La maggior parte dei nuclei atomici sono instabili. Prima o poi spontaneamente (o, come dicono i fisici, spontaneamente) decadono in nuclei più piccoli e particelle elementari, che sono comunemente chiamati prodotti di decadimento o elementi figlio. Si chiamano particelle in decomposizione materie prime o genitori. Tutte le sostanze chimiche che conosciamo (ferro, ossigeno, calcio, ecc.) hanno almeno un isotopo stabile. ( isotopi sono chiamate varietà di un elemento chimico con lo stesso numero di protoni nel nucleo - questo numero di protoni corrisponde al numero di serie dell'elemento - ma un diverso numero di neutroni.) Il fatto che queste sostanze ci siano ben note indica la loro stabilità - significa che vivono abbastanza a lungo per accumularsi in quantità significative in condizioni naturali, senza rompersi in componenti. Ma ciascuno degli elementi naturali ha anche isotopi instabili: i loro nuclei possono essere ottenuti nel processo di reazioni nucleari, ma non vivono a lungo, perché decadono rapidamente.

Il decadimento dei nuclei degli elementi radioattivi o degli isotopi può avvenire in tre modi principali e le corrispondenti reazioni di decadimento nucleare sono denominate dalle prime tre lettere dell'alfabeto greco. In decadimento alfa viene rilasciato un atomo di elio composto da due protoni e due neutroni, comunemente chiamato particella alfa. Poiché il decadimento alfa comporta una diminuzione di due del numero di protoni caricati positivamente in un atomo, il nucleo che ha emesso la particella alfa si trasforma nel nucleo dell'elemento due posizioni sotto di esso nel sistema periodico di Mendeleev. In decadimento beta il nucleo emette un elettrone e l'elemento avanza di una posizione inoltrare secondo la tavola periodica (in questo caso, in sostanza, il neutrone si trasforma in un protone con la radiazione di questo stesso elettrone). Infine, decadimento gamma - questo è il decadimento dei nuclei con emissione di fotoni ad alta energia, comunemente chiamati raggi gamma. In questo caso, il nucleo perde energia, ma l'elemento chimico non cambia.

Tuttavia, il fatto dell'instabilità dell'uno o dell'altro isotopo di un elemento chimico di per sé non significa affatto che, avendo riunito un certo numero di nuclei di questo isotopo, otterrai un'immagine del loro decadimento simultaneo. In realtà, il decadimento del nucleo di un elemento radioattivo ricorda in qualche modo il processo di frittura del mais nella fabbricazione dei popcorn: i chicchi (nucleoni) cadono dalla "pannocchia" (nucleo) uno alla volta, in un ordine del tutto imprevedibile , finché non cadono tutti. La legge che descrive la reazione di decadimento radioattivo, infatti, afferma solo questo fatto: per un determinato periodo di tempo, un nucleo radioattivo emette un numero di nucleoni proporzionale al numero di nucleoni rimasti nella sua composizione. Cioè, più grani-nucleoni rimangono ancora nel nucleo di pannocchia "crudo", più di essi verranno rilasciati durante un intervallo di tempo fisso di "frittura". Quando traduciamo questa metafora nel linguaggio delle formule matematiche, otteniamo un'equazione che descrive il decadimento radioattivo:

d N = λN d t

dove d N- il numero di nucleoni emessi dal nucleo con il numero totale di nucleoni N nel tempo d t, un λ - determinato sperimentalmente costante di radioattività la sostanza in esame. La formula empirica di cui sopra è un'equazione differenziale lineare, la cui soluzione è la seguente funzione, che descrive il numero di nucleoni rimasti nel nucleo in quel momento t:

N = N 0e- λt

dove N 0 è il numero di nucleoni nel nucleo al momento iniziale dell'osservazione.

La costante di radioattività determina quindi la velocità con cui il nucleo decade. Tuttavia, i fisici sperimentali di solito non lo misurano, ma il cosiddetto metà vita nucleo (cioè il periodo per il quale il nucleo studiato emette metà dei nucleoni in esso contenuti). Per vari isotopi di varie sostanze radioattive, l'emivita varia (in piena conformità con le previsioni teoriche) da miliardesimi di secondo a miliardi di anni. Cioè, alcuni nuclei vivono quasi per sempre e alcuni decadono letteralmente istantaneamente (qui è importante ricordare che dopo l'emivita, rimane metà della massa totale della sostanza originale, dopo due emivite - un quarto della sua massa , dopo tre emivite - un ottavo, ecc. d.).

Per quanto riguarda la presenza di elementi radioattivi, nascono in modi diversi. In particolare, la ionosfera (strato rarefatto superiore dell'atmosfera) della Terra è costantemente bombardata da raggi cosmici, costituiti da particelle ad alta energia ( centimetro. particelle elementari). Sotto la loro influenza, gli atomi longevi sono divisi in isotopi instabili: in particolare, dall'azoto-14 stabile nell'atmosfera terrestre, si forma costantemente un isotopo instabile di carbonio-14 con 6 protoni e 8 neutroni nel nucleo ( centimetro. datazione radiometrica).

Ma il caso di cui sopra è piuttosto esotico. Molto più spesso, si formano elementi radioattivi catene di reazione fissione nucleare . Questo è il nome dato ad una serie di eventi durante i quali il nucleo originario (“genitore”) decade in due “figlie” (anch'esse radioattive), che, a loro volta, in quattro nuclei “nipoti”, ecc. Il processo continua fino ad allora fino ad ottenere isotopi stabili. Ad esempio, prendiamo l'isotopo uranio-238 (92 protoni + 146 neutroni) con un'emivita di circa 4,5 miliardi di anni. Questo periodo, tra l'altro, è approssimativamente uguale all'età del nostro pianeta, il che significa che circa la metà dell'uranio-238 dalla composizione della materia primaria della formazione della Terra è ancora nella totalità degli elementi della terra natura. L'uranio-238 si trasforma in torio-234 (90 protoni + 144 neutroni), la cui emivita è di 24 giorni. Il torio-234 si trasforma in palladio-234 (91 protoni + 143 neutroni) con un'emivita di 6 ore - e così via Dopo più di dieci stadi di decadimento, si ottiene finalmente un isotopo stabile del piombo-206.

Si può dire molto sul decadimento radioattivo, ma è necessario sottolineare alcuni punti. In primo luogo, anche se prendiamo un campione puro di un singolo isotopo radioattivo come materiale di partenza, esso decadrà in diversi componenti e presto otterremo inevitabilmente un intero "mazzo" di varie sostanze radioattive con diverse masse nucleari. In secondo luogo, le catene naturali di reazioni del decadimento atomico ci rassicurano nel senso che la radioattività è un fenomeno naturale, esisteva molto prima dell'uomo, e non c'è bisogno di prendere un peccato sull'anima e incolpare solo la civiltà umana di avere un fondo di radiazioni sulla terra. L'uranio-238 è esistito sulla Terra sin dal suo inizio, è decaduto, decade - e decadrà, e le centrali nucleari accelereranno questo processo, infatti, di una frazione di punto percentuale; in modo che non abbiano alcun effetto particolarmente dannoso, oltre a quanto previsto dalla natura, su di te e su di me.

