariče vyžarujú intenzívne gama žiarenie. Prírodné pozadie je spôsobené prirodzenou rádioaktivitou-žiarením a vplyvom prirodzene rádioaktívnych izotopov obsiahnutých na povrchu Zeme, v biosfére a ovzduší a kozmického žiarenia (pozri). Okrem týchto izotopov obsahujú rôzne látky aj izotop K40 a asi 20 ďalších rádioaktívnych izotopov s veľmi dlhým polčasom rozpadu (od 109 do 1021 rokov), v dôsledku čoho je ich relatívna aktivita veľmi malá v porovnaní s aktivitou iných izotopy. Rádioaktívne izotopy obsiahnuté v zemskom obale hrali a naďalej zohrávajú výnimočnú úlohu vo vývoji našej planéty, najmä vo vývoji a zachovaní života, pretože kompenzovali tepelné straty vyskytujúce sa na Zemi a zabezpečovali praktickú stálosť teploty na planétu po mnoho miliónov rokov. Rádioaktívne izotopy, podobne ako všetky ostatné izotopy, sa v prírode nachádzajú prevažne v rozptýlenom stave a sú prítomné vo všetkých látkach, rastlinných a živočíšnych organizmoch. V dôsledku rozdielu vo fyzikálno-chemických vlastnostiach izotopov sa ich relatívny obsah v pôdach a vodách ukazuje byť odlišný. Z pôdnych vôd sa do ovzdušia neustále uvoľňujú plynné produkty rozpadu uránu, tória a aktínia - thoron, radón a aktinón. Okrem týchto plynných produktov sa vo vzduchu nachádzajú aj alfa a beta aktívne produkty rozpadu rádia, tória a aktínia (vo forme aerosólov). Z pôdy sa rádioaktívne prvky, ako tie stabilné, dostávajú do rastlín spolu s pôdnou vodou, takže stonky a listy rastlín vždy obsahujú urán, rádium, tórium s produktmi ich rozpadu, draslík a množstvo ďalších izotopov, aj keď v relatívne malých koncentráciách. . Rastliny a živočíchy obsahujú aj izotopy C14, H3, Be7 a iné, ktoré vznikajú vo vzduchu vplyvom neutrónov z kozmického žiarenia. Vďaka tomu, že medzi ľudským telom a prostredím prebieha nepretržitá výmena, všetky rádioaktívne izotopy obsiahnuté v potrave, vode a vzduchu sú obsiahnuté aj v tele. Izotopy sa v tele nachádzajú v nasledujúcich dávkach: v mäkkých tkanivách - 31 mrem / rok, v kostiach - 44 mrem / rok. Dávka z kozmického žiarenia je 80-90 mrem/rok, dávka z vonkajšieho gama žiarenia je 60-80 mrem/rok. Celková dávka je 140-200 mrem/rok. Dávka dopadajúca na pľúca je 600-800 mrem/rok. Umelo rádioaktívne izotopy vznikajú bombardovaním stabilných izotopov neutrónmi alebo nabitými časticami v dôsledku rôznych jadrových reakcií, ako zdroje nabitých častíc sa používajú rôzne typy urýchľovačov. Pre merania tokov a dávok rôznych druhov ionizujúceho žiarenia pozri Dozimetria, Dávky ionizujúceho žiarenia, Neutrón. Vzhľadom na to, že veľké dávky žiarenia majú škodlivý vplyv na ľudské zdravie, pri práci so zdrojmi žiarenia a rádioaktívnymi izotopmi sa používajú špeciálne ochranné opatrenia (pozri). V medicíne a biológii sa izotopy používajú na štúdium metabolizmu, na diagnostické a terapeutické účely (pozri). Obsah rádioaktívnych izotopov v tele a dynamika ich výmeny sa zisťujú pomocou externých počítačov žiarenia od ľudí. Počet jadier rozpadajúcich sa v danom časovom období vo vzorke rádioaktívneho materiálu je úmerný celkovému počtu jadier zodpovedajúceho rádioaktívneho prvku v tejto vzorke. Väčšina atómových jadier je nestabilná. Skôr či neskôr spontánne (alebo, ako hovoria fyzici, spontánne) sa rozpadajú na menšie jadrá a elementárne častice, ktoré sa bežne nazývajú produkty rozkladu alebo detské prvky. Rozpadajúce sa častice sa zvyčajne nazývajú východiskové suroviny alebo rodičov. Všetky chemické látky, ktoré poznáme (železo, kyslík, vápnik atď.), majú aspoň jeden stabilný izotop. ( Izotopy sa nazývajú odrody chemického prvku s rovnakým počtom protónov v jadre - tento počet protónov zodpovedá atómovému číslu prvku - ale rôznemu počtu neutrónov.) Skutočnosť, že tieto látky sú nám dobre známe, naznačuje ich stabilita - čo znamená, že žijú dostatočne dlho, aby sa mohli akumulovať vo významných množstvách v prírodných podmienkach bez toho, aby sa rozpadli na zložky. Ale každý z prírodných prvkov má aj nestabilné izotopy – ich jadrá sa dajú získať v procese jadrových reakcií, no nežijú dlho, pretože sa rýchlo rozpadajú. Jadrá rádioaktívnych prvkov alebo izotopov sa môžu rozkladať tromi hlavnými spôsobmi a zodpovedajúce reakcie jadrového rozpadu sú pomenované prvými tromi písmenami gréckej abecedy. O alfa rozpad Uvoľňuje sa atóm hélia pozostávajúci z dvoch protónov a dvoch neutrónov – zvyčajne sa nazýva alfa častica. Pretože rozpad alfa znamená zníženie počtu kladne nabitých protónov v atóme o dva, jadro, ktoré emitovalo časticu alfa, sa zmení na jadro prvku o dve pozície nižšie od neho v periodickej tabuľke. O beta rozpad jadro vyžaruje elektrón a prvok sa posunie o jednu polohu dopredu podľa periodickej tabuľky (v tomto prípade