Радиоактивность | теория по физике 🧲 квантовая физика

Радиоактивность — некоторых атомных ядер превращаться в другие ядра, испуская при этом различные частицы и электромагнитное излучение.

Как была открыта радиоактивность

Радиоактивность была открыта в 1896 году французским физиком А. Беккерелем. Он изучал урановые соли, когда впервые столкнулся с необычным явлением. В феврале 1896 года Беккерель подготовил несколько кристаллов урановой соли и закрепил их на фотопластинки, завернутые в бумагу. Но затем он заметил, что погода слишком пасмурная, и решил провести опыт в другое время. По его мнению, для его проведения нужен был более яркий солнечный свет.

Фоточувствительные пластины ученый спрятал в темный ящик стола. Там они пролежали несколько суток. Когда погода прояснилась, Беккерель захотел проявить эти пластинки. Он рассчитывал увидеть на них слабые изображения. Но каким было его удивление, когда он увидел очень четкие изображения. Так ученый обнаружил, что соли урана могут излучать без всякого светового воздействия извне.

Продолжив изучение урановых солей, Беккерелю так и не удалось понять природу необычного излучения. Однажды ученый задал вопрос Пьеру Кюри, которому продемонстрирован опыт с урановой солью: «Ведь вы физик и химик одновременно. Проверьте, нет ли в этих излучающих телах примесей, которые могли бы играть особенную роль». Далее это явление стали изучать Пьер Кюри и его жена Мария Склодовская-Кюри. Спустя 2 года супругам удалось обнаружить еще два химических элемента, которые обладали похожими свойствами. Ими оказались полоний и радий.

Радий — элемент, который на Земле встречается очень редкою. Чтобы получить 1 грамм чистого радия, нужно переработать не менее 5 тонн урановой руды. Причем радиоактивность этого вещества в несколько миллионов раз выше радиоактивности урана. Лишь несколько лет спустя было установлено, что все химические элементы с порядковым номером более 83 являются радиоактивными. Изучая самопроизвольное излучение этих элементов, супруги Кюри дали ему название — радиоактивность.

Физическая природа радиоактивности и виды радиоактивных излучений

Изучением радиоактивного излучения также занимался английский физик Эрнест Резерфорд. Он первый поставил эксперимент, который позволил обнаружить сложный состав этого излучения. Ученый собрал установку, изображенную на рисунке ниже.

Резерфорд поместил препарат радия на дно узкого канала в куске свинца. Напротив открытого конца канала он расположил фоточувствительную пластинку. В результате излучение от радия исходила из канала и попадало на эту пластинку. Но ученый расположил магнит так, что излучающимся частицам приходилось проходить сквозь созданное им магнитное поле. Для чистоты эксперимента вся установка помещалась в сосуд с откачанным воздухом (в вакуум).

Если магнит убрать, то на фотопластинке обнаруживалось лишь одно темное пятно напротив канала. Но если вернуть магнит на место, то пучок распадается на 3 части. Причем одна часть первичного потока сохранила свое направление (пятно получилось напротив пластинки), а две другие его составляющие отклонялись в противоположные стороны.

Как это можно объяснить? Известно, что в магнитом поле меняют свое направление движения только заряженные частицы. Следовательно, опыт продемонстрировал наличие электрических зарядом у двух пучков (у одного из них заряд оказался нейтральным, так как направление изменено не было). Узнать знак этих пучков можно, применив правило левой руки. Так, один из них оказался положительно заряженным, а второй — отрицательно заряженным.

Дальнейшие исследования радиоактивного излучения позволили выяснить природу этих видов излучения. Их разделили на 3 вида и дали им следующие названия:

• Альфа-излучение — поток положительно заряженных α-частиц. Они представляют собой полностью ионизированные атомы гелия (ядра гелия), летящие со скоростью 14–20 тыс. км/с.
• Бета-излучение — поток отрицательно заряженных β-частиц, или электронов. Они летят со скоростью, приближенной к скорости света (около 0,999c).
• Гамма-излучение — электромагнитное излучение с длиной волны менее 10^-10 м, имеющее ярко выраженные корпускулярные свойства, то есть являющееся потоком γ-квантов.

В чем же заключается физическая сущность явления радиоактивности? Чтобы ответить на вопрос, нужно провести исследование самого радиоактивного вещества.

Опыты по изучению радиоактивности, проводимые Резерфордом вместе с английским ученым Ф. Содди, дали понять, что во время радиоактивного излучения исходный химический элемент превращается в другое химический элемент. Такое превращение ученые назвали радиоактивным распадом.

Радиоактивный распад — превращение радиоактивного вещества в другой химический элемент, сопровождающееся радиоактивным излучением.

