Радиоактивностью называется способность атомных ядер превращаться в другие ядра с испусканием спектра частиц. Если превращение ядер происходит спонтанно (самопроизвольно), то радиоактивность называют естественной.
Если распад осуществляется искусственно, то радиоактивность искусственная.
Радиоактивность была открыта французским физиком Беккерелем в 1896 г., который впервые наблюдал испускание ураном проникающих излучений.
В1890 Резерфорд и Содди использовали
естественную радиоактивность
(тория),
а также радиоактивность легких элементов,
вывели ряд закономерностей.
I. Естественная радиоактивность сопровождается тремя видами излучения.
1.
-излучение
представляет поток положительно
заряженных-частиц.
Поток ядер
.
3.
-излучение
– электромагнитное излучение с короткой
длиной волны ~ рент. лучей
Å.
II. Радиоактивность обусловлена внутренним строением ядер и не зависит от внешних условий
Более того, распад каждого ядра не влияет на распад других ядер.
III. Различные радиоактивные вещества сильно различаются между собой по количеству используемых радиоактивных излучений.
Радиоактивные вещества принято характеризовать количеством распадов в единицу времени.
Активность радиоактивного вещества
Оказалось, что количество распадов в секунду ~ общему количеству атомов радиоактивного вещества, то есть
- показывает, что число рад.ат. убывает
-
постоянная радиоактивности и характеризует
активность распада элемента
После интегрирования
- закон радиоактивного распада(Резерфорд)
-
первоначальное количество радиоактивных
ядер
-
число нераспавшихся ядер к м.в.t
Продолжительность жизни радиоактивных ядер принято характеризовать периодом полураспада, то есть промежутком времени, за который число радиоактивных ядер уменьшится вдвое.
Исходя из этого определения легко найти связь между периодом полураспада и постоянной распада
среднее время жизни радиоактивных ядер определяется выражением
после интегрирования легко получит
,
то есть период полураспада ядер
В экспериментах обычно измеряют активность вещества, то есть число распада ядер в 1 сек.
Однако чаще всего используется внесистемная единица
Существуют ядра с очень большим периодом
полураспада (Уран 9500 лет) и существуют
ядра и периодом полураспада несколько
секунд (
- 5730 лет)
- распад – распад атомных ядер cиспусканием - частиц. Этот вид радиоактивности характерен для элементов, расположенных в конце таблицы Менделеева. В настоящее время насчитывается около 40 естественных и более 100 искусственно вызванных - излучателей. Однако все элементы -распада заPв
то есть в результате -распада заряд ядра уменьшается на 2 ед., а А - на 4
Получаем
- распад имеет 2 особенности
1. Постоянная распада и энергия вылетевшей -частицы оказались взаимосвязанными и подчиняется закону Гейгера Неттола
В 1 иВ 2 – эмпирические постоянные
Закон показывает, что чем меньше продолжительность жизни, тем больше энергия вылетевшей -частицы.
2. Энергия
-частиц
при распаде заключена в узких пределах
от
,
что значительно меньше энергии, которую
-частица должна
бы получить после
-распада
при ускорении в электрическом поле
ядра.
Энергия -частицы оказалась малой по сравнению с потенциальным барьером ядра.
3. Наблюдается тонкая структура излучаемых -частиц, то есть наблюдается некоторое распределение по энергии вблизи некоторого среднего значения. Причем это распределение дискретно.
Электронный захват
Занимает энергию у других нуклонов.
-распад
был объяснен только по завершению
построения квантовой механики и
объясняется с ее позиции. Классической
трактовке он не поддается.
-
глубина потенциальной ямы, высота
потенциального барьера 30 М эв
Согласно классической механики
-частицы
(Е
) не
могут преодолеть потенциальный барьер.
В ядрах уже существуют по одной
-частице,
которые движутся внутри ядра с энергией
.
Если бы не было потенциального барьера,
то
-частица
покинула бы ядро с энергией
-
энергия, которую она потратила бы на
преодоление сил притяжения в ядре.
Однако в силу того, что ядро имеет
оболочку, которая приводит к увеличению
потенциального барьера приблизительно
на 30 М эв (см. черт.), то
-частица
может покинуть ядро. Только просочившись
через потенциальный объект. Согласно
квантовой механики частица, обладающая
волновыми свойствами, может просачиваться
через потенциальный барьер без затрат
энергии. Явление называетсятуннельным
эффектом
.