Infine, l'inevitabilità del decadimento atomico radioattivo presenta potenziali sfide e opportunità per l'umanità. In particolare, nella catena di reazioni del decadimento dei nuclei dell'uranio-238, si forma il radon-222, un gas nobile senza colore, odore e sapore, che non entra in alcuna reazione chimica, poiché non è in grado di formare sostanze chimiche obbligazioni. esso gas inerte, e trasuda letteralmente dalle viscere del nostro pianeta. Di solito non ha alcun effetto su di noi: si dissolve semplicemente nell'aria e rimane lì in una piccola concentrazione fino a quando non si scompone in elementi ancora più leggeri. Tuttavia, se questo innocuo radon rimane a lungo in una stanza non ventilata, nel tempo i suoi prodotti di decomposizione inizieranno ad accumularsi lì e sono dannosi per la salute umana (se inalati). È così che otteniamo il cosiddetto "problema del radon".

D'altra parte, le proprietà radioattive degli elementi chimici portano alle persone notevoli benefici se affrontate con saggezza. Il fosforo radioattivo, in particolare, viene ora iniettato per ottenere un quadro radiografico delle fratture ossee. Il grado della sua radioattività è minimo e non danneggia la salute del paziente. Entrando nel tessuto osseo del corpo insieme al normale fosforo, emette raggi sufficienti per fissarli su apparecchiature fotosensibili e scattare foto di un osso rotto letteralmente dall'interno. I chirurghi, di conseguenza, hanno l'opportunità di operare una frattura complessa non alla cieca e in modo casuale, ma avendo precedentemente studiato la struttura della frattura da tali immagini. In generale, le applicazioni radiografia nella scienza, nella tecnologia e nella medicina è innumerevoli. E funzionano tutti secondo lo stesso principio: le proprietà chimiche dell'atomo (in effetti, le proprietà del guscio elettronico esterno) consentono di attribuire una sostanza a uno specifico gruppo chimico; quindi, utilizzando le proprietà chimiche di questa sostanza, l'atomo viene consegnato "al posto giusto", dopodiché, utilizzando la proprietà dei nuclei di questo elemento di decadere in stretta conformità con il "programma" stabilito dalle leggi della fisica, vengono registrati i prodotti di decadimento.

Lo studio della radioattività ci convince che la radiazione radioattiva è emessa dai nuclei atomici degli elementi radioattivi. Questo è ovvio in relazione alle particelle, poiché semplicemente non esistono nel guscio dell'elettrone. L'origine nucleare delle particelle è dimostrata da esperimenti chimici. Se le particelle sono emesse dai nuclei, la radioattività dovrebbe portare a un cambiamento nella natura chimica dell'atomo. Infatti, un elettrone porta via dal nucleo un'unità di carica negativa, cioè aumenta di uno la carica positiva del nucleo. Il nucleo non reggerà più su se stesso, ma gli elettroni; un atomo radioattivo si trasformerà in un atomo dell'elemento successivo nella tavola periodica. In effetti, studi chimici hanno scoperto che nelle sostanze che emettono radiazioni si accumulano atomi di un elemento con un numero di serie superiore di un'unità al numero di serie dell'emettitore.

L'emissione di particelle modifica anche la carica del nucleo e quindi deve comportare anche un cambiamento nella natura chimica dell'atomo radioattivo. Questa previsione è pienamente confermata dagli esperimenti.

Quindi, emettendo radiazioni, gli atomi di un elemento radioattivo cambiano, trasformandosi in atomi di un nuovo elemento.

In questo senso, l'emissione di radiazioni radioattive è chiamata decadimento radioattivo. Distinguere tra decadimento - l'emissione di particelle, e decadimento - l'emissione di particelle.

Poiché la particella porta via una carica positiva di due unità e una massa di quattro unità, come risultato del decadimento, un elemento radioattivo si trasforma in un altro elemento, il cui numero di serie è di due unità in meno e il numero di massa è di quattro unità in meno . La massa di una particella è trascurabile rispetto all'unità di massa atomica; pertanto, l'emissione di una particella non cambia il numero di massa del nucleo. Di conseguenza, per effetto del decadimento, un elemento radioattivo si trasforma in un elemento con un numero seriale maggiore di uno e con lo stesso numero di massa.

Queste regole, che indicano lo spostamento di un elemento nella tavola periodica a causa del decadimento, sono chiamate regole di spostamento.

Il decadimento radioattivo provoca una continua diminuzione del numero di atomi di un elemento radioattivo. Nel caso dell'uranio, del torio e del radio, il tasso di decadimento è così lento che la diminuzione del numero di atomi di questi elementi è impercettibile anche per un periodo di diversi anni. Vi è, tuttavia, un gran numero di elementi radioattivi in ​​rapido decadimento. Si consideri, ad esempio, un isotopo radioattivo del bismuto con numero di massa 210, il cosiddetto (radio). è isolato dal radio, che è presente in quantità estremamente piccole. Quantità trascurabili per massa sono facilmente rilevabili da radiazioni intense. Misurando periodicamente con l'aiuto di un contatore a scarica di gas il numero di particelle emesse dal farmaco per unità di tempo, troviamo che questo numero diminuisce gradualmente. Un grafico della diminuzione dell'attività nel tempo è mostrato in Fig. 388.

Riso. 388

Come si vede dal grafico, dopo 5 giorni l'attività è uguale a quella iniziale, dopo 10 giorni - quella iniziale, dopo 15 giorni - quella iniziale, ecc. Ogni 5 giorni l'attività si dimezza. Ma per ridurre della metà l'attività, è sufficiente dividere il farmaco a metà. Pertanto, il numero di atomi viene dimezzato ogni 5 giorni.

L'intervallo di tempo durante il quale la metà degli atomi di una sostanza radioattiva decade è chiamato emivita. Pertanto, la sostanza il cui decadimento è mostrato in Fig. 388 ha un'emivita di 5 giorni. Sia al momento iniziale il numero di atomi della sostanza radioattiva uguale a . Indichiamo l'emivita di questa sostanza. Dopo la scadenza delle emivite, cioè al momento, il numero di atomi non decaduti è ovviamente pari a

Sostituendo , otteniamo

La nostra derivazione della relazione (215.1) viene effettuata per intervalli di tempo multipli dell'emivita (cioè per interi); si può dimostrare, tuttavia, che vale anche per qualsiasi . La relazione (215.1), che dà la dipendenza dal tempo del numero di atomi radioattivi non decaduti, è chiamata legge del decadimento radioattivo.

L'emivita è una delle caratteristiche principali di una sostanza radioattiva. Numerosi esperimenti hanno dimostrato che l'emivita di una sostanza radioattiva è un valore rigorosamente costante che non può essere modificato da influenze (entro i limiti a nostra disposizione) come raffreddamento, riscaldamento, pressione, campo magnetico, forze chimiche, ecc. l'emivita da condizioni esterne non dovrebbe sorprenderci. Il decadimento radioattivo è una proprietà dei nuclei atomici e l'energia delle normali influenze terrestri è insufficiente per modificare il nucleo atomico (§208).

