Рентенофазовый анализ

Радиоактивтілік (лат. radіo – сәуле шығару, actіvus – әсерлік) – орнықсыз атом ядроларының басқа элементтер ядросына бөлшектер немесе гамма-кванттар шығару арқылы өздігінен түрлену құбылысы.

Радиацияға күннің сәулесі, ғарыштық сәуле, жердің табиғи радиоактивтік заттарының сәуле шығаруы және жасанды радиоактивті изотоптар жатады.Галактикалық ғарыш сәулелерінің, құрамында протон ағымдары /85%/,  альфа-бөлшегі, яғни гелий /13-14%/, электрондар және гамма — кванттары бар. Сол сәуле бөлшектерінде энергия өте жоғары. Жердің радиациялық белдеуі сыртқы және ішкі зоналардан тұрады. Ішкі зонасында 40 Мэвтен астам энергиясы бар электрондардан тұрады. Бұл энергия атмосфера қабатынан  өткеннен соң  Жер бетінде байқалады.Күннің ғарыштық сәулелерінің құрамында протондар  және альфа- бөлшегі бар.Ғарыштық сәулелері және жердің табиғи радиоактивтік заттарының сәулеленуі табиғи радиациялық фон құрады. Табиғи радиациялық фон Жер бетіндегі бүкіл тірі жәндіктерге, жануарларға, адамға және өсімдіктерге әсерін тигізеді.Оны зерттейтін ғылым саласын гелиобиология дейді.Жердің табиғи радиоактивтік заттарының сәуле шығаруы барлық химиялық заттарға байланысты болмайды. Әр түрлі элементтердің табиғи 50 радиоактивті изотобы бар. Көпшілік элементтердің тек біразы ғана радиоактивті. Кейбір химиялық элементтерде тұрақты изотоптар жоқ, олар түгелдей радиоактивті, мысалы, уран, торий, радий, полоний және т.б. Бүлардың атомдарының ядросы өздігінен ыдырап, гамма – кванттық және корпускулярлық сәулеленеді.Изотоптар деп бірдей қасиеттерімен, бірақ атомдық салмақтары әр түрлі химиялық элементтерді айтады /грекше – изос – бірдей, тең; топос – орын/. Мысалы, уран 235 және уран 238 – изотоптар.Изотоптар ядрода нейтрондар санының әр түрлі болуына байланысты өзара айырмашылығы бар атомдар. Оларда пратондардың саны бірдей. Мысалы, темір атомының ядросында 26 протон бар, ал нейтрондар саны 54 және 61. Изотоптарда 28/-5426-геден 356126-ге дейін болуы мүмкін.Атомның және атом ядросысының құрылысын анықтап, зерттеу ядролық құбылыстар заңын ашып, ядролық реакцияларды жүргізіп, жасанды радиоактивтік изотоптар алуға мүмкіндік берді.

Ядродағы құбылыстық айналымды зерттеу атом ядросының  тау-сылмас энергия бұлағы екенін көрсетті. Бұл энергия ядролық реакция кезінде ядролық сәлелену бөлініп отырады.

Ең алғаш 1942 жылдың  желтоқсан айының 2 күні өту құбылысын басқаруға мүмкіндігі  бар тізбектелген реакция алынды. Бұл күні атақты физик Энрико Ферми жасап шығарған бірінші ядролық реактор өзінің жұ-мысын бастады. Осы күннен атом  энергиясын бейбітшілік және соғыс мақсатында практикалық қолдану басталды.

Физика оқымыстылары және инженерлер атом  энергиясын пайдала-нуды зерттеп ұсынғандығы мақсатты — қазба отын түрімен бәсекелесуге қабілетті қауіпсіз және сенімді энергия көзін жасау болды.

Ядролық реакторды қолдану арқылы кез келген  химиялық элементтің және Жер қабатында жоқ элементтердің изотобын жасау мүмкін болды.

Жасанды радиоактивтік изотоп биологияда және медицинада жиі қол-данылады. Оны қолдану тәсілдерін изотоптық  тәсіл изотопный метод және таңбаланған атомдар тәсілі метод меченых атомовдеп атайды.

Иондық сәуленленудің  биологиялық маңызы өте жоғары.

