ПӘндердің ОҚУ-Әдістемелік кешені

Атом ядросы екі бөлшектен тұрады: өзара үлкен күштермен байланысқан протондар мен нейтрондардан. Протондар мен нейтрондарды жалпы нуклон деп атайды (ядролық бөлшек гректің nucleus – ядро сөзінен шыққан); олар ядрода бір-біріне айналуы мүмкін.

Атомдарды белгілеген кезде негізінен элементтің символын қолданады, оның сол жағының, жоғары жағына массалық саны А, ал төменгі жағына – атомдық нөмірі Z индекстері түрінде көрсетіледі: , мұндағы Х – берілген элементтің символы. Мысалы,  уран ядросында 92 протон және 146 нейтрон (238 нуклон) болады.

Табиғатта әртүрлі элементтердің массалық саны бірдей, бірақ атомдық нөмірі әртүрлі болатын атом-ядролары кездеседі. Мұндай атомдар изобарлар деп аталады. Мысалы, . 

Әртүрлі элементтердің нейтрондар саны бірдей болатын ядро атомдары изотондар деп аталады. Мысалы,  және  - бірінші элементтің ядросында алты протон және жеті нейтрон, ал екінші элементтің ядросында жеті протон және сегіз нейтрон болады.

Радиоактивтілік құбылысы. 

Күн – өте жоғары жылдамдықпен қозғалатын электрондар, иондар, нейтрондар, кванттар сияқты бөлшектердің өте көп мөлшерін шығарады. 

Ең алғаш рет радиация құбылысын 1896 ж. Анри Беккерель байқаған. А. Беккерель жұмыстарының басы Рентген сәулелері ашылғаннан кейін, флуоресценцияланатын заттарды фотографиялық пластинкаларда зерттеу жұмыстарымен байланысты. Ол «флуоресценция рентген сәулелерін шығарумен жүреді» - деген тұжырым жасады. Егер флуоресценция рентген сәулелерімен іске асатын болса, зерттеу жұмыстары үшін алынған уран тұздарының үлгісі фотопластинкада із қалдыру керек болды. Бұл тәжірибе жүзінде оның идеясының дұрыстығы дәлелденді.

А. Беккерель, сәуле көзі химиялық элемент – Уран екенін дәлелдеді. Бұл сәлелер жұқа металл экрандардан тікелей өту қабілетіне ие болды. Уран сәулелері газдар арқылы өткен кезде, оларды иондап, электр өткізгіштерге айналдырады.

Анри Беккерель ашқан сәулелерді – радиоактивті сәуле деп, ал оларды шығару құбылысын радиоактивтілік деп атайды.

Сонымен радиоактивтілік деп – бір химиялық элементтің тұрақсыз изотобының басқа бір элементтің изотобына өздігінен айналып, қосымша элементарлы бөлшек немесе ядро бөліп шығаруын айтады.

«Радиоактивтілік» терминін 1898 ж. Мария Складовская – Кюри ұсынған. Мария Кюри белгілі элементтердің және олардың қосылыстарының радиоактивтілігінің жүйелі зерттеулерін жүргізді. Тұрақты ядро атомдары, ядролық бөлшектердің әсерінен радиоактивтілікке ауысуы мүмкін. Бұл кезде ядро заряды және оның химиялық қасиеті өзгермейді, себебі ядро құрамына кіретін нейтрон оның зарядын өзгертпейді.

Радиоактивтілік – бір уақытта болатын ядролық айналу актілерінің санымен өрнектелетін, радиоактивті зат мөлшерінің шамасы.

Радиоактивті заттардың мөлшерін негізінен массалық бірлікте емес (грамм, миллиграмм т.б.), ал уақыт бірлігіндегі ыдырау санына тең болатын берілген заттың активтілігімен анықтайды.

Радиоактивті изотоптың массасы және оның активтілігі төмендегі теңдеу арқылы байланысады: 

Мұндағы, m – радиоактивті изотоп массасы, г;

М – радиоактивті изотоптың массалық саны, г/моль;

- радиоактивтілік ыдырау тұрақтысы, с^-1;

6,02^.10²³ – Авогадро саны, атом/моль.

СИ жүйесі бойынша активтілік бірлігі ретінде бір ядроның секунд ішіндегі айналымы алынады (1 ыдырау/с). Бұл бірлік радиоактивтілік құбылысын алғаш ашқан, Француз физигі А. Беккерель құрметіне байланысты «Беккерель» атауымен аталады (Бк); 1 Бк = 1 с^-1.

СИ жүйесінен тыс ең көп қолданылатын Халықаралық бірлік – Кюри. 

Кюри (Кu) – бұл секунд ішіндегі радиоактивті ыдырау саны 3,7 ^. 10¹⁰ тең болатын, кез – келген радиоактивті заттың мөлшері. Кюри бірлігі 1 г радийдің радиоактивтілігіне сәйкес келеді. Кюри өте үлкен шама, сондықтан бірліктің бөлшектік туындыларын қолданады: милликюри (1мКu = 10^-3 Кu = 3,7^. 10⁷ыдырау/с); микрокюри (1мкКu = 10^-6 Кu = 3,7^. 10⁴ ыдырау/с); нанокюри (1нКu = 10^-9 Кu = 3,7^. 10¹ ыдырау/с); пикокюри (1пКu = 10^-12 Кu = 0,037 ыдырау/с).