La misurazione dell'emivita dei nuclei di breve durata viene ridotta alla determinazione dell'intervallo di tempo durante il quale l'intensità della radiazione diminuisce della metà. L'emivita dei nuclei a lunga vita può essere calcolata misurando il numero di atomi che decadono per unità di tempo (pari al numero di particelle emesse durante questo periodo) e conoscendo il numero totale di atomi nel campione. In effetti, la proporzione del numero di atomi che decadono in un certo tempo dipende dall'emivita. Più breve è l'emivita, più veloce è il decadimento e maggiore è la frazione di atomi che decade nello stesso tempo.

Misure di questo tipo danno un'emivita del radio di 1600 anni. Naturalmente, in intervalli di tempo dell'ordine di un anno, la diminuzione del radio è così piccola che il cambiamento nella sua attività è praticamente impercettibile.

È noto dalla geologia che l'età dei minerali è misurata in milioni di anni. In intervalli di tempo di scala geologica, il decadimento del radio avrebbe dovuto portare alla sua completa scomparsa. Ovviamente, in natura, insieme al decadimento, si verifica la formazione di nuovi atomi di radio. Il fatto che il radio si trovi sempre nell'uranio e solo nei minerali di uranio suggerisce che la fonte di nuovi atomi di radio sia il decadimento radioattivo dell'uranio.

L'uranio è una sostanza radioattiva, cioè emette particelle. L'emivita dell'uranio (più precisamente, l'isotopo principale dell'uranio con una massa atomica di 238), misurata dall'attività, è di 4,5 miliardi di anni. Anche sulla scala temporale geologica, il decadimento dell'uranio è molto lento.

il decadimento del nucleo porta, secondo le regole dello spostamento, alla formazione di un nucleo con carica e numero di massa, cioè un isotopo del torio. Anche questo isotopo del torio, altrimenti noto come uranio-x-one, risulta essere una sostanza radioattiva che emette particelle. Il prodotto di decadimento risulta essere un isotopo dell'elemento protoattinio con una massa atomica di 234, altrimenti chiamato. Questo isotopo è di nuovo radioattivo e così via. La catena dei successivi prodotti di decadimento dell'uranio, la cosiddetta famiglia radioattiva dell'uranio, è mostrata in Fig. 389. Solo dopo 14 decadimenti successivi l'atomo di uranio si trasforma in un isotopo del piombo non radioattivo o, come si dice, stabile.

Il decadimento dell'uranio porta infine all'accumulo di piombo. In effetti, i minerali di uranio contengono sempre piombo. Naturalmente, tutti i prodotti intermedi della catena di decadimento dell'uranio si accumulano anche nei minerali di uranio. Il radio è il quinto prodotto di questa catena. , che è stato discusso sopra, è il settimo prodotto nella catena di decadimento del radio. Il primo discendente del radio è il gas inerte radioattivo radon (a volte chiamato emanazione del radio).

L'accumulo di prodotti di trasformazione radioattivi è limitato dal loro decadimento. Più breve è l'emivita di una sostanza, più velocemente decade e minore è il suo contenuto nella sostanza madre (uranio o radio).

Qualsiasi trasformazione radioattiva è associata, come sappiamo, all'emissione di una o di una particella. Alcune trasformazioni sono anche accompagnate da disintegrazione

Oltre alla famiglia dell'uranio, in natura esistono altre due famiglie radioattive. L'antenato di uno di essi è il torio, l'antenato dell'altro è un raro isotopo dell'uranio.

Fisica Nucleareè una branca della fisica che studia la struttura e le proprietà dei nuclei atomici. La fisica nucleare si occupa anche dello studio delle mutue trasformazioni dei nuclei atomici, che avvengono sia come risultato di decadimenti radioattivi sia come risultato di varie reazioni nucleari. Il suo compito principale è connesso con la delucidazione della natura delle forze nucleari che agiscono tra i nucleoni e le peculiarità del movimento dei nucleoni nei nuclei. Protoni e neutroni sono le particelle elementari di base che compongono il nucleo di un atomo. nucleoneè una particella che ha due diversi stati di carica: un protone e un neutrone. Carica del nucleo- il numero di protoni nel nucleo, uguale al numero atomico dell'elemento nel sistema periodico di Mendeleev. isotopi- nuclei aventi la stessa carica, se il numero di massa dei nucleoni è diverso.

isobare- si tratta di nuclei con lo stesso numero di nucleoni, con cariche diverse.

Nuclideè un kernel specifico con valori. Energia di legame specificaè l'energia di legame per nucleone del nucleo. È determinato sperimentalmente. Stato fondamentale del kernel- questo è lo stato del nucleo, che ha l'energia più bassa possibile, pari all'energia di legame. Stato eccitato del nucleo- questo è lo stato del nucleo, che ha energia, una grande energia di legame. Dualismo corpuscolare-onda. effetto fotoelettrico La luce ha una duplice natura corpuscolare-onda, cioè dualismo corpuscolare-onda: in primo luogo: ha proprietà ondulatorie; in secondo luogo: agisce come un flusso di particelle - fotoni. La radiazione elettromagnetica non viene solo emessa dai quanti, ma si propaga e viene assorbita sotto forma di particelle (corpuscoli) del campo elettromagnetico - fotoni. I fotoni sono in realtà particelle esistenti del campo elettromagnetico. Quantizzazioneè un metodo per selezionare le orbite degli elettroni corrispondenti agli stati stazionari di un atomo.

RADIOATTIVITÀ

Radioattività - chiamato la capacità del nucleo atomico di decadere spontaneamente con l'emissione di particelle. Viene chiamato il decadimento spontaneo degli isotopi dei nuclei nell'ambiente naturale radioattività naturale - è la radioattività che può essere osservata negli isotopi instabili presenti in natura. E nelle condizioni dei laboratori come risultato dell'attività umana – radioattività artificiale - è la radioattività degli isotopi acquisiti a seguito di reazioni nucleari. La radioattività è accompagnata

la trasformazione di un elemento chimico in un altro ed è sempre accompagnata dal rilascio di energia. Sono state stabilite stime quantitative per ciascun elemento radioattivo. Quindi, la probabilità di decadimento di un atomo in un secondo è caratterizzata dalla costante di decadimento di questo elemento e il tempo per il quale la metà del campione radioattivo decade è chiamato emivita.Il numero di decadimenti radioattivi nel campione in uno il secondo è chiamato l'attività del farmaco radioattivo. L'unità di attività nel sistema SI è Becquerel (Bq): 1 Bq = 1 decadimento / 1 s.

decadimento radioattivoè un processo statico, in cui i nuclei di un elemento radioattivo decadono indipendentemente l'uno dall'altro. TIPI DI DECADIMENTO RADIOATTIVO

I principali tipi di decadimento radioattivo sono:

Alfa - decadimento

Le particelle alfa sono emesse solo da nuclei pesanti, cioè contenente un gran numero di protoni e neutroni. La forza dei nuclei pesanti è bassa. Per lasciare il nucleo, il nucleone deve vincere le forze nucleari, e per questo deve avere energia sufficiente. Quando si combinano due protoni e due neutroni in una particella alfa, le forze nucleari in tale combinazione sono le più forti e i legami con altri nucleoni sono più deboli, quindi la particella alfa è in grado di "fuggire" dal nucleo. La particella alfa emessa porta via una carica positiva di 2 unità e una massa di 4 unità. Come risultato del decadimento alfa, un elemento radioattivo si trasforma in un altro elemento, il cui numero di serie è di 2 unità e il numero di massa è di 4 unità in meno.Il nucleo che decade è chiamato genitore e figlio formato. Anche il nucleo figlia è solitamente radioattivo e decade dopo un po'. Il processo di decadimento radioattivo procede fino alla comparsa di un nucleo stabile, il più delle volte un nucleo di piombo o bismuto.

