Application des isotopes radioactifs dans l'industrie, la science et l'agriculture (selon les données de presse)// Énergie atomique. Tome 2, numéro. 1. - 1957. - pp. 85-88.

APPLICATION DES ISOTOPES RADIOACTIFS À L'INDUSTRIE, LA SCIENCE ET L'AGRICULTURE

(Selon PRINT DATA)

Métallurgie ferreuse

À l'usine métallurgique de Staline, à l'aide de radiocobalt contenu dans un petit récipient, les soudures du boîtier du haut fourneau ont été scannées directement lors de son installation, c'est-à-dire dans des conditions où la photographie aux rayons X était totalement impossible. Grâce à de tels conteneurs, les détecteurs de défauts détectent les défauts internes des parois des chaudières à vapeur, des gazoducs, etc.

La durée de la fusion dans les fours à sole ouverte et la purification de l'acier du soufre et du phosphore au début de la fusion dépendent en grande partie de l'ordre de chargement et de la quantité de matières solides. À l’aide de radio-isotopes, un certain nombre d’usines « marquent » des matériaux chargés – chaux ou minerai – et, en mesurant la radioactivité d’échantillons de métal ou de scories, elles déterminent le taux de formation active de scories. De cette façon, la dépendance du taux de dissolution est révélée

calcaire et minerai de facteurs technologiques. La vitesse de fusion des ferrailles est déterminée de la même manière. Pour ce faire, la partie métallique de la charge est « marquée ». De telles recherches sont actuellement menées dans les usines d'Azovstal, Stalinsky, Makeevsky, Magnitogorsk et Kuznetsk.

Après avoir produit de l'acier dans un four à sole, il n'est pas toujours possible d'évaluer l'état des soudures de la sole au moyen d'une inspection de routine, tandis qu'un défaut non détecté peut entraîner un accident grave lors des chauffes suivantes. Des radio-isotopes sont utilisés pour éviter cela. À l'usine sidérurgique Azov, du radiophosphore contenu dans des ampoules de magnésite a été placé à divers endroits du foyer. L'apparition de radioactivité dans les échantillons de scories prélevés au cours du processus de fusion indique la destruction des soudures.

Dans le domaine de la chimie analytique en relation avec les problèmes métallurgiques, deux directions de recherche utilisant les isotopes radioactifs ont émergé. Le premier consiste à tester et à perfectionner les méthodes d’analyse chimique conventionnelles, comme celle du phosphore. Dans ce cas, lors de la dissolution d'un échantillon d'acier ou de minerai, une petite quantité de radiophosphore est ajoutée. Au cours de l'analyse, à ses différentes étapes, l'intensité du rayonnement radioactif des échantillons de solution est déterminée. En l'absence de pertes, la somme de la radioactivité des solutions prélevées à toutes les étapes de l'analyse doit être égale à la radioactivité de la solution d'origine.

La deuxième direction est le développement de méthodes d'analyse expresse de l'acier et des scories pour un élément quelconque, le plus important pour cette technologie, en introduisant des isotopes radioactifs directement dans les fours de fusion d'acier. Ainsi, pour la technologie de traitement des fontes à haute teneur en phosphore, l'usine d'Azovstal a développé une méthode de détermination rapide du pentoxyde de phosphore dans les scories. Il a été établi qu'avec une consommation de 0,04 à 0,05 microcuries d'isotope radioactif du phosphore par tonne de métal, une précision d'analyse suffisante est obtenue avec une durée nettement plus courte que l'analyse chimique. Cette méthode permet de contrôler le régime de fonte des scories et de trier plus précisément les scories comme engrais. Une méthode similaire a été développée pour déterminer le phosphore dans le métal lors du soufflage de la fonte dans un convertisseur. Il peut être utilisé avec succès dans le développement de nouvelles technologies de traitement métallurgique et dans la recherche où la vitesse de détermination de la teneur en phosphore du métal ou des scories affecte le déroulement du processus. (Journal économique industriel, 9 septembre 1956)

Dans la lutte pour le progrès technique, les métallurgistes ukrainiens utilisent de plus en plus des atomes marqués d'éléments radioactifs. A l'aide de cobalt radioactif, sans arrêter le haut fourneau, l'état de ses parois, revêtues de briques réfractaires, est déterminé.

À l'aide d'isotopes radioactifs, les travailleurs à foyer ouvert établissent la vitesse à laquelle se produit la cristallisation des lingots d'acier, déterminent la teneur en phosphore dans les scories à foyer ouvert plusieurs fois plus rapidement qu'auparavant, observent le processus de formation des scories et enregistrent le moment d'achèvement du processus. de la fonte du minerai de fer et du calcaire lors de la fusion.

À l’aide d’atomes marqués, les métallurgistes déterminent la teneur en silice du minerai plusieurs fois plus rapidement que par des méthodes chimiques. Les isotopes radioactifs sont largement utilisés pour déterminer l'épaisseur et la nature des couches de minerai de fer et pour contrôler un certain nombre de processus de production dans les usines de concassage, de criblage et de traitement. (Pravda Ukraine, 4 août 1956)

#À l'usine "Dneprospetsstal" de Zaporozhye, un laboratoire de méthodes de recherche physique, doté des équipements les plus modernes, a été mis en service. Ce laboratoire mène des recherches sur le processus de fusion de l'acier électrique à l'aide d'isotopes radioactifs. En particulier, la cause de la contamination de l'acier à roulements à billes par des scories de four est étudiée à l'aide de calcium radioactif. (Vrai, 21 septembre 1956)

Génie mécanique

Des recherches menées à l'Institut de recherche HAT I montrent qu'en utilisant uniquement des isotopes radioactifs, il a été possible d'établir l'influence de la lubrification, de la puissance du moteur, de la vitesse du vilebrequin, de la poussière de l'air, des pauses de travail (tests) sur le taux d'usure du moteur et de déterminer le transfert métal d'une surface de frottement à une autre. Il a été établi par exemple que la réduction de la charge n'entraîne pas une forte réduction du taux d'usure des pièces.

À l’aide d’isotopes radioactifs, l’usure peut être mesurée avec une précision d’un dix millionième de gramme.

Les expériences menées à l'Institut de génie mécanique de l'Académie des sciences de l'URSS et dans d'autres organisations ont donné des résultats intéressants. Il s'est avéré qu'avec l'aide d'isotopes radioactifs, il est possible d'étudier en profondeur et avec précision les phénomènes d'usure des outils sans arrêter le processus de coupe. En particulier, il est possible d'établir la dépendance de l'usure sur la vitesse d'avance, la profondeur de coupe, le temps, les lubrifiants et fluides de refroidissement et le matériau traité.

Il est également possible de déterminer comment les produits d'usure des couteaux sont répartis dans différentes conditions de coupe, quelle quantité entre dans les copeaux, le produit et le lubrifiant de refroidissement, et quelle quantité est séparée sous forme de poussière. Tout cela est d'une grande importance pour déterminer les conditions de coupe. (Journal économique industriel, 26 octobre 1956)

L'usine d'ingénierie des transports dispose depuis environ cinq ans d'un laboratoire d'isotopes radioactifs.

Parmi les problèmes résolus par le laboratoire, il convient de citer le dosage du calcium dans les scories lors de la fusion dans un four à arc électrique acide et l'usure de certains alliages de roulements utilisés dans la locomotive diesel TE-3. Des recherches sont menées sur l'effet du traitement thermique, du type de lubrifiant et de la propreté des surfaces sur l'usure des engrenages, la répartition des éléments d'alliage dans l'acier en fonction de la vitesse de refroidissement, etc. (Krasnoye Znamya, Kharkov, 7 octobre 1956)

Industrie pétrolière

L'enregistrement radio est largement utilisé dans le département des champs pétrolifères d'Archedinsky. Il était inclus dans l'ensemble obligatoire des travaux de mesure effectués sur les puits. Les isotopes radioactifs sont utilisés pour détecter les fuites dans les chaînes de production. Ainsi, à l'aide d'un isotope du cobalt, la profondeur de fuite des colonnes des puits n°39 et 27 a été déterminée.

En utilisant les mêmes isotopes, les travaux sur le puits d'exploration dévonien n°93 ont été considérablement accélérés et une nouvelle formation pétrolifère y a été découverte. (Stalingradskaïa Pravda, 19 août 1956)

Soudage des métaux

L'utilisation des isotopes radioactifs en soudage s'effectue actuellement dans trois directions : dans la détection des défauts des soudures, dans l'utilisation des isotopes dans les circuits de contrôle automatique

Et le contrôle des processus technologiques et, enfin, l'étude à l'aide d'isotopes radioactifs d'un certain nombre de caractéristiques métallurgiques du soudage des métaux.

Pour la détection des défauts des soudures, l'isotope radioactif cobalt-60 avec un rayonnement gamma relativement dur, ainsi que les isotopes de l'europium-154, de l'iridium-192, du césium-137 et du thulium-170 avec un rayonnement plus doux, se sont répandus.

L'Institut de soudage électrique du nom d'E. Paton de l'Académie des sciences de la RSS d'Ukraine a développé une méthode permettant de contrôler automatiquement le niveau du bain de métal lors du soudage sous laitier électrique à l'aide de l'isotope radioactif cobalt-60. La différence dans les coefficients d'absorption du rayonnement gamma des scories et des métaux a permis de construire un régulateur automatique de niveau de bain, c'est-à-dire d'automatiser le processus de fusion des métaux épais. (Journal économique industriel, 10 octobre 1956)

Technologie des instruments

Une équipe d'employés du Laboratoire central de recherche de la supervision technique et minière de l'État de l'URSS a créé un appareil-mètre différentiel spécial.

La version « R-3 » de la jauge multi-parois, présentée au All-Union Industrial Exhibition, est portable, légère et facile à utiliser. Les méthodes actuellement utilisées en production pour vérifier l’épaisseur de paroi des tuyaux sont complexes, lourdes et imprécises.

De grandes perspectives s'ouvrent pour le compteur mural dans diverses industries : dans la métallurgie ferreuse pour une mesure rapide et précise des parois des canalisations nouvellement coulées, dans la réparation de chaudières à vapeur, de canalisations d'alimentation en eau et d'assainissement.

L'appareil de mesure de différence a été présenté à la Conférence de Genève sur les utilisations pacifiques de l'énergie atomique et y a été très apprécié.

L'appareil est actuellement testé dans des conditions de production dans l'un des chantiers navals de Léningrad. Hier, un télégramme de Leningrad est arrivé au laboratoire. « Les tests du gabarit mural sont effectués sur des canalisations en acier et en cuivre. Les résultats sont bons."

