Напевно, немає на землі такої людини, яка не чула б про ізотопи. Але далеко не всі знають, що це таке. Особливо лякає звучить словосполучення «радіоактивні ізотопи». Ці незрозумілі хімічні елементи наганяють жах на людство, але насправді вони не такі страшні, як це може здатися на перший погляд.
визначення
Щоб розібратися з поняттям радіоактивних елементів, необхідно для початку сказати, що ізотопи - це зразки одного і той же хімічного елемента, але з різною масою. Що це означає? Питання зникнуть, якщо для початку ми згадаємо будову атома. Складається він з електронів, протонів і нейтронів. Число перших двох елементарних частинок в ядрі атома завжди постійно, тоді як нейтрони, які мають власну масу, можуть зустрічатися в одному і тому ж речовині в різних кількостях. Ця обставина і породжує розмаїтість хімічних елементів з різними фізичними властивостями.
Тепер ми можемо дати наукове визначення досліджуваного поняття. Отже, ізотопи - це сукупний набір схожих за властивостями хімічних елементів, але мають різну масу і фізичні властивості. Згідно з більш сучасною термінологією, вони звуться плеяди нуклеотидів хімічного елемента.
Трохи історії
На початку минулого століття вчені виявили, що у одного і того ж хімічної сполуки в різних умовах можуть спостерігатися різні маси ядер електронів. З чисто теоретичної точки зору, такі елементи можна було порахувати новими і почати заповнювати ними порожні клітинки в періодичній таблиці Д. Менделєєва. Але вільних осередків в ній всього дев`ять, а нові елементи вчені відкривали десятками. До того ж і математичні підрахунки показали, що виявлені сполуки не можуть вважатися раніше не відомими, адже їх хімічні властивості повністю відповідали характеристикам вже існуючих.
Після тривалих обговорень було вирішено назвати ці елементи ізотопами і поміщати їх в одну клітинку з тими, ядра яких містять з ними однакову кількість електронів. Вченим вдалося визначити, що ізотопи - це всього лише деякі варіації хімічних елементів. Однак причини їх виникнення та тривалість життя вивчалися ще майже ціле століття. Навіть на початку XXI століття стверджувати, що людство знає абсолютно все про ізотопи, не можна.
Стійкі і нестійкі варіації
Кожен хімічний елемент має декілька ізотопів. Через те, що в їх ядрах є вільні нейтрони, вони не завжди вступають в стабільні зв`язки з іншими складовими атома. Через деякий час вільні частинки залишають ядро, через що змінюється його маса і фізичні властивості. Так утворюються інші ізотопи, що веде врешті-решт до утворення речовини з рівною кількістю протонів, нейтронів і електронів.
Ті речовини, які розпадаються дуже швидко, називаються радіоактивними ізотопами. Вони випускають в простір велику кількість нейтронів, що утворюють потужне іонізуюче гамма-випромінювання, відоме своєю сильною проникаючу здатність, яка негативно впливає на живі організми.
Більш стійкі ізотопи не є радіоактивними, оскільки кількість виділених ними вільних нейтронів не здатна утворювати випромінювання і суттєво впливати на інші атоми.
Досить давно вченими було встановлено одна важлива закономірність: у кожного хімічного елемента є свої ізотопи, стійкі або радіоактивні. Цікаво, що багато хто з них були отримані в лабораторних умовах, а їх присутність в природному вигляді невелика і не завжди фіксується приладами.
Поширення в природі
У природних умовах найчастіше зустрічаються речовини, маса ізотопу яких безпосередньо визначається його порядковим числом в таблиці Д. Менделєєва. Наприклад, водень, що позначається символом Н, має порядковий номер 1, а його маса дорівнює одиниці. Ізотопи його, 2Н і 3Н, в природі зустрічаються вкрай рідко.
Навіть людський організм має певну кількість радіоактивних ізотопів. Потрапляють вони всередину через їжу в вигляді ізотопів вуглецю, який, в свою чергу, вбирається рослинами з грунту або повітря і переходить до складу органічних речовин в процесі фотосинтезу. Тому і людина, і тварини, і рослини випромінюють певний радіаційний фон. Тільки він настільки низький, що не заважає нормальному функціонуванню та зростання.
Джерелами, які сприяють утворенню ізотопів, виступають внутрішні шари земної ядра і випромінювання з космосу.
Як відомо, температура на планеті багато в чому залежить від її гарячого ядра. Але тільки зовсім недавно стало зрозуміло, що джерелом цього тепла виступає складна термоядерна реакція, в якій беруть участь радіоактивні ізотопи.
розпад ізотопів
Оскільки ізотопи - це нестійкі освіти, можна припустити, що вони з часом завжди розпадаються на більш постійні ядра хімічних елементів. Це твердження вірне, оскільки вченим не вдалося виявити в природі величезної кількості радіоактивних ізотопів. Та й більшість з тих, які були здобуті в лабораторіях, проіснували від пари хвилин до декількох днів, а потім знову перетворилися в звичайні хімічні елементи.