decadimento beta

Il fenomeno del decadimento beta è che i nuclei di alcuni elementi emettono spontaneamente elettroni e una particella elementare di massa molto piccola - un antineutrino. Poiché non ci sono elettroni nei nuclei, la comparsa dei raggi beta dal nucleo di un atomo può essere spiegata dalla capacità dei neutroni del nucleo di decadere in un protone, un elettrone e un antineutrino. Il protone emergente passa nel nucleo appena formato. Un elettrone emesso dal nucleo è una particella di radiazione beta. Questo processo di decadimento dei neutroni è tipico per i nuclei con un gran numero di neutroni. Come risultato del decadimento beta, si forma un nuovo nucleo con lo stesso numero di massa, ma con una carica maggiore di unità.

Decadimento gamma- non esiste. Nel processo di emissione radioattiva, i nuclei degli atomi possono emettere quanti gamma. L'emissione di raggi gamma non è accompagnata dal decadimento del nucleo atomico. La radiazione gamma accompagna spesso fenomeni di decadimento alfa o beta. Durante il decadimento alfa e beta, il nucleo neoformato è inizialmente in uno stato eccitato e, quando entra in uno stato normale, emette gamma quanti. Poiché la radiazione radioattiva è costituita da particelle alfa, particelle beta e quanti gamma, il fenomeno della radioattività è accompagnato da una perdita di massa ed energia del nucleo, dell'atomo e della materia nel suo insieme.

γ decadimento– emissione di γ-quanta da parte del nucleo atomico;

fissione spontanea- il decadimento del nucleo atomico in due o tre frammenti di massa comparabile.

16 Chimica - questo è uno di industrie scienze naturali, la cui materia sono gli elementi chimici ( atomi), sostanze semplici e complesse (molecole) da esse formate, le loro trasformazioni e le leggi a cui sono soggette queste trasformazioni.

Chimica- la scienza degli elementi chimici, dei loro composti e delle trasformazioni che avvengono a seguito di reazioni chimiche. Studia in quali sostanze è costituito questo o quell'oggetto; perché e come si arrugginisce ferro da stiro, e perché lattina non arrugginisce; cosa succede al cibo nel corpo; perché una soluzione salina conduce elettricità, ma una soluzione zuccherina no; perché alcuni cambiamenti chimici si verificano rapidamente e altri lentamente.

Chimica- La scienza della composizione, struttura, cambiamenti e trasformazioni, nonché la formazione di nuove sostanze semplici e complesse. La chimica, dice Engels, può essere chiamata la scienza dei cambiamenti qualitativi nei corpi che avvengono sotto l'influenza dei cambiamenti nella composizione quantitativa.

Chimica.- Greco. la scienza della decomposizione e della composizione delle sostanze, dei corpi, della ricerca degli elementi indecomponibili, dei fondamenti.

La chimica è piuttosto arbitrariamente suddivisa in più sezioni che non possono essere chiaramente distinte né da altre aree della chimica né da altre scienze (fisica, geologia, biologia). Chimica inorganica si occupa dello studio della natura chimica degli elementi e dei loro composti, ad eccezione della maggior parte dei composti del carbonio.

Chimica organica studia composti costituiti principalmente da carbonio e idrogeno. Poiché gli atomi di carbonio possono unirsi tra loro per formare anelli e lunghe catene, sia lineari che ramificate, esistono centinaia di migliaia di tali composti. Il carbone e il petrolio sono composti da composti organici, costituiscono la base degli organismi viventi. I chimici organici hanno imparato come ottenere fibre sintetiche, pesticidi, coloranti, farmaci, plastica e molte altre cose utili da carbone, petrolio, materiali vegetali.

Radiochimica - è la scienza dell'azione chimica delle radiazioni ad alta energia sulle sostanze; studia anche il comportamento degli isotopi radioattivi Chimica fisica utilizza metodi fisici per studiare i sistemi chimici. Un grande posto in esso è occupato da questioni sull'energia dei processi chimici; il ramo corrispondente della chimica è chiamato termodinamica chimica. Le aree più importanti includono la cinetica chimica e la struttura delle molecole. L'elettrochimica è lo studio dei processi chimici che si verificano sotto l'influenza di una corrente elettrica, nonché dei metodi per generare elettricità con metodi chimici. Tra le altre aree, si segnalano la chimica colloidale (si occupa dello studio del comportamento di sistemi dispersi), la chimica dei fenomeni di superficie e la meccanica statistica.

Chimica analitica - ramo più antico della chimica. Si occupa della scomposizione di sostanze complesse in sostanze più semplici, dell'analisi delle sostanze stesse e dei loro componenti. Oggi utilizza ampiamente apparecchiature fisiche complesse e computer per automatizzare i processi di routine, la raccolta e l'elaborazione dei dati.

Biochimica studia i processi chimici più complessi che si verificano negli organismi viventi. Un biochimico deve conoscere in dettaglio la chimica organica, padroneggiare molti metodi di analisi chimici e fisici. Biochimica e biologia molecolare si uniscono alla biochimica.

Geochimica si occupa dello studio dei processi chimici che avvengono nella crosta terrestre. Studia la formazione dei minerali, la metamorfosi delle rocce, la formazione del petrolio, si interseca con la chimica organica e la biochimica, nonché la fisica e la chimica fisica.

Elemento chimicoè una sostanza semplice composta da atomi identici.

La natura dei diversi elementi chimici è diversa, ad esempio molti elementi chimici si trovano in natura nella loro forma pura, alcuni elementi chimici possono essere isolati da una sostanza complessa mediante decomposizione o un nuovo elemento chimico può essere sintetizzato artificialmente.

Gli atomi degli elementi chimici sono una specie di materiale da costruzione da cui sono costruiti tutti i corpi che ci circondano.

In natura esistono circa un centinaio di diversi elementi chimici. E sono questi cento elementi che sono alla base di tutto ciò che ci circonda. Gli atomi possono essere combinati in molecole in modi completamente diversi, che non sono numerati.

Tra l'altro, ciascuno elemento chimico ha il suo nome. Probabilmente tutti hanno sentito nomi come: zolfo, idrogeno, mercurio, arsenico e altri. Questi sono i nomi degli elementi chimici. Ma oltre ai loro nomi in lingua russa, gli elementi chimici hanno anche designazioni standard internazionali. Ad esempio, l'idrogeno è indicato come H, l'ossigeno come O e così via.

Sostanze più spesso classificare secondo i due indicatori più importanti: la loro struttura e composizione.

molecolare e non molecolare . Le sostanze molecolari, cioè le sostanze costituite da molecole, sono la stragrande maggioranza. Nelle sostanze non molecolari, gli atomi formano immediatamente corpi macroscopici, senza prima combinarsi in molecole.