 

 

 

Тарихы

Ядролық физиканың даму тарихына көз жүгіртсек, оның қайнар көзі 1886 жылы француз ғалымы А. Беккерель ашқан табиғи радиоактивтік құбылысынан басталады. А. Беккерель уран тұзының фотопластинаға әсерін зерттеген. Тәжірибелер барысында ол мына құбылысты байқаған: уран тұздары тығыз қара қағазбен оралған фотопластинаға әсер етіп, оның қараюын туғызатын, өтімділігі жоғары белгісіз сәулелерді шығарады екен. Мұқият зерттеулер нәтижесінде Беккерель өтімділігі жоғары белгісіз сәулелерді уран атомының өзі, ешқандай сыртқы әсерсіз-ақ, өздігінен шығаратынын анықтады. Белгісіз сәулелердің заттармен әрекеттескенде:

• 1) фотопластинканы қарайтатыны, яғни химиялық әсерінің бары;
• 2) газдарды иондауы;
• 3) кейбір қатты денелер мен сұйықтардың люминесценциясын туғызатыны сияқты қасиеттері белгілі болды.

Бұл құбылысты зерттеу  жұмыстары бірден басталды. Францияда 1898 жылы М.Склодовская-Кюри мен П. Кюри торий ( ) элементінің өздігінен сәуле шығаруын ашты. Өздігінен сәуле шығаратын химиялық элементті радиоактивті деп, ал сәуле шығару процесін радиоактивтік деп атауды М. Кюри ұсынған еді. Радиоактивтік латынның "radio" — сәуле шығару, "activus" — әрекетті деген сөздерінен алынған. Осы жылы ерлі-зайыпты ғалымдар тонналаған уран кенін өңдеу арқылы, радиоактивті екі жаңа химиялық элементті бөліп алады. Радиоактивтігі ураннан миллион есе қарқынды элементті ( ) радий, екінші элементті М. Склодовскаяның отанының құрметіне полоний ( ) деп атаған. 1908 жылы Резерфорд спектрлік анализ әдісімен радиоактивті газ — радонды ( ) ашты. Ауқымды жүргізілген зерттеулер Менделеев кестесіндегі қорғасыннан кейінгі ауыр элементтердің ядроларының бәрінде табиғи радиоактивтік бар екенін көрсетті. Кейбір жеңіл элементтердің де, мысалы, калийдің изотопы  ,көміртегінің изотопы   және т.б. табиғи радиоактивтік қасиеттері ашылды.

Иондық сәулелену деген не және қалай пайда болады?Жылдам ұшатын атом бөлшектері өзінің жолында тұрған молеку-лалардан және атомдардан өтерде олармен соқтығысадыяғни электрлік қатынасқа түседі. Осының әсерінен ол өзінің энергиясын жұмсап, жыл-дамдығын баяулатады. Оның энергиясын сіңірген орталықта иондар және қозуға түскен. Молекулалар пайда болады. Сәулеленудің бәріне сай қасиет- иондану эффектісін –иондық сәулелену дейді.Иондану    эффектісі- Зарядталған бөлшектердің   /бета және альфа-бөлшегі, протондар/ ұшып бара жатқанда олардың өтетін затының атом немесе молекула қабығындағы  электронмен электрлік қатынасқа түсуі.Осының нәтижесінде атоммен немесе молекуламен қатынаста болатын бұл электронның байланысы үзіледі.  Құбылысқа түскен атом немесе молекула электронын жоғалтады, одан соң ол оң зарядты ионға айналады. Атомның қабығынан үзілген электрон ұшып бара жатып, жолында кездескен молекулалардың және атомдардың ионданған түріне айналуына әсерін тигізіп отырады. Ұшып бара жатқан бөлшектің кинетикалық энергиясы таусылғанша және бейтарапты молекулаға қосылып теріс зарядты түріне айналғанша бұл құбылыс өте береді. Энергияны немен өлшейді? Ядролық физикада энергияны электронвольтпен Эв және мұның туындысы: мыңдаған электронвольт Кэв және миллиондаған электронвольт Мэвмөлшерімен өлшейді.Рентген және гамма сәулелерінен энергияның қоюлануы сгусток түрінде  бөлініп отыруын олардың кванттар фотондар  түрінде сәулеленуі  деп атайды. Мысалы, күннің күлгін сәулесінің квант энергиясы электронвльтпен өлшегенде 3 эв–ке тең, диагностикалық мақсатта медицинада қолданылатын рентген сәулесінің квант энергиясы 30000 эв. Толқынның ұзындығы азайса оның квант энергиясы көбейеді. Ауасы сиретілген кеңістікте энергияға байланысты болмай – ақ рентген және гамма – сәулелерінің кванты жарықтың жылдамдығындай /299790 км/сек/ жылдамдықпен тарайды.