Применение
-распада
обусловлено тем, что вероятность
просачивания
-частиц
через барьер зависит от размеров ядер.
Можно оценить размеры ядра, зная энергию
-частицыЕ
.
На предыдущем уроке мы обсуждали вопрос, связанный экспериментом Резерфорда, в результате которого мы теперь знаем, что атом представляет собой планетарную модель. так и называется - планетарная модель атома. В центре ядра находится массивное положительно заряженное ядро. А вокруг ядра обращаются по своим орбитам электроны.
Рис. 1. Планетарная модель атома Резерфорда
Вместе с Резерфордом в опытах участие принимал Фредерик Содди. Содди - химик, поэтому свою работу он проводил именно в плане отождествления полученных элементов по их химическим свойствам. Именно Содди удалось выяснить, что же такое a-частицы, поток которых попадал на золотую пластинку в опытах Резерфорда. Когда произвели измерения, то выяснилось, что масса a-частицы - это 4 атомных единицы массы, а заряд a-частицы составляет 2 элементарных заряда. Сопоставляя эти вещи, накопив определенное количество a-частиц, ученые выяснили, что эти частицы превратились в химический элемент - газ гелий.
Химические свойства гелия были известны, благодаря этому Содди и утверждал, что ядра, которые представляют собой a-частицы, захватили извне электроны и превратились в нейтральные атомы гелия.
В дальнейшем основные усилия ученых были направлены на изучение ядра атома. Стало понятно, что все процессы, которые происходят при радиоактивном излучении, происходят не с электронной оболочкой, не с электронами, которые окружают ядра, а с самими ядрами. Именно в ядрах происходят какие-то преобразования, в результате чего образуются новые химические элементы.
Первую такую цепочку удалось получить для превращения элемента радия, который использовался в опытах по радиоактивности, в инертный газ радон с испусканием a-частицы ; реакция в этом случае записывается следующим образом:
Во-первых, a-частица - это 4 атомных единицы массы и двойной, удвоенный элементарный заряд, причем заряд положительный. У радия порядковый номер 88, его массовое число составляет 226, а у радона порядковый номер уже 86, массовое число 222, и появляется a-частица. Это ядро атома гелия. В данном случае мы записываем просто гелий. Порядковый номер 2, массовое число 4.
Реакции, в результате которых образуются новые химические элементы и при этом еще образуются новые излучения и другие химические элементы, получили название ядерных реакций .
Когда стало понятно, что радиоактивные процессы протекают внутри ядра, обратились к другим элементам, не только к радию. Изучая различные химические элементы, ученые поняли, что существуют не только реакции с испусканием, излучением a-частицы ядра атома гелия, но и другие ядерные реакции. Например, реакции с испусканием b-частицы. Мы теперь знаем, что это электроны. В этом случае тоже образуется новый химический элемент, соответственно, новая частица, это b-частица, она же - электрон. Особый интерес в данном случае представляют все химические элементы, у которых порядковый номер больше 83.
Итак, можно сформулировать т.н. правила Содди, или правила смещения для радиоактивных превращений:
. При альфа-распаде происходит уменьшение порядкового номера элемента на 2 и уменьшение атомного веса на 4.
Рис. 2. Альфа-распад
При бета-распаде происходит увеличение порядкового номера на 1, при этом атомный вес не меняется.
Рис. 3. Бета-распад
Список дополнительной литературы
- Бронштейн М.П. Атомы и электроны. «Библиотечка “Квант”». Вып. 1. М.: Наука, 1980
- Кикоин И.К., Кикоин А.К. Физика: Учебник для 9 класса средней школы. М.: «Просвещение»
- Китайгородский А.И. Физика для всех. Фотоны и ядра. Книга 4. М.: Наука
- Мякишев Г.Я., Синякова А.З. Физика. Оптика Квантовая физика. 11 класс: учебник для углубленного изучения физики. М.: Дрофа
- Резерфорд Э. Избранные научные труды. Радиоактивность. М.: Наука
- Резерфорд Э. Избранные научные труды. Строение атома и искусственное превращение элементов. М.: Наука
Основной характеристикой атома являются 2 числа:
1. массовое число (A) – равно сумме протонов и нейтронов ядра
2. атомный номер (Z) в периодической системе элементов Менделеева – равен числу протонов в ядре, т. е. соответствует заряду ядра.