Per le sostanze di struttura non molecolare, sono caratteristiche solo formule empiriche, che mostrano quali atomi e in quale quantità sono contenuti in un frammento ripetuto. Nel nostro esempio, la formula empirica della sostanza è SiO 2, e questa non è altro che la sabbia più ordinaria.

organico e inorganico. Parola organico deriva dalla parola organismo, cioè vivere, vivere. In effetti, tutta la materia vivente sulla Terra è costituita da un'enorme varietà di sostanze organiche. Diversi secoli fa si credeva che le sostanze organiche si trovassero solo nelle piante e negli animali, ma oggi le incontriamo ben oltre la fauna selvatica: si tratta di plastica, plastica, adesivi, vernici, tessuti sintetici e molti altri materiali.

Le sostanze organiche devono la loro esistenza a un unico elemento: il carbonio. A differenza di altri elementi, è il carbonio ad avere una proprietà sorprendente: i suoi atomi sono in grado di combinarsi direttamente tra loro, formando ogni tipo di Catene e anelli.

catena di carbonioanello di carbonio

Vengono chiamate sostanze basate su catene e anelli di carbonio organico. Ad esempio, la catena di cui sopra può costituire la base di una tale molecola organica

Si chiamano tutte le altre sostanze, cioè non contenenti catene e anelli di carbonio inorganico . Tuttavia, sarebbe sbagliato pensare che non possano far parte degli organismi viventi. Quindi, l'acqua - una sostanza senza la quale la vita è generalmente impensabile, è ovviamente inorganica. Sul grafico ( Riso. 2) si può notare che le sostanze inorganiche sono molto meno di quelle organiche: solo circa 700mila, nonostante rappresentino tutti gli altri elementi chimici. Le sostanze inorganiche, a loro volta, formano due grandi gruppi: semplici e complessi.

Semplice dette sostanze costituite da atomi di un solo elemento, ad esempio H 2, O 2, Fe, Au. Di norma, un elemento e una sostanza semplice da esso formata hanno lo stesso nome: idrogeno, ossigeno, ferro, oro. Le sostanze semplici, così come i loro elementi chimici corrispondenti, sono divise in due classi: metalli e non metalli. I metalli differiscono dai non metalli per una buona conduttività termica ed elettrica, malleabilità, lucentezza caratteristica (Fig. 3) e una serie di altre proprietà.

complesso dette sostanze inorganiche formate da atomi di diversi elementi. Sostanze complesse, o, come vengono anche chiamate - composti chimici, - incredibilmente diversificato per struttura e proprietà. Costituiscono la maggior parte della natura inanimata (Fig. 4), sebbene, come già sappiamo, si possano trovare anche negli organismi viventi.

Quasi il 90% dei 2500 nuclei atomici conosciuti sono instabili. Un nucleo instabile si trasforma spontaneamente in altri nuclei con l'emissione di particelle. Questa proprietà dei nuclei è chiamata radioattività . Per i nuclei grandi, l'instabilità sorge a causa della competizione tra l'attrazione dei nucleoni da parte delle forze nucleari e la repulsione coulombiana dei protoni. Nuclei stabili con numero di carica Z> 83 e numero di massa UN> 209 non esiste. Ma anche i nuclei degli atomi con numeri significativamente più bassi possono risultare radioattivi. Z e UN. Se il nucleo contiene significativamente più protoni che neutroni, l'instabilità è causata da un eccesso di energia dell'interazione Coulomb. I nuclei che contengono un eccesso di neutroni sono instabili a causa del fatto che la massa del neutrone supera la massa del protone. Un aumento della massa del nucleo porta ad un aumento della sua energia.

Il fenomeno della radioattività fu scoperto nel 1896 dal fisico francese A. Becquerel, il quale scoprì che i sali di uranio emettono radiazioni sconosciute che possono penetrare attraverso barriere opache alla luce e causare annerimento dell'emulsione fotografica. Due anni dopo, i fisici francesi M. e P. Curie scoprirono la radioattività del torio e scoprirono due nuovi elementi radioattivi: il polonio e il radio.

Negli anni successivi, molti fisici, tra cui E. Rutherford ei suoi studenti, furono impegnati nello studio della natura delle radiazioni radioattive. Si è scoperto che i nuclei radioattivi possono emettere particelle di tre tipi: caricate positivamente e negativamente e neutre. Questi tre tipi di radiazioni sono stati chiamati radiazioni α, β e γ. Sulla fig. 6.7.1 mostra lo schema dell'esperimento, che consente di rilevare la complessa composizione della radiazione radioattiva. In un campo magnetico, i raggi α e β deviano in direzioni opposte e i raggi β deviano molto di più. I raggi γ in un campo magnetico non deviano affatto.

Questi tre tipi di radiazioni radioattive differiscono notevolmente tra loro per la loro capacità di ionizzare gli atomi della materia e, di conseguenza, per il loro potere di penetrazione. La radiazione α ha il potere di penetrazione minore. Nell'aria, in condizioni normali, i raggi α percorrono una distanza di diversi centimetri. I raggi β sono molto meno assorbiti dalla materia. Sono in grado di passare attraverso uno strato di alluminio spesso diversi millimetri. I raggi γ hanno il più alto potere di penetrazione, essendo in grado di passare attraverso uno strato di piombo spesso 5–10 cm.

Nel secondo decennio del 20° secolo, dopo la scoperta da parte di E. Rutherford della struttura nucleare degli atomi, è stato fermamente stabilito che la radioattività è proprietà dei nuclei atomici. Gli studi hanno dimostrato che i raggi α rappresentano un flusso di particelle α: nuclei di elio, i raggi β sono un flusso di elettroni, i raggi γ sono radiazioni elettromagnetiche a onde corte con una lunghezza d'onda estremamente corta λ< 10 –10 м и вследствие этого – ярко выраженными корпускулярными свойствами, т. е. является потоком частиц – γ-квантов.

Decadimento alfa . Il decadimento alfa è la trasformazione spontanea di un nucleo atomico con il numero di protoni Z e neutroni N in un altro nucleo (figlia) contenente il numero di protoni Z– 2 e neutroni N- 2. In questo caso viene emessa una particella α, il nucleo di un atomo di elio. Un esempio di tale processo è il decadimento α del radio:

Le particelle alfa emesse dai nuclei degli atomi di radio furono usate da Rutherford in esperimenti sulla dispersione da parte dei nuclei degli elementi pesanti. La velocità delle particelle α emesse durante il decadimento α dei nuclei di radio, misurata lungo la curvatura della traiettoria in un campo magnetico, è approssimativamente pari a 1,5 10 7 m/s, e la corrispondente energia cinetica è di circa 7,5 10 -13 J (circa 4,8 MeV). Questo valore può essere facilmente determinato dai valori noti delle masse dei nuclei genitore e figlia e del nucleo dell'elio. Sebbene la velocità della particella α espulsa sia enorme, è ancora solo il 5% della velocità della luce, quindi il calcolo può utilizzare un'espressione non relativistica per l'energia cinetica.

