Radioaktivitāte 2

Radioaktivitātes atklāšana izraisīja lielu revolūciju zinātnē un mainīja daudzus iepriekš pieņemtos uzskatus par Visumu un pašu zinātni. Šis atklājums stipri ietekmēja cilvēces vēsturi.

            1896. gada martā Antuāns Anrī Bekerels, franču fiziķis, pētot Rentgena Vilhelma Konrāda atklājumus (skat. Zinātnieki), atklāja neredzamus starus:

            “1896. gada marta laikā, kad apmācās, Bekerels nevarēja izmantot sauli kā enerģijas avotu saviem eksperimentiem. Viņš nolika savas fotoplates atvilknē blakus dažiem kristāliem, kas saturēja urānu (U). Bekerelam par brīnumu, tās bija jau apstarotas pa to laiku, kamēr tika uzglabātas plauktā. Zinātnieks ilgi domāja, kā tas varēja notikt bez saules staru iedarbības. Protams Bekerels meklēja izskaidrojumu. To viņš atrada tajos kristālos, kas pēc viņa domām, izdalīja starojumu paši par sevi.”

            Diena , kad Bekerels atklāja šo fenomenu, tiek uzskatīta par radioaktivitātes “laikmeta” sākumu.

            Strādājot tālāk pie šī atklājuma, Bekerels atklāja to, ka šie stari izspiežas cauri necaurspīdīgiem ķermeņiem un to, ka tie jonizē gāzes noteiktu slāni.

           

Jau 1898. Gadā franču ķīmiķi Marija Sklodovska – Kirī un Pjērs Kirī secināja, ka radioaktivitāte ir atkarīga no elementa atoma fiziskajām un ķīmiskajām īpašībām. Pētot kristālus, līdzīgus pēc uzbūves, kas bija Bekerelam, abi Kirī atklāja divus radioaktīvus elementus, poloniju (Po), ko nosauca savai dzimtenei par godu, un rādiju (Ra) – tulkojumā no latīņu valodas “stars”. Marija Kirī vēlāk atklāja, ka tāds elements kā torijs (Th) arī ir radioaktīvs. Tajā laikā, kad atklāja radioaktivitāti, tai pievērsās daudzi zinātnieki, tika atklāti vēl daudzi elementi. Piemēram, jau 1899. gadā franču ķīmiķis Andrē Luiss Debirnē atklāja vēl vienu radioaktīvo elementu aktīniju (Ac). Tajā pašā gadā Ernests Rezerfords un Frederiks Sodijs atklāja radona (Rn) gāzi.

           

            Drīzumā radioaktivitāte tika atzīta par ļoti labu enerģijas avotu. Abi Kirī veica eksperimentus un nomērīja siltumenerģijas daudzumu, ko izdala rādijs sabrūkot. Mērījumi uzrādīja, ka 1 g rādija izdala apmēram 420 J (jeb 100 kal) lielu siltumenerģiju katrā stundā. Šis ātrums saglabājas kamēr visi rādija atomi sabrūk. Kirī aprēķināja, ka pilnīgi sabrūkot 1 gramam šī elementa daudzumam, kopā varētu iegūt 33,600 J (8000 kal) siltumenerģijas. Šie atklājumi piesaistīja daudzus pasaules zinātniekus. Tika atklātas un pētītas daudzas parādības saistībā ar radioaktivitāti:

            Radiācijas veidi

            Ernests Rezerfords, pārbaudīdams Bekerela atklājuma patiesīgumu un eksperimentēdams ar šiem stariem, pārbaudot to reakciju uz elektrisko un magnētisko lauku, atklāja, radioaktīvo elementu atomu izdalītos starus veido trīs staru veidi. Pirmos divus viņš nosauca par alfa un beta stariem, nedaudz vēlāk Rezerfords atklāja vēl trešo staru veidu – gamma.

 

Alfa stari

            1909. gadā Rezerfords noskaidroja, ka šīs daļiņas ir hēlija (He) izotopa (atoms, kam vienāds kodola lādiņš, bet atšķirīga atommasa) atomi, tikai bez diviem elektroniem. Tālāk pētot šīs daļiņas, viņš secināja, ka tieši alfa daļiņas jonizē gāzes, un secināja, ka katras daļiņas masa ir 4, bet lādiņš +2.

