Закон радиоактивного распада

ФИЗИКА

Урок 78-79                                                                                   21.04.2020

ТЕМА 78-79. Закон радиоактивного распада. Элементарные частицы

Радиоактивностью называют явление самопроизвольного излучения некоторых химических элементов, а вид этого излучения называют радиоактивным излучением. Первым радиоактивное излучение обнаружил Анри Беккерель, который, проводя эксперименты с солями урана, по почернению фотопластинки установил, что они самопроизвольно испускают невидимое излучение сильной проникающей способности. В дальнейшем было обнаружено, что не только уран, но и такие элементы, как радий и полоний, тоже испускают невидимое излучение.

Радиоактивность, которой обладают вещества, существующие в природе, называют естественной радиоактивностью. Она проявляется у всех элементов таблицы Д.И. Менделеева, порядковый номер которых больше 83. В дальнейшем было установлено, что и некоторые искусственно полученные вещества радиоактивны.

Радиоактивный распад

Радиоактивные элементы, испуская излучение, превращаются в другие элементы. При этом, поскольку излучение приводит к появлению нового химического элемента, можно сделать вывод, что изменения происходят именно с ядром атома. Радиоактивное превращение ядер одних элементов в ядра других элементов называют радиоактивным распадом. Существует три вида радиоактивного распада: альфа–, бета– и гамма–излучения.

Период полураспада

В процессе радиоактивного распада число радиоактивных атомов уменьшается. Распад разных радиоактивных веществ происходит с разной интенсивностью. Например, радиоактивные изотопы йода распадаются значительно быстрее, чем изотопы стронция. Характеристикой интенсивности радиоактивного распада является величина, называемая периодом полураспада.

Периодом полураспада Т называют промежуток времени, в течение которого распадается половина первоначального числа атомов радиоактивного вещества. Чем меньше период полураспада, тем быстрее распадутся все радиоактивные атомы.

Например, имеется 4 • 10⁸ атомов радиоактивного изотопа йода, период полураспада которого 25 минут. Это означает, что в течение 25 минут распадается половина ядер изотопа иода, т.е. 2 • 10⁸ ядер, а 2 • 10⁸ ядер останется нераспавшимися. Еще через 25 минут нераспавшимися останется 10⁸ ядер йода, еще через 25 минут — 0,5 • 10⁸ ядер и так далее.

Особенностью закона радиоактивного распада является то, что невозможно предсказать, когда произойдет распад каждого конкретного атома. Оно может произойти во время одного периода полураспада, или двух, или трех. Период полураспада относится не к конкретному атому, а к совокупности атомов радиоактивного вещества.

Познакомившись с ядерными реакциями, настало время поговорить о радиоактивных излучениях. На этом уроке мы рассмотрим типы радиоактивных излучений и особенности, которыми они характеризуются, а также познакомимся с законом радиоактивного распада.

  Причины радиоактивного распада

Было установлено, что во время радиоактивного излучения реализуется мечта алхимиков: излучение сопровождается превращением одних химических элементов в другие.

Пытаясь объяснить явления, наблюдаемые Е. Резерфорд и его сотрудник Ф. Содди выдвинули гипотезу, согласно которой причиной радиоактивного излучения является самопроизвольный распад атомов.

Из гипотезы Резерфорда и Содди следовало, что каждый атом радиоактивного вещества — это «хранилище» энергии. Во время распада атома часть энергии из «хранилища» уносится α - и β-частицами и γ-лучами, а энергия, что осталась, хранится в новом атоме, образовавшийся в результате распада. Стало очевидным, что энергия, которая высвобождается во время радиоактивного распада, содержится не просто в атомах, в атомных ядрах.

  Период полураспада

Резерфорд, исследуя превращения радиоактивных веществ, установил опытным путем, что их активность уменьшается со временем. Так, активность радона уменьшается вдвое уже через 1 мин.

Для каждого радиоактивного вещества существует определенный интервал времени, в течение которого активность уменьшается вдвое.

Ø Период полураспада Т — это время, в течение которого распадается половина наличного числа радиоактивных атомов.

Например, для ядра 22688Ra период полураспада составляет около 1600 лет. Итак, если взять 1 г радия, то через 1600 лет его будет 0,5 г, а через 3200 лет — 0,25 г. Таким образом, исходное количество радия должна превратиться в ноль через бесконечный промежуток времени.

У разных веществ период полураспада очень разный: от миллионных долей секунды до миллиардов лет. Чем меньше период полураспада, тем активнее протекает распад.

