УПРАЖНЕНИЕ 20.5
Составьте полное уравнение ядерной реак - бомбардирующую частицу, а альфа-часгица
ции для процесса, сокращенно обозначаемого является одним из продуктов реакции. Следова-
как f, Al(n. у.) f{Na. тельно, уравнение ядерной реакции должно
иметь вид
Решение. Латинской буквой п обозначаю!
пси iрои. а |реческой буквой i - альфа-час 1ицу. fjAI + о11 ~" ;Не + ^t^:i
НсЙ1рон прелегавляе] собой в данном случае
'Заряженные бомбардирующие частицы, как, например, альфа-частицы, должны иметь очень большую скорость, чтобы преодолен, электростатическое отталкивание между ними и ядром-мишенью. Чем больше заряд бомбардирующей частицы или ядра-мишени, тем большей скоростью должна обладать бомбардирующая частица, чтобы вызвать ядерную реакцию. В связи с этим разработано много методов ускорения заряженных частиц с использованием сильных магнитных и электростатических полей. Такие методы осуществляются с помощью ускорителей элементарных части, носящих название циклотрон и синхротрон. Принципиальная схема действия циклотрона показана на рис. 20.4. Частицы, предназначенные для бомбардировки исследуемых ядер, вводят в вакуумную камеру цикленрона. Затем их ускоряю;, прикладывая попеременно положительный и отрицательный потенциалы к полым D-образпым электродам. Магниты, расположенные выше и ниже лих электродов, заставляюi частицы двшаться по спиральным траекториям до тех нор, пока они в конце концов не выходят из циклотрона и не ударяются о вещество, шрцющее роль мишени. Уекори-1сли элементарных частиц нашли применение главным образом для выяснения ядерной с i рук туры и синтеза новых тяжелых элементов.
Большинство искусственных изотопов, широко применяемых в медицине и в научных исследованиях, получено при использовании нейтронов в качестве бомбардирующих частиц. Поскольку нейгроны электрически нейтральны, они не oi шлкиваюгея
ядрами, и. следовательно, их не надо ускорять (разумеется, их и нельзя ускорить), как-заряженные частицы, чтобы вызвать ядерные реакции. Необходимые для бомбардировки ядер нейтроны получают в результате реакций, протекающих в ядерных реакторах (см. разд. 20.8). Кобальт-60, используемый в лучевой терапии рака, получают в результате нейтронного захвата. Для "этого железо-58 помещают в ядерный реактор, где его бомбардируют нейтронами и осуществляется такая последовательность реакций:
Ц¥с + 'п -> ^Fe (20.11)
|^Fe -> 11Х:о + _«е (20.12)
^Со + о" -> iiCo (20.13)
ТРАНСУРАНОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
Для получения элементов с атомными номерами от 93 до 105 были использованы искусственные ядерные превращения. Они получили название трансурановых элементов, поскольку расположены в периодической таблице сразу же за ураном. Элементы 93 (нептуний) и 94 (плутоний) были впервые получены в 1940 г. Сначала их получили путем бомбардировки урана-238 нейтронами в результате следующих реакций:
4*2U 4- Jn - Цч2и - 3^Np + _?e (20.14)
2^Np - 2^Pu + _?e (20.15)
Элементы с еше большими атомными номерами обычно получают в небольших количествах в ускорителях элементарных частиц. Например, кюрий-242 образуется при бомбардировке мишени из плутония-239 ускоренными альфа-частицами:
2^Ри + 2Не -> 2tlCm + In (20.16)
20.4. Период полураспада
После прочтения предыдущих разделов у вас могло возникнуть несколько вопросов. Например, чем объяснить, что некоторые радиоизотопы, подобно урану-238, обнаруживаются в природе, тогда как другие не встречаются в естественном состоянии и их приходится синтезировать? Ответ на этот вопрос основан на том обстоятельстве, чго разные ядра распадаются с различными скоростями. Уран-238 распадается очень медленно. toi;ui как многие другие ядра, как, например, сера-35, претерпевают быстрый распад. Чтобы лучше понять явление радиоактивности, .важно разобраться в скоростях радиоактивного распада.
Радиоактивный распад является процессом с кинетикой первого порядка. Как показано в разд. 13.3. кинешческие процессы первого порядка обладают характерными периодами полураспада. Период полураспада представляет собой время, необходимое для тою. чтобы прореагировала половина любого заданного количества вещества. О скорости распада ядер обычно судят по их периодам полураспада.
Каждый изотоп имеет характерный для него период полураспада. Например, период полураспада етронпия-90 составляет 29 лет. Если взять 10,0 г стронция-90, то через 29 лет останется только 5,0 г этого изотопа. Остальная половина стронция-90 за по нремя превратится в иттрий-90 в результате реакции
jgSr - SiJY + °,е (20.17)
За следующие 29 лег произойдет аналогичный распад еще половины оставшихся 5.0 i сфонция-90, Уменьшение количества стронция-90 с течением времени показано трафи-чески на рис. 20.5.