Gli studi hanno dimostrato che una sostanza radioattiva può emettere particelle α con diversi valori energetici discreti. Ciò è spiegato dal fatto che i nuclei possono essere, come gli atomi, in diversi stati eccitati. Un nucleo figlia può trovarsi in uno di questi stati eccitati durante il decadimento α. Durante la successiva transizione di questo nucleo allo stato fondamentale, viene emesso un quanto γ. Lo schema di decadimento α del radio con l'emissione di particelle α con due valori di energie cinetiche è mostrato in fig. 6.7.2.

Pertanto, il decadimento α dei nuclei è in molti casi accompagnato da radiazioni γ.

Nella teoria del decadimento α, si presume che all'interno dei nuclei si possano formare gruppi costituiti da due protoni e due neutroni, cioè una particella α. Il nucleo genitore è per le particelle α potenziale buco , che è limitato da una potenziale barriera. L'energia della particella α nel nucleo è insufficiente per superare questa barriera (Fig. 6.7.3). L'espulsione di una particella α dal nucleo è possibile solo a causa di un fenomeno quantomeccanico chiamato effetto tunnel . Secondo la meccanica quantistica, esiste una probabilità diversa da zero di passaggio di una particella sotto potenziale barriera. Il fenomeno del tunneling ha carattere probabilistico.

decadimento beta . Nel decadimento beta, un elettrone viene emesso dal nucleo. Gli elettroni non possono esistere all'interno dei nuclei, sorgono durante il decadimento β come risultato della trasformazione di un neutrone in un protone. Questo processo può verificarsi non solo all'interno del nucleo, ma anche con neutroni liberi. La vita media di un neutrone libero è di circa 15 minuti. Quando un neutrone decade in un protone e un elettrone

Le misurazioni hanno mostrato che in questo processo c'è un'apparente violazione della legge di conservazione dell'energia, poiché l'energia totale del protone e dell'elettrone derivante dal decadimento del neutrone è inferiore all'energia del neutrone. Nel 1931, Wolfgang Pauli suggerì che quando un neutrone decade, viene rilasciata un'altra particella con massa e carica zero, che porta via con sé parte dell'energia. La nuova particella è denominata neutrino (piccolo neutrone). A causa dell'assenza di carica e massa in un neutrino, questa particella interagisce molto debolmente con gli atomi della materia, quindi è estremamente difficile rilevarla in un esperimento. La capacità ionizzante dei neutrini è così piccola che un atto di ionizzazione nell'aria cade su circa 500 km del percorso. Questa particella è stata scoperta solo nel 1953. Attualmente è noto che esistono diverse varietà di neutrini. Nel processo di decadimento dei neutroni, viene prodotta una particella, che viene chiamata antineutrino elettronico . È indicato dal simbolo Pertanto, la reazione di decadimento del neutrone è scritta come

Un processo simile si verifica anche all'interno dei nuclei durante il decadimento β. Un elettrone formato come risultato del decadimento di uno dei neutroni nucleari viene immediatamente espulso dalla "casa madre" (nucleo) a una velocità tremenda, che può differire dalla velocità della luce solo di una frazione di punto percentuale. Poiché la distribuzione dell'energia rilasciata durante il decadimento β tra un elettrone, un neutrino e un nucleo figlio è casuale, gli elettroni β possono avere velocità diverse in un'ampia gamma di valori.

In β-decadimento, il numero di addebito Z aumenta di uno e il numero di massa UN Rimane invariato. Il nucleo figlio risulta essere il nucleo di uno degli isotopi dell'elemento, il cui numero di serie nella tavola periodica è uno superiore al numero di serie del nucleo originario. Un tipico esempio di decadimento β è la trasformazione dell'isotone del torio derivante dal decadimento α dell'uranio in palladio

Insieme al decadimento β elettronico, è stato scoperto il cosiddetto decadimento β + del positrone, in cui positrone e neutrini. Un positrone è una particella gemella di un elettrone che differisce da esso solo nel segno della carica. L'esistenza del positrone fu predetta dall'eccezionale fisico P. Dirac nel 1928. Pochi anni dopo, il positrone fu scoperto nella composizione dei raggi cosmici. I positroni sorgono come risultato della reazione della trasformazione di un protone in un neutrone secondo il seguente schema:

Decadimento gamma . A differenza della radioattività α e β, la radioattività γ dei nuclei non è associata a un cambiamento nella struttura interna del nucleo e non è accompagnata da un cambiamento nella carica o nel numero di massa. Sia nel decadimento α che in quello β, il nucleo figlio può trovarsi in uno stato eccitato e avere un eccesso di energia. Il passaggio del nucleo dallo stato eccitato allo stato fondamentale è accompagnato dall'emissione di uno o più γ-quanta, la cui energia può raggiungere diversi MeV.

Legge del decadimento radioattivo . Qualsiasi campione di materiale radioattivo contiene un numero enorme di atomi radioattivi. Poiché il decadimento radioattivo è casuale e non dipende dalle condizioni esterne, la legge della quantità decrescente N (t) intatto a questo punto nel tempo t i nuclei possono fungere da importante caratteristica statistica del processo di decadimento radioattivo.

Lasciare per un piccolo intervallo di tempo Δ t numero di nuclei non decomposti N (t) cambiato in Δ N < 0. Так как вероятность распада каждого ядра неизменна во времени, что число распадов будет пропорционально количеству ядер N (t) e intervallo di tempo Δ t:

Il coefficiente di proporzionalità λ è la probabilità di decadimento nucleare nel tempo Δ t= 1 s. Questa formula significa che il tasso di variazione della funzione N (t) è direttamente proporzionale alla funzione stessa.

Una dipendenza simile si verifica in molti problemi fisici (ad esempio, quando un condensatore viene scaricato attraverso un resistore). Risolvere questa equazione porta alla legge esponenziale:

dove N 0 è il numero iniziale di nuclei radioattivi a t= 0. Durante il tempo τ = 1 / λ, il numero di nuclei non decomposti diminuirà di e≈ 2,7 volte. Viene chiamato il valore τ vita media nucleo radioattivo.

Per uso pratico, è conveniente scrivere la legge del decadimento radioattivo in un'altra forma, usando il numero 2 come base, e non e:

Valore T chiamato metà vita . In occasione T metà del numero originale di nuclei radioattivi decade. Le quantità T e τ sono correlati da

Riso. 6.7.4 illustra la legge del decadimento radioattivo.

L'emivita è la grandezza principale che caratterizza la velocità del processo. Più breve è l'emivita, più intenso è il decadimento. Sì, per l'uranio T≈ 4,5 miliardi di anni e per il radio T≈ 1600 anni. Pertanto, l'attività del radio è molto più alta di quella dell'uranio. Esistono elementi radioattivi con un'emivita di una frazione di secondo.

Durante il decadimento radioattivo α e β, anche il nucleo figlio può essere instabile. Pertanto, sono possibili una serie di successivi decadimenti radioattivi, che terminano nella formazione di nuclei stabili. In natura, ci sono molte di queste serie. La più lunga è una serie composta da 14 decadimenti consecutivi (8 decadimenti α e 6 decadimenti β). Questa serie termina con un isotopo stabile del piombo (Fig. 6.7.5).

