Радиоактивті заттар, ядролық реакциялар жайлы түсінік және олардың Қазақстанның энергетикасының әлеуетіндегі рөлі. Химия, 10 сынып, дидактикалық материал.

 Табиғи радиоактивтілік

 Табиғатта тұрақты ядромен қатар ыдырауға бейім ядролардың бар екені белгілі. Ядролық физиканың даму тарихына көз жүгіртсек, оның қайнар көзі 1886 жылы француз ғалымы А.Беккерель ашқан табиғи радиоактивтік құбылысынан басталады. Атомның күрделі құрылысын сипаттайтын құбылыстың бірі – радиоактивтік болды. Бұл құбылыс – сәтті кездейсоқтықтың жемісі еді.

 Антуан Анри Беккерель(1852-1908) – француз физигі, радиоактивтілікті алғаш ашқан және Нобель сыйлығының лауреаты.

 Рентген сәулелері – алғаш рет шапшаң электрондар разрядтық түтіктің шыны қабырғасына соқтығысуынан алынған болатын. Дәл осы сияқты Беккерель ұзақ уақыт осы тектес құбылысты күн жарығына сәулелендірілген заттардың сәуле шығаруын бақылаған. Мұндай заттарға эксперимент ретінде уран тұздарын пайдаланған. Беккерель тәжірибесі: фотопластинаны тығыз қара қағазға орап, үстіне уран тұздарының қиыршықтарын сеуіп, ашық күн сәулесіне қойды. Кейін пластинаның тұз жатқан бөліктері қарайғанын көрді. Ендеше уран рентеген сәулелері сияқты мөлдір емес денелерден өтіп, фотопластинкаға әсер ететін белгісіз сәуле шығарады екен. Беккерель бұл сәулелер Күн сәулесінің әсерінен пайда болады деп ойлады.

 Кейін 1896 жылы ақпанның бір күнінде ауа бұлтты болғандықтан, кезекті тәжірибені жүргізудің сәті түспей, уранның тұзы себілген мыс крест жатқан пластинаны шкафтың суырмасына салып қояды. Екі күн өткен соң пластинаны алып қараған кезде пластина бетінде крестің айқын бейнесі түрінде дақ пайда болғандығын байқаған. Бұл - уран тұздарының сыртқы факторлардың әсерінсіз-ақ, өздігінен белгісіз сәуле шығаратынын көрсетеді.

 Көптеген ғалымдар ураннан басқа химиялық элементтердің сәуле шығаруын бақылауға ұмтылды. 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.

 1898 жылы Францияда Мария-Склодовская–Кюри және тағы басқа ғалымдар торийдің сәуле шығаруын байқаған. Бұдан әрі жаңа элементтерді іздеуге күш салған Мария-Склодовская–Кюри және оның ері Пьер Кюри болды.

 Пьер Кюри – француз физигі. Ол бар болғаны 35 жыл ғана өмір сүрді. Жол апатынан қайтыс болды. Пьер Кюри мен Мария-Склодовская –Кюри радиоактивті элементтерді зерттеумен шұғылданды. Олар – бүгінгі күннің басты тақырыбы радиактивті элементтердің тірі ағзаларға әсерін зерттеді. Уран мен торий бар рудаларды зерттеп, олардың ішінен бұрын белгісіз элементті тапқан. Оны Мария-Склодовская–Кюридің Отаны – Польшаның құрметіне полоний деп аталған. Ақырында өте катты сәуле шығаратын тағы бір элемент – радий ашылды. Өздігінен сәуле шығару құбылысын ерлі-зайыпты Кюрилер радиоактивтік деп атады.

 Мария Складовская физика мен химия саласы бойынша Нобель сыйлығын екі мәрте алған тұңғыш ғалым. Кюрилердің зерттеулері негізінде реттік номері 83-тен жоғары химиялық элементтің бәрі де радиоактивті болатындығы анықталды. Радий немесе уран сияқты өз-өзінен ерекше сәуле шығарып тұратын химиялық элементтерді радиоактивті элементтер деп атайды.

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 алды. Радиоактивтігі ураннан миллион есе қарқынды элементті (Ra) радий, екінші элементті М.Складовскаяның отанының құрметіне полоний (Ро) (лат.Польша) деп атаған. 1908 жылы Резерфорд спектрлік анализ әдісімен радиоактивті газ - радонды (Rn) ашты.

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 нейтрондардан гөрі протондарының саны артық болатын ядро тұрақты емес, өйткені кулондық әрекеттесудің энергиясы басымырақ.

 Альфа-ыдырау. Альфа бөлшегінің табиғатын 1908 жылы Резерфорд көптеген эксперименттік зерттеулер нәтижесінде анықтады. Атом ядросының альфа-бөлшек шығарып басқа ядроға өз бетінше айналу процесі альфа-ыдырау деп аталады. Реттік нөмірлері Z > 82 ауыр элементтердің барлығының дерлік ядролары альфа-радиоактивті ядролар болып табылады. Ыдырау төмендегі сызбанұсқа бойынша жүреді:

 Х- ыдырайтын ядроның, ал У- түзілген ядроның химиялық символы. Альфа-ыдырау нәтижесінде бастапқы ядромен салыстырғанда түзілген ядроның реттік нөмірі 2 бірлікке, ал массалық саны 4 бірлікке кеміді. Мысалы: уран изотопы ыдырағанда торий изотопы түзіледі:

 Әдетте ядроның альфа-ыдырауымен қатар түзілетін ядроның гамма сәулелерін шығаруы қабаттаса жүреді.

 Бета-ыдырау. 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.

 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:

мұнда позитрон, электронның антибөлшегі, массасы электронның массасына тең.

 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.

 Гамма-ыдыраудың формуласын жазайық:

мұнда — қозған аналық ядро, — оның қалыпты күйдегі нуклиді. 8.10-суретте бор ядросынық β-ыдырауынық сызбасы көрсетілген. γ-сәулесінің толқын ұзындығы өте қысқа болып келеді: λ = 10^-8 / 10^-11 см. Сондықтан радиоактивті сәулелердің ішінде γ-сәулесінің өтімділік қабілеті ең жоғары, ол 8.11-суретте көрсетілгендей қалыңдығы 10 см қорғасын қабатынан өтіп кетеді. Гамма-кванттың өтімділік кабілеті өте жоғары, ауадағы еркін жүру жолының ұзындығы 120 м.

 γ - сәуле шығару радиоактивтiлiктiң дербес түрi болып табылмайды. Әдетте γ - сәуле шығару альфа- және бета-ыдыраумен қатар жүредi.Бұл ыдыраулардың нәтижесiнде алынған еншiлес ядро әдетте қозған күйде болады. Ал ол қозған күйден негiзгi күйiне өткен кезде қозған күйден негiзгi күйге өткен том тәрiздi өзiнен γ - сәуле шығарады. Бiрақ бұл γ-кванттардың энергиясы атом шығаратын γ-кванттардың энергиясынан әлде қайда үлкен болады.