У различных радиоактивных изотопов наблюдаются самые разнообразные периоды полураспада - от миллионных долей секунды до миллиардов лет. В табл. 20.2 указаны периоды полураспада некоторых важнейших радиоизотопов. Период полураспада любых ядер отличается тем, что он не зависит от внешних условий, например [емпературы, давления или химическою состояния атома. Поэтому в отличие от химических отравляющих веществ радиоактивные вещества нельзя обезопасить ни какой-либо химической реакцией, ни физической обработкой. Все, что в наших силах сделать на современном уровне знаний, тто просто позволить ядрам терять их радиоактивность с присущей им скоростью распада. Разумеемся, нужно принять все необходимые меры, чтобы изолировать радиоизотопы, поскольку они испускаю) разрушительное излучение (см. раад, 20.7).
ГЛБЛИЦА 20.2. Важнейшие радиоактивные изотопы, их период полураспада и тип радиоактивности
Изотоп Период Тип расшии
no. ijpacna.'ui. i.
1-еiговенные радиоиютош. г
~^U 4,5. 10" Альфа
Щи 7,1-10* Альфа
a^Th i,4. 1010 Альфа
?2К 1,3-10" Альфа
ЧС 5700 Бета
Искусе i венные радиоизотопы
2^Pu 24 000 Альфа
i:;lC\ 30 Бета
j'gSr 28,8 Бета
Ч\1 0.022 Бета
1
УПРАЖНЕНИЕ 20.6
Период полураспада кобальта-60 равен 5,3 i. Решение. Период 1 5,9 г. вгрое больше перио-
Какое количество образца кобальта-60 массой ла полураспада кобалыа-60. В конце первою 1.000 мг останется пи прошествии 15.9 лет? периода полураспада останется 0,500 mi, в конце второго периода полураспада 0.250 мг и в конце третьего периода полураспада 0.125 mi кобальча-60.
ДАТИРОВКА СОБЫТИЙ ПРИ ПОМОЩИ РАДИОАКТИВНЫХ ИЗОТОПОВ
Абсолютное постоянство периода полураспада любого радиоизотопа позволяет использовать его как «молекулярные часы», в частности, для определения возраста самых разнообразных объектов. Например, с помощью радиоизотопа углерод-14 устанавливают возраст веществ органического происхождения (см. рис. 20.6). Этот метод основан на том. что в верхних слоях атмосферы в результате захвата нейтронов азотом постоянно образуется углерод-14:
'}N + Jn -+ 1%С + }Н / (20.18)
Эта реакция является слабым, но довольно постоянным источником углерода-14. Ра-лиоак гивный изотоп углерод-14 претерпевает бета-распад с периодом полураспада 5700 лет:
'£С -> '*N + _°,е (20.19)
При проведении метода датировки с помощью радиоуглерода обычно предполагаю!, что отношение углерода-14 к углероду-12 в атмосфере сохранялось постоянным на протяжении последних 50000 лет. Углерод-14 включается в диоксид утлерода и затем в результате фотосинтеза попадает вместе с ним в более сложные утлеродсодер-жашие молекулы, входящие в состав растений. Животные поедают растения и таким
образом в них тоже попадает углерод-14. Поскольку в живое растение или оришизм живо[цого постоянно вводятся соединения углерода, в нем поддерживаемся такое же си ношение у1.терода-14 к углероду-12. как и в атмосфере. Однако после смерти opia-низм уже не получаем соединений углерода, которые бы поддерживали постоянный уровень содержания углерода-14, падающий в результате радиоактивною распада. Отношение у! лерода-14 к углероду-12 в отмершем организме постепенно уменьшайся. (:сли тто отношение снижается вдвое по сравнению с атмосферой, можно заключи п>, чю данный объект имеет возраст, равный периоду полураспада у1лерода-14, т. е. 57(Х) лег. Описанный метод нельзя использовать для датировки объектов, возрас! которых превышает 20000-50000 лет. Радиоактивность столь древних объектов слишком низка, чтобы ее можно было измерить достаточно точно. Метод датировки событий при помощи радиоуглерода был проверен путем сравнения возраста деревьев, определенного путем подсчета колец на срезе, с данными радиоизо тонною анализа. У растущею дерева каждый год прибавляется одно кольцо. В старых кольцах запас радиоуглерода не возобновляется. Углерод-14 постепенно распадается, тогда как содержание у! лерода-12 остается постоянным. Большинство использованных для проверки деревьев были калифорнийскими соснами, возраст которых достигал 2000 лет. По возрасту деревьев, умерших в установленное время несколько тысячелетий назад, можно было проводить сопоставление вплоть до периода примерно в 5000 лет до н. ч. Оба метода датировки согласуются с точностью до 10%.
Обьскты иною inna можно датировать аналогично с помощью других изотопов. Например, образец урана-238 за 4,5-109 лет распадается наполовину, превращаясь в усюйчивый продукт, свииец-206. Для определения возраста содержащих уран минералов можно измерять отношение свинца-206 к урану-238. Если свинец-206 каким-то образом оказался включенным в минерал в результате нормального химическо] о процесса, а не в результате радиоактивного распада, то такой минерал должен содержать большее количество более распространенного изотопа, свинца-208. При отсутствии больших количеств этого «геонормального» изотопа свинца можно предполагать, что весь содержащийся в образце свинец-206 некогда был ураном-238.
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 |
