Радиохимия. Предмет и задачи радиохимии. История развития радиохимии. Особенности радиохимии

• Название: Предмет и задачи радиохимии. История развития радиохимии. Особенности радиохимии
• Анкор: Радиохимия
• Дата: 19.11.2019
• Размер: 0.49 Mb.
• Имя файла: Radiokhimia.docx
• Тип: Документы; #95990
• страница: 2 из 5

4

Радиоактивность. Ионизирующее излучение. Три вида радиоактивного излучения.

1. 
   Радиоактивностью называется превращение неустойчивых изотопов одного химического элемента в изотопы другого элемента, сопровождающееся испусканием некоторых частиц.
   

 Естественной радиоактивностью называется радиоактивность, наблюдающаяся у существующих в природе неустойчивых изотопов.

       Искусственной радиоактивностью называется радиоактивность изотопов, полученных в результате ядерных реакций.

2. 
   Ионизирующее излучение — это вид энергии, высвобождаемой атомами в форме электромагнитных волн (гамма- или рентгеновскоеизлучение) или частиц (нейтроны, бета или альфа). Спонтанный распад атомов называется радиоактивностью, а избыток возникающей при этом энергии является формой ионизирующего излучения.
   
3. 
   Радиация, в широком смысле, означает излучение, то есть распространение энергии в виде волн или частиц. Радиоактивные излучения делят на три вида:
   

• 
  альфа-излучение – поток ядер гелия-4;
  
• 
  бета-излучение – поток электронов;
  
• 
  гамма-излучение – поток высокоэнергетических фотонов.
  

Характеристика радиоактивных излучений основана на их энергии, пропускных свойствах и виде испускаемых частиц.

Альфа-излучение, которое представляет собой поток корпускул с положительным зарядом, может быть задержано толщей воздуха или одеждой. Этот вид практически не проникает через кожный покров, но при попадании в организм, например, через порезы, очень опасен и пагубно действует на внутренние органы.

Бета-излучение обладает большей энергией – электроны движутся с высокой скоростью, а их размеры малы. Поэтому данный вид радиации проникает через тонкую одежду и кожу глубоко в ткани. Экранировать бета-излучение можно при помощи алюминиевого листа в несколько миллиметров или толстой деревянной доски.

Гамма-излучение – это высокоэнергетическое излучение электромагнитной природы, которое обладает сильной проникающей способностью. Для защиты от него нужно использовать толстый слой бетона или пластину из тяжёлых металлов таких, как платина и свинец.

5

Альфа-распад. Правило сдвига Фаянса и Содди.Энергетическое условие альфа-распада. Спектр альфа-частиц. Закон Гейгера-Неттола.

1. 
   Альфа-распад (или α-распад) – самопроизвольное испускание атомными ядрами альфа-частиц (ядер атома гелия).
   

2. 
   В химии радиоактивных элементов и ядерной физике закон радиоактивных смещений, также известный как правило радиоактивных смещений Содди и Фаянса, — основное правило, описывающее превращения элементов в процессе радиоактивного распада. Закон был открыт в 1913 году независимо Фредериком Содди и Казимиром Фаянсом.
   

Закон описывает, какой элемент и какой изотоп этого элемента получается при том или ином типе радиоактивного распада:

• 
  при альфа-распаде создаётся элемент с зарядом ядра, уменьшенным на два, и с атомной массой, уменьшенной на четыре по отношению к родительскому радиоизотопу, например: {\displaystyle {}_{92}^{238}{\text{U}}\to {}_{90}^{234}{\text{Th}}};
  

• 
  при бета-распаде заряд ядра атома созданного элемента возрастает на единицу при неизменной атомной массе, например: {\displaystyle {}_{82}^{212}{\text{Pb}}\to {}_{83}^{212}{\text{Bi}}}. Это справедливо для β^--распада, называемого также электронной эмиссией. Это единственная форма бета-распада, которую могли наблюдать и регистрировать Содди и Фаянс в 1913 году. Позже, в 1930-х годах, была открыта другая форма бета-распада — β⁺-распад, который можно назвать позитронной эмиссией. 
  