1Ku = 3,7 ^. 10¹⁰ (ыдырау/с) = 3,7 ^. 10¹⁰ Бк. 

Тәжірибеде минут ішіндегі ыдырау саны жиі қолданылады. Онда кюри радиоактивтілік бірлігі және оның бөлшектік туындылары келесі мәндерді қабылдайды: 1Кu=2,22^.10¹² ыдырау/мин.; 1мКu=2,22^.10⁹ ыдырау/мин.; 1мкКu = 2,22^.10⁶ ыдырау/мин.; 1нКu = 2,22^.10³ ыдырау/мин.; 1пКu = 2,22 ыдырау/мин.

Бк немесе Ku бірліктерімен өрнектелген активтілік абсолютті активтілік деп аталады. Кез-келген радиоактивті препараттың t уақыт өткеннен кейінгі активтілігін, негізгі радиоактивті ыдырау заңына сәйкес келесі формула бойынша анықтайды:

 (2)

мұндағы, A_t – t уақыттан кейінгі препараттың активтілігі;

A₀ – препараттың бастапқы активтілігі;

T – жартылай ыдырау периоды; Т және t мәндерінің өлшемдері 

бірдей болу керек (минут, секунд, тәулік т.б.).

Мысалы. ³²Р радиоактивті элементінің белгілі бір күнге дейінгі А₀ активтілігі 5 мKu тең. Осы элементтің бір аптадан кейінгі активтілігін анықта. ³²Р элементінің жартылай ыдырау периоды 14,3 күнді құрайды. 

Шешуі: ³²Р элементінің 7 тәуліктен кейінгі активтілігі мынаған тең болады:

Кюри бірліктері объектінің гамма-активтіліктерін сипаттау үшін жарамайды.

Көптеген тәжірибелік жұмыстарда өлшегіш аспаптардың көмегімен абсолютті активтілікті (А) анықтау мүмкін емес, сондықтан оған пропорционалды шама, есептеу жылдамдығы (I) анықтау қажет:

 (3)

- пропорционалдық коэффициен есептеу коэффициенті деп аталады.

Меншікті активтілік – Бк/кг; Бк/моль; Бк/мл немесе Бк/см³ өрнектеледі.

1. Атомның құрамына қандай элементарлы бөлшектер кіреді?

   
   

2. Изотоптар, изомерлер, изобарлар және изотондар дегеніміз не?

   
   

3. Радиоактивтілік құбылысы деген не және оның 

   
   

4. Радиоактивтіліктің өлшем бірліктері қандай?

   
   

5. Қандай процесс қозу процессі деп аталады?

   
   

Дәріс 3. Радиоактивтік түрленулер

Дәріс сабақтың мазмұны:

1. Ядролық түрленулердің типтері: α-ыдырау, β-түрлену, изомерлі ауысу, түрленулердің басқа түрлері. 

   
   

2. Жылжу ережесі. Ыдырау сызбанұсқалары. 

   
   

3. Ішкі конверсия кұбылысы, конверсия электрондары. Сәулеленудің затпен әрекеттесуі. α -бөлшектердің сіңірілуі. 

   
   

4. Зат арқылы β -сәулелену өткен кездегі энергия шығыны 

   
   

5. Тежеуіш сәулелену β -бөлшектердің максимальды жүрісі. β -бөлшектің жүрісі-мен энергиясы арасындағы байланыс.

   
   

Радиоактивтілік құбылысы ашылғаннан кейін, бірнеше жылдан соң ғалымдар радиоактивтілік айналымдардың үш түрін бөліп көрсетті.

1. Альфа-ыдырау  - бөлшек – гелий атомының ядросы - бөлшектерін шығаруы. дегеніміз радиоактивті бөлшектердің   - бөлшек ұшып шыққан кезде бастапқы ядроның екі протоны мен екі нейтроны жоғалады, демек ядро заряды 2-ге, ал массалық саны 4-ке кемиді. Туынды ядро, аналық элементпен салыстырғанда периодтық системаның басына қарай екі клеткаға ығысқан элементке жатады..

- айналымды төмендегідей схемамен көрсетуге болады:

Мысалы, 

- бөлшектер зат қабаты арқылы өткен кезде негізінен молекулалар мен атомдардың сыртқы электрондарымен әрекеттеседі. - бөлшектердің иондау қабілеті жоғары, ал өту қабілеті аз болады. Олар ауа қабатында 11 см қалыңдыққа дейін немесе су қабатында 150 мкм дейін өте алады.  