sa v podstate neutrón mení na protón žiarením práve tohto elektrónu). nakoniec gama rozpad- Ide o rozpad jadier s emisiou vysokoenergetických fotónov, ktoré sa bežne nazývajú gama lúče. V tomto prípade jadro stráca energiu, ale chemický prvok sa nemení. Samotný fakt nestability toho či onoho izotopu chemického prvku však neznamená, že zhromaždením určitého počtu jadier tohto izotopu získate obraz o ich okamžitom rozpade. V skutočnosti rozpad jadra rádioaktívneho prvku trochu pripomína proces vyprážania kukurice pri výrobe pukancov: zrná (nukleóny) padajú z „klasu“ (jadra) jedno po druhom v úplne nepredvídateľnom poradí, kým všetky neodpadnú. Zákon popisujúci reakciu rádioaktívneho rozpadu v skutočnosti iba uvádza túto skutočnosť: rádioaktívne jadro vyžaruje počas určitého časového obdobia počet nukleónov úmerný počtu nukleónov zostávajúcich v jeho zložení. To znamená, že čím viac zŕn-nukleónov zostane v „nedostatočne tepelne upravenom“ jadre klasu, tým viac sa ich uvoľní počas pevného časového intervalu „vyprážania“. Keď túto metaforu preložíme do jazyka matematických vzorcov, dostaneme rovnicu opisujúcu rádioaktívny rozpad: Kde dN- počet nukleónov emitovaných jadrom s celkovým počtom nukleónov N počas dt, λ
- experimentálne stanovený konštanta rádioaktivity testovanej látky. Vyššie uvedený empirický vzorec je lineárna diferenciálna rovnica, ktorej riešením je nasledujúca funkcia, ktorá popisuje počet nukleónov zostávajúcich v jadre súčasne t: N = N°e –λt Kde N 0- počet nukleónov v jadre v počiatočnom okamihu pozorovania. Konštanta rádioaktivity teda určuje, ako rýchlo sa jadro rozpadne. Experimentálni fyzici však väčšinou merajú nie to, ale tzv polovičný život jadro (čiže obdobie, počas ktorého skúmané jadro vyžaruje polovicu nukleónov, ktoré obsahuje). Pre rôzne izotopy rôznych rádioaktívnych látok sa polčasy líšia (v úplnom súlade s teoretickými predpoveďami) od miliardtín sekundy až po miliardy rokov. To znamená, že niektoré jadrá žijú takmer večne a niektoré sa rozpadajú doslova okamžite (tu je dôležité si uvedomiť, že po polčase rozpadu zostáva polovica celkovej hmotnosti pôvodnej látky, po dvoch polčasoch rozpadu štvrtina jej hmotnosti , po troch polčasoch rozpadu - jedna osmina atď. .d.). Pokiaľ ide o vznik rádioaktívnych prvkov, rodia sa rôznymi spôsobmi. Najmä ionosféra (horná riedka vrstva atmosféry) Zeme je neustále bombardovaná kozmickým žiarením pozostávajúcim z vysokoenergetických častíc (pozri Elementárne častice). Pod ich vplyvom sa atómy s dlhou životnosťou štiepia na nestabilné izotopy: najmä zo stabilného dusíka-14 v zemskej atmosfére neustále vzniká nestabilný izotop uhlík-14 so 6 protónmi a 8 neutrónmi v jadre (pozri Rádiometrické datovanie) . Ale vyššie uvedený prípad je dosť exotický. Oveľa častejšie vznikajú rádioaktívne prvky v reakčné reťazce jadrové štiepenie. Toto je názov pre sériu udalostí, počas ktorých sa pôvodné („materské“) jadro rozpadne na dve „dcérske“ (tiež rádioaktívne), ktoré sa následne rozpadajú na štyri „vnučkové“ jadrá atď. Proces pokračuje až do kým sa nezískajú stabilné izotopy. Ako príklad si zoberme izotop urán-238 (92 protónov + 146 neutrónov) s polčasom rozpadu približne 4,5 miliardy rokov. Toto obdobie sa, mimochodom, približne rovná veku našej planéty, čo znamená, že približne polovica uránu-238 zo zloženia primárnej hmoty vzniku Zeme sa stále nachádza v súhrne prvkov zemskej prírody. Urán-238 sa mení na tórium-234 (90 protónov + 144 neutrónov), ktoré má polčas rozpadu 24 dní. Tórium-234 sa mení na paládium-234 (91 protónov + 143 neutrónov) s polčasom rozpadu 6 hodín - atď. Po viac ako desiatich štádiách rozpadu sa konečne získa stabilný izotop olova-206. O rádioaktívnom rozpade sa dá povedať veľa, ale niekoľko bodov si zaslúži osobitnú zmienku. Po prvé, aj keď ako východiskový materiál vezmeme čistú vzorku ktoréhokoľvek rádioaktívneho izotopu, rozpadne sa na rôzne zložky a čoskoro nevyhnutne získame celú „kyticu“ rôznych rádioaktívnych látok s rôznymi jadrovými hmotnosťami. Po druhé, prirodzené reťazce reakcií atómového rozpadu nás uisťujú v tom zmysle, že rádioaktivita je prirodzený jav, existovala dávno pred človekom a netreba to brať na seba a obviňovať z toho, že existuje pozadie, len ľudskú civilizáciu. žiarenia na Zemi. Urán-238 existuje na Zemi od jej úplného vzniku, rozkladal sa, rozkladá sa – a bude sa ďalej rozkladať a jadrové elektrárne tento proces urýchľujú v skutočnosti o zlomok percenta; takže na vás a na mňa nemajú žiadne zvlášť škodlivé účinky okrem toho, čo poskytuje príroda. Napokon nevyhnutnosť rádioaktívneho atómového rozpadu predstavuje pre ľudstvo potenciálne problémy a potenciálne príležitosti. Najmä v reťazci