RADIOAKTIVITÄT, die Eigenschaft einiger chemischer Elemente, sich spontan in andere Elemente zu zersetzen. Dieser Zerfall wird von verschiedenen Korpuskular- und Lichtstrahlungen begleitet. Das Phänomen der Radioaktivität wurde 1896 von G. Becquerel entdeckt. Er entdeckte, dass U-Salze Strahlung aussenden, die auf eine Fotoplatte einwirkt und der Luft elektrische Leitfähigkeit verleiht. Weitere Untersuchungen zeigten, dass die Emission von „Becquerel-Strahlen“ eine atomare Eigenschaft von U ist, unabhängig von der chemischen Verbindung, in der es vorkommt. Systematische Untersuchungen aller bekannten Elemente ergaben, dass neben U nur Th eine signifikante Radioaktivität aufweist (G. Schmit und M. Curie, 1898). Anschließend wurde die noch schwache Radioaktivität von K und Rb entdeckt. Bei der Untersuchung natürlicher U-Verbindungen stellte sich heraus, dass ihre Radioaktivität viel größer ist, als aufgrund des U-Gehalts in ihnen zu erwarten wäre. Die von M. Curie aufgestellte Hypothese hängt mit dem Vorhandensein unbekannter hochradioaktiver Elemente in Uranmineralien zusammen wurde bestätigt. Durch die lange und sorgfältige Arbeit von P. und M. Curie gelang es, aus dem Uranharzerz der Lagerstätte Joachimstal (Tschechoslowakei) die neuen Elemente Po (1898) und Ra (1898) zu isolieren, deren Radioaktivität beträgt um ein Vielfaches größer als die Radioaktivität von U. Dies markierte den Beginn der Entdeckung einer Reihe neuer radioaktiver Elemente oder Radioelemente, deren Zahl 40 erreicht.

Radioaktive Strahlung. Die Strahlung radioaktiver Elemente ist naturgemäß nicht homogen. Im Jahr 1902 schlug E. Rutherford die Namen α-(Alpha), β-(Beta) und γ-(Gamma)-Strahlen für drei Arten radioaktiver Strahlung mit folgenden Eigenschaften vor: α-Strahlen werden durch positiv geladenes, sich schnell bewegendes Material gebildet Partikel von atomarer Größe und weichen im elektrischen und magnetischen Feld schwach in die Richtung ab, die der Ablenkung der Kanalstrahlen entspricht; sie werden sehr stark von der Materie absorbiert; β-Strahlen – Teilchen negativer Elektrizität (Elektronen); Sie werden durch das Magnetfeld viel stärker abgelenkt und ähneln Kathodenstrahlen. Ihre Durchlässigkeit ist viel größer als die von α-Strahlen; γ-Strahlen werden durch ein Magnetfeld nicht abgelenkt und tragen keine Ladung; sie haben die höchste Durchlässigkeit (Abb. 1). α-Teilchen tragen eine doppelte elementare positive Ladung von 9,55·10 -10 CGSE. Sie sind ihrer Natur nach identisch mit dem Kern eines Heliumatoms; α-Teilchen fliegen mit einer bestimmten Anfangsgeschwindigkeit aus dem Atom heraus, die für jedes α-emittierende Radioelement charakteristisch ist; diese Anfangsgeschwindigkeit liegt im Bereich 1,4·10 9 -2,06·10 9 cm/s. In der Luft bewegen sich α-Teilchen aufgrund ihrer großen Masse nahezu linear, verschwenden nach und nach ihre kinetische Energie bei Kollisionen mit Gasmolekülen und verursachen eine starke Ionisierung. α-Teilchen haben eine bestimmte Flugreichweite, danach verlieren sie ihre Ladung und die Fähigkeit, charakteristische Aktionen auszulösen. Die Größe dieser Flugdistanz oder „Laufleistung“ von α-Teilchen hängt von der Anfangsgeschwindigkeit des Teilchens und von der absorbierenden Substanz ab. Die Weglänge eines α-Teilchens ist für jedes Radioelement charakteristisch und umfasst Zeiträume von 2,67–8,62 cm in Luft bei 0 °C und 760 mm. In Festkörpern werden α-Partikel durch eine Schichtdicke von etwa 0,1 mm zurückgehalten. Die Eigenschaft von Wasserdampf, unter bestimmten Bedingungen an Ionen zu kondensieren, ermöglicht es, die Bahnen von α-Teilchen zu beobachten und zu fotografieren (Abb. 2). Die β-Strahlen der meisten radioaktiven Stoffe bilden mehrere Gruppen mit unterschiedlichen Anfangsgeschwindigkeiten, deren Verteilung durch die Ablenkung von β-Teilchen in einem Magnetfeld (Spektrum der β-Strahlen) untersucht wird. Die Anfangsgeschwindigkeiten von β-Teilchen liegen im Bereich von 8,7·10 9 -2,947·10 10 cm/sec, also bis zur 0,988-fachen Lichtgeschwindigkeit. Beim Durchgang durch Materie werden β-Strahlen viel stärker gestreut als α-Strahlen und ändern ihre Geschwindigkeit kaum. Ihre Absorption erfolgt nach einem Gesetz nahe einer einfachen Exponentialfunktion I d = I 0 e - kd, wobei I d die Intensität der durch die Dicke d hindurchtretenden Strahlung, I 0 die Anfangsintensität und k der Absorptionskoeffizient ist. Ein charakteristischer Wert kann die Dicke einer Schicht eines Stoffes, beispielsweise Aluminium, sein, der β-Strahlen zur Hälfte absorbiert. Für verschiedene β-Strahlen beträgt die Größe dieser Schicht 0,001–0,05 cm Aluminium. Die härtesten β-Strahlen RaC werden von zwei mm Blei vollständig absorbiert, γ-Strahlen sind in ihrer Natur den Röntgenstrahlen völlig ähnlich und zeichnen sich durch eine Wellenlänge von 10 -9 -10 -11 cm aus durch Streuung und das Auftreten sekundärer β- und γ-Strahlen. Die Absorption wird näherungsweise durch ein einfaches Exponentialgesetz I = I 0 e -μх ausgedrückt, und in erster Näherung ist die Beziehung μ/ϱ = Const erfüllt, wobei ϱ die Dichte der absorbierenden Substanz ist. Der Wert von μ für γ-Strahlen verschiedener Radioelemente liegt zwischen 1000 und 0,12, was der Dicke der Pb-Schicht entspricht, die die Hälfte der Strahlen absorbiert, 10 –4 –5,5 cm.

Theorie des radioaktiven Zerfalls . Um radioaktive Phänomene zu erklären, schlugen Rutherford und Soddy 1902 eine Theorie des Atomzerfalls vor, die durch weitere Experimente vollständig bestätigt wurde. Atome radioaktiver Elemente sind instabile Gebilde und unterliegen einem spontanen Zerfall, der dem Gesetz des Zufalls unterliegt. In diesem Fall wird intraatomare Energie in Form von Strahlung freigesetzt und das Atom erfährt eine Umwandlung und wandelt sich in ein anderes chemisches Element mit völlig anderen Eigenschaften um, beispielsweise verwandelt sich das Metall Ra in RaEm – ein Inertgas. Das Grundgesetz des radioaktiven Zerfalls wird wie folgt formuliert: Die Menge der Materie ΔN, die in ein Zeitelement Δt zerfällt, ist proportional zu ihrer verfügbaren Menge N und dem Zeitintervall Δt, d. h. ΔN=-λNΔt oder N t =N 0 e -Δ t wo N 0 - Anfangsmenge, N t - Menge für Moment t. Der Proportionalitätskoeffizient λ wird als radioaktive Konstante oder Zerfallskonstante des Radioelements bezeichnet. Genauer gesagt ist jedes Radioelement durch eine Halbwertszeit gekennzeichnet, d. h. den Zeitraum, in dem sich seine ursprüngliche Menge um die Hälfte reduziert, oder durch die durchschnittliche Lebenserwartung τ. Die Halbwertszeit T, die durchschnittliche Lebenserwartung τ und die radioaktive Konstante λ hängen wie folgt miteinander zusammen: T = 0,6931τ = 0,6931 τ -1. Für verschiedene Radioelemente λ = 1,3·10 -13 - 10 11 Sek. bzw. T=5,2·10 17 Sek. (1,65·10 10 Jahre) -10 -11 Sek. Zwischen λ und der Reichweite der α-Strahlen R besteht ein empirisch von Geiger und Nutall gefundener Zusammenhang: Ig λ = A + B log R, wobei A und B Konstanten sind. Eine grafische Darstellung des Geiger- und Nutall-Gesetzes ergibt drei parallele Geraden für die drei radioaktiven Familien U – Ra, Th und Ac. Dieses Gesetz muss unter anderem zur Bestimmung der Radioaktivitätskonstanten schnell zerfallender Stoffe genutzt werden. Die Phänomene des radioaktiven Zerfalls, begleitet vom Abgang von α- und β-Teilchen aus dem Atomkern, lieferten den ersten Beweis für die komplexe Struktur des Atomkerns, der Elektronen, Protonen und He-Kerne als Strukturelemente enthält. Die beobachteten Muster in der Wellenlängenverteilung von γ-Strahlen und den Geschwindigkeiten von β- und α-Teilchen weisen auf die Existenz stabiler Zustände im Kern hin, die bestimmten Energieniveaus entsprechen. γ-Strahlen sind offenbar mit intranuklearen Übergängen von α-Teilchen von einem Energieniveau zu einem anderen verbunden, und die Wellenlänge des γ-Strahls wird aus Quantenbeziehungen bestimmt. Bei einer radioaktiven Umwandlung, die mit dem Austritt eines Alphateilchens aus dem Kern einhergeht, muss es ein Niveau potenzieller Energie durchlaufen, das die eigene Energie des Teilchens, die es im Kern besitzt, deutlich übersteigt. Aus Sicht der klassischen Theorie ist es unmöglich, die Emission eines Alphateilchens aus dem Kern durch diese „Potentialbarriere“ zu erklären. Theorien des radioaktiven Zerfalls, die auf den Prinzipien der Wellenmechanik basieren, beschreiben die Bewegung von α-Teilchen mithilfe einer Wellenfunktion, wobei α-Strahlung aus dem allmählichen Eindringen der Wellenfunktion durch die oben genannte Potentialbarriere resultiert. In diesem Fall ist es möglich, einen theoretischen Ausdruck für die Beziehung zwischen der Geschwindigkeit von α-Teilchen und der Zerfallskonstante des Atoms zu finden, der die experimentellen Daten erfüllt. Unter der Annahme, dass Alphateilchen im Atomkern die gleiche Energiemenge haben, mit der sie den Kern beim Zerfall verlassen, erhalten wir den Ausgangswert für die Abschätzung der Absolutwerte der Energieniveaus im Atomkern. Diese Größen liegen in der Größenordnung von 10 6 V (in der Notation der Atomphysik). Die β-Strahlung radioaktiver Elemente bildet einerseits Gruppen von Elektronen mit bestimmten Geschwindigkeiten, die andererseits höchstwahrscheinlich durch den photoelektrischen Effekt entstehen, der durch die γ-Strahlung des Kerns in den Elektronenhüllen des Atoms verursacht wird Andererseits haben aus dem Kern austretende β-Teilchen sehr unterschiedliche Geschwindigkeitswerte (kontinuierliches magnetisches Spektrum der γ-Strahlen). Auf eine α-Transformation in einer Zerfallsreihe folgen häufig zwei β-Transformationen, was fälschlicherweise als Verletzung der Stabilität der elektronischen Niveaus im Kern interpretiert wird, wenn die Anzahl der α-Teilchen abnimmt. Die mit der β-Strahlung verbundenen Energieverhältnisse im Kern scheinen noch nicht ganz klar.

Wenn ein radioaktives Atom zerfällt, b. darunter auch ein radioaktives Element. Das. Zerfallsreihen entstehen, oder radioaktive Familien, sukzessive Umwandlung von Radioelementen. Das Gesetz des radioaktiven Zerfalls ermöglicht es, die Menge eines beliebigen Termes der Reihe für jeden Zeitpunkt unter gegebenen Anfangsbedingungen zu berechnen. In der Praxis sind die folgenden Fälle am wichtigsten. 1) Zerfall eines einzelnen Funkelements, zum Beispiel RaEm; Die Menge an Radioelement wird zu jedem Zeitpunkt wie folgt ausgedrückt: N t =N 0 e -λ t Anfangsmenge (bei t=0). 2) Bildung aus einem Radioelement mit sehr langer Lebenserwartung (dessen Menge sich über den betrachteten Zeitraum praktisch nicht ändert, zum Beispiel die Bildung von UX (Halbwertszeit 24 Tage) aus U (Halbwertszeit 10). In diesem Fall beträgt die Anzahl der Atome des gebildeten Elements N 2 zum Zeitpunkt t durch die Anzahl der Atome des Mutterelements N 1 und die entsprechenden Zerfallskonstanten wie folgt:

3) Der Fall eines radioaktiven Gleichgewichts, wenn ein konstantes Verhältnis der Anzahl der Atome aufeinanderfolgender Elemente in der Zerfallsreihe aufrechterhalten wird. In diesem Fall werden die folgenden Gleichungen beobachtet: N 1 λ=N 2 λ 2 =...=N k λ k wenn die betrachtete Reihe k Elemente enthält (Abb. 3, A - Anstieg und B - Abfall von ThX) . Die Umwandlung von Radioelementen geht immer mit α- oder β-Strahlung einher. Es ist kein einziger Fall bekannt, in dem eine radioaktive Umwandlung nur von einer γ-Strahlung begleitet wäre.

