Содержание:

Среди 2500 известных атомных ядер больше 90% нестабильны.

Определение 1

Радиоактивность —способность одних ядер атомов, нестабильных, самопроизвольно преобразовываться в другие ядра. В процессе превращения происходит испускание частиц.

Нестабильность больших ядер появляется из-за двух типов взаимодействия: притяжения нуклонов за счёт ядерных сил и кулоновского отталкивания протонов. Число Z (количество протонов) и число А (общая сумма количества нейтронов и протонов) хорошо характеризуют свойства ядер, среди которых не существует стабильных при значениях Z>83 и А<209. Но радиоактивными не обязательно будут только эти ядра, свойство радиоактивности может наблюдаться и у веществ со значительно меньшими значениями A, Z. 

Для ядра, в котором протонов больше чем нейтронов, нестабильность вызывается избыточной энергией кулоновского взаимодействия. В других ядрах, где количество нейтронов превышает число протонов, избыток энергии появляется из-за разницы масс нейтронов и протонов. Чем больше масса ядра, тем больше его энергия.

Радиоактивность, как явление, была впервые обнаружена в 1896 году А. Беккерелем. Физик установил, что соли урана создают неизвестное излучение. Оно способно проходить сквозь преграды, проникать через препятствия из непрозрачных материалов. Также, действие излучения в его опытах вызывало почернение фотоэмульсии. 

Вскоре, всего через два года, аналогичные свойства — способность испускать излучение — были обнаружены у таких элементов, как полоний и радий. Открытие принадлежит французским физикам Марии и Пьеру Кюри.

В последствие к изучению нового свойства вещества присоединились ученые по всему миру. Исследования показали, что ядра способны испускать три типа излучений. Первый — положительно заряженные частицы. Второй — заряженные отрицательно. Третий тип не содержит заряженных частиц.

Определение 2

α-,  β- и  γ-излучения — потоки частиц, которые способны испускать радиоактивные ядра.

Сложный состав радиоактивного излучения был обнаружен в ходе эксперимента. Поток пропустили между двумя магнитами с разными полюсами. Проходя сквозь постоянное магнитное поле потоки отклонились в противоположных направлениях, при этом β-излучение ушло гораздо дальше, а γ-поток совсем не отклонился. 

При дальнейшем изучении свойств радиоактивных излучений удалось выяснить, что они значительно отличаются по проникающей способности и по возможности ионизировать атомы различных веществ. Выяснилось, что самая маленькая проникающая способность у α-лучей. Даже в обычном воздухе, при нормальных условиях они способны преодолеть путь всего в пару сантиметров. Более устойчивым оказался поток β-частиц. Он гораздо меньше поглощается веществом и может проникать уже сквозь листы металла, например, алюминия в несколько миллиметров. Меньше всего рассеиваются γ-лучи. Они легко проходят даже через свинец толщиной до 10 сантиметров.

Радиоактивность — свойство атомного ядра. Но это было установлено далеко не сразу, а только после исследований, давших понимание о строении атомов. Важную роль в то, что открытие состоялось, сыграли работы Э. Резерфорда.

Определение 3

α-частицы — ядра гелия — из них состоит α-излучение. Поток β-частиц — это электроны. γ-лучи — электромагнитные волны с очень небольшой длиной — менее 10-10 метра. С маленькой длиной волны связано то, что излучение ведёт себя словно поток частиц и обладает хорошо выраженными корпускулярными свойствами. По этой причине появилось представление о γ-излучении, как о потоке γ-квантов. Такой подход упрощает понимание его свойств и позволяет более точно предсказывать его поведение.

Чтобы лучше понять характеристики всех типов излучений, появляющихся при радиоактивном распаде, рассмотрим их по отдельности.

Альфа-распад

Определение 4

Альфа-распад - превращение ядра атома в более легкое ядро. Такой процесс происходит самопроизвольно, при этом образующееся новое ядро обладает меньшим количеством элементарных частиц. Если изначально было Z протонов и N нейтронов, то у появившегося ядра, число протонов и нейтронов будет Z-2 и N-2. Превращение сопровождается испусканием потока α-частиц — ядер гелия 42He.

