Правило зміщення при радіоактивному розпаді в радіохімії і ядерної фізики, яке також відоме під назвою закону Содді-Фаянсу, являє собою правило, що визначає перетворення одного елемента в інший під час радіоактивного розпаду. Воно було викладено в 1913 році незалежно двома вченими: англійською радиохимиком Фредеріком Содді і американським фізико-хіміком з польськими коренями Казимиром Фаянсом.
Досягнення Фредеріка Содді в області радіоактивності
Содді разом з Резерфордом стоїть біля витоків відкриття радіоактивних атомних перетворень. Так, у 1903 році Содді відкрив, що радій в процесі свого розпаду випромінює ядра гелію. Також цей вчений показав, що атоми одного і того ж хімічного елемента можуть мати різні маси, що призвело його до розробки концепції ізотопів. Содді встановив правила зміщення хімічних елементів під час альфа – і бета – радіоактивних розпадів, що стало важливим кроком у розумінні взаємозв’язку між родинами радіоактивних елементів.
У 1921 році Фредерік Содді був удостоєний Нобелівської премії з хімії за важливі відкриття у галузі фізики радіоактивних елементів і за дослідження природи ізотопів.
Роботи Казимира Фаянсу
Цей вчений провів важливі дослідження з радіоактивності різних ізотопів і розробив квантову теорію електронної структури молекул. У 1913 році одночасно з Фредеріком Содді і незалежно від нього Фаянс відкрив правила зміщення, які регулюють перетворення одних хімічних елементів у інші в процесі радіоактивних розпадів. Також Фаянс відкрив новий хімічний елемент – протактиний.
Поняття радіоактивності
Перед тим як розглянути закони радіоактивного розпаду і правила зсуву, необхідно розібратися з поняттям радіоактивності. У фізиці під цим словом розуміють здатність ядер деяких хімічних елементів випускати випромінювання, що володіє наступними властивостями:
- здатність проникати в людські тканини, надаючи руйнівну дію;
- здатність іонізувати гази;
- стимуляція процесу флюоресценції;
- проходження через різні тверді і рідкі тіла.
Завдяки цим здібностям зазвичай це випромінювання називають іонізуючим. Природа радіоактивного випромінювання може бути або електромагнітної, наприклад, рентгенівські промені або гамма-випромінювання, або носити корпускулярний характер, випущення ядер гелію, протонів, електронів, позитронів і інших елементарних частинок.
Таким чином, радіоактивність – це феномен, спостережуваний у нестабільних ядер атомів, які здатні спонтанно перетворюватися на ядра більш стабільних елементів. Кажучи простими словами, нестабільний атом випускає радіоактивне випромінювання, щоб стати стабільним.
Нестабільні атомні ізотопи
Нестабільні ізотопи, тобто атоми одного і того ж хімічного елемента, які володіють різною атомною масою, знаходяться в збудженому стані. Це говорить про те, що вони володіють підвищеною енергією, яку прагнуть віддати, щоб перейти в рівноважний стан. Враховуючи, що всі енергії атома квантованы, тобто мають дискретні значення, то і сам радіоактивний розпад відбувається за рахунок втрати конкретної кінетичної енергії.
Нестабільний ізотоп в процесі радіоактивного розпаду переходить в більш стабільний, але це не означає, що нове ядро утворене не буде володіти радіоактивністю, воно також може розпадатися. Яскравим прикладом цього процесу є ядро урану-238, яке за кілька століть зазнає ряд розпадів, перетворюючись, в кінці кінців, в атом свинцю. Зазначимо, що в залежності від виду ізотопу, він може спонтанно розпадатися, як через мільйонні частки секунди, так і через мільярди років, наприклад, той же уран-238 має період напіврозпаду (час, за який розпадається половина ядер) рівний 4,468 млрд років, в той же час для ізотопу калію-35 цей період дорівнює 178 мілісекундам.