Die Untersuchung radioaktiver Umwandlungen hat zur Entdeckung einer Vielzahl neuer Elemente geführt. Beim Versuch, Radioelemente in das Periodensystem einzuordnen, traten Schwierigkeiten auf, da sich herausstellte, dass die Anzahl der freien Plätze nicht ausreichte. Diese Schwierigkeiten wurden durch die Untersuchung der chemischen Eigenschaften von Radioelementen überwunden. Boltwood, der 1906 das neue radioaktive Element Ionium entdeckte, zeigte, dass seine chemischen Eigenschaften mit denen des Elements Thorium völlig identisch sind. Darüber hinaus wurde bei einer Reihe von Radioelementen (Ra und MsTh, Pb, RaB, ThB, AcB usw.) eine ähnliche chemische Identität entdeckt, und 1910 äußerte Soddy die Idee, dass diese Elemente grundsätzlich die gleichen Eigenschaften und ihre chemische Trennung hätten Methoden ist unmöglich. Eine Gruppe solcher chemisch nicht unterscheidbaren Elemente wird nach Fayans Vorschlag Galaxie genannt, und die Elemente selbst werden nach Soddys Vorschlag Isotope genannt, weil Sie nehmen denselben Platz im Periodensystem ein. Gleichzeitig schlug Soddy vor, dass nichtradioaktive Elemente auch eine Mischung grundsätzlich untrennbarer Elemente mit unterschiedlichen Atomgewichten sein könnten, was die Bruchwerte der Atomgewichte der meisten Elemente erklärt. Diese Idee von Soddy fand eine brillante Bestätigung in der Arbeit von Aston, der Isotope gewöhnlicher Elemente mit der Methode der positiven Strahlung entdeckte. Das Konzept der Isotopie ermöglichte die Einordnung aller Radioelemente in das Periodensystem. Sie umfassen 10 Galaxien, die in den letzten beiden Zeilen des Periodensystems liegen (Abb. 4).

Die charakteristischen Elemente oder Dominanten der Galaxie radioaktiver Isotope sind die Elemente mit der längsten Lebenserwartung oder stabile Elemente. Darüber hinaus sind fünf davon: Ra, Em, Po, Ac und Ra neue Elemente, die leere Plätze im Periodensystem eingenommen haben, während der Rest auf Plätze fällt, die von zuvor bekannten Radioelementen U und Th sowie inaktiven Pb, Tl, Bi besetzt sind . Der größte Unterschied in den Atomgewichten radioaktiver Isotope beträgt nicht mehr als 8 Einheiten. Das. Radioaktive Umwandlungen ermöglichten es, tiefer in die physikalische Bedeutung des periodischen Gesetzes und das Konzept eines chemischen Elements einzutauchen. Es stellte sich heraus, dass der Platz eines Elements im Periodensystem nicht, wie bisher angenommen, durch das Atomgewicht des Elements bestimmt wird, sondern durch den Wert der positiven Ladung des Kerns seines Atoms. Alle Eigenschaften von Isotopen, die mit den Elektronenhüllen eines Atoms verbunden sind, sind im Rahmen der Genauigkeit unserer Experimente praktisch gleich (Atomvolumen, Übergangstemperatur von einem Zustand in einen anderen, thermische Größenänderung, magnetische Suszeptibilität, Spektren usw.). Sie unterscheiden sich neben ihren radioaktiven Eigenschaften nur in den Merkmalen, die mit der Masse des Kerns zusammenhängen, beispielsweise in der Feinstruktur des Spektrums und in unbedeutenden Unterschieden in den Diffusionskonstanten. Letzterer Umstand ist die Grundlage für Versuche zur Isotopentrennung, die in mühevoller Arbeit zu Teilerfolgen führten.

Beim radioaktiven Zerfall findet eine Umwandlung von Elementen statt, die den folgenden Verschiebungsregeln (K. Fajans) gehorcht. 1) Nach der Emission eines Alphateilchens verschiebt sich das Element im Periodensystem um zwei Plätze nach links. 2) Während einer β-Transformation verschiebt sich das Element um eine Stelle nach rechts (die Richtung der Pfeile in Abb. 4). Diese Regeln weisen darauf hin, dass Radioaktivität eine Eigenschaft des Atomkerns ist, da die Emission eines α-Teilchens, das zwei positive Elementarladungen trägt, die Ladung des Kerns um zwei Einheiten verringert, was einer Verringerung der Ordnungszahl um zwei Einheiten entspricht . Das β-Teilchen trägt eine negative Ladung ab, d. h. es erhöht die positive Ladung des Kerns und damit seine Ordnungszahl um eins. Durch radioaktive Umwandlungen können zwei verschiedene Elemente denselben Platz im Periodensystem einnehmen.

Alle uns bekannten Radioelemente bilden drei radioaktive Familien oder Serien: die U-Ra-Familie, die Ac-Familie und die Th-Familie. Die U- und Th-Reihen sind unabhängig, während die Ac-Reihe allen Daten zufolge mit der U-Ra-Reihe verbunden ist. In Abb. Abbildung 5 zeigt ein Diagramm radioaktiver Familien mit ihren Transformationen. Von größtem praktischem Interesse sind die Radioelemente Ra und MsTh, da sie eine sehr hohe Radioaktivität aufweisen und eine Quelle hochradioaktiver Elemente mit kurzer Lebensdauer (z. B. RaEm, ThX usw.) darstellen. Von den anderen chemischen Elementen weisen nur K und Rb eine schwache Radioaktivität mit der Emission von β- und γ-Strahlen auf. Die Produkte ihrer Umwandlung sind unbekannt.

Auswirkungen radioaktiver Strahlung. 1) Jede radioaktive Strahlung führt zur Ionisierung von Gasen. Dabei haben α-Strahlen die stärkste Wirkung, während die Wirkung von β- und γ-Strahlen deutlich schwächer ist. In geringerem Maße wird Ionisierung in flüssigen und festen Dielektrika beobachtet. 2) Die Energie radioaktiver Strahlung wandelt sich in Wärme um, wenn sie von Materie absorbiert wird. Die größte Wirkung entfalten in diesem Fall auch die α-Strahlen, die die maximale Energie besitzen. Theoretisch kann die freigesetzte Wärmemenge berechnet werden, indem man die Strahlungsenergie und die kinetische Energie des Rests des zerfallenen Atoms kennt. Experimentell wurde der thermische Effekt für Ra besonders sorgfältig untersucht; 1 g Ra setzt pro Stunde 25 Kalorien frei, zusammen mit Zerfallsprodukten 170 Kalorien. 3) Starke radioaktive Medikamente glühen selbst und bringen eine Reihe von Körpern zum Leuchten. Durch einzelne α-Teilchen verursachte Blitze auf einem Zinksulfidschirm (Szintillation) ermöglichen die Zählung der von Radioelementen emittierten α-Teilchen. 4) Viele Stoffe verändern ihre Farbe unter dem Einfluss radioaktiver Strahlung. 5) Radioaktive Strahlen wirken auf eine Fotoplatte. Durch Aufbringen der schlecht polierten Oberfläche eines radioaktiven Erzstücks auf eine Fotoplatte kann eine Röntgenaufnahme der Verteilung radioaktiver Mineralien auf der Oberfläche der Probe erstellt werden. 6) Unter dem Einfluss radioaktiver Strahlung kommt es zu chemischen Reaktionen, die hauptsächlich mit der von ihnen verursachten Ionisierung verbunden sind. Einige Auswirkungen von β-Strahlen auf Kolloide werden durch die negative Ladung der β-Teilchen selbst erklärt. 7) Die Wirkung von Radioelementen auf einen lebenden Organismus äußert sich in Form lokaler und allgemeiner Phänomene und ist stark dosisabhängig. Die Wirkung radioaktiver Strahlung äußert sich in allgemeiner Ermüdung des Körpers, Veränderungen der Blutzusammensetzung (Abnahme der Anzahl weißer Blutkörperchen usw.). Lokale Einwirkung von β-Strahlen großer Mengen radioaktiver Elemente kann zu schwer heilenden Verbrennungen führen. Junge Zellen reagieren am empfindlichsten auf die Wirkung von Strahlung. Das Einbringen großer Mengen radioaktiver Elemente in den Körper führt zum Tod. Geringe Mengen Radioelemente wirken sich positiv auf den Körper aus.

Praktische Anwendungen von Radioaktivität. 1) Die Eigenschaft von Radioelementen, Gase zu ionisieren, fand Anwendung bei der Herstellung radioaktiver Kollektoren zur Messung des elektrischen Feldes, hauptsächlich bei der Untersuchung der atmosphärischen Elektrizität. Zu diesem Zweck werden üblicherweise α-Strahler Io oder Bo verwendet. Letzterer muss regelmäßig erneuert werden, da er in 137 Tagen um die Hälfte kaputt geht. 2) Radioaktive Em m.b. Wird zur Bestimmung der Gasdurchlässigkeit verschiedener Substanzen verwendet. 3) Wenn α-Partikel verschiedene Substanzen passieren, wird unter bestimmten Bedingungen das Auftreten von H-Partikeln (Wasserstoffkernen) beobachtet. Dieses Phänomen wurde erstmals 1919 von Rutherford in Stickstoff entdeckt und als Folge der Zerstörung des Stickstoffkerns bei einer Kollision mit einem α-Teilchen interpretiert. Weitere Arbeiten, hauptsächlich von Rutherfords Mitarbeitern Kirsch und Peterson, zeigten, dass eine große Anzahl von Elementen unter dem Einfluss von α-Teilchen zerstört wird. Weitere praktische Anwendungen der Radioaktivität finden Sie unter Radium.

Zur quantitativen Messung radioaktiver Stoffe wird fast ausschließlich ein auf Ionisation basierendes Verfahren eingesetzt. Bei sehr starken Medikamenten besteht die Möglichkeit, mit einem empfindlichen Galvanometer Ionisationsströme zu messen. Zur Messung kleiner Mengen radioaktiver Elemente werden Elektroskope und Elektrometer verwendet. Die wichtigsten Diagramme der verwendeten Geräte sind in Abb. dargestellt. 6.

1) α-Strahlenmessungen. Der zu untersuchende radioaktive Stoff wird in fein gemahlener Form in einem flachen Becher auf den Boden der „Ionisationskammer“ eines Elektroskops (Abb. 6a) oder Elektrometers (Abb. 6b) gegeben. Der Ionisationsstrom wird anhand der Kollapsgeschwindigkeit des Elektroskopblatts gemessen, gemessen auf der Okularskala des Mikroskops. In diesem Fall muss der Zusammenbruch der Platte selbst unter dem Einfluss von Isolationsfehlern und Ionisierung der Luft im Inneren des Geräts berücksichtigt werden, der durch spezielle Beobachtung in Abwesenheit einer radioaktiven Substanz festgestellt wird. Bei der Messung mit einem Elektrometer kommen entweder die Lademethode oder Kompensationsmethoden zum Einsatz. Bei der Messung mit α-Strahlen wird üblicherweise eine etwa 1 mm dicke Substanzschicht aufgenommen. Eine solche Schicht ist für α-Strahlung gesättigt, d. h. α-Strahlen aus den unteren Teilen werden bereits im Wirkstoff selbst absorbiert und treten nicht aus. In diesem Fall ist die gemessene Ionisation ungefähr proportional zur Konzentration der Radioelemente im Präparat. Typischerweise werden Messungen im Vergleich zu einem Standard durchgeführt, der eine bekannte Menge des zu bestimmenden Radioelements enthält, beispielsweise U im Gleichgewicht mit Zerfallsprodukten. Oder die Ergebnisse werden ausgedrückt in Uran-Einheiten, und mit Uraneinheit meinen wir die einseitige Strahlung von 1 cm 2 einer für α-Strahlen gesättigten Schicht aus Uranoxid U 3 O 8 . In absoluten Einheiten entspricht dies einem Sättigungsstrom von 1,73·10 -3 CGSE. Im Falle einer unendlich dünnen Schicht (z. B. einer aktiven Beschichtung, die in Gegenwart von Emanationen auf Festkörpern entsteht und aus deren Zerfallsprodukten besteht) ist die Ionisierung proportional zur Menge des Radioelements auf dem Präparat. 2) γ-Strahlenmessungen. Aufgrund der hohen Durchlässigkeit von γ-Strahlen ist es möglich, damit die Menge an Radioelementen (normalerweise Ra, RaEm oder MsTh) in hermetisch abgeschlossenen Präparaten zu messen. Die Messungen werden im Vergleich mit einem Standard durchgeführt, der eine bekannte Menge Ra enthält. Wenn kleine Mengen Ra in der Größenordnung von 10 -5 -10 -7 g gemessen werden, werden diese in ein spezielles Gerät gegeben. Bei der Messung großer Mengen – ab 10 -4 g – wird das Prüfpräparat in einiger Entfernung außerhalb des Gerätes platziert. 3) Messungen kleiner Mengen RaEm werden mit α-Strahlen durchgeführt in einem Elektrometer mit Ionisationskammer, angepasst für die Einführung von Em darin. Normalerweise ist es notwendig, Em aus einer wässrigen Lösung zu messen, während Em durch Zirkulation (Abb. 7) oder auf andere Weise in eine Ionisationskammer mit einem Luftstrom destilliert wird.

Als nächstes wird die Ionisierung gemessen, die durch die α-Strahlen von Em und den Produkten seiner Wasserquellen verursacht wird. Die gleiche Methode wird zur Bestimmung kleiner Mengen Ra in Lösung verwendet. Die Prüflösung wird in einen Gaswaschkolben L gegeben und durch 10-30-minütiges Durchblasen mit Luft von Em befreit. Anschließend wird das Gefäß mit der Lösung hermetisch verschlossen und mehrere Tage stehen gelassen, um Em anzusammeln. Anschließend wird Em an das Messgerät J übergeben, wo seine Menge bestimmt wird. Die Akkumulation der Emanation erfolgt nach der Formel E = E ∞ (1 e λ t), wobei E die Menge an Em ist, die während der Zeit t angesammelt wurde, und E ∞ die Menge davon, die sich in einer gegebenen Lösung im Gleichgewicht mit Radium befindet. Numerisch entspricht E ∞ so vielen Curies der Emanation, wie Gramm Ra in Lösung sind.

Der Standard ist eine Lösung mit einem bekannten Ra-Gehalt in der Größenordnung von 10 -8 -10 -9 g. Mit Em ist es möglich, 10 -10 g sogar 10 -12 g Ra zu messen. 4) Die Anzahl der einzelnen Teilchen wird entweder mit der Szintillationsmethode oder durch entsprechende Verstärkung der ionisierenden Wirkung einzelner Teilchen oder Impulse (Geigerzähler) gemessen. Es ist auch möglich, eine Fotoplatte mit einer dicken Schicht zu verwenden (Methode von L. V. Mysovsky).