Пример 1

Хорошо демонстрирует альфа-распад такой элемент как радий:

22688Ra $\mapsto$ 22286Rn + 42He

Впервые процесс был изучен Резерфордом. В последствии физик использовал альфа частицы в экспериментах по рассеиванию на ядрах тяжёлых элементов. 

Для эксперимента необходимо было установить скорость движения α-частиц. Она может вычисляться исходя из известных масс первоначального и нового ядер, а также зная массу ядра гелия. Скорость α-частицы очень велика, но составляет всего 1/20 часть от скорости света, поэтому для расчётов допустимо применять нерелятивистские выражения. Для вычислений была измерена кривизна траектории в магнитном поле и установлено, что скорость частиц составляет 1,5∙107 м/с, а кинетическая энергия около 4,8 МэВ или 7,5∙10-13 Дж.

В ходе дальнейших опытов установили — вещество, обладающее радиоактивными свойствами, может продуцировать α-частицы только с определёнными уровнями энергии. Объяснение этого заключается в том, что ядра, также как атомы, могут существовать в различных возбуждённых состояниях. Тогда при распаде ядра первоначального вещества α-излучение будет обладать меньшей энергией, а дочернее ядро получится не в основном, а в возбуждённом состоянии. Но эта фаза продлится не долго, так как ядро выделит γ-лучи и перейдёт в свое основное, более стабильное состояние. Поэтому α-распад чаще всего происходит с одновременным испусканием γ-излучения.

Теория α-распада предполагает, что в ядрах возможно появление групп элементарных частиц, в которые входят 2 протона и 2 нейтрона (задел для создания α-частиц). При этом элементы будут существовать в потенциальной яме, обусловленной влиянием ядра атома. Энергии частиц не хватает, чтобы преодолеть потенциальный барьер.

Определение 5

Появление α-излучения обусловлено таким явлением квантовой механики, как туннелирование. В рамках теории квантовой механики утверждается, что вероятность того, что частица пройдёт под потенциальным барьером не равна нулю. Это и есть туннельный эффект, его проявление имеет вероятностный характер.

Бета-распад

При бета-распаде происходит испускание ядром потока электронов. Однако, в самом ядре электронов нет, они являются всего лишь следствием β-распада, в ходе которого осуществляется превращение нейтронов в протоны. Подобные процессы идут не только внутри ядра, но и вне его, когда процесс касается свободных нейтронов. Время жизни такой частицы составляет в среднем 15 минут, а в результате радиоактивный распад превращает нейтрон в протон и электрон.

Определение 6

>Нейтрино — частица, открытая в 1953 году, отличительная её особенность — нулевые значения массы и заряда. Возникает в результате распада нейтрона.

Фактически из-за отсутствия заряда и массы нейтрино не может взаимодействовать с атомами. Поэтому частицу крайне трудно обнаружить во время экспериментов. Несмотря на то, что частица обладает ионизирующей способностью, она очень мала. На каждые 500 км, пролетаемые нейтрино приходится всего один акт ионизации. За годы исследований учёные смогли узнать, что существует несколько типов нейтрино.

Определение 7

Один из типов называется частиц, возникающих при распаде нейтрона, называется электронный антинейтрино $_0^0\tilde{\upsilon}$

Распад нейтрона записывается так:

$_0^1n\mapsto_1^1\rho+_{-1}^{0}e+_0^0\tilde{\upsilon}$

При β-распаде аналогичные явления можно обнаружить в ядрах атомов. Если внутри него происходит распад нейтрона, то получившийся электрон сразу же выбрасывается наружу с огромной скоростью, практически совпадающую со скоростью света. Но следует отметить, что скорости β-электронов находятся в широком диапазоне значений, так как распределение выделяющейся при распаде энергии имеет неравномерный характер, поэтому нейтрино, ядро и электрон получают случайное её количество.