reakcií rozpadu jadier uránu-238 vzniká radón-222 - vzácny plyn bez farby, zápachu a chuti, ktorý nevstupuje do žiadnych chemických reakcií, pretože nie je schopný tvoriť chemické látky. dlhopisov. Toto inertný plyn a doslova vyteká z hlbín našej planéty. Zvyčajne to na nás nemá žiadny vplyv – jednoducho sa rozpustí vo vzduchu a zostane tam v miernej koncentrácii, kým sa nerozpadne na ešte ľahšie prvky. Ak však tento neškodný radón zostane dlhší čas v nevetranej miestnosti, tak sa tam časom začnú hromadiť produkty jeho rozpadu – a tie sú škodlivé pre ľudské zdravie (pri vdýchnutí). Takto sa dostávame k takzvanému „radónovému problému“. Na druhej strane, rádioaktívne vlastnosti chemických prvkov prinášajú ľuďom značné výhody, ak k nim pristupujeme rozumne. Na vytvorenie rádiografického obrazu zlomenín kostí sa teraz vstrekuje najmä rádioaktívny fosfor. Stupeň jeho rádioaktivity je minimálny a nepoškodzuje zdravie pacienta. Vstup do kostného tkaniva tela spolu s obyčajným fosforom vyžaruje dostatok lúčov na to, aby ich zaznamenal na svetlocitlivé zariadenie a urobil snímky zlomenej kosti doslova zvnútra. Chirurgovia preto majú možnosť operovať komplexnú zlomeninu nie naslepo a náhodne, ale tak, že si vopred preštudujú štruktúru zlomeniny pomocou takýchto obrázkov. Vo všeobecnosti aplikácie rádiografiu existuje nespočetné množstvo vo vede, technike a medicíne. A všetky fungujú na rovnakom princípe: chemické vlastnosti atómu (v podstate vlastnosti vonkajšieho elektrónového obalu) umožňujú priradiť látku k určitej chemickej skupine; potom sa pomocou chemických vlastností tejto látky atóm dopraví „na správne miesto“, a potom sa s využitím vlastnosti jadier tohto prvku rozpadne v prísnom súlade s „plánom“ stanoveným fyzikálnymi zákonmi, produkty rozpadu sa zaznamenávajú. Štúdium rádioaktivity nás presviedča, že rádioaktívne žiarenie vyžarujú atómové jadrá rádioaktívnych prvkov. To je zrejmé vo vzťahu k časticiam, pretože jednoducho neexistujú v elektrónovom obale. Jadrový pôvod častíc je dokázaný chemickými experimentmi. Ak sú častice emitované jadrami, potom by rádioaktivita mala viesť k zmene chemickej povahy atómu. V skutočnosti elektrón odoberie jadru jednu jednotku záporného náboja, t.j. zvýši kladný náboj jadra o jednu. Jadro už nebude držať okolo seba elektróny; rádioaktívny atóm sa zmení na atóm ďalšieho prvku v periodickej tabuľke. Chemické štúdie totiž zistili, že v látkach, ktoré vyžarujú žiarenie, sa hromadia atómy prvku s atómovým číslom o jednotku vyšším, ako je atómové číslo žiariča. Emisia častíc mení aj náboj jadra a preto musí viesť aj k zmene chemickej povahy rádioaktívneho atómu. Táto predpoveď je plne potvrdená experimentmi. Takže vyžarovaním žiarenia sa atómy rádioaktívneho prvku menia a menia sa na atómy nového prvku. V tomto zmysle sa emisia rádioaktívneho žiarenia nazýva rádioaktívny rozpad. Rozlišuje sa rozpad – emisia častíc a rozpad – emisia častíc. Keďže častica odnáša kladný náboj dvoch jednotiek a hmotnosť štyroch jednotiek, rádioaktívny prvok sa v dôsledku rozpadu zmení na iný prvok, ktorého atómové číslo je o dve jednotky menšie a hmotnostné číslo o štyri jednotky menšie. . Hmotnosť častice je zanedbateľná v porovnaní s atómovou hmotnostnou jednotkou; preto emisia častice nemení hmotnostné číslo jadra. Následne sa rádioaktívny prvok v dôsledku rozpadu zmení na prvok s atómovým číslom o jedno väčším a s rovnakým hmotnostným číslom. Tieto pravidlá označujúce posunutie prvku v periodickej tabuľke spôsobené rozpadom sa nazývajú pravidlá posunutia. Rádioaktívny rozpad spôsobuje nepretržitý pokles počtu atómov rádioaktívneho prvku. V prípade uránu, tória a rádia je rýchlosť rozpadu taká nízka, že pokles počtu atómov týchto prvkov je nepostrehnuteľný aj v priebehu niekoľkých rokov. Existuje však veľké množstvo rýchlo sa rozpadajúcich rádioaktívnych prvkov. Zoberme si napríklad rádioaktívny izotop bizmutu s hmotnostným číslom 210, takzvaný (rádium). sa uvoľňuje z rádia, v ktorom je prítomný v extrémne malých množstvách. Nevýznamné hmotnostné množstvá sa dajú ľahko zistiť intenzívnym žiarením. Pravidelným meraním počtu častíc emitovaných liečivom za jednotku času pomocou počítadla plynových výbojov zistíme, že tento počet postupne klesá. Graf poklesu aktivity v čase je znázornený na obr. 388. Ryža. 388. Graf poklesu aktivity rádioaktívnej látky v čase Ako je možné vidieť z grafu, po 5 dňoch sa aktivita rovná počiatočnej, po 10 dňoch počiatočná, po 15 dňoch počiatočná atď. Za každých 5 dní sa aktivita zníži na polovicu. Ale aby sa aktivita znížila na polovicu, stačí rozdeliť liek na polovicu. V dôsledku toho sa počet atómov znižuje o polovicu každých 5 dní. Časový interval, počas