Radioaktivnost je sposobnost atoma određenih izotopa da se spontano raspadnu emitujući zračenje. Po prvi put takvo zračenje koje emituje uranijum otkrio je Becquerel, pa se u početku radioaktivno zračenje nazivalo Becquerelovim zracima. Glavni tip radioaktivnog raspada je izbacivanje alfa čestica iz jezgra atoma - alfa raspad (vidi Alfa zračenje) ili beta čestice - beta raspad (vidi Beta zračenje).
Tokom radioaktivnog raspada, izvorni element se pretvara u atom drugog elementa. Kao rezultat izbacivanja alfa čestice iz jezgra atoma, koja je kombinacija dva protona i dva neutrona, maseni broj rezultirajućeg atoma (vidi) smanjuje se za četiri jedinice i ispada da je pomaknut u tablici Mendeljejeva za dvije ćelije lijevo, pošto je redni broj elementa u tabeli jednak broju protona u jezgru atoma. Kada se beta čestica (elektron) izbaci, jedan neutron se pretvara u proton u jezgri, zbog čega se rezultirajući atom pomjera u Mendeljejevskoj tablici za jednu ćeliju udesno. Njegova masa ostaje gotovo nepromijenjena. Izbacivanje beta čestice obično je povezano sa (vidi).
Raspad bilo kojeg radioaktivnog izotopa odvija se prema sljedećem zakonu: broj atoma koji se raspadaju u jedinici vremena (n) proporcionalan je broju atoma (N) dostupnih u datom trenutku, tj. n=λN; koeficijent λ se naziva konstanta radioaktivnog raspada i povezan je sa vremenom poluraspada izotopa (T) omjerom λ= 0,693/T. Navedeni zakon raspada dovodi do činjenice da se za svaki vremenski interval jednak vremenu poluraspada T količina izotopa prepolovi. Ako su atomi nastali kao rezultat radioaktivnog raspada također radioaktivni, tada dolazi do njihovog postepenog nakupljanja sve dok se ne uspostavi radioaktivna ravnoteža između matičnog i kćeri izotopa; u ovom slučaju, broj atoma kćeri izotopa formiranih u jedinici vremena jednak je broju atoma koji se raspadaju u isto vrijeme.
Poznato je više od 40 prirodnih radioaktivnih izotopa. Većina ih se nalazi u tri radioaktivna reda (familije): uranijum-radijum i aktinijum. Svi ovi radioaktivni izotopi su široko rasprostranjeni u prirodi. Njihovo prisustvo u stijenama, vodama, atmosferi, biljkama i živim organizmima uzrokuje prirodnu ili prirodnu radioaktivnost.
Pored prirodnih radioaktivnih izotopa, danas je poznato oko hiljadu vještačkih radioaktivnih izotopa. Dobivaju se nuklearnim reakcijama, uglavnom u nuklearnim reaktorima (vidi). Mnogi prirodni i umjetno radioaktivni izotopi se široko koriste u medicini za liječenje (vidi Radiacijska terapija), a posebno za dijagnozu bolesti (vidi). Vidi i jonizujuće zračenje.
Radioaktivnost (od latinskog radius - snop i activus - efikasan) - sposobnost nestabilnih jezgara atoma da se spontano transformišu u druga, stabilnija ili stabilnija jezgra. Takve transformacije jezgara nazivaju se radioaktivnim, a same jezgre ili odgovarajući atomi nazivaju se radioaktivne jezgre (atomi). Tokom radioaktivnih transformacija, jezgra emituju energiju ili u obliku nabijenih čestica, ili u obliku gama kvanta elektromagnetnog zračenja ili gama zračenja.
Transformacije u kojima se jezgro jednog kemijskog elementa pretvara u jezgro drugog elementa s drugim atomskim brojem naziva se radioaktivni raspad. Radioaktivni izotopi (vidi), koji nastaju i postoje u prirodnim uslovima, nazivaju se prirodnim radioaktivnim; isti izotopi dobijeni vještačkim putem nuklearnim reakcijama su umjetno radioaktivni. Ne postoji temeljna razlika između prirodnih i umjetno radioaktivnih izotopa, budući da su svojstva jezgri atoma i samih atoma određena samo sastavom i strukturom jezgre i ne ovise o načinu njihovog formiranja.
Radioaktivnost je 1896. godine otkrio A. N. Becquerel, koji je otkrio zračenje uranijuma (vidi), sposobno da izazove pocrnjenje fotografske emulzije i jonizira zrak. Curie-Sklodowska (M. Curie-Sklodowska) je prva izmjerila intenzitet zračenja uranijuma i istovremeno s njemačkim naučnikom Schmidtom (G. S. Schmidt) otkrila radioaktivnost u torijumu (vidi). Svojstvo izotopa da spontano emituju nevidljivo zračenje Curijevi su nazvali radioaktivnost. U julu 1898. izvijestili su o svom otkriću novog radioaktivnog elementa, polonijuma, u rudi uranijumske smole (vidi). U decembru 1898, zajedno sa G. Bemontom, otkrili su radijum (vidi).
Nakon otkrića radioaktivnih elemenata, brojni autori (Becquerel, Curies, Rutherford i drugi) su otkrili da ovi elementi mogu emitovati tri vrste zraka koje se različito ponašaju u magnetskom polju. Na prijedlog Rutherforda (E. Rutherford, 1902), ovi zraci su nazvani alfa (vidi Alfa zračenje), beta (vidi Beta zračenje) i gama zraci (vidi Gama zračenje). Alfa zraci se sastoje od pozitivno nabijenih alfa čestica (dvostruko jonizirani atomi helijuma He4); beta zraci - od negativno nabijenih čestica male mase - elektrona; Gama zraci su po prirodi slični rendgenskim zracima i kvanti su elektromagnetnog zračenja.
Rutherford i F. Soddy su 1902. godine objasnili fenomen radioaktivnosti spontanom transformacijom atoma jednog elementa u atome drugog elementa, koja se odvija prema zakonima slučajnosti i praćena oslobađanjem energije u obliku alfa, beta i gama zraci.
