prosdo.ru
добавить свой файл
1
Лекция №14


Естественная радиоактивность.

Закон радиоактивного распада
План лекции:


  1. Открытие радиоактивности

  2. Естественная радиоактивность

  3. Радиоактивное излучение и его виды

  4. Типы радиоактивного распада

  5. закон радиоактивного распада. Активность


Вопрос 1. Открытие радиоактивности
Открытие рентгеновских лучей произошло 8 ноября 1895г. Вильгельмом Конрадом Рентгеном (1845-1923гг.). 20 января 1896г. А. Пуанкаре на заседании Парижской академии рассказал об открытии новых лучей и продемонстрировал рентгеновские снимки, а также высказал предположение о том, что «рентгеновское излучение связано с флуоресценцией и, визуально, возникает всегда в люминесцирующих веществах и никакой катодной трубки для получения этих лучей не надо».

Среди участников заседания были Анри Беккерель, который решил проверить гипотезу А. Пуанкаре. Беккерель решил использовать соли урана. Отец и дед Беккереля в свое время занимались флуоресценцией и фосфоресценцией. Беккерель взял из коллекции своего отца двойной сульфат уранила калия. Обернув фотопластинку черной бумагой, он положил на нее крест, покрытый слоем урановой соли. Затем выставил на несколько часов на яркий солнечный свет. После проявления пластинки на ней было отчетливо видно изображение креста. Повторные опыты А. Беккереля (1852-198гг.) дали аналогичный результат. 24 февраля 1896г. он доложил академии о результатах опыта. Казалось, что гипотеза Пуанкаре подтверждается. Но осторожный Беккерель решил поставить контрольный опыт. В пасмурную погоду на проявленной пластинке обозначился силуэт того же креста. Минерал без предварительного освещения испускал невидимые лучи, действующие на фотопластинку через непрозрачный экран. Повторные опыты подтвердили тот факт, что соли урана сами по себе без всякого внешнего воздействия испускают невидимые лучи, засвечивающие фотопластинку и проходящие через непрозрачные слои. 2 марта 1896г. А. Беккерель сообщил о своем открытии. Длительный ряд экспериментов опроверг гипотезу Пуанкаре и показал, что только соединения урана могут испускать «лучи Беккереля», как впоследствии их стали называть.

Вопрос 2. Естественная радиоактивность
Вскоре в исследование нового загадочного явления включились супруги Пьер и Мария Кюри. Мария Склодовская – Кюри начала исследование радиоактивных явлений в конце 1897г., избрав изучение этих явлений темой своей докторской диссертации. Она впервые вводит в науку термин «радиоактивность». Вместе с Пьером Мария Склодовская открыла полоний, а затем и радий. Открытие полония и радия завершили новый этап в истории радиоактивности. В декабре 1903г. А. Беккерель, П. Кюри (1859-1906гг.) и М. Склодовская - Кюри (1867-1934гг.) были награждены Нобелевской премией.


Пьер Кюри (15.05.1859 - 19.04.1906) – французский физик, один из основателей учения о радиоактивности, член Парижской АН (1905). Родился в Париже. Окончил Парижский университет (1877), где в 1878-1883 годах работал ассистентом, в 1883-1904 годах - в Школе физики и химии (с 1895 года - заведующий кафедрой). В 1895 году женился на Марии Склодовской. С 1904 года - профессор Парижского университета. Трагически погиб в результате несчастного случая.



Пьер Кюри

(1859—1906)

Мария Кюри – физик и химик, одна из создателей учения о радиоактивности, первая женщина дважды лауреат Нобелевской премии, почетный член ста шести различных научных учреждений, академий и научных обществ. Вместе с мужем Пьером Кюри (1859 – 1906) в 1898 г. она открыла полоний и радий, исследовала радиоактивное излучение, ввела термин радиоактивность. В 1903 г. Мария и Пьер Кюри получили Нобелевскую премию по физике, а в 1911 г. Нобелевскую премию по химии.