Різні види радіоактивності
Застосування того чи іншого правила радіоактивного зміщення залежить від типу радіоактивного розпаду, який відчуває конкретний елемент. В загальному випадку виділяють наступні види радіоактивності:
- альфа-розпад;
- бета-розпад;
- гамма-розпад;
- розпад з випусканням вільних нейтронів.
Всі ці види радіоактивного розпаду (за винятком випущення вільних нейтронів) встановив новозеландський фізик Ернест Резерфорд ще на початку XX століття.
Корпускулярні види розпаду
Альфа-розпад пов’язаний з випусканням ядер гелію-4, тобто мова йде про корпускулярном випромінюванні, частинки якого складаються з двох протонів і двох нейтронів. Це означає, що маса цих часток дорівнює 4 в атомних одиницях маси (ємо себе), а електричний заряд дорівнює +2 в одиницях елементарного електричного заряду (1 елементарний заряд в системі СІ дорівнює 1,602*10-19 Кл). Испущенное ядро гелію до розпаду входило до складу нестабільного ядра ізотопу.
Природа бета-розпаду полягає у випущенні електронів, які мають масу 1/1800 ОТРИМАЄМО і заряд -1. Зважаючи негативного заряду електрона, цей розпад називають бета-негативним. На відміну від альфа-частинки електрон не існував до розпаду в атомному ядрі, а утворився в результаті перетворення в протон нейтрона. Останній залишився в ядрі після розпаду, а електрон покинув атомне ядро.
Згодом був виявлений бета-позитивний розпад, який полягає у випущенні позитрона-античастки електрона. Радіоактивний позитрон утворюється в результаті зворотної реакції, ніж електрон, тобто протон в ядрі перетворюється в нейтрон, втрачаючи при цьому свій позитивний заряд.
У ряді радіоактивних перетворень одного ядра в інше відбувається випущення нейтронів різних енергій. Як і протон, нейтрон має масу 1 ОТРИМАЄМО (якщо бути більш точним, то нейтрон на 0,137% важче протона) і володіє нульовим електричним зарядом. Таким чином, при даному типі розпаду ядро-батько втрачає лише 1 одиницю своєї маси.
Гамма-розпад
Гамма-розпад на відміну від попередніх видів розпаду має електромагнітну природу, тобто це випромінювання подібно рентгенівському або видимому світлу, однак, довжина хвилі гамма-випромінювання набагато менше, ніж у будь-якої іншої електромагнітної хвилі. Гамма-промені не володіють масою спокою і зарядом. По суті, гамма-промені – це зайва енергія, яка існувала до розпаду в ядрі атома, обумовлюючи його нестабільність. Хімічний елемент зберігає своє положення в періодичній таблиці Менделєєва Д. І. при гамма-розпад.
Правила радіоактивного зміщення
Користуючись цими правилами, можна легко визначити, який хімічний елемент повинен вийти з даного батьківського ізотопу при певному вигляді радіоактивного розпаду. Пояснимо ці правила зміщення у фізиці:
- При альфа-розпаді, оскільки ядро втрачає 4 ОТРИМАЄМО маси і +2 одиниці заряду, що утворюється хімічний елемент, що стоїть на 2 позиції лівіше в періодичній системі Менделєєва Д. І.. Наприклад, 92U238 = 90Th234, тут нижній індекс – заряд, верхній – маса ядра.
- У разі бета-негативного розпаду заряд материнського ядра збільшується на 1 одиницю, при цьому маса залишається незмінною (маса електрона, що випускається в процесі цього розпаду, становить усього 0,06% від маси протона). В даному випадку правило зміщення рівноваги свідчить, що повинен утворитися ізотоп хімічного елемента, що стоїть на одну клітинку праворуч від материнського елемента в таблиці Менделєєва Д. І.. Наприклад, 82Pb212 = 83Bi212.
- Правило зміщення при бета-позитивному розпад (випромінювання позитрона) свідчить, що в результаті цього процесу утворюється хімічний елемент, який на 1 позицію стоїть лівіше від материнського елемента, і має ту ж масу ядра, що і він. Наприклад, 7N13 = 6C13.