ktorého sa rozpadne polovica atómov rádioaktívnej látky, sa nazýva polčas rozpadu. Teda látka, ktorej rozpad je znázornený na obr. 388, má polčas rozpadu 5 dní. Nech je v počiatočnom okamihu počet atómov rádioaktívnej látky rovný . Označme polčas rozpadu tejto látky. Po polčasoch, t. j. v súčasnosti, sa počet nerozložených atómov očividne rovná Nahradením dostaneme Naše odvodenie vzťahu (215.1) sme vykonali pre časové intervaly, ktoré sú násobkami polčasu rozpadu (t.j. pre celé čísla); preukázateľne však platí aj pre akékoľvek . Vzťah (215.1), ktorý udáva závislosť počtu nerozložených rádioaktívnych atómov od času, sa nazýva zákon rádioaktívneho rozpadu. Polčas rozpadu je jednou z hlavných charakteristík rádioaktívnej látky. Početné experimenty ukázali, že polčas rozpadu rádioaktívnej látky je prísne konštantná hodnota, ktorú nemožno zmeniť takými vplyvmi (v rámci nám dostupných limitov) ako chladenie, zahrievanie, tlak, magnetické pole, chemické sily atď. polčas rozpadu z vonkajších podmienok by nás nemal prekvapovať. Rádioaktívny rozpad je vlastnosťou atómových jadier a energia bežných zemských vplyvov je nedostatočná na zmenu atómového jadra (§208). Meranie polčasu rozpadu jadier s krátkou životnosťou spočíva v určení časového obdobia, počas ktorého sa intenzita žiarenia zníži na polovicu. Polčas rozpadu jadier s dlhou životnosťou možno vypočítať meraním počtu rozpadnutých atómov za jednotku času (rovnajúci sa počtu častíc emitovaných počas tohto času) a poznaním celkového počtu atómov vo vzorke. Skutočne, zlomok počtu atómov, ktorý sa časom rozpadne, závisí od polčasu rozpadu. Čím kratší je polčas rozpadu, tým rýchlejší je rozpad a tým väčší je podiel atómov, ktoré sa za rovnaký čas rozpadajú. Merania tohto druhu udávajú polčas rozpadu rádia 1600 rokov. Prirodzene, počas časových období rádovo roka je strata rádia taká malá, že zmena jeho aktivity je prakticky nepozorovateľná. Z geológie vieme, že vek minerálov sa meria v miliónoch rokov. V priebehu geologických časových období by rozpad rádia viedol k jeho úplnému vymiznutiu. Je zrejmé, že v prírode spolu s rozpadom dochádza k tvorbe nových atómov rádia. Skutočnosť, že rádium je vždy obsiahnuté v uráne a iba v uránových rudách, naznačuje, že zdrojom nových atómov rádia je rádioaktívny rozpad uránu. Urán je rádioaktívna látka, čo znamená, že emituje častice. Polčas rozpadu uránu (presnejšie hlavného izotopu uránu s atómovou hmotnosťou 238), meraný aktivitou, je 4,5 miliardy rokov. Aj v geologickom časovom meradle sa urán rozkladá veľmi pomaly. Rozpad jadra vedie podľa pravidiel posunu k vytvoreniu jadra s nábojom a hmotnostným číslom, t.j. izotopu tória. Tento izotop tória, inak nazývaný urán-x-ón, sa tiež ukazuje ako rádioaktívna látka, ktorá emituje častice. Ukázalo sa, že produktom rozpadu je izotop prvku protaktínium s atómovou hmotnosťou 234, inak nazývaný . Tento izotop je opäť rádioaktívny atď. Reťazec po sebe nasledujúcich produktov rozpadu uránu, takzvaná rodina rádioaktívneho uránu, je znázornená na obr. 389. Až po 14 po sebe nasledujúcich rozpadoch sa atóm uránu zmení na nerádioaktívny alebo, ako sa hovorí, na stabilný izotop olova. Rozklad uránu v konečnom dôsledku vedie k akumulácii olova. V skutočnosti uránové rudy vždy obsahujú olovo. V uránových rudách sa samozrejme hromadia aj všetky medziprodukty reťazca rozpadu uránu. Radium je piatym produktom v tomto reťazci. , ktorý bol diskutovaný vyššie, je siedmym produktom v reťazci rozpadu rádia. Prvým potomkom rádia je rádioaktívny inertný plyn radón (niekedy nazývaný emanácia rádia). Hromadenie produktov rádioaktívnej transformácie je obmedzené ich rozpadom. Čím kratší je polčas rozpadu látky, tým rýchlejšie sa rozkladá a tým nižší je jej obsah v materskej látke (urán alebo rádium). Každá rádioaktívna premena je, ako vieme, spojená s emisiou buď častice, alebo častice. Niektoré premeny sprevádza aj rozklad Okrem uránovej rodiny existujú v prírode dve ďalšie rádioaktívne rodiny. Predkom jedného z nich je tórium, predkom druhého vzácny izotop uránu. Nuklid je stabilný vzhľadom na rádioaktívny rozpad, ak je jeho hmotnosť menšia ako súčet hmotností všetkých produktov vzniknutých počas očakávaného rozpadu. Preto je rádioaktívny rozpad možný len vtedy, ak súčet hmotností výsledných produktov je menší ako hmotnosť pôvodného nuklidu. Rádioaktívny rozpad vo všeobecnosti možno znázorniť takto: A (materský nuklid) = B (dcérsky nuklid) + X (emitované častice) + Q (energia) Energiou rozumieme kinetickú energiu emitovaných častíc a g-kvantá. Celková energia Q uvoľnená počas rádioaktívneho rozpadu je určená rozdielom v hmotnosti počiatočného nuklidu a produktov vytvorených po rozpade v základnom