Тип радиоактивного превращения определяется Видом частиц, испускаемых при распаде . Процесс радиоактивного распада всегда экзотермичен, т. е. идет с выделением энергии. Исходное ядро называется материнским (в нижеприведенных схемах обозначено символом X), а получающееся после распада ядро – дочерним (в схемах – символ Y).
Нестабильные ядра претерпевают 4 основных типа радиоактивных превращений:
А) Альфа-распад – состоит в том, что тяжелое ядро самопроизвольно испускает альфа-частицу, т. е. это чисто ядерное явление. Известно более 200 альфа-активных ядер, почти все они имеют порядковый номер больше 83 (Am-241; Ra-226; Rn-222; U-238 и 235; Th-232; Pu-239 и 240). Энергия альфа-частиц тяжелых ядер чаще всего находится в интервале от 4 до 9 МэВ.
Примеры альфа-распада :
Б) Бета-превращение – это внутринуклонный процесс; в ядре распадается одиночный нуклон, при этом происходит внутренняя перестройка ядра и появляются вылетающие из ядра b-частицы (электрон , позитрон , нейтрино , антинейтрино ). Примеры радионуклидов, претерпевающих бета-превращение: тритий (H-3); C-14; радионуклиды натрия (Na-22, Na-24); радионуклиды фосфора (P-30, P-32); радионуклиды серы (S-35, S-37); радионуклиды калия (K-40, K-44, K-45); Rb-87; радионуклиды стронция (Sr-89, Sr-90); радионуклиды йода (I-125, I-129, I-131, I-134); радионуклиды цезия (Cs-134, Cs-137).
Энергия бета-частиц варьирует в широком диапазоне: от 0 до Emax (полная энергия, выделяющаяся при распаде) и измеряется в кэВ, МэВ. Для одинаковых ядер распределение вылетающих электронов по энергиям является закономерным и называется Спектром электронов B -распада, или бета-спектром ; по спектру энергии бета-частиц можно провести идентификацию распадающегося элемента.
Один из примеров бета-превращения одиночного нуклона – Распад свободного нейтрона (период полураспада 11,7 мин):
Виды бета-превращения ядер:
1) электронный распад
: 
.
Примеры электронного распада: ,
2) Позитронный распад :
Примеры позитронного распада: , 
3) Электронный захват
(К-захват, т. к. ядро поглощает один из электронов атомной оболочки, обычно из К-оболочки): 
Примеры электронного захвата: 
, 
В) Гамма-превращение (изомерный переход) – внутриядерное явление, при котором за счет энергии возбуждения ядро испускает гамма-квант, переходя в более стабильное состояние; при этом массовое число и атомный номер не изменяются. Спектр гамма-излучения всегда дискретен. Испускаемые ядрами гамма-кванты обычно имеют энергию от десятков кэВ до нескольких МэВ. Примеры радионуклидов, претерпевающих гамма-превращение: Rb-81m; Cs-134m; Cs-135m; In-113m; Y-90m.
, где индекс “m” означает метастабильное состояние ядра.
Пример гамма-превращения: 
Г) Спонтанное деление ядер – возможно у ядер, начиная с массового числа 232. Ядро делится на 2 сравнимых по массам осколка. Именно спонтанное деление ядер ограничивает возможности получения новых трансурановых элементов. В ядерной энергетике используется процесс деления тяжелых ядер при захвате ими нейтронов:
В результате деления образуются осколки с избыточным количеством нейтронов, которые затем претерпевают несколько последовательных превращений (чаще – бета-распад).
Вопросы.
1. Что происходит с радием в результате α-распада?
При распаде радия Ra (металл) происходит его превращение в радон Ra (газ) с испусканием α- частиц.
2. Что происходит с радиоактивными химическими элементами в результате α- или β-распада?
При α- и при β- распаде происходит превращение одного химического элемента в другой.
3. Какая часть атома — ядро или электронная оболочка — претерпевает изменения при радиоактивном распаде? Почему вы так думаете?
При радиоактивном превращении претерпевает изменение ядро атома, т.к. именно ядро атома определяет его химические свойства.