Radioaktivität wurde 1896 vom französischen Wissenschaftler Antoine Henri Becquerel entdeckt, als er die Lumineszenz von Uransalzen untersuchte. Es stellte sich heraus, dass Uransalze ohne äußere Einwirkung (spontan) Strahlung unbekannter Natur emittierten, die vom Licht isolierte Fotoplatten beleuchtete, die Luft ionisierte, durch dünne Metallplatten eindrang und die Lumineszenz einer Reihe von Substanzen verursachte. Stoffe, die Polonium 21084Po und Radium 226 88Ra enthielten, hatten die gleiche Eigenschaft.

Noch früher, im Jahr 1985, wurde Röntgenstrahlung zufällig vom deutschen Physiker Wilhelm Röntgen entdeckt. Marie Curie prägte das Wort „Radioaktivität“.

Radioaktivität ist eine spontane Umwandlung (Zerfall) des Atomkerns eines chemischen Elements, die zu einer Änderung seiner Ordnungszahl oder einer Änderung der Massenzahl führt. Bei dieser Umwandlung des Kerns wird radioaktive Strahlung emittiert.

Es wird zwischen natürlicher und künstlicher Radioaktivität unterschieden. Natürliche Radioaktivität ist die Radioaktivität, die in in der Natur vorkommenden instabilen Isotopen beobachtet wird. Künstliche Radioaktivität ist die Radioaktivität von Isotopen, die durch Kernreaktionen entstehen.

Es gibt verschiedene Arten radioaktiver Strahlung, die sich in Energie und Durchdringungsfähigkeit unterscheiden und unterschiedliche Auswirkungen auf das Gewebe eines lebenden Organismus haben.

Alphastrahlung ist ein Strom positiv geladener Teilchen, die jeweils aus zwei Protonen und zwei Neutronen bestehen. Die Durchdringungsfähigkeit dieser Strahlungsart ist gering. Es wird von einigen Zentimetern Luft, mehreren Blättern Papier und normaler Kleidung zurückgehalten. Alphastrahlung kann für die Augen gefährlich sein. Es ist praktisch nicht in der Lage, die äußere Hautschicht zu durchdringen und stellt keine Gefahr dar, bis Alphateilchen aussendende Radionuklide über eine offene Wunde, Nahrung oder Atemluft in den Körper gelangen – dann können sie äußerst gefährlich werden. Durch die Bestrahlung mit relativ schweren, positiv geladenen Alphateilchen kann es über einen gewissen Zeitraum zu schweren Schäden an Zellen und Gewebe lebender Organismen kommen.

Betastrahlung ist ein Strom negativ geladener Elektronen, der sich mit enormer Geschwindigkeit bewegt und dessen Größe und Masse viel kleiner sind als die von Alphateilchen. Diese Strahlung hat im Vergleich zur Alphastrahlung eine größere Durchschlagskraft. Sie können sich mit einer dünnen Metallplatte wie Aluminium oder einer 1,25 cm dicken Holzschicht davor schützen. Wenn eine Person keine dicke Kleidung trägt, können Beta-Partikel mehrere Millimeter tief in die Haut eindringen. Wenn der Körper nicht mit Kleidung bedeckt ist, kann Betastrahlung die Haut schädigen; sie dringt bis zu einer Tiefe von 1-2 Zentimetern in das Körpergewebe ein.

Gammastrahlung, Wie Röntgenstrahlen handelt es sich um elektromagnetische Strahlung ultrahoher Energie. Dabei handelt es sich um Strahlung sehr kurzer Wellenlänge und sehr hoher Frequenz. Jeder, der sich einer ärztlichen Untersuchung unterzogen hat, kennt sich mit Röntgenstrahlen aus. Gammastrahlung hat eine hohe Durchdringungskraft; man kann sich nur mit einer dicken Schicht aus Blei oder Beton davor schützen. Röntgen- und Gammastrahlen tragen keine elektrische Ladung. Sie können alle Organe schädigen.

Alle Arten radioaktiver Strahlung sind nicht sichtbar, fühlbar oder hörbar. Strahlung hat keine Farbe, keinen Geschmack, keinen Geruch. Die Zerfallsgeschwindigkeit von Radionukliden kann durch bekannte chemische, physikalische, biologische und andere Methoden praktisch nicht verändert werden. Je mehr Energiestrahlung auf das Gewebe übertragen wird, desto größer ist der Schaden, den sie im Körper anrichtet. Die auf den Körper übertragene Energiemenge wird als Dosis bezeichnet. Der Körper kann eine Strahlungsdosis von jeder Art von Strahlung, einschließlich radioaktiver Strahlung, erhalten. Dabei können sich Radionuklide außerhalb oder innerhalb des Körpers befinden. Die Menge an Strahlungsenergie, die pro Masseneinheit des bestrahlten Körpers absorbiert wird, wird als absorbierte Dosis bezeichnet und im SI-System in Gray (Gy) gemessen.

Bei gleicher absorbierter Dosis ist Alphastrahlung viel gefährlicher als Beta- und Gammastrahlung. Der Grad der Belastung einer Person durch verschiedene Arten von Strahlung wird anhand eines Merkmals wie der Äquivalentdosis beurteilt. können Körpergewebe auf verschiedene Weise schädigen. Im SI-System wird es in der Einheit Sievert (Sv) gemessen.

Radioaktiver Zerfall ist die natürliche radioaktive Umwandlung von Kernen, die spontan erfolgt. Der Kern, der einem radioaktiven Zerfall unterliegt, wird Mutterkern genannt; Der resultierende Tochterkern erweist sich in der Regel als angeregt und sein Übergang in den Grundzustand geht mit der Emission eines γ-Photons einher. Das. Gammastrahlung ist die wichtigste Form der Energiereduzierung angeregter Produkte radioaktiver Umwandlungen.

Alpha-Zerfall. β-Strahlen sind ein Fluss von Helium-He-Kernen. Der Alpha-Zerfall geht mit dem Abgang eines Alpha-Teilchens (He) vom Kern einher, das sich zunächst in den Kern eines Atoms eines neuen chemischen Elements umwandelt, dessen Ladung um 2 geringer ist und dessen Massenzahl um 4 Einheiten geringer ist.

Die Geschwindigkeiten, mit denen α-Teilchen (also He-Kerne) aus dem zerfallenden Kern herausfliegen, sind sehr hoch (~106 m/s).

Beim Durchqueren der Materie verliert ein α-Teilchen nach und nach seine Energie, indem es diese für die Ionisierung der Moleküle der Substanz aufwendet und schließlich aufhört. Ein Alphateilchen bildet auf seinem Weg pro 1 cm Weg etwa 106 Ionenpaare.

Je größer die Dichte des Stoffes ist, desto kürzer ist die Reichweite der α-Teilchen bis zum Stoppen. In Luft bei Normaldruck beträgt die Reichweite mehrere cm, in Wasser, in menschlichen Geweben (Muskeln, Blut, Lymphe) 0,1-0,15 mm. α-Teilchen werden von einem gewöhnlichen Stück Papier vollständig blockiert.

α-Partikel sind bei äußerer Bestrahlung nicht sehr gefährlich, weil kann durch Kleidung und Gummi verzögert werden. Allerdings sind α-Partikel aufgrund der hohen Ionisationsdichte, die sie erzeugen, sehr gefährlich, wenn sie in den menschlichen Körper gelangen. Im Gewebe auftretende Schäden sind nicht reversibel.

Beta-Zerfall gibt es in drei Varianten. Der erste – der Kern, der eine Transformation durchlaufen hat, emittiert ein Elektron, der zweite – ein Positron, der dritte – wird Elektroneneinfang (E-Capture) genannt, der Kern absorbiert eines der Elektronen.

Bei der dritten Art des Zerfalls (Elektroneneinfang) absorbiert ein Kern eines der Elektronen seines Atoms, wodurch sich eines der Protonen in ein Neutron verwandelt und ein Neutrino aussendet:

Die Bewegungsgeschwindigkeit von β-Teilchen im Vakuum beträgt 0,3 – 0,99 der Lichtgeschwindigkeit. Sie sind schneller als Alphateilchen, fliegen durch entgegenkommende Atome und interagieren mit ihnen. β-Partikel haben eine geringere Ionisierungswirkung (50-100 Ionenpaare pro 1 cm Weg in der Luft) und wenn ein β-Partikel in den Körper gelangt, sind sie weniger gefährlich als α-Partikel. Allerdings ist die Penetrationsfähigkeit von β-Partikeln hoch (von 10 cm bis 25 m und bis zu 17,5 mm in biologisches Gewebe).

Gammastrahlung ist elektromagnetische Strahlung, die von Atomkernen bei radioaktiven Umwandlungen abgegeben wird und sich im Vakuum mit einer konstanten Geschwindigkeit von 300.000 km/s ausbreitet. Diese Strahlung begleitet normalerweise den β-Zerfall und seltener den α-Zerfall.

γ-Strahlen ähneln Röntgenstrahlen, haben jedoch eine viel höhere Energie (bei einer kürzeren Wellenlänge). Da γ-Strahlen elektrisch neutral sind, werden sie in magnetischen und elektrischen Feldern nicht abgelenkt. In Materie und Vakuum breiten sie sich von der Quelle aus geradlinig und gleichmäßig in alle Richtungen aus, ohne eine direkte Ionisierung zu verursachen. Wenn sie sich im Medium bewegen, schlagen sie Elektronen heraus und übertragen einen Teil oder die gesamte Energie auf sie, was den Ionisierungsprozess auslöst. Bei einer Strecke von 1 cm bilden γ-Strahlen 1-2 Ionenpaare. In der Luft bewegen sie sich über mehrere hundert Meter und sogar Kilometer, in Beton – 25 cm, in Blei – bis zu 5 cm, im Wasser – Dutzende Meter, und sie dringen durch lebende Organismen ein.

γ-Strahlen stellen als Quelle externer Strahlung eine erhebliche Gefahr für lebende Organismen dar.

Vorlesung

„Elemente der Kernphysik“

Für die Medizinische Fakultät

Radioaktivität, ihre Merkmale, Typen und Eigenschaften. Natürliche radioaktive Isotope und ihre Eigenschaften.

Das Phänomen der Radioaktivität wurde 1896 von Becquerel entdeckt (Folie 4.5).

Radioaktivität ist die spontane Umwandlung instabiler Kerne eines Elements in die Kerne eines anderen Elements. (Folie 6)

Dieses Phänomen geht mit einem Verlust von Materie einher und wird oft als radioaktiver Zerfall bezeichnet.

Besonderheiten:

A. Tritt immer unter Freisetzung von Energie auf.

B. Es erfolgt nach einem einzigen Gesetz (dem Gesetz des radioaktiven Zerfalls).

C. Begrenzt auf ≈ 10 Zerfallsarten (α-Zerfall, β-Zerfall, γ-Zerfall, Neutronen-, Protonen- und andere Zerfälle).

Beide Arten von Radioaktivität weisen keine physikalischen Unterschiede auf und unterliegen den gleichen Gesetzmäßigkeiten.

Natürliche radioaktive Isotope und ihre Eigenschaften. (Folie 8)

Natürliche Radioaktivität entsteht durch radioaktive Isotope.

Natürliche radioaktive Isotope werden in primäre und sekundäre unterteilt (Folie 9).

1. Primär- bei der Entstehung der Erde in der Erdkruste entstanden. Jetzt sind nur noch Primärisotope mit einer Halbwertszeit T > 10 8 Jahre übrig. Dazu gehören Mitglieder radioaktiver Familien:

A. Die Uran-Radium-Familie.

Uranus (238) – der Vorfahre der Familie 238 92U Durch 14 radioaktive Umwandlungen entsteht ein stabiles Bleiisotop. 206 82Pb

B. Thorium-Familie 232 90(T = 1,39 · 10 · 10 Jahre) Als Ergebnis von 10 Transformationen entsteht ein Bleiisotop. 208 32Pb

B. Seeanemonenfamilie 235 92U(T = 7,3 · 10 8 Jahre) als Ergebnis von 11 Transformationen entsteht ein Bleiisotop. 207 32Pb

2. Sekundär- entstehen unter dem Einfluss primärer Isotope oder unter dem Einfluss kosmischer Strahlung (Protonen, α-Teilchen, C-, N-, O 2-Kerne, Photonen. (Folie 10, 11)

Besonderheiten:

A. Sie gehorchen den Gesetzen des dynamischen Gleichgewichts: Ihre Entstehung wird durch Zerfall ausgeglichen.

B. Sie kommen in lebenden Organismen vor. Von großer biologischer Bedeutung ist das Sekundärisotop 14 C, das unter dem Einfluss kosmischer Neutronen aus Luftstickstoff entsteht. Das Kohlenstoffisotop 14 C in Form von CO 2 (Kohlendioxid) wird von Pflanzen => Tieren => Menschen aufgenommen. Wenn lebende Pflanzen und Tiere sterben, beginnt die Radioaktivität in ihnen abzunehmen, und das Alter verschiedener Fossilien kann anhand des Ausmaßes der Abnahme bestimmt werden.

„α“, „β“ und „γ“-Strahlung und ihre Eigenschaften.

Strahlung radioaktiver Stoffe besteht aus drei Komponenten:

1. α -Strahlen(α – Teilchen) – ionisierte Strahlung mit positiver Ladung. | q | = | 2e | = 3,2 · 10 -19 Cl. Hat die Struktur eines Heliumkerns

4 2 Er(Folie 20,21)

A = 4 - Massenzahl.

Z = 2 - Seriennummer (Kernladung).

m α = 6,7 · 10 -27 kg.

Eigenschaften:

A. Sie werden durch elektrische und magnetische Felder abgelenkt.

B. ν α cp = 10 - 20000 km/s.

E α = 1,8 ÷ 11,7 MeV.

Das Spektrum ist liniert.

B. Der Weg eines α-Teilchens hängt von der Art des Mediums ab

in Wasser - 0,1 mm

in der Luft - 1 cm.

D. Sie haben ein geringes Durchdringungsvermögen (leichtes Absorbieren durch dünne Schichten der Substanz; Schutz davor bietet ein Blatt Pappe, Baumwollstoff usw.).

D. Sie haben die höchste Ionisierungskapazität aller Arten radioaktiver Strahlung (30 - 40.000 Ionenpaare pro 1 cm Weg in der Luft).