stave: Q=dmc2=(mA-mB-mX)c2. Vo všetkých prípadoch rádioaktívneho rozpadu sa dodržiavajú zákony zachovania hmoty a náboja. Podľa typu emitovaných častíc sa rozlišujú tieto typy rádioaktívneho rozpadu: 1) a-rozpad; 2) b-rozpad, ktorý sa delí na b- rozpad, b+ rozpad a záchyt elektrónov (EC); 3) emisia 7-kván, konverzných elektrónov a Augerových elektrónov; 4) spontánne delenie. Alfa rozpad. Rozpadu alfa podliehajú jadrá mnohých izotopov (ťažkých) prvkov - urán, rádium, tórium atď. Možnosť rozpadu α je spôsobená tým, že hmotnosť (a teda aj zvyšok energie) α-rádioaktívneho. jadro je väčšie ako súčet hmotností (celkovej pokojovej energie) α-častíc a po α-rozpade tvorí dcérske jadro. Prebytočná energia pôvodného (materského) jadra sa uvoľňuje vo forme kinetickej energie α-častice a dcérskeho jadra. Kinetická energia α-častíc pre väčšinu α-rádioaktívnych jadier je v malom rozsahu 4–9 MeV. Polčasy sa naopak veľmi líšia: od 10-7 sekúnd do 2∙1017 rokov. Beta rozpad. Pri procese β-rozpadu sa z rádioaktívneho jadra spontánne emituje elektrón (elektronický β-rozpad) alebo pozitrón (pozitrón β-rozpad), ktorý sa objaví práve v momente β-rozpadu (nie sú v jadre ). Tretím typom β-rozpadu je záchyt elektrónu jadrom z elektrónového obalu jeho atómu (e-záchyt). Vo všetkých troch prípadoch je beta rozpad sprevádzaný emisiou neutrín alebo antineutrín. V dôsledku β-rozpadu sa jadrový náboj zvýši, β+-rozpad a e-záchyt sa zníži o jednu. Hmotnostné číslo jadra zostáva nezmenené. Rozpad elektrónov testovacie jadrá s nadbytkom neutrónov. Takmer všetky umelé a niektoré prírodné rádioaktívne prvky (C12, K40 atď.) sú náchylné na tento typ rozpadu. Počas elektronického rozpadu si novovzniknuté dcérske jadro zachováva hmotnostné číslo pôvodného prvku a kladný náboj nového jadra v dôsledku premeny neutrónu na protón sa ukáže byť o jednotku väčší ako náboj jadro pôvodného prvku. Počas elektronického rozpadu sú materský a dcérsky rádionuklid izobary, pretože súčet protónov a neutrónov sa nemení. Pozitrónový rozpad testovacie jadrá s nadbytkom protónov. Iba niektoré umelé rádioaktívne izotopy sú náchylné na tento typ rozpadu, napríklad 6C11, ktorého jadro obsahuje 6 protónov s 5 neutrónmi. V prírodných rádioaktívnych izotopoch sa pozitrónový rozpad nepozoruje. Elektronické snímanie. Rádioaktívne izotopy sa zbavujú prebytočných protónov prostredníctvom záchytu elektrónov, ku ktorému dochádza, keď v jadre nie je dostatok energie na rozpad pozitrónu. Takéto jadro zvyčajne zachytáva elektróny (e-capture) z najbližšej vrstvy (K-vrstva, niekedy L-vrstva) a „extra“ protón, ktorý sa spojí s týmto elektrónom, sa zmení na neutrón emitujúci neutríno. Preto je e-capture proces priamo opačný k elektronickému rozpadu. V tomto prípade je dcérsky prvok, rovnako ako pri rozpade pozitrónov, posunutý v periodickej tabuľke o jednu bunku doľava od pôvodnej. Elektrón preskočí z L-vrstvy na voľné miesto v K-vrstve, na posledné miesto z M-vrstvy atď. Každý skok je spojený s uvoľnením energie, ktorá je emitovaná kvantami röntgenového žiarenia. Gama lúče predstavujú tok γ-kvant, t.j. krátkovlnné elektromagnetické žiarenie emitované excitovanými atómovými jadrami. Počas procesu γ-žiarenia jadro spontánne prechádza z excitovaného stavu do menej excitovaného alebo základného stavu. V tomto prípade sa prebytočná energia uvoľňuje vo forme kvanta krátkovlnného elektromagnetického žiarenia – γ-kvanta. γ kvantá nemajú náboj, a preto nie sú vychyľované elektrickým alebo magnetickým poľom. Rozširujú sa priamo a rovnomerne vo všetkých smeroch od zdroja. Vo väčšine prípadov γ zdroje vyžarujú γ kvantá rôznych energií, t.j. sú monoenergetické. Nuklidy v excitovanom stave sa môžu rozpadnúť a emitovať neutróny alebo protóny. Rádionuklidy podliehajú samovoľnému rozpadu a stávajú sa zdrojmi žiarenia určitého typu a energie presne definovanej pre každý atóm. Existuje niekoľko hlavných typov rádioaktívneho rozpadu a im zodpovedajúce typy žiarenia. 1)
Alfa (a) žiarenie je prúd jadier atómov hélia (dva protóny + dva neutróny). Vyskytuje sa v dôsledku rozpadu alfa, ktorý je charakteristický pre rádioaktívne izotopy s vysokým atómovým číslom. Emisia a-častice vedie k vytvoreniu nového chemického prvku, v ktorom je jadrový náboj o dve jednotky menší a hmotnostné číslo o štyri jednotky menšie. 2)
Beta (b) žiarenie je prúd elektrónov alebo pozitrónov. Vzniká v dôsledku beta rozpadu atómového jadra. Ak je v jadre nadbytok neutrónov, jeden z nich sa rozpadne na protón, ktorý zostane v jadre, elektrón, ktorý sa vyžaruje vo forme beta žiarenia a antineutríno, ktoré nemá hmotnosť ani náboj. , ale odvádza časť energie z jadra. Antineutrína je veľmi ťažké odhaliť, pretože prakticky neinteragujú s hmotou. Pozitrón- antičastica elektrónu vzniká pri rozpade jadra s nadbytkom protónov. Tento typ rozpadu je oveľa menej bežný ako rozpad b. 3)
