Цацраг идэвх гэж юу вэ

                                              

1896 онд Хэнри Бэкюрэл Парис дахь лабораторидоо огт хайхрамжгүйгээр нэгэн боодол ураны давсыг шургуулган дээр байсан фото зургийн цаасан дээр тавьж үлдээсэн бөгөөд хэсэг хугацааны дараа нөгөөдөхөө гаргаж үзэхэд давс тавьсан хэсэг дээр хальсыг яг л гэрэлд цохиулчихсан юм шиг дүрс үлдээснийг хараад мэл гайхав. 


Энэ асуудлыг шалгаж, тодруулахыг Бэкюрэл Польшоос саяхан цагаачилж ирсэн өөрийн доктoрант  Мариа Кюрид даатгажээ. Зарим төрлийн чулуулаг өөрийнхөө жинг алдахгүй байгаа юм шиг мөртлөө ер бусын цацраг тогтвортойгоор ялгаруулдагыг Мариа Кюри болон түүний нөхөр Пьер Кюри нар судалж тогтоожээ. 

Чулуулаг массаа эрчим хүч болгон ялгаруулж байгаа юм гэж Эйнштейн арваад жилийн дараа тайлбарлах хүртэл мань 2 үүний учрыг бүрэн ойлгоогүй юм. Мариа Кюри энэ үзэгдлийг “ цацраг идэвх” гэж нэрлэсэн юм. Ажлын явцад эхнэр нөхөр хоёр Кюри өөр хоёр шинэ элемент нээсэн бөгөөд нэгийг нь эх орныхоо нэрээр Полони, нөгөөг нь Ради гэж нэрлэжээ. 1903 онд Кюри нар Бэкюрэлийн хамт физикийн салбарт Нобелийн шагнал хүртэв.

Монреалын МаГиллын Их сургуульд Шинэ Зеландад төрсөн залуухан Эрнест Рэзэрфорд шинэхэн цацраг идэвхит марериалыг сонирхон судалж эхэлжээ. Эдгээр жижиг хэсгүүд асар их хэмжээний энерги хадгалж байдаг бөгөөд цацраг идэвхит материалууд задрах нь дэлхийн дулааралд нөлөөлдөг гэсэн дүгнэлтийг Фридрих Содди гэх хамтран зүтгэгчийнхээ хамт Рэзэрфорд хийсэн юм.

Тэд мөн цацраг идэвхт материал задраад өөр элемент болж хувирдагийг нээсэн өөрөөр хэлбэл нэг өдөр чамд ураны атом байсан бол дараа нь тэр чинь хар тугалганы атом болж хувирах жишээтэй. Энэ бол үнэхээр ер бусын зүйл байв. Энэ бол тэр чигээрээ алхими байлаа. Ийм зүйл гадны оролцоогүйгээр байгаль дээр өөрөө явагддаг гэдгийг хэн ч төсөөлж байгаагүй юм.

Рэзэрфорд үүнийг маш үр дүнтэйгээр ашиглаж болох юм гэдгийг хамгийн түрүүнд олж харжээ. Ямар ч цацраг идэвхт маш жигд задардаг. Тухайн бодисын хагас нь задрахад хагас задралын үе хэмээх тогтмол хугацаа шаарддаг. Үүнийг ашиглан нэгэн төрлийн цаг хийж болох юм гэдгийг тэрээр ойлгожээ. 

Одоо байгаа материалын хэр хэсэг нь задарсан, одоо хэр үлдсэн, ямар хурдацтай задарч байгааг нь тогтоосноор тухайн материалын насжилтыг тогтоож болно. Үүнийг тэр ураны гол хүдэр болох уранит дээр туршсан. Тэгээд уг материалыг 700 сая жилийн настай гэдгийгтогтоожээ. Энэ нь ихэнх хүмүүсийн дэлхийн насны хувьд хүлээн зөвшөөрөгдөх хэмжээнээс хамаагүй давсан тоо байв.

Цацраг идэвхт бодисын ачаар дэлхий Кельвиний тооцоолж байсан шиг 24 сая биш тэрнээс хамаагүй урт настай болох нь илт болов. Рэзэрфордын шинэхэн нээлтийг бүх нийтээрээ зэрэг хүлээн зөвшөөрөөгүй. 1930-аад оныг хүртэл Дублины Жон Жоли Дэлхий 89 сая жилээс илүү байх учиргүй гэж үзэж байв. Бусад нь Рэзэрфорд дэлхийн насыг тогтоохдоо арай л хол үсэрчихлээ л гэж бодож байв. Радиометрик цаг тоолол үүсч задралыг нарийн тооцож эхэлж байсан ч дэлхийн насыг тэрбум давуулж тоолохын тулд бас нилээд хугацаа өнгөрсөн.

