Радиоактивные превращения. Закон радиоактивного распада

История открытия радиоактивности

Слова радиоактивности, радиоактивного излучения, радиоактивные элементы знают сегодня все. Многие, наверное, знают и то, что радиоактивные излучения служат человеку: они позволяют в ряде случаев поставить правильный диагноз болезни, лечат опасные заболевания, повышают урожайность культурных растений.

 В чем же состоит явление радиоактивности?

Немного истории.

Изучая тему «Электромагнитные волны» вы познакомились с рентгеновскими лучами, которые обнаруживаются вследствие свечения катодной трубки и имеют большую проникающую способность. Благодаря этому, открытие Рентгена навсегда вошло в арсенал медицины.

 Открытие рентгеновских лучей дало толчок новым исследованиям. Их излучение привело к новым открытиям, одним из которых явилось открытие радиоактивности.

 Понедельник, 20 января 1896 год. Франция. Около 70 членов Парижской академии наук слушают сообщение Пуанкаре об открытии Рентгена. По рядам пускаются рентгеновские снимки рук, сделанные уже в Париже. Комментируя открытия Рентгена, Пуанкаре высказывает гипотезу о том, что  рентгеновские лучи испускаются по фосфоресценции независимо от наличия катодных лучей.

 Выслушав сообщение Пуанкаре, Андре Беккерель тут же помчался в лабораторию, чтобы проверить его гипотезу.

Обернув фотопластину черной бумагой, он положил на нее металлическую пластинку причудливой формы, покрытую слоем соли урана.

 Дав 4-х-часовую выдержку на солнечном свете, Беккерель проявил фотопластинку и увидел на ней точный силуэт металлической фигурки. Он повторял опыты с большими вариациями, получая отпечатки ключа, монеты; отделяя соли урана от фотопластинки стеклом во избежание химического воздействия. Все опыты подтверждали гипотезу Пуанкаре (о рентгеновских лучах).

 Ничего не понимая, Беккерель решил повторить случайный опыт. Результат тот же. Ясно одно, Х-лучи ничего общего с фосфоресценцией не имеют. Беккерель делает вывод, что соли урана самопроизвольно, без влияния внешних факторов создают какое-то излучение – нового порядка.

А. Беккерель продолжает изучать открытые им лучи. Однажды, демонстрируя своему гостю излучение урановых образцов, он задал ему вопрос в виде просьбы:

 «Ведь вы физик и химик одновременно. Проверьте, нет ли в этих излучающих телах примесей, которые могли бы играть особенную роль».

 И этот, казалось бы, частный вопрос хозяин стал научной программой исследований молодой четы: Пьера Кюри (1859 – 1906) и его жены Марии Склодовской-Кюри (1867 – 1934)

Исследования М. Склодовской и П. Кюри увенчались успехом. Они обнаружили излучение у тория, а затем, переработав огромное количество урановой руды, выделили новые химические элементы, названные ими полонием и радием (лучистым). Само же явление самопроизвольного излучения было названо супругами Кюри радиоактивностью.

 Впоследствии было установлено, что все химические элементы с порядковым номером более 83 являются радиоактивными. Радиоактивные изотопы имеются у более легких ядер.

 Понятие радиоактивности.
Радиоактивность – новое свойство вещества, связанное с наличием особых излучений.
Радиоактивные вещества – это вещества, испускающие излучения.
Радиоактивность - неустойчивость ядер некоторых атомов, проявляющаяся в их способности к самопроизвольным превращениям (распаду), сопровождающимся испусканием ионизирующего излучения или радиацией.
Радиация (ионизирующее излучение) - это частицы и гамма-кванты, энергия которых достаточно велика, чтобы при воздействии на вещество создавать ионы разных знаков.
Радиацию нельзя вызвать с помощью химических реакций.

Виды радиоактивности
Естественная – явление самопроизвольного превращения неустойчивых изотопов в устойчивые, сопровождающееся испусканием частиц и излучением энергии.(Все элементы, начиная с порядкового номера 82, обладают радиоактивностью).
Искусственная
 

Физическая природа радиоактивности.

 Каков состав, природа и свойства радиоактивных излучений?                  

 Классический опыт показан на рисунке.

Радиоактивный препарат помешался на дно узкого канала в куске свинца. Против канала помещалась фотопластинка. На выходившее из канала излучение действовало сильное магнитное поле, перпендикулярное пучку. Вся установка размещалась в вакууме.

 В отсутствие магнитного поле на фотопластинке после проявления обнаруживалось одно темное пятно, точно против канала, а в магнитном поле пучок распадался на 3 пучка. Две составляющие первичного потока отклонялись в противоположные стороны. Это определенно указывало на наличие у этих составляющих электрических зарядов противоположных знаков; отрицательная компонента излучения отклонялась в магнитном полем гораздо больше, чем положительная. Третья составляющая не отклонялась магнитным полем. Положительно заряженная компонента получило название альфа-лучей, отрицательно заряженная – бета-лучи и нейтральная – гамма-лучи.

Эти три вида излучения очень сильно отличаются друг от друга по проникающей способности, т.е. по тому, насколько интенсивно они поглощаются различными веществами.

Виды радиоактивного распада

Три вида излучения изучаются с помощью таблицы:

Радиоактивные превращения. Правила смещения.

