Radioaktyvumas

Radioaktỹviosios mẽdžiagos, α, β ir γ spinduliuõtė, pusėjimo trukmė, jonizãcija, spinduliuõtės skvarbà.

Radioaktyvieji skilimai

1903 m. trims mokslininkams – Antuanui Anri Bekereliui (Antoine Henri Becquerel, 1852–1908), Marijai Kiuri-Sklodovskai (Marie Curie Skłodowska, 1867–1934) ir Pjerui Kiuri (Pierre Curie, 1859–1906) – buvo įteikta Nobelio premija už radioaktyvumo atradimą ir tyrimą. Tyrimo pristatymo paskaitoje P. Kiuri kalbėjo⁸: „1896 m. A. H. Bekerelis atrado ypatingą urano ir jo junginių savybę. Uranas skleidžia labai silpnus spindulius, kurie veikia fotografijos plokšteles. Šie spinduliai prasiskverbia pro juodą popierių ir metalus. Orą jie padaro laidų elektros srovei. <...> 1898 m. ponia M. Kiuri įrodė, kad visos urano ir torio turinčios medžiagos skleidžia A. H. Bekerelio atrastuosius spindulius. Šias medžiagas mes pavadinome radioaktyviosiomis.“

⁸Pjero Kiuri kalba „Radioaktyviosios medžiagos, ypač radis“ (Pierre Curie Radioactive Substances, Especially Radium) 1905 m. birželio 6 d. Nobelio premijos laureatų paskaitoje Stokholme, vertė Rimantas Raudonis, prieiga per internetą: https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1903/pierre-curie/lecture/Pierre Curie – Nobel Lecture - NobelPrize.org

2.8.1 pav. α, β ir γ spinduliuotė. Patekusi tarp įelektrintų plokščių radioaktyvioji spinduliuotė suskaidoma į tris srautus. α spinduliai yra helio branduolių

{}_{2}^{4}{He}

srautas, β spinduliai yra elektronų srautas, o γ yra didelės energijos elektromagnetinės bangos.

Radioaktyviųjų medžiagų skleidžiama spinduliuõtė yra trijų tipų: álfa (α), betà (β) ir gamà (γ) (2.8.1 pav.). Ji susidaro skylant urano, torio ir kai kurių kitų elementų branduoliams. Pavyzdžiui, urano ${}_{92}^{238}U$ branduolys išspinduliuoja α dalelę ( ${}_{2}^{4}{He}$ branduolį) ir virsta torio ${}_{90}^{234}{Th}$ branduoliu (2.8.2 pav.). Skilimų seka nesibaigia torio susidarymu. Skilimų vyksta ir daugiau (2.8.3 pav.). Galiausiai susidaro patvarūs ${}_{82}^{206}{Pb}$ branduoliai.

2.8.2 pav. Radioaktyvusis urano skilimas. Atkreipkite dėmesį, kad produktų masės skaičių suma lygi urano masės skaičiui, o atominių skaičių suma lygi urano atominiam skaičiui. Vykstant branduolių skilimui, išsiskiria ir kitų dalelių, pavyzdžiui, antineutrinų, tačiau šios dalelės neturi įtakos nei atominiam, nei masės skaičiui, todėl paveiksle nenurodytos.

2.8.3 pav. Radioaktyviųjų skilimų seka. Išspinduliuojamos α dalelės parodytos raudonos spalvos rodyklėmis, o β dalelės – žaliomis rodyklėmis. β dalelė – tai elektronas. Jis išspinduliuojamas suskilus neutronui. Vienas neutronas virsta vienu protonu. Dėl β skilimo neutronų skaičius sumažėja, o protonų padidėja. Galiausiai susidaro patvarus švino-206 izotopas.

Gamtoje randama apie 340 izotopų, iš kurių 70 – radioaktyvių. Elementai, kurių atominis skaičius mažesnis už 84, turi ir patvarių, ir radioaktyvių izotopų. Pradedant 84-uoju elementu – poloniu – patvarių izotopų nebėra. Visi šio ir didesnio atominio skaičiaus izotopai yra radioaktyvūs.

Daugiau

Organinių iškasenų amžiaus nustatymas

Gamtoje randami trys anglies izotopai: ${}_{6}^{12}C$ , ${}_{6}^{13}C$ ir ${}_{6}^{14}C$ . Anglies izotopas ${}_{6}^{14}C$ yra radioaktyvus. Jo pusėjimo trukmė – laikas, per kurį suskyla pusė turimo radioaktyviojo izotopo, lygi 5730 metų. Tai santykinai trumpas laikas, tad kyla klausimas, kodėl jo Žemėje yra, kodėl jis nesuskyla visas. Anglies-14 izotopo nuolat pasigamina dėl viršutinius atmosferos sluoksnius pasiekiančios kosminės spinduliuotės. Čia vykstant branduolinėms reakcijoms, azotas paverčiamas anglies ir vandenilio izotopais:

${}_{7}^{14}N + {}_{0}^{1}n \to$ ${}_{6}^{14}C + {}_{1}^{1}H$ .

(2.8.1)

Susidarę anglies atomai reaguoja su deguonimi. Taip atmosferoje atsiranda radioaktyviojo anglies(IV) oksido ${}_{6}^{14}C_{2}$ . Augaluose vykstant fotosintezei, tiek radioaktyvioji, tiek patvarioji anglis patenka į gliukozės C₆H₁₂O₆ sudėtį.

6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂.

