Радиоактивті қатарлар

Радиоактивтік түрленудің элементар заңдылығы изоляция-ланған (тұйықталған), радиоактивті изотоптың ыдырауына бағынады. Шын мəнінде, радиоактивті түрлену тізбектеліп кетеді, яғни бір элементтің атом ядросының ыдырау нəтижесінде екінші бір элемент ядросы түзіледі, ол ядродан түрлену

~ 190 ~

нəтижесінде тағы басқа элемент ядросының изотопы түзіледі. Осылайша əулеттік тізбек құрылады. Бастапқы элемент ядросы аналық ядро деп аталады. Мысалы, радиактивті заттың аналық ядросы (А) ыдырау нəтижесінде В-затының ядросына айналады, ал ол С-затының ядросына, айналады, т.б.

тізбек түзіледі.

Осылайша радиоактивті əулет немесе тізбек құрайды. Олардың барлығы да радиоактивті изотоп болып табылады.

1920 жылға дейін 40-қа жуық табиғи радиоактивті изотоп үш

нəтижесінде орындалады.

Радиактивтi əулетінің құрылу сұлбасын қарастырайық. Табиғи-радиоактивті элементтердiң əулеті 5.3, 5.4, жəне 5.5-

суреттер арқылы көрсетiлген.

Жоғарғы сандар Менделеевтiң аралық жүйесiндегi реттiк нөмірін (немесе ядро iшiндегi протон санын); сол жағындағы

сандар, массалық санды көрсетедi; көлбеу стрелкалар -

түрленуде, ал горизанталды -ыдырауды бiлдiредi. Осы суреттегi химиялық элементтердiң атомды тарихи радиоактивті сəулеленудi зерттеу нəтижесінен алынған (мысалы, RaA, RaC, UX1 жəне т.б.). Шын атауын Менделеевтің аралық жүйесін-дегі элементтiң (Z) ретi арқылы анықтай аламыз. Мысалы, AcK реттiк нөмірi 87, онда бұл франций (Fr) изотопы болады.

~ 191 ~

5.3-сурет

5.4-сурет

~ 192 ~

Зат -бөлшегiн шығарғанда ядро (элемент) 4 массалық бiрлiкке жəне 2 зарядтық бiрлiкке, элементтiң аралық жүйесінің бас жағына қарай, яғни бастапқы заттың өзiне дейiнгi екiншi элемент ядросына ығысатынын, ал -бөлшегiн шығарғанда заряды Менделеевтiң аралық жүйесінің соңына қарай бiр бiрлiкке жылжитындығын суреттен көруге болады. 5.3-суретте уранның (U²³⁸) радиоактивті əулеті, ал 5.4-суретте актиний əулеті (дəл айтқанда актиноуран U²³⁵) жəне 5.5-суретте торий (Th²³²) əулеті көрсетiлген.

5.5-сурет

Бастапқы аналық ядро жəне түрлену кезiнде, жартылай ыдырау периодты түрлiше болып келген аралық радиоактивті элементтер пайда болады. Осы барлық əулеттегі түрленудің

соңғы нəтижесiнде қорғасын изотопы, яғни қорғасынның орнықты изотоптары: Pb²⁰⁶, Pb²⁰⁷ жəне Pb²⁰⁸ алынады.

~ 193 ~

Жасанды радиоактивті əулетте түрлену орындалса, онда кейбiр жағдайда тұрақты қорғасын изотоптарын Pb²⁰²; Pb²⁰³ аламыз. Қорғасынның орнықты Pb²⁰⁴ изотопы бар. Сонымен қатар қорғасынның радиоактивті изотоптары да болады.

Жер қыртысындағы қорғасын изотоптарын зерттеу нəтижелері уран, торий жəне басқа элементтердiң тау жыныстарында кездесетіндігін анықтау мүмкiндiктерін тудырады.

Радиоактивті ыдырау негiзiнен кванттық механика принциптерi бойынша түсiндiрiледi. Ядроның электрлiк потенциялының орналасуын анықтағанда, ядроның iшкi бөлшектерiнiң айналасындағы потенциалды тосқауыл (барьер), кескiн түрiнде көрсетiледi. Ядроға жақын орналасқан потенциал (немесе бiрлiк оң электр зарядының потенциал энергиясы) 5.6-суретте көрсетiлген.

5.6-сурет

Суретте атом ядросының радиус шамасына дəл келетiн re-қашықтықта, потенциал тосқауыл биiктiгiнiң (W0), максимал мəнiне сəйкес келетiн потенциалдық энергия кулондық заңдылық бойынша өзгере алатындығын көре аламыз. Ал қашықтықтың кiшi мəнiнде (ядро радиусынан) потенциал шұғыл тез нөлден төмен түседi. Сондықтан да ядро iшiндегi бөлшектер потенциал тосқауыл мен қоршалған сияқты болады. Классикалық (Ньютондық) механика заңдылығына сүйенсек, онда потенциал тосқауыл энергиясы (W0) бөлшек энергиясының (Wa) ендiгiнен кiшi болғандықтан, ол тосқауыл шегiнен өте алмайды.