Godine 1910. M. Curie-Sklodowska je zajedno sa A. Debierneom dobila čisti metalni radijum i istraživala njegova radioaktivna svojstva, a posebno je izmjerila konstantu raspada radijuma. Ubrzo je otkriven niz drugih radioaktivnih elemenata. Debjorn i F. Giesel otkrili su morske anemone. Gan (O. Halm) je otkrio radiotorijum i mezotorijum, Boltwood (VV Boltwood) je otkrio jonijum, Gan i L. Meitner su otkrili protaktinijum. Svi izotopi ovih elemenata su radioaktivni. Godine 1903. Pierre Curie i C. A. Laborde su pokazali da preparat radijuma uvijek ima povišenu temperaturu i da 1 g radijuma sa svojim produktima raspadanja oslobađa oko 140 kcal za 1 sat. Iste godine, W. Ramsay i Soddy su otkrili da zatvorena ampula radijuma sadrži gasoviti helijum. Radovi Rutherforda, F. Dorna, Debiernea i Gisela pokazali su da među produktima raspada uranijuma i torijuma postoje brzo raspadajući radioaktivni plinovi, nazvani emanacijama radijuma, torija i aktinijuma (radon, toron, aktinon). Tako je dokazano da se tokom raspada atomi radijuma pretvaraju u atome helija i radona. Zakone radioaktivne transformacije jednih elemenata u druge tokom alfa i beta raspada (zakoni pomaka) prvi su formulirali Soddy, Fajans (K. Fajans) i Russell (W. J. Russell).
Ovi zakoni su sljedeći. U alfa raspadu se iz originalnog elementa uvijek dobije drugi element, koji se nalazi u periodičnom sistemu D. I. Mendeljejeva dvije ćelije lijevo od originalnog elementa (serijski ili atomski broj je 2 manji od originala); kod beta raspada, iz originalnog elementa se uvek dobija drugi element, koji se nalazi u periodnom sistemu jednu ćeliju desno od originalnog elementa (atomski broj je za jedan veći od originalnog elementa).
Proučavanje transformacija radioaktivnih elemenata dovelo je do otkrića izotopa, odnosno atoma koji imaju ista hemijska svojstva i atomski broj, ali se međusobno razlikuju po masi i fizičkim svojstvima, posebno po radioaktivnim svojstvima (vrsta zračenja , stopa raspada). Od velikog broja otkrivenih radioaktivnih supstanci ispostavilo se da su samo radijum (Ra), radon (Rn), polonij (Po) i protaktinijum (Ra) novi elementi, a ostalo su izotopi ranije poznatog uranijuma (U), torija (Th), olovo (Pb), talij (Tl) i bizmut (Bi).
Nakon što je Rutherford otkrio nuklearnu strukturu atoma i dokazao da je jezgro ono koje određuje sva svojstva atoma, posebno strukturu njegovih elektronskih omotača i njegova hemijska svojstva (vidi Atom, atomsko jezgro), postalo je jasno je da su radioaktivne transformacije povezane s transformacijom atomskih jezgara. Dalje proučavanje strukture atomskih jezgara omogućilo je potpuno dešifriranje mehanizma radioaktivnih transformacija.
Prvu umjetnu transformaciju jezgara - nuklearnu reakciju (vidi) - izveo je Rutherford 1919. bombardirajući jezgra atoma dušika s polonijum alfa česticama. U isto vrijeme, jezgra dušika emituju protone (vidi) i pretvaraju se u jezgra kisika O17. Godine 1934. F. Joliot-Curie i I. Joliot-Curie (F. Joliot-Curie, I. Joliot-Curie) su prvi umjetno dobili radioaktivni izotop fosfora bombardiranjem Al atoma alfa česticama. P30 jezgra, za razliku od jezgara prirodnih radioaktivnih izotopa, tokom raspada emituju ne elektrone, već pozitrone (vidi Kosmičko zračenje) i pretvaraju se u stabilna jezgra silicijuma Si30. Tako je 1934. istovremeno otkrivena umjetna radioaktivnost i novi tip radioaktivnog raspada, pozitronski raspad ili β + raspad.
Joliot-Curies sugerirali su da sve brze čestice (protoni, deuteroni, neutroni) uzrokuju nuklearne reakcije i da se mogu koristiti za proizvodnju prirodnih radioaktivnih izotopa. Fermi (E. Fermi) i dr., Bombardiranjem raznih elemenata neutronima, dobili su radioaktivne izotope gotovo svih hemijskih elemenata. Trenutno, uz pomoć ubrzanih nabijenih čestica (vidi Ubrzivači nabijenih čestica) i neutrona, provedene su razne nuklearne reakcije, kao rezultat kojih je postalo moguće dobiti bilo koji radioaktivni izotope.
Godine 1937. Alvarez (L. Alvarez) je otkrio novu vrstu radioaktivne transformacije - elektronsko hvatanje. U hvatanju elektrona, jezgro atoma hvata elektron iz ljuske atoma i pretvara se u jezgro drugog elementa. Godine 1939. Hahn i F. Strassmann su otkrili fisiju jezgra uranijuma na lakša jezgra (fisijske fragmente) kada su bombardirani neutronima. Iste godine, Flerov i Petrzhak su pokazali da se proces fisije jezgri uranijuma odvija spontano bez vanjskog utjecaja. Tako su otkrili novu vrstu radioaktivne transformacije - spontanu fisiju teških jezgara.
Trenutno su poznate sljedeće vrste radioaktivnih transformacija koje se dešavaju bez vanjskih utjecaja, spontano, samo zbog unutrašnjih uzroka zbog strukture atomskih jezgara.
1. Alfa raspad. Jezgro s atomskim brojem Z i masenim brojem A emituje alfa česticu - jezgro helijuma He4 - i pretvara se u drugo jezgro sa Z manje od 2 jedinice i A manje od 4 jedinice od originalnog jezgra. Općenito, alfa raspad se piše na sljedeći način:
Gdje je X originalno jezgro, Y je jezgro proizvoda raspada.
2. beta raspad postoje dva tipa: elektronski i pozitron, ili β - - i β + -raspad (vidi Beta zračenje). Tokom elektronskog raspada, elektron i neutrino izlete iz jezgra i formira se novo jezgro sa istim masenim brojem A, ali sa atomskim brojem Z za jedan većim od originalnog jezgra:
Tokom raspada pozitrona, jezgro emituje pozitron i neutrino i formira se novo jezgro sa istim masenim brojem, ali sa Z manjim od originalnog jezgra:
Tokom beta raspada, u proseku, 2/3 energije jezgra odnesu neutrino čestice (neutrino čestice veoma male mase, koje veoma slabo reaguju sa materijom).
