Ալֆա և բետա ճառագայթումը սովորաբար կոչվում է ռադիոակտիվ քայքայում: Սա մի գործընթաց է, որը միջուկից ենթաատոմային մասնիկների արտանետումն է, որը տեղի է ունենում հսկայական արագությամբ: Արդյունքում ատոմը կամ նրա իզոտոպը կարող է փոխվել մի քիմիական տարրից մյուսը։ Անկայուն տարրերին բնորոշ են միջուկների ալֆա և բետա քայքայումները։ Դրանք ներառում են 83-ից մեծ լիցքի և 209-ից ավելի զանգվածային թվով բոլոր ատոմները։
Արձագանքման պայմաններ
Քայքայումը, ինչպես մյուս ռադիոակտիվ փոխակերպումները, բնական և արհեստական է: Վերջինս առաջանում է միջուկ ինչ-որ օտար մասնիկի ներթափանցման պատճառով։ Որքան ալֆա և բետա քայքայման կարող է ենթարկվել ատոմը, կախված է միայն նրանից, թե որքան շուտ կհասնի կայուն վիճակի:
Բնական պայմաններում տեղի են ունենում ալֆա և բետա մինուս քայքայումներ։
Արհեստական պայմաններում առկա են նեյտրոններ, պոզիտրոններ, պրոտոններ և միջուկների քայքայման և փոխակերպումների ավելի հազվադեպ տեսակներ:
Այս անունները տվել է Էռնեստ Ռադերֆորդը, ով ուսումնասիրել է ռադիոակտիվ ճառագայթումը:
Կայունի և անկայունի տարբերությունըմիջուկ
Քայքայվելու ունակությունն ուղղակիորեն կախված է ատոմի վիճակից: Այսպես կոչված «կայուն» կամ ոչ ռադիոակտիվ միջուկը բնորոշ է չքայքայվող ատոմներին։ Տեսականորեն նման տարրերը կարելի է անվերջ դիտարկել, որպեսզի վերջնականապես համոզվենք դրանց կայունության մեջ։ Դա անհրաժեշտ է նման միջուկները անկայուն միջուկներից առանձնացնելու համար, որոնք ունեն ծայրահեղ երկար կիսամյակ:
Սխալմամբ նման «դանդաղ» ատոմը կարելի է շփոթել կայունի հետ: Այնուամենայնիվ, տելուրիումը, և ավելի կոնկրետ՝ նրա 128 իզոտոպը, որն ունի 2,2·1024 տարի, կարող է վառ օրինակ լինել: Այս դեպքը մեկուսացված չէ. Լանթան-138-ն ունի 1011 տարի: Այս շրջանը երեսուն անգամ մեծ է գոյություն ունեցող տիեզերքի տարիքից:
Ռադիոակտիվ քայքայման էությունը
Այս գործընթացը պատահական է: Յուրաքանչյուր քայքայվող ռադիոնուկլիդ ստանում է արագություն, որը հաստատուն է յուրաքանչյուր դեպքի համար: Արտաքին գործոնների ազդեցության տակ քայքայման արագությունը չի կարող փոխվել: Կարևոր չէ, թե ռեակցիան տեղի կունենա հսկայական գրավիտացիոն ուժի ազդեցությամբ՝ բացարձակ զրոյի դեպքում, էլեկտրական և մագնիսական դաշտում, որևէ քիմիական ռեակցիայի ժամանակ և այլն։ Գործընթացի վրա կարող է ազդել միայն ատոմային միջուկի ինտերիերի անմիջական ազդեցությունը, ինչը գործնականում անհնար է: Ռեակցիան ինքնաբուխ է և կախված է միայն այն ատոմից, որտեղ այն ընթանում է և նրա ներքին վիճակից:
