Радиоактивность

Радиоактивность
История открытия
Явление радиоактивности было открыто
в 1896 году французским физиком
А. Беккерелем.
Он обнаружил, что соли урана испускают
неизвестное излучение, способное
проникать через непрозрачные для света
преграды и вызывать почернение
фотоэмульсии.
Антуан Анри Беккерель
Изображение фотопластинки
Беккереля, которая была засвечена
излучением солей урана.
Ясно видна тень металлического
мальтийского креста, помещённого
между пластинкой и солью урана.
История открытия
В ходе своих экспериментов он обнаружил следующие
черты нового явления.
 Новые лучи могут проникать сквозь предметы и
ионизировать воздух.
 Засвечивают фотопластинку только те вещества,
которые содержат уран.
 Интенсивность излучения зависит только от
количества урана в веществе.
 Само химическое соединение при этом роли не
играет. Максимально интенсивным является
излучение чистого урана.
Новое явление было впоследствии названо
радиоактивностью.
Из опытов Беккереля следовало, что радиоактивность
есть свойство химического элемента урана самого по
себе — то есть свойство, которым обладают атомы урана.
История открытия
Уран оказался не единственным
радиоактивным элементом.
Мария Склодовская-Кюри спустя два
года после открытия Беккереля
обнаружила аналогичное излучение
тория.
Вместе с мужем, Пьером Кюри, они
открыли новый радиоактивный
химический элемент — полоний.
Наконец, вручную переработав 11
тонн руды, Мария СклодовскаяКюри получила маленькую капельку
чистого радия, который излучал в
три миллиона раз интенсивнее
урана.
В 1903 году Мария и Пьер Кюри совместно с Анри
Беккерелем получили Нобелевскую премию по физике «за
выдающиеся заслуги в совместных исследованиях явлений
радиации»
Опыт Резерфорда
Э. Резерфорд и его ученики
установили, что
радиоактивное излучение
неоднородно и в магнитном
поле разделяется. Также
они определили, что в состав
водят его α и β- лучи.
В 1900г французский физик
П. Вилард обнаружил
третью составляющую .
Это были γ- лучи.
Виды радиоактивного излучения
1.
Положительно заряженной компоненте была присвоена буква α; её
называли α-излучением, α-лучами или потоком α-частиц.
Альфа-лучи достаточно слабо отклонялись магнитным полем.
Тщательные исследования Резерфорда показали, что α-частицы — это
полностью ионизованные атомы гелия, то есть ядра гелия.
Слабее всего проникают сквозь вещество: они не могут, например, пройти
через лист бумаги.
2. Отрицательно заряженная компонента была названа β-излучением (или
β-лучами).
Они отклонялись магнитным полем значительно сильнее, чем α-частицы.
Бета-лучи оказались потоком электронов, мчащихся со скоростями,
близкими к скорости света.
Сильнее поглощаются веществом : тут хватит нескольких миллиметров
свинца, чтобы поглотить их полностью.
3. Нейтральная компонента получила название γ-излучения (или γлучей).
Гамма-лучи оказались электромагнитными волнами чрезвычайно
высокой частоты — выше, чем у рентгеновского излучения1 .
Соответственно, проникающая способность гамма-лучей также больше,
чем у рентгеновских лучей.
Среди трёх компонент радиоактивного излучения наибольшей
проникающей способностью также обладают гамма-лучи — они могут
пробиться сквозь слой свинца толщиной в несколько сантиметров.
Радиоактивные превращения
Во втором десятилетии XX века, после открытия
Э. Резерфордом ядерного строения атомов было
твердо установлено, что радиоактивность –
это свойство атомных ядер.
Радиоактивность — это способность атомов
некоторых изотопов самопроизвольно
распадаться, испуская излучение.
Ядра атомов радиоактивных элементов являются
нестабильными.
Каждое такое ядро в некоторый момент
распадается, поэтому явление радиоактивности
называют ещё радиоактивным распадом.
α-распад
Альфа-распадом называется самопроизвольное
превращение атомного ядра с числом протонов Z и
нейтронов N в другое (дочернее) ядро, содержащее число
протонов Z – 2 и нейтронов N – 2.
4
