§ 7.21. Получение радиоактивных изотопов и их применение

Определения и обозначения

Радиоактивный изотоп — разновидность атомов одного элемента с нестабильным ядром, самопроизвольно испускающим излучение. Изотопы имеют одинаковое зарядовое число, но разное число нейтронов и массовое число. Это понятие нужно, чтобы отличать радиоактивные атомы от стабильных изотопов того же элемента.

Искусственная радиоактивность — радиоактивность, возникающая у ранее стабильного ядра после ядерной реакции. Например, ядро может захватить нейтрон и превратиться в нестабильный изотоп. Термин показывает, что радиоактивность создана не природным распадом, а деятельностью человека.

Ядерная реакция — превращение атомного ядра при взаимодействии с частицей или другим ядром. В записи реакции сохраняются массовое число A и зарядовое число Z всех участвующих частиц. По этим законам можно определить неизвестное ядро и проверить правильность уравнения.

Наведённая радиоактивность — радиоактивность вещества, вызванная облучением и образованием нестабильных ядер. После прекращения облучения такие ядра не исчезают мгновенно, а продолжают распадаться. Поэтому наведённую активность измеряют и учитывают при работе с мишенями и оборудованием.

Как это устроено

Стабильное ядро имеет такое соотношение протонов и нейтронов, при котором оно не распадается самопроизвольно. Захват нейтрона увеличивает число нуклонов, но не меняет заряд ядра, поэтому новое ядро может оказаться за пределами области устойчивости. При столкновении с заряженной частицей меняются и состав, и энергия ядра; иногда из него выбиваются частицы или образуется другой элемент. В результате возникает возбужденное либо нестабильное ядро, которое затем испускает α-, β- или γ-излучение.

В ядерном реакторе мишень помещают в поток нейтронов. Ядро стабильного вещества захватывает нейтрон, его массовое число увеличивается на единицу, а зарядовое число обычно сохраняется. Получившийся изотоп может быть радиоактивным и распадаться, например превращаясь в ядро другого элемента. Такой способ удобен для получения значительных количеств изотопов, потому что реактор создаёт интенсивный поток нейтронов.

На ускорителе мишень облучают протонами, α-частицами или другими ионами, которым придают большую кинетическую энергию. Заряженная частица преодолевает электрическое отталкивание ядра и вступает с ним в реакцию. Часть нуклонов может вылететь, а оставшиеся образуют новое ядро с другим зарядовым числом. Так получают изотопы, которые нельзя эффективно изготовить одним захватом нейтрона, причём состав продукта можно подбирать выбором мишени и энергии частиц.

Изотопы, полученные в реакторе захватом нейтронов, обычно остаются тем же химическим элементом, но имеют больше нейтронов. Продукты деления возникают иначе: тяжёлое ядро распадается на два сравнительно лёгких ядра и несколько нейтронов, поэтому образуется смесь разных радиоактивных веществ. На ускорителе чаще получают отдельный новый элемент или изотоп в результате направленной реакции. Для практики выбирают не просто доступный изотоп, а такой, чьё излучение решает задачу и быстро ослабевает до приемлемого уровня.

Получение и применение радиоактивных изотопов

Сначала по первой колонке определяют способ получения, затем по второй выясняют, как изменилось ядро. Последние две колонки помогают связать конкретный изотоп с практической задачей. Один и тот же изотоп может иметь несколько применений, если его излучение удобно регистрировать.

Разбор задач

Задача 1

Определите изотоп, образующийся при захвате ядром кобальта-59 одного нейтрона: ⁵⁹Co + ¹n → ?. Нужно установить массовое и зарядовое числа нового ядра. При захвате нейтрона заряд элемента не меняется.

1. Сохраняем массовое число: 59 + 1 = 60.
2. Сохраняем зарядовое число: у кобальта Z = 27, у нейтрона зарядовое число равно 0.
3. Элемент с Z = 27 остаётся кобальтом, поэтому неизвестное ядро — ⁶⁰Co.

