Открытие радиоактивности. Естественная радиоактивность и ее виды. Закон радиоактивного распада
Виды радиоактивных излучений. В 1896 г. французский физик А. Беккерель установил, что некоторые встречающиеся в природе минералы (соли урана) испускают лучи, которые не были к тому времени известны.
Вещества, испускающие особые излучения, были названы радиоактивными, а свойство вещества, связанное с наличием этих излучений, — радиоактивностью.
Изучением радиоактивности занялись Мария и Пьер Кюри, Эрнест Резерфорд и другие ученые. Супруги Кюри обнаружили, что некоторые урановые руды обладают способностью испускать излучение, в несколько раз превосходящее по интенсивности излучение урана. Они выделили из этих руд новые химические элементы — радий [pic]
и полоний . [pic]
Через несколько лет после открытия Беккереля было установлено, что радиоактивное излучение по составу неоднородно. С помощью установки, схема которой изображена на рис., было обнаружено, что излучение, испускаемое радиоактивным элементом, в магнитном поле разделяется на три вида, которые назвали α, β- и γ-лучами. По направлению отклонения лучей в магнитном поле можно сделать вывод, что α-лучи — это поток частиц, имеющих положительный заряд, β-лучи —
отрицательный заряд, γ-лучи, на которые магнитное поле не действует, — нейтральны. Дальнейшие исследования показали: [pic]
• альфа-лучи — это поток α-частиц, представляющих собой ядра гелия ; [pic]
• β бета-лучи — это поток электронов, скорость которых близка к скорости света в вакууме;
• γ гамма-лучи — это электромагнитное излучение, частота которого превышает
частоту рентгеновского излучения.
Альфа-излучение представляет собой поток быстро летящих положительно запряженных ядер гелия. Альфа-излучение наблюдается, как правило, у тяжелых радиоактивных элементов (радий, уран и др.). Ионизирующая способность альфа-частицы огромна; на своем пути в воздухе она образует до 150 000—200 000 пар ионов. В то же время проникающая способность альфа-лучей ничтожна; в воздухе они пробегают до 9 см, в воде и тканях тела — лишь несколько десятков микрон. Лист бумаги или алюминиевая фольга толщиной 0,05 мм задерживает альфа-излучение. Поэтому внешнее облучение альфа-лучами не представляет опасности; достаточно отдалить источник на несколько сантиметров от тела или установить между ними тонкий экран, чтобы излучение было полностью поглощено. Однако при попадании внутрь организма альфа-излучатели вследствие большой ионизирующей силы являются наиболее опасными; вся энергия их излучения поглощается в малом объеме ткани и дает интенсивный эффект. Поэтому при одном и том же количестве поглощенной тканями энергии альфа-излучение дает в 10 раз больший биологический эффект, чем гамма и бета-излучение.
Бета-излучение представляет собой поток быстролетящих электронов с различной энергией. Среди естественных и искусственных радиоактивных изотопов многие распадаются с образованием бета-излучения. Бета-излучение вызывает во много раз большую ионизацию среды, чем гамма-излучение. Но бета-излучение обладает меньшей проникающей способностью, чем гамма-лучи. В зависимости от энергии электронов пробег их в [link] от долей миллиметра до 15 м, в воде и тканях человеческого тела—в среднем 4-10 мм при максимуме 17,4 мм. Слой стекла, плексигласа или алюминия толщиной в несколько миллиметров полностью задерживает бета-излучение. В связи с указанными свойствами бета-излучатели значительно опаснее при попадании внутрь организма, чем при внешнем облучении его. В последнем случае они сильнее всего воздействуют на глаза и кожные покровы.
Гамма-излучение представляет собой поток фотонов электромагнитного излучения. Гамма-излучение по сравнению с другими имеет наименьшую ионизирующую силу. Гамма-лучи обладают большой проникающей способностью: в воздухе они пробегают десятки и сотни метров, пронизывают человеческое тело и даже слой свинца толщиной в несколько сантиметров не задерживает их полностью. Поэтому радиоактивные изотопы гамма-излучатели могут оказывать действие на человеческий организм не только в том случае, если они проникли внутрь его через легкие, пищеварительный тракт или поврежденную кожу (внутреннее облучение), но и тогда, когда они находятся вне организма даже на значительном расстоянии от него (внешнее облучение).
Исследования показали, что радиоактивность сопровождается превращением
химических элементов и не зависит от того, находится вещество в виде чистого элемента или соединения, а также от внешних условий (температуры, давления и др.). Отсюда следует, что радиоактивность является свойством атомных ядер.
Самопроизвольное превращение одних атомных ядер в другие называется естественной радиоактивностью.