Le différentiel-mètre n'est pas le seul dispositif atomique inventé par l'ingénieur Yu. G. Kardash. Son « gamma-pulpomère » était visible sur toutes les dragues lors de la construction des centrales hydroélectriques de Kuibyshev, Stalingrad, Kakhovsk et d'autres centrales hydroélectriques. Il détermine le pourcentage de terre dans la pulpe, un mélange de terre et d'eau. Sans cela, l’opérateur de la drague travaille à l’aveugle.

Désormais, les employés du Laboratoire central de recherche scientifique de Gosgortekhnadzor s'efforcent d'utiliser l'énergie nucléaire pour garantir des conditions de travail sûres aux mineurs. (Komsomolskaïa Pravda, 10 octobre 1956)

# Institut de recherche sur les dispositifs thermiques L'Institut de recherche Teplopribor mène des travaux de recherche et développement sur la création de divers dispositifs automatiques basés sur l'utilisation d'isotopes radioactifs.

Récemment, un certain nombre de nouveaux appareils ont été créés, dont certains ont été testés avec succès et sont mis en production.

Le densimètre de liquide radioactif PZHR-1 est conçu pour mesurer automatiquement la densité de tout liquide dans la plage de densité de 0,1 à 2 grammes par centimètre cube. (Journal économique industriel, 14 octobre 1956)

Industrie alimentaire

L'Institut pansyndical de recherche sur l'industrie de la conserve a terminé les calculs d'une installation de traitement par rayonnement des produits alimentaires. L'installation est destinée à la stérilisation de produits alimentaires avec une dose d'irradiation allant jusqu'à 3-10 6 roentgens pendant 20-30 minutes, ainsi qu'à la désinfestation, la pasteurisation et le vermifugation avec des doses de 10 4 roentgens à 10 6 roentgens.

Les questions d'utilisation directe de l'énergie des processus nucléaires en chimie sont activement développées par l'équipe de l'Institut de recherche physico-chimique de Moscou du nom de L. Ya. Karpov.

Actuellement, les usines chimiques utilisent du permanganate de potassium pour oxyder les paraffines, ce qui entraîne la production d'acide gras, matière première pour la production de divers détergents.

Des recherches menées à l'institut ont montré que les paraffines peuvent être oxydées sans catalyseur, grâce à un rayonnement radioactif. L'acide gras obtenu est de meilleure qualité. L'énergie des processus nucléaires permet dans ce cas une oxydation plus complète.

L'un des produits de départ pour la fabrication des matières plastiques est le phénol, obtenu par oxydation du benzène à l'aide d'un catalyseur. Typiquement, pour préparer 1 kg de phénol, il faut oxyder 2 kg de benzène. Des recherches en laboratoire à l'institut ont révélé la possibilité d'obtenir un kilogramme de phénol à partir d'un kilogramme de benzène en utilisant un rayonnement radioactif. Les scientifiques soviétiques ont atteint un rendement en substance par énergie dépensée trois fois supérieur à celui des scientifiques étrangers.

L'hexachlorane est largement utilisé en agriculture. Pour fabriquer ce produit, le benzène est chloré. À la suite de ce processus, quatre isomères sont obtenus, dont un seul (^-isomère) possède les qualités nécessaires. Généralement, la présence de l'isomère gamma est de 12 à 15 %. L'utilisation de rayonnements radioactifs a permis d'augmenter la teneur en isomère ^ jusqu'à 25 %.

Il a été établi que l’énergie atomique peut également affecter la vitesse du processus de polymérisation.

Les travaux sur la synthèse d'un certain nombre de nouvelles substances sont prometteurs. Les scientifiques ont découvert que le benzène, lorsqu'il est irradié en mélange avec de l'ammoniac, donne directement et directement de l'aniline. Les employés de l'institut apportent une contribution significative au développement de la chimie des rayonnements. Parmi eux se trouvent les professeurs V. Veselovsky et M. Proskurnin, les candidats en sciences chimiques V. Karpov et A. Zimin, les chercheurs principaux A. Balelko, V. Orekhov et d'autres (Journal économique industriel, 4 novembre 1956).

Technologie agricole

Des employés du laboratoire de microbiologie et de physiologie de l'Institut de recherche scientifique sur l'agriculture du sud-est de l'URSS, candidats en sciences A. E. Fomin et N. K. Astakhova, ont découvert que l'alimentation du blé et du maïs avec du phosphore organique accélère leur maturation. Cette découverte est d'une grande importance pour le sud-est du pays, où la plante, avec des dates de floraison plus précoces, peut échapper aux effets néfastes de la sécheresse. La nouvelle technique agricole contribuera également à la promotion des variétés méridionales vers le nord.

Les scientifiques de l'Institut d'agriculture du sud-est de l'URSS élargissent la gamme de leurs recherches en utilisant la méthode des atomes marqués. (Russie soviétique, 16 septembre 1956)

L'Institut de recherche sur les céréales de toute l'Union, en collaboration avec l'Institut de biophysique de l'Académie des sciences de l'URSS, a élaboré un avant-projet d'une puissante installation d'irradiation des céréales.

L'installation est conçue pour détruire les insectes présents dans les céréales afin d'en augmenter la durée de conservation.

Des calculs ont été effectués pour sélectionner les configurations de l'irradiateur les plus avantageuses, puisque la configuration de l'irradiateur affecte de manière significative les performances de l'installation. Il est proposé d'utiliser les produits de fission, qui sont des déchets industriels, comme source de rayonnement -(-.

L'installation pourra traiter au moins 20 tonnes de céréales par heure à une dose d'environ 30 000 roubles. L'installation devrait être transportable.

Aujourd'hui, les méthodes de recherche et de traitement des radionucléides sont largement utilisées dans divers domaines de la médecine scientifique et pratique - en oncologie, cardiologie, hépatologie, urologie et néphrologie, pneumologie, endocrinologie, traumatologie, neurologie et neurochirurgie, pédiatrie, allergologie, hématologie, immunologie clinique, etc.

Classification des radionucléides utilisés en médecine nucléaire

Les radionucléides destinés à la médecine nucléaire et les produits radiopharmaceutiques correspondants basés sur ceux-ci, du point de vue de leur champ d'application, sont classés en groupes distincts comme diagnostique Et thérapeutique.

Dans la demande de propositions diagnostique A cet effet, un radionucléide est un support d'information dont le rayonnement, pénétrant à l'extérieur du corps, est enregistré par des détecteurs externes. Par ailleurs, selon le type de rayonnement, les radionucléides destinés au diagnostic peuvent être classés en deux groupes :

1. Radioculides pour SPECT (SPECT en abréviation anglaise) - tomographie par émission monophotonique ; Les radionucléides optimaux pour le SPECT comprennent les émetteurs γ avec des énergies de quanta γ comprises entre 100 et 200 keV et des demi-vies allant de plusieurs minutes à plusieurs jours.
2. Radionucléides pour PET (PET) - tomographie par émission de positons - β+ - émetteurs avec des demi-vies de quelques secondes à plusieurs heures.

Dans les produits radiopharmaceutiques à visée thérapeutique, le radionucléide constitue le principe thérapeutique principal, permettant de localiser la dose thérapeutique de rayonnement directement dans l'organe cible ou, parfois, dans les cellules affectées, et, par conséquent, d'assurer une irradiation minimale des cellules saines environnantes. des organes et des tissus. Selon la nature et la localisation du processus pathologique, la radiothérapie est utilisée :

• Émetteurs β (-) avec des énergies de particules β (-) comprises entre 200 et 2 000 keV
• Émetteurs α avec transfert d'énergie linéaire élevé (LET ~ 100 keV/µm) et trajet de particules court (50-100 µm) ;
• radionucléides qui se désintègrent par capture d'électrons (EC) ou conversion électronique interne (IEC).

La grande majorité des procédures de diagnostic (~ 80 %) utilisant la technologie SPECT ont été réalisées au cours des 30 dernières années avec des préparations à base de 99m Tc, qui ont été qualifiées de « bête de somme de la médecine nucléaire ». I-123, Tl-201, In-111 sont largement utilisés, dans certains cas, si nécessaire, des techniques de diagnostic avec Cr-51, Ga-67, Kr-81m, I-131, etc. radionucléides, C est principalement utilisé -11, N-13, O-15 et F-18 (le plus largement utilisé).

La radiothérapie avec des sources ouvertes de radionucléides se développe également de manière intensive, ce qui constitue un moyen efficace de traitement à la fois indépendant et combiné des patients. Ces méthodes sont particulièrement efficaces en radiothérapie des lymphomes malins, du cancer de la thyroïde, des tumeurs hormono-dépendantes, des lésions métastatiques du squelette et du système lymphatique, de la polyarthrite rhumatoïde, etc.

Divers isotopes d'éléments chimiques sont largement utilisés dans la recherche scientifique, dans divers domaines de l'industrie et de l'agriculture, dans l'énergie nucléaire, la biologie et la médecine modernes, dans les études environnementales et dans d'autres domaines. Les isotopes stables ont trouvé la plus grande application en chimie (pour étudier le mécanisme des réactions chimiques, les processus de combustion, la catalyse, la synthèse de composés chimiques, en spectrométrie), en biologie, physiologie, biochimie et agrochimie (pour étudier les processus métaboliques dans les organismes vivants, le transformation des protéines, des acides gras et aminés, processus de photosynthèse chez les plantes, mouvement de l'eau de la racine le long de la tige jusqu'aux feuilles et aux fruits). Ils sont également utilisés dans les équipements de physique nucléaire pour la fabrication de compteurs de neutrons, ce qui permet d'augmenter l'efficacité du comptage de plus de 5 fois, dans l'énergie nucléaire comme modérateurs et absorbeurs de neutrons. Toutefois, ce qui précède est loin d’épuiser tous les domaines d’utilisation existants et possibles des isotopes. De plus, la portée de leur utilisation en tant qu'assistants efficaces pour résoudre un certain nombre de problèmes scientifiques et appliqués s'élargit chaque année. C'est pourquoi, bien entendu, même si le montant du financement public pour la production d'isotopes diminue chaque année et devient presque insignifiant, les travaux de développement se sont poursuivis au cours des 10 dernières années. Dans la recherche scientifique (par exemple, en analyse chimique), de petites quantités d'isotopes rares de divers éléments sont généralement nécessaires, calculées en grammes et même en milligrammes par an. Dans le même temps, pour un certain nombre d'isotopes largement utilisés dans l'énergie nucléaire, la médecine et d'autres industries, les besoins en production peuvent atteindre plusieurs kilogrammes, voire plusieurs tonnes. Ainsi, en raison de l'utilisation d'eau lourde D 2 O dans les réacteurs nucléaires, sa production mondiale au début des années 90 du siècle dernier était d'environ 5 000 tonnes par an. L'isotope de l'hydrogène, le deutérium, qui fait partie de l'eau lourde, dont la concentration dans le mélange naturel d'hydrogène n'est que de 0,015 %, avec le tritium, deviendra à l'avenir, selon les scientifiques, le composant principal du combustible de l'énergie thermonucléaire. réacteurs fonctionnant sur la base de réactions de fusion nucléaire. Dans ce cas, le besoin de production d’isotopes de l’hydrogène sera énorme.

