Rādioaktivitate

Franču fiziķis Antuāns Anrī Bekerels 1896. g., pētot rentgenstarus, izdarīja svarīgu atklājumu. Viņš atklāja, ka daži minerāli, kuru sastāvā ir urāna savienojumi, izstaro nezināmas izcelsmes starus. Bekerels šos starus nosauca par urāna stariem.

1898. g. Marija un Pjērs Kirī atklāja divus jaunus elementus, kurus nosauca par rādiju un poloniju. Arī šiem elementiem novēroja urāna starus. Tā kā izrādījās, ka urāna starojums ir sastopams arī citiem elementiem, ne tikai urānam, Marija Kirī ieteica šo jaunatklāto īpašību nosaukt par radioaktivitāti.

Radioaktivitātes atklāšana bija ļoti svarīga. Tā ievadīja fiziku jaunā ērā, jo norādīja, ka atoms un atoma kodols ir sarežģīta sistēma ar savu struktūru un nebūt nav nedalāms, kā domāja agrāk.

Mūsdienu mācībai par radioaktivitāti un atoma uzbūvi pamatā ir angļu fiziķa Ernesta Rezerforda darbi. E. Rezerfords 1899. gadā atklāja atoma kodolu a un b starojumu. Konstatēja, ka radioaktīvo starojumu var iedalīt šādās grupās:

· a-stari – smagas pozitīvi lādētas daļiņas;

· b-stari – vieglas negatīvi lādētas daļiņas;

· g-stari – neitrāls starojums bez masas.

Pēc tam atklāja, ka b-stari ir identiski elektroniem, bet a-stari ir hēlija atoma kodoli. Izrādījās, ka g-stari ir ar tādām pašām īpašībām, kādas piemīt gaismai, vienīgi g-staru frekvence ir ievērojami lielāka par redzamās gaismas frekvenci.

Radioaktivitāte ir atoma kodolā notiekošs process. To 1909. gadā izskaidroja angļu fiziķi Ernests Rezerfords un Frederiks Sodī. Saskaņā ar šo teoriju radioaktīvā sabrukšanas procesa būtība ir tāda, ka notiek atomu kodolu spontāna, no ārējiem apstākļiem neatkarīga sabrukšana. Pret šo teoriju sākumā iebilda daudzi zinātnieki, taču tagad tā ir vispāratzīta un ļauj izprast radioaktīvā sabrukšanas procesa sakaru ar kodola uzbūvi.

Radioaktivitāte ir patvaļīga viena ķīmiskā elementa nestabilo izotopu pārvēršanās otra elementa izotopos, vienlaicīgi emitējot elementārdaļiņas vai atomu kodolus.

Radioaktivitāti, ko var novērot dabiskos apstākļos eksistējošiem izotopiem, sauc par dabisko radioaktivitāti.

Kā zināms, radioaktivitāti vispirms atklāja smagiem elementiem: urānam, rādijam, aktīnijam un citiem, kuri atrodas Mendeļejeva periodiskās elementu sistēmas beigās. Drīz noskaidrojās, ka radioaktivitāte nebūt nav raksturīga tikai smagiem elementiem. Tā, piemēram, radioaktīvi ir arī tādi elementi kā kālijs ₁₉K⁴⁰, ₃₇Rb⁸⁷ un citi, kas atrodas periodiskās sistēmas sākumā vai vidusdaļā. Kļuva skaidrs, ka radioaktivitāte ir raksturīga īpašība nevis dotajam elementam, bet gan veselai nestabilai kodolu grupai. Šīs atziņas kļuva sevišķi skaidras pēc tam, kad Irēna un Frederiks Žolio-Kirī 1934. gadā atklāja mākslīgo radioaktivitāti.

Par mākslīgo radioaktivitāti sauc dažādu kodolreakciju rezultātā mākslīgi iegūtu izotopu radioaktivitāti.