3. Elektronsko snimanje(ranije ime K-capture). Jezgro hvata elektron iz jedne od ljuski atoma, najčešće iz K-ljuske, emituje neutrino i pretvara se u novo jezgro s istim masenim brojem A, ali s atomskim brojem Z manjim od 1 od originalno jezgro.
Transformacija jezgara tokom hvatanja elektrona i raspada pozitrona je ista, pa se ova dva tipa raspada istovremeno posmatraju za iste jezgre, odnosno nadmeću se. Pošto nakon hvatanja elektrona iz unutrašnje ljuske atoma, elektron iz jedne od orbita udaljenijih od jezgra prelazi na njegovo mjesto, hvatanje elektrona uvijek je praćeno emisijom karakterističnog rendgenskog zračenja.
4. Izomerna tranzicija. Nakon emitiranja alfa ili beta čestice, neke vrste jezgara su u pobuđenom stanju (stanje sa viškom energije) i emituju energiju ekscitacije u obliku gama zraka (vidi Gama zračenje). U ovom slučaju, tokom radioaktivnog raspada, jezgro, osim alfa ili beta čestica, emituje i gama kvante. Dakle, jezgra izotopa Sr90 emituju samo β-čestice, jezgra Na24 emituju, pored β-čestica, i gama kvante. Većina jezgara je u pobuđenom stanju tokom vrlo kratkih vremenskih perioda koji se ne mogu izmjeriti (manje od 10 -9 sekundi). Međutim, samo relativno mali broj jezgara može biti u pobuđenom stanju relativno dugo – do nekoliko mjeseci. Takve jezgre nazivaju se izomeri, a njihovi odgovarajući prelazi iz pobuđenog u normalno stanje, praćeni emisijom samo gama zraka, su izomerni. Tokom izomernih prelaza A i Z, jezgra se ne menjaju. Radioaktivna jezgra koja emituju samo alfa ili beta čestice nazivaju se čisti alfa ili beta emiteri. Jezgre u kojima je alfa ili beta raspad praćen emisijom gama zraka nazivaju se gama emiteri. Čisti gama emiteri su samo jezgra koja su dugo vremena u pobuđenom stanju, odnosno prolaze kroz izomerne prelaze.
5. Spontana nuklearna fisija. Kao rezultat fisije, iz jednog jezgra nastaju dva lakša jezgra - fisioni fragmenti. Kako se identična jezgra mogu na različite načine podijeliti na dva jezgra, u procesu fisije nastaje mnogo različitih parova lakših jezgara sa različitim Z i A. Prilikom fisije se oslobađaju neutroni, u prosjeku 2-3 neutrona po događaju nuklearne fisije, i gama kvanti. Svi fragmenti formirani tokom fisije su nestabilni i prolaze kroz β - raspad. Verovatnoća fisije je veoma mala za uranijum, ali raste sa povećanjem Z. Ovo objašnjava odsustvo jezgara težih od uranijuma na Zemlji. Kod stabilnih jezgara postoji određeni odnos između broja protona i neutrona, u kojima jezgro ima najveću stabilnost, tj. najveća energija vezivanja čestica u jezgru. Za laka i srednja jezgra, njihova najveća stabilnost odgovara približno jednakom sadržaju protona i neutrona. Za teže jezgre, uočeno je relativno povećanje broja neutrona u stabilnim jezgrama. Sa viškom protona ili neutrona u jezgru, jezgra sa prosječnom vrijednošću A su nestabilna i prolaze kroz β - - ili β + -raspad, pri čemu dolazi do međusobne transformacije neutrona i protona. Uz višak neutrona (teških izotopa), jedan od neutrona se pretvara u proton emisijom elektrona i neutrina: 
Sa viškom protona (svjetlosnih izotopa), jedan od protona se pretvara u neutron uz emisiju ili pozitrona i neutrina (β + raspad), ili samo neutrina (hvatanje elektrona): 
Sva teška jezgra sa atomskim brojem većim od Pb82 su nestabilna zbog značajnog broja protona koji se odbijaju. Lanci uzastopnih alfa i beta raspada u ovim jezgrama se javljaju sve dok se ne formiraju stabilna jezgra izotopa olova. Sa poboljšanjem eksperimentalne tehnike, sve više i više jezgara, koje su se ranije smatrale stabilnim, otkrivaju vrlo sporo radioaktivno raspadanje. Trenutno postoji 20 poznatih radioaktivnih izotopa sa Z manjim od 82.
Kao rezultat bilo koje radioaktivne transformacije, broj atoma datog izotopa kontinuirano se smanjuje. Zakon o smanjenju broja aktivnih atoma tokom vremena (zakon radioaktivnog raspada) je zajednički za sve vrste transformacija i sve izotope. On je statističke prirode (primjenjiv samo na veliki broj radioaktivnih atoma) i glasi kako slijedi. Broj aktivnih atoma danog izotopa koji se raspada u jedinici vremena ΔN/Δt proporcionalan je broju aktivnih atoma N, odnosno, isti dio k aktivnih atoma datog izotopa raspada se u jedinici vremena, bez obzira na njihov broj. Vrijednost k se naziva konstanta radioaktivnog raspada i predstavlja udio aktivnih atoma koji se raspadaju u jedinici vremena, ili relativnu brzinu raspada. k se mjeri u recipročnim jedinicama vremena, tj. u sek.-1 (1/sek.), dan-1, godina-1, itd., jer svaki radioaktivni izotop ima svoju specifičnu vrijednost, koja se mijenja u vrlo širokom rasponu za razne izotope. Vrijednost koja karakterizira apsolutnu brzinu raspada naziva se aktivnost datog izotopa ili lijeka. Aktivnost 1 g supstance naziva se specifičnom aktivnošću supstance.
