Радиоактивті изотоптар |

Изотоптар (грекше «бірдей» және «орын» деген сөздер) -біркелкі химиялық элементтің атом массаларымен ғана айрықшаланатын түрлері. Біз атомдық массамен (протондар мен нейтрондар) және атомдық сандармен (протондардың саны) таныспыз. Тағы да еске саламыз: изотоптардың атомдарының ядролары тек қана нейтрондарының санымен бір-бірінен айрықша, протондарының саны бірдей, Д.И.Менделеевтің элементтердің периодтық жүйесінде бір орынға ғана ие. «Изотоп» деген сөзді 1910 жылы ағылшын радиохимигі Фредерик Содди (1877-1956) ойлап тапқан және ол Э.Резерфордпен бірлесе отырып радиоактивтік ыдырау теориясын жасаған.

Изотоптар тұрғылықты және радиоактивті болып бөлінеді. Біздің ерекше көңіл аударатынымыз — радиоактивті қатарлар, басқаша айтқанда, радиаоктивті изотоптар қатарлары. Изотоптардың әрбір қатары өзінің алдындағы изотоптар қатарының ыдырауы нәтижесінде пайда болады да, олардың әрқайсысы жартылай ыдыраудың ең ұзақ кезеңінен басталып тұрғылықты ыдырамайтын изотоппен аяқталады. Мысалы, уран ыдыраудың соңында қорғасынға айналады. Радиоактивті атомдардың жалпы санының жартысы ыдырап болған уақыт жартылай ыдыраудың кезеңі болып саналады. Ядролардың ыдырауы тек өзінің табиғи заңдарына ғана бағынады да, оны ешқандай сыртқы күшпен тездетуге болмайды. Осы құбылыс адамның жасанды және табиғи радиоактивтік заттардың қоршаған ортаға келтіретін зияндылықтарын жоюға қарапайым әдістермен тездетуге әрқашан да қарсы тұрады.

Қазіргі заманда радиоактивті изотоптардың 4 қатары ашылды: радий-231,торий-232, уран-235 пен уран-238, нептуний-237. Осъшен қатар ядроларында 82-ден астам протондары бар атомдар тұрғылықты емес және а-ыдырауына ұшырап тұратынын білуіміз керек, Атомдық масса а-ыдыраудан 4 санына азаяды. Осының нәтижесінде радиоактивтік ыдыраудың төрт тізбегі пайда болады:

— уран-236 қорғасын-208-ге айналады;

— нептуний-237 висмут-209-ға айналады;

— уран-238 қорғасын-206-ға айналады;

— уран-235 қорғасын-207-ге айналады.

Радиоктивтік ыдыраудың салдарынан бір химиялық элементтің екінші химиялық элементке айналу процесі (уранның, нептунийдің) миллиондаған (аралық) және миллиардтаған (соңы) жылдарға созылады. Осы бір-біріне айналу тізбектерін (жартылай ыдырау кезеңдерінсіз) өте қарапайым түрде көрейік. Мынадай бір-біріне айналу тізбектері белгілі:

— уран-235 -> торий-232 -> радий-228 -> актиний-228 -> торий-228 -> радий-224 -> радон-224 -> полдоний-216 -> қорғасын-212 -> полоний-212 -* висмут-212 -> таллий — 208 -> қорғасын-208;

— нептуний-237 -^ протактиний-233 -^ уран-233 -> торий-229 -» радий-225 -> дктиний-225 -> франций-221 -> астат-217 -^ висмут-213 -^ полоний-213 -> таллий-209 -> қорғасын-209 -> висмут-209;

— уран-238 -^ торий-234 -^ радий-234 — уран-234 -> торий-230 -> радий-226 -> радон-222 -^ полоний-218 -^ қорғасын-214 -> висмут-214 -> полоний-214 -> таллий-210 -> қорғасын-210 -^ висмут-210 —> полоний-210 -> таллий206 -> қорғасын-206;

— уран-235 -> торий-231 -* протактиний-231 -> актиний-227 -ч> торий-227 -> франций-223 -> радий-223 -> радон-219 -» полоний-215 -^ астат-215 -> қорғасын-211 -> висмут-211 -> полоний-211 -> таллий-207 -> қорғасын-207.