Бiрақ кванттық механика тұрғысынан қарастырғанда потенциал тосқауыл маңындағы бөлшек қозғалысы басқа

~ 194 ~

заңдылық бойынша түсiндiрiледi. Кванттық механика бойынша кезкелген бөлшек қозғалысы толқындардың таралуына сəйкес келедi. Толқын потенциал тосқауыл арқылы өткенде кейбiр соңғы ықтималдығы (қалыңдығы-Д кiшi болған сайын жəне тосқауыл биiктiгi W0 биiк болған сайын), үлкен болады, былайша айтқанда атом ядросының төңiрегiндегi бөлшектер потенциал тосқауыл

арқылы өту ықтималдығын бередi. Егер -бөлшегi атом ядросы энергиясына (Wa) ие болса, онда ол биiктiгi (Wa) болып келген потенциал тосқауыл арқылы өтедi, ол кездегi қалыңдығы-Д болады. Потенциал тосқауыл арқылы өткен -бөлшегi Wa кинетикалық энергияға ие болады.

Тəжiрибе бойынша берiлген ядродағы барлық -бөлшектерi бiрдей кинетикалық энергияға ие болады (зат iшiндегi жол ұзындығы бiрдей). Бұл арқылы берiлген атом ядросының, берiлген деңгейiнен, бөлшектердiң ұшып шығуын түсiндiре аламыз (қатаң, нақты). Осындай бiр деңгейден екiншi деңгейге атом ядросы ауысқанда -бөлшегi бөлінеді, əрi сонымен бiрге - фотондар шығады, яғни электромагниттiк сəулену орындалады. Берiлген атом ядросы үшiн -сəулелену жиiлiгінің дискреттiк мəнi болады, ол атом ядросындағы энергетикалық деңгей жиынтығын анықтайды.

Сонымен жəне -бөлшектерiнің сəулелену спектрiнiң дискрет мəндерi болады. Ал -бөлшегiн шығарғанда тұтас спектр алынады, яғни электрондар (немесе протондар) шығарады, олар энергияның нөлден максимальға дейiнгi мүмкiн мəндерiн қабылдайды. Сонымен атом ядросы қатаң нақты энергия деңгейiнiң дискрет мəнiне ие болатындығын, -бөлшегiн шығаратын тұтас спектрiнiң энергиясы, көп уақытқа дейiн түсiнiксiз болып келдi.

Осы фактiге Паули мынадай түсiнiктемелер бердi. Яғни ядродан электрон ұшып шыққанда, сол мезетте басқа да бөлшектер ұшып шығады, ол энергияның бiр бөлiгiн ала шығады деп жорамалдады. Электрондармен осы бөлшектердiң энергияларының жиынтығы электрондардың барлық кезде максимал энергиясына тең болады, яғни -ыдыраудағы сияқты берiлген ядро үшiн тұрақты шама болады.

Бiрақ электрондар мен бөлшектер арасындағы энергияның таралуы, статистикалық заңдылықпен орындалады. Бұл бөлшек

~ 195 ~

нейтрино деп аталады. Оның заряды жəне тыныштық массасы болмайды. Бiрақ оның спинi бар, ол ¹ ₂ ^h тең, яғни электрон

спинiне тең. Ал -ыдырау кезiнде барлық: энергия, масса, заряд, импульс жəне импульс моментiнiң сақтау заңдары орындалады. Зарядталған бөлшектердi шығарумен қатар, тағы бiр басқа ерекше радиоактивтi түрлену түрi кездеседi, ол бөлшектердi шығармайды, керiсiнше зарядталған бөлшектердi қармайды. Көптеген атомдық ядролар К-қабаттағы, яғни ядроға жақын электрон орбитасындағы электрондарды қармау қабiлеттерi болады. Оны К-қармау деп атаймыз. Радиактивтi түрлену кезiндегi электрондарды шығару процесi, нейтронның протонға түрленуi нəтижесiнде электрон жəне электронды антинейтриноға түрленедi де, ол төмендегiдей сұлба бойынша орындалады:

жоғарғы жағындағы ~ анти дегендi бiлдiредi.

К-қармау кезiндегi реакция мынадай басқа сұлбамен өрнектеледi, яғни протон нейтронға айналады жəне электронды нейтрино түзеледi:

Реакция кезiнде поротоннан позитрон да бөлiнедi, ол мынадай сұлбамен өрнектеледi:

5.10.3. жəне 5.10.4. реакциялары сол бiр атом ядросында ғана орындалады.

К-қармау реакциясын 1938 жылы Л. Альварец ашты. Бұл процесс кезiнде бастапқы химиялық элементтiң реттiк нөмірi (Z) реакциядан кейiн өзiне дейiнгi химиялық элементтiң реттiк

~ 196 ~

нөмірiн қабылдайды. Жаңа элемент атомының электрондық қабаты (К-қармаудан соң К-қабаттағы деңгей) босайды да К, L сипаттаушы сəулелену басқа жаңа элемент рентген спектiрiнiң сериясын түзедi. Бұл шын мəнiнде байқалады.