В.Б. Лукьянов - Радиоактивные индикаторы в химии, страница 2

Общее число нуклонов в ядреназывают массовым числом А.Протон имеет элементарный положительный заряд; нейтрон зарядом не обладает. Число протонов Z в ядре характеризует его заряд.Совокупность атомов, имеющих одинаковый заряд ядра, представляет собой химический элемент. Значение Z равно порядковому номеруэлемента в периодической системе Менделеева.Совокупность атомов, ядра которых имеют одинаковые значенияА и Z, называют нуклидом.

Для обозначения нуклидов используютсимволы соответствующих химических элементов, около символас левой стороны записывают: внизу •— заряд ядра, вверху — массовоечисло (^Х). Часто при обозначении нуклидов заряд ядра опускают (12С, 1 6 О и т. д.) Отметим, что атомная единица массы равна V12части массы атома нуклида 1 2 С.Различные нуклиды одного и того же элемента получили названиеизотопов. Заметим, что раньше термин «изотоп» употреблялся такжеи в том смысле, в каком теперь употребляется термин «нуклид». Следует говорить, например, «изотопы фосфора», но «нуклид 32Р».Протоны и нейтроны в ядрах удерживаются особыми — ядерными — силами. Ядерные силы притяжения проявляются на очень малых расстояниях(до 10~15 м) и не зависят от заряда нуклонов. В радиусе действия ядерных силони во много раз превышают гравитационные и электростатические силы.

Нарасстояниях более 1(Г15 м действие ядерных сил практически прекращается, иначинают сказываться электростатические силы отталкивания между одноименно заряженными протонами.Существуют определенные комбинации числа протонов и нейтронов в ядрах, обеспечивающие устойчивость ядер. Если все известныестабильные нуклиды изобразить в виде точек на графике в координатах число нейтронов N = A—Z — число протонов Z, то получится1rпротонно-нейтронная диаграмма, показанная на рис. 1. Из рисунка видно,110что: 1) у одного элемента может бытьнесколько стабильных изотопов; 2) ког100да общее число нуклонов в ядре неве90лико, устойчивыми являются ядра, со80держащие равные количества нейтронов.

J:и протонов; 3) у более тяжелых элемен70тов в ядрах стабильных изотопов содер60• У"»жится больше нейтронов, чем протонов,50и по мере увеличения Z относительноеl/количество нейтронов все более возрасJF-,40тает.Если соотношение числа нейтро30нов и протонов в ядре не соответствует20устойчивой конфигурации, ядро радиоактивно. Радиоактивными называют та10кие нуклиды, ядра которых претерпе10 20 JO 40 SO 60 70 80 Zвают самопроизвольные превращения.Обычноэти превращения сопровождаРис.

1. Протонно-нейтроннаяются ионизирующим излучением — исд иаграммаприродных изотоповпусканием частиц и (или) фотонов (квантов электромагнитного излучения).В настоящее время известно около 2000 радиоактивных нуклидов(радионуклидов). Различают естественные (существующие в природе)и искусственные радионуклиды. Большинство радионуклидов получено искусственным путем.

Естественными радионуклидами являютсявсе ядра элементов с Z > 84, а также некоторые изотопы более легкихэлементов (например, 4 0 К).ПО•7Заметим, что первые исследования радиоактивности проводились до того,как в науке появилось понятие изотопии (это понятие и возникло как раз наоснове изучения химических свойств различных продуктов распада естественныхрадиоактивных элементов). Поэтому первые радиоактивные изотопы получалисамостоятельные названия (например, ионий 1о — нуклид 2 3 0 Тп) или названия,производные от названия элемента, из которого образовался данный нуклид:уран-Z (UZ) — изотоп протактиния ( 2:J4 Pa); мезоторий-1 (MsTh,) — изотоп ра228227дия ( Ra); радиоактиний (RdAc) — изотоп актиния ( Ас) и др.

Символы, соответствующие этим исторически сложившимся названиям, приведены в таблицахрадиоактивных рядов, помещенных на форзаце книги.Различают следующие типы ядерных превращений: а-распад,р-превращения, изомерный переход, испускание нейтрона или протона,спонтанное (самопроизвольное) деление. у-Излучение, представляющеесобой коротковолновое (с длиной волны 1011—10~14 м) электромагнитное излучение, сопровождает многие из перечисленных типов превращений, а при изомерном переходе является единственным видом излучения.Самопроизвольные ядерные превращения связаны с высвобождением энергии. Испускание частицы или кванта с кинетической энергиейЕ сопровождается изменением массы покоя системы на величину Д/п,определяемую из соотношения Эйнштейна:Е = Атс2,(1.1)где с — скорость света в вакууме.