(2.8.2)

Per mitybos grandines augalų susintetintos organinės medžiagos patenka į kitus organizmus. Kol organizmas gyvas, radioaktyviosios ir patvariosios anglies kiekio santykis jame išlieka pastovus. Žuvus organizmui, šis santykis kinta, nes organinės liekanos nebepapildomos ${}_{6}^{14}C$ anglimi. Išmatavus radioaktyviosios ir patvariosios anglies kiekio santykį organinėse liekanose, galima apskaičiuoti šių liekanų amžių. Pavyzdžiui, Šarnelės (Plùngės r.), Šventósios (Palangõs r.) ir Žemaitiškės (Švenčionių r.) apylinkėse aptikta virš ežerų buvusių akmens amžiaus gyvenviečių liekanų. Žmonės į ežero dugną sukaldavo medinius kuolus, ant kurių statydavo savo būstą. Išmatavus radioaktyviosios ir patvariosios anglies kiekio santykį, nustatyta, kad kuolai į ežero dugną sukalti apie 7 500–4 000 m. pr. Kr.

Daugiau

Radioaktyviųjų izotopų naudojimas

Didelės energijos radioaktyvioji spinduliuotė sąveikauja su aplinkoje esančiomis medžiagomis. Stipriausiai sąveikauja α dalelės. Jos jonizuoja medžiagų molekules – atima elektronus ir paverčia teigiamaisiais jonais. Prisijungusios elektronus α dalelės tampa helio dujomis. Dėl stiprios sąveikos α dalelės į medžiagas įsiskverbia labai negiliai. Kitų radioaktyviõsios spinduliuõtės tipų skvarbà yra didesnė (2.8.4 pav.). Radioaktyviosios spinduliuotės energijos pakanka medžiagoms jonizuoti arba net cheminiams ryšiams nutraukti. Tai ypač pavojinga gyvybei. Patekusi į organizmą radioaktyvioji spinduliuotė gali suardyti sudėtingas organines molekules ir sukelti ligas arba apskritai sunaikinti organizmą. Todėl radioaktyviųjų medžiagų saugojimas yra griežtai kontroliuojamas. Šios medžiagos laikomos specialiuose storasieniuose, dažniausiai švininiuose, induose. Laikantis saugos reikalavimų radioaktyviąsias medžiagas galima naudoti medicinoje (2.8.5 pav.), moksliniuose tyrimuose (2.8.6 pav.) ir netgi buityje (2.8.7 pav.). Radioaktyviųjų medžiagų naudojimo sąrašas būtų neišsamus, jeigu nepaminėtume atominės energetikos ir branduolinės ginkluotės. Atominėse elektrinėse naudojamas uranas-235, o atominėse bombose – urano ir plutonio izotopai.

2.8.4 pav. Radioaktyviosios spinduliuotės skvarba. Mažiausia skvarba būdinga α dalelėms. Jas sulaiko popieriaus lapas. β dalelėms sulaikyti pakanka kelių milimetrų storio popierius sluoksnio, o γ spinduliuotei sulaikyti reikia storo švino sluoksnio.

2.8.5 pav. Radioaktyviųjų izotopų spinduliuotė naudojama gydant onkologines ligas. Tinkamai nukreipta didelės energijos spinduliuotė sunaikina piktybines ląsteles.

2.8.6 pav. Radioaktyvieji izotopai naudojami moksliniuose tyrimuose. Jų skleidžiamą spinduliuotę galima aptikti prietaisais ir taip stebėti radioaktyviųjų izotopų turinčių medžiagų apykaitą organizme, cheminių reakcijų dėsningumus. Tokiuose tyrimuose radioaktyvieji izotopai vadinami žymėtaisiais atomais. Tuo nurodoma galimybė stebėti šių atomų judėjimą pagal jų skleidžiamą spinduliuotę.

2.8.7 pav. Buitinis jonizacinis dūmų jutiklis. Tarp dviejų prie baterijos prijungtų metalinių plokštelių yra radioaktyviosios medžiagos kruopelė. Dėl α spinduliuotės oras tarp plokštelių yra jonizuojamas, todėl teka elektros srovė. Tarp plokštelių patekusios dūmų dalelės reaguoja su jonais, elektros srovės stipris sumažėja, ir prietaisas ima skleisti garso signalą.

Klausimai ir užduotys

Nurodykite, kuri atomo dalis pakinta vykstant radioaktyviajam skilimui.
Apibūdinkite α, β ir γ spinduliuotę.
Periodinėje lentelėje nurodyta anglies atominė masė yra 12,01. Radioaktyviosios anglies ${}_{6}^{14}C$ paplitimas yra tik apie 1 · 10^–10 %, tad jos indėlis labai mažas, jo galima nepaisyti. Apskaičiuokite kitų dviejų gamtinių anglies izotopų paplitimą. Reikiama informacija pateikta lentelėje:

Izotopas	${}_{6}^{12}C$	${}_{6}^{13}C$	${}_{6}^{14}C$
Santykinė atominė masė	12,000000	13,003354	14,003242

Elementų izotopinė sudėtis skirtinguose dangaus kūnuose šiek tiek skiriasi nuo Žemės. Tiriant Marso atmosferą nustatyta, kad joje izotopo ¹³C dalis didesnė nei Žemėje. Vieno tyrimo duomenimis, Marso atmosferoje izotopo 12C paplitimas siekia 97,75 %, o ¹³C – 2,25 %. Naudodamiesi šioje užduotyje nurodytu izotopų paplitimu ir pateiktos lentelės duomenimis, apskaičiuokite anglies izotopų mišinio santykinę atominę masę Marso atmosferoje.
Be gamtinių anglies izotopų, pateiktų lentelėje, žinomi dirbtiniu būdu gauti izotopai: ${}_{6}^{9}C$ ; ${}_{6}^{10}C$ ; ${}_{6}^{11}C$ ; ${}_{6}^{15}C$ ; ${}_{6}^{16}C$ ; ${}_{6}^{17}C$ . Kuo šių izotopų sandara panaši ir kuo jie skiriasi?