Երբ վերաբերում է ռադիոակտիվ քայքայմանը, հաճախ օգտագործվում է «ռադիոնուկլիդ» տերմինը: Նրանց համար, ովքեր չենծանոթ լինելով դրան, դուք պետք է իմանաք, որ այս բառը նշանակում է ատոմների խումբ, որոնք ունեն ռադիոակտիվ հատկություններ, իրենց սեփական զանգվածային թիվը, ատոմային թիվը և էներգիայի կարգավիճակը:
Տարբեր ռադիոնուկլիդներ օգտագործվում են մարդու կյանքի տեխնիկական, գիտական և այլ ոլորտներում: Օրինակ, բժշկության մեջ այդ տարրերն օգտագործվում են հիվանդությունների ախտորոշման, դեղերի, գործիքների և այլ իրերի մշակման ժամանակ։ Գոյություն ունեն նույնիսկ մի շարք թերապևտիկ և կանխագուշակող ռադիո դեղամիջոցներ:
Ոչ պակաս կարևոր է իզոտոպի սահմանումը։ Այս բառը վերաբերում է հատուկ տեսակի ատոմներին: Նրանք ունեն նույն ատոմային թիվը, ինչ սովորական տարրը, բայց տարբեր զանգվածային թիվ: Այս տարբերությունը պայմանավորված է նեյտրոնների քանակով, որոնք չեն ազդում լիցքի վրա, ինչպես պրոտոններն ու էլեկտրոնները, այլ փոխում են դրանց զանգվածը։ Օրինակ, պարզ ջրածինը պարունակում է դրանցից 3-ը: Սա միակ տարրն է, որի իզոտոպներին տրվել են անուններ՝ դեյտերիում, տրիտիում (միակ ռադիոակտիվը) և պրոտիում: Մյուս դեպքերում անվանումները տրվում են ըստ ատոմային զանգվածների և հիմնական տարրի։
Ալֆայի քայքայում
Սա ռադիոակտիվ ռեակցիայի տեսակ է: Բնորոշ է քիմիական տարրերի պարբերական համակարգի վեցերորդ և յոթերորդ շրջանների բնական տարրերին։ Հատկապես արհեստական կամ տրանսուրանի տարրերի համար։
Ալֆա քայքայման ենթակա տարրեր
Մետաղների թիվը, որոնք բնութագրվում են այս քայքայմամբ, ներառում են թորիումը, ուրանը և քիմիական տարրերի պարբերական աղյուսակի վեցերորդ և յոթերորդ ժամանակաշրջանների այլ տարրեր՝ հաշվելով բիսմութից: Գործընթացը նույնպես ենթարկվում է ծանր իզոտոպներիտարրեր։
Ի՞նչ է տեղի ունենում ռեակցիայի ժամանակ:
Երբ սկսվում է ալֆայի քայքայումը, 2 պրոտոնից և մի զույգ նեյտրոնից բաղկացած մասնիկների միջուկից արտանետումը: Արտանետվող մասնիկը ինքնին հելիումի ատոմի միջուկ է՝ 4 միավոր զանգվածով և +2 լիցքով։
Արդյունքում հայտնվում է նոր տարր, որը գտնվում է պարբերական աղյուսակի բնագրից ձախ երկու բջիջ։ Այս դասավորվածությունը որոշվում է նրանով, որ սկզբնական ատոմը կորցրել է 2 պրոտոն և դրա հետ մեկտեղ՝ սկզբնական լիցքը։ Արդյունքում ստացված իզոտոպի զանգվածը սկզբնական վիճակի համեմատ կրճատվում է 4 զանգվածային միավորով։
Օրինակներ
Այս քայքայման ընթացքում ուրանից առաջանում է թորիում։ Թորիումից առաջանում է ռադիումը, նրանից՝ ռադոնը, որն ի վերջո տալիս է պոլոնիում, իսկ վերջում՝ կապար։ Այս գործընթացում ձևավորվում են այդ տարրերի իզոտոպները, և ոչ թե իրենք: Այսպիսով, ստացվում է ուրան-238, թորիում-234, ռադիում-230, ռադոն-236 և այլն, ընդհուպ մինչև կայուն տարրի ի հայտ գալը։ Նման ռեակցիայի բանաձևը հետևյալն է.