Iz zakona radioaktivnog raspada proizlazi da se smanjenje broja aktivnih atoma N prvo događa brzo, a zatim sve sporije. Vrijeme tokom kojeg se broj aktivnih atoma ili aktivnost određenog izotopa prepolovi naziva se poluživotom (T) datog izotopa. Zakon opadanja N od vremena t je eksponencijalan i ima sljedeći analitički izraz: N=N0e-λt, gdje je N0 broj aktivnih atoma u trenutku početka vremenske reference (r=0), N je broj aktivnih atoma nakon vremena t, e je baza prirodnih logaritama (broj jednak 2,718...). Između konstante raspada k i vremena poluraspada λ postoji sljedeća veza: λT-0,693. Odavde 
Poluživot se mjeri u sekundama, min. itd., a za različite izotope variraju u vrlo širokom rasponu od malih djelića sekunde do 10 + 21 godina. Izotopi s velikim λ i malim T nazivaju se kratkovječnimi, izotopi s malim λ i velikim T nazivaju se dugovječnimi. Ako se aktivna tvar sastoji od nekoliko radioaktivnih izotopa s različitim poluživotima, genetski nepovezanih, tada će se s vremenom i aktivnost tvari kontinuirano smanjivati, a izotopski sastav lijeka će se stalno mijenjati: udio kratkoživućih izotopa će se smanjiti, a udio dugovječnih izotopa će se povećati. Nakon dovoljno dugog vremenskog perioda u preparatu će ostati praktično samo najdugovječniji izotop. Iz krivulja raspada radioaktivnih supstanci koje se sastoje od jednog ili mješavine izotopa, može se odrediti poluživot pojedinih izotopa i njihove relativne aktivnosti za bilo koji trenutak.
Zakoni promjene aktivnosti genetski srodnih izotopa su kvalitativno različiti; zavise od omjera njihovog poluživota. Za dva genetski srodna izotopa s periodom T1 za originalni izotop i T2 za produkt raspada, ovi zakoni imaju najjednostavniji oblik. Na T1>T2, aktivnost početnog izotopa Q1 sve vrijeme opada prema eksponencijalnom zakonu s poluživotom od T1. Usled raspada jezgra početnog izotopa, formiraće se jezgra konačnog izotopa i njegova aktivnost Q2 će porasti. Nakon određenog vremena, brzina raspada jezgara drugog izotopa (postat će bliska brzini formiranja jezgara ovog izotopa iz originalnog (brzina raspada početnog izotopa Q1) i ove brzine će biti u određenom i konstantnom odnosu za ostatak vremena - uspostavlja se radioaktivna ravnoteža.
Aktivnost početnog izotopa kontinuirano opada s periodom T1, pa će, nakon postizanja radioaktivne ravnoteže, aktivnost konačnog izotopa Q2 i ukupna aktivnost dva izotopa Q1 + Q2 također opadati s vremenom poluraspada početnog izotopa. T1. Na T1>T2 Q2=Q1. Ako se nekoliko kratkoživućih izotopa formira sukcesivno od prvobitnog dugovječnog izotopa, kao što je slučaj u radioaktivnom nizu uranijuma i radijuma, tada nakon postizanja ravnoteže aktivnosti svakog kratkoživućeg izotopa postaju praktički jednake aktivnosti originalnog izotopa. U ovom slučaju, ukupna aktivnost jednaka je zbiru aktivnosti svih kratkoživućih produkata raspadanja i smanjuje se s periodom poluraspada početnog dugovječnog izotopa, kao i aktivnošću svih izotopa u ravnoteži.
Radioaktivna ravnoteža se postiže praktično u vremenu koje je jednako 5-10 poluraspada izotopa produkata raspada koji ima najduži poluživot. Ako je T1 Prirodno radioaktivni izotopi obuhvataju oko 40 izotopa periodnog sistema elemenata sa Z većim od 82, koji formiraju tri uzastopne serije radioaktivnih transformacija: niz uranijuma (slika 1), niz torija (slika 2) i niz aktinijuma ( Slika 3). Kroz uzastopne alfa i beta raspade, konačni stabilni izotopi olova se dobijaju iz početnih izotopa serije. Strelice na slikama pokazuju uzastopne radioaktivne transformacije, ukazujući na vrstu raspada i postotak atoma koji prolaze kroz raspad ovog tipa. Horizontalne strelice označavaju transformacije koje se javljaju u gotovo 100% slučajeva, a kosim strelicama - u malom dijelu slučajeva. Prilikom označavanja izotopa navodi se njihov poluživot. U zagradi su nekadašnja imena članova serije, koja ukazuju na genetski odnos, bez zagrada - trenutno prihvaćene oznake izotopa, koje odgovaraju njihovoj hemijskoj i fizičkoj prirodi. Dugovječni izotopi su zatvoreni u okvire, a konačni stabilni izotopi su zatvoreni u dvostruke okvire. Alfa raspad je obično praćen gama zračenjem vrlo niskog intenziteta, neki beta emiteri emituju intenzivno gama zračenje. Prirodna pozadina je posljedica prirodne radioaktivnosti-zračenja i izloženosti prirodnim radioaktivnim izotopima sadržanim na površini Zemlje, u biosferi i zraku, te kosmičkom zračenju (vidi). Osim ovih izotopa, razne tvari sadrže i izotop K40 i 20-ak drugih radioaktivnih izotopa s vrlo dugim poluraspadom (od 109 do 1021 godine), zbog čega je njihova relativna aktivnost vrlo niska u odnosu na aktivnost drugih. izotopi. Radioaktivni izotopi sadržani u Zemljinoj ljusci igrali su i igraju izuzetnu ulogu u razvoju naše planete, posebno u razvoju i očuvanju života, jer su nadoknađivali toplotne gubitke na Zemlji i osiguravali temperaturu na Zemlji. planeta je bila praktično konstantna mnogo miliona godina. Radioaktivni izotopi, kao i svi drugi izotopi, nalaze se u prirodi uglavnom u difuznom stanju i prisutni su u svim supstancama, biljnim i životinjskim organizmima. Zbog razlike u fizičko-hemijskim svojstvima izotopa, njihov relativni sadržaj u tlu i vodama nije isti. Gasoviti produkti raspada uranijuma, torija i aktinijuma - toron, radon i aktinon - iz vode u tlu neprekidno ulaze u