En biologie, les isotopes sont utilisés pour résoudre des problèmes biologiques fondamentaux et appliqués, dont l'étude par d'autres méthodes est difficile, voire impossible. L'avantage de la méthode des atomes marqués, important pour la biologie, est que l'utilisation d'isotopes ne viole pas l'intégrité de l'organisme et ses fonctions vitales fondamentales. De nombreuses réalisations majeures de la biologie moderne sont associées à l'utilisation des isotopes, qui ont déterminé l'épanouissement des sciences biologiques dans la seconde moitié du XXe siècle. Utilisant des isotopes stables et radioactifs de l'hydrogène (2 H et 3 H), du carbone (13 C et 14 C), de l'azote (15 N), de l'oxygène (18 O), du phosphore (32 P), du soufre (35 S), du fer ( 59 Fe), iode (131 I), etc., les processus complexes et interconnectés de biosynthèse et de dégradation des protéines, acides nucléiques, glucides, graisses et autres composés biologiquement actifs, ainsi que les mécanismes chimiques de leurs transformations dans une cellule vivante , ont été élucidés et étudiés en détail. L'utilisation des isotopes a conduit à une révision des idées antérieures sur la nature de la photosynthèse, ainsi que sur les mécanismes qui assurent l'absorption des substances inorganiques par les plantes : carbonates, nitrates, phosphates, etc. l'aide des isotopes dans une grande variété de domaines de la biologie et de la biochimie. L'un des domaines comprend des travaux sur l'étude de la dynamique et des voies de déplacement des populations dans la biosphère et des individus au sein d'une population donnée, la migration des microbes, ainsi que des composés individuels au sein de l'organisme. En introduisant une étiquette dans les organismes avec de la nourriture ou par injection, il a été possible d'étudier la vitesse et les voies de migration de nombreux insectes (moustiques, mouches, criquets), oiseaux, rongeurs et autres petits animaux et d'obtenir des données sur la taille de leurs populations. Dans le domaine de la physiologie et de la biochimie des plantes, un certain nombre de problèmes théoriques et appliqués ont été résolus à l'aide des isotopes : les voies d'entrée des minéraux, des liquides et des gaz dans les plantes, ainsi que le rôle de divers éléments chimiques, notamment les microéléments, dans la vie végétale ont été clarifiés. Il a été démontré en particulier que le carbone pénètre dans les plantes non seulement par les feuilles, mais aussi par le système racinaire ; les trajectoires et les vitesses de déplacement d'un certain nombre de substances du système racinaire à la tige et aux feuilles et de ces organes à les racines sont établies. Dans le domaine de la physiologie et de la biochimie des animaux et des humains, les taux d'entrée de diverses substances dans leurs tissus ont été étudiés (notamment le taux d'incorporation du fer dans l'hémoglobine, du phosphore dans les tissus nerveux et musculaires, du calcium dans les os). Un groupe important de travaux couvre l'étude des mécanismes des réactions chimiques dans l'organisme. Ainsi, dans de nombreux cas, il a été possible d'établir un lien entre les molécules originales et nouvellement formées, de retracer le « destin » des atomes individuels et des groupes chimiques dans les processus métaboliques, ainsi que de déterminer la séquence et le taux de ces transformations. Les données obtenues ont joué un rôle décisif dans la construction de schémas modernes de biosynthèse et de métabolisme (cartes métaboliques), voies de transformation des aliments, des médicaments et des poisons dans les organismes vivants. Les travaux de ce groupe consistent notamment à clarifier la question de l'origine de l'oxygène libéré lors de la photosynthèse : il s'est avéré que sa source est l'eau et non le dioxyde de carbone. En revanche, l'utilisation du 14 CO 2 a permis d'élucider les voies de transformation du dioxyde de carbone lors de la photosynthèse. L’utilisation d’aliments « étiquetés » a permis une nouvelle compréhension des taux d’absorption et de distribution des nutriments, de leur « devenir » dans l’organisme et a permis de surveiller l’influence de facteurs internes et externes (famine, asphyxie, surmenage, etc.) sur le métabolisme. La méthode isotopique a permis d'étudier les processus de transport réversible de substances à travers les membranes biologiques. Il a été démontré que les concentrations de substances des deux côtés de la membrane restent constantes tout en conservant les gradients de concentration caractéristiques de chacun des milieux séparés par des membranes. La méthode a trouvé une application dans l'étude des processus dans lesquels la transmission d'informations dans le corps joue un rôle décisif (conduction de l'influx nerveux, déclenchement et réception d'irritation, etc.). L'efficacité de la méthode isotopique dans des travaux de ce type est dû au fait que la recherche est menée sur des organismes entiers et intacts qui maintiennent intact tout le système complexe de connexions nerveuses et humorales. Enfin, un ensemble de travaux comprend des études sur les caractéristiques statiques des structures biologiques, en commençant par le niveau moléculaire (protéines, acides nucléiques) et en terminant par les structures supramoléculaires (ribosomes, chromosomes et autres organites). Par exemple, des études sur la stabilité relative des protéines et des acides nucléiques dans 1 H 2 O, 2 H 2 O et H 2 18 O ont contribué à élucider la nature des forces qui stabilisent la structure des biopolymères, notamment le rôle de l'hydrogène. liaisons dans les systèmes biologiques. Lors du choix d'un isotope, les questions importantes incluent la sensibilité de la méthode d'analyse isotopique, ainsi que le type de désintégration radioactive et l'énergie du rayonnement. L'avantage des isotopes stables (2 H, 18 O, 15 N, etc.) est l'absence de rayonnement, qui a souvent des effets secondaires sur le système vivant étudié. Dans le même temps, la sensibilité relativement faible des méthodes de détermination (spectroscopie de masse, densitométrie), ainsi que la nécessité d'isoler le composé marqué, limitent l'utilisation d'isotopes stables en biologie. Haute sensibilité d'enregistrement des isotopes gamma-actifs (59 Fe, 131 I, etc. ) a permis de mesurer la vitesse du flux sanguin dans un organisme vivant, de déterminer la quantité de sang et le temps de sa circulation complète et d'étudier le travail des glandes endocrines.

Utilisation des isotopes en médecine. Grâce aux isotopes, les mécanismes de développement (pathogenèse) d'un certain nombre de maladies ont été révélés ; Ils sont également utilisés pour étudier le métabolisme et diagnostiquer de nombreuses maladies. Les isotopes sont introduits dans l'organisme en quantités extrêmement faibles, qui ne sont pas capables de provoquer des changements pathologiques. Divers éléments sont inégalement répartis dans le corps. Les isotopes sont distribués de la même manière. Le rayonnement résultant de la désintégration d'un isotope est enregistré par des instruments radiométriques, par balayage, par autoradiographie, etc. Ainsi, l'état de la circulation systémique et pulmonaire, la circulation cardiaque, la vitesse du flux sanguin et l'image des cavités cardiaques sont déterminés à l'aide de composés comprenant 24Na, 131I, 99Tc; 99 Tc, 133 Xe sont utilisés pour étudier la ventilation pulmonaire et les maladies de la moelle épinière ; les macroagrégats d'albumine sérique humaine avec 131 I sont utilisés pour diagnostiquer divers processus inflammatoires dans les poumons, leurs tumeurs et diverses maladies de la glande thyroïde. Les fonctions de concentration et d'excrétion du foie sont étudiées à l'aide de peinture à la rose du Bengale contenant 131 I, 198 Au ; fonction rénale lors de la renographie au 131 I-hippuran et de l'exploration après administration de néohydrine marquée au 203 Hg ou 99 Tc. Les images des intestins et de l'estomac sont obtenues avec du 99 Tc, de la rate avec des globules rouges avec du 99 Tc ou du 51 Cr ; Les maladies pancréatiques sont diagnostiquées à l'aide du 75 Se. Le 85 Sr et le 85 P ont également des applications de diagnostic.

L'utilisation des isotopes en agriculture (3 H, 14 C, 22 Na, 32 P, 35 S, 42 K, 45 Ca, 60 Co, 65 Zn, 99 Mo, etc.) est largement utilisée pour déterminer les propriétés physiques du sol. et y réserve des éléments de nourriture végétale, pour étudier l'interaction du sol et des engrais, les processus d'absorption des nutriments des graisses minérales par les plantes, l'entrée de nourriture minérale dans les plantes à travers les feuilles et d'autres questions de science du sol et d'agrochimie. Les isotopes sont utilisés pour détecter l'effet des pesticides, notamment des herbicides, sur l'organisme végétal, ce qui permet de déterminer la concentration et le moment de leur traitement des cultures. À l'aide de la méthode isotopique, les propriétés biologiques les plus importantes des cultures agricoles sont étudiées (lors de l'évaluation et de la sélection du matériel de sélection) : le rendement, la maturation précoce et la résistance au froid. En élevage, les processus physiologiques se produisant dans le corps des animaux sont étudiés, les aliments sont analysés pour déterminer la teneur en substances toxiques (dont de petites doses sont difficiles à déterminer par des méthodes chimiques) et en microéléments. À l'aide d'isotopes, des techniques sont développées pour automatiser les processus de production, par exemple en séparant les plantes-racines des pierres et des mottes de terre lors de la récolte avec une moissonneuse-batteuse sur des sols rocheux et lourds.

Travaux de cours

Sur le thème : « Radioactivité.

Application des isotopes radioactifs à la technologie"

Introduction

1. Types de rayonnements radioactifs

2.Autres types de radioactivité

3. Désintégration alpha

4.Désintégration bêta

5. Désintégration gamma

6.La loi de la désintégration radioactive

7. Série radioactive

8. Effet des rayonnements radioactifs sur l'homme

9.Utilisation d'isotopes radioactifs

Liste de la littérature utilisée

Introduction

Radioactivité– la transformation de noyaux atomiques en d’autres noyaux, accompagnée de l’émission de diverses particules et rayonnements électromagnétiques. D'où le nom du phénomène : en latin radio – rayonner, activus – efficace. Ce mot a été inventé par Marie Curie. Lorsqu'un noyau instable - un radionucléide - se désintègre, une ou plusieurs particules de haute énergie s'en échappent à grande vitesse. Le flux de ces particules est appelé rayonnement radioactif ou simplement rayonnement.