Warning: file_put_contents(./students_count.txt): failed to open stream: Permission denied in /var/www/webmath-q2ws/data/www/webmath.ru/poleznoe/guide_content_banner.php on line 20
236
проверенных автора готовы помочь в написании работы любой сложности
Мы помогли уже 4 459 ученикам и студентам сдать работы от решения задач до дипломных на отлично! Узнай стоимость своей работы за 15 минут!

Пример 1

Характерные процессы идут β-распада идут при превращении изотона тория в проактиний. 

23490Th$\mapsto$ 23491Pa + 0-1e +_0^0\tilde{\upsilon}_{e}

В этом случае происходит повышение зарядового числа Z на одну позицию. Одновременно, общее массовое число A не меняется. Получившееся ядро (дочернее) станет ядром изотопа элемента, номер которого в таблице Менделеева находится на одну позицию выше, чем номер дочернего ядра.

Вместе с β-распадом электронного типа существует и другое явление β+-распад позитронного типа. В его ходе ядро испускает нейтрино и позитрон.

Определение 8

Позитрон — частица-двойник электрона, которая отличается только знаком заряда.

Аналитически существование позитрона было предсказано П. Дираком в 1928 году. Частица была обнаружена через несколько лет при анализе состава космических лучей. Схема по которой появляются позитроны выглядит следующим образом:

$_1^1p\mapsto_0^1$

$_{1}^{0}e+_0^0\tilde{\upsilon}_{e}$

Гамма-распад

Отличие γ-радиоактивности от α- или β-распада заключается в том, что она не имеет отношения к изменению внутренней структуры ядер. При продуцировании гамма-излучения не происходит изменения Z или A чисел. 

γ-излучение появляется в случае если при α- или β-распаде получившееся ядро (дочернее) переходит в какое-либо возбуждённое состояние, получает лишнюю порцию энергии. Затем происходит ещё один переход, уже из возбужденного состояния в основное. При этом лишняя энергия выделяется в виде потока γ-квантов. При этом выделяемая энергия может достигать нескольких МэВ.

Закон радиоактивного распада

В составе любого радиоактивного вещества можно обнаружить большое количество радиоактивных атомов. Так как радиоактивный распад – это явление случайного характера и практически не зависит от внешних условий, то определение количества целых, нераспавшихся к заданному моменту времени ядер, обозначаемого как N(t), становится одной из основных задач при изучении характеристик процесса радиоактивного распада.

Составим уравнение, которое позволит рассчитать заданную величину. Если допустить, что количество целых ядер N(t) за небольшое время Δt изменится на величину ΔN<0, то можно установить зависимость следующего характера:

$\triangle N=-\lambda N(t)\triangle t$,

То есть число распадов оказывается пропорционально числу ядер N(t), а также промежутку времени Δt.

Определение 9

Вводится понятие — коэффициент пропорциональности λ, который характеризует вероятность распада ядра за период времени составляющий 1 секунду.

Получив такую зависимость не трудно сделать вывод, что dN/dt — скорость изменения параметра N(t), является величиной, пропорциональной самой этой функции. 

$\frac{\text{d}N}{\text{d}t}=-\lambda N$

Аналогичная зависимость может наблюдаться и в других физических процессах, например она имеет место при разрядке конденсаторов через резистор. Решая полученное уравнение, получаем следующую запись:

$N(t)=N_{0}e^{-\lambda t}$,

В формуле N0 — это величина характеризующая начальное число радиоактивных ядер, в начальный момент времени, t=0.

Определение 10

Чтобы охарактеризовать поведение того или иного радиоактивного вещества вводится характеристика τ, обозначающее среднее время жизни радиоактивного ядра. Её значение: τ=1/ λ — она определяется как время, за которое число нераспавшихся ядер вещества снижается в e раз, где е — число Эйлера, равное 2,718. 