E. Beim Durchgang durch eine Materieschicht ändert sich die Anzahl der α-Teilchen nicht, aber ihre Geschwindigkeit ändert sich allmählich. Wenn die Schichtdicke einen bestimmten Wert erreicht, werden die α-Partikel auf einmal von der Substanz absorbiert.

2. β-Strahlen (β - Partikel) - ionisierte Strahlung, bestehend aus positiv und negativ β - Partikel. (Folie 22,23)

β - oder 0 -1е- Elektronen q e = 1,6 · 10 -19 C

β + oder 0 +1е- Positronen m e = 9 · 10 -31 kg

Elektronen und Positronen werden bei Kernumwandlungen emittiert oder entstehen beim Zerfall eines Neutrons. Eigenschaften:

A. Sie werden durch elektrische und magnetische Felder abgelenkt.

B. ν β cp ≈ 150000 km/s.

E β = 0,018 ÷ 4,8 MeV.

Das Spektrum ist kontinuierlich.

B. Die Reichweite von β-Partikeln in einem Medium hängt von der Art des Mediums und der Energie der β-Partikel ab

im Wasser - bis zu 1,5 cm

in der Luft - bis zu 100 cm

D. Sie haben eine höhere Durchdringungsfähigkeit als α-Strahlen (Schutz davor ist eine 3 mm dicke Metallschicht).

D. Die Ionisierungskapazität ist geringer als die von α-Strahlen (300–400 Ionenpaare pro 1 cm Weg in der Luft).

E. Elektronischer β-Zerfall wird hauptsächlich in solchen Kernen beobachtet, deren Neutronenzahl groß ist (0 1n) mehr Protonen (1 1Pb)

Der Positron-β-Zerfall wird beobachtet, wenn die Anzahl der Protonen größer als die Anzahl der Neutronen ist

G. β - Hochenergetische Teilchen, die mit Atomkernen interagieren, erzeugen Bremsstrahlungs-Röntgenstrahlen.

3. γ-Strahlung- elektromagnetische Strahlung, bei der es sich um einen Strom hochenergetischer Photonen handelt (E f = 1 ÷ 3 MeV). (Folie 24,25)

Diese kurzwellige Strahlung (λ ≈ 0,1 ÷ 10 -5 nm) tritt als sekundäres Phänomen beim α- und β-Zerfall auf. Es hat eine ähnliche Natur wie Röntgenstrahlung.

Eigenschaften:

A. Wird nicht durch elektrische und magnetische Felder abgelenkt.

B. ν γ = ν Licht = 3 · 10 8 m/s.

E γ = von 10 keV bis 10 MeV.

Das Spektrum ist liniert.

B. Hat eine geringere Ionisierungsfähigkeit als α- und β-Strahlen (3-4 Ionenpaare pro 1 cm Bewegungsweg in der Luft).

D. Die Ausbreitungsdistanz von γ-Strahlen in der Luft beträgt bis zu mehreren hundert Metern.

D. Hat ein sehr hohes Durchdringungsvermögen (Schutz ist eine 20 cm dicke Bleischicht oder mehr).

In der Medizin wird es häufig zur Behandlung tiefsitzender bösartiger Tumoren und in der Pharmazie zur Sterilisation von Arzneimitteln und Arzneimittelmischungen eingesetzt.

2. Verschiebungsgesetze für „α“- und „β“-Zerfälle.(Folie 26)

Verdrängungsgesetze- das sind die Gesetze, nach denen sich die Kerne radioaktiver Elemente beim „α“- und „β“-Zerfall verändern.

Bei der Formulierung müssen der Massenerhaltungssatz und der Ladungserhaltungssatz berücksichtigt werden.

Gesetz der Erhaltung der Masse:

Die Massenzahl des Ausgangsprodukts muss gleich der Summe der Massenprodukte der Reaktion sein.

Ladungserhaltungsgesetz:

Die Ladung des Kerns des Ausgangsprodukts muss gleich der Summe der Ladungen der Kerne der Reaktionsprodukte sein.

1. Gesetz „α“ – Zerfall. (Folie 27)

Bei α - Beim Zerfall entsteht ein neuer Kern mit einer Massenzahl von 4 Einheiten und einer um 2 Einheiten geringeren Ordnungszahl als der ursprüngliche Kern.

A ZX→ 4 2 Er+ A-4Z-2Y

226 88Ra→ 4 2 He+ 222 86 Rn (Dadurch entsteht ein Photon mit E = 0,188 MeV)

Merkmal: Unter natürlichen Bedingungen kommt es in Elementen mit einer Seriennummer Z > 83 vor.

2. Gesetze des elektronischen „β“ – Zerfalls – (β –). (Folie 28)

Beim elektronischen β-Zerfall entsteht ein neuer Kern mit der gleichen Massenzahl und einer um 1 größeren Ordnungszahl als der ursprüngliche Kern:

Ein ZX→ A Z+1Y+ 0 -1 e

4019K→ 4020Ca+ 0 -1 e- Zerfall eines Kaliumisotops, um es in Kalzium umzuwandeln

3. Gesetz des Positrons „β“ – Zerfall (β +) (Folie 29)

Mit Positronik β - Beim Zerfall entsteht ein neuer Kern mit derselben Massenzahl und einer um 1 niedrigeren Ordnungszahl als der ursprüngliche Kern.

A ZX → A Z-1Y+ 0 +1 e

3015P→ 3014Si+ 0 +1 eZerfall von Phosphorisotopen

Folgerungen aus 1, 2 und 3 Gesetzen:(Folie 30)

„α“ und „β“ – der Zerfall geht in manchen Fällen mit der Strahlung von „γ“ – Quanten einher. Diese Strahlung wird auch beim isomeren Übergang von Kernen (vom angeregten in den nicht angeregten Zustand) beobachtet;

(X) * = X + n γ® Anzahl der γ – Quanten

aufgeregt unaufgeregt

Zustand Zustand

4. Elektronische Erfassung. (Folie 31)

Wenn ein Elektron vom ursprünglichen Kern eingefangen wird, entsteht ein neuer Kern mit derselben Massenzahl und einer um 1 niedrigeren Ordnungszahl als der ursprüngliche Kern.

Der Kern fängt ein Elektron aus der ihm nächstgelegenen Schale ein

Þ Z X + -1 e ® Z -1 Y

7 4Be+ 0 -1e→ 7 3Li

Der Inhalt des Artikels

RADIOAKTIVITÄT– die Umwandlung von Atomkernen in andere Kerne, begleitet von der Emission verschiedener Teilchen und elektromagnetischer Strahlung. Daher der Name des Phänomens: im Lateinischen radio – ausstrahlen, activus – wirksam. Dieses Wort wurde von Marie Curie geprägt ( cm. RADIUM). Wenn ein instabiler Kern – ein Radionuklid – zerfällt, fliegen ein oder mehrere hochenergetische Teilchen mit hoher Geschwindigkeit aus ihm heraus. Der Fluss dieser Teilchen wird radioaktive Strahlung oder einfach Strahlung genannt.

Röntgenstrahlen.

Die Entdeckung der Radioaktivität stand in direktem Zusammenhang mit der Entdeckung von Röntgen. Darüber hinaus glaubte man eine Zeit lang, dass es sich dabei um dieselbe Strahlungsart handele. Ende des 19. Jahrhunderts Im Allgemeinen war er reich an Entdeckungen verschiedener Arten bisher unbekannter „Strahlungen“. In den 1880er Jahren begann der englische Physiker Joseph John Thomson, elementare negative Ladungsträger zu untersuchen, der irische Physiker George Johnston Stoney (1826–1911) nannte diese Teilchen Elektronen; Schließlich verkündete Wilhelm Conrad Röntgen im Dezember die Entdeckung einer neuen Strahlenart, die er Röntgenstrahlen nannte. Bisher werden sie in den meisten Ländern so genannt, doch in Deutschland und Russland wurde der Vorschlag des deutschen Biologen Rudolf Albert von Kölliker (1817–1905) angenommen, die Strahlen Röntgenstrahlen zu nennen. Diese Strahlen entstehen, wenn im Vakuum schnell fliegende Elektronen (Kathodenstrahlen) mit einem Hindernis kollidieren. Es war bekannt, dass Kathodenstrahlen, wenn sie auf Glas treffen, sichtbares Licht aussenden – grüne Lumineszenz. Röntgenaufnahmen entdeckten, dass gleichzeitig einige andere unsichtbare Strahlen von dem grünen Fleck auf dem Glas ausgingen. Dies geschah zufällig: In einem dunklen Raum leuchtete ein nahegelegener Bildschirm, der mit Bariumtetracyanoplatinat Ba (früher Bariumplatinsulfid genannt) bedeckt war. Diese Substanz erzeugt unter dem Einfluss von Ultraviolett- und Kathodenstrahlen eine leuchtend gelbgrüne Lumineszenz. Aber die Kathodenstrahlen trafen nicht auf den Bildschirm und außerdem leuchtete der Bildschirm weiter, wenn das Gerät mit schwarzem Papier bedeckt war. Röntgen entdeckte bald, dass Strahlung viele undurchsichtige Substanzen durchdrang und eine Schwärzung einer in schwarzes Papier eingewickelten oder sogar in ein Metallgehäuse gelegten Fotoplatte verursachte. Die Strahlen gingen durch ein sehr dickes Buch, durch ein 3 cm dickes Fichtenbrett, durch eine 1,5 cm dicke Aluminiumplatte ... Röntgen erkannte die Möglichkeiten seiner Entdeckung: „Wenn Sie Ihre Hand zwischen die Entladungsröhre und den Bildschirm halten“, Er schrieb: „Man kann dunkle Knochenschatten vor dem Hintergrund der helleren Umrisse der Hand sehen.“ Dies war die erste Durchleuchtungsuntersuchung in der Geschichte.

Röntgens Entdeckung verbreitete sich sofort auf der ganzen Welt und überraschte nicht nur Fachleute. Am Vorabend des Jahres 1896 wurde in einer Buchhandlung in einer deutschen Stadt das Foto einer Hand ausgestellt. Darauf waren die Knochen einer lebenden Person zu sehen, und an einem Finger befand sich ein Ehering. Es war ein Röntgenfoto der Hand von Röntgens Frau. Röntgens erste Nachricht Über eine neue Art von Strahlen wurde am 28. Dezember in den „Berichten der Würzburger Physikalisch-Medizinischen Gesellschaft“ veröffentlicht, sofort übersetzt und in verschiedenen Ländern veröffentlicht, die berühmteste in London erscheinende wissenschaftliche Zeitschrift „Nature“ veröffentlichte Röntgens Artikel am 23. Januar 1896.

Überall auf der Welt wurden neue Strahlen erforscht; allein in einem Jahr wurden über tausend Artikel zu diesem Thema veröffentlicht. Auch in Krankenhäusern tauchten Röntgengeräte einfacher Bauart auf: Der medizinische Nutzen der neuen Strahlen lag auf der Hand.

Mittlerweile werden Röntgenstrahlen weltweit weit verbreitet (und nicht nur für medizinische Zwecke) eingesetzt.

Becquerels Strahlen.

Röntgens Entdeckung führte bald zu einer ebenso bemerkenswerten Entdeckung. Es wurde 1896 vom französischen Physiker Antoine Henri Becquerel hergestellt. Am 20. Januar 1896 nahm er an einer Sitzung der Akademie teil, bei der der Physiker und Philosoph Henri Poincaré über die Entdeckung von Röntgen sprach und in Frankreich aufgenommene Röntgenaufnahmen einer menschlichen Hand vorführte. Poincaré beschränkte sich nicht darauf, über neue Strahlen zu sprechen. Er vermutete, dass diese Strahlen mit Lumineszenz verbunden sind und möglicherweise immer gleichzeitig mit dieser Art von Leuchten auftreten, sodass auf Kathodenstrahlen wahrscheinlich verzichtet werden kann. Die Lumineszenz von Substanzen unter dem Einfluss ultravioletter Strahlung – Fluoreszenz oder Phosphoreszenz (im 19. Jahrhundert gab es keine strikte Unterscheidung zwischen diesen Konzepten) war Becquerel vertraut: sowohl seinem Vater Alexander Edmond Becquerel (1820–1891) als auch seinem Großvater Antoine Cesar Becquerel (1788–1878) waren daran beteiligt; Antoine Henri Becquerels Sohn Jacques wurde ebenfalls Physiker und „erbte“ den Lehrstuhl für Physik am Pariser Naturkundemuseum. Becquerel leitete diesen Lehrstuhl 110 Jahre lang, von 1838 bis 1948.

Becquerel beschloss zu testen, ob Röntgenstrahlen mit Fluoreszenz verbunden sind. Einige Uransalze, beispielsweise Uranylnitrat UO 2 (NO 3) 2, weisen eine helle gelbgrüne Fluoreszenz auf. Solche Substanzen befanden sich in Becquerels Labor, in dem er arbeitete. Sein Vater beschäftigte sich auch mit Uranpräparaten, die zeigten, dass ihr Leuchten nach dem Aufhören des Sonnenlichts sehr schnell verschwindet – in weniger als einer Hundertstelsekunde. Allerdings hat niemand überprüft, ob dieses Leuchten von der Emission einiger anderer Strahlen begleitet wird, die undurchsichtige Materialien durchdringen können, wie es bei Röntgen der Fall war. Genau das wollte Becquerel nach Poincarés Bericht überprüfen. Am 24. Februar 1896 sagte er bei der wöchentlichen Sitzung der Akademie, dass er eine in zwei Lagen dickes schwarzes Papier eingewickelte Fotoplatte genommen und Kristalle aus doppeltem Kaliumuranylsulfat K 2 UO 2 (SO 4) 2 2H2O darauf platziert habe Nachdem man die Fotoplatte entwickelt und sie mehrere Stunden lang dem Sonnenlicht ausgesetzt hat, kann man die etwas verschwommenen Umrisse der Kristalle darauf erkennen. Legt man eine Münze oder eine aus Zinn ausgeschnittene Figur zwischen die Platte und die Kristalle, so erscheint nach der Entwicklung ein klares Bild dieser Objekte auf der Platte.