In natura, ci sono molte altre serie radioattive, simili alla serie. C'è anche una serie che inizia con il nettunio non trovato in condizioni naturali e termina con il bismuto. Questa serie di decadimenti radioattivi si verifica nei reattori nucleari.

Un'interessante applicazione della radioattività è il metodo di datazione dei reperti archeologici e geologici mediante la concentrazione di isotopi radioattivi. Il metodo più utilizzato è la datazione al radiocarbonio. Un isotopo di carbonio instabile si verifica nell'atmosfera a causa delle reazioni nucleari causate dai raggi cosmici. Una piccola percentuale di questo isotopo si trova nell'aria insieme al solito isotopo stabile. Le piante e altri organismi consumano carbonio dall'aria ed entrambi gli isotopi si accumulano in esse nella stessa proporzione dell'aria. Dopo che le piante muoiono, smettono di consumare carbonio e, a causa del decadimento β, l'isotopo instabile si trasforma gradualmente in azoto con un'emivita di 5730 anni. Misurando accuratamente la concentrazione relativa di carbonio radioattivo nei resti di organismi antichi, è possibile determinare l'ora della loro morte.

Le radiazioni radioattive di tutti i tipi (alfa, beta, gamma, neutroni), così come le radiazioni elettromagnetiche (radiazioni a raggi X) hanno un effetto biologico molto forte sugli organismi viventi, che consiste nei processi di eccitazione e ionizzazione di atomi e molecole che costituiscono le cellule viventi. Sotto l'influenza delle radiazioni ionizzanti, le molecole complesse e le strutture cellulari vengono distrutte, il che porta a danni da radiazioni al corpo . Pertanto, quando si lavora con qualsiasi fonte di radiazioni, è necessario adottare tutte le misure per la radioprotezione delle persone che potrebbero cadere nella zona di radiazione.

Tuttavia, una persona può essere esposta a radiazioni ionizzanti in condizioni domestiche. Il gas inerte, incolore e radioattivo radon può rappresentare un serio pericolo per la salute umana. Come si può vedere dallo schema riportato in Fig. 6.7.5, il radon è un prodotto del decadimento α del radio e ha un'emivita T= 3,82 giorni. Il radio si trova in piccole quantità nel suolo, nelle pietre e in varie strutture edilizie. Nonostante la durata relativamente breve, la concentrazione di radon viene continuamente reintegrata a causa di nuovi decadimenti dei nuclei di radio, quindi il radon può accumularsi in spazi chiusi. Una volta nei polmoni, il radon emette particelle α e si trasforma in polonio, che non è una sostanza chimicamente inerte. Segue una catena di trasformazioni radioattive della serie dell'uranio (Fig. 6.7.5). Secondo la Commissione americana per la sicurezza e il controllo delle radiazioni, una persona media riceve il 55% di radiazioni ionizzanti dal radon e solo l'11% da procedure mediche. Il contributo dei raggi cosmici è di circa l'8%. La dose totale di radiazioni che una persona riceve in una vita è molte volte inferiore dose massima consentita (SDA), che è stabilito per le persone di determinate professioni esposte a un'esposizione aggiuntiva alle radiazioni ionizzanti.

I nuclei degli atomi sono stabili, ma cambiano il loro stato quando viene violato un certo rapporto di protoni e neutroni. Nei nuclei leggeri dovrebbe esserci un numero approssimativamente uguale di protoni e neutroni. Se ci sono troppi protoni o neutroni nel nucleo, tali nuclei sono instabili e subiscono trasformazioni radioattive spontanee, a seguito delle quali la composizione del nucleo cambia e, di conseguenza, il nucleo di un atomo di un elemento si trasforma nel nucleo di un atomo di un altro elemento. Durante questo processo vengono emesse radiazioni nucleari.

Esistono i seguenti tipi principali di trasformazioni nucleari o tipi di decadimento radioattivo: decadimento alfa e decadimento beta (elettroni, positroni e K-capture), conversione interna.

Decadimento alfa -è l'emissione di un isotopo radioattivo di particelle alfa dal nucleo. A causa della perdita di due protoni e due neutroni con una particella alfa, il nucleo in decadimento si trasforma in un altro nucleo, in cui il numero di protoni (carica nucleare) diminuisce di 2 e il numero di particelle (numero di massa) di 4. Pertanto , per un dato decadimento radioattivo, in accordo con la regola di spostamento (shift), formulata da Fajans e Soddy (1913), l'elemento risultante (figlia) viene spostato a sinistra rispetto all'originale (genitore) di due celle a sinistra in il sistema periodico di D. I. Mendeleev. Il processo di decadimento alfa in termini generali è scritto come segue:

dove X è il simbolo del nucleo iniziale, Y è il simbolo del nucleo del prodotto di decadimento; 4 2 He è una particella alfa, Q è l'energia in eccesso rilasciata.

Ad esempio, il decadimento dei nuclei di radio-226 è accompagnato dall'emissione di particelle alfa, mentre i nuclei di radio-226 si trasformano in nuclei di radon-222:

L'energia rilasciata durante il decadimento alfa è divisa tra la particella alfa e il nucleo in proporzione inversa alle loro masse. L'energia delle particelle alfa è strettamente correlata all'emivita di un dato radionuclide (legge di Geiger-Nettol) . Ciò suggerisce che, conoscendo l'energia delle particelle alfa, è possibile impostare l'emivita e identificare il radionuclide tramite l'emivita. Ad esempio il nucleo di polonio-214 è caratterizzato dai valori energetici delle particelle alfa E = 7.687 MeV e T 1/2 = 4.510 -4 s, mentre per il nucleo di uranio-238 E = 4.196 MeV e T 1 /2 = 4, 510 9 anni. Inoltre, è stato riscontrato che maggiore è l'energia del decadimento alfa, più veloce procede.

Il decadimento alfa è una trasformazione nucleare abbastanza comune di nuclei pesanti (uranio, torio, polonio, plutonio, ecc. con Z > 82); sono attualmente noti oltre 160 nuclei che emettono alfa.

Decadimento beta - trasformazioni spontanee di un neutrone in un protone o di un protone in un neutrone all'interno del nucleo, accompagnate dall'emissione di elettroni o positroni e antineutrini o neutrino e.

Se c'è un eccesso di neutroni nel nucleo ("sovraccarico di neutroni" del nucleo), si verifica il decadimento beta dell'elettrone, in cui uno dei neutroni si trasforma in un protone, emettendo un elettrone e un antineutrino:

.

Durante questo decadimento, la carica del nucleo e, di conseguenza, il numero atomico del nucleo figlia aumenta di 1, ma il numero di massa non cambia, cioè l'elemento figlio viene spostato nel sistema periodico di D. I. Mendeleev da una cellula a il diritto di quello originario. Il processo di decadimento beta in termini generali è scritto come segue:

.

In questo modo, i nuclei con un eccesso di neutroni decadono. Ad esempio, il decadimento dei nuclei di stronzio-90 è accompagnato dall'emissione di elettroni e dalla loro trasformazione in ittrio-90:

Spesso i nuclei degli elementi formati durante il decadimento beta hanno energia in eccesso, che viene rilasciata dall'emissione di uno o più raggi gamma. Per esempio:

Il decadimento beta elettronico è caratteristico di molti elementi radioattivi naturali e prodotti artificialmente.