При этом испускается α-частица – ядро атома гелия 2 He
Примером такого процесса может служить α-распад радия:
226
88
Ra  Rn  He
222
86
4
2
α-распад ядер во многих случаях сопровождается γизлучением
β-распад
 При бета-распаде из ядра вылетает электрон.
 Внутри ядер электроны существовать не могут, они возникают при βраспаде в результате превращения нейтрона в протон.
 Этот процесс может происходить не только внутри ядра, но и со
свободными нейтронами.
 Среднее время жизни свободного нейтрона составляет около 15 минут.
 При распаде нейтрон превращается в протон и электрон.
 Измерения показали, что суммарная энергия протона и электрона,
возникающих при распаде нейтрона, меньше энергии нейтрона.
 В 1931 году В. Паули высказал предположение, что при распаде
нейтрона выделяется еще одна частица с нулевыми значениями
массы и заряда, которая уносит с собой часть энергии. Новая частица
получила название нейтрино (маленький нейтрон).
 Из-за отсутствия у нейтрино заряда и массы эта частица очень слабо
взаимодействует с атомами вещества, поэтому ее чрезвычайно трудно
обнаружить в эксперименте.
 Ионизирующая способность нейтрино столь мала, что один акт
ионизации в воздухе приходится приблизительно на 500 км пути. Эта
частица была обнаружена лишь в 1953 г.
1
0
~
n p  e  
1
1
0
1
0
0
γ-распад
В отличие от α- и β-радиоактивности, γрадиоактивность ядер не связана с изменением
внутренней структуры ядра и не сопровождается
изменением зарядового или массового чисел.
Как при α-, так и при β-распаде дочернее ядро
может оказаться в некотором возбужденном
состоянии и иметь избыток энергии.
Переход ядра из возбужденного состояния в
основное сопровождается испусканием одного
или нескольких γ-квантов, энергия которых
может достигать нескольких МэВ.
Правило смещения
После α-распада элемент смещается на две
клетки назад, то есть к началу
периодической системы.
A
A 4
4
0
Z
Z 2
2
0
X
226
88
Ra 
Y  
222
86
Rn  He
4
2
После β-распада элемент смещается на одну
клетку вперёд, то есть к концу периодической
системы.
A
Z
60
27
~
X  Y  e   
Co Ni  e   
A
Z 1
60
28
0
1
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
Закон радиоактивного распада
Нестабильное ядро распадается самопроизвольно.
Ядра каждого элемента обладают определённым
средним временем жизни, характерным для данного
элемента.
Опыт показывает, что распад радиоактивного элемента
происходит со строго определённой, присущей именно
этому элементу скоростью.
Период полураспада — это время, в течение которого
распадается половина имеющихся радиоактивных
атомов.
Например, период полураспада урана
U(238) - 4,5 млрд. лет,
радия Ra(226) — 1600 лет,
полония Po(210 ) — 138 дней
инертного газа радона Rn(222 ) -3,8 суток.
Закон радиоактивного распада
В любом образце радиоактивного вещества содержится огромное число
радиоактивных атомов.
Закон убывания количества N (t) нераспавшихся к данному моменту
времени t ядер может служить важной статистической характеристикой
процесса радиоактивного распада.
Пусть за малый промежуток времени Δt количество нераспавшихся
ядер N (t) изменилось на ΔN < 0.
Так как вероятность распада каждого ядра неизменна во времени, что
число распадов будет пропорционально количеству ядер N (t) и
промежутку времени Δt:
ΔN = –λN (t) Δt
Коэффициент пропорциональности
ядра за время Δt = 1 с.
ΔN
= –λN
Δt
λ
– это вероятность распада
Эта формула означает, что скорость изменения
функции N (t) прямо пропорциональна самой
функции.
ΔN
= –λN(t)
Δt
Решение этого уравнения приводит к экспоненциальному
закону:
N(t) = N0 e–λt
где N0 – начальное число радиоактивных ядер при t = 0.
1
За время τ = количество нераспавшихся ядер уменьшится в e ≈ 2,7 раза.
λ
Величину τ называют средним временем жизни радиоактивного ядра.
Для практического использования закон радиоактивного распада
удобно записать в другом виде, используя в качестве основания число
2, а не e:
t
−
N=N0 ·𝟐 T
- закон радиоактивного распада