Pirmo reizi Žolio-Kirī mākslīgo radioaktivitāti novēroja, apšaudot ar a-daļiņām alumīniju. Viņi noskaidroja, ka, apšaudot alumīniju ar a-daļiņām, izveidojas radioaktīvā fosfora izotops. Vēlāk viņi līdzīgas parādības novēroja arī, apšaudot ar  a-daļiņām magniju un boru.

Vēlāk fiziķi centās noskaidrot, vai mākslīgās radioaktivitātes izraisīšanai bez  a-daļiņām nav iespējams izmantot arī citas daļiņas. Itāļu fiziķis Enriko Fermī ar saviem līdzstrādniekiem 1934. gadā konstatēja, ka mākslīgo radioaktivitāti var izraisīt arī ar neitroniem. Fermī apšaudīja ar neitroniem vairāk nekā 60 dažādas vielas. Pēc apšaudes apmēram 40 vielas bija kļuvušas radioaktīvas.

Tagad pazīstami pieci galvenie kodolu radioaktīvās sabrukšanas veidi, kuru rezultātā notiek spontāna kodolu pārvēršanās. Tie ir šādi:

1) a sabrukšana, kura notiek, kodolam izsviežot a daļiņas (hēlija atoma kodolus);

2) b sabrukšana, kura notiek, kodolam izsviežot elektronu (b^- sabrukšana) vai pozitronu (b⁺ sabrukšana);

3) g sabrukšana, kodolam izstarojot g kvantu ar samērā lielu enerģiju. Šis sabrukšanas veids parasti novērojams kopā ar a sabrukšanu un b sabrukšanu;

4) elektrona satveršana, kad atoma kodols satver vienu no tam tuvāk riņķojošiem elektroniem;

5) spontānā dalīšanās. Šī procesa rezultātā kodols sadalās divās vai vairākās daļās dažādās svaru attiecībās.

No visiem sabrukšanas veidiem visbiežāk novērojama b sabrukšana. Bez šiem 5 pamattipiem sastopami vēl citi, sarežģītāki, kas ir šo piecu kombinācija.

Kā jebkuras fizikālās īpašības, arī radioaktivitātes raksturošanai nepieciešams izvēlēties kādu noteiktu mērvienību. Tagad pazīstamas vairākas radioaktivitātes mērvienības: kirī (apzīmējums c), rezerfords (apzīmē rd) un rādija miligramekvivalents (apzīmē mg-eq Ra).

Vēsturiski vecākā mērvienība ir kirī. Tā nosaukta par godu Marijai un Pjēram Kirī, kuri pašaizliedzīgā darbā atklāja divus jaunus radioaktīvus elementus - rādiju un poloniju.

Kirī (c) ir tāda dotā izotopa preparāta radioaktivitāte, kuram vienā sekundē notiek 3,7×10¹⁰ sabrukšanas aktu.

Tā kā kirī ir ļoti liela mērvienība, tad bieži lieto arī milikirī (1 mc = 10^-3c) un mikrokirī (1mc = 10^-6c).

Pēc mākslīgās radioaktivitātes atklāšanas radioaktivitātes mērīšanai bez kirī sāka lietot arī vēl rezerfordu. Šī mērvienība nosaukta par godu slavenajam angļu fiziķim Ernestam Rezerfordam, kurš deva pirmo radioaktivitātes teoriju.

Viens rezerfords (rd) ir tāda radioaktivitāte, kad ik sekundi notiek 10⁶ kodolu sabrukšanas aktu.

1 rd = 27 mc.

Lieto arī megarezerfordu (1Mrd = 10⁶rd), kilorezerfordu (1krd = 10^3rd), milirezerfordu (1mrd = 10^-3rd), mikrorezerfordu (1mrd = 10^-6rd). Praktiski rezerfordu lieto daudz retāk nekā kirī.

1910. gadā ieveda jaunu radioaktivitātes vienību - rādija miligramekvivalentu, taču to lieto tikai tādu radioaktīvo elementu raksturošanai, kuri rada g starojumu.