Олон жилийн турш маш их эрчим хүч ялгаруулдаг цацраг идэвхит бодисыг хүний биед сайнаар нөлөөлөх ёстой гэж үздэг байв. Шүдний ооны үйлдвэрлэгчид оондоо цацраг идэвхт ториумыг хольдог байв. Мөн Нью-Йоркийн Фингэр Лэйкст байдаг Глэн Спрингс Хотел зачид буудал “цацраг идэвхт минералтай рашаантай” гэдгээрээ бардам суртчилгаа хийж байв. Цацраг идэвхт бодисыг өргөн хэрэглээний бүтээгдэхүүнд хэрэглэхийг 1938 оныг хүртэл хориглоогүй юм. 
Гэсэн ч энэ нь Кюри нарын хувьд дэндүү оройтсон тул хадагтай Кюри 1934 онд цусны цагаан бөөм хэт олшрох өвчнөөр нас барсан бол Пьер Кюри 1906 онд ослоор нас барахаасаа өмнө радиацаар өвчлөн яс нь зовиуртайгаар өвддөг байв. Цацраг идэвх нь үнэндээ маш ноцтой удаан хугацааны нөлөөтэй тул 1890-ээд онд түүний бичиж байсан түүний дэвтэр, хоолны жорны номыг барьж үзэх нь хүртэл аюултайд тооцогддог. Кюригийн судалгааны ном тэмдэглэлийг тугалган бүрээстэй хайрцганд хадгалдаг бөгөөд үзэхийг хүссэн хүмүүс тусгай хамгаалалтын хувцас өмсөх хэрэгтэй болдог.

           Цацраг идэвхт задрал гэдэг нь тогтворгүй атомууд дахь цөмүүдийн, гадны нөлөөгүйгээр, бүтэц ба дотоод зохион байгуулалтын, эгэл бөөмүүдийг ялгаруулан хувирах өөрчлөлт. Цөмийн энэ өөрчлөлтийг цөмийн цэнэгийн тоо ба жингийн тоо хоёрын өөрчлөлт гэж хэлж болно. 

Цацраг идэвхт цөмүүдийг агуулсан бодисуудыг цацраг идэвхт бодисууд гэнэ. 82-с дээш дугаартай химийн элементүүд (висмутаас эхлэн) бүгд цацраг идэвхтэй, прометий ба технеций гэх хөнгөн элементүүд тогтвортой изотопыг агуулдаггүй, индий, калий, кальций зэрэг элементүүдийн байгаль дахь изотопуудын зарим нь тогтвортой, зарим нь тогтворгүй байдаг гэдэг нь  тогтоогдсон байна.  

Изотоп гэдэг нь ямар нэгэн химийн элементийн атом масаараа ялгаатай төрлүүдийг хэлнэ. Уг атом массын ялгаа нь тухайн элементийн цөм дэх нейтроны тооны ялгаанаас үүснэ. Өөрөөр хэлбэл, изотоп гэдэг нь цөм дэх протоны тоогоороо ижил боловч нейтроны тоогоороо ялгаатай тухайн химийн элементийн төрлүүд юм. Изотопийг ³He, ¹²C, ¹³C, ¹³¹I and ²³⁸U гэж тэмдэглэнэ.

            Цацраг идэвхт задралд өртөж байгаа цөм ба задралын үр дүнд үүсэж байгаа цөм хоёрыг, эх цөм ба охин цөм гэж нэрлэдэг. Охин цөмийн жингийн тоо ба цэнэгийн өөрчлөлтийг, эх цөмийн эдгээр үзүүлэлтүүдэд харьцуулсан харьцааг Соддигийн шилжилтийн хууль гэдэг.

Альфа-бөөмүүдийг ялгаруулан задрах задралыг альфа задрал, бета-бөөмүүдийг ялгаруулан задарч байгаа задралыг бета задрал гэж нэрлэдэг. Альфа задралаар эх цөмөөс альфа бөөм сугаран гарна. Ингэснээр цөмийн нуклоны тоо 4-р буурна. Уг задралаар төмрийн атомын цөм задарвал хромын атомын цөм үүсдэг.

      Цацраг идэвхт цөмүүдээс ялгарах α-бөөмүүд ба γ-квантуудын энергийн спектр нь тасалдалтай, харин β-бөөмүүдийнх тасралтгүй байдаг.