All dies könnte auf einen Zusammenhang zwischen Fluoreszenz und Röntgenstrahlung hinweisen. Die kürzlich entdeckten Röntgenstrahlen können viel einfacher gewonnen werden – ohne Kathodenstrahlen und die dafür erforderliche Vakuumröhre und Hochspannung. Es musste jedoch überprüft werden, ob sich herausstellt, dass das Uransalz beim Erhitzen in der Sonne etwas freisetzt Eine Art Gas, das unter das schwarze Papier eindringt und auf die Fotoemulsion einwirkt. Um diese Möglichkeit auszuschließen, platzierte Becquerel eine Glasscheibe zwischen dem Uransalz und der Fotoplatte – sie leuchtete immer noch. „Von hier aus“, schloss Becquerel seine kurze Botschaft, „können wir schließen, dass das leuchtende Salz Strahlen aussendet, die das für Licht undurchsichtige schwarze Papier durchdringen und die Silbersalze in der Fotoplatte wiederherstellen.“ Als ob Poincaré Recht hätte und Röntgenstrahlen aus Röntgenstrahlen auf ganz andere Weise gewonnen werden könnten.

Becquerel begann viele Experimente durchzuführen, um die Bedingungen besser zu verstehen, unter denen Strahlen auftreten, die eine Fotoplatte beleuchten, und um die Eigenschaften dieser Strahlen zu untersuchen. Zwischen den Kristallen und der Fotoplatte platzierte er verschiedene Stoffe – unterschiedlich dicke Papier-, Glas-, Aluminium-, Kupfer- und Bleiplatten. Die Ergebnisse waren die gleichen wie bei Röntgen, was ebenfalls als Argument für die Ähnlichkeit beider Strahlungen dienen könnte. Zusätzlich zum direkten Sonnenlicht beleuchtete Becquerel das Uransalz mit Licht, das von einem Spiegel reflektiert oder von einem Prisma gebrochen wurde. Er erhielt, dass die Ergebnisse aller bisherigen Experimente in keinem Zusammenhang mit der Sonne standen; Wichtig war nur, wie lange sich das Uransalz in der Nähe der Fotoplatte befand. Am nächsten Tag berichtete Becquerel auf einer Sitzung der Akademie darüber, doch wie sich später herausstellte, kam er zu einer falschen Schlussfolgerung: Er kam zu dem Schluss, dass Uransalz, zumindest einmal im Licht „aufgeladen“, dann in der Lage sei, zu emittieren unsichtbare durchdringende Strahlen für lange Zeit.

Bis Ende des Jahres veröffentlichte Becquerel neun Artikel zu diesem Thema, in einem davon schrieb er: „Verschiedene Uransalze wurden in eine dickwandige Bleikiste gegeben... Geschützt vor der Einwirkung jeglicher bekannter Strahlung wurden diese Substanzen weitergeführt.“ in acht Monaten Strahlen auszusenden, die Glas und schwarzes Papier durchdringen.

Diese Strahlen stammen von jeder Uranverbindung, auch von solchen, die in der Sonne nicht leuchten. Die Strahlung von metallischem Uran erwies sich als noch stärker (etwa 3,5-fach). Es wurde offensichtlich, dass die Strahlung, obwohl sie in einigen Erscheinungsformen Röntgenstrahlen ähnelte, eine größere Durchdringungskraft hatte und irgendwie mit Uran verwandt war, weshalb Becquerel begann, sie „Uranstrahlen“ zu nennen.

Becquerel entdeckte auch, dass „Uranstrahlen“ die Luft ionisieren und sie so zu einem Stromleiter machen. Fast gleichzeitig, im November 1896, entdeckten die englischen Physiker J. J. Thomson und Ernest Rutherford (die Ionisierung von Luft unter dem Einfluss von Röntgenstrahlen). Um die Intensität der Strahlung zu messen, verwendete Becquerel ein Elektroskop, in dem die hellsten Goldblätter an ihren Enden aufgehängt waren und elektrostatisch geladen, stoßen sich ab und ihre freien Enden divergieren. Wenn die Luft Strom leitet, entlädt sich die Ladung von den Blättern und sie fallen ab – und zwar umso schneller, je höher die elektrische Leitfähigkeit der Luft und damit die Intensität der Strahlung ist.

Es blieb die Frage, wie ein Stoff eine kontinuierliche Strahlung aussendet, die über viele Monate hinweg ohne die Zufuhr von Energie aus einer externen Quelle nicht schwächer wird. Becquerel selbst schrieb, er könne nicht verstehen, woher Uran die Energie erhielt, die es kontinuierlich aussendet. Zu diesem Thema wurden verschiedene Hypothesen aufgestellt, die teilweise recht phantastisch waren. So schrieb beispielsweise der englische Chemiker und Physiker William Ramsay: „... Physiker waren ratlos, woher der unerschöpfliche Energievorrat der Uransalze kommen könnte.“ Lord Kelvin neigte zu der Annahme, dass Uran als eine Art Falle dient, die ansonsten nicht nachweisbare Strahlungsenergie einfängt, die uns durch den Weltraum erreicht, und sie in eine Form umwandelt, die sie in die Lage versetzt, chemische Effekte hervorzurufen.

Becquerel konnte diese Hypothese weder akzeptieren, noch etwas Plausibleres finden, noch das Prinzip der Energieerhaltung aufgeben. Es endete damit, dass er die Arbeit mit Uran für einige Zeit ganz aufgab und sich der Aufspaltung von Spektrallinien in einem Magnetfeld widmete. Dieser Effekt wurde fast zeitgleich mit der Entdeckung von Becquerel vom jungen niederländischen Physiker Pieter Zeeman entdeckt und von einem anderen Niederländer, Hendrik Anton Lorentz, erklärt.

Damit war die erste Phase der Radioaktivitätsforschung abgeschlossen. Albert Einstein verglich die Entdeckung der Radioaktivität mit der Entdeckung des Feuers, da er glaubte, dass sowohl Feuer als auch Radioaktivität gleichermaßen wichtige Meilensteine ​​in der Geschichte der Zivilisation seien.

Arten radioaktiver Strahlung.

Als in den Händen von Forschern starke Strahlungsquellen auftauchten, die millionenfach stärker waren als Uran (dies waren Präparate aus Radium, Polonium, Actinium), war es möglich, sich besser mit den Eigenschaften radioaktiver Strahlung vertraut zu machen. Ernest Rutherford, die Ehegatten Maria und Pierre Curie, A. Becquerel und viele andere beteiligten sich aktiv an den ersten Studien zu diesem Thema. Zunächst wurde die Durchdringungsfähigkeit der Strahlen sowie die Auswirkung des Magnetfeldes auf die Strahlung untersucht. Es stellte sich heraus, dass die Strahlung nicht gleichmäßig ist, sondern eine Mischung aus „Strahlen“ darstellt. Pierre Curie entdeckte, dass einige Strahlen abgelenkt werden, andere nicht, wenn ein Magnetfeld auf Radiumstrahlung einwirkt. Es war bekannt, dass ein Magnetfeld nur geladene fliegende Teilchen, positive und negative, in unterschiedliche Richtungen ablenkt. Aufgrund der Ablenkungsrichtung waren wir davon überzeugt, dass die abgelenkten B-Strahlen negativ geladen waren. Weitere Experimente zeigten, dass es keinen grundsätzlichen Unterschied zwischen Kathoden- und B-Strahlen gab, was bedeutete, dass sie einen Elektronenfluss darstellten.

Abgelenkte Strahlen hatten eine stärkere Fähigkeit, verschiedene Materialien zu durchdringen, während nicht abgelenkte Strahlen sogar von dünner Aluminiumfolie leicht absorbiert wurden – so verhielt sich beispielsweise die Strahlung des neuen Elements Polonium – seine Strahlung drang nicht einmal durch den Karton Wände der Kiste, in der das Medikament aufbewahrt wurde.

Beim Einsatz stärkerer Magnete stellte sich heraus, dass auch a-Strahlen abgelenkt werden, nur deutlich schwächer als b-Strahlen, und zwar in die andere Richtung. Daraus folgte, dass sie positiv geladen waren und eine deutlich größere Masse hatten (wie wir später herausfanden, ist die Masse eines Teilchens 7740-mal größer als die Masse eines Elektrons). Dieses Phänomen wurde erstmals 1899 von A. Becquerel und F. Giesel entdeckt. Später stellte sich heraus, dass a-Teilchen Kerne von Heliumatomen (Nuklid 4 He) mit einer Ladung von +2 und einer Masse von 4 Einheiten sind. ( cm. CARBON-EINHEIT.). Als der französische Physiker Paul Villar (1860–1934) im Jahr 1900 die Ablenkung von a- und b-Strahlen genauer untersuchte, entdeckte er in der Radiumstrahlung eine dritte Art von Strahlen, die in den stärksten Magnetfeldern nicht abgelenkt werden; bald von Becquerel bestätigt. Diese Art von Strahlung wurde in Analogie zu Alpha- und Betastrahlen Gammastrahlen genannt; die Bezeichnung verschiedener Strahlungen mit den Anfangsbuchstaben des griechischen Alphabets wurde von Rutherford vorgeschlagen. Es stellte sich heraus, dass Gammastrahlen den Röntgenstrahlen ähnlich waren, d. h. Es handelt sich um elektromagnetische Strahlung, allerdings mit kürzerer Wellenlänge und daher mehr Energie. Alle diese Strahlungsarten wurden von M. Curie beschrieben ( cm. RADIUM) in seiner Monographie „Radium und Radioaktivität“ (veröffentlicht 1904 in Paris, russische Übersetzung – 1905). Anstelle eines Magnetfelds kann zur „Aufspaltung“ der Strahlung auch ein elektrisches Feld verwendet werden, nur dass die darin enthaltenen geladenen Teilchen nicht senkrecht zu den Kraftlinien, sondern entlang dieser abgelenkt werden – in Richtung der Ablenkplatten.

Lange Zeit war unklar, woher all diese Strahlen kommen. Im Laufe mehrerer Jahrzehnte wurden durch die Arbeit vieler Physiker die Natur der radioaktiven Strahlung und ihre Eigenschaften geklärt und neue Arten von Radioaktivität entdeckt.

Alphastrahlen werden hauptsächlich von den Kernen der schwersten und daher weniger stabilen Atome emittiert (sie stehen im Periodensystem nach Blei). Dabei handelt es sich um hochenergetische Teilchen. Normalerweise werden mehrere Gruppen von a-Teilchen beobachtet, von denen jede eine genau definierte Energie hat. Somit haben fast alle von 226 Ra-Kernen emittierten a-Teilchen eine Energie von 4,78 MeV (Megaelektronenvolt) und ein kleiner Teil der a-Teilchen eine Energie von 4,60 MeV. Ein weiteres Radiumisotop, 221 Ra, emittiert vier Gruppen von a-Teilchen mit Energien von 6,76, 6,67, 6,61 und 6,59 MeV. Dies weist auf das Vorhandensein mehrerer Energieniveaus in Kernen hin; ihre Differenz entspricht der Energie der vom Kern emittierten g-Quanten. Es sind auch „reine“ Alphastrahler bekannt (z. B. 222 Rn).

Nach der Formel E = mu 2 /2 Sie können die Geschwindigkeit von a-Teilchen mit einer bestimmten Energie berechnen. Zum Beispiel 1 Mol a-Teilchen mit E= 4,78 MeV hat Energie (in SI-Einheiten) E= 4,78 10 6 eV ґ 96500 J/(eV mol) = 4,61 10 11 J/mol und Masse M= 0,004 kg/mol, von wo u» 15.200 km/s, was zehntausende Male schneller ist als die Geschwindigkeit einer Pistolenkugel. Alphateilchen haben die stärkste ionisierende Wirkung: Wenn sie mit anderen Atomen in einem Gas, einer Flüssigkeit oder einem Feststoff kollidieren, „entziehen“ sie ihnen Elektronen und erzeugen so geladene Teilchen. In diesem Fall verlieren a-Teilchen sehr schnell Energie: Sie werden sogar von einem Blatt Papier zurückgehalten. In der Luft breitet sich die a-Strahlung von Radium nur 3,3 cm aus, die a-Strahlung von Thorium 2,6 cm usw. Letztendlich fängt das a-Teilchen, das kinetische Energie verloren hat, zwei Elektronen ein und verwandelt sich in ein Heliumatom. Das erste Ionisierungspotential eines Heliumatoms (He – e ® He +) beträgt 24,6 eV, das zweite (He + – e ® He +2) beträgt 54,4 eV und ist damit viel größer als das aller anderen Atome. Beim Einfangen von Elektronen durch a-Teilchen wird enorme Energie freigesetzt (mehr als 7600 kJ/mol), sodass kein einziges Atom außer den Heliumatomen selbst in der Lage ist, seine Elektronen zurückzuhalten, wenn sich zufällig ein a-Teilchen in der Nähe befindet .

Die sehr hohe kinetische Energie der a-Teilchen ermöglicht es, sie mit bloßem Auge (oder mit Hilfe einer gewöhnlichen Lupe) zu „sehen“, dies wurde erstmals 1903 vom englischen Physiker und Chemiker William Crookes (1832 – 1919. Er klebte ein Körnchen Radiumsalz auf die Spitze einer Nadel, die für das Auge kaum sichtbar war, und befestigte die Nadel in einem breiten Glasrohr. An einem Ende dieses Röhrchens, nicht weit von der Nadelspitze entfernt, befand sich Eine Platte, die mit einer Leuchtstoffschicht (Zinksulfid) beschichtet war, und am anderen Ende befand sich eine Lupe. Wenn Sie den Leuchtstoff im Dunkeln untersuchen, können Sie sehen, dass das gesamte Sichtfeld mit blitzenden Funken übersät ist Jeder Funke geht sofort aus. Crookes nannte dieses Gerät ein Spinthariskop (aus dem Griechischen spintharis – Funke und Skopeo – ich schaue, ich beobachte). Mit dieser Methode war es beispielsweise möglich, die Avogadro-Konstante recht genau zu bestimmen ( cm. AVOGADROS GESETZ).

Im Kern werden Protonen und Neutronen durch Kernkräfte zusammengehalten. Daher war nicht klar, wie ein Alphateilchen, bestehend aus zwei Protonen und zwei Neutronen, den Kern verlassen konnte. Die Antwort gab 1928 der amerikanische Physiker (der 1933 aus der UdSSR emigrierte) George (Georgi Antonovich) Gamow). Nach den Gesetzen der Quantenmechanik haben a-Teilchen, wie alle Teilchen mit geringer Masse, Wellennatur und daher besteht eine geringe Wahrscheinlichkeit, dass sie außerhalb des Kerns auf einem kleinen (etwa 6) landen · 10–12 cm) Abstand davon. Sobald dies geschieht, erfährt das Teilchen eine Coulomb-Abstoßung von einem sehr nahe gelegenen positiv geladenen Kern.