Gama (g) žiarenie je prúd fotónov alebo kvant elektromagnetického žiarenia. Ak je v jadre prebytok energie, napríklad po a- alebo b-rozpade, môže prechod jadra z excitovaného stavu do stabilného stavu nastať prostredníctvom gama-izomérneho prechodu, t.j. s emisiou gama lúčov. V tomto prípade zostáva atómové číslo prvku a hmotnostné číslo izotopu rovnaké, mení sa len energetický stav jadra. Spolu s pojmom „ionizujúce žiarenie“ sa používa aj pojem „žiarenie“. Tieto pojmy majú rovnaký význam a sú synonymá. Energia žiarenia uvoľnená počas rádioaktívneho rozpadu jadra atómu je neporovnateľne väčšia ako energia bežných chemických reakcií, ktoré sa vyskytujú prostredníctvom interakcií medzi orbitálnymi elektrónmi atómov. Jednotkou merania energie jadrovej zmeny je elektrónvolt (eV). 1 eV = 1,6 × 10-19 J. 11) Antioxidanty. Program na čistenie tela od rádionuklidov. Konkurenčné potravinárske výrobky, ktoré zabraňujú akumulácii 137 Cs a 90 Sr. Antioxidanty(antioxidanty, konzervanty) - inhibítory oxidácie, prírodné alebo syntetické látky, ktoré dokážu spomaliť oxidáciu. Najznámejšie antioxidanty sú kyselina askorbová (vitamín C), tokoferol (vitamín E), ß-karotén (provitamín A) a lykopén (v paradajkách). Patria sem aj polyfenoly: flavín a flavonoidy (často sa nachádzajú v zelenine), triesloviny (v kakau, káve, čaji), antokyány (v červených bobuliach). Takmer 90 % z 2 500 známych atómových jadier je nestabilných. Nestabilné jadro sa spontánne premieňa na iné jadrá, pričom emitujú častice. Táto vlastnosť jadier je tzv rádioaktivita
. Vo veľkých jadrách vzniká nestabilita v dôsledku konkurencie medzi priťahovaním nukleónov jadrovými silami a Coulombovým odpudzovaním protónov. Stabilné jadrá s číslom náboja Z> 83 a hmotnostné číslo A> 209 neexistuje. Ale atómové jadrá s výrazne nižšími číslami môžu byť aj rádioaktívne Z A A. Ak jadro obsahuje podstatne viac protónov ako neutrónov, potom je nestabilita spôsobená nadbytkom Coulombovej interakčnej energie. Jadrá, ktoré obsahujú nadbytok neutrónov, sa stávajú nestabilnými v dôsledku skutočnosti, že hmotnosť neutrónu prevyšuje hmotnosť protónu. Zvýšenie hmotnosti jadra vedie k zvýšeniu jeho energie. Fenomén rádioaktivity objavil v roku 1896 francúzsky fyzik A. Becquerel, ktorý zistil, že uránové soli vyžarujú neznáme žiarenie, ktoré môže preniknúť cez bariéry nepriepustné pre svetlo a spôsobiť sčernenie fotografickej emulzie. O dva roky neskôr francúzski fyzici M. a P. Curieovci objavili rádioaktivitu tória a objavili dva nové rádioaktívne prvky – polónium a rádium. V nasledujúcich rokoch mnoho fyzikov, vrátane E. Rutherforda a jeho študentov, študovalo podstatu rádioaktívneho žiarenia. Zistilo sa, že rádioaktívne jadrá môžu emitovať častice troch typov: kladne a záporne nabité a neutrálne. Tieto tri typy žiarenia sa nazývali α-, β- a γ-žiarenie. Na obr. Obrázok 6.7.1 ukazuje schému experimentu, ktorý umožňuje zistiť komplexné zloženie rádioaktívneho žiarenia. V magnetickom poli sú α- a β-lúče vychýlené v opačných smeroch a β-lúče sú vychýlené oveľa viac. γ-lúče v magnetickom poli nie sú vôbec vychyľované. Tieto tri typy rádioaktívneho žiarenia sa navzájom veľmi líšia svojou schopnosťou ionizovať atómy hmoty, a teda aj schopnosťou prenikať. Najmenej prenikavú schopnosť má α-žiarenie. Vo vzduchu za normálnych podmienok prechádzajú α-lúče vzdialenosť niekoľkých centimetrov. β-lúče sú oveľa menej absorbované hmotou. Sú schopné prejsť cez vrstvu hliníka hrubú niekoľko milimetrov. Najväčšiu penetračnú schopnosť majú γ-lúče, schopné prejsť cez vrstvu olova hrubú 5–10 cm. V druhej dekáde 20. storočia, po objave E. Rutherforda o jadrovej štruktúre atómov, bolo pevne stanovené, že rádioaktivita je vlastnosť atómových jadier. Výskum ukázal, že α-lúče predstavujú prúd α-častíc - jadier hélia, β-lúče sú prúd elektrónov, γ-lúče sú krátkovlnné elektromagnetické žiarenie s extrémne krátkou vlnovou dĺžkou λ< 10 –10 м и вследствие этого – ярко выраженными корпускулярными свойствами, т. е. является потоком частиц – γ-квантов. Alfa rozpad