zrak. Pored ovih gasovitih produkata, vazduh sadrži i alfa i beta aktivne proizvode raspada radijuma, torija i aktinijuma (u obliku aerosola). Iz tla radioaktivni elementi, kao i stabilni, ulaze u biljke zajedno sa zemljišnom vodom, pa stabljike i listovi biljaka uvijek sadrže uran, radij, torij s produktima raspadanja, kalij i niz drugih izotopa, iako u relativnoj količini. niske koncentracije. Biljke i životinje sadrže i izotope C14, H3, Be7 i druge, koji nastaju u zraku pod utjecajem neutrona kosmičkog zračenja. Zbog činjenice da postoji stalna razmjena između ljudskog tijela i okoline, svi radioaktivni izotopi sadržani u hrani, vodi i zraku nalaze se u tijelu. Izotopi se nalaze u organizmu u sljedećim dozama: u mekim tkivima - 31 mrem/god, u kostima - 44 mrem/god. Doza kosmičkog zračenja je 80-90 mrem/godišnje, doza vanjskog gama zračenja je 60-80 mrem/god. Ukupna doza je 140-200 mrem/god. Doza koja pada na pluća je 600-800 mrem/god. Umjetno radioaktivni izotopi se dobivaju bombardiranjem stabilnih izotopa neutronima ili nabijenim česticama kao rezultat raznih nuklearnih reakcija, a kao izvori nabijenih čestica koriste se razne vrste akceleratora. Za mjerenja fluksa i doza različitih vrsta jonizujućeg zračenja, pogledajte Dozimetrija, Doze jonizujućeg zračenja, Neutron. Zbog činjenice da velike doze zračenja štetno utječu na zdravlje ljudi, pri radu s izvorima zračenja i radioaktivnim izotopima primjenjuju se posebne zaštitne mjere (vidi). U medicini i biologiji, izotopi se koriste za proučavanje metabolizma, u dijagnostičke i terapeutske svrhe (vidi). Sadržaj radioaktivnih izotopa u tijelu i dinamika njihovog metabolizma određuje se pomoću brojača vanjskog zračenja osobe. Pitanja. 1. Koje je otkriće Becquerel 1896. godine? Becquerel je 1896. godine otkrio da hemijski element uranijum U spontano emituje nevidljive zrake. 2. Kako su počeli da nazivaju sposobnost atoma nekih hemijskih elemenata na spontano zračenje? Ova sposobnost se nazvala radioaktivnošću. 3. Recite nam kako je izveden eksperiment, čija je shema prikazana na slikama 167, a, b. Šta je proizašlo iz ovog iskustva? U eksperimentu na sl. 167 zrno radijuma Ra stavljeno je u posudu debelih zidova. Iz njega, kroz prorez, izlazi snop radioaktivnog zračenja, koji obasjava fotografsku ploču. Zatim je na snop djelovalo magnetsko polje, uslijed čega se snop dijeli na tri struje: pozitivno nabijenu, negativno nabijenu i neutralnu, što je zabilježeno formiranjem tri mrlje na fotografskoj ploči. 4. Kako su se zvale čestice koje čine radioaktivnu emisiju? Šta su ove čestice? Utvrđeno je da se radioaktivno zračenje sastoji od tri vrste čestica: α-čestice - ionizirani atomi helijuma He, β-čestice - elektroni i γ-čestice - fotoni. Pretpostavku da su sva tijela sastavljena od sićušnih čestica iznijeli su drevni grčki filozofi Leukip i Demokrit prije oko 2500 godina. Ove čestice su nazvane atomi, što znači "nedjeljive". Atom je najmanja, najjednostavnija, nekomponentna i stoga nedjeljiva čestica. Ali otprilike od sredine XIX veka. počele su se pojavljivati eksperimentalne činjenice koje dovode u sumnju ideju o nedjeljivosti atoma. Rezultati ovih eksperimenata sugeriraju da atomi imaju složenu strukturu i da sadrže električno nabijene čestice. Najupečatljiviji dokaz složene strukture atoma bilo je otkriće fenomena radioaktivnosti, koje je napravio francuski fizičar Henri Becquerel 1896. godine. Henri Becquerel (1852-1908) Becquerel je otkrio da hemijski element uranijum spontano (tj. bez vanjskih utjecaja) emituje do tada nepoznate nevidljive zrake, koje su kasnije nazvane radioaktivnim zračenjem. Pošto je radioaktivno zračenje imalo neobična svojstva, mnogi naučnici su počeli da ga proučavaju. Pokazalo se da ne samo uranijum, već i neki drugi hemijski elementi (na primer, radijum) takođe spontano emituju radioaktivne zrake. Sposobnost atoma nekih hemijskih elemenata na spontano zračenje počela je da se naziva radioaktivnošću (od latinskog radio - zračim i activus - efikasan). Ernest Rutherford (1871-1935) Godine 1899., kao rezultat eksperimenta provedenog pod vodstvom engleskog fizičara Ernesta Rutherforda, otkriveno je da je radioaktivno zračenje radijuma nehomogeno, odnosno da ima složen sastav. Pogledajmo kako je ovaj eksperiment izveden. Slika 156a prikazuje olovnu posudu debelih stijenki sa zrnom radijuma na dnu. Snop radioaktivnog zračenja iz radijuma izlazi kroz usku rupu i udara u fotografsku ploču (radijsko zračenje se javlja u svim smjerovima, ali ne može proći kroz debeli sloj olova). Nakon razvijanja fotografske ploče, na njoj je pronađena jedna tamna mrlja - upravo na mjestu gdje je snop udario. Rice. 156. Šema Rutherfordovog eksperimenta za određivanje sastava radioaktivnog zračenja Zatim je eksperiment promijenjen (slika 156, b): stvoreno je jako magnetsko polje koje je djelovalo na snop. U ovom slučaju su se na razvijenoj ploči pojavile tri mrlje: jedna, centralna, bila je na istom mjestu kao i ranije, a druge dvije su bile na suprotnim stranama središnje. Ako su dva toka odstupila od prethodnog smjera u magnetskom polju, onda su to tokovi nabijenih čestica. Odstupanje u različitim smjerovima ukazuje na različite znakove električnih naboja čestica. U jednoj struji bile su prisutne samo pozitivno nabijene čestice, au drugom negativno nabijene čestice. A