Radioaktīvās sabrukšanas rezultātā viens elementa pārvēršas citā. Pārvēršanās likumības dažādos sabrukšanas veidos nosaka radioaktīvās pārbīdes likums, kuru 1911. – 1913. g. formulēja angļu fiziķis Sodī un vācu fiziķis Fajanss. Pārbīdes likumu formulē šādi:

1. Ja radioaktīvais elements sabrūkot izsviež a daļiņu (a sabrukšana), tad rodas elements, kas elementu periodiskajā sistēmā atrodas divas vietas pirms elementa, no kura radies.

2. Ja radioaktīvais elements sabrūkot izsviež b daļiņu - elektronu (b sabrukšana), tad rodas elements, kas elementu periodiskajā sistēmā atrodas par vienu vietu tālāk nekā elements, no kura tas radies.

Mūsdienās mākslīgos radioaktīvos izotopus iegūst jau rūpnieciski. Lai tos labāk varētu izmantot praktiskām vajadzībām, tos parasti izgatavo nevis tīrā veidā, bet gan ķīmiskos savienojumos ar citām vielām. Mākslīgi radītos izotopus plaši izmanto visdažādākajās zinātnes un tehnikas nozarēs. Tos var izmantot kā iezīmētos atomus. Tas iespējams tāpēc, ka elementa radioizotopi pēc savām ķīmiskajām īpašībām neatšķiras no tā paša ķīmiskā elementa stabilajiem izotopiem.

1923. g. Hevešs (Vācija) pirmais sāka izmantot radioizotopus bioloģiskos procesos, pētot svina sāļu uzsūkšanās iespēju dažādos augos. Interesanti rezultāti iegūti, pētot dažādu dzīvnieku pārceļošanas maršrutus un ātrumu. Piemēram, var izpētīt, uz kurieni dodas zivis no zivju audzētavām. Lai zivis iezīmētu, tās uz dažām stundām ievieto radioaktīvo sāļu šķīdumā. Radioaktīvie izotopi koncentrējas zivju žaunās, spurās un zvīņās. Šādu zivi tad viegli atšķirt no “neiezīmētas” zivs. Ar līdzīgām metodēm var noskaidrot odu, mušu un citu kukaiņu pārvietošanos. Ja zivis vēl citādi iespējams iezīmēt bez radioizotopiem, tad to nevar izdarīt ar kukaiņiem. Tā, piemēram, apgredzenot odu ir pilnīgi neiespējams. Talkā atkal nāk iezīmētie atomi. Tā, lai iezīmētu mušu, to baro ar cukura sīrupu, kas satur radioaktīvu fosfātu. Ar radioaktīvā starojuma skaitītājiem viegli atšķirt iezīmētu odu vai mušu no neiezīmētiem.

Radioizotopus izmanto arī medicīnā, ārstējot audzējus un dažas ādas slimības.

Lauksaimniecībā radioizotopu metode paver plašas iespējas mikroelementu, fermentu, vitamīnu un citu vielu pētīšanai, kuras augos ir ļoti maz, bet kuras darbojas kā dzīvības procesa regulētāji. Agrāk ar parastajām ķīmiskajām metodēm nebija iespējams izsekot fosfora savienojumiem augos. Tagad, izmantojot iezīmēto atomu metodi, noskaidrots, ka augi dažādos attīstības procesos fosforu uzņem dažādi. Sevišķi daudz fosfora augi patērē tūlīt pēc uzdīgšanas. Tas nozīmē, ka savlaicīgam fosfora mēslojumam ir liela nozīme kultūraugu ražas palielināšanā. Mēslojums jādod tad, kad tas ir visvairāk nepieciešams. Vēlāk bieži vien nokavēto vairs nevar atgūt.