Ответ: ⁵⁹Co + ¹n → ⁶⁰Co. Изотоп кобальта-60 радиоактивен и распадается с испусканием β- и γ-излучения. Проверка выполняется отдельно по верхним и нижним индексам: 59 + 1 = 60, а 27 + 0 = 27.

Задача 2

Период полураспада изотопа равен 6 ч. Какая доля исходного количества ядер останется через 18 ч и почему такой изотоп может быть удобен для диагностики? Сначала нужно узнать число прошедших периодов, а затем последовательно уменьшать количество ядер вдвое.

1. Находим число периодов: 18 : 6 = 3.
2. После первого периода остаётся ½, после второго — ¼, после третьего — ⅛ исходного количества.
3. Записываем результат формулой: N/N₀ = (½)³ = ⅛.

Ответ: через 18 ч останется ⅛, или 12,5 %, исходных ядер. Короткий период полураспада удобен, если изотоп должен дать диагностический сигнал, но затем быстро уменьшить активность. При этом период не должен быть настолько коротким, чтобы изотоп распался до завершения процедуры.

Задача 3

Запишите получение фосфора-30 при облучении алюминия-27 α-частицами и его последующий β⁺-распад: ²⁷Al + ⁴He → ³⁰P + ?; ³⁰P → ?. Неизвестные частицы определяются законами сохранения массового и зарядового чисел.

1. Слева массовое число равно 27 + 4 = 31, а у фосфора-30 уже есть 30; недостающая частица имеет A = 1.
2. Заряд слева равен 13 + 2 = 15, у фосфора Z = 15; значит, частица с A = 1 имеет Z = 0 и является нейтроном.
3. При β⁺-распаде протон превращается в нейтрон, поэтому Z уменьшается на единицу, а A не меняется: фосфор превращается в кремний.

Ответ: ²⁷Al + ⁴He → ³⁰P + ¹n; ³⁰P → ³⁰Si + ⁰₊₁e + ν. Здесь ⁰₊₁e — позитрон, а ν — нейтрино. Проверка даёт сохранение A и Z в каждом уравнении.

Типичные ошибки

Любое облучённое вещество становится радиоактивным. Облучение само по себе не гарантирует появления нестабильного изотопа: нужно, чтобы произошла подходящая ядерная реакция. Проверьте, какое именно ядро образовалось и имеет ли оно радиоактивный распад.

Массовое число путают с зарядовым. Массовое число считает протоны и нейтроны, а зарядовое — только протоны. При проверке реакции сложите верхние индексы отдельно от нижних.

Радиоактивность исчезает сразу после облучения. После удаления источника облучения созданные нестабильные ядра продолжают распадаться. Уточните период полураспада и помните, что активность уменьшается постепенно.

Источник изотопа путают с его применением. Реактор или ускоритель производит радиоактивное вещество, а медицинская или промышленная установка использует его свойства. Для проверки ответьте отдельно на вопросы «где получили?» и «для чего применили?».

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении атомного ядра, изотопах, массовом и зарядовом числах, а также о видах радиоактивного распада и периоде полураспада. Без них трудно составлять уравнения ядерных реакций и оценивать активность вещества.

Дальше эти идеи используются при изучении ядерной энергетики, дозиметрии и радиационной безопасности. Они также объясняют работу медицинских технологий, в которых радиоактивное излучение применяют для диагностики и лечения.

Что запомнить

• Радиоактивные изотопы получают искусственно с помощью ядерных реакций.
• Основные источники изотопов — ядерные реакторы и ускорители заряженных частиц.
• При ядерной реакции должны сохраняться массовое и зарядовое числа.
• После прекращения облучения наведённая радиоактивность не исчезает мгновенно.
• Изотоп выбирают с учётом вида излучения и периода полураспада.
• Радиоактивные изотопы применяют в медицине, промышленности, сельском хозяйстве и научных исследованиях.