centralni tok je bilo zračenje koje nije imalo električni naboj. Pozitivno nabijene čestice nazivaju se alfa čestice, negativno nabijene čestice beta čestice, a neutralne čestice gama čestice ili gama kvanti. Joseph John Thomson (1856-1940) Nešto kasnije, kao rezultat proučavanja različitih fizičkih karakteristika i svojstava ovih čestica (električni naboj, masa, itd.), bilo je moguće utvrditi da je β-čestica elektron, a α-čestica potpuno jonizovana. atom hemijskog elementa helijuma (tj. atom helijuma, koji je izgubio oba elektrona). Takođe se pokazalo da je γ-zračenje jedna od vrsta, odnosno opsega, elektromagnetnog zračenja (vidi sliku 136). Fenomen radioaktivnosti, odnosno spontane emisije α-, β- i α-čestica materijom, zajedno sa drugim eksperimentalnim činjenicama, poslužio je kao osnova za pretpostavku da atomi materije imaju složen sastav. Budući da se znalo da je atom u cjelini neutralan, ovaj fenomen je doveo do pretpostavke da sastav atoma uključuje negativno i pozitivno nabijene čestice. Na osnovu ovih i nekih drugih činjenica, engleski fizičar Joseph John Thomson predložio je 1903. godine jedan od prvih modela strukture atoma. Prema Thomsonu, atom je sfera, po čijoj zapremini je pozitivno naelektrisanje ravnomjerno raspoređeno. Unutar ove sfere su elektroni. Svaki elektron može oscilirati oko svog ravnotežnog položaja. Pozitivni naboj kuglice je po apsolutnoj vrijednosti jednak ukupnom negativnom naboju elektrona, tako da je električni naboj atoma u cjelini jednak nuli. Model strukture atoma koji je predložio Thomson bila je potrebna eksperimentalna verifikacija. Posebno je bilo važno provjeriti da li je pozitivni naboj zaista raspoređen po cijelom volumenu atoma sa konstantnom gustinom. Stoga je 1911. Rutherford, zajedno sa svojim kolegama, izveo niz eksperimenata za proučavanje sastava i strukture atoma. Da biste razumjeli kako su ovi eksperimenti izvedeni, pogledajte sliku 157. U eksperimentima je korištena olovna posuda C s radioaktivnom tvari P koja emituje α-čestice. Iz ovog plovila α-čestice izlete kroz uski kanal brzinom od 15.000 km/s. Rice. 157. Šema instalacije Rutherfordovog eksperimenta o proučavanju strukture atoma Pošto se α-čestice ne mogu direktno videti, za njihovo detektovanje se koristi stakleni ekran E. Ekran je prekriven tankim slojem posebne supstance, zbog čega dolazi do bljeskova na mestima gde α-čestice udaraju u ekran, a to su posmatrano pomoću mikroskopa M. Ova metoda registracije čestica naziva se metoda, scintilacije (tj. bljeskovi). Cijela ova postavka je smještena u posudu iz koje je evakuiran zrak (kako bi se eliminiralo raspršivanje α-čestica uslijed sudara s molekulima zraka). Ako nema prepreka na putu α-čestica, onda one padaju na ekran uskom, blago širećem snopu (Sl. 157, a). U ovom slučaju, svi blicevi koji se pojavljuju na ekranu spajaju se u jednu malu svjetlosnu tačku. Ako se na putu α-čestica postavi tanka folija F metala koji se proučava (slika 157, b), tada se pri interakciji sa supstancom α-čestice raspršuju u svim smjerovima pod različitim uglovima φ (samo tri uglovi su prikazani na slici: φ1, φ2 i φ3). Kada je ekran na poziciji 1, većina blica nalazi se u sredini ekrana. To znači da je glavni dio svih α-čestica prošao kroz foliju, gotovo bez promjene prvobitnog smjera (rasutih pod malim uglovima). Kako se udaljavate od centra ekrana, broj bljeskova postaje manji. Posljedično, s povećanjem ugla raspršenja φ, broj čestica raspršenih pod tim uglovima naglo opada. Pomeranjem ekrana zajedno sa mikroskopom oko folije, može se ustanoviti da je određeni (veoma mali) broj čestica raspršen pod uglovima blizu 90° (ovaj položaj ekrana je označen brojem 2), a neki pojedinačni čestice se raspršuju pod uglovima od 180°, tj. kao rezultat interakcije sa folijom su odbačene (pozicija 3). Upravo su ovi slučajevi rasejanja α-čestica pod velikim uglom dali Rutherfordu najvažnije informacije za razumevanje kako su atomi materije raspoređeni. Nakon analize rezultata eksperimenata, Rutherford je došao do zaključka da je tako snažno skretanje α-čestica moguće samo ako unutar atoma postoji izuzetno jako električno polje. Takvo polje može biti stvoreno naelektrisanjem koncentrisanim u vrlo maloj zapremini (u poređenju sa zapreminom atoma). Jedan od primjera shematskog prikaza nuklearnog modela atoma koji je predložio E. Rutherford Rice. 158. Putanja leta α-čestica pri prolasku kroz atome materije Budući da je masa elektrona približno 8000 puta manja od mase α-čestice, elektroni koji čine atom nisu mogli značajno promijeniti smjer kretanja α-čestica. Stoga se u ovom slučaju može govoriti samo o silama električnog odbijanja između α-čestica i pozitivno nabijenog dijela atoma čija je masa mnogo veća od mase α-čestice. Ova razmatranja su navela Rutherforda da stvori nuklearni (planetarni) model atoma (za koji već znate iz kursa fizike 8. razreda). Podsjetimo da se, prema ovom modelu, pozitivno nabijeno jezgro nalazi u središtu atoma, zauzimajući vrlo mali volumen atoma. Oko jezgra se kreću elektroni čija je masa mnogo manja od mase jezgra. Atom je električno neutralan jer je naboj jezgra jednak modulu ukupnog naboja elektrona. Rutherford je mogao procijeniti veličinu atomskih jezgara. Pokazalo se da, u zavisnosti od mase atoma, njegovo jezgro ima prečnik reda 10 -14 - 10 -15 m, odnosno