Rayons X. La découverte de la radioactivité était directement liée à la découverte de Roentgen. De plus, pendant un certain temps, ils ont pensé qu’il s’agissait du même type de rayonnement. Fin du 19ème siècle En général, il était riche en découvertes de divers types de « rayonnements » jusqu’alors inconnus. Dans les années 1880, le physicien anglais Joseph John Thomson commença à étudier les porteurs élémentaires de charges négatives ; en 1891, le physicien irlandais George Johnston Stoney (1826-1911) appela ces particules des électrons. Enfin, en décembre, Wilhelm Conrad Roentgen a annoncé la découverte d'un nouveau type de rayons, qu'il a appelé rayons X. Jusqu'à présent, dans la plupart des pays, ils sont appelés ainsi, mais en Allemagne et en Russie, la proposition du biologiste allemand Rudolf Albert von Kölliker (1817-1905) d'appeler ces rayons rayons X a été acceptée. Ces rayons sont créés lorsque des électrons volant rapidement dans le vide (rayons cathodiques) entrent en collision avec un obstacle. On savait que lorsque les rayons cathodiques frappent le verre, celui-ci émet une lumière visible – une luminescence verte. Les rayons X ont découvert qu'en même temps d'autres rayons invisibles émanaient de la tache verte sur le verre. Cela s'est produit par hasard : dans une pièce sombre, un écran voisin recouvert de tétracyanoplatinate de baryum Ba (anciennement appelé sulfure de baryum et de platine) brillait. Cette substance produit une luminescence jaune-vert vif sous l’influence des rayons ultraviolets et cathodiques. Mais les rayons cathodiques n'ont pas touché l'écran, et de plus, lorsque l'appareil était recouvert de papier noir, l'écran a continué à briller. Roentgen découvrit bientôt que les radiations traversaient de nombreuses substances opaques et provoquaient le noircissement d'une plaque photographique enveloppée dans du papier noir ou même placée dans un boîtier métallique. Les rayons traversaient un livre très épais, une planche d'épicéa de 3 cm d'épaisseur, une plaque d'aluminium de 1,5 cm d'épaisseur... Roentgen réalisa les possibilités de sa découverte : « Si vous tenez la main entre le tube à décharge et l'écran », il a écrit : « vous pouvez voir des os sombres sur le fond des contours plus clairs de la main. » Il s’agissait du premier examen fluoroscopique de l’histoire.

La découverte de Roentgen s'est instantanément répandue dans le monde entier et n'a pas étonné seulement les spécialistes. A la veille de 1896, une photographie d'une main est exposée dans une librairie d'une ville allemande. Les os d'une personne vivante y étaient visibles et sur l'un des doigts se trouvait une alliance. C'était une radiographie de la main de la femme de Roentgen. Le premier message de Roentgen " A propos d'un nouveau type de rayons" a été publié dans les « Rapports de la Société physico-médicale de Würzburg » le 28 décembre, il a été immédiatement traduit et publié dans différents pays, la revue scientifique la plus célèbre « Nature » publiée à Londres a publié l'article de Roentgen le 23 janvier 1896.

De nouveaux rayons ont commencé à être explorés partout dans le monde ; en une seule année, plus d’un millier d’articles ont été publiés sur ce sujet. Des appareils à rayons X de conception simple font également leur apparition dans les hôpitaux : l'usage médical des nouveaux rayons est évident.

Aujourd’hui, les rayons X sont largement utilisés (et pas seulement à des fins médicales) dans le monde entier.

Les rayons de Becquerel. La découverte de Roentgen conduisit bientôt à une découverte tout aussi remarquable. Il a été réalisé en 1896 par le physicien français Antoine Henri Becquerel. Le 20 janvier 1896, il assiste à une réunion de l'Académie, au cours de laquelle le physicien et philosophe Henri Poincaré parle de la découverte de Roentgen et présente des photographies aux rayons X d'une main humaine prises en France. Poincaré ne se limite pas à parler de nouveaux rayons. Il a suggéré que ces rayons sont associés à la luminescence et, peut-être, apparaissent toujours simultanément avec ce type de lueur, de sorte qu'il est probablement possible de se passer des rayons cathodiques. La luminescence des substances sous l'influence du rayonnement ultraviolet - fluorescence ou phosphorescence (au XIXe siècle, il n'y avait pas de distinction stricte entre ces concepts) était familière à Becquerel : tant son père Alexandre Edmond Becquerel (1820-1891) que son grand-père Antoine César Becquerel (1788-1878) y participèrent : tous deux physiciens ; Le fils d'Antoine Henri Becquerel, Jacques, devint également physicien, qui « hérita » de la chaire de physique du Muséum d'histoire naturelle de Paris ; Becquerel présida cette chaire pendant 110 ans, de 1838 à 1948.

Becquerel a décidé de tester si les rayons X étaient associés à la fluorescence. Certains sels d'uranium, par exemple le nitrate d'uranyle UO 2 (NO 3) 2, présentent une fluorescence jaune-vert vif. De telles substances se trouvaient dans le laboratoire de Becquerel, où il travaillait. Son père a également travaillé avec des préparations d'uranium, qui ont montré qu'après la cessation de la lumière du soleil, leur lueur disparaît très rapidement - en moins d'un centième de seconde. Cependant, personne n'a vérifié si cette lueur s'accompagnait de l'émission d'autres rayons pouvant traverser des matériaux opaques, comme ce fut le cas pour Roentgen. C’est précisément ce que Becquerel a décidé de vérifier après le rapport de Poincaré. Le 24 février 1896, lors de la réunion hebdomadaire de l'Académie, il dit avoir pris une plaque photographique enveloppée dans deux couches de papier noir épais, y avoir placé des cristaux de double sulfate d'uranyle de potassium K 2 UO 2 (SO 4) 2 2H2O. et j'ai exposé le tout pendant plusieurs heures au soleil, puis après avoir développé la plaque photographique, vous pouvez voir un contour quelque peu flou des cristaux dessus. Si une pièce de monnaie ou une figure découpée en étain est placée entre la plaque et les cristaux, alors après développement, une image claire de ces objets apparaît sur la plaque.

Tout cela pourrait indiquer un lien entre la fluorescence et le rayonnement X. Les rayons X récemment découverts peuvent être obtenus beaucoup plus simplement - sans rayons cathodiques ni tube à vide ni haute tension requis pour cela, mais il était nécessaire de vérifier s'il s'avère que le sel d'uranium, lorsqu'il est chauffé au soleil, en libère sorte de gaz qui pénètre sous le papier noir et agit sur l'émulsion photographique. Pour exclure cette possibilité, Becquerel a placé une feuille de verre entre le sel d'uranium et la plaque photographique - elle restait allumée. « De là, conclut Becquerel son bref message, nous pouvons conclure que le sel lumineux émet des rayons qui pénètrent à travers le papier noir, opaque à la lumière, et restituent les sels d'argent dans la plaque photographique. » Comme si Poincaré avait raison et que les rayons X à partir des rayons X pouvaient être obtenus d'une manière complètement différente.

Becquerel a commencé à réaliser de nombreuses expériences pour mieux comprendre les conditions dans lesquelles apparaissent les rayons qui éclairent une plaque photographique et pour étudier les propriétés de ces rayons. Il a placé différentes substances entre les cristaux et la plaque photographique : des plaques de papier, de verre, d'aluminium, de cuivre et de plomb de différentes épaisseurs. Les résultats étaient les mêmes que ceux obtenus par Roentgen, ce qui pourrait également servir d'argument en faveur de la similitude des deux rayonnements. En plus de la lumière directe du soleil, Becquerel a illuminé le sel d'uranium avec la lumière réfléchie par un miroir ou réfractée par un prisme. Il comprit que les résultats de toutes les expériences précédentes n'avaient aucun rapport avec le soleil ; tout ce qui comptait était la durée pendant laquelle le sel d'uranium restait à proximité de la plaque photographique. Le lendemain, Becquerel en a parlé lors d'une réunion de l'Académie, mais, comme il s'est avéré plus tard, il a tiré une conclusion erronée : il a décidé que le sel d'uranium, au moins une fois « chargé » à la lumière, est alors capable d'émettre rayons pénétrants invisibles pendant longtemps.

À la fin de l'année, Becquerel publiait neuf articles sur ce sujet, dans l'un d'eux il écrivait : « Différents sels d'uranium ont été placés dans une boîte en plomb à paroi épaisse... Protégées de l'action de tout rayonnement connu, ces substances ont continué émettre des rayons traversant le verre et le papier noir..., en huit mois.

Ces rayons provenaient de n’importe quel composé d’uranium, même ceux qui ne brillent pas au soleil. Le rayonnement de l'uranium métallique s'est avéré encore plus puissant (environ 3,5 fois). Il est devenu évident que le rayonnement, bien que similaire dans certaines manifestations aux rayons X, avait un plus grand pouvoir de pénétration et était en quelque sorte lié à l'uranium, c'est pourquoi Becquerel a commencé à l'appeler « rayons d'uranium ».

Becquerel a également découvert que les « rayons d'uranium » ionisent l'air, ce qui en fait un conducteur d'électricité. Presque simultanément, en novembre 1896, les physiciens anglais J. J. Thomson et Ernest Rutherford (découvrent l'ionisation de l'air sous l'influence des rayons X. Pour mesurer l'intensité du rayonnement, Becquerel utilise un électroscope dans lequel les feuilles d'or les plus légères, suspendues par leurs extrémités et chargés électrostatiquement, se repoussent et leurs extrémités libres divergent. Si l'air conduit le courant, la charge s'écoule des feuilles et elles tombent - plus vite, plus la conductivité électrique de l'air est élevée et, par conséquent, plus l'intensité du rayonnement est grande.