Иондық сәәулеленудің топтары.Иондық сәулеленудің барлық түрлерін екі топқа бөлуге болады: электромагниттік сәулелену және корпускулярлық сәулелену.Электромагниттік сәулеленуге рентген және гамма — сәулелері жатады, ал корпускулярлық сәулеленуге әр түрлі ядролық бөлшектер жатады. Күн – рентген сәулелерін шығарып отыратын бұлақ. Бұл сәулелер Жердің үстіңгі қабатындағы атмосферада ұсталынып тұратындығынан тірі жәндіктерге, жануарларға және адамдарға оның зиянды әсері жетпейді.Гамма – кванты ядролық реакциялар жүргенде және көпшілік радиоактивтік заттар ыдырауға түскен кезде бөлініп отырады.Рентген сәулелерінің және гамма – квантының физикалық қасиеттері ұқсас (заттардан өту қабілеті анағұрлым жоғары),  сондықтан тірі организмге олардың биологиялық әсерлері бірдей.Корпускулярлық сәулеленуге ядролық бөлшектерден тұратын иондық радиацияның барлық түрлері жатады: бета бөлшегі (электрондар), протондар (сутегінің ядросы), альфа бөлшегі (гелийдің ядросы). Нейтрондар тікелей емес жолмен бөлшектерді иондандыра алатын болғандықтан, олар өздері зарядталмаған болса да сәулеленудің осы тобына жатады.Зарядталған ядролық бөлшектер сәулеленген заттан өткенде өзінің энергиясын жұмсап, энергиясы таусылғанша сол заттың атомдарын және молекулаларын ионды түрге айналдыра береді.Сәулелену ядро бөлшектерін тек ионды түрге айналдырып қана қоймайды, ол сәулеленуге түскен заттың атомдарын және молекулаларын өзінің энергиясын соларға беру арқылы қоздырады. Сөйтіп, иондану және қозу — сәулеленген зарядтан өтетін иондық радиациясының энергиясын жұмсайтын негізгі құбылыс. Бета – бөлшегі өзінің физикалық жағынан атомдардың қабығындағы электрондардан айырмашылығы жоқ. Электрондар сияқты олар теріс зарядталған. Бета – бөлшегі атом ядросының радиоактивтік ыдырау кезінде пайда болады да, сәуле түрінде одан өте жылдам бөлінеді.Альфа – бөлшегі бета – бөлшегіне қарағанда 7300 есе ауыр. Альфа – бөлшегі атомдық номері үлкен кейбір элементтерден радиоактивті ыдырау кезінде бөлінеді. Мысалы, радий элементінің ыдырауында:88 Ra²²⁶ — альфа бөлшегі  +86 Rn²²²Альфа бөлшегінің ұшып шығуына байланысты атомдық номері екіге, ал атомдық салмағы төртке кемиді.Радиоактивтік элемент сәулеленгенде ол басқа элементке айналады. 

 

Радиоактивті ыдырау

 

 