Dem Alpha-Zerfall unterliegen vor allem schwere Kerne – mehr als 200 davon sind bekannt, und Alpha-Partikel werden von den meisten Isotopen der auf Wismut folgenden Elemente emittiert. Es sind leichtere Alphastrahler bekannt, hauptsächlich Atome seltener Erdelemente. Doch warum fliegen Alphateilchen aus dem Kern und nicht einzelne Protonen? Qualitativ erklärt sich dies durch den Energiegewinn beim a-Zerfall (a-Teilchen – Heliumkerne sind stabil). Die quantitative Theorie des a-Zerfalls entstand erst in den 1980er Jahren; an ihrer Entwicklung waren auch einheimische Physiker beteiligt, darunter Lev Davidovich Landau und Arkady Beinusovich Migdal (1911–1991), Leiter der Abteilung für Kernphysik an der Universität Woronesch, Stanislav Georgievich Kadmensky und Kollegen.

Der Abgang eines a-Teilchens vom Kern führt zum Kern eines anderen chemischen Elements, das im Periodensystem um zwei Zellen nach links verschoben wird. Ein Beispiel ist die Umwandlung von sieben Poloniumisotopen (Kernladung 84) in verschiedene Bleiisotope (Kernladung 82): 218 Po ® 214 Pb, 214 Po ® 210 Pb, 210 Po ® 206 Pb, 211 Po ® 207 Pb, 215 Po® 211 Pb, 212 Po® 208 Pb, 216 Po® 212 Pb. Die Bleiisotope 206 Pb, 207 Pb und 208 Pb sind stabil, der Rest ist radioaktiv.

Beta-Zerfall.

Beta-Zerfall tritt sowohl in schweren als auch in leichten Kernen wie Tritium auf. Diese leichten Teilchen (schnelle Elektronen) haben eine höhere Durchschlagskraft. So können b-Teilchen in der Luft mehrere zehn Zentimeter fliegen, in flüssigen und festen Stoffen – von Bruchteilen eines Millimeters bis etwa 1 cm. Im Gegensatz zu a-Teilchen ist das Energiespektrum von b-Strahlen nicht diskret. Die Energie der aus dem Kern austretenden Elektronen kann von nahezu Null bis zu einem bestimmten Maximalwert variieren, der für ein bestimmtes Radionuklid charakteristisch ist. Typischerweise ist die durchschnittliche Energie von b-Partikeln viel geringer als die von a-Partikeln; Beispielsweise beträgt die Energie der b-Strahlung von 228 Ra 0,04 MeV. Aber es gibt Ausnahmen; die b-Strahlung des kurzlebigen Nuklids 11 Be trägt also eine Energie von 11,5 MeV. Lange Zeit war unklar, wie Teilchen mit unterschiedlicher Geschwindigkeit aus identischen Atomen desselben Elements herausfliegen. Als der Aufbau des Atoms und des Atomkerns klar wurde, tauchte ein neues Rätsel auf: Woher kommen die aus dem Kern austretenden b-Teilchen – schließlich gibt es im Kern keine Elektronen? Nachdem der englische Physiker James Chadwick 1932 das Neutron entdeckt hatte, schlugen die russischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch Iwanenko (1904–1994) und Igor Jewgenjewitsch Tamm sowie unabhängig davon der deutsche Physiker Werner Heisenberg vor, dass Atomkerne aus Protonen und Neutronen bestehen. In diesem Fall sollten b-Teilchen durch den intranuklearen Prozess der Umwandlung eines Neutrons in ein Proton und ein Elektron entstehen: n ® p + e. Die Masse eines Neutrons ist etwas größer als die Gesamtmasse eines Protons und eines Elektrons, ein Massenüberschuss gemäß Einsteins Formel E = mc 2 gibt die kinetische Energie eines aus dem Kern austretenden Elektrons an, daher wird der b-Zerfall hauptsächlich in Kernen mit einer überschüssigen Anzahl an Neutronen beobachtet. Beispielsweise ist das Nuklid 226 Ra ein A-Strahler, und alle schwereren Radiumisotope (227 Ra, 228 Ra, 229 Ra und 230 Ra) sind B-Strahler.

Es blieb noch herauszufinden, warum B-Teilchen im Gegensatz zu A-Teilchen ein kontinuierliches Energiespektrum haben, was bedeutet, dass einige von ihnen eine sehr niedrige Energie haben, während andere eine sehr hohe Energie haben (und sich gleichzeitig mit einer Geschwindigkeit von nahezu bewegen). die Lichtgeschwindigkeit) . Darüber hinaus stellte sich heraus, dass die Gesamtenergie all dieser Elektronen (sie wurde mit einem Kalorimeter gemessen) geringer war als die Differenz zwischen der Energie des ursprünglichen Kerns und dem Produkt seines Zerfalls. Wieder einmal standen die Physiker vor einem „Verstoß“ gegen den Energieerhaltungssatz: Ein Teil der Energie des ursprünglichen Kerns verschwand an einem unbekannten Ort. Das unerschütterliche physikalische Gesetz wurde 1931 vom Schweizer Physiker Wolfgang Pauli „gerettet“, der vorschlug, dass beim b-Zerfall zwei Teilchen aus dem Kern fliegen: ein Elektron und ein hypothetisches neutrales Teilchen – ein Neutrino mit einer Masse von nahezu Null, das wegträgt überschüssige Energie. Das kontinuierliche Spektrum der b-Strahlung wird durch die Energieverteilung zwischen Elektronen und diesem Teilchen erklärt. Neutrinos (wie sich später herausstellte, entstehen beim b-Zerfall das sogenannte Elektron-Antineutrino) interagieren sehr schwach mit Materie (sie durchdringen beispielsweise leicht den Durchmesser des Globus und sogar eines riesigen Sterns) und wurden daher nicht entdeckt eine lange Zeit - experimentell freie Neutrinos wurden erst 1956 registriert. Das verfeinerte Beta-Zerfallsschema lautet also: n ® p + . Die quantitative Theorie des b-Zerfalls, basierend auf Paulis Vorstellungen über Neutrinos, wurde 1933 vom italienischen Physiker Enrico Fermi entwickelt, der auch den Namen Neutrino (auf Italienisch „Neutron“) vorschlug.

Die Umwandlung eines Neutrons in ein Proton beim b-Zerfall verändert die Masse des Nuklids praktisch nicht, erhöht aber die Ladung des Kerns um eins. Folglich wird ein neues Element gebildet, das im Periodensystem um eine Zelle nach rechts verschoben wird, zum Beispiel: ®, ®, ein stabiles Nuklid wird erhalten (anhand dieses Beispiels entdeckte Alvarez diese Art von Radioaktivität).

Beim K-Einfang in der Elektronenhülle eines Atoms „sinkt“ ein Elektron von einem höheren Energieniveau an die Stelle des verschwundenen Elektrons, die überschüssige Energie wird entweder in Form von Röntgenstrahlen freigesetzt oder für den Abgang von dort aufgewendet Das Atom besteht aus einem oder mehreren schwächer gebundenen Elektronen – den sogenannten Auger-Elektronen, benannt nach dem französischen Physiker Pierre Auger (1899–1993), der diesen Effekt 1923 entdeckte (er nutzte ionisierende Strahlung, um innere Elektronen auszuschalten).

Im Jahr 1940 entdeckten Georgy Nikolaevich Flerov (1913–1990) und Konstantin Antonovich Petrzhak (1907–1998) am Beispiel von Uran die spontane Spaltung, bei der ein instabiler Kern in zwei leichtere Kerne zerfällt, deren Massen sich kaum unterscheiden viel, zum Beispiel :) . Dieser Prozess geht mit der Freisetzung enormer Energie (im Vergleich zu chemischen Reaktionen) einher, die zur Entwicklung von Atomwaffen und zum Bau von Kernkraftwerken führte.

1934 entdeckten Marie Curies Tochter Irène Joliot-Curie und ihr Ehemann Frédéric Joliot-Curie den Positronenzerfall. Dabei verwandelt sich eines der Protonen des Kerns in ein Neutron und ein Antielektron (Positron) – ein Teilchen mit gleicher Masse, aber positiv geladen; Gleichzeitig fliegt ein Neutrino aus dem Kern: p ® n + e + + 238. Die Masse des Kerns ändert sich nicht, aber es kommt zu einer Verschiebung, anders als bei b – Zerfall, nach links, b + Zerfall ist charakteristisch für Kerne mit ein Überschuss an Protonen (die sogenannten neutronenarmen Kerne). Somit sind die schweren Sauerstoffisotope 19 O, 20 O und 21 O b – aktiv, und seine leichten Isotope 14 O und 15 O b + sind aktiv, zum Beispiel: 14 O ® 14 N + e + + 238. Wie Antiteilchen , Positronen werden sofort zerstört (vernichtet), wenn sie auf Elektronen treffen und zwei g-Quanten entstehen. Der Positronenzerfall konkurriert häufig mit dem K-Einfang.

1982 wurde die Protonenradioaktivität entdeckt: die Emission eines Protons durch einen Kern (dies ist nur bei einigen künstlich erzeugten Kernen mit überschüssiger Energie möglich). Im Jahr 1960 sagte der physikalische Chemiker Vitaly Iosifovich Goldansky (1923–2001) theoretisch die Zwei-Protonen-Radioaktivität voraus: den Ausstoß zweier Protonen mit gepaarten Spins aus einem Kern. Es wurde erstmals 1970 beobachtet. Zwei-Neutronen-Radioaktivität wird ebenfalls sehr selten beobachtet (entdeckt 1979).

Im Jahr 1984 wurde die Radioaktivität von Clustern entdeckt (vom englischen Cluster – Haufen, Schwarm). In diesem Fall zerfällt der Kern im Gegensatz zur spontanen Spaltung in Fragmente mit sehr unterschiedlichen Massen. Aus einem schweren Kern fliegen beispielsweise Kerne mit Massen von 14 bis 34 sehr selten heraus, und dies hat dazu geführt lange Zeit schwer zu erkennen.

Manche Kerne können in verschiedene Richtungen zerfallen. Beispielsweise zerfällt 221 Rn zu 80 % unter Emission von b-Partikeln und zu 20 % unter a-Partikeln; viele Isotope seltener Erdelemente (137 Pr, 141 Nd, 141 Pm, 142 Sm usw.) zerfallen entweder durch Elektroneneinfang oder mit Positronenemission. Verschiedene Arten radioaktiver Strahlung gehen oft (aber nicht immer) mit G-Strahlung einher. Dies geschieht, weil der entstehende Kern möglicherweise überschüssige Energie hat, aus der er durch Emission von Gammastrahlen freigesetzt wird. Die Energie der G-Strahlung liegt in einem weiten Bereich, zum Beispiel beträgt sie beim Zerfall von 226 Ra 0,186 MeV und beim Zerfall von 11 Be erreicht sie 8 MeV.

Ilja Leenson

Literatur:

Staroselskaya-Nikitina O.A. Geschichte der Radioaktivität und die Entstehung der Kernphysik. M., Verlag der Akademie der Wissenschaften der UdSSR, 1963
Kudryavtsev L.S. Geschichte der Physik, Bd. 2, 3. M., Bildung, 1956, 1971
Soddy F. Geschichte der Atomenergie. M., Atomizdat, 1979
Kadmensky S.G. Radioaktivität von Atomkernen: Geschichte, Ergebnisse, neueste Errungenschaften. „Soros Educational Journal“, 1999, Nr. 11



Unter Radioaktivität versteht man die Fähigkeit von Atomen bestimmter Isotope, spontan zu zerfallen und Strahlung auszusenden. Becquerel war der Erste, der eine solche von Uran emittierte Strahlung entdeckte, weshalb radioaktive Strahlung zunächst Becquerel-Strahlen genannt wurde. Die Hauptart des radioaktiven Zerfalls ist der Ausstoß von Alphateilchen aus dem Atomkern – Alphazerfall (siehe Alphastrahlung) oder Betateilchen – Betazerfall (siehe Betastrahlung).

Beim radioaktiven Zerfall verwandelt sich das ursprüngliche Element in ein Atom eines anderen Elements. Durch den Ausstoß eines Alphateilchens, das eine Kombination aus zwei Protonen und zwei Neutronen ist, aus dem Kern eines Atoms verringert sich die Massenzahl des resultierenden Atoms (siehe) um vier Einheiten, und es stellt sich heraus, dass dies der Fall ist in der Tabelle von D. I. Mendeleev um zwei Zellen nach links verschoben, da die Ordnungszahl eines Elements in der Tabelle gleich der Anzahl der Protonen im Atomkern ist. Wenn ein Betateilchen (Elektron) ausgestoßen wird, wird ein Neutron im Kern in ein Proton umgewandelt, wodurch das resultierende Atom in D.I. Mendelejews Tabelle um eine Zelle nach rechts verschoben wird. Seine Masse bleibt nahezu unverändert. Der Ausstoß eines Betateilchens ist normalerweise mit (siehe) verbunden.

Der Zerfall eines radioaktiven Isotops erfolgt nach dem folgenden Gesetz: Die Anzahl der Atome, die pro Zeiteinheit zerfallen (n), ist proportional zur Anzahl der Atome (N), die zu einem bestimmten Zeitpunkt verfügbar sind, d. h. n=λN; Der Koeffizient λ wird als radioaktive Zerfallskonstante bezeichnet und hängt mit der Halbwertszeit des Isotops (T) durch das Verhältnis λ = 0,693/T zusammen. Dieses Zerfallsgesetz führt dazu, dass sich für jede Zeitspanne, die der Halbwertszeit T entspricht, die Menge des Isotops halbiert. Wenn sich herausstellt, dass die durch den radioaktiven Zerfall entstandenen Atome auch radioaktiv sind, sammeln sie sich nach und nach an, bis sich ein radioaktives Gleichgewicht zwischen den Mutter- und Tochterisotopen einstellt; In diesem Fall ist die Anzahl der pro Zeiteinheit gebildeten Atome des Tochterisotops gleich der Anzahl der gleichzeitig zerfallenden Atome.