La question restait de savoir comment une substance émettait un rayonnement continu qui ne s'affaiblit pas pendant plusieurs mois sans apport d'énergie provenant d'une source externe. Becquerel lui-même a écrit qu'il était incapable de comprendre d'où l'uranium recevait l'énergie qu'il émet en permanence. Diverses hypothèses ont été avancées à ce sujet, parfois assez fantastiques. Par exemple, le chimiste et physicien anglais William Ramsay a écrit : « … les physiciens se demandaient d'où pouvait provenir l'approvisionnement inépuisable d'énergie contenue dans les sels d'uranium. Lord Kelvin était enclin à supposer que l'uranium sert comme une sorte de piège, qui capte l'énergie radiante autrement indétectable qui nous parvient à travers l'espace, et la convertit en une forme telle qu'elle la rend capable de produire des effets chimiques.

Becquerel ne pouvait ni accepter cette hypothèse, ni proposer quelque chose de plus plausible, ni abandonner le principe de conservation de l'énergie. Cela l'a amené à abandonner complètement les travaux sur l'uranium pendant un certain temps et à se lancer dans la division des raies spectrales dans un champ magnétique. Cet effet a été découvert presque simultanément avec la découverte de Becquerel par le jeune physicien néerlandais Pieter Zeeman et expliqué par un autre Néerlandais, Hendrik Anton Lorentz.

Ceci a complété la première étape de la recherche sur la radioactivité. Albert Einstein a comparé la découverte de la radioactivité à celle du feu, car il pensait que le feu et la radioactivité constituaient tous deux des jalons majeurs dans l’histoire de la civilisation.

1. Types de rayonnements radioactifs

Lorsque de puissantes sources de rayonnement sont apparues entre les mains des chercheurs, des millions de fois plus puissantes que l'uranium (il s'agissait de préparations de radium, de polonium, d'actinium), il a été possible de se familiariser davantage avec les propriétés du rayonnement radioactif. Ernest Rutherford, les époux Maria et Pierre Curie, A. Becquerel et bien d'autres ont pris une part active aux premières études sur ce sujet. Tout d'abord, la capacité de pénétration des rayons a été étudiée, ainsi que l'effet du champ magnétique sur le rayonnement. Il s'est avéré que le rayonnement n'est pas uniforme, mais est un mélange de « rayons ». Pierre Curie a découvert que lorsqu'un champ magnétique agit sur le rayonnement du radium, certains rayons sont déviés tandis que d'autres ne le sont pas. On savait qu'un champ magnétique dévie uniquement les particules volantes chargées, positives et négatives, dans des directions différentes. Sur la base de la direction de déviation, nous étions convaincus que les rayons β déviés étaient chargés négativement. D’autres expériences ont montré qu’il n’y avait pas de différence fondamentale entre la cathode et les rayons β, ce qui signifiait qu’ils représentaient un flux d’électrons.

Les rayons déviés avaient une plus grande capacité à pénétrer dans divers matériaux, tandis que les rayons non déviés étaient facilement absorbés même par une fine feuille d'aluminium - c'est ainsi que, par exemple, se comportait le rayonnement du nouvel élément polonium - son rayonnement ne pénétrait même pas à travers le carton parois de la boîte dans laquelle le médicament était stocké.

Lors de l'utilisation d'aimants plus puissants, il s'est avéré que les rayons α sont également déviés, mais beaucoup plus faibles que les rayons β, et dans l'autre sens. Il s'ensuit qu'elles étaient chargées positivement et avaient une masse nettement plus grande (comme on l'a découvert plus tard, la masse des particules α est 7740 fois supérieure à la masse de l'électron). Ce phénomène a été découvert pour la première fois en 1899 par A. Becquerel et F. Giesel. Plus tard, il s'est avéré que les particules α sont les noyaux des atomes d'hélium (nucléide 4 He) avec une charge de +2 et une masse de 4 unités. Lorsqu'en 1900, le physicien français Paul Villar (1860-1934) étudia plus en détail les déviation des rayons α et β, il découvrit dans le rayonnement du radium un troisième type de rayons qui ne dévient pas dans les champs magnétiques les plus forts ; cette découverte fut bientôt confirmée par Becquerel. Ce type de rayonnement, par analogie avec les rayons alpha et bêta, était appelé rayons gamma ; la désignation des différents rayonnements par les premières lettres de l'alphabet grec a été proposée par Rutherford. Les rayons gamma se sont avérés similaires aux rayons X, c'est-à-dire ce sont des rayonnements électromagnétiques, mais avec des longueurs d'onde plus courtes et donc plus d'énergie. Tous ces types de rayonnements ont été décrits par M. Curie dans sa monographie « Radium et Radioactivité ». Au lieu d'un champ magnétique, un champ électrique peut être utilisé pour « diviser » le rayonnement, seules les particules chargées qu'il contient ne seront pas déviées perpendiculairement aux lignes de force, mais le long de celles-ci - vers les plaques de déflexion.

Pendant longtemps, on ne savait pas d’où venaient tous ces rayons. Au cours de plusieurs décennies, grâce aux travaux de nombreux physiciens, la nature du rayonnement radioactif et ses propriétés ont été clarifiées et de nouveaux types de radioactivité ont été découverts.γ

Les rayons alpha sont émis principalement par les noyaux des atomes les plus lourds et donc les moins stables (ils se situent après le plomb dans le tableau périodique). Ce sont des particules à haute énergie. On observe généralement plusieurs groupes de particules α, chacune ayant une énergie strictement définie. Ainsi, presque toutes les particules α émises par les noyaux de 226 Ra ont une énergie de 4,78 MeV (mégaélectrons-volts) et une petite fraction des particules α ont une énergie de 4,60 MeV. Un autre isotope du radium, 221 Ra, émet quatre groupes de particules α avec des énergies de 6,76, 6,67, 6,61 et 6,59 MeV. Cela indique la présence de plusieurs niveaux d'énergie dans les noyaux ; leur différence correspond à l'énergie des quanta α émis par le noyau. Des émetteurs alpha « purs » sont également connus (par exemple 222 Rn).

D'après la formule E = mu 2 /2 il est possible de calculer la vitesse des particules α avec une certaine énergie. Par exemple, 1 mole de particules α avec E= 4,78 MeV a de l'énergie (en unités SI) E= 4,78 10 6 eV  96 500 J/(eV mol) = 4,61 10 11 J/mol et masse m= 0,004 kg/mol, d'où toiα 15 200 km/s, ce qui est des dizaines de milliers de fois plus rapide que la vitesse d’une balle de pistolet. Les particules alpha ont l’effet ionisant le plus puissant : lorsqu’elles entrent en collision avec d’autres atomes dans un gaz, un liquide ou un solide, elles leur « enlèvent » des électrons, créant ainsi des particules chargées. Dans ce cas, les particules α perdent de l'énergie très rapidement : elles sont retenues même par une feuille de papier. Dans l’air, le rayonnement α du radium ne parcourt que 3,3 cm, le rayonnement α du thorium – 2,6 cm, etc. En fin de compte, la particule α, qui a perdu son énergie cinétique, capture deux électrons et se transforme en atome d'hélium. Le premier potentiel d'ionisation d'un atome d'hélium (He – e → He +) est de 24,6 eV, le second (He + – e → He +2) est de 54,4 eV, ce qui est bien supérieur à celui de tout autre atome. Lorsque des électrons sont capturés par des particules α, une énergie énorme est libérée (plus de 7 600 kJ/mol), de sorte qu'aucun atome, à l'exception des atomes d'hélium lui-même, n'est capable de retenir ses électrons si une particule α se trouve à proximité. .

L'énergie cinétique très élevée des particules α permet de les « voir » à l'œil nu (ou à l'aide d'une loupe ordinaire), cela a été démontré pour la première fois en 1903 par le physicien et chimiste anglais William Crookes (1832 - 1919. Il colle un grain de sel de radium sur la pointe d'une aiguille, à peine visible à l'œil nu, et renforce l'aiguille dans un large tube de verre. À une extrémité de ce tube, non loin de la pointe de l'aiguille, est placé une plaque recouverte d'une couche de phosphore (c'était du sulfure de zinc), et à l'autre extrémité il y avait une loupe. Si vous examinez le phosphore dans l'obscurité, vous pouvez voir : tout le champ de vision est parsemé d'étincelles clignotantes et maintenant s'éteint. Chaque étincelle est le résultat de l'impact d'une particule α. Crookes a appelé cet appareil un spinthariscope (du grec spintharis - étincelle et skopeo - regarder, observer). En utilisant cette méthode simple de comptage des particules α, un nombre De nombreuses études ont été réalisées, par exemple, grâce à cette méthode, il a été possible de déterminer de manière assez précise la constante d'Avogadro.

Dans le noyau, les protons et les neutrons sont maintenus ensemble par les forces nucléaires. Par conséquent, il n'était pas clair comment une particule alpha, composée de deux protons et de deux neutrons, pourrait quitter le noyau. La réponse fut donnée en 1928 par le physicien américain (émigré d'URSS en 1933) George (Georgi Antonovich) Gamow). Selon les lois de la mécanique quantique, les particules α, comme toutes les particules de faible masse, ont une nature ondulatoire et ont donc une faible probabilité de se retrouver à l'extérieur du noyau, sur une petite distance (environ 6 · 10 à 12 cm) de celui-ci. Dès que cela se produit, la particule commence à ressentir une répulsion coulombienne à partir d’un noyau chargé positivement très proche.

Ce sont principalement les noyaux lourds qui sont sujets à la désintégration alpha - plus de 200 d'entre eux sont connus ; les particules alpha sont émises par la plupart des isotopes des éléments après le bismuth. Des émetteurs alpha plus légers sont connus, principalement des atomes d'éléments de terres rares. Mais pourquoi les particules alpha sortent-elles du noyau, et non les protons individuels ? Qualitativement, cela s'explique par le gain d'énergie lors de la désintégration α (les particules α - les noyaux d'hélium sont stables). La théorie quantitative de la désintégration α n'a été créée que dans les années 1980 ; des physiciens nationaux ont également participé à son développement, notamment Lev Davidovich Landau, Arkady Beinusovich Migdal (1911-1991), chef du département de physique nucléaire de l'Université de Voronej Stanislav Georgievich Kadmensky. et collègues.

Le départ d'une particule alpha du noyau conduit au noyau d'un autre élément chimique, qui est décalé de deux cellules vers la gauche dans le tableau périodique. Un exemple est la transformation de sept isotopes du polonium (charge nucléaire 84) en différents isotopes du plomb (charge nucléaire 82) : 218 Po → 214 Pb, 214 Po → 210 Pb, 210 Po → 206 Pb, 211 Po → 207 Pb, 215 Po → 211 Pb, 212 Po → 208 Pb, 216 Po → 212 Pb. Les isotopes du plomb 206 Pb, 207 Pb et 208 Pb sont stables, le reste est radioactif.