Iezīmētos atomus pielieto arī visdažādākajās rūpniecības nozarēs. Metalurģijā tie palīdz uzlabot kausējumu īpašības. Piemēram, ievadot tēraudā nedaudz tā saucamo leģējošo elementu, iegūst tēraudu ar dažādām speciālām īpašībām. Svarīgi atzīmēt laiku, kāds nepieciešams, lai leģējošais piejaukums vienmērīgi samaisītos ar pārējo metālu. Šim  nolūkam var izmantot radioizotopus. Iezīmēto materiālu metode dod iespēju pētīt arī nodilumu un berzi. Materiālam, no kura izgatavo visātrāk dilstošās motora daļas, pievieno nelielu tā paša materiāla radioizotopu piedevu. Dilšanas rezultātā izveidojušās skaidiņas nokļūst eļļā. Atkarībā no eļļas radioaktivitātes pakāpes var spriest par nodilumu.

Viens no vissvarīgākajiem kodolreakciju veidiem ir dalīšanās reakcijas. Jau pirmie eksperimenti ar dabiskajiem radioaktīvajiem elementiem parādīja, ka tie izsviež daļiņas ar samērā lielu enerģiju. Tas norāda, ka atomu dzīlēs slēpjas lieli enerģijas krājumi. Praktiskas iespējas šo enerģiju izmantot tehnikā un rūpniecībā pavēra tikai kodolu dalīšanās reakciju atklāšana. Šis atklājums ievadīja cilvēci kodolenerģijas laikmetā. Dalīšanās reakciju atklāšana saistīta ar slavenā itāliešu fiziķa Enriko Fermī darbiem. Fermī interesēja, kas notiks, ja apšaudīs ar neitroniem vissmagāko elementu - urānu. Fermī vēlējās iegūt elementus, kas periodiskajā sistēmā atrodas aiz urāna (t. s. transurāna elementus), izpētīt to īpašības un līdz ar to paplašināt elementu periodisko sistēmu. Tas viņam patiešām izdevās. Tas saistīja daudzu fiziķu un ķīmiķu uzmanību, jo šķita vilinoši iegūt tādus elementus, kas dabā nav sastopami. 1938. g. vācu radioķīmiķi Hāns un Štrāsmanis secināja, ka, apšaudot urānu ar neitroniem, izveidojušies nevis transurāna elementi, bet gan jauni rādija un aktīnija izotopi. Analizējot eksperimentu rezultātus, viņiem izdevās konstatēt, ka reakcijas produktos var atrast tādus elementus, kuru masas skaitļu summa vienāda ar urāna un neitrona masas skaitļu summu. Tā viņi būtībā atklāja urāna kodola dalīšanos. Līdzīgus eksperimentus veica arī vācu fiziķi Meitnere un Frišš, kā arī franču fiziķi Irēna un Frederiks Žolio-Kirī. Vēsts par jauno atklājumu ātri izplatījās fiziķu un ķīmiķu aprindās. Kodolu dalīšanās atklāšanai sekoja virkne teorētisku darbu, kuru nolūks bija izveidot dalīšanās mehānismu. Radās jautājums, vai urāna un citu smago elementu dalīšanās procesā izveidojušos sekundāros neitronus nevar izmantot jaunu kodolu saskaldīšanai. Tā kā dalīšanās procesam vajadzīgs tikai viens neitrons, bet atbrīvojas 2 līdz 3 neitroni, tad labvēlīgos apstākļos dalīšanās noritēs ar pieaugošu intensitāti. Neitronu skaits nepārtraukti pieaugs ģeometriskā progresijā. Reakcijas, kurās tās produkti savukārt izraisa tālāku reakcijas norisi, mēdz saukt par ķēdes reakcijām. Ar šādām reakcijām jāsastopas arī ķīmiskajās reakcijās. Ļoti bieži tās izraisa sprādzienu – eksploziju.