Радиоактивность — самопроизвольное превращение ядер одних химических элементов в ядра других химических элементов, сопровождаемое испусканием различных частиц или ядер.

Виды распадов:

• α-распад. Ядро теряет одну α-частицу, в результате чего оно теряет массу, равную 4 атомным единицам массы (а.е.м.). При этом из исходного вещества образуется новый химический элемент, смещенный на 2 клетки к началу периодической системы Менделеева.

Символически α-распад можно записать так:

$MZX\to M-4Z-2Y+42He$

$MZX$ — распадающееся радиоактивное вещество с массовым числом M и зарядовым числом Z, $M-4Z-2Y$ — новый химический элемент с массовым числом (M–4) и зарядовым числом (Z–2), $42He$ — излучаемая α-частица.

• $\beta$-распад. Ядро теряет одну β-частицу (электрон), в результате чего он меняет заряд на 1 единицу, а его масса почти не изменяется. При этом из исходного вещества образуется новый химический элемент, смещенный на 1 клетку к концу периодической системы Менделеева.

Символически β -распад можно записать так:

$MZX\to MZ+1Y+0-1e$

$MZX$ — распадающееся радиоактивное вещество с массовым числом M и зарядовым числом Z, $MZ+1Y$ — новый химический элемент с массовым числом M и зарядовым числом (Z+1), $0-1e$ — излучаемый электрон.

Внимание! Фактически при β-распаде один нейтрон превращается в протон с испусканием электрона.

• $\gamma$-распад. Ядро теряет одну γ-частицу. В результате не образуется нового вещества, и масса ядра практически не изменяется.

Пример №1. Записать правило α-распада вещества $23892U$.

Для записи формулы используем формулу:

$MZX\to M-4Z-2Y+42He$

Зарядовое число уменьшится на 2: 92–2 = 90. Этому порядковому номеру соответствует вещество торий.

Массовое число уменьшится на 4: 238–4 = 234.

Следовательно:

$23892U\to 23490Th+42He$

Закон радиоактивного распада

Радиоактивный распад отдельного ядра является совершенно случайным событием. Однако для каждого радиоактивного вещества существует характерный интервал времени, называемый периодом полураспада.

Период полураспада — промежуток времени, за который распадается ровно половина всех ядер.

К примеру, если в некоторый момент времени вещество состоит из N ядер, то через время T, равное периоду полураспада ядер, останется N/2 ядер. В таком случае, через время, равное 2T останется еще вдвое меньше ядер — N/2. И т.д.

Эту закономерность можно записать в виде формулы, которая получила название закона радиоактивного распада:

$N=N_0·2^{-\frac{t}{T}}$

N — число ядер в момент времени t, N₀ — исходное число ядер, T — период полураспада.

Период полураспада зависит от рода вещества. У урана $23892U$ он составляет 4,5 млрд лет. У радия — 1,6 тыс. лет. Существуют химические элементы с периодом полураспада, составляющим миллионные доли секунды.

Пример №2. Период полураспада радия составляет 1600 лет. Через какое время число атомов уменьшится в 4 раза?

Для вычислений применим формулу:

$N=N_0·2^{-\frac{t}{T}}$

Известно, что:

$N_0=4N$

Следовательно:

$N=4N·2^{-\frac{t}{T}}$

$1=4·2^{-\frac{t}{T}}$

$\frac{1}{4}=2^{-\frac{t}{T}}$

$2^{-2}=2^{-\frac{t}{T}}$

$-\frac{t}{T}=-2$

По условию задачи период полураспада равен 1600. Следовательно:

$-\frac{t}{1600}=-2$

$t=2·1600=3200\left(лет\right)$

Задание EF17501

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор

Задание EF17552

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор

Задание EF18114

Из какого ядра в результате двух последовательных α-распадов образуется ядро ₈₄²¹⁶ Po?

Ответ:

---

Алгоритм решения

1. Установить, какие величины меняются при альфа-распаде вещества.
2. Установить характер их изменений.
3. Выяснить, какое вещество может дать данный изотоп полония при двойном альфа-распаде.

Решение

Когда вещество претерпевает альфа-распад, образуется новое ядро и выделяется альфа-частица — ядро гелия. Эта частица имеет зарядовое число 2. Поэтому новое ядро будет иметь заряд, меньший на 2 единицы. Если же произойдет 2 распада подряд, то во втором случае зарядовое число будет меньше на 4 единицы. Полоний в нашем случае — продукт двойного распада. Его зарядовое число — 84. Следовательно, у начального элемента заряд был равен на 4 единицы больше: Z = 84 + 4 = 88. Нам подходит радий, имеющий такое зарядовое число.

Ответ: в

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор

Вся теория