Практическое применение закона радиоактивного распада требует упрощения записи. Для этого в качестве основания надо взять не е, а число 2. Тогда формулу можно представить в следующем виде:

$N(t)=N_{0}\cdot 2^{\frac{-t}{T}}$

Определение 11

В связи с корректировкой формулы вводится новое понятие — время полураспада Т. Характеризует период за которые произойдёт распад половины изначального числа радиоактивных ядер.

Параметры τ и Т связывает следующее соотношение:

$T=\frac{1}{\lambda}\cdot ln2=\tau \cdot ln2=0,693\tau$

Период полураспада позволяет описывать интенсивность процесса радиоактивного разложения вещества. Чем значение Т меньше, чем больше оказывается скорость распада. Для сравнения период полураспада урана составляет 4,5 миллиарда лет. Для радия этот параметр имеет значение 1600 лет. Сравнивая полученные характеристики можно установить, что активность урана гораздо меньше, чем активность радия. Диапазон скоростей разложения варьируется в очень широких пределах — есть элементы, период полураспада которых составляет доли секунды.

Наука установила, что могут существовать серии радиоактивных распадов, когда последовательно образуются несколько разных веществ с всё меньшей и меньшей атомной массой. Это происходит, если в результате α- и β-распада получается нестабильное ядро. В таких случаях процесс идёт до появления стабильного ядра.

Интересный факт

В природе можно встретить несколько таких серий. Наиболее продолжительный распад у урана 238. Процесс включает в себя последовательно 14 этапов, среди которых 6 β-распадов и 8 α-. В результате получается изотоп свинца.

Кроме урана серии обнаружены у нептуния — вещества не существующего в естественных условиях. Серия его распадов приводит к появлению висмута. Такая цепочка появляется в ядерных реакторах.

Радиоактивность нашла применение в археологии и палеонтологии. На этом эффекте основан метод датировки находок. Определяя концентрацию радиоактивных изотопов в предмете, можно с достаточной степенью точности установить время его создания, а для живых организмов время гибели. Радиоуглеродный метод основан на определении содержания в предмете или останках нестабильного изотопа углерода 146С. Он содержится в атмосфере, где появляется как результат реакций вызванных космическими лучами. В воздухе содержится малый его процент, но он потребляется, например, растениями. В момент гибели растения прекращает получать углерод, а его нестабильный изотоп начинает распадаться превращаясь в азот. Поэтому, измерив количество радиоактивного углерода можно узнать время гибели растений.

Все виды радиоактивного излучения оказывают сильное биологическое действие на живых существ, растения, другие живые организмы. Излучение вызывает возбуждение клеток, запускает процессы ионизации атомов. Воздействие излучения разрушает сложные молекулы, оказывает деструктивное влияние на клеточные структуры. Сильное воздействие излучения способно вызвать лучевое поражение, которое приводит к тяжёлым физическим последствиям и даже к смерти живых организмов. Поэтому для людей постоянно работающих с источниками радиации необходима надёжная защита.

Проблема усугубляется тем, что у человека нет органов чувств, позволяющих определить наличе радиационного фона. Воздействие ионизирующей радиации может испытываться человеком в течении длительного времени и в бытовых условиях.

Один из наиболее опасных источников радиации – бесцветный, инертный газ радон. Он является продуктом α-распада радия и имеет период полураспада 3,82 суток. При этом родительское вещество — радий может в незначительных количествах содержаться во вполне обычных, естественных конструкциях, предметах, природных объектах: в строительных материалах, в почве, камнях. Радон, хотя и имеет непродолжительное время жизни, может накапливаться в запертых помещениях, постоянно обновляясь. При этом, не замеченный человеком, он без труда способен попасть в лёгкие, где начинает продуцировать α-частицы и преобразовываться в химически активный полоний, после чего следует серия преобразований, при каждом из которых выделяется излучение. В естественных условиях человек подвергается действию радиации за счёт взаимодействия с радоном, из-за космических лучей, при прохождении медицинских процедур, а также из разных других источников. Однако, суммарная доза облучения, которое человек получает за жизнь, гораздо меньше предельной допустимой.