 Что же происходит с веществом при радиоактивном распаде?

 Уже самые первые опыты, проделанные Резерфордом совместно с английским ученым Ф. Содди, убедили их, что при радиоактивном распаде происходит превращение одних химических элементов в другие.

  Ф. Содди

Цепочки превращений испытали радиоактивные элементы: актиний, торий, уран. Общий вывод, к которому пришли ученые, сформировал Резерфорд.

Радиоактивность представляет собой самопроизвольное превращение одних в другие, сопровождаемое испусканием различных частиц или ядер.

Правила смещения.

 Превращение ядер подчиняется правилу смещения, сформулированному впервые английским ученым Ф. Содди.

α – распад: Ядро теряет положительный заряд 2ē и масса его убывает на 4 а.е.м.

^A_ZХ α → ^A-4 _Z-2 Y + ⁴₂He

Элемент смещается на 2 клетки к началу периодической системы.

β – распад: из ядра вылетает электрон, заряд увеличивается на  единицу, а масса остается почти неизменной.

^A_ZХ β → ^A _Z+1 Y + ⁰_-1e

Элемент смещается на 1 клетку к концу периодической системы.

Как же из ядра вылетают электроны, если их там нет? При β – распаде нейтрон превращается в протон с испусканием электрона

γ – излучение не сопровождается изменением заряда, масса же ядра меняется ничтожно мало.

Вероятность распада

Характеризует относительное уменьшение числа ядер за 1 с.

λ= - ΔΝ / ΝΔτ

Вероятность распада не зависит ни от числа ядер, ни от времени наблюдения. Поэтому ее называют постоянной распада.

Закон радиоактивного распада.

Установлен Ф. Содди. Опытным путем доказан Резерфордом.

,

где N- число не распавшихся ядер за время t,

N₀ –начальное число нераспавшихся ядер

t – время

Т –период полураспада

Период полураспада

Это время, за которое распадается половина первоначального количества ядер, или время, по прошествии которого, остается нераспавшейся половина первоначального числа ядер: t=T_1/2 , если Ν = Ν₀/2 , то T_1/2 = 0,693/λ

 Периоды полураспада

Уран – 4,5 млрд. лет Протактиний – 32 Радий – 1590 лет Радон – 3825 сут Радий С (изотоп полония) – 1,5 ·10-4 с

Активность (А)

Величина, равная модулю отношения числа распавшихся атомов ко времени, за которое произошли эти распады

Единицей А служит беккерель(Бк): 1 Бк – это активность ядер в радиоактивном источнике, в котором за 1 с происходит один акт распада ядра. Внесистемными единицами А служат: кюри: 1 Ки = 3,7 ·1010 Бк; милликюри: 1мКи = 3,7 ·107 Бк; микрокюри: 1 мкКи = 3,7 · 104 Бк.

Примеры решения задач

Задача1. Через сколько времени распадется 80% атомов радиоактивного изотопа хрома, если его период полураспада 27,8 суток?

Дано:

⁵¹Cr₂₄ 

T = 27.8 суток.

Найти:

t распада 80 % атомов-?

Решение: Период полураспада — это промежуток времени, в течении которого распадается половина первоначального количества ядер.

Для решения задачи применим закон радиоактивного распада.

Запишем закон в виде формулы:

N = N₀ · 2^-t/T.

где N — количество не распавшихся ядер;

N₀ — первоначальное количество ядер;

t — промежуток времени;

T — период полураспада.

Задача 2. Во что превратиться ²³⁵U₉₂ после альфа- и двух бета-распадов?

Задачи для самостоятельного решения:

1. Какая часть атомов радиактивного изотопа кобальта ⁵⁸ ₂₇СО распадется за 20 суток, период полураспада 72 суток. Сколько времени понадобатся, чтобы распалась такая же часть атомов ⁶⁰ ₂₇СО, период полураспада которого 5,3 года?

2. Во что превратиться ²³⁵U₉₂после альфа- и трех бета-распадов?

3. В какое вещество превратиться ²¹⁰Tl₈₁ после трех последовательных бета –распадов и одного альфа?

4. Ядро изотопа ²³²Th₉₀ претерпевает альфа распад и два бета распада и еще один альфа распад. Какие ядра после этого получаются?

5. Во что превращается ²³⁹U₉₂после альфа- и двух бета-распадов?

7. Ядро полония-216 образовалось после двух последовательных альфа-распадов. Из какого ядра оно образовалось.

Домашнее задание:

Задачи:

1. Определите ядро, какого химического элемента образуется из углерода —14 в результате бета-распада.

2. Ядро изотопа висмут-211 получилось из другого ядра после альфа- и бета- распадов. Что это за ядро?

3. Сколько альфа- и бета-распадов происходит в результате превращения радия-226 в свинец-206?

4. Ядро изотопа висмута ₈₃Вi²¹⁰ получилось из другого ядра после одного α- распада и одного β- распада. Что это за ядро?

5. В какой элемент превращается ²³⁹U₉₂ после двух β- распадов и одного α – распада?

Контрольные вопросы:

1. Дайте характеристику альфа, бета и гамма излучению

2. Запишите закон радиоактивного распада

3. Что называют периодом полураспада?

4. Запишите закон альфа распада, бета распада.