La désintégration bêta se produit dans les noyaux lourds et légers, comme le tritium. Ces particules légères (électrons rapides) ont un pouvoir de pénétration plus élevé. Ainsi, dans l'air, les particules β peuvent voler sur plusieurs dizaines de centimètres, dans les substances liquides et solides - de fractions de millimètre à environ 1 cm. Contrairement aux particules α, le spectre énergétique des rayons β n'est pas discret. L'énergie des électrons s'échappant du noyau peut varier de presque zéro à une certaine valeur maximale caractéristique d'un radionucléide donné. Généralement, l’énergie moyenne des particules β est bien inférieure à celle des particules α ; par exemple, l'énergie du rayonnement β de 228 Ra est de 0,04 MeV. Mais il y a des exceptions ; ainsi, le rayonnement β du nucléide à vie courte 11 Be transporte une énergie de 11,5 MeV. Pendant longtemps, on ne savait pas comment les particules s'envolaient d'atomes identiques du même élément à des vitesses différentes. Lorsque la structure de l'atome et du noyau atomique est devenue claire, un nouveau mystère est apparu : d'où viennent les particules β qui s'échappent du noyau - après tout, il n'y a pas d'électrons dans le noyau. Après que le physicien anglais James Chadwick ait découvert le neutron en 1932, les physiciens russes Dmitry Dmitrievich Ivanenko (1904-1994) et Igor Evgenievich Tamm et indépendamment le physicien allemand Werner Heisenberg ont suggéré que les noyaux atomiques étaient constitués de protons et de neutrons. Dans ce cas, les particules β devraient être formées à la suite du processus intranucléaire de conversion d'un neutron en proton et en électron : n → p + e. La masse d'un neutron est légèrement supérieure à la masse combinée d'un proton et d'un électron, un excès de masse, conformément à la formule d'Einstein E = MC 2, donne l'énergie cinétique d'un électron s'échappant du noyau, donc la désintégration β est observée principalement dans les noyaux avec un nombre excédentaire de neutrons. Par exemple, le nucléide 226 Ra est un émetteur α et tous les isotopes les plus lourds du radium (227 Ra, 228 Ra, 229 Ra et 230 Ra) sont des émetteurs β.

Il restait à savoir pourquoi les particules β, contrairement aux particules α, ont un spectre d'énergie continu, ce qui signifie que certaines d'entre elles ont une énergie très faible, tandis que d'autres ont une énergie très élevée (et en même temps se déplacent à une vitesse proche de la vitesse de la lumière) . De plus, l'énergie totale de tous ces électrons (elle a été mesurée à l'aide d'un calorimètre) s'est avérée inférieure à la différence entre l'énergie du noyau d'origine et le produit de sa désintégration. Une fois de plus, les physiciens ont été confrontés à une « violation » de la loi de conservation de l’énergie : une partie de l’énergie du noyau originel a disparu vers un lieu inconnu. La loi physique inébranlable a été « sauvée » en 1931 par le physicien suisse Wolfgang Pauli, qui a suggéré que lors de la désintégration β, deux particules s'envolent du noyau : un électron et une hypothétique particule neutre - un neutrino de masse presque nulle, qui emporte excès d'énergie. Le spectre continu du rayonnement β s'explique par la répartition de l'énergie entre les électrons et cette particule. Les neutrinos (comme il s'est avéré plus tard, ce qu'on appelle l'antineutrino électronique se forme lors de la désintégration bêta) interagissent très faiblement avec la matière (par exemple, ils percent facilement le diamètre du globe et même d'une énorme étoile) et n'ont donc pas été détectés pendant un certain temps. longtemps - les neutrinos libres expérimentalement n'ont été enregistrés qu'en 1956. Ainsi, le schéma de désintégration bêta raffiné est le suivant : n → p +. La théorie quantitative de la désintégration β, basée sur les idées de Pauli sur les neutrinos, a été développée en 1933 par le physicien italien Enrico Fermi, qui a également proposé le nom de neutrino (en italien « neutron »).

La transformation d'un neutron en proton lors de la désintégration bêta ne modifie pratiquement pas la masse du nucléide, mais augmente la charge du noyau de un. Par conséquent, un nouvel élément est formé, décalé d'une cellule vers la droite dans le tableau périodique, par exemple : →, →, →, etc. (un électron et un antineutrino sortent du noyau en même temps).

2. Autres types de radioactivité

En plus des désintégrations alpha et bêta, d'autres types de transformations radioactives spontanées sont connus. En 1938, le physicien américain Louis Walter Alvarez découvre un troisième type de transformation radioactive : la capture électronique (E-capture). Dans ce cas, le noyau capture un électron de la couche énergétique la plus proche (couche K). Lorsqu’un électron interagit avec un proton, un neutron se forme et un neutrino s’envole du noyau, emportant l’excès d’énergie. La transformation d'un proton en neutron ne modifie pas la masse du nucléide, mais réduit de un la charge du noyau. Par conséquent, un nouvel élément se forme, situé une cellule à gauche dans le tableau périodique, par exemple, un nucléide stable est obtenu (c'est dans cet exemple qu'Alvarez a découvert ce type de radioactivité).

Lors de la capture K dans la couche électronique d'un atome, un électron d'un niveau d'énergie supérieur « descend » jusqu'à l'endroit de l'électron disparu, l'excès d'énergie est soit libéré sous forme de rayons X, soit dépensé pour quitter l'atome d'un ou plusieurs électrons plus faiblement liés - les électrons dits Auger, du nom du physicien français Pierre Auger (1899-1993), qui a découvert cet effet en 1923 (il a utilisé des rayonnements ionisants pour éliminer les électrons internes).

En 1940, Georgy Nikolaevich Flerov (1913-1990) et Konstantin Antonovich Petrzhak (1907-1998), utilisant l'exemple de l'uranium, découvrent la fission spontanée, dans laquelle un noyau instable se désintègre en deux noyaux plus légers dont les masses ne diffèrent pas beaucoup. beaucoup, par exemple : → + + 2n. Ce type de désintégration n'est observé que dans l'uranium et les éléments plus lourds, soit plus de 50 nucléides au total. Dans le cas de l'uranium, la fission spontanée se produit très lentement : la durée de vie moyenne d'un atome de 238 U est de 6,5 milliards d'années. En 1938, le physicien et chimiste allemand Otto Hahn, la radiochimiste et physicienne autrichienne Lise Meitner (l'élément Mt - meitnerium porte son nom) et le physicien-chimiste allemand Fritz Strassmann (1902-1980) découvrirent que lorsqu'ils sont bombardés par des neutrons, les noyaux d'uranium sont divisés en fragments, et ceux émis par les neutrons peuvent provoquer la fission des noyaux d'uranium voisins, ce qui conduit à une réaction en chaîne). Ce processus s'accompagne de la libération d'une énergie énorme (par rapport aux réactions chimiques), qui a conduit à la création d'armes nucléaires et à la construction de centrales nucléaires.

En 1934, la fille de Marie Curie, Irène Joliot-Curie, et son mari Frédéric Joliot-Curie découvrent la désintégration des positons. Dans ce processus, l'un des protons du noyau se transforme en neutron et en antiélectron (positon) - une particule de même masse, mais chargée positivement ; simultanément, un neutrino s'envole hors du noyau : p → n + e + + 238. La masse du noyau ne change pas, mais un déplacement se produit, contrairement à la désintégration β –, vers la gauche, la désintégration β+ est caractéristique des noyaux avec un excès de protons (les noyaux dits déficients en neutrons). Ainsi, les isotopes lourds de l'oxygène 19 O, 20 O et 21 O β - sont actifs, et ses isotopes légers 14 O et 15 O β + sont actifs, par exemple : 14 O → 14 N + e + + 238. Comme les antiparticules , les positons sont immédiatement détruits (annihilés) lorsqu'ils rencontrent des électrons avec formation de deux quanta γ. La désintégration des positons entre souvent en compétition avec la capture du K.

En 1982, on découvre la radioactivité des protons : l'émission d'un proton par un noyau (cela n'est possible que pour certains noyaux produits artificiellement avec un excès d'énergie). En 1960, le physico-chimiste Vitaly Iosifovich Goldansky (1923-2001) a prédit théoriquement la radioactivité à deux protons : l'éjection de deux protons avec des spins appariés d'un noyau. Elle a été observée pour la première fois en 1970. La radioactivité à deux neutrons est également très rarement observée (découverte en 1979).

En 1984, la radioactivité en grappe a été découverte (de l'anglais cluster - bundle, swarm). Dans ce cas, contrairement à la fission spontanée, le noyau se désintègre en fragments de masses très différentes, par exemple, d'un noyau lourd, des noyaux avec des masses de 14 à 34 s'envolent. La désintégration des amas est également très rarement observée, ce qui l'a rendu difficile à détecter pendant longtemps.

Certains noyaux sont capables de se désintégrer dans des directions différentes. Par exemple, le 221 Rn se désintègre à 80 % avec l'émission de particules α et à 20 % avec les particules β ; de nombreux isotopes des éléments des terres rares (137 Pr, 141 Nd, 141 Pm, 142 Sm, etc.) se désintègrent soit par capture d'électrons. ou avec émission de positons. Différents types de rayonnements radioactifs sont souvent (mais pas toujours) accompagnés de rayonnements γ. Cela se produit parce que le noyau résultant peut avoir un excès d'énergie, dont il est libéré en émettant des rayons gamma. L'énergie du rayonnement γ se situe dans une large plage, par exemple, lors de la désintégration de 226 Ra, elle est égale à 0,186 MeV et lors de la désintégration de 11 Be, elle atteint 8 MeV.

Près de 90 % des 2 500 noyaux atomiques connus sont instables. Un noyau instable se transforme spontanément en d'autres noyaux, émettant des particules. Cette propriété des noyaux est appelée radioactivité. Dans les gros noyaux, l'instabilité résulte de la compétition entre l'attraction des nucléons par les forces nucléaires et la répulsion coulombienne des protons. Il n'existe pas de noyaux stables avec un nombre de charge Z > 83 et un nombre de masse A > 209. Mais les noyaux atomiques avec des valeurs nettement inférieures des nombres Z et A peuvent également être radioactifs. Si le noyau contient beaucoup plus de protons que de neutrons, alors l'instabilité est causée par un excès d'énergie d'interaction coulombienne. Les noyaux qui contiendraient un large excès de neutrons par rapport au nombre de protons s'avèrent instables du fait que la masse du neutron dépasse la masse du proton. Une augmentation de la masse du noyau entraîne une augmentation de son énergie.

