Изотопы и радиоактивное излучение

Радиационное загрязнение

Изотопы – это атомы элемента с одним и тем же атомным номером, но с различными атомными массами. Термин «изотоп» предложил Содди в 1918 г. для обозначения двух или более веществ с разной массой, занимающих одно и то же место в периодической таблице. Известно 340 естественных изотопов элементов.

A=Z+N,

N=A–Z,

Z=A–N,

где A – массовое число, Z – порядковый номер элемента в периодической системе, равный заряду ядра, числу протонов и числу орбитальных электронов атома, N – число нейтронов. У легких изотопов A=2Z. Это соотношение выдерживается до кальция-40. По принципу четности нейтронов и протонов все изотопы могут быть разделены на 4 типа:

Z	N
Четное	Нечетное
Четное	Четно-четные, 166 изотопов,	Четно-нечетные, 55 изотопов,
Нечетное	Нечетно-четные, 47 изотопов,	Нечетно-нечетные, 5 изотопов,

Еще Д. И. Менделеев обнаружил аномальность соотношений для трех пар элементов (более тяжелые элементы с меньшими порядковыми номерами, чем более легкие):

и ;

и ;

и .

Эти и другие аномалии были объяснены с открытием радиоактивности. Радиоактивность – самопроизвольный переход ядер нестабильных атомов в более стабильное состояние. В результате изменений в ядрах атомов выделяется издучение:

α-лучи (ионы гелия);

β-лучи (электроны);

γ-лучи (электромагнитные волны).

Удаление α-частицы из ядра смещает атомный номер в периодической таблице на 2 позиции влево. Массовое число элемента при этом уменьшается на 4 единицы.

При β–распаде массовое число не изменяется. При обычном β-распаде нейтрон превращается в протон с выделением электрона, а атомный номер элемента увеличивается на единицу. При электронном захвате протон переходит в нейтрон в результате перемещения электрона их К-оболочки атома в ядро. Атомный номер при этом уменьшается на единицу, β-излучение отсутствует, но выделяются Х-лучи.

γ-лучи испускаются при возвращении ядра из возбужденного состояния в обычное состояние.

Все три вида излучения являются ионизирующими и способны наносить повреждения биологическим объектам (лучевая болезнь, мутации, образование злокачественных опухолей). Наибольшей проникающей способностью обладает γ-излучение.

Содержание стабильных изотопов часто выражают с помощью

, где R – соотношение стабильных изотопов (¹³С/¹²С), (³⁴S/³²S), (¹⁸O/¹⁶O) и т. д.

Так, например, δ ¹³С составляет для атмосферы –7‰, а для ископаемого топлива –26‰, δ ³⁴S для ископаемых топлив лежит от 0 до +5‰, а для ДМС +20‰. Это позволяет различать источники поступления различных веществ в окружающую среду.

При радиоактивном распаде с изменением атомного номера первоначальный изотоп называется материнским, новообразованный – дочерним.

,

где N – число неизмененных атомов, t – время, λ – постоянная распада данного радиоактивного изотопа, которую можно выразить как долю распавшихся атомов на один атом в секунду.

Если интегрировать уравнение распада от t =0 до t и от N ₀ до N, где N ₀ – число атомов при t =0, потенцируем и получаем:

.

Часто используется период полураспада – время распада половины первоначального числа атомов. Константа распада λ и период полураспада t _½ связаны между собой

или .

Если P – число материнских атомов в минерале, а D – число дочерних атомов, то

или .

Отсюда

,

,

,

.