3. 
   Энергетическое условие возможности альфа-распада заключается в том, чтобы энергия связи (-Q) альфа-частицы относительно материнского ядра была отрицательна. Эта энергия связи оказывается отрицательной почти для всех бета-стабильных ядер с A>150 (рис, 1), т. е. все ядра с А>150 должны быть альфа-радиоактивными. Однако во многих случаях время жизни этих ядер (период полураспада) слишком велико и альфа-радиоактивность не удается наблюдать.
   
4. 
   Альфа-спектроскопия. Спектр альфа-частиц, возникающих при распаде материнского ядра, представляет ряд моноэнергетических линий, соответствующих переходам на различные уровни дочернего ядра. Т. к. альфа-частица не имеет спина, правила отбора по моменту количества движения I=L и четности, которые вытекают из соответствующих законов сохранения, оказываются простыми. Угловой момент L альфа-частицы может принимать значения в интервале: 
   

(4)

где I_i и I_f - угловые моменты начального и конечного состояния ядер (материнского и дочернего). При этом разрешены только четные значения L, если четности обоих состояний совпадают, и нечетные, если четности не совпадают. Альфа-распад является важным методом изучения нижних энергетических состоянии тяжелых ядер 

5. 
   Закон Гейгера-Неттола, установленный экспериментально, показывает зависимость между периодом полураспада T_1/2 α-радиоактивных ядер и энергией Е_α вылетающей α-частицы
   

lg T_1/2 = A + B/(Е_α)^1/2,

A и B - постоянны

6

Бета-распад. Виды b-распада, их схематическое изображение. Энергия, периоды полураспада. Нейтрино, антинейтрино. Оже-эффект, оже-спектроскопия.

1. 
   Явление β-распада состоит в том, что ядро(A,Z) самопроизвольно испускает лептоны 1-го поколения – электрон (позитрон) и электронное нейтрино (электронное антинейтрино), переходя в ядро с тем же массовым числом А, но с атомным номером Z, на единицу большим или меньшим. При e-захвате ядро поглощает один из электронов атомной оболочки (обычно из ближайшей к нему K-оболочки), испуская нейтрино.В литературе для e-захвата часто используется термин EC (Electron Capture). 
       Существуют три типа β-распада – β^--распад, β⁺-распад и е-захват.
   

β-:    (A, Z) → (A, Z+1) + e- + e,  β+:    (A, Z) → (A, Z-1) + e+ + νe,  е:    (A, Z) + e- → (A, Z-1) + νe. ЭНЕРГИЯ РАДИОАКТИВНОГО РАСПАДА — энергетический эффект ядерных превращений, связанных с вылетом из ядра заряженных частиц: α-распад, β-распад (последний включает К-захват). Внутриядерная и кулоновская энергия реализуется в форме кинетической энергии частиц (в случае деления — осколков). Величина энергии распада от несколькихкилоэлектронвольт при βраспаде до нескольких мегаэлектронвольт при а-распаде.  Период полураспада  – время, в течение которого распадается половина радиоактивных ядер. Эта величина, обозначаемая T1/2, является константой для данного радиоактивного ядра (изотопа). Величина T1/2 наглядно характеризует скорость распада радиоактивных ядер и эквивалентна двум другим константам, характеризующим эту скорость: среднему времени жизни радиоактивного ядра τ и вероятности распада радиоактивного ядра в единицу времени λ.     Период полураспада может изменяться от миллиардных долей секунды до 1019 и более лет.    4.   Нейтрино (итал. neutrino, уменьшительное от neutrone — нейтрон), электрически нейтральная элементарная частица с массой покоя много меньшей массы электрона (возможно равной нулю), спином 1/2 (в единицах постоянной Планка ) и исчезающе малым, по-видимому, нулевым, магнитным моментом. Н. принадлежит к группе лептонов, а по своим статистическим свойствам относится к классу фермионов. Название «Н.» применяется к двум различным элементарным частицам — к электронному (ne) и к мюонному (nm) Н. Электронным называется Н., взаимодействующее с др. частицами в паре с электроном е- (или позитроном е+), мюонным — Н., взаимодействующее в паре с мюоном (m-, m+).  5. АНТИНЕЙТРИНО (v,v)- античастица по отношению к нейтрино. Эксперим. данные показывают, что с электроном и мюоном ассоциируются два разл. типа нейтрино и соответственно два типа А.: электронное  и мюонное . Предполагается, что тяжёлому лептону  отвечает свой сорт нейтрино и, следовательно, существует и -лептонное А. . Принято определять А. как лёгкий нейтральный лептон, образующийся в процессах слабого взаимодействия вместе с соответствующим отрицательно заряженным лептоном. 6. ОЖЕ-СПЕКТРОСКОПИЯ электронная (ЭОС), раздел спектроскопии, изучающий энергетич. спектры оже-электронов, к-рые возникают при облучении исследуемого в-ва электронным пучком. Оже-эффект заключается в следующем. Под действием ионизирующего излучения на одном из внутр. электронных уровней (напр., К-уровне) атома образуется вакансия, на к-рую переходит электрон с более высокого уровня (напр., L3-подуровня). Возникший при переходе электрона избыток энергии может привести к испусканию рентгеновского фотона (излучат. переход) или к выбрасыванию еще одного электрона, напр. с подуровня L1 (безызлучат. переход). Этот электрон называют оже-электроном, а его кинетич. энергия Е определяется ур-нием: Е = Ек — EL1 - EL3 , где Ек, EL1 и EL3-энергии связи электронов на уровнях К, L1, и L3 соотв. (с учетом влияния ионизации атома). Спектры оже-электронов регистрируют с помощью оже-спектрометров, к-рые состоят из источника ионизирующего излучения, камеры для размещения исследуемых образцов, энергоанализатора и детектора электронов.