Se il rapporto sfavorevole di neutroni e protoni nel nucleo è dovuto ad un eccesso di protoni, allora si verifica il decadimento beta del positrone, in cui il nucleo emette un positrone e un neutrino a seguito della trasformazione di un protone in un neutrone all'interno del nucleo :

La carica del nucleo e, di conseguenza, il numero atomico dell'elemento figlio diminuisce di 1, il numero di massa non cambia. L'elemento figlio occuperà un posto nel sistema periodico di D. I. Mendeleev una cella a sinistra del genitore:

Il decadimento del positrone è osservato in alcuni isotopi prodotti artificialmente. Ad esempio, il decadimento dell'isotopo fosforo-30 con la formazione di silicio-30:

Il positrone, volando fuori dal nucleo, strappa l'elettrone "extra" (debolmente legato al nucleo) dal guscio dell'atomo o interagisce con un elettrone libero, formando una coppia "positrone-elettrone". A causa del fatto che la particella e l'antiparticella si annichilano istantaneamente con il rilascio di energia, la coppia formata si trasforma in due quanti gamma con un'energia equivalente alla massa delle particelle (e + ed e -). Il processo di trasformazione di una coppia di "elettrone-positrone" in due quanti gamma è chiamato annichilazione (annichilazione) e la radiazione elettromagnetica risultante è chiamata annichilazione. In questo caso, una forma di materia (particelle di materia) si trasforma in un'altra (radiazione). Ciò è confermato dall'esistenza di una reazione inversa: la reazione di formazione di coppie, in cui la radiazione elettromagnetica di energia sufficientemente elevata, che passa vicino al nucleo sotto l'azione di un forte campo elettrico di un atomo, si trasforma in una coppia elettrone-positrone.

Pertanto, durante il decadimento del beta positrone, alla fine, non le particelle volano fuori dal nucleo genitore, ma due quanti gamma con un'energia di 0,511 MeV ciascuno, pari all'equivalente energetico della massa a riposo delle particelle: un positrone e un elettrone E \u003d 2m e c 2 \u003d 1.022 MeV .

La trasformazione del nucleo può essere effettuata per cattura di elettroni, quando uno dei protoni del nucleo cattura spontaneamente un elettrone da uno dei gusci interni dell'atomo (K, L, ecc.), il più delle volte dal guscio K, e si trasforma in un neutrone. Questo processo è anche chiamato K-capture. Un protone si trasforma in neutrone secondo la seguente reazione:

In questo caso, la carica nucleare diminuisce di 1 e il numero di massa non cambia:

Per esempio,

In questo caso, il posto lasciato libero dall'elettrone è occupato da un elettrone proveniente dai gusci esterni dell'atomo. Come risultato del riarrangiamento dei gusci di elettroni, viene emesso un quanto di raggi X. L'atomo mantiene ancora la neutralità elettrica, poiché il numero di protoni nel nucleo durante la cattura degli elettroni diminuisce di uno. Pertanto, questo tipo di decadimento porta agli stessi risultati del decadimento beta del positrone. È tipico, di regola, per i radionuclidi artificiali.

L'energia rilasciata dal nucleo durante il decadimento beta di un particolare radionuclide è sempre costante, ma per il fatto che questo tipo di decadimento produce non due, ma tre particelle: un nucleo di rinculo (figlia), un elettrone (o positrone) e un neutrino, l'energia è diversa ad ogni atto di decadimento, viene ridistribuita tra un elettrone (positrone) e un neutrino, poiché il nucleo figlio porta via sempre la stessa porzione di energia. A seconda dell'angolo di espansione, un neutrino può portare via più o meno energia, per cui un elettrone può ricevere qualsiasi energia da zero a un valore massimo. Di conseguenza, durante il decadimento beta, le particelle beta dello stesso radionuclide hanno energie diverse, da zero a qualche valore massimo caratteristico del decadimento di un dato radionuclide. Con l'energia della radiazione beta, è praticamente impossibile identificare un radionuclide.

Alcuni radionuclidi possono decadere simultaneamente in due o tre modi: attraverso decadimenti alfa e beta e attraverso K-capture, una combinazione di tre tipi di decadimenti. In questo caso, le trasformazioni vengono eseguite in un rapporto rigorosamente definito. Quindi, ad esempio, il radioisotopo naturale di lunga durata potassio-40 (T 1/2 \u003d 1,4910 9 anni), il cui contenuto di potassio naturale è 0,0119%, subisce un decadimento beta elettronico e una cattura K:

(88% - decadimento elettronico),

(12% - cattura K).

Dai tipi di decadimento sopra descritti, si può concludere che il decadimento gamma nella sua "forma pura" non esiste. La radiazione gamma può accompagnare solo vari tipi di decadimento. Quando la radiazione gamma viene emessa nel nucleo, né il numero di massa né la sua carica cambiano. Di conseguenza, la natura del radionuclide non cambia, ma cambia solo l'energia contenuta nel nucleo. La radiazione gamma viene emessa durante la transizione dei nuclei dai livelli eccitati ai livelli inferiori, compreso il livello del suolo. Ad esempio, durante il decadimento del cesio-137, si forma un nucleo eccitato di bario-137. Il passaggio da uno stato eccitato a uno stabile è accompagnato dall'emissione di quanti gamma:

Poiché la vita dei nuclei negli stati eccitati è molto breve (di solito t10 -19 s), durante i decadimenti alfa e beta, un quanto gamma vola via quasi contemporaneamente a una particella carica. Procedendo da ciò, il processo di radiazione gamma non si distingue come un tipo indipendente di decadimento. Dall'energia della radiazione gamma, oltre che dall'energia della radiazione alfa, è possibile identificare il radionuclide.

conversione interna. Lo stato eccitato (come risultato dell'una o dell'altra trasformazione nucleare) del nucleo di un atomo indica la presenza di un eccesso di energia in esso. Un nucleo eccitato può passare a uno stato con energia inferiore (stato normale) non solo emettendo un raggio gamma o emettendo una particella, ma anche per conversione interna, o conversione con formazione di coppie elettrone-positrone.

Il fenomeno della conversione interna consiste nel fatto che il nucleo trasferisce l'energia di eccitazione a uno degli elettroni degli strati interni (strato K, L o M), che, di conseguenza, si stacca dall'atomo. Tali elettroni sono chiamati elettroni di conversione. Di conseguenza, l'emissione di elettroni di conversione è dovuta all'interazione elettromagnetica diretta del nucleo con gli elettroni del guscio. Gli elettroni di conversione hanno uno spettro di energia lineare, in contrasto con gli elettroni di decadimento beta, che danno uno spettro continuo.

Se l'energia di eccitazione supera 1.022 MeV, la transizione del nucleo allo stato normale può essere accompagnata dall'emissione di una coppia elettrone-positrone, seguita dal loro annientamento. Dopo che la conversione interna è avvenuta, nel guscio elettronico dell'atomo appare un sito "vuoto" dell'elettrone di conversione espulso. Uno degli elettroni di strati più distanti (da livelli di energia più elevati) esegue una transizione quantistica in un luogo "vuoto" con l'emissione della caratteristica radiazione di raggi X.