Th-234 -> Ra-230 -> Rn-226 -> Po-222 -> Pb-218
Ընտրված ալֆա մասնիկի արագությունը արտանետման պահին 12-ից 20 հազար կմ/վրկ է։ Գտնվելով վակուումում՝ նման մասնիկը 2 վայրկյանում կշրջի երկրագունդը՝ շարժվելով հասարակածի երկայնքով։
Բետա քայքայում
Այս մասնիկի և էլեկտրոնի տարբերությունը արտաքին տեսքի տեղում է։ Բետա քայքայումը տեղի է ունենում ատոմի միջուկում, ոչ թե այն շրջապատող էլեկտրոնային թաղանթում: Բոլոր գոյություն ունեցող ռադիոակտիվ փոխակերպումներից ամենատարածվածը: Այն կարելի է դիտարկել ներկայումս գոյություն ունեցող գրեթե բոլորումքիմիական տարրեր. Այստեղից հետևում է, որ յուրաքանչյուր տարր ունի քայքայման ենթակա առնվազն մեկ իզոտոպ։ Շատ դեպքերում բետա քայքայումը հանգեցնում է բետա-մինուս քայքայման:
Ռեակցիայի հոսք
Այս գործընթացում միջուկից էլեկտրոն է արտանետվում, որն առաջացել է նեյտրոնի ինքնաբուխ փոխակերպման հետևանքով էլեկտրոնի և պրոտոնի։ Այս դեպքում ավելի մեծ զանգվածի պատճառով պրոտոնները մնում են միջուկում, իսկ էլեկտրոնը, որը կոչվում է բետա մինուս մասնիկ, հեռանում է ատոմից։ Եվ քանի որ մեկ միավորի մեջ ավելի շատ պրոտոններ կան, տարրի միջուկն ինքնին փոխվում է դեպի վեր և գտնվում է պարբերական աղյուսակի բնօրինակից աջ:
Օրինակներ
Բետայի քայքայումը կալիում-40-ով այն վերածում է կալցիումի իզոտոպի, որը գտնվում է աջ կողմում։ Ռադիոակտիվ կալցիում-47-ը դառնում է սկանդիում-47, որը կարող է վերածվել կայուն տիտանի-47-ի: Ի՞նչ տեսք ունի այս բետա քայքայումը: Բանաձև՝
Ca-47 -> Sc-47 -> Ti-47
Բետա մասնիկի արագությունը 0,9 անգամ գերազանցում է լույսի արագությունը, ինչը 270000 կմ/վրկ է։
Բնության մեջ շատ բետա-ակտիվ նուկլիդներ չկան: Նշանակալիցները շատ քիչ են։ Օրինակ՝ կալիում-40-ը, որը բնական խառնուրդում կազմում է ընդամենը 119/10000: Բացի այդ, զգալի բնական բետա-մինուս ակտիվ ռադիոնուկլիդներից են ուրանի և թորիումի ալֆա և բետա քայքայման արտադրանքները:
Բետա քայքայումը ունի տիպիկ օրինակ՝ թորիում-234, որը ալֆա քայքայման ժամանակ վերածվում է պրոտակտինիում-234-ի, այնուհետև նույն կերպ դառնում է ուրան, բայց նրա մյուս իզոտոպը՝ 234: Այս ուրան-234-ը կրկին ալֆայի պատճառով է: քայքայումը դառնում էթորիում, բայց արդեն դրա այլ բազմազանություն: Այս թորիում-230-ն այնուհետև դառնում է ռադիում-226, որը վերածվում է ռադոնի: Եվ նույն հաջորդականությամբ, մինչև թալիում, միայն տարբեր բետա անցումներով հետ: Այս ռադիոակտիվ բետա քայքայումն ավարտվում է կայուն կապար-206-ի ձևավորմամբ: Այս փոխակերպումն ունի հետևյալ բանաձևը՝
Th-234 -> Pa-234 -> U-234 -> Th-230 -> Ra-226 -> Rn-222 -> Բի-214 -234 -234-> Pb-206