4. Запишите реакцию α-распада радия и объясните, что означает каждый символ в этой записи.
5. Как называются верхнее и нижнее числа, стоящие перед буквенным обозначением элемента?
Они называются массовое и зарядовое число.
6. Чему равно массовое число? зарядовое число?
Массовое число равно целому числу атомных единиц массы данного атома.
Зарядовое число равно числу элементарных электрических зарядов ядра данного атома.
7. На примере реакции а -распада радия объясните, в чем заключаются законы сохранения заряда (зарядового числа) и массового числа.
Закон сохранения массового числа и зарядов гласит, что при радиоактивных превращениях величина суммы массовых чисел атомов и суммы зарядов всех частиц участвующих в превращениях - величина постоянная.
8. Какой вывод следовал из открытия, сделанного Резерфордом и Содди?
Был сделан вывод, что ядра атомов имеют сложный состав.
9. Что такое радиоактивность?
Радиоактивность - это способность некоторых атомных ядер самопроизвольно превращаться в другие ядра с испусканием частиц.
Упражнения.
1. Определите массу (в а. е. м. с точностью до целых чисел) и заряд (в элементарных зарядах) ядер атомов следующих элементов: углерода 12 6 C; лития 6 3 Li; кальция 40 20 Ca.
2. Сколько электронов содержится в атомах каждого из химических элементов, перечисленных в предыдущей задаче?
3. Определите (с точностью до целых чисел), во сколько раз масса ядра атома лития 6 3 Li больше массы ядра атома водорода 1 1 Н.
4. Для ядра атома бериллия 9 4 Be определите: а) массовое число; б) массу ядра в а. е. м. (с точностью до целых чисел); в) во сколько раз масса ядра больше 1/12 массы атома углерода 12 6 С (с точностью до целых чисел): г) зарядовое число; д) заряд ядра в элементарных электрических зарядах; е) суммарный заряд всех электронов в атоме в элементарных электрических зарядах; ж) число электронов в атоме.
.jpg)
5. Пользуясь законами сохранения массового числа и заряда, определите массовое число и заряд ядра химического элемента X, образующегося в результате следующей реакции β-распада:
14 6 C → X + 0 -1 e,
где 0 -1 e — β-частица (электрон). Найдите этот элемент в таблице Д. И. Менделеева на форзаце учебника. Как он называется?Ответить на этот вопрос в начале XX в. было очень не просто. Уже в самом начале исследований радиоактивности обнаружилось много странного и необычного.
Во-первых , удивительным было постоянство, с которым радиоактивные элементы уран, торий и радий испускают излучения. На протяжении суток, месяцев и даже лет интенсивность излучения заметно не изменялась. На нее не оказывали никакого влияния такие обычные воздействия, как нагревание и увеличение давления. Химические реакции, в которые вступали радиоактивные вещества, также не влияли на интенсивность излучения.
Во-вторых , очень скоро после открытия радиоактивности выяснилось, что радиоактивность сопровождается выделением энергии . Пьер Кюри поместил ампулу с хлоридом радия в калориметр. В нем поглощались -, - и -лучи, и за счет их энергии калориметр нагревался. Кюри определил, что радий массой 1 г выделяет за 1 ч энергию, примерно равную 582 Дж. И такая энергия выделяется непрерывно на протяжении многих лет!
Откуда же берется энергия, на выделение которой не оказывают никакого влияния все известные воздействия? По-видимому, при радиоактивности вещество испытывает какие-то глубокие изменения, совершенно отличные от обычных химических превращений. Было сделано предположение, что превращения претерпевают сами атомы. Сейчас эта мысль не может вызвать особого удивления, так как о ней ребенок может услышать еще раньше, чем научится читать. Но в начале XX в. она казалась фантастической, и нужна была большая смелость, чтобы решиться высказать ее. В то время только что были получены бесспорные доказательства существования атомов. Идея Демокрита об атомистическом строении вещества наконец восторжествовала. И вот почти сразу же вслед за этим неизменность атомов счавится под сомнение.
Не будем рассказывать подробно о тех экспериментах, которые привели в конце концов к полной уверенности в том, что при радиоактивном распаде происходит цепочка последовательных превращений атомов. Остановимся только на самых первых опытах, начатых Резерфордом и продолженных им совместно с английским химиком Ф. Содди.