Осыдан кейін дүниенің жаратылыс заңдылықтарын ашқан адамзаттың ой-өрісінің кереметтігіне таң қалмасқа болмайды. Материя өмірінің шексіздігін адамзаттың талай буындарының өмірлерін қосқанда да салыстыруға болмайтындығы жөнінде кейде еске алып отыруды ұмытпаған жөн болар еді. Мүмкін, адамдардың, осы табиғат берген қысқа өмірде, энергия ресурстары жататын табиғи және жасанды байлықтардың барлығын пайдаланып үлгіруге ұмтылатындығы, сол үшін барлық қулық-сұмдықтарға, зорлық-зомбылықтарға, әділетсіздікке баратындығы сондықтан да болар.

XXI ғасырда барлық адамзаттың қауіпсіздігі энергетикалық қауіпсіздікпен байланыста болуы тегін емес екендігін түсіну қиынға соқпайды. Ендігі біздің мақсатымыз — изотоптар және элементарлық бөлшектер туралы білімімізді біріктіріп қарау болып табылады.

Атомның ядросының электрондарын, нейтрондарын және тағы басқа элементарлық бөлшектерін ашудың өзі атомның ішкі құрылысы өте күрделі және келешекте осы салада теориялық және қолданыстағы ғылымдардың басқа да жаңалықтар ашу мүмкіндіктері зор екендігі жөнінде нақты тұжырым жасаудың болатындығын көрсетеді. Әйтсе де біздің мақсатымыз осы терең құбылыстардың бетінде жатыр.

Радиоактивтік изотоптардың қойнауынан туындайтын элементарлық бөлшектер үш топқа бөлінеді:

— лептондар (электрон, позитрон, нейтрино) — жеңіл массалы бөлшектер;

— мезондар (пиондар, каон, эта-мезондар) — аралық массалы бөлшектер;

— бариондар (протондар, нейтрондар, гиперондар) -ауыр бөлшектер.

Элементарлық бөлшектердің ең басты қасиеттерінің бірі — оларда электр зарядының барлығы. Осы қасиетінің арқасында олар электрлік магнетизм заңына бағынады. Элементарлық бөлшектер оң және теріс зарядты, зарядсыз (нейтралды) болып бөлінеді. Бұл жерде біздер олардың электр қуатымен байланысты екенін көреміз, яғни электрлік магнетизм құбылысының XIX ғасырда ашылғанымен жоғарыда бекер таныспаған екенбіз.

Элементарлық бөлшектерге жарықтың кванты — фотон жатады. «Квант» деген терминмен біз жоғарыда таныстық. Электрлік магниттік алқаптың кванты (фотоны) зарядсыз (нейтрал) нөл массасы бар зарядтары бар бөлшектердің өзара байланысын атқаратын элементарлық бөлшек болып табылады. Фотонның энергиясы және импульсы бар.

Қорыта келгенде, элементарлық бөлшектердің электрлік магниттік тартыстары зарядталмаған бөлшектер — фотондардың алмасуы арқылы болатындығын анықтап білдік.

Элементарлық бөлшектердің тағы бір басты қасиеті -олардың басқа бөлшектердің бір-бірімен соқтығысы нәтижесінде пайда болатындығы. Бір бөлшектердің туындауы мен басқа бөлшектердің ғайып болуы сол соқтығыстар кезінде болып отырады да, бөлшектердің бір түрлері екінші түрге алмасып кетеді. Осындай керемет ғажайып өзгерістер материяның көзге көрінбейтін микробөлшектер дүниесінде болып жатады екен!

Менің ойымша, жалпы көлемдерін салыстыруға болмайтынына қарамастан, енді ой-өрісімізді ғарыш әлеміне бағыттап, онда болып жататын процестердің атом ядросының қойнауында болып жататын процестермен ұқсас екендігін көру.

Қазіргі космогония (гипотеза) ғалам осыдан 12 миллиард жыл бұрын болған «Үлкен жарылыстың» нәтижесінде пайда болыпты деп жорамалдайды. Осы жарылыстың нәтижесінде таза қуат (энергия) бірте-бірте материяның көптеген түрлеріне айналыпты.