Э. Резерфод пен П. Кюри радиоактивтік кезіндегі сәуле  шығарудың табиғатын зерттеу  барысында оның құрамы күрделі екенін анықтайды. Радиоактивті радий   қорғасыннан жасалған калың қабатты ыдыстың ішінде орналасқан. Ыдыстың ортасында цилиндр пішінді арна бар. Ыдыстың түбіндегі радийден шыққан сәулелерге оған перпендикуляр бағытта күшті магнит өрісі әсер етеді. Арнаның қарсысында фотопластина бар. Барлық қондырғы вакуумде орналастырылған. 8.6-суретте көрсетілгендей радийден шығатын сәулелер ағыны магнит өрісінен өткеннен кейін үш шоққа бөлінген. Шоқтардың осылайша бөлінуін фотопластинадағы қарайған заттардың орындары бойынша анықтайды. Оларды сәйкесінше α (альфа)-сәуле, β (бета)-сәуле және γ (гамма)-сәуле деп атаған. α-сәуле дегеніміз — оң арядталған бөлшектер (α-бөлшек) ағыны, β-сәуле дегеніміз—өте шапшаң қозғалатын және жылдамдықтары бірдей емес теріс зарядталған бөлшектер (β-бөлшек) ағыны болып шықты. Магнит өрісінде ауытқу бұрышының әр түрлі болуы α-бөлшек пен β-бөлшектің массаларының бірдей емес екенін, әрі қарама-қарсы зарядталғанын көрсетеді. γ-сәулесі магнит өрісінде ауытқымайтын, жиілігі өте жоғары электромагниттік сәулелену кванты екен. Атом ядросының құрылысы мен құрылымына, нуклондардың байланыс энергиялары туралы мәліметтерге сүйене отырып, радиоактивті сәуле шығарудың табиғатын түсіндіру оңай. Құрамында нейтрон-дардан гөрі протондарының саны артық болатын ядро тұрақты емес, өйткені кулондық әрекеттесудің энергиясы басымырақ.

Нейтрондарының саны протондар санына қарағанда анағұрлым  көбірек болатын ядроның тұрақты  болмауының себебі, нейтроннық массасы  протонның массасынан үлкен m_n > m_p . Ядроның массасының артуы оның энергиясының артуына әкеліп соғады. Артық энергиясы бар ядро осы энергияның артық бөлігін екі түрлі жолмен бөліп шығаруы мүмкін.

1. Механикалық, термиялық және басқа да сыртқы әсерсіз-ақ, ядро өздігінен ыдырап радиоактивті сәуле шығарады және бөліну нәтижесінде түрленіп жаңа элементтің ядросы пайда болады. Өздігінен ыдырау процесінде α-бөлшектер ядродан ұшып шықса, оны альфа-ыдырау деп атайды.
2. Ядро, өзінің электр зарядын бір заряд бірлігіне өзгертуі, яғни нейтронның протонға немесе протонның нейтронға айналуы арқылы тосын ыдырайды. Осы процесс ядродан электронның немесе позитронның (оң заряды бар электрон) ұшып шығуымен қабаттаса өтеді, оны бета-ыдырау дейді. Радиоактивті ядролардың өздігінен ыдырауы кезіндегі түрленуі 1913 жылы ағылшын ғалымы Ф . Содди тұжырымдаған ығысу ережесіне бағынады. Радиоактивті ыдырау кезінде электр зарядының және массалық санның сақталу заңдары, импульс пен энергияның сақталу заңдары да орындалады.

Альфа-ыдырау

α-бөлшегінің табиғатын 1908 жылы Резерфорд көптеген эксперименттік зерттеулер нәтижесінде анықтады. Альфа-ыдырауы кезінде ядродан өздігінен α-бөлшек — гелий атомының ядросы Не (екі протон және екі нейтрон) ұшып шығады және жаңа химиялық элементтің туынды ядросы пайда болады. 8.7-суретте альфа-ыдыраудың процесі көрсетілген.Альфа-ыдырау кезінде атом ядросы зарядтың саны   екіге және массалық саны   төртке кем туынды ядроға түрленеді. Жаңа элемент Менделеев кестесіндегі периодтық жуйенің бас жағына қарай екі орынға ығысады:

мұндағы   — аналық ядроның белгісі,   — туынды ядроның таңбасы. Гелий атомының ядросы болып табылатын α-бөлшек үшін   белгісін пайдаландық.