7

Гамма-распад. Изомерный переход. Спонтанное деление.

Так как радиоактивное излучение состоит из альфа-частиц, бета-частиц и гамма-квантов (т.е. ядер атома гелия, электронов и гамма-квантов), то явление радиоактивности сопровождается  потерей массы и энергии  ядра, атома и вещества в целом.

Гамма-распад – это излучение гамма-квантов ядрами в возбужденном состоянии, при котором они обладают большой по сравнению с невозбужденным состоянием энергией. В возбужденное состояние ядра могут приходить при ядерных реакциях либо при радиоактивных распадах других ядер. Большинство возбужденных состояний ядер имеют очень непродолжительное время жизни – менее наносекунды.

Изомерный переход

Гамма-излучение иногда также рассматривается как особый вид радиоактивности, хотя оно и не приводит к изменению состава ядра – ядро лишь переходит при этом с одного энергетического уровня на другой. Существуют ядра, которые состоят из одинакового числа протонов и одинакового числа нейтронов, но тем не менее различаются своими радиоактивными свойствами (прежде всего периодом полураспада); такие ядра называются изомерными.

Изомерные ядра находятся на различных энергетических уровнях. Ядро-изомер, которое находится на более высоком энергетическом уровне, принято называть возбужденным, или метастабильным, и обозначать звездочкой или индексом m возле массового числа. Переход ядра из метастабильного в основное (невозбужденное) состояние называют изомерным переходом.



Рис. Схематическое изображение изомерного перехода

Изомерный переход сопровождается γ-излучением. γ-лучи представляют собой коротковолновое электромагнитное излучение. Атомный номер и массовое число при изомерном переходе не изменяются:

γ-излучение характеризует особый тип распада лишь при изомерном переходе. Очень часто другие типы распада также сопровождаются γ-излучением. В результате любого радиоактивного процесса дочернее ядро может оказаться в возбужденном состоянии. Однако, если энергия возбуждения излучается путем испускания γ-квантов практически одновременно с актом распада, который привел к возбужденному состоянию ядра, то не имеет смысла говорить о самостоятельном типе распада. Для многих ядерных изомеров наблюдается так называемая внутренняя электронная конверсия: возбуждённое ядро, не излучая γ-квантов, передаёт свою избыточную энергию электронным оболочкам, вследствие чего один из электронов вылетает из атома.