Мария Кюри

(1867 – 1934)


Естественные радиоактивные элементы имеются в заметных количествах повсюду на Земле: в воде, в воздухе, в почве, в тканях живых организмов, в продуктах питания. Наиболее распространенными естественными радиоактивными изотопами являются калий – 40, углерод – 14 и радиоактивные изотопы семейства урана и тория.
Естественная радиоактивность встречается у неустойчивых ядер, существующих в природных условиях.

Под естественной радиоактивностью понимают явление самопроизвольного превращения атомных ядер неустойчивых изотопов в устойчивые, сопровождающееся испусканием частиц и излучением энергии.
Вопрос 3. Радиоактивное излучение и его виды
Радиоактивность сопровождается излучением. Опыты показали, что интенсивность излучения не зависит от внешних условий.

Она не изменяется при изменении температуры, давления, вида химического соединения, агрегатного состояния, под действием электрических и магнитных полей.

Радиоактивное излучение имеет сложный состав. В магнитном поле узкий пучок радиоактивного излучения расщепляется на три компонента: - лучи.



рис.1
Альфа – лучи

– лучи отклоняются электрическим и магнитным полями. Представляют собой поток атомных ядер гелия , называемых - частицами. На рис.1 показано отклонение а - частиц магнитным полем. Каждая а - частица несет 2 элементарных положительных заряда +2е и обладает массовым числом 4. -частицы вылетают из ядер радиоактивных элементов со скоростями от 14000 до 20000 км/с, что соответствует кинетическим энергиям от 4 до 9 МэВ, а также высокой ионизирующей способностью и малой проникающей (например, поглощаются слоем алюминия, толщиной 0,06мм или слоем биологической ткани толщиной 0,12мм).


Пролетая сквозь вещество, - частица ионизирует его атомы, действуя на них своим электрическим полем («выбивает» электроны из атомов вещества). Израсходовав энергию на ионизацию атомов - частица остановится; при этом она захватывает 2 электрона (из имеющихся в веществе свободных электронов) и превращается в атом гелия.

Путь, проходимый -частицей в веществе (до остановки), называется ее пробегом или проникающей способностью, а число пар ионов, создаваемых – частицей на пробеге, называется ионизирующей способностью. Очевидно, что чем больше ионизирующая способность частицы, тем меньше ее пробег.

Пробег – частиц в воздухе (при нормальном давлении) составляет ()См, а их ионизирующая способность равна () пар ионов (в среднем 30000 пар ионов на 1См пробега). Таким образом, -частица обладает высокой ионизирующей способностью, но небольшой проникающей способностью.
Бета – лучи

– частицы отклоняются электрическим и магнитным полями. Представляют собой поток быстрых электронов или позитронов (при искусственных превращениях ядер). Масса – частиц в 7350 раз меньше массы – частицы.


Средняя скорость – частицы составляет ~ 160000 Км/с. На рис.1 показано отклонение – частиц магнитным полем. В отличие от – излучения – излучение имеет сплошной энергетический спектр, т.е. содержит – частицы со всевозможными значениями энергии (или всевозможными значениями скорости). Ядра одного и того же радиоактивного элемента выбрасывают – частицы со скоростью, близкой к нулю, и со скоростью, близкой к скорости света.

Энергия – частиц лежит в пределах от сотых долей мегаэлектронвольт до нескольких мегаэлектронвольт. Ионизирующая способность в среднем в 100 раз меньше, а пробег во столько раз больше, чем у а - частицы. Пробег в воздухе – частиц ~ 40м, в алюминии – 2 см, в биологической ткани – 6 см.

излучения характеризуются сплошным энергетическим спектром. Энергия, уносимая – частицами из ядер, оказывается меньше энергии, испускаемой ядрами при – распаде. Этот экспериментальный факт не согласуется с законом сохранения энергии. В связи с этим В. Паули в 1931г. высказал гипотезу о том, что при каждом акте распада – частицы вместе с ней из ядра выбрасывается еще одна крайне легкая, незаряженная частица - нейтрино - . Экспериментально нейтрино было обнаружено в 1956г. американскими физиками Ф. Рейнсом и К. Коуэном. Масса нейтрино 0,0005 массы электрона. Поэтому нейтрино сложно обнаружить (почти неуловима).