Одоогийн байдлаар альфа, бета, гамма задралуудаас гадна дараах задралууд (бета задралын төрлүүд гэж үздэг) мэдэгдээд байна: 

• нейтрон ялгаруулан задрах;
• протон ялгаруулан задрах;
• хоёр протон ялгаруулан задрах;
• кластер ялгаруулан задрах;
• спонтан хуваагдал;
• электрон булаалт;
• позитроны задрал (эсвэл β⁺-задрал);
• давхар бета задрал ба түүний төрлүүд.

     Бета задрал нь дараах 3 төрлөөр задрах бөгөөд уг задралаар цамийн нуклоны тоо өөрчлөгддөггүй. Бета хасах задрал буюу электрон цацаргах задрал. Энэ задралаар эх цөмөөс электрон гарснаар цөмд байсан нэг n нь p болон хувирдаг. Ингэснээр эх цөмийн p-ийн тоо нэгээр нэмэгдэн, n-ийн тоо нэгээр хорогдож, уг элементийн дэс дугаар нэгээр нэмэгдэнэ. Ингэж цөмийн урвалаар химийн элемент өөр элемент болон хувирна. Жишээ нь, устөрөгчийн атомын цөм хасах бета задралд орсноор Гелийн атомын цөм болон хувирна. H ->He гэж тэмдэглэнэ.

Бета нэмэх задрал буюу позитрон цацаргах задрал. Позитрон нь электронны анти бөөм бөгөөд цахилгаан цэнэг нь +1,(электроных -1 ). Энэ задралаар эх цөмөөс позитрон гарснаар цөмд байсан нэг p нь n болон хувирдаг. Ингэснээр эх цөмийн p-ийн тоо нэгээр цөөрч, n-ийн тоо нэгээр нэмэгдэнэ. Уг элементийн дэс дугаар нэгээр буурна. Жишээ нь, хүчилтөрөгчийн атомын цөм нэмэх бета задралд орсноор азотын атомын цөм болон хувирна.

K залгилт, энэ задралаар цөм атомын электроны K давхаргынхаа нэг электроныг шингээн авснаар уг цөмийн нэг p нь n болон хувирна. p тоо нэгээр цөөрч, n тоо нэгээр нэмэгддэг. Цөм үелэх системийнхээ хувьд өмнөх элементийнхээ цөм болон хувирна (нэмэх бета задралтай адил хувирна).

      Зарим нэг изотопууд нэгэн зэрэг хоёр эсвэл түүнээс олон төрлөөр задрах эрмэлзэлтэй байдаг. Жишээ нь, висмут-212 64%-ийн магадлалтайгаар таллий-208-г үүсгэн (альфа задралаар), 36%-ийн магадлалтайгаар полоний-212-г үүсгэн (бета задралаар) задардаг.

Цацраг идэвхт задралын дүнд үүссэн охин цөм мөн цацраг идэвхт байх тохиолдол байдаг. Ийм цөм хэсэн хугацааны дараа дахин задарна. 

Цацраг идэвхт задралын процесс тогтвортой цөм (цацраг идэвхт биш цөм) үүстэл явагдах ба энэ дарааллыг задралын хэлхээ, харин үүссэн нуклидуудын дарааллыг цацраг идэвхт эгнээ гэж тус тус нэрлэдэг. 

Тухайлбал уран-238, уран-235 ба торий-232 эхэлсэн цацраг идэвхт эгнээнүүдийн сүүлчийн тогтвортой гишүүнүүд нь хар тугалга-206, хар тугалга-207 ба хар тугалга-208 юм.

Жингийн тоо ижилтэй цөмүүд (изобарууд) бета задралын улмаар бие бие рүү гээ шилждэг. Ийм цөмүүдийг изобарын эгнээ гэнэ. Изобарын эгнээ бүр 1-3 бета тогтвортой нуклидудыг агуулдаг. 

Бета тогтвортой нуклид нь бета задрал орохгүй ч бусад задралд орж болно. Изобарын эгнээний бусад цөмүүд бета тогтворгүй байдаг ба дараалсан бета хасах эсвэл бета нэмэх задралаар, өөрийн эгнээнд хамгийн ойр орших бета тогтвортой нуклид болон хувирна. 

Изобарын эгнээний хоёр бета тогтвортой нуклидын дунд орших цөм нь β⁻ ба β⁺ задралын (эсвэл электрон булаалт) эрмэлзэлтэй байж болно. Жишээ нь, байгальд орших калий-40 радионуклид (цацраг идэвхт нуклид) нь түүний хоёр талд орших бета тогтвортой цөмүүд болох аргон-40 ба кальций-40 болон задрана.