. Alfa rozpad je spontánna premena atómového jadra s počtom protónov Z a neutróny N do iného (dcérskeho) jadra obsahujúceho počet protónov Z– 2 a neutróny N– 2. V tomto prípade je emitovaná α-častica - jadro atómu hélia. Príkladom takéhoto procesu je α-rozpad rádia: Alfa častice emitované jadrami atómov rádia použil Rutherford pri experimentoch s rozptylom jadier ťažkých prvkov. Rýchlosť α-častíc emitovaných počas α-rozpadu jadier rádia, meraná od zakrivenia trajektórie v magnetickom poli, je približne 1,5 10 7 m/s a zodpovedajúca kinetická energia je približne 7,5 10 –13 J ( približne 4,8 MeV). Túto hodnotu možno ľahko určiť zo známych hodnôt hmotnosti materského a dcérskeho jadra a jadra hélia. Rýchlosť unikajúcej α-častice je síce enormná, ale stále je to len 5% rýchlosti svetla, takže pri výpočte môžete použiť nerelativistický výraz pre kinetickú energiu. Výskum ukázal, že rádioaktívna látka môže emitovať častice alfa s niekoľkými diskrétnymi energiami. Vysvetľuje to skutočnosť, že jadrá môžu byť, podobne ako atómy, v rôznych excitovaných stavoch. Dcérske jadro môže skončiť v jednom z týchto excitovaných stavov počas rozpadu α. Pri následnom prechode tohto jadra do základného stavu je emitované γ-kvantum. Diagram α-rozpadu rádia s emisiou α-častíc s dvoma hodnotami kinetických energií je znázornený na obr. 6.7.2. α-rozpad jadier je teda v mnohých prípadoch sprevádzaný γ-žiarením. V teórii α-rozpadu sa predpokladá, že vo vnútri jadier môžu vzniknúť skupiny pozostávajúce z dvoch protónov a dvoch neutrónov, t.j. častica α. Materské jadro je pre častice α potenciálnu studňu
, ktorý je limitovaný potenciálnou bariérou. Energia častice α v jadre nie je dostatočná na prekonanie tejto bariéry (obr. 6.7.3). Odchod alfa častice z jadra je možný len vďaka kvantovo mechanickému javu tzv tunelový efekt
. Podľa kvantovej mechaniky existuje nenulová pravdepodobnosť prechodu častice pod potenciálna bariéra. Fenomén tunelovania má pravdepodobnostný charakter. Beta rozpad
. Počas beta rozpadu je z jadra vyvrhnutý elektrón. Elektróny nemôžu existovať vo vnútri jadier, vznikajú pri beta rozpade v dôsledku premeny neutrónu na protón. Tento proces sa môže vyskytnúť nielen vo vnútri jadra, ale aj s voľnými neutrónmi. Priemerná životnosť voľného neutrónu je asi 15 minút. Počas rozpadu sa neutrón mení na protón a elektrón Merania ukázali, že pri tomto procese dochádza k zjavnému porušeniu zákona zachovania energie, keďže celková energia protónu a elektrónu, ktorá je výsledkom rozpadu neutrónu, je menšia ako energia neutrónu. V roku 1931 Wolfgang Pauli navrhol, že keď sa neutrón rozpadne, uvoľní sa ďalšia častica s nulovou hmotnosťou a nábojom, ktorá odoberie časť energie. Nová častica je pomenovaná neutrína
(malý neutrón). Kvôli nedostatku náboja a hmotnosti neutrína interaguje táto častica s atómami hmoty veľmi slabo, takže je mimoriadne ťažké ju v experimente odhaliť. Ionizačná schopnosť neutrín je taká malá, že jedna ionizačná udalosť vo vzduchu nastane približne 500 km cesty. Táto častica bola objavená až v roku 1953. Dnes je známe, že existuje niekoľko typov neutrín. Pri rozpade neutrónu vzniká častica, ktorá je tzv elektrónové antineutríno
. Označuje sa symbolom Preto sa reakcia rozpadu neutrónov píše ako Podobný proces prebieha vo vnútri jadier počas β-rozpadu. Elektrón vytvorený v dôsledku rozpadu jedného z jadrových neutrónov je okamžite vymrštený z „rodičovského domu“ (jadra) obrovskou rýchlosťou, ktorá sa môže líšiť od rýchlosti svetla len o zlomok percenta. Keďže distribúcia energie uvoľnenej počas β-rozpadu medzi elektrónom, neutrínom a dcérskym jadrom je náhodná, β-elektróny môžu mať rôzne rýchlosti v širokom rozsahu hodnôt. V β rozpade číslo náboja Z sa zvýši o jednu a hmotnostné číslo A zostáva nezmenený. Dcérske jadro sa ukáže ako jadro jedného z izotopov prvku, ktorého poradové číslo v periodickej tabuľke je o jedno vyššie ako poradové číslo pôvodného jadra. Typickým príkladom β-rozpadu je premena izotónu tória, ktorý je výsledkom α-rozpadu uránu na paládium. Spolu s elektronickým β-rozpadom bol objavený aj takzvaný pozitrónový β + -rozpad, v ktorom pozitrón
a neutrína. Pozitron je časticové dvojča elektrónu, ktoré sa od neho líši iba znakom náboja. Existenciu pozitrónu predpovedal vynikajúci fyzik P. Dirac v roku 1928. O niekoľko rokov neskôr bol pozitrón objavený v kozmickom žiarení. Pozitróny vznikajú ako výsledok reakcie premeny protónu na neutrón podľa nasledujúcej schémy: Gama rozpad
. Na rozdiel od α- a β-rádioaktivity nie je γ-rádioaktivita jadier spojená so zmenou vnútornej štruktúry jadra a nie je sprevádzaná zmenou náboja alebo hmotnostného čísla. Počas α- aj β-rozpadu sa dcérske jadro môže ocitnúť v nejakom excitovanom stave a mať prebytok energie. Prechod jadra z excitovaného stavu do základného stavu je sprevádzaný emisiou jedného alebo viacerých γ kvánt, ktorých energia môže dosiahnuť niekoľko MeV. Zákon rádioaktívneho rozpadu