Материяның көлемі антиматерияның көлемінен асып түскен. Олар тепе-тең болған жағдайда бірін-бірі жойып жібереді екен! А.Эйнштейннің салыстырмалы теориясы энергияның — материяға, материяның керісінше энергияға айналатындығын дәлелдеп берді. Қарапайым түсінікті сөзбен айтатын болсақ, элементарлық бөлшектер энергияның көзі — затқа айналады екен. Бірінші болып бір протоннан және бір электроннан тұратын сутегінің атомы пайда болыпты. Қарапайым жағдайда электрон протонды өзінің тұрғылықты орбитасымен (Бордың теориясы) айналып жүреді. Осы жағдайда электрон мен протон бір-біріне қарсы қатар (параллельді) бағытталған спин деп аталатын әсерлік қасиетті сақтап отырады екен. Сутегі атомының осы жағдайында протон мен электронның спиндері қарама-қарсы қатар (антипараллельді) бағыттарда болады.

Бірақ егерде электрон аяқ астынан қосымша энергияның әсерін алатын болған жағдайда, ол жоғары орбитаға ауысып, спиндері қатарласады (параллельденеді). Осы қалыпта сутегінің атомы 11 миллион жыл өмір сүріп, осы мерзім өткеннен кейін ғана бойындағы жиналған артық энергиясын (сәулесін) кеңістікке шығарып, өзінің тұрғылықты қалпына келеді екен. Бұл сәуле толқынының ұзындығы — 21 см, жиілігі — 1420 мегагерц. Адамның көзі ол сәулені сезбейді, көре алмайды. Сәулені радиотелескоптар арқылы ұстауға болады. Әйтсе де осындай бір сәуленің пайда болуын 11 миллион жыл күту мүмкін емес қой! Сәулелердің үзбей пайда болып тұруына ғаламдағы сансыз сутегінің атомдары көмектеседі екен! Мысалы, Күннің 90 пайызы сутегінен және 10 пайызы гелийден тұратыны белгілі. Төменде, радиоактивтік құбылыстарды қараған кезде, біз сутегі (Н) және гелий (Не) атты химиялық элементтермен жиі кездесетін боламыз.

Біздер үшін атомның протоны мен электронының сәуле шашатын спинінің не екенін білу өте қажет. Шын мәнінде спин (ағылш. Sріп — өзі-өзі шыр айналу) дегеніміз микробөлшектердің қозғалыстарының кванттық табиғаты бар, бөлшектің өзінің жалпы қозғалысына байланысы жоқ, бір сәттегі күші екен. Басқаша айтқанда, электронның өзіндік магниттік бір сәттегі күшіне сәйкес келетін бір сәттегі күшінің импульсі спин деп аталады (кванттық физиканың ұғымы).

Қорыта айтқанда, зарядталған бөлшектер мен магниттік бір сәттегі күші бар бөлшектер электрлік магниттік қарым-қатынастарды тудырады. Тағы қайталап еске саламыз: атом ядросының протоны оң зарядты, атом электроны теріс зарядты, нейтрон еш зарядсыз — бейтарап.

Ғалымдар Күннің қалған өмірі 5 миллиард жыл деп жорамалдайды. Америка астрофизигінің гипотезасы бойынша ғалам белгілі жылдамдықпен үлкейіп барады; ал оның галактикалары (100 Миллиардтан аса) бір-бірінен қашықтап барады. Күннің жүйесі өзінің галактикасынан сағатына 1,5 миллион км жылдамдықпен алыстауда. Ғалам кеңістігіне 1990 жылы ұшырылған «Хаббл» радиотелескопы, мүмкін, «Үлкен жарылыстың» нәтижесінде пайда болған ғаламның және оның кеңістігін толтырған материялардың қашан пайда болғанын анықтайтын шығар. Соның нәтижесінде, мүмкін, уран-238-дің өмірі неліктен 4,468 миллиард жыл, ал торий-232-нікі неліктен 14,1 миллиард жыл болуының сыры ашылар!

Пайдаланылған әдебиеттер: Татамбаев С.А., Атом империясының радиоактивті мұрасы немесе радиациялық экология: Анықтамалар, түсініктемелер, әңгімелер. – Алматы: «Қайнар» баспасы, 2008. – 272 бет.