Величина T называется периодом полураспада.
За время T распадается половина первоначального количества радиоактивных
ядер. Величины T и τ связаны соотношением
1
T = ln 2 = τ ln 2= 0,693 τ
λ
Закон радиоактивного распада
Пусть через время t1 = T количество оставшихся атомов будет
равно
N
N1 = 0 =N0 ·2−1 .
2
Через время t2 = 2T количество оставшихся атомов будет равно
N0
N2 =
=N0 ·2−2 .
4
Через время t3 = 3T количество оставшихся атомов будет равно
N0
N3 =
=N0 ·2−3
8
Становится ясно, что через время tk = kT количество оставшихся
атомов будет равно
Nk =N0 ·2−𝑘
t
Поставляя сюда k = 𝑘,
−
T
t
t
− 𝑘
получим: Nk =N0 ·2 T
N=N0 ·𝟐 T - закон
радиоактивного распада
Закон радиоактивного распада
t
−
N=N0 ·𝟐 T
Период полураспада – основная величина, характеризующая скорость процесса.
Чем меньше период полураспада, тем интенсивнее протекает распад. Так, для
урана T ≈ 4,5 млрд лет, а для радия T ≈ 1600 лет. Поэтому активность радия
значительно выше, чем урана. Существуют радиоактивные элементы с периодом
полураспада в доли секунды.
Интересным применением радиоактивности является метод
датирования археологических и геологических находок по
концентрации радиоактивных изотопов.
Наиболее часто используется радиоуглеродный метод
датирования.
14
Нестабильный изотоп углерода 6 С возникает в атмосфере
вследствие ядерных реакций, вызываемых космическими
лучами.
Небольшой процент этого изотопа содержится в воздухе наряду
с обычным стабильным изотопом 12С .
6
Растения и другие организмы потребляют углерод из воздуха, и
в них накапливаются оба изотопа в той же пропорции, как и в
воздухе.
После гибели растений они перестают потреблять углерод и
нестабильный изотоп в результате β-распада постепенно
превращается в азот 147 N с периодом полураспада 5730 лет.
Путем точного измерения относительной концентрации
радиоактивного углерода в останках древних организмов
можно определить время их гибели.
232
1.а) Радиоактивный 90
Th превращается в
Задачи
216
.
84
Po
Сколько при этом произошло α и β превращений?
а) 2α и 2β б) 4α и 2β в) 2α и 4β г) 4α и 6β
б) При радиоактивных превращениях
ядра 239
произошло 8α -распадов и 6 β -распадов.
92 U
В результате образовалось ядро какого элемента?
Напишите реакцию распадов.
239
92
8α
207
76
6β
U
X
207
76
207
82
4
+
8
X
2 He
0
1
Pb + 6 e
2. Период полураспада радия T = 1600 лет.
Через какое время число атомов
уменьшится в 4 раза?
3. Во сколько раз уменьшится число атомов
одного из изотопов радона за 1,91 сут.?
Период полураспада этого изотопа радона Т
= 3,82 сут.
4. Некоторый изотоп A подвержен β-распаду, в
результате чего образуется изотоп B, не обладающий
никакой радиоактивностью, и имеет период
полураспада T= 2 дня. Взяли 200 г изотопа. Сколько
изотопа В останется через 6 дней.
Решение:
Обратим внимание, что при β-распаде масса не меняется, что означает, что
суммарная масса вещества остаётся неизменной.
Рассчитаем количество вещества А, оставшееся нераспавшимся через данный
промежуток времени.
mA  mА0  2

t
T
 200  2
Тогда
mВ=200-25=175 г

6
2
1
 200  2  200   25г
8
3
Во сколько раз число распадов ядер радиоактивного
йода 131I в течение первых суток больше числа
распадов в течение вторых суток? Период
полураспада изотопа 131I равен 193 часам.
Решение:
Из закона радиоактивного распада N(t) = N0e-λt следует, что в
течение первых суток (первых 24 часов) распалось
N1 = N0(1 - e-24λ) ядер.
В течение вторых суток распалось N2 = N0(1 - e-24λ)e-24λ ядер.
Отношение числа распадов за первые сутки к числу распадов за
вторые сутки ,
N1 24λ 24ln2/T1/2
=e =е
N2
где T1/2 - период полураспада 131I в часах, связанный с λ
соотношением T1/2 = ln2/λ= 0.693/λ.
N1 24λ 24×0,693/T1/2
=e =е
=1,09
N2
Определить, какая часть (%) начального количества
ядер радиоактивного изотопа останется
нераспавшейся по истечении времени t, равного двум
средним временам жизни  радиоактивного ядра.
Решение:
t  2 
2

N
 e t  e
No

2

 e 2  0,135  13,5%