. Každá vzorka rádioaktívnej látky obsahuje obrovské množstvo rádioaktívnych atómov. Keďže rádioaktívny rozpad je náhodný a nezávisí od vonkajších podmienok, platí zákon klesajúceho množstva N (t) v tomto časovom bode nerozpadnutý t jadrá môžu slúžiť ako dôležitá štatistická charakteristika procesu rádioaktívneho rozpadu. Nechajte na krátky čas Δ t počet nerozpadnutých jadier N (t) zmenené na Δ N < 0. Так как вероятность распада каждого ядра неизменна во времени, что число распадов будет пропорционально количеству ядер N (t) a časové obdobie Δ t: Koeficient úmernosti λ je pravdepodobnosť rozpadu jadra v čase Δ t= 1 s. Tento vzorec znamená, že rýchlosť zmeny funkcie N (t) je priamo úmerná samotnej funkcii. Podobná závislosť vzniká pri mnohých fyzikálnych problémoch (napríklad pri vybíjaní kondenzátora cez odpor). Výsledkom riešenia tejto rovnice je exponenciálny zákon: Kde N 0 – počiatočný počet rádioaktívnych jadier pri t= 0. V priebehu času τ = 1 / λ sa počet nerozpadnutých jadier zníži o e≈ 2,7-krát. Množstvo τ sa nazýva priemerná doba života
rádioaktívne jadro. Pre praktické použitie je vhodné napísať zákon rádioaktívneho rozpadu v inej forme s použitím čísla 2 ako základu, a nie e: Rozsah T volal polovičný život
. Počas T Polovica pôvodného počtu rádioaktívnych jadier sa rozpadne. množstvá T a τ súvisia vzťahom Ryža. 6.7.4 ilustruje zákon rádioaktívneho rozpadu. Obrázok 6.7.4. Zákon rádioaktívneho rozpadu Polčas rozpadu je hlavná veličina charakterizujúca rýchlosť procesu. Čím kratší je polčas rozpadu, tým intenzívnejší je rozpad. Áno, pre urán T≈ 4,5 miliardy rokov a pre rádium T≈ 1600 rokov. Preto je aktivita rádia oveľa vyššia ako aktivita uránu. Existujú rádioaktívne prvky s polčasom zlomku sekundy. Počas α- a β-rádioaktívneho rozpadu sa môže stať nestabilné aj dcérske jadro. Preto je možný rad po sebe nasledujúcich rádioaktívnych rozpadov, ktoré končia tvorbou stabilných jadier. V prírode existuje niekoľko takýchto sérií. Najdlhšia je séria pozostávajúca zo 14 po sebe idúcich rozpadov (8 α-rozpadov a 6 β-rozpadov). Táto séria končí stabilným izotopom olova (obrázok 6.7.5). V prírode existuje niekoľko ďalších rádioaktívnych sérií podobných sérii. Známa je aj séria, ktorá začína neptúniom, ktoré sa v prírodných podmienkach nenachádza, a končí bizmutom. K tejto sérii rádioaktívnych rozpadov dochádza v jadrových reaktoroch. Zaujímavou aplikáciou rádioaktivity je metóda datovania archeologických a geologických nálezov koncentráciou rádioaktívnych izotopov. Najpoužívanejším spôsobom datovania je rádiokarbónové datovanie. V atmosfére sa v dôsledku jadrových reakcií spôsobených kozmickým žiarením objavuje nestabilný izotop uhlíka. Malé percento tohto izotopu sa nachádza vo vzduchu spolu s bežným stabilným izotopom. Rastliny a iné organizmy prijímajú uhlík zo vzduchu a akumulujú oba izotopy v rovnakých pomeroch ako vo vzduchu. Po odumretí rastliny prestanú spotrebovávať uhlík a nestabilný izotop sa v dôsledku β-rozpadu postupne mení na dusík s polčasom rozpadu 5730 rokov. Presným meraním relatívnej koncentrácie rádioaktívneho uhlíka v pozostatkoch dávnych organizmov možno určiť čas ich smrti. Rádioaktívne žiarenie všetkých typov (alfa, beta, gama, neutróny), ako aj elektromagnetické žiarenie (röntgenové žiarenie) má na živé organizmy veľmi silný biologický účinok, ktorý spočíva v procesoch excitácie a ionizácie atómov a molekúl, ktoré tvoria do živých buniek. Pod vplyvom ionizujúceho žiarenia dochádza k deštrukcii zložitých molekúl a bunkových štruktúr, čo vedie k radiačné poškodenie tela
. Preto pri práci s akýmkoľvek zdrojom žiarenia je potrebné prijať všetky opatrenia radiačnej ochrany osôb, ktoré môžu byť vystavené žiareniu. Človek však môže byť vystavený ionizujúcemu žiareniu aj doma. Inertný, bezfarebný rádioaktívny plyn radón môže predstavovať vážnu hrozbu pre ľudské zdravie. Ako je možné vidieť zo schémy znázornenej na obr. 6.7.5, radón je produktom α-rozpadu rádia a má polčas rozpadu T= 3,82 dňa. Rádium sa v malom množstve nachádza v pôde, kameňoch a rôznych stavebných štruktúrach. Napriek relatívne krátkej životnosti sa koncentrácia radónu v dôsledku nových rozpadov jadier rádia priebežne dopĺňa, takže radón sa môže hromadiť v uzavretých priestoroch. Keď sa radón dostane do pľúc, uvoľňuje alfa častice a mení sa na polónium, čo nie je chemicky inertná látka. Nasleduje reťazec rádioaktívnych premien uránového radu (obr. 6.7.5). Podľa Americkej komisie pre radiačnú bezpečnosť a kontrolu priemerný človek prijíma 55 % ionizujúceho žiarenia z radónu a len 11 % z lekárskych procedúr. Príspevok kozmického žiarenia je približne 8%. Celková dávka žiarenia, ktorú človek počas života dostane, je mnohonásobne menšia maximálna prípustná dávka
(SDA), ktorý je zriadený pre ľudí v určitých profesiách, ktorí sú vystavení dodatočnému vystaveniu ionizujúcemu žiareniu.
Ryža. 1. Uránový rad. 
Ryža. 2. Séria Thorium. 
Ryža. 3. Séria morských sasaniek.