Аналық ядро ыдырағанда, α-бөлшек пен туынды ядро белгілі бір кинетикалық энергиямен жан-жаққа шашырай ұшады. Кейбір ыдырауда туынды ядро қозған күйде болуы мүмкін. Ыдырау энергиясын аналық ядромен байланысқан санақ жүйесінде энергияның сақталу заңын пайдаланып есептеуге болады. Ыдырау энергиясы   қозу энергиясы мен кинетикалық энергиялардың қосындысына тең. Бастапқы энергия аналық ядроның тыныштық энергиясына тең екенін ескерсек, онда

 — аналық,   — туынды ядролардың,   — гелий атомы ядросының массалары, бұдан ыдырау энергиясын табамыз

Бета-ыдырау

 

 

β-сәулесінің табиғатын 1899 ж Резерфорд ашқан болатын. Ол шапшаң қозғалатын электрондар ағыны. β-бөлшекті   деп белгілейді. Массалық санның   болуы, электронның массасы массаның атомдық бірлігімен салыстырғанда елеусіз аз екенін көрсетеді. Ығысу ережесін бета-ыдырауға қолданайық.

Бета-ыдырау кезінде  атом ядросының зарядтық саны   бір заряд бірлігіне артады, ал массалық сан өзгермейді. Жаңа элемент Менделеев кестесіндегі периодтық жүйенің соңына қарай бір орынға ығысады:

мұндағы   — электрлік заряды нөлге тең, тыныштық массасы жоқ электрондық антинейтрино деп аталатын бөлшек.

Бұндай ыдырауды электрондық β-ыдырау деп атайды. Радиоактивті электронды β-ыдырау процесі ядрода нейтронның   протонға  айналуы және осы кезде электронның   және антинейтриноның   қабаттаса түзілуі арқылы өтеді:

Ядроның ішінде электронның  пайда болуы осы нейтронның ыдырауының нәтижесі екен. Бета-ыдырау кезінде туынды ядро мен электрон жүйесінің энергиясы ыдырауға дейінгі аналық ядро жүйесінің энергиясынан кем болып шығатынын өлшеулер көрсетті. β-ыдырау кезінде энергияның сақталу заңының орындалатына күмән туды. 1930 жылы В. Паулиp β-ыдырау кезінде, ядродан электроннан басқа тағы бір массалық саны ( ) мен зарядының саны ( ) нөлге тең бөлшек бөлініп шығады деген жорамалды ұсынды. β–ыдыраудағы энергияның сақталу заңының бұзылуына себепші, жетіспей тұрған энергия осы нейтраль бөлшекке тиесілі екен.

Үлы итальян ғалымы Э.Фермидің ұсынысы бойынша бұл бөлшекті нейтрино v (итальянша neitrino — кішкентай нейтрон) деп атаған. Нейтриноның электр заряды мен тыныштық массасы нөлге тең болғандықтан, оның затпен әрекеттесуі әлсіз, сондықтан эксперимент арқылы тіркеу аса қиыншылық туғызды. Ұзакка созылған ізденістер нәтижесінде тек 1956 жылы ғана нейтриноны тіркеу мүмкін болды. Ал антинейтрино осы нейтриноның антибөлшегі болып табылады. Электрондық β^--ыдыраудан басқа позитрондық β⁺-ыдырау процесі де өтуі мүмкін. Позитрондық радиоактивтік кезінде ядродағы протонның біреуі нейтронға айналып, позитрон   мен электрондық нейтрино v бөлініп шығады:

Ядроның зарядтық саны   бірлік зарядқа кемиді, нәтижесінде элемент Менделеев кестесіндегі периодтық жүйенің бас жағына қарай бір орынға ығысады:

мұндағы   позитрон, электронның антибөлшегі, массасы электронның массасына тең.Аналық және туынды ядролар — изобаралар.

Гамма-ыдырау

1900 жылы Вилaрд ядролық сәуле шығарудың құрамындағы үшінші компоненттің бар екенін тапты, оны гамма (у)-сәуле шығару деп атаған. Гамма-сәуле шығару магнит өрісінде ауытқымайды, демек, оның заряды жоқ. Гамма-сәуле шығару радиоактивтік ыдыраудың жеке бір түрі емес, ол альфа және бета-ыдыраулармен қабаттаса өтетін процесс. Жоғарыда айтқанымыздай, туынды ядро қозған күйде болады. Қозған күйдегі ядро атом сияқты, жоғарғы энергетикалық деңгейден төменгі энергетикалық деңгейге өткенде,   энергиясы бар гамма-квантын шығарады, мұндағы   —қозған,   — қалыпты күйдегі энергиялар (8.10-сурет). Ядродан шығатын ү-сәулелері дегеніміз — фотондар ағыны болып шықты.