            Alfa daļiņas izstaro sabrūkošie kodoli ar ātrumu, kas aptuvens 17000 km/s. Pētījumi uzrādīja, ka jonizējot gaisu, šīs daļiņas izveido hēlija gāzi. Saduroties ar atomiem, alfa daļiņas viegli zaudē enerģiju un strauji palēnina savu ātrumu. Tā to skrējiens gaisā nav tālāks par 8 cm, un tās spēj caurspiesties tikai caur 0,1 mm biezu alumīnija plāksnīti.

            Izstarojot alfa daļiņu, atoma kodols samazina savu lādiņu par 2 vienībām un masu par 4 (iepriekšējā attēlā).

            Beta stari

            To izdalīšanās notiek, ja kodolā iespējama neitrona pārvēršanās par protonu. Šajā procesā rodas elektrons, kas tiek izsviests no kodola ar ātrumu , kas tuvojas gaismas ātrumam – 300000 km/s. Šie stari spēj caurspiesties cauri 3 mm biezai alumīnija plāksnītei. Šajā procesā kodols praktiski nemainās, bet kodola lādiņš palielinās par vienu vienību, t.i., rodas periodiskās sistēmas nākošais elements (skat attēlu).

            Kad šos starus atklāja, tika uzskatīts, ka visi radioaktīvie elementi izstaro vienādus beta starus, bet vēlākie pētījumi apliecināja, ka tā nav. Atklājās, ka daži elementu izotopi izdala pozitronu plūsmu. Tos arī nosauca par beta stariem, bet, lai būtu skaidra atšķirība, pierakstā pieliek plus zīmi, jo praktiski, to masa ir vienāda ar elektrona masu, bet lādiņš ir pretējs. Domājams, ka pozitroni rodas kodolā, ja tajā ir iespējama protonu pārvēršanās par neitronu. Teorētiski pozitrona esamību 1928. gadā izteica britu fiziķis Pauls Andriens Mauriss , bet 1932. gadā to eksistenci eksperimentāli pierādīja amerikāņu fiziķis Karls Andersons.

            Gamma stari

            Gamma stariem nepiemīt ne masa, ne lādiņš, tādā veidā šie stari neietekmē atoma kodola ķīmiskās īpašības. Izdalot šos starus atoms zaudē enerģiju, kas iegūta, kodolam sabrūkot. Tātad šie stari ir lielas enerģijas plūsma, kas, pēc vēlākiem pētījumiem, postoši iedarbojas uz organisma šūnām.

Mākslīgā radioaktivitāte

            Radioaktivitātes pētījumos zinātnieki atklāja, ka alfa un beta daļiņas, kas pārvietojas ar lielu ātrumu, spēj ietriekties citu atomu kodolos, izjaucot to stabilitāti un izraisot parādību, ko nosauca par dabisko radioaktivitāti.

1919. gadā E. Rezerfords “apšaudīja” slāpekļa (N) atomu kodolus ar alfa daļiņām. Izrādījās, ka, uzņemot alfa daļiņu, slāpekļa atoma kodols pārvēršas par fluora (P) izotopa kodolu, kas, būdams nestabils, t.i., radioaktīvs, tūdaļ sadalās, veidojot skābekļa izotopu un protonu. Šī kodola izmaiņa tika novērota arī citos eksperimentos, ko veica Rezerfords un viņa līdzstrādnieki.

1933. gadā franču ķīmiķi Irēna un Frederiks Žolio Kirī, apšaudot alumīnija (Al) kodolu ar alfa daļiņām, ieguva pirmo mākslīgo radioaktīvo izotopu – fosfora (P) izotopu. Veicot eksperimentus viņi ieguva vēl vairākus radioaktīvos izotopus. No tā laika tika atklātas daudzas kodolreakcijas (atomu kodolu pārvērtības, kas norisinās, kodoliem iedarbojoties savā starpā vai arī uz tiem iedarbojoties ar elementārdaļiņām) un tika bombardēti visu elementu atomi periodiskajā sistēmā ar alfa daļiņām, protoniem, neitroniem un deitērijiem (ūdeņraža (H) izotops ar masas skaitli 2).

Pateicoties intensīvai kodolreakciju pētīšanai, tika atklāta kodoldalīšanās un tika izgudrota atombumba. Pētījumos tika atklāti daudzi jauni elementi, kas nepastāv dabā. Tika uzcelti kodolreaktori, ar kuru palīdzību kļuva iespējams radīt un atklāt izotopus visiem elementiem periodiskajā sistēmā, līdz ar to, pamatojoties un izmantojot šos rezultātus, tika sperts liels solis ķīmijā, bioloģijā un medicīnā.