Определение радиоактивности
Французский физик, ученый Анри Беккерель обнаружил, что природный минерал из соли урана испускает невидимое излучение, которое засвечивает фотопластинки вне доступа света. Это явление впоследствии получило название радиоактивность. Данный термин ввела М. Склодовская-Кюри.
Самопроизвольное превращение неустойчивого изотопа одного химического элемента в изотоп другого элемента, при котором происходит испускание элементарных частиц, называется радиоактивностью.
Существуют три основных вида радиоактивных лучей:
- α-лучи, состоящие из α-частиц, с зарядом в 2 раза больше, чем у электрона, но с положительным знаком, и массой в 4 раза больше, чем у атома водорода;
- β-лучи представляют собой поток электронов;
— γ-лучи — это электромагнитные волны с ничтожно малой массой и не несущие электрического заряда.
Схематично радиоактивные излучения показаны на рисунке 1 ниже.
Рисунок 1 — Расщепление радиоактивного излучения в электрическом поле
Они названы по трем первым буквам греческого алфавита. Кроме того, есть два менее распространенных вида радиоактивного распада:
— испускание позитронов;
— захват электронов.
В начале ядро испускает альфа-лучи или бета-лучи, а если оно все еще остается нестабильным, тогда ядро испускает еще и гамма-лучи.
Альфа-частицы имеют в своем составе два протона и два нейтрона. Таким же является состав ядра атома гелия. Поэтому предполагается, что гелий и есть продукт естественной радиоактивности.
Альфа-частицы движутся медленно, и слой вещества более толстый, чем лист бумаги, задерживает их. Альфа-частица пролетает менее 10 см, и лист плотной бумаги задержит ее.
Бета-частицы — это электроны с очень большой энергией. Они возникают при распаде нейтронов. Бета-частица пролетает в воздухе около 1 м. Задержать ее может лист меди толщиной 1 мм.
Гамма-лучи — это электромагнитное излучение большой энергии, распространяющейся со скоростью света. Бета-частица пролетает в воздухе около 1 м, задержать ее может лист меди толщиной 1 мм. Интенсивность гамма-лучей падает наполовину при проходе через слой свинца в 13 мм или слой воздуха в 120 м.
На рисунке 2 показана интенсивность альфа-, бета-, гамма- лучей при проходе через разные препятствия.
Рисунок 2 — Интенсивность альфа-, бета-, гамма- лучей при проходе через разные препятствия
Основные данные излучений радиоактивности представлены ниже в таблице 1.
Таблица 1 — Основные данные излучений радиоактивности
| Излучение | Обозначение | Заряд | Масса (а.е.м) |
| α-лучи | He | 0 | 4 |
| β-лучи | е—е+ | -1+1 | 00 |
| γ-лучи | γ | 0 | 0 |
В таблице 2 описана характеристика излучений радиоактивности.
Таблица 2 — Характеристика излучений радиоактивности
| Излучение | Что излучается | Проникающая способность | Облучение от источника | Скорость излучения | Биологическое действие радиации |
| α-лучи | два протона и два нейтрона | низкая | до 10 м | 20000 км/с | высокое |
| β-лучи | электроны или позитроны | средняя | до 20 м | 300000 км/с | среднее |
| γ-лучи | энергия в виде фотонов | высокая | до сотен метров | 300000 км/с | низкое |
Позитронным распадом (позитрон — частица с элементарным положительным зарядом и массой электрона +1β) называется такой распад, в результате которого один протон превращается в нейтрон, а заряд ядра уменьшается на единицу (массовое число атома остается постоянным):
147N = 146C + +1β
Электронным захватом (К-захватом) называется распад, при котором электрон ближайшего к ядру К-слоя захватывается ядром, при этом протон ядра превращается в нейтрон. Заряд ядра при этом уменьшается на единицу, а массовое число не изменяется:
147N + -1ē = 146C + γ
Ученые установили, что все химические элементы, в ядре которых более 84 протонов (под этим порядковым номером в таблице находится полоний Ро), являются нестабильными и время от времени подвергаются радиоактивному распаду. Однако существуют изотопы, в ядре которых меньше 84 протонов, но они также радиоактивны.
О стабильности изотопа судят по соотношению числа протонов и нейтронов атома. Если это соотношение близко к оптимальному для данного элемента, то изотоп будет стабильным. Например, углерод-12 имеет 6 протонов и 6 нейтронов, что делает его очень стабильным изотопом. Однако, если соотношение протонов и нейтронов сильно отличается от оптимального, то изотоп может быть нестабильным и проходить радиоактивный распад. Нестабильные изотопы могут иметь либо слишком много, либо слишком мало нейтронов относительно количества протонов.
Изотоп будет нестабилен, если разность между количеством протонов и нейтронов велика (много протонов и мало нейронов либо мало протонов и много нейтронов).
Изотоп элемента будет устойчивым, если количество нейтронов и протонов в его атоме примерно равно.
Также устойчивость атомного ядра зависит от силы взаимодействия между нуклонами (протонами и нейтронами) внутри ядра. Эта сила определяется ядерными силами, которые действуют на очень маленьких расстояниях и обеспечивают сцепление нуклонов в ядре.