С помощью этого соотношения можно показать, что энергия, эквивалентная 1 а. е. м., составляет931 МэВ. Напомним, что 1 электрон-вольт, эВ, равен 1,60-10~19 Дж.Испускание каждой частицы и (или) у-кванта переводит ядро с энергетически более высокого уровня на новый, более низкий уровень, поэтому значения энергий частиц и квантов характеризуют структуруэнергетических уровней ядра. Разность между исходным и конечнымэнергетическими уровнями (за вычетом энергии, связанной с массойпокоя испущенной частицы) характеризует полную энергию распада.Вследствие закона сохранения полная энергия распада не зависит оттого, какими путями осуществляются переходы.2. а-РаспадПревращения с испусканием а-частиц характерны в основном дляядер атомов тяжелых элементов.

Исследования газа, накапливающегося в запаянных ампулах с а-радиоактивными веществами, позволили установить, что эти частицы представляют собой ядра атомов гелия<?Не. При испускании а-частицы образуется ядро с зарядом на 2 и массой на 4 единицы меньшими, чем у исходного радиоактивного ядра(так называемое правило сдвига для ос-распада):а-распад] { ZA~^ Z~24(1.2)Например, 2 ^Th _Д 2 2 |Ra.Чаще всего спектр а-частиц состоит из нескольких групп, каждаяиз которых включает а-частицы с какой-либо определенной энергией.Испускание 1дром различных по энергии а-частиц свидетельствует оналичии в нем нескольких дискретных энергетических уровней.

Ядра,испускающие а-частицы с различными значениями энергии, испускают также и у-кванты. Энергии этих ^-квантов равны разностям энергий а-частиц различных групп.Зная энергии всех а-частиц и у-квантов, испускаемых ядрамиданного радионуклида, можно построить схему его распада. На рис. 2приведена схема распада нуклида 292oTh> испускающего а-частицыс энергиями 5,137; 5,173; 5,208; 5,338 и 5,421 МэВ и у-кванты с энергиями 0,213; 0,201; 0,165; 0,130 и 0,083 МэВ. На этом рисунке, какпринято, горизонтальными линиями обозначены энергетическиеуровни исходного и дочернего ядра и промежуточных состояний.Стрелки указывают на характер ядерного превращения: двойные,стрелки, идущие вниз влево, обозначают испускание а-частиц, а вертикальные — испускание у-квантов.

Числа около стрелок указываютэнергию (в МэВ) данного перехода, а числа в скобках — процент частиц или у-квантов, обладающих этой энергией. В рассматриваемомслучае полная энергия распада Е, определяемая по формуле (1.1) сучетом разности масс покоя Am 22gTh, 2g§Ra и ^ e »равна5,421 МэВ, т. е. наиболее высокой энергии а-частиц из представленныхв спектре 2 2 8 Th. При испускании а-частиц с энергией 5,137 МэВ из-901П-5,137(0,039%)-5,173(0,2%)-5,208(0,*%)^5,338(28%)* 5,42? (7!%)Рис. 2. СхемараспадаРис. 3. Схема2зоТЬраспадабыточная энергия 0,284 МэВ распределяется между двумя у-квантами с энергиями 0,201 и 0,083 МэВ; для а-частиц с энергией5,173 МэВ избыточная энергия 0,248 МэВ распределяется междудвумя ^-квантами с энергиями 0,165 и 0,083 МэВ и т.

д.Пример 1. Построим схему распада радионуклида ^ T h по следующимданным: энергия а-частиц составляет 4,46; 4,48; 4,61 и 4,68 МэВ, энергия7-квантов — 0,07; 0,13; 0,20 и 0,22 МэВ. Полная энергия распада 4,68 МэВ.От энергетического уровня исходного ядра ^ Th (рис.

3) проводим четыре стрелки, каждая из которых обозначает испускание а-частиц определеннойэнергии. Вычисляя разности между значениями энергий отдельных групп а-частиц и сравнивая эти разности с энергиями у-квантов, находим, каким переходамсоответствует испускание у-квантов каждой энергии:4,48 — 4,46 = 0,02 МэВ 1\ соответствующих7-квантов нетJ4,61 —4,46 = 0,15 МэВ J'4,61 —4,48 = 0,13 МэВ4,68 — 4,46 = 0,22 МэВ4,68 — 4,48 = 0,20 МэВэнергии соответствуют энергиям f K B a H T 0 B »мых при распаде 2 3 0 Thиспускае-4,68 — 4,61 = 0,07 МэВНайденные переходы между соответствующими уровнями отмечаем на схеме стрелками, идущими вертикально вниз.Для того чтобы определить, какому нуклиду соответствует дочернее ядро,используем правило сдвига при ос-распаде [соотношение (1.2)].