da je desetine pa čak i stotine hiljada puta manje od atoma (atoma ima prečnik od oko 10 -10 m). Slika 158 ilustruje prolazak α-čestica kroz atome materije sa stanovišta nuklearnog modela. Ova slika pokazuje kako se putanja leta α-čestica mijenja ovisno o tome koliko daleko od jezgra lete. Snaga električnog polja koje stvara jezgro, a time i sila djelovanja na α-česticu, opada prilično brzo s povećanjem udaljenosti od jezgra. Stoga se smjer leta čestice uvelike mijenja samo ako prođe vrlo blizu jezgra. Budući da je prečnik jezgra mnogo manji od prečnika atoma, većina α-čestica prolazi kroz atom na takvim udaljenostima od jezgra, gde je odbojna sila polja koje stvara premala da bi značajno promenila smjer α-čestica. I samo mali broj čestica leti u blizini jezgra, odnosno u području jakog polja, i odbija se pod velikim uglovima. Upravo su ovi rezultati dobijeni u Rutherfordovom eksperimentu. Tako je kao rezultat eksperimenata raspršenja α-čestica dokazana nekonzistentnost Thomsonovog modela atoma, predložen je nuklearni model strukture atoma i procijenjeni su prečnici atomskih jezgara. Ciljevi lekcije:
edukativni: Razvijanje: nastaviti s razvojem mišljenja, sposobnosti analiziranja, poređenja, izvođenja logičkih zaključaka. edukativni: Vrsta časa: učenje novog gradiva. Forma časa: kombinovani čas. Metode nastave: verbalna, vizuelna, praktična. Oprema: Materijal: tabela „Periodični sistem hemijskih elemenata D.I. Mendeljejev". Tokom nastave 1. Organizacija rada. Najava teme i svrhe časa, redosled rada na času. 2. Ponavljanje naučenog. Faza pripreme za aktivno i svjesno usvajanje gradiva (aktualizacija znanja). Svijet je složen Ko je ovaj genije, taj ekscentrik koji je napravio najveće otkriće prošlog veka? Nakaze ukrašavaju život. To su nemirni, neobično radoznali i bezgranično radoznali ljudi, koji tvrdoglavo traže nejasne probleme. Tvrdoglavo se nešto otkriva, izmišlja, eksperimentiše, proizvodi. Život nam postavlja mnoge probleme. Neke od njih je vrlo lako riješiti. Nekoliko generacija naučnika se bori za druge. Čini se da je gotovo detinjasto pitanje „Kako radi atom?“. I ljudi traže odgovor na to oko 2500 godina. U prethodnoj lekciji smo govorili o postojanju činjenica koje potvrđuju složenu strukturu atoma. 3. Učenje novog gradiva. Učitelj: Hipoteza da se sve supstance sastoje od velikog broja atoma nastala je prije više od dvije hiljade godina. Pobornici atomističke teorije smatrali su atom najmanjom česticom i vjerovali da čitava raznolikost svijeta nije ništa drugo do kombinacija nepromjenjivih čestica - atoma. Učitelj: Specifične ideje o strukturi atoma razvile su se kako je fizika akumulirala činjenice o svojstvima materije. Ljudi su shvatili da je atom djeljiv i da u prirodi postoje čestice manje od atoma. Pitanje. Koje čestice znate da su manje od atoma? Učenici: elektron, proton, neutron. Učitelj: Nakon svih ovih otkrića, kada je postalo jasno da atom može imati složenu strukturu, nekoliko naučnika je predložilo različite teorijske modele za strukturu atoma. Najpopularniji od njih bio je model koji je predložio J.J. Thomson. Nastavnik: Joseph John Thomson je na osnovu klasične elektromagnetske teorije pokazao da veličina elektrona treba biti reda veličine 10 - 15 m, osim toga, znalo se da je veličina atoma nekoliko angstroma (jedan angstrom je 10 - 10 m). Na osnovu toga, Thomson je 1903. predložio model atoma, prema kojem su atomi homogene kuglice pozitivno nabijene materije u kojima se nalaze elektroni. Ukupni (negativni) naboj elektrona jednak je pozitivnom naboju atoma. Stoga je atom u cjelini neutralan. Ovaj model je nazvan "puding" jer su elektroni bili ugrađeni u pozitivni medij, poput grožđica u pudingu. Odstupanje elektrona u atomu od njegovog ravnotežnog položaja dovodi do pojave rotirajuće sile. Stoga, elektron, na bilo koji način uklonjen iz ravnotežnog položaja, oscilira, pa je stoga izvor elektromagnetnog zračenja. Thomsonov model se činio privlačnim sa stanovišta da pretpostavlja prisustvo elektrona u atomu. Međutim, to je trajalo samo do 1911. Rutherfordovo iskustvo. Dakle, model atoma je izgrađen. Sada to trebamo testirati eksperimentom. Šta u njemu treba provjeriti? Naravno, kako je pozitivni naboj raspoređen unutar atoma i kako se elektroni nalaze u njemu. Ali za to morate prodrijeti unutar atoma! Moguće je? Za prodor unutar atoma potrebne su čestice istih ili manjih veličina. Takve čestice otkrivene su u proučavanju fenomena radioaktivnosti. Zadatak 1. Izračunajte koliko je puta čestica teža od elektrona. Učenici: (Samo rješavaju) 7350 puta. Stoga, kao školjke, morate odabrati - česticu. Učitelju. Upravu si. Eksperiment koji je dao odlučujući doprinos stvaranju moderne teorije strukture atoma bio je eksperiment koji je 1911. godine izveo Ernest Rutherford, zajedno sa svojim pomoćnicima G. Geigerom i E. Marsdenom. Učitelj: Pogledajmo bliže shemu Rutherfordovog iskustva. Zrno radioaktivne supstance, radijuma (Rn), stavljeno je u olovni kontejner. Uski snop čestica izašao je iz posude kroz malu rupu. Nasuprot rupe nalazio se ekran obložen cink sulfidom. Došavši na njega, čestice su izazvale scintilacije u malom dijelu ekrana, točno nasuprot izlazne rupe. Kada se na stazu stavi tanka zlatna folija, površina ekrana na kojoj su uočene scintilacije značajno se povećala. To je značilo da su - čestice su promijenile svoj prvobitni smjer - doživjele raspršenje. Pitanje. Šta mislite šta bi mogao biti razlog odstupanja - čestice? Studenti. Elektroni nisu mogli promijeniti smjer kretanja - čestica, jer je njihova masa višestruko manja od mase - čestica. To znači nešto drugo. Zadatak 2. Uzimajući u obzir da su atomi čvrsto zbijeni u čvrsto tijelo, a razmak između njihovih centara iznosi oko 2,5 10 -10 m (prema analizi difrakcije rendgenskih zraka), izračunajte koliko slojeva atoma u debljini sadrži zlatna folija debljine 0,4 µm. Učenici: (Samo rješavanje) Približno 1600 slojeva. Učitelj: Dakle: činjenica da mnoge čestice prolaze kroz hiljade atoma zlata bez interakcije s njima znači da atom nije čvrst. (Thomsonov model atoma nije potvrđen). Ako - čestica ne doživi djelovanje pozitivnog naboja atoma, njen smjer kretanja se ne mijenja. Ako postoji takva radnja, tada se smjer kretanja mijenja, a što više odstupa, to je djelovanje jače. Da bi se otkrila sva moguća odstupanja čestica, ekran je napravljen sfernim. Pitanje. Prilikom izvođenja eksperimenata obično se vrše mjerenja. Koja su, po vašem mišljenju, mjerenja napravljena u Rutherfordovim eksperimentima? Učenici: Prebrojan je broj čestica koje nisu doživjele interakciju sa atomima zlata i koje su odstupale pod različitim uglovima. Učitelj: Brojanje raspršenih čestica dalo je sljedeće rezultate: Potonji rezultat niko nije očekivao, jer su se svi u to vrijeme pridržavali Thomsonovog modela, prema kojem se činilo da su atomi toliko "labavi" da nisu bili u stanju izazvati tako značajna otklona čestica. Mnogo kasnije, Rutherford je ispričao kako mu je „užasno uzbuđen Gajger došao i rekao: „Uspeli smo da primetimo – čestice se vraćaju nazad”. Bio je to najnevjerovatniji događaj kroz koji sam morala proći. Bilo je gotovo jednako nevjerovatno kao da ispalite projektil od 15 inča na komad papira i on bi se vratio i pogodio vas. Razmišljajući, shvatio sam da ovo povratno rasipanje mora biti rezultat jednog sudara, a kada sam izvršio proračune, vidio sam da je nemoguće dobiti vrijednost istog reda, osim ako ne uzmete u obzir sistem u kojem je većina mase atoma je koncentrisana u malom jezgru. Za teorijsku analizu dobijenih podataka bilo je potrebno poznavanje teorije vjerovatnoće. Kako bi popunio praznine u poznavanju ovog odsjeka matematike, Rutherford se nije ustručavao ponovo sjesti u studentsku klupu, što je izazvalo iznenađenje vlastitih učenika, koji su iznenada ugledali svog profesora pored sebe. Nakon analize rezultata eksperimenata, Rutherford je došao do zaključka: Da je tako snažno skretanje čestica moguće samo ako unutar atoma postoji izuzetno jako električno polje. Izračunato je da takvo polje može biti stvoreno naelektrisanjem koncentrisanim u vrlo maloj zapremini (u poređenju sa zapreminom atoma); Pošto je m > m e otprilike 8000 puta, elektroni koji čine atom nisu mogli promijeniti smjer kretanja - čestice. Na osnovu ovih razmatranja, Rutherford je predložio nuklearni model (planetarni) strukture atoma. Atom liči na Sunčev sistem, ali umjesto Sunca ima jezgro, a umjesto planeta elektrone. Nuklearni model se pokazao vrlo elegantnim i mnogo jednostavnijim od Thomsonovog modela atoma. Rutherford je bio zadovoljan. Ipak bi! Uostalom, on je bio prva osoba kojoj je otkrivena tajna strukture atoma. Skala atoma "prema Rutherfordu" može se predstaviti na sljedeći način: Jezgro je onoliko puta manje od atoma koliko je makovo zrno manje od zgrade Moskovskog univerziteta na Vrapčevim brdima; Ako povećate atom otprilike 10 15 puta, tada će postati veličine grada Moskve; Ako se jezgro atoma veličine trešnje nalazi u centru Crvenog trga, tada će elektron veličine zrnca prašine letjeti po obodu obilaznice. Sve ostalo u atomu je praznina 4. Učvršćivanje novih znanja. Učitelj: Sada otvorite periodni sistem i pažljivo ga pogledajte. Razmotrite strukturu atoma hemijskih elemenata vodonika, helijuma, litijuma, berilija (H, He, Li, Be). primjer: Atom vodonika zauzima prvu ćeliju u periodnom sistemu. Električni naboj jezgra atoma vodika je pozitivan i jednak je proizvodu elementarnog električnog naboja e i serijskog broja Z hemijskog elementa u periodnom sistemu. q \u003d Ze. Dakle, naboj jezgra je 1. Također možemo odrediti broj elektrona u atomu vodika. Pošto je atom neutralan, broj elektrona u atomu vodika će biti 1. Elektron ima negativan naboj. 5. Prezentacija gradiva razvojne prirode. Studentska komunikacija: "Stranice biografije Ernesta Rutherforda." 6. Sumiranje. Učenici koji u toku časa odgovaraju na pitanja i samostalno razmišljaju dobijaju bodove. Prilikom odgovaranja ne ocjenjuje se samo tačnost odgovora, već i tok rezonovanja, broj i kvalitet grešaka. Domaći zadatak §56. Nacrtajte dijagram modela atoma litijuma, dušika, kisika, fluora. Odredite nuklearni naboj svakog atoma. Književnost
Rice. 1. Serija uranijuma. 
Rice. 2. Serija torija. 
Rice. 3. Niz morskih anemona.
francuski fizičar. Jedan od otkrivača radioaktivnosti
engleski fizičar. Otkrio je složeni sastav radioaktivnog zračenja radijuma, predložio nuklearni model strukture atoma. Otkrio proton
engleski fizičar. Otvoren elektron. Predložio je jedan od prvih modela strukture atoma
Pitanja
Pun je događaja, nedoumica
I beskrajne misterije
I smela nagađanja.
Kao čudo prirode
Je genije
I u ovom haosu
Pronalazi red.