Le phénomène de radioactivité a été découvert en 1896 par le physicien français A. Becquerel, qui a découvert que les sels d'uranium émettent un rayonnement inconnu capable de traverser les barrières opaques à la lumière et de provoquer un noircissement de l'émulsion photographique. Deux ans plus tard, les physiciens français M. et P. Curie découvrent la radioactivité du thorium et découvrent deux nouveaux éléments radioactifs : le polonium et le radium.

Au cours des années suivantes, de nombreux physiciens, dont E. Rutherford et ses étudiants, étudièrent la nature du rayonnement radioactif. Il a été découvert que les noyaux radioactifs peuvent émettre des particules de trois types : chargées positivement, négativement et neutres. Ces trois types de rayonnements étaient appelés rayonnements α, β et γ. Ces trois types de rayonnements radioactifs diffèrent grandement les uns des autres par leur capacité à ioniser les atomes de matière et donc par leur capacité de pénétration. Le rayonnement α a la capacité de pénétration la plus faible. Dans l’air, dans des conditions normales, les rayons α parcourent une distance de plusieurs centimètres. Les rayons β sont beaucoup moins absorbés par la matière. Ils sont capables de traverser une couche d'aluminium de plusieurs millimètres d'épaisseur. Les rayons gamma ont la plus grande capacité de pénétration, capables de traverser une couche de plomb de 5 à 10 cm d'épaisseur.

Dans la deuxième décennie du XXe siècle, après la découverte par E. Rutherford de la structure nucléaire des atomes, il fut fermement établi que la radioactivité est une propriété des noyaux atomiques. La recherche a montré que les rayons α représentent un flux de particules α - noyaux d'hélium, les rayons β sont un flux d'électrons, les rayons γ sont un rayonnement électromagnétique à ondes courtes avec une longueur d'onde extrêmement courte λ< 10 –10 м и вследствие этого – ярко выраженными корпускулярными свойствами, т.е. является потоком частиц – γ-квантов.

3. Désintégration alpha

La désintégration alpha est la transformation spontanée d'un noyau atomique avec le nombre de protons Z et de neutrons N en un autre noyau (fille) contenant le nombre de protons Z – 2 et de neutrons N – 2. Dans ce cas, une particule α est émise - le noyau d'un atome d'hélium. Un exemple d’un tel processus est la désintégration α du radium : Les particules alpha émises par les noyaux des atomes de radium ont été utilisées par Rutherford dans des expériences sur la diffusion par les noyaux d'éléments lourds. La vitesse des particules α émises lors de la désintégration α des noyaux de radium, mesurée à partir de la courbure de la trajectoire dans un champ magnétique, est d'environ 1,5 10 7 m/s, et l'énergie cinétique correspondante est d'environ 7,5 10 –13 J ( environ 4, 8 MeV). Cette valeur peut être facilement déterminée à partir des valeurs connues des masses des noyaux mère et fille et du noyau d'hélium. Bien que la vitesse de la particule α qui s'échappe soit énorme, elle ne représente toujours que 5 % de la vitesse de la lumière, donc lors du calcul, vous pouvez utiliser une expression non relativiste pour l'énergie cinétique. Des recherches ont montré qu'une substance radioactive peut émettre des particules alpha avec plusieurs énergies discrètes. Cela s'explique par le fait que les noyaux peuvent être, comme les atomes, dans différents états excités. Le noyau fille peut se retrouver dans l’un de ces états excités lors de la désintégration α.

Lors de la transition ultérieure de ce noyau vers l'état fondamental, un quantum γ est émis. Un diagramme de la désintégration α du radium avec émission de particules α avec deux valeurs d'énergies cinétiques est présenté sur la figure 2. Ainsi, la désintégration α des noyaux s’accompagne dans de nombreux cas d’un rayonnement γ.

Dans la théorie de la désintégration α, on suppose que des groupes constitués de deux protons et de deux neutrons peuvent se former à l'intérieur des noyaux, c'est-à-dire particule α. Le noyau mère est un puits de potentiel pour les particules α, limité par une barrière de potentiel. L'énergie de la particule α dans le noyau n'est pas suffisante pour surmonter cette barrière (Fig. 3). La sortie d’une particule alpha du noyau n’est possible que grâce à un phénomène de mécanique quantique appelé effet tunnel. Selon la mécanique quantique, il existe une probabilité non nulle qu’une particule passe sous une barrière de potentiel. Le phénomène de tunneling est de nature probabiliste.

4. Désintégration bêta

Lors de la désintégration bêta, un électron est éjecté du noyau. Les électrons ne peuvent pas exister à l'intérieur des noyaux ; ils apparaissent lors de la désintégration bêta à la suite de la transformation d'un neutron en proton. Ce processus peut se produire non seulement à l’intérieur du noyau, mais également avec des neutrons libres. La durée de vie moyenne d'un neutron libre est d'environ 15 minutes. Lors de la désintégration, un neutron se transforme en proton et en électron

Des mesures ont montré que dans ce processus, il y a une violation apparente de la loi de conservation de l'énergie, puisque l'énergie totale du proton et de l'électron résultant de la désintégration d'un neutron est inférieure à l'énergie du neutron. En 1931, W. Pauli a suggéré que lors de la désintégration d'un neutron, une autre particule de masse et de charge nulles est libérée, ce qui lui enlève une partie de l'énergie. La nouvelle particule s’appelle un neutrino (petit neutron). En raison du manque de charge et de masse d'un neutrino, cette particule interagit très faiblement avec les atomes de la matière, elle est donc extrêmement difficile à détecter expérimentalement. La capacité ionisante des neutrinos est si faible qu'un événement d'ionisation dans l'air se produit à environ 500 km du trajet. Cette particule n’a été découverte qu’en 1953. On sait désormais qu’il existe plusieurs types de neutrinos. Lors de la désintégration d’un neutron, une particule est créée, appelée antineutrino électronique. Ceci est indiqué par le symbole. Par conséquent, la réaction de désintégration des neutrons s’écrit sous la forme

Un processus similaire se produit à l’intérieur des noyaux lors de la désintégration β. Un électron formé à la suite de la désintégration de l'un des neutrons nucléaires est immédiatement éjecté de la « maison parentale » (noyau) à une vitesse énorme, qui peut différer de la vitesse de la lumière d'une fraction seulement d'un pour cent. Étant donné que la répartition de l'énergie libérée lors de la désintégration β entre l'électron, le neutrino et le noyau fille est aléatoire, les électrons β peuvent avoir des vitesses différentes sur une large plage.

Pendant la désintégration β, le nombre de charges Z augmente de un, mais le nombre de masse A reste inchangé. Le noyau fille s'avère être le noyau de l'un des isotopes de l'élément, dont le numéro de série dans le tableau périodique est supérieur d'un numéro au numéro de série du noyau d'origine. Un exemple typique de désintégration β est la transformation de l'isotone du thorium résultant de la désintégration α de l'uranium en palladium.

5. Désintégration gamma

Contrairement aux radioactivités α et β, la radioactivité γ des noyaux n'est pas associée à une modification de la structure interne du noyau et ne s'accompagne pas d'une modification de la charge ou du nombre de masse. Au cours des désintégrations α et β, le noyau fille peut se retrouver dans un état excité et avoir un excès d'énergie. La transition d'un noyau d'un état excité à un état fondamental s'accompagne de l'émission d'un ou plusieurs quanta γ dont l'énergie peut atteindre plusieurs MeV.

6. La loi de la désintégration radioactive

Tout échantillon d'une substance radioactive contient un grand nombre d'atomes radioactifs. Étant donné que la désintégration radioactive est de nature aléatoire et ne dépend pas de conditions extérieures, la loi de diminution du nombre N(t) de noyaux qui ne se sont pas désintégrés à un moment donné t peut servir de caractéristique statistique importante du processus de désintégration radioactive.

Supposons que le nombre de noyaux non décomposés N(t) change de ΔN sur une courte période de temps Δt< 0. Так как вероятность распада каждого ядра неизменна во времени, что число распадов будет пропорционально количеству ядер N(t) и промежутку времени Δt:

Le coefficient de proportionnalité λ est la probabilité de désintégration nucléaire en un temps Δt = 1 s. Cette formule signifie que le taux de variation de la fonction N(t) est directement proportionnel à la fonction elle-même.

où N 0 est le nombre initial de noyaux radioactifs à t = 0. Pendant le temps τ = 1 / λ, le nombre de noyaux non décomposés diminuera de e ≈ 2,7 fois. La valeur τ est appelée durée de vie moyenne d'un noyau radioactif.

Pour une utilisation pratique, il est pratique d'écrire la loi de la désintégration radioactive sous une forme différente, en utilisant le chiffre 2 plutôt que e comme base :

La valeur T est appelée demi-vie. Pendant le temps T, la moitié du nombre initial de noyaux radioactifs se désintègre. Les quantités T et τ sont liées par la relation

La demi-vie est la principale grandeur caractérisant le taux de désintégration radioactive. Plus la demi-vie est courte, plus la désintégration est intense. Ainsi, pour l'uranium T ≈ 4,5 milliards d'années, et pour le radium T ≈ 1600 ans. L’activité du radium est donc bien supérieure à celle de l’uranium. Il existe des éléments radioactifs dont la demi-vie est d'une fraction de seconde.

Au cours de la désintégration radioactive α et β, le noyau fille peut également devenir instable. Une série de désintégrations radioactives successives est donc possible, aboutissant à la formation de noyaux stables. Il existe plusieurs séries de ce type dans la nature. La plus longue est une série composée de 14 désintégrations consécutives (8 désintégrations alpha et 6 désintégrations bêta). Cette série se termine par un isotope stable du plomb (Fig. 5).

Dans la nature, il existe plusieurs autres séries radioactives similaires à la série. Il existe également une série connue qui commence par le neptunium, introuvable dans des conditions naturelles, et se termine par le bismuth. Cette série de désintégrations radioactives se produit dans les réacteurs nucléaires.

Règle de décalage. La règle de déplacement précise exactement quelles transformations subit un élément chimique lors de l'émission d'un rayonnement radioactif.

7. Série radioactive

La règle de déplacement a permis de retracer les transformations des éléments radioactifs naturels et de construire à partir d'eux trois arbres généalogiques dont les ancêtres sont l'uranium-238, l'uranium-235 et le thorium-232. Chaque famille commence avec un élément radioactif à durée de vie extrêmement longue. La famille de l'uranium, par exemple, est dirigée par l'uranium ayant un nombre de masse de 238 et une demi-vie de 4,5·10 9 ans (dans le tableau 1, conformément au nom original, désigné par uranium I).