Բնական և նշանակալի բետա-ակտիվ ռադիոնուկլիդները K-40-ն են և տարրերը թալիումից մինչև ուրան:
Բետա-պլյուս քայքայում
Կա նաև բետա պլյուս փոխակերպում: Այն նաև կոչվում է պոզիտրոն բետա քայքայում: Այն միջուկից արձակում է մի մասնիկ, որը կոչվում է պոզիտրոն։ Արդյունքը սկզբնական տարրի վերափոխումն է ձախ կողմում գտնվող տարրի, որն ավելի ցածր թիվ ունի։
Օրինակ
Երբ տեղի է ունենում էլեկտրոնի բետա քայքայումը, մագնեզիում-23-ը դառնում է նատրիումի կայուն իզոտոպ: Ռադիոակտիվ եվրոպիում-150-ը դառնում է սամարիում-150:
Արդյունքում բետա քայքայման ռեակցիան կարող է առաջացնել բետա+ և բետա- արտանետումներ: Մասնիկների փախուստի արագությունը երկու դեպքում էլ 0,9 անգամ գերազանցում է լույսի արագությունը։
Այլ ռադիոակտիվ քայքայում
Բացի այնպիսի ռեակցիաներից, ինչպիսիք են ալֆա քայքայումը և բետա քայքայումը, որոնց բանաձևը լայնորեն հայտնի է, կան նաև այլ գործընթացներ, որոնք ավելի հազվադեպ են և բնորոշ են արհեստական ռադիոնուկլիդներին:
Նեյտրոնային քայքայում. Արտանետվում է 1 միավորի չեզոք մասնիկզանգվածները. Դրա ընթացքում մի իզոտոպը վերածվում է ավելի փոքր զանգվածային թվով մյուսի։ Օրինակ կարող է լինել լիթիում-9-ի փոխարկումը լիթիում-8-ի, հելիում-5-ի՝ հելիում-4-ի:
Երբ յոդի-127-ի կայուն իզոտոպը ճառագայթվում է գամմա ճառագայթներով, այն դառնում է թիվ 126 իզոտոպ և ստանում ռադիոակտիվություն։
Պրոտոնների քայքայում. Դա չափազանց հազվադեպ է: Դրա ընթացքում արտանետվում է պրոտոն՝ ունենալով +1 և 1 միավոր զանգվածի լիցք։ Ատոմային զանգվածը նվազում է մեկ արժեքով։
Ցանկացած ռադիոակտիվ փոխակերպում, մասնավորապես՝ ռադիոակտիվ քայքայումը, ուղեկցվում է էներգիայի արտազատմամբ՝ գամմա ճառագայթման տեսքով։ Նրանք դա անվանում են գամմա ճառագայթներ: Որոշ դեպքերում նկատվում են ավելի ցածր էներգիայի ռենտգենյան ճառագայթներ:
Գամմայի քայքայում. Դա գամմա քվանտների հոսք է։ Դա էլեկտրամագնիսական ճառագայթում է, ավելի կոշտ, քան ռենտգենը, որն օգտագործվում է բժշկության մեջ։ Արդյունքում առաջանում են գամմա քվանտաներ, կամ էներգիան հոսում է ատոմային միջուկից։ Ռենտգենյան ճառագայթները նույնպես էլեկտրամագնիսական են, բայց առաջանում են ատոմի էլեկտրոնային թաղանթներից։
Ալֆա մասնիկներ վազում
4 ատոմային միավոր զանգվածով և +2 լիցք ունեցող ալֆա մասնիկները շարժվում են ուղիղ գծով։ Դրա պատճառով մենք կարող ենք խոսել ալֆա մասնիկների տիրույթի մասին։
Վազքի արժեքը կախված է սկզբնական էներգիայից և օդում տատանվում է 3-ից 7 (երբեմն 13) սմ: Խիտ միջավայրում այն միլիմետրի հարյուրերորդն է: Նման ճառագայթումը չի կարող թափանցել թերթթուղթ և մարդու մաշկ.