Es sind über 40 natürlich vorkommende radioaktive Isotope bekannt. Die meisten von ihnen gehören zu drei radioaktiven Serien (Familien): Uran-Radium und Aktinium. Alle diese radioaktiven Isotope sind in der Natur weit verbreitet. Ihr Vorkommen in Gesteinen, Gewässern, der Atmosphäre, Pflanzen und lebenden Organismen verursacht natürliche oder natürliche Radioaktivität.

Neben natürlichen radioaktiven Isotopen sind mittlerweile etwa tausend künstlich radioaktive Isotope bekannt. Sie werden durch Kernreaktionen, hauptsächlich in Kernreaktoren, gewonnen (siehe). Viele natürliche und künstliche radioaktive Isotope werden in der Medizin häufig zur Behandlung (siehe Strahlentherapie) und insbesondere zur Diagnose von Krankheiten (siehe) eingesetzt. Siehe auch Ionisierende Strahlung.

Radioaktivität (von lateinisch radius – Strahl und activus – wirksam) ist die Fähigkeit instabiler Atomkerne, sich spontan in andere, stabilere oder stabilere Kerne umzuwandeln. Solche Umwandlungen von Kernen werden als radioaktiv bezeichnet, und die Kerne selbst oder die entsprechenden Atome werden als radioaktive Kerne (Atome) bezeichnet. Bei radioaktiven Umwandlungen geben Kerne Energie entweder in Form geladener Teilchen oder in Form von Gammastrahlen elektromagnetischer Strahlung bzw. Gammastrahlen ab.

Umwandlungen, bei denen der Kern eines chemischen Elements in den Kern eines anderen Elements mit einer anderen Ordnungszahl umgewandelt wird, werden als radioaktiver Zerfall bezeichnet. Radioaktive Isotope (siehe), die unter natürlichen Bedingungen gebildet werden und existieren, werden als natürlich radioaktiv bezeichnet; Dieselben Isotope, die künstlich durch Kernreaktionen gewonnen werden, sind künstlich radioaktiv. Es gibt keinen grundsätzlichen Unterschied zwischen natürlich und künstlich radioaktiven Isotopen, da die Eigenschaften von Atomkernen und den Atomen selbst nur durch die Zusammensetzung und Struktur des Kerns bestimmt werden und nicht von der Art ihrer Entstehung abhängen.

Die Radioaktivität wurde 1896 von A. N. Becquerel entdeckt, der die Strahlung von Uran entdeckte (siehe), die eine Schwärzung der Fotoemulsion verursachen und die Luft ionisieren kann. Curie-Sklodowska maß als erster die Strahlungsintensität von Uran und entdeckte gleichzeitig mit dem deutschen Wissenschaftler G. S. Schmidt die Radioaktivität in Thorium (siehe). Die Eigenschaft von Isotopen, spontan unsichtbare Strahlung auszusenden, wurde von den Curies als Radioaktivität bezeichnet. Im Juli 1898 berichteten sie über die Entdeckung eines neuen radioaktiven Elements, Polonium, im Uranharzerz (siehe). Im Dezember 1898 entdeckten sie zusammen mit G. Bemont Radium (siehe).

Nach der Entdeckung radioaktiver Elemente stellten mehrere Autoren (Becquerel, die Curies, Rutherford usw.) fest, dass diese Elemente drei Arten von Strahlen aussenden können, die sich in einem Magnetfeld unterschiedlich verhalten. Auf Vorschlag von Rutherford (E. Rutherford, 1902) wurden diese Strahlen Alpha- (siehe Alphastrahlung), Beta- (siehe Betastrahlung) und Gammastrahlen (siehe Gammastrahlung) genannt. Alphastrahlen bestehen aus positiv geladenen Alphateilchen (doppelt ionisierte Heliumatome He4); Betastrahlen – von negativ geladenen Teilchen geringer Masse – Elektronen; Gammastrahlen ähneln in ihrer Natur Röntgenstrahlen und sind Quanten elektromagnetischer Strahlung.

Im Jahr 1902 erklärten Rutherford und F. Soddy das Phänomen der Radioaktivität durch die spontane Umwandlung von Atomen eines Elements in Atome eines anderen Elements, die nach den Gesetzen des Zufalls erfolgte und mit der Freisetzung von Energie in Form von Alpha, Beta und einherging gamma Strahlen.

Im Jahr 1910 erhielt M. Curie-Sklodowska zusammen mit A. Debierne reines metallisches Radium und untersuchte dessen radioaktive Eigenschaften, insbesondere maß sie die Zerfallskonstante von Radium. Bald wurden eine Reihe weiterer radioaktiver Elemente entdeckt. Debierne und F. Giesel entdeckten die Seeanemone. Hahn (O. Halm) entdeckte Radiothorium und Mesothorium, Boltwood (V.V. Boltwood) entdeckte Ionium, Hahn und Meitner (L. Meitner) entdeckten Protactinium. Alle Isotope dieser Elemente sind radioaktiv. Im Jahr 1903 zeigten Pierre Curie und S. A. Laborde, dass ein Radiumpräparat immer eine erhöhte Temperatur aufweist und dass 1 g Radium mit seinen Zerfallsprodukten in einer Stunde etwa 140 kcal freisetzt. Im selben Jahr entdeckten W. Ramsay und Soddy, dass eine versiegelte Radiumampulle Heliumgas enthielt. Die Arbeiten von Rutherford, F. Dorn, Debierne und Giesel zeigten, dass sich unter den Zerfallsprodukten von Uran und Thorium schnell zerfallende radioaktive Gase befinden, die als Emanationen von Radium, Thorium und Actinium (Radon, Thoron, Actinon) bezeichnet werden. So wurde nachgewiesen, dass sich Radiumatome beim Zerfall in Helium- und Radonatome verwandeln. Die Gesetze der radioaktiven Umwandlung einiger Elemente in andere während Alpha- und Betazerfällen (Verdrängungsgesetze) wurden zuerst von Soddy, K. Fajans und W. J. Russell formuliert.

Diese Gesetze lauten wie folgt. Beim Alpha-Zerfall erzeugt das ursprüngliche Element immer ein anderes Element, das sich im Periodensystem von D.I. Mendelejew zwei Zellen links vom ursprünglichen Element befindet (die Ordnungszahl ist 2 kleiner als die ursprüngliche); Während des Beta-Zerfalls erzeugt das ursprüngliche Element immer ein anderes Element, das sich im Periodensystem eine Zelle rechts vom ursprünglichen Element befindet (die Ordnungszahl ist um eins größer als die des ursprünglichen Elements).

Die Untersuchung der Umwandlungen radioaktiver Elemente führte zur Entdeckung von Isotopen, d. h. Atomen, die die gleichen chemischen Eigenschaften und Ordnungszahlen haben, sich aber in Masse und physikalischen Eigenschaften, insbesondere in den radioaktiven Eigenschaften (Art der Strahlung, Zerfallsrate), voneinander unterscheiden ). Von der großen Zahl der entdeckten radioaktiven Stoffe erwiesen sich nur Radium (Ra), Radon (Rn), Polonium (Po) und Protactinium (Pa) als neue Elemente, der Rest waren Isotope des bisher bekannten Urans (U), Thorium (Th), Blei (Pb), Thallium (Tl) und Wismut (Bi).

Nachdem Rutherford die Kernstruktur von Atomen entdeckte und bewies, dass es der Kern ist, der alle Eigenschaften des Atoms bestimmt, insbesondere die Struktur seiner elektronischen Hüllen und seine chemischen Eigenschaften (siehe Atom, Atomkern), wurde klar, dass radioaktive Umwandlungen sind mit der Umwandlung von Atomkernen verbunden. Durch weitere Untersuchungen der Struktur von Atomkernen konnte der Mechanismus radioaktiver Umwandlungen vollständig entschlüsselt werden.

Die erste künstliche Umwandlung von Kernen – die Kernreaktion (siehe) – wurde 1919 von Rutherford durchgeführt, indem er die Kerne von Stickstoffatomen mit Polonium-Alpha-Partikeln beschoss. Gleichzeitig emittierten Stickstoffkerne Protonen (siehe) und verwandelten sich in O17-Sauerstoffkerne. Im Jahr 1934 waren F. Joliot-Curie und I. Joliot-Curie die ersten, die künstlich ein radioaktives Phosphorisotop durch Beschuss von Al-Atomen mit Alphateilchen erhielten. P30-Kerne emittierten im Gegensatz zu den Kernen natürlich radioaktiver Isotope beim Zerfall keine Elektronen, sondern Positronen (siehe Kosmische Strahlung) und verwandelten sich in stabile Siliziumkerne Si30. So wurden 1934 gleichzeitig künstliche Radioaktivität und eine neue Art des radioaktiven Zerfalls – der Positronenzerfall oder β + -Zerfall – entdeckt.

Die Joliot-Curies vertraten die Idee, dass alle schnellen Teilchen (Protonen, Deuteronen, Neutronen) Kernreaktionen auslösen und zur Gewinnung natürlich radioaktiver Isotope genutzt werden können. Fermi (E. Fermi) und Mitarbeiter erhielten durch den Beschuss verschiedener Elemente mit Neutronen radioaktive Isotope fast aller chemischen Elemente. Derzeit wurden mit Hilfe beschleunigter geladener Teilchen (siehe Beschleuniger für geladene Teilchen) und Neutronen verschiedenste Kernreaktionen durchgeführt, wodurch es möglich wurde, beliebige radioaktive Isotope zu gewinnen.

1937 entdeckte L. Alvarez eine neue Art der radioaktiven Umwandlung – den Elektroneneinfang. Beim Elektroneneinfang fängt der Atomkern ein Elektron aus der Atomhülle ein und verwandelt sich in den Kern eines anderen Elements. 1939 entdeckten Hahn und F. Strassmann die Spaltung eines Urankerns in leichtere Kerne (Spaltfragmente) durch Beschuss mit Neutronen. Im selben Jahr zeigten Flerov und Pietrzak, dass der Spaltungsprozess von Urankernen spontan und ohne äußere Einwirkung abläuft. So entdeckten sie eine neue Art der radioaktiven Umwandlung – die spontane Spaltung schwerer Kerne.

Derzeit sind die folgenden Arten radioaktiver Umwandlungen bekannt, die ohne äußere Einflüsse, spontan und nur aus internen Gründen auftreten, die durch die Struktur der Atomkerne bestimmt werden.

1. Alpha-Zerfall. Ein Kern mit der Ordnungszahl Z und der Massenzahl A emittiert ein Alphateilchen – einen Heliumkern He4 – und verwandelt sich in einen anderen Kern, dessen Z um 2 Einheiten kleiner und A um 4 Einheiten kleiner ist als der des ursprünglichen Kerns. Im Allgemeinen wird der Alpha-Zerfall wie folgt geschrieben:

Dabei ist X der ursprüngliche Kern und Y der Kern des Zerfallsprodukts.

2. Beta-Zerfall Es gibt zwei Arten: Elektron und Positron oder β - - und β + -Zerfall (siehe Betastrahlung). Beim elektronischen Zerfall fliegen ein Elektron und ein Neutrino aus dem Kern und es entsteht ein neuer Kern mit der gleichen Massenzahl A, aber mit einer um eins größeren Ordnungszahl Z als die des ursprünglichen Kerns:

Beim Positronenzerfall emittiert ein Kern ein Positron und ein Neutrino und es entsteht ein neuer Kern mit der gleichen Massenzahl, aber mit Z um eins kleiner als die des ursprünglichen Kerns:

Beim Betazerfall werden durchschnittlich 2/3 der Kernenergie durch Neutrinoteilchen (Neutrinoteilchen) abtransportiert (Neutrinoteilchen mit sehr geringer Masse, die nur sehr schwach mit Materie wechselwirken).

3. Elektronische Erfassung(früher K-Grab genannt). Der Kern fängt ein Elektron aus einer der Schalen des Atoms, am häufigsten aus der K-Schale, ein, emittiert ein Neutrino und verwandelt sich in einen neuen Kern mit der gleichen Massenzahl A, aber mit einer Ordnungszahl Z, die um 1 kleiner ist als die von der ursprüngliche Kern.

Die Umwandlung von Kernen beim Elektroneneinfang und beim Positronenzerfall ist die gleiche, daher werden diese beiden Arten des Zerfalls bei denselben Kernen gleichzeitig beobachtet, d. h. sie konkurrieren. Da nach dem Einfangen eines Elektrons aus der inneren Hülle eines Atoms ein Elektron aus einer der vom Kern weiter entfernten Bahnen an seinen Platz gelangt, geht mit dem Einfangen eines Elektrons immer die Emission röntgencharakteristischer Strahlung einher.

4. Isomerer Übergang. Nach der Emission eines Alpha- oder Betateilchens befinden sich einige Kernarten in einem angeregten Zustand (einem Zustand mit überschüssiger Energie) und geben Anregungsenergie in Form von Gammaquanten ab (siehe Gammastrahlung). In diesem Fall emittiert der Kern beim radioaktiven Zerfall neben Alpha- oder Betateilchen auch Gammaquanten. So emittieren die Kerne des Sr90-Isotops nur β-Teilchen, während die Na24-Kerne neben β-Teilchen auch Gammastrahlen emittieren. Die meisten Kerne befinden sich für sehr kurze, nicht messbare Zeiträume (weniger als 10 -9 Sek.) in einem angeregten Zustand. Allerdings können sich nur relativ wenige Kerne über relativ lange Zeiträume – bis zu mehreren Monaten – in einem angeregten Zustand befinden. Solche Kerne werden Isomere genannt, und ihre entsprechenden Übergänge von einem angeregten Zustand in einen Normalzustand, die nur mit der Emission von Gammastrahlen einhergehen, sind isomer. Bei den Isomerenübergängen A und Z verändern sich die Kerne nicht. Radioaktive Kerne, die nur Alpha- oder Betateilchen aussenden, werden als reine Alpha- oder Betastrahler bezeichnet. Kerne, bei denen der Alpha- oder Beta-Zerfall mit der Emission von Gammastrahlen einhergeht, werden als Gammastrahler bezeichnet. Nur Kerne, die sich über längere Zeit in einem angeregten Zustand befinden, also isomere Übergänge durchlaufen, sind reine Gammastrahler.