Нейтрино и – частица совместно уносят из ядра всегда одну и ту же энергию. Но в различных актах – распада эта энергия распределится между нейтрино и – частицей по – разному (случайно), чем и объясняется сплошной спектр – излучения.
Гамма – лучи
лучи не отклоняются ни электрическим, ни магнитным полями, у - лучи представляют собой поток фотонов, имеющих очень высокую частоту – порядка Гц, что соответствует очень короткой длине волны – порядка м. Энергия гамма - квантов имеет порядок 1МэВ. Являясь крайне жестким электромагнитным излучением, – лучи во многом подобны характеристическим рентгеновским лучам.

Они не отклоняются электрическим и магнитным полями (рис.1), распространяются со скоростью света, при прохождении через кристаллы обнаруживают дифракцию. Но в отличие от рентгеновского излучения у - лучи испускаются атомным ядром (при его переходе из возбужденного состояния в нормальное).

Ионизирующая способность – лучей невелика: в воздухе она имеет порядок 100 пар ионов (в среднем () пары ионов на 1 см «пробега»). Но обладают высокой проникающей способностью (проходят через слой свинца толщиной 5см), а через слой воздуха толщиной в несколько сотен метров. Тело человека – лучи пронизывают насквозь.

Вопрос 4. Типы радиоактивного распада.
- Альфа - распад состоит в самопроизвольном превращении ядра с испусканием а - частицы.

Схему а - распада с учетом правила смещения записывают в виде:

2х-»£1¥+2а(1),где

X и Y - символы, соответственно материнского и дочернего ядра. Примером а - распада является превращение урана в торий:

2||U - 2ljTh + \а ;

или превращение полония в свинец

2S?Po-2g|Pb + Ja.

Как видим, химический элемент перемещается в таблице Менделеева на 2 клетки влево.

При a - распаде дочернее ядро может образоваться не только в нормальном, но и в возбужденных состояниях.

Так как они принимают дискретные значения, то и значения энергии а - частиц, вылетающих из разных ядер одного и того же радиоактивного вещества, дискретны. Энергия возбуждения дочернего ядра чаще всего выделяется в виде у

- фотонов. Именно поэтому а - распад сопровождается у -излучением.

Если дочерние ядра радиоактивны, то возникает целая цепочка превращений, концом которой является стабильное ядро.

- Бета - распад заключается во внутриядерном взаимном превращении нейтрона и протона.

1. электронный, или р - распад, который проявляется в вылете из ядра р - частицы (электрона). Энергии р т- частиц принимают всевозможные значения от 0 до Етах, спектр энергии сплошной (см. рис.2)

N "

О ^тах

Рис.

Это не соответствует дискретным ядерным энергетическим состояниям. В 1931г. В. Паули предположил нейтрино - д (см. выше). По предложению Э. Ферми, эта частица была названа нейтрино - д (од). Позже при р+ - распаде, а при Р" - распаде - антинейтрино -3.

Схема р~ - распада:

z*->zAY+-iP + d{2).

Например, \U -> jJHe + _?р + д, где _?р = _?е.

При р - распаде химический элемент перемещается в таблице Менделеева на одну клеточку вправо:

zX^z+iy+ie (3). Например, 2Цв\ -> 2%%Ро + ?е.


При р - распаде одна из нейтронов ядра превращается в момент распада в протон с одновременным образованием электрона и вылетом антинейтрино.

2. При искусственных превращениях ядер могут возникнуть
изотопы, испускающие радиоактивное излучение -
излучения. Они представляют собой позитрона, частицы,
отличающиеся знаком заряда и возникающие в результате
превращения протона в нейтрон:

\р -> Jn + +?е + ga, или I? -> jn + +?р + ga.