Правила смещения. Превращения атомных ядер, сопровождающиеся α- и β- излучениями, называют α- и β-распадами соответственно. Ядро, испытывающее радиоактивный распад, называют материнским; ядро, возникающее после распада, — дочерним. Испускание ос-частицы материнским ядром приводит к образованию дочернего ядра, массовое число которого меньше на 4 единицы, а зарядовое —
меньше на 2 единицы, чем у исходного ядра, т. е. в результате α-распада порядковый номер элемента в таблице Менделеева уменьшается на две единицы. Например, при испускании α-частицы ядром радия [pic]
(Z = 88, А = 226) возникает ядро радона
(Z = 86, А = 222):
[pic]
Бета-распад не изменяет массового
числа, а зарядовое увеличивается на 1,
т. е. порядковый номер элемента возрастает на одну единицу. Например, при β-распаде ядра возникает
ядро: [pic] [pic] [pic]
При β-распаде в ядре происходит превращение нейтрона в протон. Гамма-излучение сопутствует перегруппировке нуклонов внутри ядер, при которой числа Z(число протонов) и А(массовое число, равное сумме протонов и нейтронов в ядре атома) не меняются.
В общем виде смещение ядер в Периодической системе элементов при радиоактивных распадах подчиняется правилам (правила смещения), которые записываются так: [pic]
при α-распаде
при β-распаде [pic]
Здесь X — символ химического элемента, соответствующего материнскому ядру;
Y — то же для дочернего ядра; — ядро изотопа гелия; — символ
электрона. [pic] [pic]
Получившееся в результате радиоактивного распада дочернее ядро может также оказаться радиоактивным и т. д. В результате возникает целый ряд радиоактивных превращений элементов.
В природе известны три радиоактивных ряда (или семейства), родоначальниками которых являются изотопы [pic]
Конечными продуктами во всех случаях являются изотопы свинца.
Правила смещения вытекают из законов сохранения заряда и массового числа при радиоактивных распадах. Ядерные спектры. Опытами установлено, что
γ-излучение не является самостоятельным видом радиоактивности. Гамма-излучение сопровождает процессы α- и β-радиоактивных распадов. Рассмотрим, как ядро испускает γ излучение.
Пусть материнское ядро, испустив α-частицу, превращается в дочернее ядро. Последнее, как правило, находится в возбужденном состоянии. Переходя в нормальное или в менее возбужденное состояние, дочернее ядро испускает γ-фотон. Разность энергий между возбужденным и нормальным состоянием дочернего ядра равна энергии излученного у-фотона. Механизм испускания γ-фотонов ядром такой же, как и механизм излучения фотонов атомом, который, переходя из возбужденного состояния в нормальное, испускает фотон оптического или рентгеновского излучения. Однако энергия γ-фотонов гораздо больше, чем энергия оптических фотонов. Это связано с гораздо большими разностями в энергетических уровнях ядра по сравнению с разностью уровней электронных оболочек атома. Электронные энергетические уровни в атоме раздвинуты на энергии порядка 1 эВ, энергии же ядерных уровней раздвинуты примерно на 0,1 МэВ.
Измерение энергии γ-фотонов показало, что энергетический спектр γ-фотонов является линейчатым.
Закон радиоактивного распада. Для характеристики продолжительности жизни радиоактивных ядер вводится величина, называемая периодом полураспада Т1/2).
Период полураспада — это время, в течение которого распадается половина первоначального числа радиоактивных ядер.
Очевидно, что период полураспада Т1/2 равен также времени, по прошествии которого нераспавшейся остается половина исходного количества ядер.
Периоды полураспада радиоактивных изотопов лежат в широком диапазоне, например: для изотопа свинца = 1,4 10 лет, для изотопа полония = 3 10 7 с. [pic] [pic]
Из-за относительно малого периода полураспада химические элементы, расположен- ные в периодической системе за ураном (трансурановые), не сохранились в земной коре. Химические элементы с Z > 92 получают искусственным путем. [pic]
Закон радиоактивного распада записывается в виде [pic]
где N0 — начальное число радиоактивных ядер в момент времени, с которого начинается наблюдение,
N — число ядер, не испытавших распада до некоторого произвольного момента времени t,
Tl/2 — период полураспада.
На рис. приведен график, иллюстрирующий закон радиоактивного распада: по
оси ординат отложено число радиоактивных ядер, по оси абсцисс — время. Как видно из
графика, число нераспавшихся ядер в течение любого интервала времени, равного периоду полураспада, уменьшается в 2 раза. Закон радиоактивного распада является статистическим, т. е. он выполняется для большого числа ядер. Чем больше будет общее число исходных ядер, тем точнее выполняется этот закон. Для малого числа ядер этот закон применять нельзя.
Выполнить задание:
Закончить предложение:
а)Самопроизвольное превращение одних атомных ядер в другие называют _______;
б)Правила смещения- следствие законов_____________________________________ ;
в) Период полураспада- ________________________________________________;
г) При β-распаде в ядре происходит превращение _____________________________ ;
д) Материнским ядром называется__________________________________;
у) Дочерним называется ядро___________________________________________;
Ответить на вопросы:
а) На рисунке изображена схема опытов но исследованию радиоактивных излучений в электрическом и магнитном полях. Каковы направления отклонения α-, β- и γ-лучей? Изобразите па рисунке. [pic]
Б) Записать закон радиоактивного распада: где [pic]
в) Можно ли ускорить радиоактивный распад?
г) Как изменяется заряд и масса ядра при α-распаде?
д) Какие процессы происходят в ядре при γ-излучении?
е) Напишите, ядра каких элементов образуются в результате радиоактивного распада:
[pic]
Заполнить таблицы
[pic]
[pic]