Praktiski ķēdes reakcija saistīta ar ievērojamām grūtībām. Tomēr jau ap 1940. gadu fiziķu rīcībā bija pietiekami daudz eksperimentālo datu, kas atļāva secināt, ka zināmos apstākļos var radīt gan vadāmu, regulējamu, gan arī sprādziena ķēdes reakciju. Kļuva skaidrs, ka atombumbas izveidošana ir reāla. Kopš urāna dalīšanās atklāšanas momenta amerikāņu fiziķis Roberts Openheimers pastāvīgi interesājās par šo problēmu un ar to saistīto atombumba izgatavošanas iespēju. Kopš 1941. gada rudens viņš regulāri piedalījās īpašas ASV Nacionālās zinātņu akadēmijas komisijas darbā, kas apsprieda atomenerģijas izmantošanas iespējas kara mērķiem. Tai laikā viņš vadīja teorētiskās fizikas grupu, kura pētīja dažādas atombumbas radīšanas iespējas. Viņam lielā mērā piederēja doma par visu ASV fiziķu, kuri nodarbojas ar šo problēmu, apvienošanu vienotā zinātniskajā centrā. Openheimers kļuva par Los-Alamosas laboratorijas zinātnisko vadītāju. 1945. g. 16. jūlijā sekmīgi izmēģināja pirmo amerikāņu atombumbu, un drīz Openheimeram kopā ar pārējiem Kara komitejas locekļiem nācās ierasties pie toreizējā ASV prezidenta Trumena, lai izvēlētos atombombardēšanas mērķus Japānā. 1945.g. 6. augustā nometa atombumbu uz Japānas pilsētu Hirosimu, bet 9. augustā uz Nagasaki. Pirmās bumbas svars bija 4100 kg un tā saturēja urānu ₉₂U²³⁵, bet otra bumba svēra 4500 kg un kā dalāmo masu tajā izmantoja plutonija izotopu ₉₄Pu²³⁹.

Atombumbu izraisītie postījumi bija briesmīgi. Lūk, ko teicis viens no lidotājiem, kas bija piedalījies atombumbas nomešanā uz Hirosimu:

“... Mēs virs Hirosimas parādījāmies pulksten 8.15. Tas bija laiks, kad cilvēki pieceļas un dodas uz darbu. Mēs redzējām kustību ielās: trolejbusus, automobiļus, gājēju grupas.

Kad bumba nokrita, spēcīgs grūdiens mūsu lidmašīnu atsvieda sānis. Mēs lidojām ar milzīgu ātrumu. Jau pēc divām minūtēm mēs varējām saskatīt, kas noticis mūsu aizmugurē, apakšā.

Pilsēta bija izgaisusi. Nebija palikuši ne trolejbusi, ne automobiļi, ne gājēji. Pilsētu bija pārņēmušas liesmas. Uguns strauji izplatījās vairāku kilometru apkārtnē, sasniedz pat apkārtējos uzkalnus.”

1945. g. oktobrī Openheimers atstāja Los-Alamosas direktora posteni. Viņš bija pieņēmis aktīvu līdzdalību atombumbas radīšanā, un turpmāk daudz laika veltīja tās izmantošanas ierobežošanas ceļu meklējumiem.

Taču lielo enerģiju, kas izdalās ķēdes reakcijās, ir iespējams izmantot arī mierīgiem mērķiem, tikai jāprot šī enerģija atbrīvot nevis sprādziena veidā, bet gan pakāpeniski. Tā kā enerģijas atbrīvošanās saistīta ar ķēdes reakcijām, tad pakāpeniskai atbrīvošanai nepieciešams šīs enerģijas vadīt. Šim nolūkam nepieciešams izveidot īpašas iekārtas, kuras sauc par kodolreaktoriem. Pirmo kodolreaktoru pasaulē uzbūvēja Čikāgā (ASV) 1942. g. fiziķu grupa Fermī vadībā. Latvijā Salaspils kodolreaktoru atklāja 1961. g.

Viena no iespējām, kā izmantot kodolenerģiju mierlaika vajadzībām, ir radīt atomelektrostacijas, dažādus kodoldzinējus kuģiem, lidmašīnām un citiem transporta līdzekļiem.

Izmantotā literatūra: B. Rolovs. Kodolfizika. Latvijas Valsts izdevniecība, Rīgā, 1964.g.

Darba autors: Eduards Blumbergs