Резерфорд обнаружил, что активность тория, определяемая как число -частиц, испускаемых в единицу времени, остается неизменной в закрытой ампуле. Если лее препарат обдувается даже очень слабыми потоками воздуха, то активность тория сильно уменыпается. Ученый предположил, что одновременно с -частицами торий испускает какой-то радиоактивный газ.
Отсасывая воздух из ампулы, содержащей торий, Резерфорд выделил радиоактивный газ и исследовал его ионизирующую способность. Оказалось, что активность этого газа (в отличие от активности тория, урана и радия) очень быстро убывает со временем. Каждую минуту активность убывает вдвое, и через десять минут она становится практически равной нулю. Содди исследовал химические свойства этого газа и установил, что он не вступает ни в какие реакции, т. е. является инертным газом. Впоследствии этот газ был назван радоном и помещен в периодической системе Д. И. Менделеева под порядковым номером 86.
Превращения испытывали и другие радиоактивные элементы: уран, актиний, радий. Общий вывод, который сделали ученые, был точно сформулирован Резерфордом: «Атомы радиоактивного вещества подвержены спонтанным 1 видоизменениям. В каждый момент небольшая часть общего числа атомов становится неустойчивой и взрывообразно распадается. В подавляющем большинстве случаев выбрасывается с огромной скоростью осколок атома - -частица. В некоторых других случаях взрыв сопровождается выбрасыванием быстрого электрона и появлением лучей, обладающих, подобно рентгеновским лучам, большой проникающей способностью и называемых -излучением.
Было обнаружено, что в результате атомного превращения образуется вещество совернгенно нового вида, полностью отличное по своим физическим и химическим свойствам от первоначального вещества. Это новое вещество, однако, само также неустойчиво и испытывает превращение с испусканием характерного радиоактивного излучения 2 .
Таким образом, точно установлено, что атомы некоторых элементов подвержены спонтанному распаду, сопровождающемуся излучением энергии в количествах, огромных по сравнению с энергией, освобождающейся при обычных молекулярных видоизменениях ».
1 От латинского слова spontaneus самомроиапольный.
2 В действительности могут образовываться и стабильные ядра.
После того как было открыто атомное ядро, сразу же cталo ясно, что именно оно претерпевает изменения при радиоактивных превращениях. Ведь -частиц вообще нет в электронной оболочке, а уменьшение числа электронов оболочки на единицу превращает атом в ион, а не в новый химический элемент. Выброс же электрона из ядра меняет заряд ядра (увеличивает его) на единицу.
Итак, радиоактивность представляет собой самопроизвольное превращение одних ядер в другие, сопровождаемое испусканием различных частиц.
Правило смещения. Превращения ядер подчиняются так называемому правилу смещения, сформулированному впервые Содди: при -распаде ядро теряет положительный заряд 2е и масса его убывает примерно на четыре атомные единицы массы. В результате элемент смещается на две клетки к началу периодической системы. Символически это можно записать так:
Здесь элемент обозначается, как и в химии, общепринятыми символами: заряд ядра записывается в виде индекса слева внизу у символа, а атомная масса - в виде индекса слева вверху у символа. Например, водород обозначается символом . Для -частицы, являющейся ядром атома гелия, применяется обозначение и т. д. При -распаде из ядра вылетает электрон. В результате заряд ядра увеличивается на единицу, а масса остается почти неизменной:
Здесь обозначает электрон: индекс 0 вверху означает, что масса его очень мала по сравнению с атомной единицей массы, - электронное антинейтрино - нейтральная частица с очень малой (возможно, нулевой) массой, уносящая при -распаде часть энергии. Образованием антинейтрино сопровождается -распад любого ядра и в уравнениях соответствующих реакций эту частицу часто не указывают.
После -распада элемент смещается на одну клетку ближе к концу периодической системы. Гамма-излучение не сопровождается изменением заряда; масса же ядра меняется ничтожно мало.
Согласно правилу смещения при радиоактивном распаде сохраняется суммарный электрический заряд и приближенно сохраняется относительная атомная масса ядер.
Возникшие при радиоактивном распаде новые ядра могут быть также радиоактивны и испытывать дальнейшие превращения.
При радиоактивном распаде происходит превращение атомных ядер.
Какие из известных вам законов сохранения выполняются при радиоактивном распаде!