5. Spontane Kernspaltung. Durch die Spaltung entstehen aus einem Kern zwei leichtere Kerne – Spaltfragmente. Da identische Kerne auf unterschiedliche Weise in zwei Kerne geteilt werden können, entstehen bei der Spaltung viele verschiedene Paare leichterer Kerne mit unterschiedlichem Z und A. Bei der Spaltung werden Neutronen freigesetzt, durchschnittlich 2-3 Neutronen pro Kernspaltungsereignis Gammaquanten. Alle bei der Spaltung entstehenden Fragmente sind instabil und unterliegen einem β-Zerfall. Die Wahrscheinlichkeit einer Spaltung ist für Uran sehr gering, steigt jedoch mit zunehmendem Z. Dies erklärt das Fehlen von Kernen, die schwerer als Uran sind, auf der Erde. In stabilen Kernen gibt es ein bestimmtes Verhältnis zwischen der Anzahl der Protonen und der Neutronenzahl, bei dem der Kern am stabilsten ist, d. h. die höchste Bindungsenergie der Teilchen im Kern. Für leichte und mittlere Kerne entspricht ihre größte Stabilität einem ungefähr gleichen Gehalt an Protonen und Neutronen. Bei schwereren Kernen wird ein relativer Anstieg der Neutronenzahl in stabilen Kernen beobachtet. Bei einem Überschuss an Protonen oder Neutronen im Kern sind Kerne mit einem Durchschnittswert von A instabil und unterliegen β- oder β+-Zerfällen, bei denen es zur gegenseitigen Umwandlung eines Neutrons und eines Protons kommt. Bei einem Überschuss an Neutronen (schweren Isotopen) wandelt sich eines der Neutronen in ein Proton unter Emission eines Elektrons und eines Neutrinos um:

Bei einem Überschuss an Protonen (leichten Isotopen) wandelt sich eines der Protonen in ein Neutron um und emittiert entweder ein Positron und ein Neutrino (β + Zerfall) oder nur ein Neutrino (Elektroneneinfang):

Alle schweren Kerne mit einer Ordnungszahl größer als Pb82 sind instabil, da sich eine erhebliche Anzahl von Protonen gegenseitig abstößt. In diesen Kernen kommt es zu Ketten aufeinanderfolgender Alpha- und Betazerfälle, bis sich stabile Kerne aus Bleiisotopen bilden. Mit der Verbesserung der experimentellen Techniken zeigen immer mehr Kerne, die zuvor als stabil galten, einen sehr langsamen radioaktiven Zerfall. Derzeit sind 20 radioaktive Isotope mit Z kleiner als 82 bekannt.

Infolge radioaktiver Umwandlungen nimmt die Anzahl der Atome eines bestimmten Isotops kontinuierlich ab. Das Gesetz der Abnahme der Anzahl aktiver Atome im Laufe der Zeit (das Gesetz des radioaktiven Zerfalls) gilt für alle Arten von Umwandlungen und alle Isotope. Es ist statistischer Natur (gilt nur für eine große Anzahl radioaktiver Atome) und lautet wie folgt. Die Anzahl der aktiven Atome eines bestimmten Isotops, die pro Zeiteinheit zerfallen ΔN/Δt, ist proportional zur Anzahl der aktiven Atome N, d. h. der gleiche Bruchteil k aktiver Atome eines bestimmten Isotops zerfällt pro Zeiteinheit, unabhängig von ihrer Anzahl. Die Größe k wird radioaktive Zerfallskonstante genannt und stellt den Anteil der aktiven Atome dar, die pro Zeiteinheit zerfallen, oder die relative Zerfallsrate. k wird in Einheiten gemessen, die reziprok zu Zeiteinheiten sind, d. h. in Sek.-1 (1/Sek.), Tag-1, Jahr-1 usw., für jedes radioaktive Isotop hat es seinen eigenen spezifischen Wert, der innerhalb sehr großer Grenzen variiert Grenzwerte für verschiedene Isotope. Der Wert, der die absolute Zerfallsrate charakterisiert, wird als Aktivität eines bestimmten Isotops oder Arzneimittels bezeichnet. Die Aktivität von 1 g eines Stoffes wird als spezifische Aktivität des Stoffes bezeichnet.

Aus dem Gesetz des radioaktiven Zerfalls folgt, dass die Abnahme der Anzahl aktiver N-Atome zunächst schnell und dann immer langsamer erfolgt. Die Zeit, in der die Anzahl der aktiven Atome oder die Aktivität eines bestimmten Isotops um die Hälfte abnimmt, wird als Halbwertszeit (T) dieses Isotops bezeichnet. Das Gesetz der Abnahme von N ab dem Zeitpunkt t ist exponentiell und hat den folgenden analytischen Ausdruck: N=N0e-λt, wobei N0 die Anzahl der aktiven Atome zu Beginn der Zeit (r=0) und N die Anzahl der aktiven Atome ist Nach der Zeit t ist e die Basis des natürlichen Logarithmus (eine Zahl gleich 2,718...). Zwischen der Zerfallskonstante k und der Halbwertszeit λ besteht folgender Zusammenhang: λT-0,693. Von hier

Halbwertszeiten werden in Sekunden und Minuten gemessen. usw. und für verschiedene Isotope variieren über einen sehr weiten Bereich von kleinen Bruchteilen einer Sekunde bis zu 10+21 Jahren. Isotope mit großem λ und kleinem T werden als kurzlebig bezeichnet, Isotope mit kleinem λ und großem T als langlebig. Besteht der Wirkstoff aus mehreren radioaktiven Isotopen mit unterschiedlichen Halbwertszeiten, die genetisch nicht miteinander verwandt sind, dann nimmt mit der Zeit auch die Aktivität des Stoffes kontinuierlich ab und die Isotopenzusammensetzung des Arzneimittels ändert sich ständig: das Verhältnis Der Anteil kurzlebiger Isotope nimmt ab und der Anteil langlebiger Isotope nimmt zu. Nach ausreichend langer Zeit verbleibt praktisch nur noch das langlebigste Isotop im Präparat. Aus den Zerfallskurven radioaktiver Stoffe, die aus einem Isotop oder einer Mischung von Isotopen bestehen, ist es möglich, die Halbwertszeiten einzelner Isotope und ihre relativen Aktivitäten für jeden Zeitpunkt zu bestimmen.

Die Gesetze zur Veränderung der Aktivität genetisch verwandter Isotope sind qualitativ unterschiedlich; sie hängen vom Verhältnis ihrer Halbwertszeiten ab. Für zwei genetisch verwandte Isotope mit einer Periode T1 für das ursprüngliche Isotop und T2 für das Zerfallsprodukt haben diese Gesetze die einfachste Form. Bei T1>T2 nimmt die Aktivität des anfänglichen Isotops Q1 exponentiell mit der Halbwertszeit T1 ab. Durch den Zerfall der Kerne des Ausgangsisotops entstehen Kerne des Endisotops und seine Q2-Aktivität nimmt zu. Nach einer bestimmten Zeit nähert sich die Zerfallsrate der Kerne des zweiten Isotops der Geschwindigkeit der Kernbildung dieses Isotops aus dem ursprünglichen Isotop an (Zerfallsrate des ursprünglichen Isotops Q1) und diese Raten werden in einem bestimmten Bereich liegen und für den Rest der Zeit ein konstantes Verhältnis - es stellt sich ein radioaktives Gleichgewicht ein.

Die Aktivität des Ausgangsisotops nimmt mit der Periode T1 kontinuierlich ab, daher nimmt nach Erreichen des radioaktiven Gleichgewichts auch die Aktivität des Endisotops Q2 und die Gesamtaktivität der beiden Isotope Q1 + Q2 mit der Halbwertszeit des Ausgangsisotops ab T1. Wenn T1>T2 Q2=Q1. Wenn aus einem anfänglichen langlebigen Isotop nacheinander mehrere kurzlebige Isotope gebildet werden, wie dies in der radioaktiven Reihe von Uran und Radium der Fall ist, werden nach Erreichen des Gleichgewichts die Aktivitäten jedes kurzlebigen Isotops nahezu gleich der Aktivität von das ursprüngliche Isotop. In diesem Fall entspricht die Gesamtaktivität der Summe der Aktivitäten aller kurzlebigen Zerfallsprodukte und nimmt mit der Halbwertszeit des ursprünglichen langlebigen Isotops ab, ebenso wie die Aktivität aller Isotope im Gleichgewicht.

Das radioaktive Gleichgewicht wird praktisch in einer Zeit erreicht, die 5–10 Halbwertszeiten des Isotops aus den Zerfallsprodukten mit der längsten Halbwertszeit entspricht. Wenn T1

Zu den natürlich radioaktiven Isotopen gehören etwa 40 Isotope des Periodensystems der Elemente mit Z größer als 82, die drei aufeinanderfolgende Reihen radioaktiver Umwandlungen bilden: die Uranreihe (Abb. 1), die Thoriumreihe (Abb. 2) und die Aktiniumreihe ( Abb. 3). Durch aufeinanderfolgende Alpha- und Beta-Zerfälle werden aus den anfänglichen Isotopen der Reihe die endgültigen stabilen Bleiisotope erhalten.

Reis. 1. Uran-Reihe.


Reis. 2. Thorium-Reihe.


Reis. 3. Seeanemonenreihe.

Die Pfeile in den Abbildungen zeigen aufeinanderfolgende radioaktive Umwandlungen an und geben die Art des Zerfalls und den Prozentsatz der Atome an, die dieser Art zerfallen. Horizontale Pfeile zeigen Transformationen an, die in fast 100 % der Fälle auftreten, und geneigte Pfeile zeigen Transformationen an, die in einem kleinen Teil der Fälle auftreten. Bei der Bezeichnung von Isotopen wird deren Halbwertszeit angegeben. In Klammern sind die früheren Namen der Mitglieder der Reihe aufgeführt, die auf eine genetische Verwandtschaft hinweisen. Ohne Klammern sind die derzeit akzeptierten Bezeichnungen der Isotope aufgeführt, die ihrer chemischen und physikalischen Natur entsprechen. Langlebige Isotope sind in Rahmen eingeschlossen, und terminale stabile Isotope sind in Doppelrahmen eingeschlossen. Der Alpha-Zerfall wird normalerweise von Gammastrahlung sehr geringer Intensität begleitet; einige Betastrahler emittieren intensive Gammastrahlung. Der natürliche Hintergrund ist auf natürliche Radioaktivitätsstrahlung und den Einfluss natürlich radioaktiver Isotope zurückzuführen, die auf der Erdoberfläche, in der Biosphäre und in der Luft enthalten sind, sowie auf kosmische Strahlung (siehe). Zusätzlich zu diesen Isotopen enthalten verschiedene Stoffe auch das K40-Isotop und etwa 20 weitere radioaktive Isotope mit sehr langen Halbwertszeiten (von 109 bis 1021 Jahren), weshalb ihre relative Aktivität im Vergleich zur Aktivität anderer sehr gering ist Isotope.

Die in der Erdhülle enthaltenen radioaktiven Isotope spielten und spielen eine herausragende Rolle bei der Entwicklung unseres Planeten, insbesondere bei der Entwicklung und Erhaltung des Lebens, da sie die auf der Erde auftretenden Wärmeverluste kompensierten und für die praktische Konstanz der Temperatur sorgten der Planet seit vielen Millionen Jahren. Radioaktive Isotope kommen wie alle anderen Isotope in der Natur überwiegend in dispergiertem Zustand vor und kommen in allen Stoffen, pflanzlichen und tierischen Organismen vor.

Aufgrund der unterschiedlichen physikalisch-chemischen Eigenschaften von Isotopen fällt ihr relativer Gehalt in Böden und Gewässern unterschiedlich aus. Gasförmige Zerfallsprodukte von Uran, Thorium und Actinium – Thoron, Radon und Actinon – gelangen kontinuierlich aus dem Bodenwasser in die Luft. Neben diesen gasförmigen Produkten enthält die Luft auch alpha- und betaaktive Zerfallsprodukte von Radium, Thorium und Actinium (in Form von Aerosolen). Aus dem Boden gelangen radioaktive Elemente wie stabile Elemente zusammen mit dem Bodenwasser in Pflanzen, sodass die Stängel und Blätter von Pflanzen immer Uran, Radium, Thorium mit ihren Zerfallsprodukten, Kalium und eine Reihe anderer Isotope enthalten, wenn auch in relativ geringen Konzentrationen . Pflanzen und Tiere enthalten auch die Isotope C14, H3, Be7 und andere, die in der Luft unter dem Einfluss von Neutronen aus der kosmischen Strahlung entstehen. Da zwischen dem menschlichen Körper und der Umwelt ein ständiger Austausch stattfindet, sind alle in Nahrung, Wasser und Luft enthaltenen radioaktiven Isotope auch im Körper enthalten. Isotope kommen im Körper in folgenden Dosen vor: in Weichteilen – 31 mrem/Jahr, in Knochen – 44 mrem/Jahr. Die Dosis durch kosmische Strahlung beträgt 80–90 mrem/Jahr, die Dosis durch externe Gammastrahlung beträgt 60–80 mrem/Jahr. Die Gesamtdosis beträgt 140–200 mrem/Jahr. Die auf die Lunge einwirkende Dosis beträgt 600–800 mrem/Jahr.

Künstliche radioaktive Isotope werden durch Beschuss stabiler Isotope mit Neutronen oder geladenen Teilchen als Ergebnis verschiedener Kernreaktionen hergestellt; als Quellen für geladene Teilchen werden verschiedene Arten von Beschleunigern verwendet.

Für Messungen von Flüssen und Dosen verschiedener Arten ionisierender Strahlung siehe Dosimetrie, Dosen ionisierender Strahlung, Neutron.

Da hohe Strahlungsdosen gesundheitsschädlich sind, werden beim Umgang mit Strahlungsquellen und radioaktiven Isotopen besondere Schutzmaßnahmen ergriffen (siehe).

In der Medizin und Biologie werden Isotope zur Untersuchung des Stoffwechsels sowie zu diagnostischen und therapeutischen Zwecken verwendet (siehe). Der Gehalt an radioaktiven Isotopen im Körper und die Dynamik ihres Austauschs werden mithilfe von Zählern der externen Strahlung einer Person bestimmt.