Але є в природі і такі ізотопи, які виявляються дуже стійкими до розпаду. Вони можуть існувати мільярди років. Утворилися такі елементи в ті далекі часи, коли земля ще формувалася, а на її поверхні не було навіть твердої кори.
Радіоактивні ізотопи розпадаються і знову утворюються дуже швидко. Тому з тією метою, щоб полегшити оцінку стійкості ізотопу, вченими було прийнято рішення розглядати категорію періоду його напіврозпаду.
Період напіврозпаду
Не всім читачам може бути відразу зрозуміло, що мається на увазі під цим поняттям. Визначимо ж його. Період напіврозпаду ізотопу - це час, за яке перестане існувати умовна половина взятого речовини.
Це не означає, що решта з`єднання буде знищена за таку ж кількість часу. Стосовно до цієї половині необхідно розглядати іншу категорію - період часу, за який зникне її друга частина, тобто чверть початкового кількості речовини. І такий розгляд триває до безкінечності. Можна припустити, що час повного розпаду початкового кількості речовини порахувати просто неможливо, оскільки цей процес практично нескінченний.
Однак вчені, знаючи період напіврозпаду, можуть визначити, яка кількість речовини існувало спочатку. Ці дані успішно використовуються в суміжних науках.
У сучасному науковому світі поняття повного розпаду практично не використовується. Щодо кожного ізотопу прийнято вказувати час його напіврозпаду, яке варіює від декількох секунд до багатьох мільярдів років. Чим менше показник напіврозпаду, там більше випромінювання виходить від речовини і тим вище його радіоактивність.
збагачення копалин
У деяких галузях науки і техніки використання щодо великої кількості радіоактивних речовин вважається обов`язковим. Але при цьому в природних умовах таких з`єднань зовсім небагато.
Відомо, що ізотопи - це непоширені варіанти хімічних елементів. Кількість їх вимірюється кількома відсотками від найстійкішою різновиди. Саме тому вченим необхідно проводити штучне збагачення копалин матеріалів.
За роки досліджень вдалося дізнатися, що розпад ізотопу супроводжується ланцюговою реакцією. Звільнені нейтрони одного речовини починають впливати на інше. В результаті цього важкі ядра розпадаються на більш легкі і виходять нові хімічні елементи.
Це явище отримало назву ланцюгової реакції, в результаті якої можна отримати більш стійкі, але менш поширені ізотопи, які в подальшому використовуються в народному господарстві.
Застосування енергії розпаду
Також вченими було з`ясовано, що в ході розпаду радіоактивного ізотопу виділяється величезна кількість вільної енергії. Її кількість прийнято вимірювати одиницею Кюрі, що дорівнює часу поділу 1 г радону-222 за 1 секунду. Чим вище цей показник, тим більше енергії виділяється.
Це стало приводом для розробки способів використання вільної енергії. Так з`явилися атомні реактори, в які поміщається радіоактивний ізотоп. Велика частина енергії, що виділяється їм, збирається і перетворюється в електрику. На підставі цих реакторів створюються атомні станції, які дають найдешевше електрику. Зменшену версію таких реакторів ставлять на самохідні механізми. З огляду на небезпеку аварій, найчастіше такими машинами виступають підводні човни. У разі відмови реактора кількість жертв на підводному човні буде легше звести до мінімуму.
Ще один дуже страшний варіант використання енергії напіврозпаду - атомні бомби. Під час Другої світової війни вони були випробувані на людстві в японських містах Хіросіма і Нагасакі. Наслідки виявилися дуже сумними. Тому в світі діє угода про невикористання цього небезпечного зброї. У місці з тим великі держави з орієнтацією на мілітаризацію і сьогодні продовжують дослідження в цій галузі. Крім того, багато хто з них потай від світової спільноти виготовляють атомні бомби, які в тисячі разів небезпечніше тих, які використовувалися в Японії.
Ізотопи в медицині
У мирних цілях розпад радіоактивних ізотопів навчилися використовувати в медицині. Направивши випромінювання на уражену ділянку організму, можна призупинити перебіг хвороби або допомогти пацієнтові повністю вилікуватися.
Але частіше радіоактивні ізотопи використовують для діагностики. Вся справа в тому, що їх рух і характер скупчення найпростіше зафіксувати по випромінюванню, яке вони виробляють. Так, в організм людини вводиться певний безпечне кількість радіоактивної речовини, а за приладами медики спостерігають, як і куди воно потрапить.
Таким чином проводять діагностику роботи головного мозку, характеру ракових пухлин, особливості роботи залоз внутрішньої і зовнішньої секреції.
Застосування в археології
Відомо, що в живих організмах завжди є радіоактивний вуглець-14, піврозпад ізотопу якого дорівнює 5570 років. Крім того, вчені знають, яка кількість цього елемента міститься в організмі до моменту його смерті. Це означає, що всі спиляні дерева випромінюють однакову кількість радіації. Згодом інтенсивність випромінювання падає.
Це допомагає археологам визначити, як давно померло дерево, з якого побудували галеру або будь-який інший корабель, а значить, і саме час будівництва. Цей метод дослідження отримав назву радіоактивного вуглецевого аналізу. Завдяки йому вченим легше встановити хронологію історичних подій.