- бөлшектерінің электр өрісі, осы электрондардың атом ядросымен кулондық әсерін жоя отырып, оларды жылдам электрондарға айналдырады. Нәтижесінде заттың иондану процесіне әкеледі.Осы кезде

- бөлшектің энергиясы азайып, иондау қабілеті жойылады және өзіне екі бос электронды қосып алып, гелий атомына айналады.Тұрақсыз ядро екі нейтрон және екі протоннан тұратын, гелий атомының ядросын шығарады. Соңында

- бөлшектерінің кинетикалық энергиялары 4 – 9 МэВ аралығында болады. Олардың жартылай ыдырау периоды ТАльфа радиоактивті ядролар шығаратын _0,5 = 10^-7-нен 2 ^. 0¹⁷ жылға дейін өзгереді.

2. Бета-бөлшектер – бұл электрондарды шығару. Бета-активті изотоптың массасы өзгермейді, тек қана заряды өзгереді, олардың заряды -1 (электрондар) немесе +1 (позитрондар) болуы мүмкін; 

Бета- ыдыраудың үш түрі болады:

а) электрондардың ұшып шығуы ()

б) позитрондардың ұшып ()

в) электрондарды іліп әкету (К-захват)

^- - айналымды келесі сызба-нұсқамен көрсетуге болады:

Ядрода өтетін бұл процесс гамма-сәулелерін шығара жүреді, осы кезде ішкі айналымдар нәтижесінде нейтрон протонға айналады: 

Туынды ядро – бастапқының изобары болып табылады және аналық элементтің, орынынан периодтық системаның соңына қарай бір клеткаға ығысқан элементке жатады. Мысалы, 

^--бөлшектермен салыстырғанда жүз есе аз болады, сондықтан олардың жүріп өту жолдары жоғары.  - бөлшектерге қарағанда жоғары. Олар терінің базаль қабатынан (0,77 мм) өтуі мүмкін. Энергетикалық бета-бөлшектер алюминий қабаты арқылы 5 мм дейін өте алады, ал иондау қабілеті -бөлшектердің өту қабілеті ^- - бөлшек – электрон. Бұл өзгерістің жартылай ыдырау периоды Т_0,5 = 10,5 мин.

Позитронды ыдырау кезінде ішкі айналымдар нәтижесінде протон нейтронға айналады:

-кванттарын шығарады. Позитрондық ыдырауда ядродағы протондар саны бірге кеміп, массалық саны өзгермейді. Түзілген туынды ядро, бастапқы ядроның изобары – аналық элементтен периодтық системаның басына қарай бір клетка ығысқан элементке жатады. Мысалы,Түзілген ядро қозған күйде болғандықтан, соңында  .

Нәтижесінде ядродағы протондардың біреуі нейтронға айналады да, ядродағы протондар саны азаяды. Ядро заряды бірге кеміп, массалық саны өзгеріссіз қалады. Туынды ядро аналық ядромен салыстырғанда периодтық жүйенің басына қарай бір клеткаға ығысқан элементке (бастарқы элементтің изобарына) жатады. Мысалы, .h

Ядродан алыс орналасқан электрон К-қабатындағы босаған орынға ауысқанда, рентген сәулелерінің квант түріндегі энергиясы бөлінеді.

4. Гамма ыдырау – табиғаты бойынша толқын ұзындығы қысқа электромагнитті сәулелер. Периодтық системадағы ауыр элементтердің табиғатта кездесетін барлық радиоактивті изотоптары альфа бөлшектерін немесе электрондарды шығара ыдырайды.

-кванттары атомның шегінен шықпауы мүмкін. Ол өзінің энергиясын атом электрондарының біреуіне береді. Мұндай құбылысты-кванттары бөлінеді. Осылай гамма – сәулелері пайда болады. Гамма сәулелері ядролық табиғатта болады. Атом ядросы энергияның артық мөлшерін сіңіріп, қозған күйге көшуі мүмкін. Мұндай ядролар, артық ядросынан босап, бастапқы күйіне көшуге тырысады. Осы ауысу орындалғанда,  ішкі конверсия -кванттарын сіңірген электрон атомнан ұшып шығады да, атом рентген сәулелерінің көзі болып табылады. Себебі ұшып шыққан электронның орнына, атомның басқа басқа қабатындағы электрондар орналасады. Оның «энергетикалық байланысы» бұзылады және рентген сәулелерінің пайда болуына әкеледі. Гамма-сәулелерінің массасы және заряды болмайды. Сондықтан гамма-сәулелену кезінде элементтердің айналымы болмайды. Гамма-сәулелері жарық жылдамдығымен тарайды, магнит және электр өрісінің әсерінен бағытын өзгертпейді, кристалдарда дифракцияланады.деп атайды.

1. 
   Ядролық түрленулердің типтерне сипаттама бер
   

2. α-ыдырау дегенімізне?

   
   

3. Бета-бөлшектер, олардың түрлері: (электрондық ыдырау, позитронды ыдырау, электрондарды іліп әкету (К-захват))

   
   

4. Гамма ыдыру деген не?

   
   

5. Ішкі конверсия кұбылысы, конверсия электрондарын сипатта.