Tableau 1. Famille radioactive de l'uranium
Élément radioactif	Z	Élément chimique	UN	Type de rayonnement	Demi-vie
Uranus Ier	92	Uranus	238		4,510 9 ans
Uranium X 1	90	Thorium	234		24,1 jours
Uranium X2 Uranium Z		Protactinium Protactinium		 – (99,88%)  (0,12%)
Uranus II	92	Uranus	234		2,510 5 ans
Ionium	90	Thorium	230		810 4 ans
Radium	88	Radium	226		1620 ans
Radon	86	Radon	222		3,8 jours
Radium A	84	Polonium	218		3,05 minutes
Radium B	82	Plomb	214		26,8 minutes
	83 83	Bismuth Bismuth	214 214	 (99,96%)  (0,04%)
Radium C	84	Polonium	214		1,610 –4 s
Radium C	81	Thallium	210		1,3 minutes
Radium D	82	Plomb	210		25 ans
Radium E	83	Bismuth	210		4,85 jours
Radium F	84	Polonium	210		138 jours
Radium G	82	Plomb	206	Écurie

Famille de l'uranium. La plupart des propriétés des transformations radioactives évoquées ci-dessus peuvent être attribuées aux éléments de la famille de l'uranium. Par exemple, le troisième membre de la famille présente une isomérie nucléaire. L'uranium X 2, émettant des particules bêta, se transforme en uranium II (T = 1,14 min). Cela correspond à la désintégration bêta de l'état excité du protactinium-234. Cependant, dans 0,12 % des cas, le protactinium-234 excité (uranium X 2) émet un quantum gamma et passe à l'état fondamental (uranium Z). La désintégration bêta de l'uranium Z, qui conduit également à la formation d'uranium II, se produit en 6,7 heures.

Le radium C est intéressant car il peut se désintégrer de deux manières : en émettant une particule alpha ou bêta. Ces processus sont en compétition les uns avec les autres, mais dans 99,96 % des cas, la désintégration bêta se produit avec la formation de radium C. Dans 0,04 % des cas, le radium C émet une particule alpha et se transforme en radium C (RaC). À leur tour, RaC et RaC sont convertis en radium D par l'émission de particules alpha et bêta, respectivement.

Isotopes. Parmi les membres de la famille de l'uranium, il y a ceux dont les atomes ont le même numéro atomique (la même charge nucléaire) et des nombres de masse différents. Ils sont identiques par leurs propriétés chimiques, mais diffèrent par la nature de leur radioactivité. Par exemple, le radium B, le radium D et le radium G, qui ont le même numéro atomique 82 que le plomb, ont un comportement chimique similaire au plomb. Il est évident que les propriétés chimiques ne dépendent pas du nombre de masse ; ils sont déterminés par la structure des couches électroniques de l'atome (d'où Z). D’un autre côté, le nombre de masse est essentiel à la stabilité nucléaire des propriétés radioactives d’un atome. Les atomes ayant le même numéro atomique et des nombres de masse différents sont appelés isotopes. Les isotopes des éléments radioactifs ont été découverts par F. Soddy en 1913, mais bientôt F. Aston, en utilisant la spectroscopie de masse, a prouvé que de nombreux éléments stables possèdent également des isotopes.

8. Effet des rayonnements radioactifs sur l'homme

Les rayonnements radioactifs de tous types (alpha, bêta, gamma, neutrons), ainsi que les rayonnements électromagnétiques (rayons X) ont un effet biologique très fort sur les organismes vivants, qui consiste en les processus d'excitation et d'ionisation des atomes et des molécules qui composent des cellules vivantes. Sous l'influence des rayonnements ionisants, des molécules complexes et des structures cellulaires sont détruites, ce qui entraîne des dommages radioactifs au corps. Par conséquent, lorsque vous travaillez avec une source de rayonnement, il est nécessaire de prendre toutes les mesures nécessaires pour protéger les personnes susceptibles d'être exposées aux rayonnements.

Cependant, une personne peut être exposée à des rayonnements ionisants à son domicile. Le radon, un gaz inerte, incolore et radioactif, peut constituer un grave danger pour la santé humaine. Comme le montre le diagramme de la figure 5, le radon est un produit de la désintégration α du radium et a une demi-vie T = 3,82. jours. Le radium se trouve en petites quantités dans le sol, les pierres et diverses structures de bâtiments. Malgré sa durée de vie relativement courte, la concentration de radon est continuellement reconstituée en raison de nouvelles désintégrations des noyaux de radium, de sorte que le radon peut s'accumuler dans les espaces clos. Une fois dans les poumons, le radon émet des particules α et se transforme en polonium, qui n'est pas une substance chimiquement inerte. Ce qui suit est une chaîne de transformations radioactives de la série de l'uranium (Fig. 5). Selon la Commission américaine de sûreté et de contrôle des radiations, une personne moyenne reçoit 55 % des rayonnements ionisants dus au radon et seulement 11 % des soins médicaux. La contribution des rayons cosmiques est d'environ 8 %. La dose totale de rayonnement qu'une personne reçoit au cours de sa vie est plusieurs fois inférieure à la dose maximale admissible (MAD), qui est établie pour les personnes exerçant certaines professions soumises à une exposition supplémentaire aux rayonnements ionisants.

9. Application des isotopes radioactifs

L’une des études les plus remarquables réalisées à l’aide d’« atomes marqués » a été l’étude du métabolisme des organismes. Il a été prouvé qu'en un temps relativement court, le corps subit un renouvellement presque complet. Les atomes qui le composent sont remplacés par de nouveaux. Seul le fer, comme l'ont montré des expériences sur les études isotopiques du sang, fait exception à cette règle. Le fer fait partie de l’hémoglobine des globules rouges. Lorsque des atomes de fer radioactifs ont été introduits dans les aliments, il a été découvert que l’oxygène libre libéré lors de la photosynthèse faisait à l’origine partie de l’eau et non du dioxyde de carbone. Les isotopes radioactifs sont utilisés en médecine à la fois à des fins diagnostiques et thérapeutiques. Le sodium radioactif, injecté en petites quantités dans le sang, est utilisé pour étudier la circulation sanguine ; l'iode se dépose intensément dans la glande thyroïde, notamment dans la maladie de Basedow. En observant les dépôts d'iode radioactif à l'aide d'un compteur, un diagnostic peut être posé rapidement. De fortes doses d'iode radioactif provoquent une destruction partielle des tissus en développement anormal et c'est pourquoi l'iode radioactif est utilisé pour traiter la maladie de Basedow. Un rayonnement gamma intense au cobalt est utilisé dans le traitement du cancer (pistolet à cobalt).

Les applications des isotopes radioactifs dans l'industrie ne sont pas moins étendues. Un exemple en est la méthode suivante pour surveiller l’usure des segments de piston dans les moteurs à combustion interne. En irradiant le segment de piston avec des neutrons, ils provoquent des réactions nucléaires et le rendent radioactif. Lorsque le moteur tourne, des particules de matériau annulaire pénètrent dans l'huile lubrifiante. En examinant le niveau de radioactivité dans l'huile après un certain temps de fonctionnement du moteur, l'usure des segments est déterminée. Les isotopes radioactifs permettent de juger de la diffusion des métaux, des processus dans les hauts fourneaux, etc.

Un puissant rayonnement gamma provenant de médicaments radioactifs est utilisé pour examiner la structure interne des pièces moulées en métal afin d'en détecter les défauts.

Les isotopes radioactifs sont de plus en plus utilisés en agriculture. L'irradiation des graines de plantes (coton, chou, radis, etc.) avec de petites doses de rayons gamma provenant de médicaments radioactifs entraîne une augmentation notable du rendement. De fortes doses de rayonnement provoquent des mutations dans les plantes et les micro-organismes, ce qui conduit dans certains cas à l'apparition de mutants dotés de nouvelles propriétés précieuses (radiosélection). C'est ainsi que des variétés précieuses de blé, de haricots et d'autres cultures ont été développées et que des micro-organismes hautement productifs ont été utilisés. dans la production d'antibiotiques ont été obtenus. Le rayonnement gamma des isotopes radioactifs est également utilisé pour lutter contre les insectes nuisibles et pour la conservation des aliments. Les «atomes marqués» sont largement utilisés dans la technologie agricole. Par exemple, pour savoir quel engrais phosphoré est le mieux absorbé par l'organisme. plante, divers engrais sont étiquetés avec du phosphore radioactif 15 32 P. Recherche Ensuite, les plantes sont testées pour la radioactivité et la quantité de phosphore qu'elles ont absorbée à partir de différents types d'engrais peut être déterminée.

Une application intéressante de la radioactivité est la méthode de datation des découvertes archéologiques et géologiques par la concentration d'isotopes radioactifs. La méthode de datation la plus couramment utilisée est la datation au radiocarbone. Un isotope instable du carbone apparaît dans l'atmosphère en raison de réactions nucléaires provoquées par les rayons cosmiques. Un faible pourcentage de cet isotope se trouve dans l'air avec l'isotope stable habituel. Les plantes et autres organismes absorbent le carbone de l'air et les deux isotopes s'y accumulent dans la même proportion que dans l'air. Après la mort des plantes, elles cessent de consommer du carbone et l'isotope instable se transforme progressivement en azote suite à la désintégration β avec une demi-vie de 5 730 ans. En mesurant avec précision la concentration relative de carbone radioactif dans les restes d'organismes anciens, il est possible de déterminer l'heure de leur mort.

Liste de la littérature utilisée

1. La doctrine de la radioactivité. Histoire et modernité. M. Nauka, 1973 2. Le rayonnement nucléaire dans la science et la technologie. M. Nauka, 1984 Furman V.I. 3. Désintégration alpha et réactions nucléaires associées. M. Nauka, 1985

4. Landsberg G.S. Manuel élémentaire de physique. Tome III. – M. : Nauka, 19865. Seleznev Yu. A. Fondements de la physique élémentaire. –M. : Nauka, 1964.6. CD ROM "Grande Encyclopédie de Cyrille et Méthode", 1997.

7. Curie M., Radioactivité, trad. du français, 2e éd., M. - L., 1960

8. Murin A.N., Introduction à la radioactivité, Leningrad, 1955

9. Davydov A.S., Théorie du noyau atomique, M., 1958

10. Gaisinsky M.N., Chimie nucléaire et ses applications, trans. du français, M., 1961

11. Physique nucléaire expérimentale, éd. E. Segre, trad. de l'anglais, tome 3, M., 1961 ; Outils INTERNET