Իր սեփական զանգվածի և լիցքի թվի պատճառով ալֆա մասնիկն ունի ամենաբարձր իոնացնող ուժը և ոչնչացնում է ամեն ինչ իր ճանապարհին: Այս առումով ալֆա ռադիոնուկլիդներն ամենավտանգավորն են մարդկանց և կենդանիների համար, երբ ենթարկվում են մարմնին։
Բետա մասնիկների ներթափանցում
Փոքր զանգվածային թվի, որը 1836 անգամ փոքր է պրոտոնից, բացասական լիցքից և չափից, բետա ճառագայթումը թույլ է ազդում այն նյութի վրա, որով թռչում է, բայց ավելին, թռիչքն ավելի երկար է։ Նաև մասնիկի ուղին ուղիղ չէ։ Այս առումով խոսում են ներթափանցող ունակության մասին, որը կախված է ստացված էներգիայից։
Ռադիոակտիվ քայքայման ժամանակ առաջացած բետա մասնիկների ներթափանցման ուժը օդում հասնում է 2,3 մ-ի, հեղուկներում այն հաշվվում է սանտիմետրերով, իսկ պինդ մարմիններում՝ սանտիմետրի կոտորակներով։ Մարդու մարմնի հյուսվածքները ճառագայթում են փոխանցում 1,2 սմ խորությամբ։ Բետա ճառագայթումից պաշտպանվելու համար կարող է ծառայել մինչև 10 սմ բարձրությամբ ջրի պարզ շերտը, 10 ՄէՎ բավականաչափ բարձր քայքայման էներգիայով մասնիկների հոսքը գրեթե ամբողջությամբ կլանվում է նման շերտերով. օդը՝ 4 մ; ալյումին - 2,2 սմ; երկաթ - 7,55 մմ; կապար - 5, 2 մմ։
Հաշվի առնելով իրենց փոքր չափերը՝ բետա ճառագայթման մասնիկները ունեն ցածր իոնացնող հզորություն՝ համեմատած ալֆա մասնիկների հետ: Այնուամենայնիվ, երբ ընդունվում են, դրանք շատ ավելի վտանգավոր են, քան արտաքին ազդեցության ժամանակ:
Նեյտրոնը և գամման ներկայումս ունեն ամենաբարձր ներթափանցման արդյունավետությունը բոլոր տեսակի ճառագայթների մեջ: Այդ ճառագայթների տիրույթն օդում երբեմն հասնում է տասնյակների և հարյուրներիմետր, բայց ավելի ցածր իոնացնող գործունակությամբ:
Գամմա ճառագայթների իզոտոպների մեծ մասը էներգիայով չի գերազանցում 1,3 ՄէՎ-ը: Հազվադեպ են հասնում 6,7 ՄէՎ արժեքներ: Այս առումով նման ճառագայթումից պաշտպանվելու համար օգտագործվում են պողպատի, բետոնի և կապարի շերտերը թուլացման գործակցի համար:
Օրինակ՝ կոբալտի գամմա ճառագայթումը տասնապատիկ թուլացնելու համար կապարի պաշտպանություն է անհրաժեշտ մոտ 5 սմ հաստությամբ, 100 անգամ թուլացման համար՝ 9,5 սմ, բետոնի պաշտպանությունը կլինի 33 և 55 սմ, իսկ ջուրը՝ 70: և 115 սմ.