6 - излучение испускают ядра с относительным избытком нейтронов:

fx -> ZJ}Y + +0р + а (4), или иначе: £х -» Z_^Y + +?е + ga

Примером распада является превращение рубидия в криптон:

з?№ -> gKr + +?р + а, или *°Р - 3oSi + +ое + оа

Правила (1), (2) и (3), определяющие смещение радиоактивного элемента в периодической системе, называются законами смещения, которые были сформулированы в 1913г. немецким физиком и химиком К. Фаянсом и английским радиохимиком Ф. Содди.

3. Электронный захват заключается в захвате ядром одного
атома, в результате чего протон ядра превращается в
нейтрон:


}P+-?P^z-iY(5)

Схема электронного захвата:

^X+.;p->z4Y(6) Примером может быть превращение бериллия в литий:

2Be + _?R-4Li;

В зависимости от того, с какой внутренней оболочки захватывается электрон, различают К - захват, L - захват и т.д. При электронном захвате освобождаются места в электронной оболочке, поэтому этот вид радиоактивности сопровождается характерным рентгеновским излучением. Именно по рентгеновскому излучению и был открыт электронный захват.

При р - распаде возможно возникновение у - излучения.

13.5. Основной закон радиоактивного распада. Активность.

Радиоактивный распад - статистическое явление. Невозможно сказать, что произойдет с данным ядром: оно может как претерпеть распад, так и сохраниться целым независимо того, сколько времени оно вообще существует. Можно только утверждать, что имеется некоторая вероятность распада каждого радиоактивного элемента за определенный промежуток времени. Следовательно, изменение радиоактивности со временем должно подчиняться статистической закономерности.


Одной из основных характеристик радиоактивного элемента является величина, которая определяет вероятность распада каждого отдельного атома за секунду - постоянная радиоактивного распада - Л.


Скорость распада различных радиоактивных элементов различна и характеризуется периодом полураспада.

Период полураспада - Т - промежуток времени, за который радиоактивное вещество распадается наполовину (см. рис.3).

Если в начальный момент времени t0 = 0 было N0 радиоактивных ядер, то через период полураспада tx = Т число ядер стало Ыг = —.

станет N2 = -~ = -г-



> т

Спустя еще такой же интервал времени t2 = 2Т число ядер

No

2 2 4 22 '

По истечении t=n*T радиоактивных атомов останется N = ~. Поскольку п = ^, то:

N = N0 х 2 (7) - одна из форм записи основного закона радиоактивного распада.

Иначе закон (7) можно представить через постоянную радиоактивного распада - Л. Так как X = ~ = ~~ то

N = N0 х e~At(8).

Величина, обратно пропорциональная постоянной распада, представляет среднее время жизни радиоактивного атома:

Следовательно: T= т x In x 2, откуда

* = £ = Ш = 1'44ТС10)-

т.е. среднее время жизни приблизительно в 1,5 раза больше периода полураспада.

Значения Т, А и т у различных радиоактивных электронов весьма различны. Например, у урана - 238 период полураспада Т=4,5х 109 лет, а у полония -214 только 1,5х 10"4с. Все изотопы элементов с порядковым номером большим 83 радиоактивна.

Активность - А радиоактивного вещества характеризует число распадов ядер за 1с.

Единицей активности является беккерель Бк=1 расп/с.

Литература:

Р.И. Грабовский. Курс физики. - СПо\- М.- Краснодар: Изд-во «Лань», 2006г.

В.Ф. Дмитриева. Физика.- М: Изд-во «Высшая школа», 2001.


И. И. Наркевич и др. Физика - Мн.: Издательство ООО «Новое знание», 2004г.

Л.А. Аксенович, Н.Н. Ракина. Физика. - Мн.: Изд-во «Дизайн про»,2001 г.

П.С. Кудрявцев. Курс истории физики. - М.: Изд.-во «Просвещение», 1974г.

И. А. Андрюшин и др. Укрощение ядра. Страницы истории ядерного оружия и ядерной инфраструктуры СССР - Саратов, 2003г.

«Альтернатива газу», С. Васильцов - Экономическая газета №80 (797) от 19.10.2004г.