 

Радиоактивное вещество	Период полураспада	Радиоактивное вещество	Период полураспада
Полоний	3 · 10-7 с	Стронций	27 лет
Радон	52 с	Радуйся	1622 года
Калифорний	55 суток	Уран	4,5 · 109 лет
Кобальт	5,26 года	Торий	1,4 · 1010 лет

Из таблицы видно, что активность полония уменьшается вдвое почти мгновенно, стронция — за 27 лет, а активность радия, урана и тория не изменяется в течение человеческой жизни.

Закон радиоактивного распада

Пусть число радиоактивных атомов в начальный момент времени (t =0) равна N0. Через время t1 = Т число ядер, не распавшихся равно , через t2 = 2Т останется , через t3 = 3Т таких ядер окажется и т. др. Следовательно, в конце промежутка времени t = nT ядер, не распавшихся останется . Поскольку , то закон радиоактивного распада приобретает вид:

По этой формуле находят число атомов, не распавшихся в любой момент времени. Период полураспада — постоянная величина, которая не может быть изменена такими доступными воздействия, как охлаждение, нагрев, давление и прочее.

Закон распада атомов не является законом, который управляет распадом одного атома, потому что нельзя предугадать, когда произойдет этот распад.

Распад атома не зависит от его возраста, то есть атомы «не стареют».

Распад любого атомного ядра — это, так сказать, не «смерть от старости», а «несчастный случай» в его жизни. Для радиоактивных атомов не существует понятия возраста. Можно определить только среднюю продолжительность жизни .

Средняя продолжительность жизни — это просто среднее арифметическое продолжительности жизни достаточно большого количества атомов данного вида. Предсказать, когда произойдет распад данного атома, невозможно. Закон радиоактивного распада определяет среднее число атомов, распадающихся за определенный интервал времени. Закон радиоактивного распада является статистическим законом.

Ядерные превращения

Изобретен Резерфордом способ подарил ученым замечательный инструмент для изучения свойств атомного ядра. Можно использовать α-частицы как «снаряды» для бомбардировки атомных ядер. При попытке разрушить ядро можно получить его «обломки», которые разлетаются в разные стороны, и по этих «обломках» больше узнать о строении ядра.

Собственно говоря, здесь речь идет об искусственной радиоактивности. Поток α-частиц может быть использован для искусственных радиоактивных превращений.

Ø Искусственной радиоактивностью называют радиоактивность изотопов, полученных в результате ядерных реакций.

Искусственная радиоактивность связана с нарушением условия устойчивости (стабильности) атомного ядра.

1919. Резерфорд изучал прохождение α-частиц через различные вещества. Оказалось, что во время удара α-частиц, которые быстро летят, в ядра легких элементов, например, Азота, из них изредка могут выбиваться протоны (ядра Водорода), при этом сама α-частица входящая в состав ядра, что увеличивает свой заряд на единицу.

Таким образом, в результате реакции

из Азота образуется другой химический элемент — Кислород. Это была первая искусственно проведенная реакция превращения одного элемента на другой.

В 1932 году произошло важнейшее для всей ядерной физики событие: английским физиком Д. Чедвиком был открыт нейтрон. При бомбардировке бериллия α-частицами происходила такая реакция:

Здесь 10n — символ нейтрона, заряд его равен нулю, а относительная масса — единица.

Нейтрон — нестабильная частица, которая распадается за время около 15 мин. на протон, электрон и нейтрино.

Сразу же после открытия нейтрона выдающийся итальянский физик Энрико Ферми предположил, что эта частица является идеальным инструментом для получения искусственных радиоактивных элементов. Действительно, ведь положительно заряженная α-частицу ядро отталкивает. А нейтроны, что не имеет заряда, легче проникнуть внутрь ядра. Это позволило Е. Ферме за несколько месяцев получить больше информации о структуре ядра, чем за десятилетия работы многих научных коллективов.

Важнейшим практическим результатом метода бомбардировки ядер нейтронами стало открытие реакции деления ядер урана. 1939 года было установлено, что в результате бомбардировки ядер урана нейтронами образуется новое неустойчивое ядро Урана делится на два примерно равных по массе осколка, разлетающихся с большой скоростью.

Эта ядерная реакция сопровождается интенсивным g-излучением. Кроме обломков и γ-излучения, эта ядерная реакция сопровождается излучением нейтронов (от 1 до 3). Порожденные этой реакции нейтроны разрушают следующие ядра Урана, затем цикл повторяется. Этот процесс получил название цепной реакции.

Цепная ядерная реакция является основой для преобразования ядерной энергии в другие виды энергии (тепловую, электрическую).