Նեյտրոնների իոնացնող գործունակությունը կախված է դրանց էներգիայի արդյունավետությունից:
Ցանկացած իրավիճակում ճառագայթումից պաշտպանվելու լավագույն միջոցը աղբյուրից հնարավորինս հեռու մնալն է և որքան հնարավոր է քիչ ժամանակ անցկացնել բարձր ճառագայթման տարածքում:
Ատոմային միջուկների տրոհում
Ատոմների միջուկների տրոհման տակ նշանակում է ինքնաբուխ կամ նեյտրոնների ազդեցության տակ միջուկի բաժանումը երկու մասի, մոտավորապես հավասար չափերով:
Այս երկու մասերը դառնում են քիմիական տարրերի աղյուսակի հիմնական մասի տարրերի ռադիոակտիվ իզոտոպներ։ Սկսած պղնձից մինչև լանթանիդներ։
Արտազերծման ընթացքում մի քանի լրացուցիչ նեյտրոններ են փախչում, և կա էներգիայի ավելցուկ գամմա քվանտաների տեսքով, որը շատ ավելի մեծ է, քան ռադիոակտիվ քայքայման ժամանակ: Այսպիսով, ռադիոակտիվ քայքայման մեկ գործողության ժամանակ առաջանում է մեկ գամմա քվանտա, իսկ տրոհման ժամանակ՝ 8,10 գամմա քվանտա։ Նաև ցրված բեկորներն ունեն մեծ կինետիկ էներգիա, որը վերածվում է ջերմային ցուցիչների։
Արձակված նեյտրոնները կարող են հրահրել զույգ նմանատիպ միջուկների բաժանումը, եթե դրանք գտնվում են մոտակայքում, և նեյտրոնները հարվածում են դրանց:
Սա բարձրացնում է ատոմային միջուկների ճյուղավորվող, արագացող շղթայական ռեակցիայի և մեծ քանակությամբ էներգիա ստեղծելու հնարավորությունը։
Երբ նման շղթայական ռեակցիան վերահսկվում է, այն կարող է օգտագործվել որոշակի նպատակների համար: Օրինակ, ջեռուցման կամ էլեկտրաէներգիայի համար: Նման գործընթացներն իրականացվում են ատոմակայաններում և ռեակտորներում։
Եթե դուք կորցնեք ռեակցիայի վերահսկողությունը, ապա տեղի կունենա ատոմային պայթյուն: Նմանատիպը օգտագործվում է միջուկային զենքի մեջ։
Բնական պայմաններում կա միայն մեկ տարր՝ ուրան, որն ունի միայն մեկ տրոհվող իզոտոպ՝ 235 թվով։ Այն զենքի աստիճանի է։
Սովորական ուրանի ատոմային ռեակտորում ուրան-238-ից նեյտրոնների ազդեցությամբ նրանք կազմում են 239 համարի նոր իզոտոպ, իսկ դրանից՝ պլուտոնիում, որն արհեստական է և բնական ճանապարհով չի առաջանում։ Այս դեպքում ստացված պլուտոնիում-239-ն օգտագործվում է զենքի նպատակներով։ Ատոմային միջուկների տրոհման այս գործընթացը բոլոր ատոմային զենքի և էներգիայի էությունն է։
Այնպիսի երևույթներ, ինչպիսիք են ալֆա քայքայումը և բետա քայքայումը, որոնց բանաձևը ուսումնասիրվում է դպրոցում, լայն տարածում ունեն մեր ժամանակներում։ Այս ռեակցիաների շնորհիվ կան ատոմակայաններ և բազմաթիվ այլ արդյունաբերություններ, որոնք հիմնված են միջուկային ֆիզիկայի վրա։ Այնուամենայնիվ, մի մոռացեք այս տարրերից շատերի ռադիոակտիվության մասին: Նրանց հետ աշխատելիս անհրաժեշտ է հատուկ պաշտպանություն և պահպանում բոլոր նախազգուշական միջոցները: Հակառակ դեպքում դա կարող է հանգեցնելանուղղելի աղետ.