Другой важный фактор, влияющий на устойчивость атомного ядра, — это энергия связи нуклонов в ядре. Энергия связи — это энергия, необходимая для отделения одного нуклона от ядра. Чем выше энергия связи, тем устойчивее ядро.
Кроме того, существуют определенные конфигурации нуклонов в ядре, которые способствуют его устойчивости. Например, ядра с четными числами нейтронов или протонов (2, 8, 20, 28 и т. д.) оказываются более устойчивыми.
Таким образом, устойчивость атомного ядра зависит от нескольких факторов, включая отношение числа нейтронов к числу протонов, четность или нечетность их числа, силу взаимодействия между нуклонами и энергию связи нуклонов в ядре.
В таблице 3 ниже представлены данные о числах устойчивых изотопов с разными числами нуклонов.
Таблица 3 — Число устойчивых изотопов с разными числами нуклонов
| Число устойчивыхизотопов | Число протонов | Число нейтронов |
| 157 | четное | четное |
| 52 | четное | нечетное |
| 50 | нечетное | четное |
| 5 | нечетное | нечетное |
Знание периода полураспада позволяет определить скорость распада радиоактивного элемента. Период полураспада — это время, за которое половина начального количества радиоактивных атомов превратится в продукты распада. Период полураспада обозначается символом Т1/2,
N = N0/2n
Например, если период полураспада у радиоактивного элемента равен 100 лет, то через 100 лет останется только половина начального количества радиоактивных атомов, через 200 лет — четверть и т. д.
Если известен период полураспада и начальное количество радиоактивных атомов, то можно определить, через сколько времени радиоактивный элемент станет безопасен, т. е. его радиоактивность упадет до необнаруживаемых уровней. Для этого нужно умножить период полураспада на 10 — это и будет время, через которое радиоактивность упадет до необнаруживаемых уровней.
Например, если период полураспада у радиоактивного элемента равен 10 лет, через 100 лет он станет безопасен.
Ниже в таблице 4 собраны данные периода полураспада для определенных радиоактивных изотопов.
Таблица 4 — Период полураспада некоторых радиоактивных изотопов
| Изотоп | Период полураспада | Безопасный период |
| Криптон-94 | 1,4 секунды | 14 секунд |
| Радон-222 | 3,8 суток | 38 суток |
| Йод-131 | 8 суток | 80 суток |
| Кобальт-60 | 5,2 года | 52 года |
| Водород-3 | 12,3 года | 123 года |
| Углерод-14 | 5730 лет | 57 300 лет |
| Уран-235 | 4,5 млрд. лет | 45 млрд. лет |
| Рений-187 | 70 млрд. лет | 700 млрд. лет |
Содержание изотопов ряда элементов в природе не является постоянным, оно отличается для различных геологических образцов.
Для таких элементов величина относительной атомной массы Аr, не может быть определена с высокой степенью точности.
Относительная атомная масса элемента — это среднее арифметическое массы всех его изотопов, умноженное на их относительную частоту в природе. Если элемент имеет только один стабильный изотоп, то относительная атомная масса будет точно соответствовать массе этого изотопа и будет приведена с высокой точностью (пять или шесть значащих цифр после запятой).
Например, углерод имеет два стабильных изотопа — углерод-12 и углерод-13. Относительная атомная масса углерода равна 12,011 углеродных единиц, что соответствует массе изотопа углерод-12.
Таким образом, если элемент имеет только один стабильный изотоп, его относительная атомная масса будет указана с высокой точностью в периодической системе химических элементов.
Главные выводы по данной теме:
Радиоактивность — это самопроизвольное превращение неустойчивого изотопа одного химического элемента в изотоп другого элемента, при котором происходит испускание элементарных частиц.
Устойчивость атомного ядра зависит от отношения числа нейтронов к числу протонов.
Скорость распада радиоактивных нуклидов определяется периодом полураспада атома.
Задания для самопроверки:
Задание 1
Кто первым открыл явление радиоактивности:
А) Э. Резерфорд
В) М. Склодовская-Кюри
С) А. Беккерель
D) Д. Томсон
E) А. Эйнштейн
Задание 2
В реакции распада 21684Ро → … + 21282Рb недостающий элемент:
А) He
В) е—
С) е+
D) γ
E) p+
Задание 3
Бета-излучение представляет собой:
А) поток ядер гелия
В) поток нейтральных частиц
С) поток положительных частиц
D) поток электронов
Е) поток фотонов
Задание 4
В ядерной реакции 147N + … → 137N + 210n недостающей частицей является:
А) электрон
В) α-частица
С) нейтрон
D) β-частица
E) протон
Задание 5
Активность радиоактивного элемента уменьшилась в 4 раза за 8 дней. Период полураспада равен:
А) 1 день
В) 2 дня
С) 8 дней
D) 4 дня
E) 16 дней
Ответы:
1 – C, 2 – A, 3 – D, 4 – C, 5 – D.
Загрузка...